Smart Power IC를 이용한 SMPS 설계

SMPS

지난 호에는 하나의 패키지에 스위치와 주변회로를 모두 집어넣어 만든 새로운 개념의 IC인 Smart Power IC에 대해서 업체별로 소개하였다. 이 Smart Power IC를 사용하면 주변회로를 간단하게 구성하면 되므로 전체회로가 간단해지고 또한 신뢰성도 향상된다는 것을 알게 되었다. 따라서 지금은 대부분의 SMPS는 이 IC를 사용하여 회로를 구성하고 있다고 할 수 있다.특히 미국의 두 회사인 Power Integration 사(PI사)와 Fairchild 반도체가 Smart Power IC 시장의 선두주자이다. 그 외에도 여러 회사를 소개하였는데 이러한 자료를 통해서 자신이 응용하려는 분야에 적합한 IC를 선택하여야 한다[1-3].이번 글에서는 이 Smart Power IC를 사용하여 실제로 SMPS를 설계할 때 그 절차를 자세히 설명하겠다. 특히 트랜스포머의 설계를 중점적으로 언급하고 또한 주변회로의 설계에 대해서도 간단히 언급을 하겠다.시스템 요구사항SMPS를 설계하는데 있어서 가장 먼저 결정해야 할 것이 시스템 요구사항이다. 입․출력 조건과 효율 등이 여기에 속한다.그림 1. 입력전압에 따른 정류부 파형입력전압은 보통 두 가지로 나뉜다. 첫째로는 단전원으로 110[V]계열과 220[V]계열이 있다. 단전원의 경우 보통은 ±15[%] 변동을 고려한다. 예를 들면 220[V]인 경우는 187[V] ～ 253[V]의 변동폭을 SMPS가 안정되게 동작하는 영역으로 가정한다. 둘째로는 110[V]와 220[V] 겸용이 있다. 이 경우는 보통 85[V] ～ 265[V] 범위를 입력전압의 변동폭으로 정한다. 그림 1은 정류부 회로와 입력전압에 따른 정류부 파형을 보이고 있다. 이 중 최저값인 Vmin에서도 충분한 출력을 내야하므로 SMPS 설계는 이 값을 기준으로 설계한다. 220[V] 단전원인 경우 변동폭을 고려하면 187[V]가 최저 전압인데 항 목각 항목별 요구사항비 고입력전압220V ±15[%]단전원출력전압/전류12[V]/1[A]효율70[%]출력오차±2[%]Load Regulation±1[%]Line Regulation±0.5[%]출력 Ripple 전압100[mV]표 1. 시스템 요구사항의 일예이를 정류하고 리플전압을 고려하면 최저값인 Vmin은 식 (1)과 같다. (1)SMPS 전체 효율 는 보통 75[%] 전․후의 값을 가정하는데 일반적으로 출력전력이 크거나 출력전압이 크면 효율이 높고 반대의 경우는 낮은 효율을 가진다.표 1은 시스템 요구사항의 일예를 보여주고 있다. 이를 기준으로 입․출력전력을 계산하면 식 (2), (3)과 같다. (2) (3)표 1에서 출력오차와 두 가지 Regulation의 정밀도에 따라서 선택해야하는 Feedback 회로가 달라진다. Feedback 회로 중 가장 정밀도가 좋은 것은 그림 2와 같이 TL431(또는 LM431, KA431 등)과 포토커플러를 사용하는 방식이다.출력리플전압은 출력 커패시터와 동작주파수를 키워주면 줄일 수 있다. 또한, 출력에 LC필터를 추가하면 출력리플전압을 줄일 수 있는데 이 방법이 가장 많이 사용하는 방식이다. 따라서 LC필터의 차단주파수를 어디에 위치시키느냐에 따라서 출력리플전압이 결정된다.그림 2. 정밀도가 좋은 Feedback 회로Smart Power IC의 결정앞의 시스템 요구사항을 기초로 해서 Smart Power IC를 선택해야 하는데 본 원고에서는 출력전력을 토대로 해서 Fairchild의 FSDH0265RL을 선택하였다. 이 IC를 선택하게 된 이유는 최근 버전으로 대기전력에 대한 대책과 EMI 개선기능 등을 포함하고 있기 때문이다. 물론 다른 회사의 IC를 선택해도 동일한 과정을 통해서 SMPS를 설계할 수 있다. 참고로 이 IC의 동작주파수는 100[kHz] 이다[3].트랜스포머의 설계1) 코어의 결정트랜스포머에 사용되는 코어는 주로 페라이트 코어를 사용한다. 이 코어를 결정하는 요소는 식 (4)와 같이 출력전력과 동작주파수이다[4]. (4)여기서 AP는 코어의 단면적 Ac와 창면적 Wa의 곱인 area product를 말하며, Po는 출력전력, fsw는 스위칭 주파수를 뜻한다.그림 3. RCD 스너버를 갖는 플라이백 컨버터그림 4. 플라이백 컨버터의 각 부 파형이 AP값에 따라서 코어를 결정해야 하는데 가장 많이 사용되는 코어의 형상은 EE나 EI 코어이다. 