탭형 인덕터를 사용한 절연형 벅 컨버터의 성능 향상

파워서플라이 설계 기술 동향

글 : 프랭크 캐셀(Frank Cathell) / 선임 제품 애플러케이션 엔지니어온세미컨덕터 / www.onsemi.com벅 컨버터 동작300mA(3.6W)에서 출력 12V를 가진 종래의 절연형 벅 컨버터는 그림 1에서 볼 수 있다. 예로 들어, 이 컨버터는 회로를 최대로 단순하게 하기 위해 통합된 MOSFET를 가진 온세미컨덕터(ON Semiconductor)의 NCP1014 모놀리딕 전류 모드 컨트롤러로 구성된다.그러나 별도의 MOSFET과 NCP1216과 같은 이산적인 컨트롤러와 함께 구성된다. 전압 안정화와 피드백은 옵토커플러(U2), 피드백 저항 R2와 R3, 제너 다이오드로 구성된 간단한 회로망을 구성한다. 옵토커플러는 NCP1014 컨트롤러 상에서 접지가 스위칭 노드이고, 광 피드백은 전압 옵셋 회로 및 이산적인 피드백의 다른 형태와 관련된 고전압 문제(dv/dt)들을 해결하기 위해 가장 간단하고 가장 비용 경제적인 방법이다.회로도는 또한 C1과 파이형 회로망(C2, L1 및 C3)으로 구성된 단순형 전도 EMI 필터를 포함한다. 전형적인 벅 컨버터 동작과 마찬가지로, 벌크(대용량) 커패시터(C3)에서 정류된 절연 전압은 U1의 내부 MOSFET(pin3)에 DC 전압 레벨을 제공하고, 전원 단자(pin4)에서 스위치 ON 및 OFF 되며, L2와 C4로 된 통합회로로 DC 전압을 공급한다.L/C 출력 필터는 스위치화된 방형 전압파를 U1 IC에서 PWM(펄스폭변조)와 Z1/U2의 피드백/전압 감지 회로를 경유하여 C4에서 바람직한 출력 DC 전압으로 나눈다. 환류 다이오드(Freewheeling Diode) D5는 U1 안에 있는 MOSFET이 오프 상태일 때, L2에서 전류 연속성을 제공한다. 벅 컨버터의 DC 전달 함수는 Vout=D×Vin로 주어진다.그 곳에서 D는 L2 입력에서 제공된 직사각형 파의 듀티 사이클(MOSFET 온 타임을 전체 스위칭 주기 T로 나눈 값)이다. 120Vac 공칭상의 입력과 12V의 출력에 대해, 고객들은 내부 MOSFET 스위치에 대한 요구된 듀티 사이클을 쉽게 다음의 식과 같이 계산할 수 있다.D= Vout / (Vin ac × 1.4) = 12/(120 × 1.4) = 0.07 또는 7%위의 듀티 사이클은 100kHz의 스위칭 주파수에 대한 매우 작은 듀티 사이클이고, 이 값을 실제로 계산하면 0.07×10uS = 0.7uS 또는 700ns의 온 타임(on-time )에 해당한다.이러한 짧은 지속 온 타임은 실제적으로 컨트롤러의 내부 전달 지연보다 훨씬 크지 않고, 부하 변화에 대해 펄스 폭 동적 범위의 여유가 별로 없다. 그리고 이 짧은 온타임 지속 시간과 관련하여 부하 전류는, L2 전류가 불연속이 되는 레벨 아래로 떨어질 때 서브 스위칭 주파수 펄스 스킵 모드 동작을 발생시킨다. 이 모드에서는 전원공급장치의 출력 리플이 과도하지 않는 이상 동작하며 또한 소음 잡음은 인덕터에서 나타나지 않는다.낮은 듀티 사이클을 가진 동작은 또한 불연속 전도 모드가 가장 낮은 공칭상의 출력 부하가 걸린 상태를 피하게 된다면, 메인 출력 초크 필터 L2의 임피던스가 더 높아지는 것을 요구한다. 이 같은 인덕터 설계는 MOSFET에 의해 보여진 피크 대 평균 전류비와 관계가 있다. U1의 내부 MOSFET을 통해 피크 전류는 L2의 자화 전류와 출력 부하 전류의 합이다. 공칭상의 패턴 라인 조건(C3에서 165Vdc) 아래에 스위칭 사이클의 피크 자화 전류는 E= L x dI/dt 형태의 친숙한 관계식를 따른다. dI에 대한 관계식을 재정리하는 것은 dI= (E x dt)/L로 주어지고, 이 식은 다음의 자화 전류를 계산한다.dI = [(Vin dc-Vout)× dt] /L = [(165-12) × 0.7] / 750uH= 0.143A 또는 143mA최대 MOSFET 전류는 300mA(최대 부하 전류) + 143 mA= 443mANCP1014에서 공칭 지정된 과전류 차단 레벨이 허용 오차 변화가 없다고 가정하면, 450mA이다. 