트랜스포머 없는 스위치 모드 전원 공급 장치(switch-mode power supply, SMPS)는 일반적으로 낮은 전압 수준에서 사용되지만, 일부 애플리케이션에서는 고전압 벅 컨트롤러와 같은 새로운 디바이스가 트랜스포머를 대신해서 사용될 수 있다. 이러한 디바이스는 트랜스포머 사용으로 인한 비용과 복잡함 문제를 없애 준다. 또한 이들 디바이스는 높은 전력 변환 효율을 제공하고 고출력 전압을 가능하게 하며, 양(+)의 전압 전원에서 높은 음(-)의 출력을 생성하는 데에도 사용할 수 있다.



머리말

벅(스텝다운) 컨버터 원리에 기반한 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 거의 모든 전자 애플리케이션에서 널리 사용되고 있다. 이들은 트랜스포머가 필요 없고, 단순한 인덕터 코일만으로 고전압을 저전압으로 효율적으로 변환할 수 있다. 이 컨버터들은 매우 효율적이며 설치도 비교적 간단하다. 

일반적인 애플리케이션으로 최대 60V 입력 전압과 12V 이하의 출력 전압을 생성하는 경우를 들 수 있다. 공급 전압이 높거나 원하는 출력 전압이 높으면, 적절한 컨버터 집적 회로(IC)의 사용이 제한될 수 있다.

물론, 스위칭 레귤레이터를 사용하는 전압 변환은 훨씬 더 높은 전압에서도 가능하지만, 이 경우에는 플라이백(flyback) 또는 포워드(forward) 방식과 같은 트랜스포머 기반의 토폴로지를 사용하는 컨버터가 필요하고, 부피가 크고 복잡한 트랜스포머가 요구된다.
 

그림 1의 두 스위치(S1, S2)는 주로 최대 입력 전압 범위를 담당한다. 하지만 고전압 컨버터 IC에 대응하는 드라이버는 S1 스위치에 요구되는 높은 게이트 전압을 생성해야 한다. 이 전압은 최대 공급 전압과 MOSFET에 요구되는 임계 전압을 더한 것이다. 따라서 MOSFET 외에도, 전압 컨버터 IC 역시 이에 따라 선택돼야 한다. 

그림 2는 최대 135V(정격 최대 전압 140V)의 공급 전압을 위해 설계된 LTC7897 컨트롤러 IC를 보여준다. 이 IC를 사용할 경우, 출력 전압도 매우 높게 설정할 수 있는데, 입력 전압보다 낮기만 하면 최대 135V까지 가능하다.

이 고전압 벅 컨트롤러를 사용하면 100V에서 12V로 전환하는 것도 가능하다. 이 설계는 디스크리트 스위치들을 사용하므로, MOSFET을 고전류에 맞게 선택할 수 있다. 예를 들어, 그림 2의 회로는 12V에서 20A의 부하 전류를 생성할 수 있다.
  그림 2. 최대 135V의 허용 가능한 동작 전압을 지원하는 LTC7897 벅 컨트롤러 (간략화한 회로도)


그림 2에서와 같이 고전압을 저전압으로 변환하는 전압 변환 예시 외에도, 양의 전원이 적용되면, 그로부터 음의 전압을 생성하는 또 다른 시나리오도 있다. 이를 위한 가능한 토폴로지는 인버팅 토폴로지의 벅-벅(buck-buck) 컨트롤러이다. 이 회로는 트랜스포머를 필요로 하지 않으며, 간단한 코일만으로 양의 전원으로부터 음의 출력 전압을 생성할 수 있다.

인버팅 벅-부스트 토폴로지는 레귤레이터가 최소 입력 전압에서 생성된 음의 출력 전압 절대 값을 처리할 수 있어야 하므로 특별한 최대 전압 기능을 제공하는 전압 컨버터가 필요하다. 예를 들어, 48V 입력(V_IN)을 –65V 출력(V_OUT)으로 변환하기 위해서는, 최소 103V 이상의 스위치 모드 전력 변환기의 정격 전압이 필요하다. 따라서 고전압 정격의 스위치 모드 전원 공급 장치는 높은 음의 전압을 생성하는 데 특히 적합하다. 그림 3은 48V 공급 전압을 –65V 출력 전압으로 변환하기 위해 인버팅 토폴로지에 사용된 LTC7897을 보여준다.

결론 

고전압 스위치 모드 전원 공급 장치를 작동하고자 할 때, 반드시 트랜스포머를 기반으로 한 토폴로지를 사용할 필요는 없다. LTC7897과 같은 적절한 전력 변환 IC들을 사용하면, 복잡하고 비용이 많이 드는 트랜스포머를 사용하지 않고도 다양한 애플리케이션을 구현할 수 있다.


저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전력 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전력 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원디바이스(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전력 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com