고전력밀도 어댑터 및 충전기의 과제 해결하기
  • 2020-02-06
  • 글 / Dr. Manfred Schlenk, Dr.-Schlenk-Consulting, Alfredo Medina-Garcia, 인피니언 테크놀로지스, Christian Wald, 인피니언 테크놀로지스




USB-PD 어댑터가 시장에 확산되고 있다. 새로운 고효율 ZVS/ZCS 토폴로지뿐 아니라 디지털 레귤레이션 방식과 같은 새로운 제어 방법은 우수하지만 오래된 플라이백 컨버터의 특성을 향상시킨다.



 요약 

노트북, 휴대전화, 태블릿, 전자책 리더, 스마트워치와 같은 모바일 전자기기가 점점 더 많은 인기를 얻으면서 다양한 유형의 충전기와 어댑터가 등장하고 있다.

전자기기 폐기물을 줄이고 사용을 간소화하려면 통합이 필수적이다. 이러한 요구를 지원하는 세 가지 주제가 있다. 즉, 1) 기존 USB 연결에 더 작고, 더 얇고, 더 견고한 대안을 제공하는 USB C타입 커넥터 2) 최대 60W 전력 레벨로 광범위한 출력 전압(5V ~ 20V)을 지원하여 다양한 최종 애플리케이션을 충전할 수 있는 이른바 USB-PD 표준 3) 일상적인 소비자 기기에 단 하나로 모두 사용 가능한 소형 폼 팩터 충전기/어댑터이다.

특정 전력에서 더 작은 폼팩터는 전력 밀도를 증가시키는 것과 같다. 따라서 이러한 시장의 트렌드는 보다 효율적인 전력 컨버터를 요구한다.

들어가는 말

어댑터와 충전기를 위한 가장 일반적인 전력 토폴로지는 플라이백 컨버터이다. 이들 컨버터는 비교적 설계하기 쉽고, 단 하나의 자기 부품만 필요로 한다. 그러나 과거에 플라이백 컨버터의 효율은 90%를 넘을 수 없었으며, 이는 구현 가능한 전력 밀도를 제한했다.

최근 개발된 ZVS(zero voltage switching) 방법은 높은 효율을 허용하여 전력 밀도를 15W/in³ 이상으로 높일 수 있다. 잘 알려진 액티브 클램프 토폴로지가 재개발되었으며, 다양한 방식의 ZVS 기법이 소개되었다. 컨버터 토폴로지 외에도 국제 안전 표준이 가능한 전력 밀도에 영향을 미친다. 전기기기에서 접촉 가능한 부분의 온도는 일정 온도를 초과해서는 안 된다.

마지막으로 또한 어댑터의 크기, 형태 및 사용 프로파일이 가능한 열 소산과 그에 따라 달성 가능한 최대 전력 밀도에 영향을 미친다.

토폴로지 선택

알다시피 표준 플라이백 컨버터는 일정한 매우 낮은 전력 밀도만 가능하므로, 첫 번째 단계로 고밀도 USB-PD 어댑터를 위한 가장 적합한 토폴로지를 조사할 필요가 있다. 이에 따라 다목적 최적화를 통해 몇 가지 토폴로지 옵션을 평가했다. 여기서 최근의 자기 소재와 부품들을 쉽게 사용할 수 있도록 목표는 동작 주파수가 200kHz를 초과하지 않도록 했다.

5VDC - 20VDC 출력 전압 범위 및 90VAC - 264VAC 범용 입력 전압에서 65W의 출력 전력을 선택하였다. 고려한 토폴로지는 다음과 같다.

• 2차측 전력 펄스 버퍼가 있는 PFC 플라이백
• 고정(고) 출력 전압 및 벅 컨버터가 있는 플라이백 컨버터
• 넓은 출력 전압 범위를 갖는 플라이백 컨버터
• 1차 측이 2개의 캐스케이드된 하프 브리지로 구성된 캐스케이드된 비대칭 PWM 플라이백 컨버터
• 하이브리드 플라이백 컨버터(비대칭 PWM 플라이백 컨버터)


최적화 결과는 그림 1에 최악의 조건 입력 전압(Vin = 90VAC)과 최고 출력 전류(Iout = 3.25A)에서 전체 부하 동작에 대해 나와 있다. 또한 열 제한선을 볼 수 있다. 이 선은 어댑터의 표면 온도를 70°C 미만으로 유지하기 위해 주어진 전력 밀도에 필요한 최소 효율을 정의한다.



