2021년 12월 1일 수요일

T 기술기고문

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작고 효율적인 절연 전원 공급장치 지원하는 절연 벅 컨버터

절연 DC-DC 전압 레귤레이터는 다양한 분야에 사용된다. 절연 솔루션이 비절연 솔루션보다 훨씬 복잡하지만 여전히 작고 효율성이 뛰어난 제품이 선호된다.
 
SELV/FELV 규정에 따르면 60V 미만의 입력 전압은 만져도 안전하지만 절연은  필요하다. 이런 전압 범위에서도 아주 정교하고 비싼 마이크로콘트롤러(MCU)는 안전하게 보호 되어야 한다. 실수로 높은 전압에 노출되면 쉽게 폭발할 수 있다.
 
절연은 두 개 이상의 회로가 귀환 경로를 공유할 때 발생하는 접지 루프(ground loop)를 방지한다. 접지 루프는 출력 전압 조정을 방해하고 장비의 신뢰성을 떨어뜨리는 갈바닉 부식(galvanic corrosion)을 야기하는 기생 전류를 생성한다. 이에 따라 절연 전원 공급장치는 민감한 부하 보호 및 장기적인 장비 신뢰성과 관련해 산업 소비재 통신 분야에서 일상적으로 이용된다.
 
자동화된 공장의 I/O 모듈(그림 1)은 공장 프로세스 제어의 중심에 있고 저전압 절연 시스템의 대표적 예다.
 

[그림 1] 디지털 I/O 모듈
 
[그림 2]는 일반적인 디지털 I/O 모듈과 공장 시스템 블록 다이어그램이다. 중앙 허브는 AC 라인의 전력을 받아 이를 24V DC로 변환한다. 이는 상응하는 디지털 입력(DI·Digital Input)과 디지털 출력(DO·Digital Output) 데이터와 함께 I/O 모듈로 전달된다. 공장은 전자기 간섭과 과전압 등의 환경에 노출되어 민감한 전자장치에 대한 보호가 필요하다. 각 모듈의 PLC(Programmable Logic Controller)는 절연 스텝다운 전압 레귤레이터를 통해 전력을 공급 받는다. 디지털 입력 모듈(DIM)에서 전압 레벨 변환기 인터페이스는 센서의 전원을 공급하고 정보를 수신하며 이 정보를 디지털 절연기나 옵토커플러(optocoupler)를 통해 PLC로 전달한다. 디지털 출력 모듈(DOM)에서 전력 신호 절연 체인은 온보드 드라이버로 이어지고 외부 액츄에이터(actuator)로 연결된다. 입력 및 출력 모듈에서 크기가 작고 전력 효율적인 절연 스텝다운 컨버터를 구현하는 것은 현대 시스템에서 반드시 필요하다.
 
플라이백 컨버터(그림 3)는 절연 된 출력을 만드는 전형적인 아키텍처다. 트랜지스터 T1이 ‘ON’일 때 1차 권선(primary winding)의 전압은 ‘+’ (VIN 과 같음)이고 2차 권선의 전압은 ‘–’이다. 그 결과 쇼트키 다이오드 SD는 에너지가 출력단으로 흐르는 것을 막아 에너지는 갭 변압기(gapped transformer)에 저장된다. 반면 트랜지스터 T1이 ‘OFF’일 때 1차 권선은 전압을 반전시켜 에너지가 출력단으로 방출되게 한다. 제어 루프는 매우 복잡해서 출력단에서 전압을 조정하기 위해 추가적인 전압 레귤레이터(TL431A)가 필요하다.
 

[그림 2] 디지털 I/O 모듈과 공장 시스템 블록 다이어그램
 
옵토커플러는 1차 권선의 루프를 닫는 데 필요한 절연 피드백을 제공한다. 두 개의 IC와 많은 수동 소자를 이용하는 이 솔루션은 일반적으로 비싸고 비효율적이며 공간을 소모하는 단점이 있다.
 

[그림 3] 옵토커플러가 장착된 플라이백 컨버터
 
절연 벅 컨버터는 부품 사용(BOM)을 크게 줄이는 새로운 고집적 아키텍처를 사용한다. 기본적으로 갭 변압기를 구동하는 것은 인덕터(inductor)가 아닌 동기식 벅 컨버터다.  T1이 ‘ON’일 때 1차 권선의 전압은 ‘음’(마이너스 VFB와 같음)이고 2차 권선의 전압은 ‘양’이다. 이에 따라 에너지가 출력단으로 전달된다. T1이 ‘OFF’일 때 반대 현상이 나타난다. 제어 루프는 1차 권선 부분에서 닫히고 이에 따라 옵토커플러가 없이도 절연 상태를 유지할 수 있다. 
 

[그림 4] Iso-벅 컨버터
 
절연 벅 아키텍처는 입력 범위가 4.5V~42V의 고효율 DC-DC 컨버터인 MAX17681로 구현할 수 있다. [그림 5]는 주요 MAX17681 파형을 나타낸다. VLX와 ILX는 LX 노드에서 각각 전압과 전류를 VCOUT는 출력 전압 그리고 ID는 쇼트키 다이오드에서의 전류를 의미한다.
 

[그림 5] Iso-벅 파형
 
MAX17681은 표준 벅 컨버터와 차별화된 여러 핵심 기능을 포함한다. 첫째 [그림 5]에서 ILX 파형에서 볼 수 있듯이 변압기 누설 인덕턴스(leakage inductance)와 정전용량(capacitance)으로 인한 1차 전류 링잉(ringing)을 제거하는 적절한 내부 블랭킹(blanking) 디자인을 구현한다.
 
둘째 표준 벅 컨버터의 관례적인 프리바이어스(pre-bias) 기능이 불필요하다. 이 기능은 소프트 스타트(soft-start) 동안 음전류를 억제한다. 이는 [그림 6]에서처럼 절연 벅 아키텍처에서 비 모노토닉(non-monotonic) 출력 전압 기동으로 이어진다.
 

[그림 6] Iso-벅 모드에서 표준 벅 비단조성(non-monotonicity)
 
음전류 기능이 필요한 이유는 절연 벅 아키텍처에서 T1이 ‘ON’일 때에만 에너지가 출력단으로 전달되기 때문이다.
 
[그림 7]은 이 단계에서 전류를 싱크(sink)하는 기능 때문에 가능한 MAX17681의 모노토닉 기동을 보여준다.

[그림 7] MAX17681 Iso-벅 모노토닉 기동
 
전통 플라이백 컨버터보다 단순한 구조의 절연 벅 아키텍처는 많은 외부 소자를 제거함으로써 전력 효율성이 훨씬 뛰어난 솔루션이 된다. BOM 부품 개수를 최대 50%까지 줄여 보드 공간을 최대 30% 절약한다. 1차 부분에서 피드백을 닫아 ±10% 범위에서 보다 여유 있는 출력 전압 정확성을 구현한다.
 
MAX17681은 더 작은 크기에 더욱 뛰어난 전력 효율성을 가진 솔루션으로 전통 플라이백 컨버터보다 나은 대안 컨버터가 될 것이다.