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스마트 가전의 지능적 대기전력 관리를 위한 스마트 전원장치전기·전자 기기의 낭비되는 대기전력을 최소화하는 방법
양대규 기자 | 승인 2018.07.31 10:53

[EPNC=양대규 기자] 전 세계적으로 대기전력으로 인한 에너지 낭비는 전체 전기 사용량의 상당 부분을 차지한다. 이에 따라 21세기로 접어들면서 많은 자발적 프로그램과 의무 규정을 통해 대기전력(대기전력으로 인한 CO₂ 배출 포함)을 줄이기 위한 노력이 진행돼 왔다.

세탁기, 커피 머신, 로봇 청소기 등 사용자가 필요할 때만 전원을 켜고 끄는 가전기기들은 사용 중이 아닐 때도 보통 다음과 같은 두 가지 형태로 전력 낭비가 발생한다.

▲레프트 온(Left-ON) 모드: 가전기기가 할 일을 마친 후에도 계속 켜져 있는 상태이며, 일을 마친 후에 사용자가 개입하지 않으면 이 상태가 무한정 지속될 수 있다.

▲오프(OFF)-모드: 자동으로 또는 사용자의 개입을 통해 가전기기의 전원이 꺼져 있는 상태이다.

최대 효율 등급을 달성하기 위해서는 레프트 온 모드를 제한하고, 가전기기가 일을 마친 후에는 자동으로 오프 모드가 되도록 하는 것이 좋다. 실제로 에너지 소모 계산 표기에 관한 IEC62301 4.5조항에 따르면, 전원이 꺼진 ‘오프-모드’에서 가전기기의 전력 소모가 5mW 미만이면 기기가 에너지 소모에 전혀 기여하지 않는 것으로 간주해야 한다. 다른 한편, 냉장고와 같은 연속형 가전기기는 항상 켜져 있어야 하며, 대부분의 시간을 경부하 모드로 보내므로 경부하 모드에서의 효율성이 우수해야 한다.

이 글에서는 가전기기의 전반적인 대기전력을 최소화하는 방법에 대해 설명한다. SMPS 설계를 통해 다음과 같은 첨단 기술과 지능적인 전력 아키텍처를 사용해 가장 엄격한 에너지 절약 규정을 충족시킬 수 있다.

▲첨단 경부하 관리를 통해 경부하와 무부하 시의 전반적인 입력 전력 소모를 최소화할 수 있다.

▲제로-전력 모드(ZPM) 기능을 통해 가전기기가 일을 마친 후에 자동으로 전원을 종료해 전원선으로부터 제로 전력 소모를 실현한다.

이 글에서는 이런 기법을 구현하는 예로서 2개의 VIPerPlus 고전압 컨버터를 사용하는 방법을 살펴볼 것이다.

첨단 경부하 관리

VIPer01은 800V 애벌랜치 내성 전력 MOSFET과 정주파수 PWM 전류 모드 제어를 지능적으로 통합한 고전압 컨버터이다. 또한, 주파수 지터가 포함된 통합 HV 스타트업, 검출 FET, 오차 증폭기, 오실레이터를 사용함으로써 최소한의 소자 부품을 통해 전체적인 애플리케이션(플라이백, 벅, 벅-부스트)을 설계할 수 있다. VIPer01은 다음과 같은 주요 기능을 통해 경부하 상태에서 가장 엄격한 에너지 절약 표준을 충족시킨다.

▲전력 MOSFET과 내부 로직 회로 모두 임계값이 낮기 때문에 최저 4.5V 전원 전압으로 동작하는 IC를 구동할 수 있다.

▲전력 MOSFET의 게이트 차지가 감소하고 내부 로직 회로가 낮은 전력을 소모한다. 따라서 회로가 극히 낮은 정지 전류를 달성한다.

▲‘PFM(Pulse Frequency Modulation)’를 사용해 경부하 시에 스위칭 주파수를 낮출 수 있으며, 이는 주파수 관련 손실을 모두 최소화 해준다.

