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SMPS 효율 및 전력밀도의 향상
SMPS 더욱 스마트한 정류 기능
글 김선호 2010-06-04 |   지면 발행 ( 2010년 6월호 - 전체 보기 )

LLC 직렬-공 진형 컨버터가 성능, 크기, 효율 등이 우수해 하이-엔드 소비가전 제품 등과 같은 애플리케이션에서 선호되는 전력공급 토폴로지로 자리를 잡아가고 있다. 효율과 공간절감 효과를 한층 더 강화하기 위해서 향후 2차측 아키텍처에 대한 개선이 반드시 필요하다.

글: 헬렌 딩(Helen Ding) / 인터내셔날 렉티파이어
www.irf.com

* 공진형 컨버터의 개선

홈시어터 시스템, 게임 콘솔, LCD 텔레비전 등 소비가전 제품에서의 높은 동작 효율 및 소형사이즈에 대한 요구로 인해 전력공급기 설계가 높은 스위칭 주파수에서 동작할 수 있는 공진형 토폴로지로 이동하고 있다. 공진형 컨버터의 소프트 정류(soft commutation) 기능은 보다 작은 마그네틱 컴포넌트를 사용할 수 있도록 해주는 고주파수 동작을 지원하는 동시에 SMPS가 낮은 EMI 특성을 통해 효율적으로 동작할 수 있도록 해준다.
다양한 공진형 컨버터 토폴로지 중에서 LLC 컨버터는 최고의 스위칭 전략으로 자리 잡아 왔다. 기본적인 직렬-공진형 LC 컨버터로 구축하는 것은 간단하지만 경부하 조건에서 레귤레이션 기능을 유지하기가 어렵다는 단점들을 극복해야 한다. 또한 이는 스위칭 손실이 도전 손실보다 우세할 때와 같이 입력 전압이 높을 경우에 효과적으로 효율성을 개선할 수 있다. LLC 공진형 토폴로지는 (그림 1)에 나타낸 바와 같이 트랜스포머의 1차측 권선에 대해 추가적인 션트 인덕터(shunt inductor)를 사용한다. 이는 일반적으로 트랜스포머의 자화 인덕턴스를 통해 실현되는데 이것은 트랜스포머의 공극을 조정함으로써 제어된다. 이 토폴로지는 소프트-스위칭 영역의 벅-부스트 변환 특성으로 인해 복잡한 공진형 탱크를 생성한다.
그림 1을 살펴보면 정상 동작에서 1차측 MOSFET는 50% 듀티 사이클로 동작하며 출력 전압은 컨버터의 스위칭 주파수를 변화시킴으로써 레귤레이션된다. 컨버터는 2개의 공진 주파수를 가진다: 상대적으로 낮은 공진 주파수(Lm, Lr, Cr, 부하에 해당), 그리고 고정된 더 높은 직렬 공진 주파수 Fr1(Lr과 Cr만 해당)이 그것이다. Fr 1위 또는 아래로 컨버터를 동작시킴으로써 전체 부하 범위에 대해 2차측 하프 브리지를 소프트-스위칭시킬 수 있다.


그림 1. 하프-브리지 LLC 직렬-공진 컨버터

2차측 하프-브리지는 일반적으로 다이오드 쌍을 통해 구현된다. 하지만 다이오드 손실이 전체 SMPS 전력 손실에 상당한 영향을 미치기 때문에 이러한 정렬은 상대적으로 비효율적이다. 기능이 풍부한 차세대 소비가전 제품에서 전류소모가 증가함에 따라 이러한 손실 역시 지속적으로 증가하게 되는데 다이오드 정류기 손실은 정방향 전압 강하뿐만 아니라 정방향 전류의 곱에 비례하기 때문이다. 전력소모가 증가하게 되면 다이오드 역시 크기가 커져야 하기 때문에 전력공급기 역시 계속해서 커져야 한다.
따라서 2개의 강력한 요소로 인해 설계자들은 LLC 공진형 컨버터를 위한 보다 만족스러운 2차측 토폴로지가 필요하다. 50W 이상의 영역에 있는 전력공급기의 경우, 주요 관심사항으로서 케이스 영역을 최소화시킬 수 있는 상대적으로 높은 전력밀도를 필요로 한다. 200W에서 400W의 영역의 경우, 에너지 스타(Energy Star), CEC 80+ 등 규격들을 충족시킬 수 있도록 효율을 향상시키기 위해 전력공급기 설계자들은 2차측 다이오드에서 발생하는 손실을 제거할 수 있는 방법을 찾아야 한다.