문제는 우리가 어떻게 위에서 언급된 낮은 듀티 사이클 문제들을 피할 수 있는가에 있고, 최소의 회로 변화와 함께 동일한 반도체를 사용하여 이 벅 컨버터로부터 훨씬 더 많은 출력 전류를 얻을 수 있다.솔루션:낮은 듀티 사이클과 관련된 문제들을 해결하고, 심지어 좀 더 높은 출력 전류를 허용하는 수정안은 그림 2의 탭 벅 인덕터 회로도에서 볼 수 있다.출력 인덕터의 25% 지점에 탭을 만들고, 이 노드에 환류 다이오드(freewheeling diode)를 연결함으로써, MOSFET의 새로운 듀티 사이클을 근사적으로 D’= 0.24 or 2.4us으로 증가시킬 수 있다. 그러면 출력 전류는 3배 정도 증가되어, 거의 1A(DC)까지 얻어낼 수 있다. 증가된 듀티 사이클 D’과 피크 전류 상승 효과와의 관계는 다음 식과 같이 된다.D’ = (N + 1)/[N + (Vin dc/Vout)]여기에서 N은 탭의 양쪽에 있는 양 권선의 권선수 비율이다. 이 경우, 탭의 좌측 또는 내부 쪽에 있는 권선은 탭의 환류 다이오드 쪽이나 출력에 있는 권선과 동일한 권선수의 3배를 가지고 있다.피크 전류 상승 효과는 Iboost = (N + 1)/ [(N x Vout/Vin dc) ＋ 1]DC 전압의 입력 대 출력 전달 함수는 지금 다음과 같이 된다.Vout = Vin dc/{[(N + 1)/D] - N}작동 방법전류가 인덕터 안에서 불연속이 되지 않는다는 설명은 잘못됐다. 이는 N×I는 스위칭 주기 T를 통하여 일정함을 의미한다. 탭 인덕터 안에서 인덕터 전체 권선수는 MOSFET이 턴온 (Turn on)되었을 때, 전류를 운반하고 이 전류는 U1 내부에서 지정된 과전류보다 분명히 더 적어야만 한다. 그러나 MOSFET이 동작하지 않을 때, 권선의 외부 쪽에서 전류는 출력 또는 환류 다이오드 권선이 전체 권선의 1/4 권선수를 가지기 때문에 온타임 전류 피크치의 4배인 피크 전류가 동등의 N×I 전류를 만족하도록 갑자기 증가해야만 한다. 이 전이의 전형적인 전류 파형은 그림 3에 보여진다.A 부분의 MOSFET 스위치가 턴온 되었을 때, 전체 인덕터 양단 전압에 관한 자화 경사 상승을 나타낸다. MOSFET 스위치가 턴오프 되었을 때, 전류 불연속성은 B 부분에서 만들어진다. 그 부분(B)은 모든 권선에 의해 정의된 피크 레벨로 전류 상승이 환류 다이오드 권선수비율(4:1)로 된 지점을 말한다. C의 전류 경사 하강 기울기는 MOSFET이 턴오프 되었을 때, ‘출력 전압+환류 다이오드 양단의 전압 강하’로 정의되고, 이 때 전류 변동분은 반복적으로 dI= (E x dt) /L의 관계식으로 주어진다.이 경우에 L은 인덕턴스가 N2에 비례하기 때문에, 전체 온(on) 상태 권선 인덕턴스의 1/16로 된다는 것을 잊지 말아야 한다. 인덕터가 인덕터 양단의 파형을 통합하기 때문에 환류 다이오드를 통하여 오프타임 전류 파형 아래의 면적은 온타임 전류 파형의 면적보다 더 크고, 결과적으로 평균 출력 전류는 더 높다. 물론, MOSFET에 의하여 보여진 차이는 온타임(D’: MOSFET이 전류를 도통시키는 구간)이 더 길수록, 아래에서 언급되어질 더 높은 턴오프 전압을 가지게 된다.한계(제한)와 실제적인 고려사항전류 상승 이득이 입력 대 출력 전압차가 감소되어질 때 줄어든다는 점은 흥미롭다. 전류 상승 관계식 즉, Iboost= (N + 1)/[(N x Vout/Vin dc) + 1]을 다시한번 상기한다면, 이 식은 출력 전압이 입력 전압에 근접할 때, 분모의 항은 N+1이 되고, 전체 식은 어떠한 장점도 달성되지 않는 한계 안에서 1로 줄어든다. 매우 높은 입력 전압들에서 그 식의 값은 N+1에 근접하고, 유효 출력 전류 상승은 인덕터를 탭핑함으로써 달성되어질 수 있다.이 관계식은 피크 전류 상승효과를 나타내고, 실제 출력 전류 증가는 인덕터의 통합 효과에 비롯한 가중치 평균이다.