[표 1]의 측정 결과는 평가 키트인 STEVAL-ISA177V1을 참조한 것이다. 이 평가 키트는 VIPer01 기반의 광범위한 플라이백 컨버터로서, 5V 단일 출력으로 4.25W를 제공한다. 무부하 시 전체 애플리케이션은 230VAC에서 10mW 미만을 소모하며, 250mW 출력 부하일 때 효율이 60% 이상이다.

가장 보편적인 고전압 컨버터와 함께 실시한 벤치마크 테스트를 보면, VIPer01을 기반으로 한 벅 토폴로지 구성의 5V 출력 컨버터가 시장의 평균적인 대기전력보다 성능이 더 우수하다는 것을 알 수 있다.

공정한 비교를 위해 모든 측정은 다이오드 브리지 정류, 입력 필터, 프리휠링 다이오드, 전력 인덕터, 출력 커패시터를 탑재한 동일한 베이스 보드를 사용해 실시했다. 테스트하려는 각각의 샘플은 특수 SMPS 드라이버를 바이어스하고 실행하는 데 필요한 모든 회로와 함께 별도의 모듈에 탑재했다. 그리고 다시 이 모듈을 별도로 베이스 보드에 연결했다.

[그림 1] Vout = 5V에서의 경부하 효율

[그림 1]을 보면, VIPer01이 다른 디바이스들에 비해 경부하 시의 효율 성능이 가장 우수하다는 것을 알 수 있다.

대기전력 소모를 측정하기 위해 제너(Zener) 다이오드를 전체 출력에 연결했다. 5V 출력 전압에는 15V 제너 다이오드, 12V 출력에는 20V 제너 다이오드, 24V 출력 전압에는 28V 제너 다이오드를 사용했다. [표 2]는 각기 다른 조건에서 수행한 대기전력 측정 결과를 보여준다.

제로 전력 소모를 위한 첨단 아키텍처

여기에서는 일을 마치면 자동으로 전원이 꺼지는 가전 기기에 대해 VIPer0P가 SMPS를 설계할 수 있다는 점을 살펴본다. 해당 기기는 이 오프 모드 상태에서 5mW 미만을 소모하게 되며, 이를 통해 흔히 사용되는 쌍안정형(bi-stable) 전기기계식 스위치를 없애면서 전반적인 신뢰성을 높이고 시스템 비용을 낮출 수 있다. SMPS는 다음과 같이 작동한다.

▲가전기기의 동작을 감시하는 마이크로컨트롤러(MCU)가 SMPS를 셧다운시킨다. 이 상태가 되면 출력 단자로 전력을 공급하지 않는다.

▲이 상태에서 SMPS는 230Vac의 전원선으로부터 5mW 미만을 소모하며, 사용자가 언제라도 수동으로 다시 전원을 켤 수 있다.

이 기능을 ‘제로 전력 모드’라고 한다. IEC62301 4.5 조항에 따른 VIPer0P의 이 혁신적인 기능에 대해 좀 더 살펴보자.

VIPer01에 대해 앞서 설명한 첨단 경부하 관리 기능과 함께 VIPer0P는 ‘제로 전력 기능’이라는 또 다른 주요 기능을 제공하며, [그림 2]에서 그 작동 원리를 볼 수 있다. 이 기능은 특수 유휴 상태(제로 전력 모드, ZPM)로 구성되며, 이 모드로부터 빠져 나오는 데 필요한 회로만 제외하고 나머지 제어 IC는 모두 셧다운시키며 고전압 스타트업 셀은 평상적인 기능을 수행하지 않는다. 고전압 스타트업 셀은 전류 생성기로서, 이를 사용해 정류된 전원선으로부터 곧바로 Vcc 커패시터 Cs를 스타트업 임계값보다 높게 충전시켜 디바이스를 스타트업할 수 있다.