* 동기식 2차측 정류

2차측에서 동기식 정류 기능을 사용함으로써 하프-브리지 다이오드에서 발생하는 큰 손실을 감소시킬 수 있다. MOSFET 도전 손실은 I2 x RDS(ON)에 의해 결정되기 때문에 2개의 동기식 MOSFET 사이에서 전류를 분리함으로써 4개의 각 디바이스에서의 전력소모를 줄여 전체 전류소모를 절반으로 줄인다.
하지만 동기식 정류기에 가장 친숙한 제어 기법은 LLC 공진형 컨버터에서 동작하지 않는다. MOSFET 제어 신호가 1차측 신호로부터 파생되는 1차측 제어 동기식 정류기의 예에서 LLC 공진형 컨버터는 공진 탱크의 입력 전압과 정류된 2차측 전류 사이에 위상 지연(phase lag)이 나타난다. 이로 인해 1차측 게이트를 2차측 정류기를 구동하는 데 사용할 수 없다. 제어 신호들이 전력 트랜스포머의 2차측 전압으로부터 파생되는 대안적인 자체-제어 렉티파이어 기법은 정류된 2차측 전류와 50% 듀티 사이클 정현파인 주 전력 트랜스포머의 전압 사이에 타이밍 불일치 문제가 나타난다. 이것은 컨버터의 공진 탱크 주파수 이하에서 만족스러운 동작을 방해한다.
한편, 전류 트랜스포머를 사용하는 방법은 공진형 컨버터에서 동작 가능한 제어 기법이다. 이 기법의 단점은 많은 수의 컴포넌트를 필요로 하기 때문에 풋프린트가 증가하고 신뢰성이 손상되며 상대적으로 비용이 높은 고속 콤퍼레이터가 필요하다 것이다.
MOSFET의 스위칭을 관리하기 위해 2차측에 제어 IC를 배치하는 것은 잠재적으로 보다 간편하고 비용 효율적인 대안을 제공한다. 전류 트랜스포머와 고속 콤퍼레이터를 제거함으로써 IC 기반 솔루션은 크기와 콤퍼넌트 수를 낮출 수 있다. 하지만 단일 콤퍼넌트에 필요한 모든 기능을 구현하기 위해서는 동일 디바이스에 제어 기능들과 함께 고전압 감지 성능 뿐만 아니라 높은 스위칭 주파수와 높은 전류-구동 성능을 관리할 수 있는 성능을 함께 통합할 수 있는 능력 등과 같은 일정 정도의 숙련도가 필요하다. 예를 들어 인터내셔날 렉티파이어의 IR1168은 HVIC(high-voltage IC) 기술과 특허 기법을 사용하여 공진형 컨버터 애플리케이션에서 동기식 정류기로 사용되는 2개의 N-채널 전력 MOSFET를 구동할 수 있도록 설계된 2차측 정류기 드라이버 IC를 제공한다. 디바이스는 2개의 게이트 드라이버를 제공할 뿐만 아니라 2개의 채널이 동시에 온 상태로 전환되는 것을 방지하기 위해서 적응형 슛-쓰루(shoot-through) 보호 기능을 제공한다. 또한 이는 정상 및 버스트-모드 조건에서 동작할 수 있다. 뿐만 아니라 클램핑 게이트-드라이버 동작으로 전력소모를 대폭 감소시킨다.

* 단일칩 제어

(그림 2)는 IR1168을 위한 일반적인 애플리케이션 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 정상 동작 모드에서 IC는 핀 VS1/VD1 및 VS2/VD2을 통해 각 MOSFET의 전압 강하를 감지하고 핀 GATE1 및 GATE2을 통해 각 MOSFET를 온 및 오프 상태로 전환시킨다.


그림 2. IR1168을 통한 일반적인 2차측 애플리케이션 회로

이 디바이스의 중심에는 2개의 고전압(200V) 고속 콤퍼레이터가 있다. 이들은 션트 저항으로서 디바이스의 RDS(ON)을 통해 MOSFET의 드레인에서 소스로의 전압을 차동으로 감지하기 때문에 디바이스 전류의 극성과 수준을 결정한다. 전용 내부 로직이 영전류 천이(zero-current transition)에 매우 가깝게 각 디비아스의 온 및 오프 상태를 관리한다. 디바이스는 MOSFET로부터 감지된 전압을 2개의 음의 쓰레스홀드와 비교하여 디바이스에 대한 턴-온 및 턴-오프 천이를 결정하는 SmartRectifier 제어 기법을 사용한다. 이 2개의 음의 쓰레스홀드 VTH2 대부분은 바디 다이오드를 통해 전류를 감지하기 때문에 전력 디바이스의 턴-온 천이를 제어한다. 이와 마찬가지로 두 번째 음의 쓰레스홀드 VTH1는 디바이스가 턴-오프로 전환될 전류의 수준을 결정한다. 세 번째 쓰레스홀드 전압 VTH3은 사이클이 완료되었을 때 내부 원-샷의 재설정을 관리하는 리셋 쓰레스홀드로서 동작하며 VDS 전압이 양으로 전환하고 다시 증가하기 시작한다. 이러한 방법으로 시스템은 다음 도전 사이클을 위한 준비를 한다.


