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의사공진형 플라이백 컨버터용 디지털 시스템 솔루션

파워서플라이 설계 기술 동향 김의겸l승인2008.07.30 00:00:00

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글 : 마오 밍핑, 헤 위, 제오 멩 키앗 인피니언 테크놀로지스 / www.infineon.com 에너지 문제에 대한 관심이 높아지면서 대부분의 파워서플라이 표준은 최대 부하에서의 효율뿐 만 아니라 전체 부하 영역에서의 평균 효율에 많은 강조를 하고 있다. 예를 들면, 에너지 스타(Energy Star) 2.0이 요구하는 평균 효율은 87%이다[1]. 디지털 주파수 감소 방식은 좀 더 손쉽게 평균 효율을 높일 수 있도록 해준다. 또한 디지털 회로는 비선형 최대 입력 파워 제한 곡선을 만들 수 있으며 이는 아날로그 회로에 비해 더 정확하다. 인피니언의 새로운 컨트롤러 ICE2QS02G[2]는 이러한 디지털 기능을 기타 다른 필수 기능들과 함께 더욱 뛰어난 시스템 솔루션으로 제공한다. ICE2QS02G 디지털 기능 부하가 감소할 때의 디지털 주파수 감소 의사공진형 플라이백 컨버터는 고정 주파수 플라이백 컨버터에 비해 스위치-온 상태에서의 손실이 적으면서도 보다 나은 EMI 성능을 제공하는 특성으로 인해 여러 분야에 걸쳐 광범위하게 사용된다. 의사공진형 플라이백 컨버터는 가변적인 스위칭 주파수가 출력 부하의 감소에 따라 증가한다는 문제점을 가지고 있는데, 이는 의사공진형 작동 방식이 갖는 중간 및 낮은 부하 조건에서의 효율 개선을 상쇄해 버린다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 인피니언의 의사공진형 PWM 컨트롤러 IC제품인 ICE2QS02G는 디지털 주파수 감소 전략을 기반으로 개발됐다. ICE2QS02G에는 디지털 신호 처리 회로 및 아날로그 시그널 처리 회로가 모두 내장되어 있다. 디지털 신호 처리 회로는 업/다운 카운터, ZC-카운터(ZC-counter) 및 디지털 비교 측정기를 내장하며 아날로그 회로는 전류 측정기와 비교기를 내장하고 있다. 스위치-온 및 스위치-오프 시점은 이 디지털 회로와 아날로그 회로에 의해 결정된다. 업/다운 카운터는 주 파워 스위치가 변압기의 자기를 없앤 후 스위치-온 되기 전에 무시된 제로 크로싱(zero crossing) 개수를 저장한다. 이 값은 피드백 전압, VFB에 의해 결정되는데 여기에는 출력 부하에 대한 정보가 포함되어 있다. 그러므로 VFB에 따라 업/다운 카운터 값이 변하는데, 이는 출력 부하에 따라 파워 MOSFET 오프-타임을 변동시키기 위해서다. 업/다운 카운터 값의 변동과 피드백 전압 간의 관계는 표 1과 같다. 피드백 전압 VFB는 각각의 48ms 클록 기간 동안 3종의 임계(threshold) 전압 VRL, VRH 및 VRM과 내부적으로 비교된 것이다. 업/다운 카운터는 향상, 불변 또는 저하된다. ICE2QS02G에서 제로 크로싱은 7로 제한된다. 따라서 카운터의 변동 범위는 1과 7 사이가 되는데 이 범위를 벗어난 경우는 무시된다. VFB가 VRM 전압을 초과하면 업/다운 카운터는 1로 초기화되는데 이는 시스템이 갑작스러운 로드 증가에 신속하게 대응할 수 있도록 하기 위해서다. 또한 업/다운 카운터 값은 최대 부하에서의 효율적인 기동을 위해 기동 시에 1로 초기화한다. ZC 카운터는 MOSFET이 스위치 오프 된 후 제로 크로싱 값을 저장한다. VZC의 전압 램프가 떨어져 100mV 임계전압을 교차할 때마다 제로 크로싱이 발견되며 ZC 카운터는 1씩 증가하게 된다. MOSFET 스위치-온은 ZC 카운터 값과 업/다운 카운터가 같을 때 작동된다. 최대 부하(full load) 및 낮은 부하(light load) 조건에서 스위치-온은 그림 1에서 보듯이 각각 Vds 전압의 첫 번째와 일곱번째 밸리 포인트(valley point)이다. 낮은 부하 조건에서의 주파수는 상당히 낮은 레벨까지 효율적으로 떨어지지만 그래도 밸리 스위칭은 여전히 유효하다. 이는 낮은 부하에서도 높은 효율성을 보장한다. 디지털 주파수 감소 전략의 결과 또한 그림 1에 자세히 나타나있다. 스위칭 주파수는 상당히 낮은 단계까지 감소될 뿐 아니라 전반적인 로드 범위에 걸친 밸리 스위칭 또한 여전히 보장된다. 내장형 디지털 소프트 스타트 ICE2QS02에서 구현된 소프트 스타트(soft-start)는 디지털 타임 기반 성능이다. 스타트업의 시작 단계에서 IC는 총 5단계에 걸쳐 20ms의 소프트 스타트 타임을 제공한다. 이 기간 동안 최대 1차 전류는 내부 레퍼런스 전압에 의해 제한된다. 