[그림 2] VIPer0P의 제로 전력 기능 원리 회로도

디바이스가 정상적으로 동작한다고 했을 때, OFF 핀 전압이 10ms(간섭 무결성을 위한 디바운싱 시간) 이상 동안 GND로 풀링되면 ‘제로 전력 로직’ 블록이 SD와 ZP 신호를 하이(High)로 선언한다. SD 신호가 하이로 선언되면 제어 칩의 거의 모든 블록들을 Vcc 전원 라인으로부터 차단한다. 그런 다음, 메인 MOSFET의 게이트가 로우(Low)로 풀링되고 디바이스가 셧다운되고 결국 SMPS가 정지된다. 제어 IC에서 살아있는 유일한 부분은 ‘제로 전력 로직’ 블록과 여기로 바이어스 전압을 제공하기 위한 4V 레귤레이터뿐이다.

ZP 신호가 하이로 선언되면 M3을 턴온하고 제너 다이오드 ZD2를 통해 M1의 게이트 단자 전압을 약 15V로 고정시킨다. 이런 식으로 Vcc 전압이 약 13V로 설정된다. Vcc로부터 공급되는 4V 선형 레귤레이터는 ‘제로 전력 로직’ 블록이 작동하고 살아있는 데 필요한 몇 μA를 제공한다. ON·OFF 핀 모두 50kΩ 풀업 저항기를 통해 이 4V 전원 라인으로 연결되며, 따라서 어느 쪽을 사용하든 일부 외부 회로로 소량의 전류를 공급할 수 있다.

[그림 3] STEVAL-ISA174V1 (64x29mm)

ZPM 모드일 때 전체 전력 소모는 두 가지 요소에 의해 이뤄진다. ZD1, RG, ZD2, M3 분기에서의 소모 그리고 4V 레귤레이터와 ‘제로 전력 로직’ 블록으로 흡수되는 정지 전류 Iq(1.5μA 내외)와 외부 회로로 공급되는 전류 Iext를 더한 소모량이다.

이를 공식화하면 다음과 같다.

Vin = 230Vac에서 최악 상황의 값(RG = 28MΩ, VZD1 + VZD2 = 20V, Iq = 2μA)일 경우, PZPM = 4.2mW + 0.325mW/Iext(μA)이다.

ZPM에서 빠져 나오려면 디바운싱을 위한 20μs 이상 동안 ON 핀 전압을 GND로 풀링해야 한다. 이를 통해 ‘제로 전력 로직’ 블록이 SD와 ZP 신호를 로우로 선언한다. ZP는 M3을 턴오프하고 M1의 게이트 단자를 해제하며, SD는 제어 칩의 블록들을 다시 Vcc 전원 라인으로 연결하고 Vcc 커패시터 Cs를 통해 13V로 유지한다. 이 전압은 이 IC의 스타트업 임계값(8V)보다 훨씬 높은 것이며, 따라서 M2를 턴온해 고전압 스타트업 셀은 정지되고 스위칭 동작이 즉시 재개된다.

제로 전력 아키텍처를 활용한 실제 사례

데모 보드 STEVAL-ISA174V1은 VIPer0P로 설계된 광범위한 입력 범위의 6.8W 2출력 비절연형 플라이백 컨버터이다. FB 핀으로 사용할 수 있는 오차 증폭기의 비반전 입력으로 전압 분할기를 연결하면 치밀하게 레귤레이트된 5V 출력으로 4W를 제공할 수 있으며, 2개 출력 권선의 권선비를 통한 자기 결합을 사용해 세미 레귤레이트된 +7V 출력으로 2.8W를 제공할 수 있다.

이 데모 보드는 특성화를 완료했으며 AN4836에 설명됐지만, 여기에서는 에너지 절약 요건과 관련된 테스트 결과만 살펴본다. 특히, 이 애플리케이션은 외부 전원 공급용 European CoC version 5 등 에너지 민감형 설계에 대한 엄격한 규격 요건을 준수한다.

