절연형 파워서플라이는 잡음이 있는 전압 소스로부터 잡음 제거가 필요한 의료용 시스템에서 활용할 수 있으며, 안전 동작을 위해 분산 전력 아키텍처에서도 역시 필요하다. LT8300 기반 회로는 옵토커플러, 2차측 레퍼런스 전압, 전력 트랜스포머의 추가 3차 권선 등에 대한 요구를 제거함으로써 절연 플라이백 컨버터 설계를 단순화시킨다.

글 | 브루스 호그(Bruce Haug)
선임 제품 마케팅 엔지니어, 전력 제품
리니어 테크놀로지

간편한 저전력 절연형 파워서플라이가 필요하거나 기성(off-the-shelf) 블릭 또는 모듈 구매를 원하지 않았던가? 제작 또는 구매 결정은 많은 요소에 의해 결정되지만 간편성, 솔루션 크기, 비용, 성능이 주로 영향을 미친다. 의료 시스템을 포함해 다양한 애플리케이션 형태에서는 입력과 출력 간의 절연 기능을 제공하는 파워서플라이가 요구되고 있다.

잡음이 많은 전압 소스로부터의 접지 분리가 특히 의료장비에서 절연 파워서플라이를 필요로하는 이유 중 하나이다. 검사 카메라, 치과용 장비, 수면 및 생체 신호 모니터 등 모두가 잡음이 많은 소스 전압에 의해 역으로 영향을 받을 수 있는 디스플레이를 사용하고 있다. 여기서 절연 파워서플라이는 디스플레이 불규칙성으로 인한 잡음을 제거할 수 있는 접지 분리 기능을 제공한다.

CT 스캔, 혈액 가스 전해질 분석기, 초음파 시스템 등과 같은 보다 큰 의료용 시스템은 다양한 기능을 위한 복수의 PC 보드로 인해 일반적으로 분산 전력 아키텍처를 사용하며, 일반적으로 24V 또는 48V 버스 전압을 전체 시스템에 분배한다. 분산 전력 아키텍처는 일반적으로 신뢰성 강화 및 안전성을 이유로 버스에서부터 서브시스템 동작 전압까지 절연형 DC/DC 변환을 요구한다. 이러한 형태의 버스 전압은 대량의 전류를 공급할 수 있으며, 단락회로 고장 조건에서 발생할 수 있는 위험을 방지하기 위해 절연이 필요하다.

플라이백 컨버터는 수년 동안 절연형 DC/DC 애플리케이션에서 폭넓게 사용돼 왔다. 하지만, 이들이 반드시 설계자의 최고의 선택은 아니었다. 파워서플라이 설계자는 플라이백 컨버터가 설계하는 데 상대적으로 간편하기 때문이 아니라 전력 절연 요구 상을 낮추기 위해 어쩔 수 없이 선택했다. 플라이백 컨버터는 옵토커플러의 전파 지연, 노화, 이득 변동 등에 의해 한층 더 복잡해지는 잘 알려져 있는 제어 루프의 RHPZ(Right-Half-Plane Zero)로 인한 안전성 문제를 가지고 있다. 또한 플라이백 컨버터는 트랜스포머 설계에 상당한 시간을 요구하는 데, 일반적으로 기성 트랜스포머 선택이 제한되어 있고 경우에 따라서 맞춤형 트랜스포머가 필요할 수 있어서 작업이 한층 더 복잡해지기 때문이다. 최근 전력 변환 기술이 발전함에 따라 보다 낮은 전력의 절연 컨버터를 한층 더 쉽게 설계할 수 있게 됐다. 리니어 테크놀로지가 최근에 발표한 LT8300 절연 플라이백 컨버터를 통해 이러한 플라이백 설계 관련 문제를 해결할 수 있다.

간단한 플라이백 IC 설계
LT8300은 옵토커플러, 2차측 레퍼런스 전압, 전력 트랜스포머에 대한 추가적인 3차 권선 등에 대한 요구를 제거하면서 1차측과 2차측을 단지 1개의 부품, 즉 절연 장벽(isolation barrier)을 통과해야 하는 전력 트랜스포머로 절연을 유지할 수 있다. LT8300은 플라이백 1차측 스위칭 모드 파형을 통해 출력 전압을 감지할 수 있는 1차측 감지 회로를 채용하고 있다. 스위치의 오프 기간 동안 출력 다이오드는 전류를 출력에 제공하고, 출력측 전압은 플라이백 트랜스포머의 1차측으로 반사된다. 스위치 노드 전압의 크기는 입력 전압과 반사된 출력 전압의 합이며, LT8300은 이를 재구성할 수 있다. 이러한 출력 전압 피드백 기법을 통해 전체 라인, 부하, 온도 범위에 대한 전체 레귤레이션 성능을 ±5% 이내로 향상시킬 수 있다. 그림 1은 LT8300과 함께 단지 7개의 외부 부품만을 사용하는 플라이백 컨버터 회로를 나타낸 것이다.



