전원장치를 위한 의사 공진 컨버터 고찰

컨버터

글 : 존 하퍼(Jon Harper) Market Development Manager / Fairchild Semiconductor Europe www.fairchildsemi.com의사 공진 변환의 원리는 토폴로지에 이용된 전력 스위치의 턴온 스위칭 손실을 낮추는 것이다. 공진 컨버터[1]는 턴온 스위칭 손실을 최소화하며 매우 다른 방식으로 동작한다. 의사 공진 동작을 설명하는 한 가지 방식은 이를 불연속 전도 모드 동작의 확장으로 보는 것이다.그림 1은 불연속 전도 모드로 동작하는 전류 모드 플라이백 컨버터의 드레인 파형을 보여준다. 하나의 게이트 펄스만 인가되었다. 전력 스위치가 커지면 원하는 전류 레벨에 도달할 때까지 드레인 전류가 상승한다. 그런 다음 전력 스위치가 턴오프된다. 플라이백 트랜스포머의 누설 인덕턴스와 노드 정전용량이 서로 공진한다. 그럼으로써 누설 인덕턴스 스파이크를 야기하고 이는 클램프 회로에 의해 제한된다. 인덕티브 스파이크가 감소한 후에는 드레인 전압이 입력 전압에 1차 측에 보이는 출력전압을 더한 것으로 된다. 인덕턴스 및 노드 정전용량의 효과를 무시한다고 했을 때는 출력 다이오드의 전류가 0으로 하강하면 드레인 전압이 곧바로 입력 전압으로 하강할 것이다. 하지만 그림에서 보듯이 드레인 전압은 입력전압을 중심값으로 공진한다.일차 인덕턴스 및 노드 정전용량이 공진 회로를 형성한다. 인덕턴스가 1.4mH이고 노드 정전용량이 73pF이라고 했을 때 4π2f2LC = 1의 공식을 이용해서 공진 주파수는 500kHz이다. 이 공진 회로는 약하게 댐핑된다. 이 근사화를 이용한 공진 주파수는 입력 전압 및 부하 전류에 대해서 종속적이지 않다는 것을 알 수 있다.불연속 전도 모드 플라이백 컨버터의 경우에는 MOSFET이 고정 주파수로 턴온된다(주파수 지터를 무시했을 때). 이 소자가 턴온되고 설정된 전류 레벨에 도달했을 때 턴오프되고, 이전 소자가 턴온한 후 정해진 시간에 다시 턴온된다. 이 소자 턴온 시간은 드레인 공진과 동기화되지 않는다. 어떠한 경우에는 드레인 전압이 입력전압에 반사 출력 전압을 더한 것보다 낮을 때 소자가 턴온될 수 있고, 어떠한 경우에는 드레인 전압이 더 높을 때 턴온될 수 있다. 불연속 플라이백 컨버터의 효율 곡선 상에서 이러한 특성을 흔히 볼 수 있다. 고정 부하를 구동할 때는 소자 턴온 시간이 공진 곡선을 따라서 상하로 이동함으로써 입력 전압에 따라서 효율이 변동된다.의사 공진 스위칭의 경우에는 MOSFET이 고정 스위칭 주파수를 이용하지 않는다. 대신에 컨트롤러가 드레인 전압의 최저공진점을 기다렸다가 턴온한다. 컬러 텔레비전 시장용으로 설계된 이전의 의사 공진 소자는 언제나 첫 번째 최저공진점에서 턴온하였다. 부하가 항상 높은 컬러 텔레비전을 위해서는 이것이 적합한 솔루션이었다. 하지만 부하 변동 범위가 넓은 경우 이 솔루션은 문제를 야기한다. 왜냐하면, MOSFET 턴오프와 첫 번째 최저공진점 사이의 시간은 공진 주파수에 의해서 고정적이다. 소자 턴온 및 턴오프 사이의 시간은 컨트롤러에 의해 설정된다. 경량 부하를 위해서는 인덕터에 더 적은 에너지가 필요하므로 이 시간이 더 낮고 그럼으로써 온 시간이 단축되고 출력 다이오드 전도 시간이 짧아진다. 그러므로 경량 부하를 위해서는 주파수가 높아짐으로써 훨씬 더 높은 스위칭 손실을 발생시킨다.FSQ 시리즈의 페어차일드 전원장치 제품은 주파수 클램프 회로를 이용해서 이 문제를 방지한다. 이 회로는 최대 주파수를 초과하지 않으면서 드레인전압이 최저공진점에 있을 때 MOSFET을 턴온한다. 스위칭 주파수가 비교적 좁은 범위(예를 들어 55KHz~67kHz) 이내로 유지됨으로써 스위칭 손실을 줄일 수 있고 트랜스포머 설계를 간소화할 수 있다.의사 공진 스위칭의 이점불연속 모드 및 연속 모드 동작 플라이백 컨버터와 비교해서 의사 공진 스위칭은 턴온 스위칭 손실을 낮춤으로써 효율을 향상시키고 소자 온도를 낮춘다. 첨단 컨트롤러 또는 통합적 전력 스위치는 주파수 클램프 회로를 이용함으로써 경량 부하에서 높은 손실을 나타내는 단순한 의사 공진 회로의 단점을 제거할 수 있다.턴온 프로세스가 낮은 전류 및 낮은 전압일 때 이루어진다면 이로 인해 발생되는 EMI를 낮출 수 있다. 의사 공진 애플리케이션이 바로 그러한 경우이다. 1MHz에서 50MHz에 달하는 범위에서 EMI를 낮추는 것이다.