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분리형 플라이백 토폴로지를 사용하여 스위치 모드 전원 공급 장치 설계



글/Art Pini, Digi-Key


모든 전자 시스템은 어느 정도의 전력이 필요하다. 이를 위해 전원 공급 장치들은 특징이 쉽고 자세히 설명되어 있다. 그런데도, 모바일 장치부터 유선 구동 하드웨어까지 모든 응용 분야에서 작은 크기, 높은 효율, 높은 신뢰성, 우수한 전력 무결성 등을 추구하는 트렌드로 인해 전원 공급 장치를 설계 및 선택하는 것은 엔지니어에게 계속 어려운 과제이다.
5G와 같은 고속 데이터 통신 시스템의 등장으로 타이밍 및 잡음 한계 요구 사항이 매우 까다로워지고 있다.
소형 폼 팩터에서 효율적이고 안정적인 전력 공급 문제를 해결하기 위해 전원 공급 장치 설계자는 플라이백 토폴로지를 포함하는 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)를 사용하고 있다. 이 토폴로지는 최대 150W의 전력 레벨에 유용하며 작은 크기에 적은 부품 수로 설계되어 경제적이다. 또한 입/출력이 분리되어 있고 효율성이 뛰어나다.
이 기사에서는 스위치 모드 전원 공급 장치의 작동에 관해 설명하고 전원 공급 장치의 제작 및 구매 결정 프로세스에 대해 알아본다. 또한 플라이백 토폴로지를 활용하는 단일 출력 공급 장치의 설계에 대해 살펴보고 손쉽게 구할 수 있는 부품을 사용하여 샘플 설계를 제공한다.


스위치 모드 전원 공급 장치


SMPS 또는 스위처는 스위칭 조정기를 사용하여 AC 또는 DC 전원의 안정적인 출력 전압을 유지하는 전원이다. 스위칭 조정기는 출력 전압을 일정하게 유지하기 위해 ‘On’, ‘Off’ 상태를 전환하는 하나 이상의 반도체 장치(예: 양극 접합 트랜지스터, MOSFET, IGBT)를 사용한다. 이러한 장치는 고정된 ‘On’ 시간과 가변 주파수로 작동하거나 더욱 일반적으로, 고정 주파수와 가변 듀티 사이클로 작동할 수 있다. ‘On’ 또는 ‘Off’ 상태일 때 스위칭 장치의 낮은 소비 전력으로 인해 높은 효율을 얻을 수 있다. 장치는 상태를 전환하는 동안에만 전력을 소비한다. 또한 스위칭 주파수는 일반적으로 수십 KHz이지만 변압기, 인덕터 및 커패시터는 훨씬 더 작을 수 있으므로 높은 용량 효율을 제공한다.
SMPS의 장점은 전자파 장해(EMI)의 가능성에 의해 반(감소)한다. 이는 스위칭 과도 상태 때문이며 신중한 부품 선택, 레이아웃 및 차폐를 통해 개선될 수 있다. 그 결과 SMPS는 장점이 단점을 크게 능가하여 전원 공급 장치 중 가장 널리 사용되고 있으며, 선형 공급 장치를 가장 민감한 전자 응용 분야로 밀쳐냈다.


SMPS 토폴로지


다양한 회로 설계 또는 토폴로지에서 SMPS를 실현할 수 있다. 12가지 이상의 토폴로지가 널리 사용되고 있다(표 1).

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[표 1] 가장 일반적으로 사용되는 10가지 스위치 모드 전원 공급 장치 토폴로지


플라이백 토폴로지

플라이백 컨버터는 가장 일반적으로 사용되는 SMPS 회로이다(그림 1).