LT8300은 소형 5-리드 SOT-23 패키지로 제공되며 직렬 드롭핑 레지스터(series dropping resistor)에 대한 요구 없이 IC에 직접 인가할 수 있는 5V에서 100V까지의 입력 전압을 수용한다. 이것은 고전압 온보드 LDO와 SOT-23의 핀 4와 5의 고유한 추가 공간으로 인해 높은 입력 전압으로 신뢰할 수 있게 동작할 수 있다. 또한 이것의 온보드 260 mA, 150 V 내부 DMOS 전력 스위치를 통해 이것은 최대 약 2 W의 출력 전압을 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, LT8300은 경부하 조건에서 저-리플 버스트 모드(Burst Mode짋)로 동작하여 대기전류를 330 μA로 낮춰 슬립 모드에서 배터리 동작 시간을 연장시킨다. 다른 기능으로는 내부 소프트-스타트, 과소 전압 록아웃 등이 있다. 트랜스포머 권선비(turns ratio)와 1개의 외부 레지스터가 출력 전압을 설정하는 데 필요한 전부이다.

1차측 출력 전압 감지
절연형 컨버터의 출력 전압 감지 기능은 일반적으로 옵토커플러와 2차측 레퍼런스 전압을 필요로 한다. 옵토커플러는 절연 장벽을 유지하면서 이와 동시에 광 링크를 통해 출력 전압 피드백 신호를 전송한다. 하지만, 옵토커플러 전달 비율은 온도와 노화에 의해 변화하며 정확도를 저하시킨다. 옵토커플러는 또한 유닛에 따라 비선형적일 수 있기 때문에 회로에 따라 각기 다른 이득/위상 특성을 나타낼 수 있다. 또한 전압 피드백을 위해 추가적인 트랜스포머 권선을 채용한 플라이백 설계를 사용하여 옵토커플러 대신에 피드백 루프를 차단시킬 수도 있다. 하지만, 이 추가적인 트랜스포머 권선으로 인해 트랜스포머의 크기가 커지고 비용이 증가하게 된다.



LT8300은 트랜스포머의 1차측 출력 전압을 감지함으로써 옵토커플러 또는 추가적인 트랜스포머 권선에 대한 요구를 제거한다. 그림 2에 나타낸 바와 같이 전력 트랜지스터의 오프 시간 동안 1차측 스위칭 노드 파형의 출력 전압이 정확하게 측정되며, 여기서 N은 트랜스포머의 권선비, VIN은 입력 전압, VC는 최대 클램핑 전압이다.

컨버터 크기를 줄이고 레귤레이션 성능을 향상시키는 임계 모드 동작
LT8300 플라이백 컨버터는 2차측 전류가 0으로 감소하면 내부 스위치를 온 상태로 즉시 전환하고, 스위치 전류가 사전-정의된 전류 한계에 도달하면 오프 상태로 전환한다. 따라서 이것은 연속 전도 모드와 불연속 전도 모드 전환 시에 항상 동작하며 일반적으로 임계 모드(boundary mode) 또는 임계 도전 모드(Critical Conduction Mode, CCM)라고 한다.
임계 모드 제어는 가변 주파수 전류 모드 스위칭 방법이다. 내부 전력 스위치가 온 상태로 전환하면; 트랜스포머 전류가 이것의 사전 설정된 전류 제한 설정 지점에 도달할 때까지 증가한다. SW 핀의 전압이 2차 및 3차 권선비와 입력 전압의 합으로 나눈 출력 전압까지 상승한다. 다이오드를 통과한 2차측 전류가 0으로 떨어지면, SW 핀 전압이 VIN 아래로 떨어진다. 내부 DCM 비교기가 이 이벤트를 감지하면 스위치를 다시 온 상태로 전환하기 때문에 사이클이 반복된다.
매 사이클의 끝에서 임계 모드는 2차측 전류를 0으로 다시 전환하기 때문에 기생 저항 전압 강하가 부하 레귤레이션 에러를 일으키지 않는다. 또한 1차측 플라이백 스위치는 영전류 조건에서 항상 온 상태로 전환되고, 출력 다이오드는 역복구 손실 특성이 전혀 없다. 이렇게 전력 손실이 감소하면 플라이백 컨버터가 상대적으로 높은 스위칭 주파수 조건에서 동작할 수 있는 데, 이것은 다시 상대적으로 낮은 주파수를 사용하는 대안 설계와 비교해 트랜스포머 크기를 줄여준다. 그림 3은 SW 전압 및 전류를 출력 다이오드의 전류와 함께 나타낸 것이다.
부하 레귤레이션 성능이 경계 모드 동작을 통해 아주 우수한 데, 반사된 출력 전압이 다이오드 전류 부호변환점(zero-crossing)에서 항상 샘플링 되기 때문이다. LT8300은 그림 4에 나타낸 바와 같이 일반적으로 ±2% 이상 향상된 부하 레귤레이션 성능을 제공한다.