인덕터에서 탭의 위치와 이 탭 노드가 어떻게 얻어지는가 하는 것은 권선의 두 부분 사이의 누설 인덕턴스 효과 때문에 또한 중요하다. 탭핑(인덕터에서 탭을 만드는 것)은 누설 인덕턴스를 줄이기 위한 대칭적이고 멀티필러 권선 기술들을 사용함으로써 실행된다. 그림 2의 인덕터 L2에 대하여, 4개의 권선들을 동시에 플랫 권선(꼬임이 없는 권선 방법)함으로써 만들어지고 직렬로 4개의 권선들을 연결하여 덧붙인다.권선의 직렬 연결 방법한 권선의 끝에 다른 권선의 시작을 연결하여 권선 작업을 한다. 권선의 3번째 부분과 4번째 부분의 연결은 환류 다이오드를 위한 탭이다. 이런 권선 기술은 최소 누설 인덕턴스를 가진 자속 안에서 대칭적 함침을 보장한다.N은 동일한 권선을 가지기 때문에 1이 된다. 증가된 듀티 사이클을 0.2와 0.5 사이의 어딘가에 놓도록 하는 구성을 선택한다. D가 D=Vout/Vin 관계식과 함께 종래의 벅 컨버터를 사용하여 0.25보다 더 크다면 그 때, 탭으로 된 인덕터 근사는 장점이 없다. N이 1, 2, 3의 어느 한 쪽이 되는 인덕터를 탭핑하는 것은 보통 만족스러운 결과를 만들어낼 수 있다는 것을 보여준다.탭된 인덕터의 또 다른 결과는 MOSFET 스위칭의 전원 단자 상에서, 추가적인 음의 전압 변동이 있게 된다. 음의 전압 변동이 생기는 원인은 다이오드 전압 강하를 출력 공통 전원 공급 경로 아래로 직접 고정시키는 것이 불가능하기 때문에 발생한다. MOSFET에 의하여 보여진 추가적인 음의 전압은 다음과 같이 될 것이다. 환류 다이오드 권선을 기준으로 한 전체 인덕터 권선의 권선수비, 즉 (12 +0.8)*4=52V(이 값은 근사값이 된다) 권선 사이의 누설 인덕턴스는 또한 동일한 진폭 또는 더 높은 진폭을 가지는 좁은 구간의 갑작스런 전압 상승을 야기한다. 그러나위에서 설명된 멀티필러 코일 권선 기술과 함께, 이 전압 상승은 스위칭 노드로부터 출력 공통 노드까지, 선택적으로 작은 R/C 스너버(R4 & C8)는 거의 모든 갑작스런 전압 상승(전압 스파이크)을 제거해야만 한다.고입력 전원 공급선에 있는 전원을 보편적인 AC입력 전원이라고 가정한다면, MOSFET에 의하여 보여진 피크 전압은 500V 또는 더 적은 크기의 전압이 될 것이고, 그것은 NCP1014의 700V 정격 전압 아래에서 동작이 잘 될 것이다. 탭 인덕터에 의하여 영향을 받는다고 언급되는 한 가지 또 다른 문제는 출력 커패시터 C4의 리플 전류 정격이다. MOSFET의 턴오프 순간에 갑작스런 전류 변화는 커패시터에 의해 확인될 것이고, 실효치 값은 대체적으로 피크 대 피크 전류 변화폭의 1/2이 될 것이다.이것은 종래 벅 컨버터의 출력 커패시터가 경험한 다소 양호한 삼각 전류 파형 크기보다 상당히 더 크게 된다. 커패시터 ESR에 의존하면서, 증가된 리플 전류를 다루는 것 뿐만 아니라, 제어 아래에 있는 커패시터 ESR 양단에 나타나는 피크 대 피크 전압 리플 성분을 유지하기 위해, 다수의 출력 커패시터를 병렬로 사용하는 것은 바람직하다.매우 낮은 출력 리플 전압을 요구하는 애플리케이션 제품에 대하여, 작은 4.7uH 슬러그 인덕터와 슬러그 인덕터를 뒤따르는 또 다른 출력 커패시터의 추가와 함께 2단 ‘pi’ 회로망 출력 필터를 사용하는 것은 필요하다.참고문헌>>NCP1014 Data sheet(자료 문서); ON Semiconductor 인터넷 웹 사이트 주소(http://www.onsemi.com)ON Semiconductor 설계 자료 문서: DN06002,DN06011,ON Semi 인터넷 웹 사이트ON Semiconductor 애플러케이션 설계 자료 문서: AND8190,AND 8226,ON Semi 인터넷 웹 사이트Modern DC-to-DC Switchmode Power Converter Circuits,” Chapter 8; By Rudolf Severns and Gordon Bloom; Van Nostrand Reinhold

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