[표 3]의 데이터를 보면, 이 애플리케이션이 제로 전력 모드(ZPM)일 경우 IEC62301 4.5 조항에 따라 제로 전력 입력 소모를 가진 것으로 인정되며, 무부하 동작 시 별 5개 등급의 에너지 효율이라는 것을 알 수 있다.

[표 4]의 데이터는 동일한 12V/6.8W SMPS(Vout1과 Vout2 라인의 부하를 연결해 달성)가 오프 모드로 ErP Lot 6 Tier 2 요건(ER 1275/2008과 동일)과 European CoC ver. 5에서 정한 10% 부하 효율 요건을 충족한다는 것을 보여준다.

STEVAL-ISA174V1은 데모 보드이며, MCU를 포함하지 않기 때문에 사용자가 푸시 버튼을 눌러 ON·OFF 핀을 작동시켜야 한다. MCU를 포함한 평가 키트로는 STEVAL-ISA181V1과 STEVAL-ISA192V1이 있다. 그림 4는 ON·OFF 핀을 작동하는 두 가지 방법을 보여준다.

[그림 4] MCU와 터치 버튼을 사용한 ZPM 관리의 예

(a) 구성에서는 기기의 동작을 감시하는 MCU가 자신의 GPIO 핀 중의 하나를 통해 OFF 핀 전압을 로우로 풀링해 SMPS를 셧다운시키고 자체 전원 전압도 낮춘다. 재시작은 사용자가 푸시 버튼이나 촉각 스위치를 눌러 이뤄지며, 이는 즉시 ON 핀을 작동시킨다. SMPS가 다시 가동되면 MCU도 작동을 시작한다. 이 구성은 전원선으로부터의 전력 소모를 최소화한다.

(b) 구성에서는 MCU가 OFF 핀 전압을 로우로 풀링하면 SMPS를 셧다운시키고, ON 핀 전압을 로우로 풀링하면 SMPS를 다시 가동한다. 이를 위해 자체 GPIO 핀 중 2개를 사용한다. ZPM 모드 시에도 MCU(3.3V 공급 전압)로 전력이 공급되며, 따라서 신속하게 가동되는 초저전력 대기 모드와 같은 첨단 전력 관리 기능들을 갖춰야 한다. 이 구성은 STEV-ISO/A1992V1 평가 키트에서 구현된다.

맺음말

오늘날 전력 공급 장치는 보다 우수한 효율을 요구하는 에너지 절약 규정을 충족시키기 위해 더 정교한 방법들이 필요하다. ST의 VIPerPlus 고전압 컨버터는 800V 애벌랜치 내성 전력 섹션과 최신식 PWM 제어 회로를 결합하고 첨단 기술들과 지능적인 전력 아키텍처를 적용함으로써, 첨단 사용자 인터페이스로 연결돼야 하는 스마트 가전기기에서 갈수록 더 효율적인 전력 요건을 충족시키고 있다.

VIPer01 애플리케이션은 계속 켜져 있어야 하는 가전기기에 대한 엄격한 에너지 규격을 얼마나 쉽게 충족시킬 수 있는지를 보여준다. 또한, VIPer0P 애플리케이션은 MCU와 간편하게 상호작용하는 지능형 대기전력 아키텍처를 구축해, 필요할 때만 켜는 가전기기의 전력 공급 장치 비용을 절감하는 방법을 제시한다. 이를 통해 가장 까다로운 에너지 절약 규정뿐만 아니라 신뢰성, 유연성, 부품 수 최소화 등 그 외 요건들까지 충족시키는 SMPS를 설계할 수 있다.

글: 미르코 시오르티노(Mirko Sciortino) ST 수석 애플리케이션 엔지니어

자료제공: ST마이크로일렉트로닉스

#스마트 전원장치#ST#ST마이크로일렉트로닉스#MOSFET#PFM#제로 전력 아키텍처. STEVAL-ISA174V1

양대규 기자  yangdae@epnc.co.kr

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