이 선 위의 설계만 케이스의 열 제한을 초과하지 않고 발생된 열을 수동적으로(즉, 자연 대류와 복사) 소산시키는 데 필요한 효율을 갖는다. 이는 최고 전력 밀도의 목표가 필연적으로 최고 변환 효율과 관련된다는 점을 분명하게 보여주며, 종합적인 다목적 최적화 접근방법을 취할 필요가 있다는 것을 명확하게 알 수 있다.

최적화 결과는 비대칭 플라이백(그림 2 참조)이 최고 효율을 제공함으로써 초소형 충전기 구현을 위해 고려한 후보군 중에서 가장 적합한 토폴로지임을 보여준다.

비대칭 플라이백 토폴로지는 동기식 정류 스위치의 자화 전류와 ZCS를 이용함으로써 1차 하프 브리지의 ZVS를 특징으로 하며, 최고 변환 효율을 제공하는 기초를 이룬다. 컨버터는 공진 주파수에 의해 결정되는 1차 하프 브리지의 로우 사이드 스위치의 고정 턴온 시간과 입력 전압에 따라 달라지는 하이 사이드 스위치의 가변 턴온 시간으로 동작한다. 그에 따라 스위칭 주파수가 변화한다. 이 컨버터는 혼합 플라이백/순방향 모드로 동작하므로, 이제부터는 하이브리드 플라이백으로 부르기로 한다.



그림 2는 실제 구현된 데모를 보여준다. 어댑터는 65W의 출력 전력을 제공하도록 설계되고 수 밀리초 동안 105W의 피크 전력 성능을 갖는다. 컨버터는 USB-PD 호환되며, 90VAC ~ 264VAC 입력 전압 범위로 설계되고 5VDC ~ 20VDC 출력 전압을 공급한다. 입력 전압에 따라 데모는 100kHz에서 200kHz까지 동작한다. FCC Part 15 Class B 및 EN 55022 Class B에 따른 전도 EMI 요구사항은 6dB 여유를 가지고 충족된다.

컨버터 효율은 최악의 조건에서 93.8%에 도달하고 피크 효율은 95%이다. 노출된 전력 밀도는 약 27W/in³이다. 실제로, 케이스를 씌운 컨버터의 전력 밀도는 열 폭주를 방지하기 위해 22W/in³보다 높지 않을 것이다.

입력 전압과 출력 전압, 출력 부하에서 최적의 동작을 위해 컨버터는 낮은 부하에서부터 전체 부하까지 효율을 가능한 높게 유지하는 멀티모드 작동으로 동작한다.

인피니언의 XDP™ 디지털 컨트롤러 제품군은 마이크로프로세서 코어를 중심으로 단 몇 개의 외부 부품으로 전원장치를 구현하는 데 필요한 모든 디지털 및 아날로그 회로를 내장하고 있다. 컨트롤러는 사용자가 매우 유연한 방식으로 구성할 수 있어 다양한 애플리케이션 사용 사례에 맞춰 최적화할 수 있다.

어댑터 크기의 영향

전력 밀도와 컨버터 효율은 밀접하게 서로 관련되어 있다. 열 시뮬레이션은 하우징 크기와 사용 프로파일의 영향을 조사하는 데 도움을 주었다.



단순화를 위해 컨버터는 일정한 전력 소모를 갖는 고체 구리 블록으로 모델링하고 시뮬레이션하였다. 그림 3은 사용된 모델을 보여준다. 여기에서도 65W의 출력 전력이 선택되었기 때문에 허용되는 최대 케이스 온도는 70 °C로 제한되었다.

케이싱 재료로 1.5mm 두께의 플렉시글라스를 사용하였으며, 열 전달과 열 복사를 통해 냉각을 보장했다. 또한 벽면 플러그는 매우 낮은 열 전도와 열 복사를 갖는다고 가정했다.

1단계로 어댑터의 위치가 미치는 영향을 평가했다. 15W/in³의 전력 밀도를 갖는 65W 어댑터를 시뮬레이션 기초로 사용했다. 하지만 그림 4에서 보는 결과는 다른 전력 밀도에도 유효하다.

어댑터를 벽면 플러그에 직접 꽂으면(위치 3d) 가장 많은 양의 열을 제거할 수 있는 것으로 나타났다. 만약 어댑터를 위치 1a에 따라 데스크 위에 놓는다면 최악의 경우가 된다. 위치 3d는 위치 1a보다 약 20% 더 많은 열을 제거할 수 있다.

다음 단계로 케이스 크기의 영향을 조사했다. 그림 1의 점선은 전력 밀도와 컨버터 효율 간의 관계를 보여준다. 시뮬레이션을 위해 벽면 플러그에 직접 연결할 수 있게 높이가 19mm인 정육면체를 선택했다.