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[그림 1] 단일 MOSFET 스위치와 플라이백 변압기를 사용하는 플라이백 컨버터의 기능 구성도

플라이백 토폴로지의 주요 장점은 단순성이다. 해당 전력 레벨에서 SMPS 토폴로지의 부품 수가 가장 적다. 공급 장치는 DC 또는 AC 전원으로 구동될 수 있다. AC 전선(주)을 통해 작동하도록 구성된 경우 전선의 전파는 일반적으로 정류된다. 입력 전원(Vi)은 DC이다.
회로의 중심에는 플라이백 변압기가 있다. 기존 변압기 권선과 달리 플라이백 변압기의 1차 권선과 2차 권선에 동시에 전류가 흐르지 않는다. 이는 권선의 점 표기법과 2차측의 계열 다이오드로 알 수 있듯이 권선의 위상 반전 때문이다.
플라이백 변압기를 사용하면 다양한 이점이 있다. 먼저 공급 장치의 1차측과 2차측이 전기적으로 절연 상태이다. 이로 인해 1차측의 과도 커플링이 감소하고, 접지 루프가 제거되며, 공급 장치 출력 극성의 유연성이 크게 향상된다.
변압기를 통해 공급 장치에서 다양한 출력 전압을 생성할 수 있다. 전압별로 해당 권선이 변압기에 추가된다. 조정은?단일 출력에만 기반을 두며 2차 출력은 일반적으로 국부적으로 조정된다. 스위치(예: MOSFET)를 켜면 회로가 작동하기 시작한다(그림 2).

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[그림 2] 두 작동 모드 각각에 대한 기본 파형을 보여주는 플라이백 공급 장치 작동

스위치를 켜면 VDRAIN이 0V에 가깝고 전류(IP)가 변압기의 1차 권선을 통해 흐른다. 에너지는 변압기의 자기 유도 용량으로 저장된다. 이 전류는 시간에 따라 선형적으로 상승한다. 2차측에서는 계열 다이오드가 역방향 바이어스이고 2차 전류가 흐르지 않습니다. 출력 커패시터에 저장된 에너지가 출력 전류를 공급한다.
MOSFET 스위치가 꺼진 상태에서는 변압기에 저장된 에너지가 다이오드를 통해 출력 커패시터와 출력 부하로 출력된다. 2차 전류가 큰 값에서 시작되고 램프가 선형적으로 감소한다. 스위치를 다시 켜기 이전에 2차 전류가 0으로 강하될 경우 이러한 공급 장치를 불연속 전류 모드(DCM) 공급 장치라고 한다. 2차 전류가 0으로 떨어지지 않을 경우 이러한 공급 장치를 연속 전류 모드(CCM) 공급 장치라고 한다. 인덕터에 저장된 에너지가 각 스위칭 사이클에 완전히 방전되므로 DCM 공급 장치에서는 더 작은 변압기를 사용할 수 있다. 또한 공급 장치가 일반적으로 더 안정적이고 낮은 EMI를 생성한다.
스위치를 끄면 변압기의 누출 유도 용량으로 저장된 에너지가 1차측으로 흐르고 입력 클램프 또는 ‘스너버’ 회로에서 흡수된다. 이 기능은 반도체 스위치를 높은 유도 전압으로부터 보호한다. 스위치의 ‘ON’ 상태와 ‘OFF’ 상태를 전환하는 동안에만 전력이 소비된다(그림 3).

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[그림 3] MOSFET 스위치의 전압 및 전류 파형을 보여주는 플라이백 공급 장치의 측정 및 순간적인 소비 전력

그림 3의 상단 트레이스는 플라이백 전원 공급 장치의 MOSFET 스위치를 통과하는 전압이다. 색이 지정된 오버레이는 MOSFET의 상태를 나타낸다. 파란색 오버레이는 장치가 작동 중인 상태를 나타내고, 빨간색 영역은 장치가 꺼진 상태를 나타낸다. 가운데 트레이스는 장치를 통과하는 전류이다. 하단 트레이스는 인가 전압과 결과 전류의 곱으로 계산된 순간적인 전력을 보여준다. 소비 전력은 스위칭 전환 중에 가장 중요한다. 트레이스 표시 아래의 판독은 왼쪽부터 켜기, 전도, 끄기 및 OFF 상태 동안의 전력 손실과 모든 영역의 전력 손실 합계를 나타낸다.