따라서 내부 레퍼런스 전압은 1.8V에서 4V 이상으로 다양하며 각 단계별로 0.55V씩 증가한다. 따라서 Vcs(녹색 라인)은 소프트 스타트 동안 단계별로 증가되는데, 이로 인해 스위치, 다이오드 및 변압기를 위한 스위칭 스트레스가 효과적으로 최소화된다. 디지털 폴드백 포인트 교정 메인 버스 전압이 증가하면 스위치의 온타임은 더욱 짧아지고 그로 인해 스위칭 주파수는 증가한다. 그 결과, 일정한 1차 전류 제한 때문에 최대 허용 출력이 컨버터가 지원할 수 있도록 설계되어지지 않은 값까지 증가할 수 있다. 이러한 상황을 피하기 위해 내부 폴더백 포인트 교정 회로는 메인 전압에 따라 Vcs 전압 한도를 다양하게 한다. 여기서 입력 라인 전압은 파워 MOSFET의 온타임 기간 동안 ZC 핀의 전류 흐름을 이용해 감지된다. 그 전류가 500uA보다 크면, 그 임계값을 초과하는 전류량은 Vcs의 최대한도를 감소하기 위한 보상값을 생성하는 데에 사용된다. 시뮬레이션을 통해 일정한 입력 파워를 확보하는 Vcs-max와 Vin 간의 비선형 관계는 그림 2와 같이 나타난다. 비선형 관계는 디지털 솔루션을 이용함으로써 기존 아날로그 솔루션에 비해 ICE2QS02에서 쉽게 구현된다. 또한 디지털 블록을 갖춘 제어 성능은 IC의 공차에 많은 영향을 받지 않는다. 설계 예 ICE2QS02G를 사용하는 80W 의사공진형 플라이백 데모 보드는 이미 앞에서 설명됐다. 입력 전압 범위는 85~265Vac, 출력 파워 등급은 80W, 20V/4A이며 스위칭 주파수는 낮은 입력 전압 및 최대 부하 조건에서 67kHz 로 설계되었다. 디자인 팁 ICE2QS02G에 구현된 디지털 주파수 감소 전략 이외에도 의사공진 플라이백 설계는 더 높은 반사 전압으로부터 더 많은 혜택을 얻게 되는데 여기에는 감소된 피크 전류로 인해 더 길어진 1차 듀티 사이클, 순수한 제로-전압 스위칭, 2차 사이드의 현저히 낮아진 전압 스트레스 등이 포함된다. 인피니언의 800V CoolMOS는 낮은 전도 및 스위칭 손실을 높은 블록킹 전압과 함께 제공한다. 이로써 EMI 성능 향상과 함께 높은 효율의 최적화된 변압기 설계가 가능하다. 효율 측정 결과 디지털 주파수 감소 전략에 따른 효율성 결과를 확증하고 다른 반사 전압의 효율성 차이를 확인하기 위해 동기의 비정류식 ICE2QS02G를 사용한 준공진형 플라이백 컨버터의 두 가지 80W 프로토타입이 사용되었다. 자세한 설계 정보는 참고 문헌 [5]을 참조하면 된다. 600V CoolMOS SPP15N60C3(Rd son=0.28ohm)과 반사 전압 113V는 하나의 프로토타입[4]에서 사용됐다. 800V CoolMOS SPA17N80C3(Rdson=0.29ohm)과 반사 전압 144V는 또 다른 프로토타입[3]에서 사용됐다. 그림 3의 효율 측정 결과를 통해 전체적인 시스템 효율이 디지털 주파수 감소 전략을 통해 향상됐음을 알 수 있다. 그림 3(b)의 CoolMOS 800V 솔루션은 낮은 입력과 높은 입력 조건 모두에서 90%에 이르는 초고효율에 도달했으며, CoolMOS 600V 솔루션에 비해 1.5% 향상됐다. 결론 디지털 파워 관리 IC는 높은 설계 유연성과 고집적도를 특징으로 한다. 예를 들면, 의사공진형 플라이백 PWM 컨트롤러 IC 분야에서 부분적으로 디지털 주파수 감소 전략을 따른 디지털 파워 IC ICE2QS02G는 평균 효율성을 높이며 광범위한 로드 범위에 걸쳐 EMI 성능도 효과적으로 향상시킨다. ICE2QS02G는 디지털 소프트 스타트, 디지털 폴드백 포인트 교정과 같은 기타 다른 디지털 성능들도 제공하여 신뢰도를 높이는 안전한 파워 시스템 솔루션이 된다. 참고문헌>> [1] ENERGY STAR Program Requirements for External Power Supplies (Version 2.0), U.S. Environmental Protection Agency, 2008 [2] ICE2QS02G datasheet, Infineon Technologies AG, 2008 [3] CoolMOS? SPA17N80C3 datasheet, Infineon Technologies AG, 2007 [4] CoolMOS? SPP15N60C3 datasheet, Infineon Technologies AG, 2007 [5] AN-ICE2QS02, 80W Evaluation Board with Quasi-Resonant PWM Controller ICE2QS02, Infineon Technologies AG, 2008
김의겸  webmaster@techworld.co.kr
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