뿐만 아니라 의사 공진 프로세스의 고유 주파수 지터가 EMI 잡음을 확산시킴으로써 추가적으로 필터 비용을 절감할 수 있도록 한다. 이 지터는 벌크 커패시터의 입력 전압 리플에 의해 발생된다. 고정 부하의 경우 온 시간 및 출력 다이오드 전도 시간은 최소 리플 전압보다는 최대 리플 전압일 때 낮다. 그럼으로써 리플 주파수(50Hz AC로 동작하는 풀 브리지 정류 회로의 경우 100Hz)에 상응하게 스위칭 주파수가 선형적으로 변화된다. 그럼으로써 150kHz에서 1MHz에 달하는 스위치 주파수 범위에서 EMI를 감소시킨다. 이것이 음극선관 컬러 텔레비전 애플리케이션에 의사 공진 컨버터가 이용되는 주된 이유이다. 스위칭 주파수가 연속적으로 변화함으로써 텔레비전 영상에 보이는 노이즈를 최소화한다.플라이백 및 벅 애플리케이션페어차일드 파워 스위치의 고전력 의사 공진 버전은 수년 전에 출시되어 계속해서 이용되고 있다. 최근에는 낮은 와트 전원장치 및 낮은 대기 전력의 더 높은 효율에 대한 시장 요구를 충족하기 위해서 이들 제품이 더 낮은 전력 레벨(2W~50W)을 다룰 수 있도록 확장되었다. 그러면서 모든 보호 기능은 그대로 유지했다. 이들 부품은 FSQ0165RN, FSQ0265RN 등등이다.그러한 한 예가 과전류 셧다운 래치이다. 출력 다이오드가 단락 회로가 되면 스위치 상의 부하가 누설 인덕턴스로 감소하는데 이는 보통 자화 인덕턴스보다 1/30 정도로 낮다. 스위치가 턴온되면 전류가 신속하게 30배 상승한다. 돌입전류 무감(Leading edge blanking) 시간이 종료되기까지는 제어 회로가 높은 전류를 탐지하지 못한다. 그러면 스위치를 보호하기에 너무 늦을 수 있다. 간단한 비교기 및 래치를 추가함으로써 돌입전류 무감 회로의 조건에 상관 없이 높은 전류 레벨이 탐지되었을 때 전력 스위치를 오프할 수 있다. 그 밖의 보호 기능으로써 고온 셧다운, 과전압 보호, 일시적 과부하 조건을 허용하는 과부하 보호 기능을 포함한다.그림 2는 독일에 소재한 페어차일드의 글로벌 파워 리소스 센터에서 설계한 애플리케이션 예를 보여준다. R103-5, D104, C103이 드레인 상에서 최소 전압 레벨을 검출하기 위해 필요한 추가적 부품들이다. FOD2741은 표준 광커플러의 기능과 산업표준 '431 레퍼런스를 단일 패키지로 결합한 오차 증폭기이다. 나머지 부품들은 플라이백 컨버터에 표준적인 것들이다.이 디자인에 이용된 전압은 175VAC~265VAC 범위로 무부하 대기 전력이 130mW 미만인 것으로 측정되었다. 더 낮은 입력 전압으로 유사한 디자인에 비해서 대기 전력은 그보다 더 낮았다. 풀 부하 효율은 전체 전압 범위에 대해서 86퍼센트 이상이었으며 이는 이 전력 레벨의 다중 출력 플라이백 전원장치로서는 매우 높은 것이다. 라인 안정화 역시 우수했다. 입력 전압을 변경했을 때 측정 전압이 거의 변하지 않았다. 안정화 출력을 위한 부하 안정화가 5퍼센트 이내였다.저전력 의사 공진 소자가 등장함에 따라서 흥미로운 새로운 애플리케이션이 가능하게 되었다. 글로벌 파워 리소스 센터는 20V/100mA 출력을 위해 FSQ311 소자를 이용해 의사 공진 벅 회로를 개발했다. 여기에서 10mA 부하로 대기 전력을 측정했다. 총 전력 소비는 전체 85VAC~265VAC 범위에 걸쳐서 400mW 미만(200mW 베이스 부하 포함)이었고 최대전압이 180VAC인 경우 350mW 미만이었다. 낮은 입력 전압으로 더 우수한 성능을 달성할 수 있는 것은 드레인 전압의 최저공진점이 높은 입력 전압에서보다 0에 훨씬 더 가깝기 때문이다. 뿐만 아니라 50퍼센트 효율의 0.2W 전원장치에 이 디자인을 이용할 수 있다는 것을 알 수 있다.85VAC~160VAC의 경우에 풀 부하 효율이 80%보다 우수했으며 최대 265VAC에 달하는 범위의 경우에는 73%로 떨어졌다. 이는 그와 같은 소형 전원장치로서는 우수한 성능인데 이는 전적으로 의사 공진 기법을 이용했기 때문이다. 라인 및 부하 안정화 모두 전체 동작 범위에 걸쳐서 1% 이내였다.히트싱크를 이용하지 않았을 때 소자의 온도 상승은 실온에서 측정 시 실온보다 15℃ 높은 것으로 측정되었다. 1.2mH 인덕터 및 220nF 커패시터가 표준 EMI 규격을 충족할 수 있는 충분한 필터링을 제공했다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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