컨트롤러/조정기

구성도(그림 2)의 MOSFET와 같은 스위칭 장치는 컨트롤러 또는 스위치 모드 조정기에 의해 구동된다. 대부분의 경우 컨트롤러는 스위치의 제어 소자(MOSFET의 경우 게이트)에 펄스 폭 변조(PWM) 파형을 적용한다. 공급 장치의 출력은 컨트롤러와 다시 결합한다. 컨트롤러는 게이트 구동 신호의 듀티 사이클을 변경하여 일정한 출력 전압을 유지한다. 따라서 컨트롤러는 플라이백 컨버터에 대해 폐쇄 루프 제어 시스템을 형성한다.
컨트롤러는 과부하, 과전압 또는 저위선 조건으로부터 공급 장치 보호와 같은 다양한 보조 기능을 처리할 수도 있다. 또한 공급 장치의 시동을 관리하여 초기 과도 전류 및 전압을 최소화함으로써 잘 제어된(‘소프트’) 시동을 보장할 수 있다.

SMPS 설계

다양한 반도체 부품 제조업체에서 스위치 모드 전원 공급 장치를 설계하는 데 도움이 되는 설계 도구를 제공한다(예:?Texas Instruments의 WEBENCH Power Designer(그림 4)).

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[그림 4] TI WEBENCH 파워 디자인 센터의 시작 페이지에는 25W 5V 플라이백 전원 공급 장치의 SMPS 설계에 대한 기본 사양이 표시되어 있다.

설계는 공급 전압 범위, 원하는 출력 전압, 전류 등에 대해 사용자가 입력한 전력 사양으로 시작된다. 이 경우, 원하는 설계는 분리형 토폴로지를 사용하여 AC 전원으로 작동하는 5V, 5A 공급장치를 위한 것이었다. 더 복잡한 다중 출력 공급 장치의 경우 고급 전력 아키텍처 설계 도구가 있다.
이 지점에서 소프트웨어는 일련의 설계를 시작하고 사용자에게 컨트롤러를 선택할 것을 알린다. 사용자는 각 설계를 검토하여 회로도, 부품명세서(BOM) 비용, 효율, 12개 관련 회로 사양을 확인할 수 있다. 이 예에서는 Texas Instruments UCC28740 플라이백 컨버터를 선택하고 설계 회로도를 표시한다(그림 5).

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[그림 5] WEBENCH에서 제안하는 광 절연 피드백을 사용하는 25W AC SMPS를 보여주는 회로도

회로도의 부품을 가리키면 부품에 대한 자세한 설명이 표시되며 대체 부품을 선택할 수도 있다. 컨트롤러(U1)는 CEL PS2811-1-F3-A?광절연기를 통해 출력에서 피드백을 수신한다. 이 피드백 방법은 회로의 1차 섹션과 2차 섹션 간 전기 절연을 유지한다. 컨트롤러는 전원 스위치 M1,STMicroelectronics의 STB21N90K5?900V, 18.5A, MOSFET에 PWM 구동 신호를 제공한다. 또한 설계 도구를 사용하여 플라이백 변압기를 선택하거나 설계할 수 있다. 설계 요약 페이지에서는 주요 설계 요소에 대해 간략하게 설명한다(그림 6).

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[그림 6] 설계 요약 이미지는 제안된 설계의 모든 요소를 통합한다.

최적화 회로 조정 섹션을 활용하면 사용자가 최저 부품 명세서(BOM) 비용, 최소 실장 면적 또는 최대 효율에 맞게 설계를 최적화할 수 있다. 경험이 부족한 설계자의 경우 이 도구를 활용하여 다양한 설계를 검토하고 부품 변경 효과를 확인하면서 경험을 쌓을 수 있다.

제작할 것인가? 또는 구매할 것인가?
엔지니어가 SMPS에 대한 경험이 없다면 학습 과정이 필요한 것은 당연한다. 출시 시간이 중요하다면 표준 공급 장치를 구매하거나 맞춤형 전원 공급 장치 설계를 계약하는 것이 가장 좋다. 시간이 있고 기술 담당자도 있다면 특히 여러 프로젝트에서 공급 장치가 필요할 경우 공급 장치를 설계하는 것이 좋다. SMPS 설계에 반복적으로 노출될수록 설계 담당자의 전문 지식이 축적된다.

결론

스위치 모드 전원 공급 장치는 효율이 높고 크기가 작다. 150W 이하의 전력 레벨에서 플라이백 토폴로지 공급 장치는 다양한 출력, 적은 부품 수, 회선 분리 등과 같은 장점이 있다.

leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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