이러한 3개의 쓰레스홀드에 따라 2차측 MOSFET의 구동 수준을 관리함으로써 IR1168은 PLL 또는 외부 타이밍 소스에 대한 요구 없이도 정확한 성능을 보장한다. 사실 턴-오프 천이의 높은 정밀도가 이 기법의 주요한 이점인데, MOSFET에 대해 역방향 전류를 방지하고 바디 다이오드의 도전 시간을 최소화시키기 때문이다. 뿐만 아니라 내부 블랭킹 회로를 사용하여 슈프리어스(spurious) 게이트 천이를 방지하고 고정 및 가변-주파수 동작 모드에서 동작을 보장한다.
(그림 3)의 파형은 정상 동작 모드에서의 IR1168를 나타낸 것이다. MOSFET의 도전 위상이 개시될 때 전류가 MOSFET 바디 다이오드를 통해 흐르기 시작하여 음의 VDS 전압을 생성한다. 바디 다이오드가 MOSFET RDS(on)에 의해 발생하는 것보다 한층 더 높은 전압 강하 특성을 가지기 때문에 이 음의 VDS는 턴-온 쓰레스홀드 VTH2를 트리거한다. 이 지점에서 IR1168가 MOSFET의 게이트를 턴-온시킨다. 결국 이로 인해 VDS 전압이 MOSFE 드레인 전류(ID)와 RDS(on)를 곱한 값으로 정의된 값 이하로 낮아지게 된다.


그림 3. IR1168를 통한 SmartRectifier 동기식-정류 제어 기능의 동작

전압의 이러한 강하는 일반적으로 입력 콤퍼레이터를 트리거할 수 있는 일정한 양의 링잉(ringing)을 수반하기 때문에 고정 MOT(Minimum On Time) 블랭킹 기간이 전력 MOSFET를 최소 지속 시간 동안 온 상태로 유지하는 데 사용된다.
일단 MOSFET가 온 상태로 전환되면 이는 전압이 고정 턴-오프 쓰레스홀드 VTH1를 통과할 만큼 정류기 전류가 낮아질 때까지 온 상태를 유지한다. 쓰레스홀드를 통과하면 전류가 바디 다이오드를 통해 다시 흐르기 시작하여 VDS 전압을 다시 음으로 상승시키게 된다.
잔류 전류의 양에 따라 VDS는 다시 한번 턴-온 쓰레스홀드를 트리거시킬 수 있다. 따라서 VTH1가 트리거된 후에 TBLANK라고 하는 지속 시간 동안 VTH2가 블랭크된다. 기간 TBLANK는 다이어그램에 나타나며 디바이스 VDS가 양의 리셋 쓰레스홀드 VTH3를 통과할 때 종료한다. 이제 IC는 다음 도전 사이클을 위한 준비가 되었다.

* 차세대 제품에서의 성능 이점

(그림 4)는 IR1168 동기식-정류기 컨트롤러를 사용해 구축한 LCD TV 애플리케이션용 240W 멀티-레일 전력공급기와 2차측 쇼트키 다이오드를 사용하는 전통적인 공진형 컨버터 설계를 비교한 것이다. IC는 저비용 SO-8 패키지로 하우징되며 2개의 MOSFET 모두에 대한 제어 신호를 생성할 수 있는 단일칩 솔루션을 제공한다. 4개의 쇼트키 다이오드는 4개의 SO-8 MOSFET 도터 카드를 사용하는 IR1168에 의해 대체된다. 12V 및 24V 레일을 위한 쇼트키 다이오드를 냉각시키는 데 사용되었던 2개의 큰 히트싱크 역시 제거된다.


그림 4. 240W LCD TV에서 IR1168의 동기식-정류기 컨트롤러

실제 2차측 동기식 정류 기능을 제공하는 이러한 소형화된 SMPS는 1.5% 향상된 효율을 나타낸다. SMPS의 동작 온도 역시 25°C 낮아진 것으로 나타나 전체 시스템 신뢰성을 대폭 증대했다.

 

<EPNC>

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