하지만 이외에도 적용분야에 따라서 EER, RM, PQ, EFD, ETD 등 다양한 코어가 적용되고 있다.본 예에서는 AP=0.184[cm4]이고 EE22 코어를 코어표에서 선택하였다. 이 코어의 단면적 Ac는 0.41[cm2]이다.2) Feedback 전압 : VFB스위치가 오프 되었을 때 자화인덕턴스에 저장된 에너지가 이차측으로 전달되면서 이차측의 전압 VO+VF가 일차측으로 Feedback되는데 이 전압을 Feedback 전압 VFB이라고 하고 식 (5)와 같이 계산될 수 있다. (5) 이 전압은 보통 130 ～ 200[V] 사이의 값으로 결정하는데 이는 스위치 양단에 걸리는 전압을 얼마로 할 것이냐에 따라서 달라진다.그림 3은 RCD 스너버를 갖는 플라이백 컨버터를 보이고 있는데 이 RCD 스너버는 트랜스포머의 누설인덕턴스에 저장된 에너지를 스너버 커패시터 Cs로 옮겼다가 스너버 저항 Rs에서 소모시키는 역할을 한다. 그림 4는 이러한 RCD 스너버의 동작을 보여주는 파형인데, 스위치 전압을 보면 스위치 오프 시 초기전압은 식 (6)과 같다. (6)여기서 은 누설인덕턴스에 걸리는 전압이다. 이 중 이 스너버 커패시터에 걸리는 전압이다. 누설인덕턴스의 전류가 영이 되면 스위치의 전압은 으로 줄어든다. 하지만 식 (6)의 값이 스위치에 걸리는 전압이므로 스위치의 정격전압을 넘으면 안 된다.본 예에서 입력전압의 최대값을 고려하면 는 358[V](=)이다. 여기에 누설인덕턴스에 걸리는 전압을 50[V]로 하고 여유전압을 50[V]로 하면 최대로 선택할 수 있는 Feedback 전압은 스위치의 정격전압에서 위의 값들을 빼면 식 (7)과 같다. (7)따라서 여기서는 Feedback 전압을 마진을 충분한 고려하여 160[V]로 결정하겠다.3) 최대 듀티 : Dmax그림 5는 각 모드별 자화 인덕터의 전류를 보이고 있는데 전류가 상승하는 기울기와 하강하는 기울기는 세 모드에 대해서 모두 같다. 여기서 최대 듀티는 입력전압이 최소일 때 발생한다. 플라이백 컨버터가 정상상태에서 동작할 때 자화 인덕터의 그림 5. 각 모드별 자화 인덕터의 전류파형전류는 한 주기 동안 상승한 양과 하강한 양이 같다. 연속모드(Continuous Mode ; CM)에서 이 관계를 정리하여 듀티 식에 넣으면 식 (8)과 같이 계산된다. (8)이 예에서는 연속모드에서 최대 듀티는 0.4가 된다. 스위칭 주파수가 100[kHz]이므로 이 경우 스위치의 온 시간 은 4[μsec]이고 는 6[μsec]이다. 하지만 불연속모드(Discontinuous Mode ; DM)에서는 이 4[μsec] 미만이 되어야 불연속모드로 동작할 수 있다. 다른 말로 표현하면 불연속모드에서는 최대 듀티가 식 (8)에서 구한 값보다 작아야 한다. 따라서 이 예에서는 최대 듀티를 0.3으로 결정하겠다. 즉, 불연속모드에서는 정격부하 시 스위치의 온 시간 은 3[μsec]이고 는 7[μsec]이다.4) 연속/불연속 모드의 전류분석그림 5에 보이는 자화 인덕터의 연속/불연속 모드 전류를 분석하는데 있어서 연속모드에서는 식 (9)와 같은 비례상수를 정의해야 한다. (9)그림 6. 각 모드별 입력전류파형이 값은 연속모드로 동작할 때 피크전류에 대한 리플전류의 비를 나타내는 상수로서 이 값에 따라서 자화 인덕턴스가 결정된다. 보통은 0.4 ～ 0.6 사이의 값으로 결정한다. 이 예에서는 KRP=0.5로 결정한다.그림 6은 각 모드별 입력전류인데 이 전류의 평균값에 입력전압을 곱하면 입력되는 평균전력이 된다. 따라서 이 전류의 평균값 은 식 (10)과 같다. (10)이러한 관계를 이용하여 각 모드별 피크전류를 계산하면 다음과 같다. (11) (12)이 예에서는 은 0.252[A]이고 은 0.504[A]이다.그림 7은 이차측 다이오드에 흐르는 전류를 각 모드별 파형이다. 불연속모드에서 다이오드에 흐르는 전류는 오프시간 이내에 영이 되는데 이 전류가 그림 7. 각 모드별 이차측 다이오드 전류파형영이 되는데 걸리는 시간은 식 (13)과 같다. (13)위의 파형을 분석하여 각 전류의 피크값을 계산하면 식 (14), (15)와 같다. (14) (15)이 예에서 은 2.22[A]이고 은 4.48[A]이다.5) 일차측 인덕턴스와 턴 수앞에서 구한 데이

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이상헌 (webmaster@techworld.co.kr)

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