얇고 평탄한 어댑터 케이스에서는 전력 밀도 향상이 일어나지 않는다는 점에 주의할 필요가 있다. 특히 위치 1a에서는 케이스의 약 절반이 열 제거에 기여하지 않는다.



요구사항 및 규정


그림 2는 주 트랜스포머, 전해 커패시터뿐 아니라 EMI 필터도 어댑터 크기를 결정한다는 것을 보여준다. 추가적인 전력 밀도의 증가는 이러한 구성요소의 크기를 줄임으로써만 달성할 수 있다.

한 가지 가능한 방법은 동작 주파수를 증가시키는 것이다. 이론적으로 이렇게 하면 트랜스포머뿐 아니라 EMI 필터의 크기까지 줄일 수 있다. 이를 가능하게 하는 핵심 기술의 하나가 GaN 전력 스위치이며, 현재 이용 가능하다.

이론적인 트랜스포머의 크기 감소는 일정한 자속 밀도와 동일한 코어 지오메트리 조건에서 주파수를 가령 2배 증가시키면 권선의 감은 수를 2배 줄일 수 있다는 사실에서 가능하다. 이것은 권선에 더 적은 공간이 필요하고, 더 작은 코어를 사용할 수 있다는 것을 의미한다. 하지만 동작 주파수와 함께 코어 손실과 구리 손실이 증가하므로 바람직하지 않은 효율 저하나 부품의 과열을 피하려면 자속 밀도를 감소시키고, 다시 권선의 감은 수를 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 이러한 경우 권선에 필요한 공간이 증가하고, 트랜스포머는 다시 커지게 된다.



이 밖에도 자기 부품의 최대 동작 온도뿐 아니라 연면거리 및 공간거리와 관련된 안전 표준에서 요구하는 사항이 있다. 이는 줄일 수 있는 크기를 제한한다. 동작 주파수에 따라 연면거리를 규정하는 일반 안전 규정(EN 60664-4)이 있으므로 주의한다. 이 규정에 따르면 800kHz 이상의 동작 주파수에서 연면거리는 두 배 이상이다.

1차 벌크 커패시터의 크기는 주로 리플 전압, 최소 입력 전압 및 출력 전력과 같은 기능 요구사항에 의해 결정된다. 동작 주파수를 증가시키는 것은 도움이 되지 않는다. 여기에서는 요구사항과 커패시터 크기를 조정할 필요가 있다.

마지막으로 중요한 사항은 동작 주파수를 증가시키면 EMI 필터 크기를 줄이는 데 도움이 될 수 있다는 것이다. 또한 필터 설계 시 부유 인덕턴스와 자기 결합 같은 기생 효과는 기능에 많은 영향을 미칠 수 있으므로 이를 고려해야 한다.

마무리

USB-PD 어댑터가 시장에 확산되고 있다. 새로운 고효율 ZVS/ZCS 토폴로지뿐 아니라 디지털 레귤레이션 방식과 같은 새로운 제어 방법은 우수하지만 오래된 플라이백 컨버터의 특성을 향상시킨다.

이러한 새로운 기법은 동작 주파수를 증가시키고 오늘날 부피가 큰 어댑터를 2-3배 줄일 수 있다. 또한 컨버터 효율이 최악의 조건에서 컨버터의 최대 가능한 줄일 수 있는 크기에 미치는 영향을 고려할 필요가 있다. 그렇지 않을 경우 열 폭주가 발생할 수 있다.

하지만 위에서 설명한 모든 영향을 고려한다면 전력 밀도가 20W/in³ 이상인 신뢰할 수 있는 제품 설계를 실현할 수 있을 것이다. 이러한 설계는 노트북, 태블릿, 휴대전화 및 기타 기기에 동일한 어댑터를 사용할 수 있게 한다.


 참고문헌 
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3. Deboy, G.; Kasper, M.J.; Medina-Garcia, A.; Schlenk, A. A New Era in Power Electronics with Gallium Nitride. ETG J. Infineon Article 2018, 2, 6.
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5. Huber, L.; Jovanovic, M.M. Analysis, Design and Performance Evaluation of Asymmetrical Half-Bridge Flyback Converter for Universal-Line Voltage-Range Applications. In Proceedings of the Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC 2017), Tampa, FL, USA, 26?30 March 2017.
6. Medina-Garcia, A.; Schlenk, M.; Morales, D.P.; Rodriguez, N. Resonant Hybrid Flyback, a New Topology for High Density Power Adaptors. Electronics 2018, 7, 363.

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