트랜스포머 선택 및 설계 고려사항
아마도 트랜스포머 규격과 설계가 LT8300을 성공적으로 적용하는 데 있어서 가장 중요한 부분 일 것이다. 낮은 누설 인덕턴스와 밀접 결합(close coupling) 특성을 가지는 고주파수 절연 파워서플라이 트랜스포머 설계를 처리하는 일반적인 적합성 판정 기준 리스트뿐만 아니라, 트랜스포머 권선비를 엄격하게 제어해야만 한다. 트랜스포머 2차측 전압은 1차측에서 샘플링된 전압을 기준으로 하기 때문에 일정한 출력 전압을 보장하기 위해서는 권선비를 엄격하게 제어해야 한다.



리니어 테크놀로지는 선도적인 자성 부품 제조업체들과 협력하여 LT8300과 함께 사용할 수 있도록 사전-설계된 플라이백 트랜스포머를 생산해 왔다. 표 1은 뷔르트 엘렉트로닉(Wurth Elektronik), 펄스 엔지니어링(Pulse Engineering), BH 일렉트로닉스(BH Electronics) 등이 제공하는 기성 트랜스포머 추천 리스트를 요약하여 정리한 것이다. 전체 리스트는 LT8300의 데이터 시트에 제공되고 있다. 이들 트랜스포머는 1차측에서 2차측까지 1분 동안 1,500 VAC 항복전압을 일반적으로 견딜 수 있다. 보다 높은 항복전압과 맞춤형 트랜스포머 역시 사용할 수 있다.
LTspice 소프트웨어의 무료 복사본을 www.linear.com/LTspice에서 다운로드 하여 표 1의 리스트에 포함된 모든 트랜스포머를 사용하여 LT8300 회로를 모델링 할 수 있다. 이 시뮬레이션을 통해 실제 결과를 산출하여 이와 같은 컨버터를 한층 더 간편하게 설계하고 확정할 수 있다. 시뮬레이션 회로는 다양한 입력 전압에 대한 회로의 개시 방법과 부하 단계별 반응에 대한 정보들을 포함하고 있다. 이것은 간편하게 변경할 수 있으며 회로 성능에 대한 영향 역시 간편하게 확인할 수 있다.

결론
절연형 파워서플라이는 잡음이 있는 전압 소스로부터 잡음 제거가 필요한 의료용 시스템에서 활용할 수 있으며, 안전 동작을 위해 분산 전력 아키텍처에서도 역시 필요하다. LT8300 기반 회로는 옵토커플러, 2차측 레퍼런스 전압, 전력 트랜스포머의 추가 3차 권선 등에 대한 요구를 제거함으로써 절연 플라이백 컨버터 설계를 단순화시킨다. 이 디바이스는 절연 장벽을 통과하는 단지 1개의 부품만으로 1차측 절연 특성을 2차측까지 유지한다. 이미 제공되고 있는 기성 트랜스포머를사용함으로써 맞춤형 트랜스포머에 대한 요구를 제거한다. LT8300은 최대 2 W의 출력 전력을 통해 5 V에서 100 V까지의 입력 전압 범위에서 동작하기 때문에 의료, 산업, 통신, 데이터 통신 등과 다양한 애플리케이션에 대해 최적화됐다.  ES