이 글은 하이브리드 전기차 및 오프라인 절연형 전원장치, 산업용, 자동차, 군용 시스템 등의 높은 전력 레벨을 요하는 애플리케이션에 이용하기 적합한 능동 클램프 동기 컨트롤러에 대해 소개한다.

리니어의 LT3752와 LT3752-1, LT3753은 외부 부품 수, 솔루션 크기, 비용을 최소화하는 고도로 통합된 고성능 능동 클램프 포워드 컨트롤러 제품들이다. 이 중에서 LT3752, LT3753은 입력이 최대 100 V에 이르는 애플리케이션에 이용할 수 있고, LT3752-1은 100 V 이상인 애플리케이션에 사용할 수 있다.

모든 제품은 콤팩트하면서 범용성과 효율이 뛰어나 최대 400 W에 이르는 단일 IC 출력 전력 레벨을 제공한다. 또한 컨버터 출력을 직렬로 연결하면 더 높은 전력 레벨을 지원할 수 있다. 표 1은 이들 디바이스의 특징을 비교하고 있다.



프로그래머블 볼트-초 클램프를 옵토커플러가 불필요

그림 1은 LT3752의 정확성 뛰어난 프로그래머블 볼트-초 클램프를 이용해 옵토커플러가 필요하지 않은 150 W 포워드 컨버터를 보여주고 있다. 연속 전도 모드(continuous conduction mode)로 동작하는 포워드 컨버터는 출력 전압이 VOUT = VIN·N·D이다. 이 공식에서 VIN은 입력 전압이고 N은 이차 대 일차 권선비이며 D는 듀티 사이클이다. LT3752와 LT3752-1, LT3753의 OUT 핀에서 듀티 사이클 클램프가 VIN을 반비례하게 추종하여 입력 전압 범위에 일정한 VOUT을 유지한다.

능동 볼트-초 클램프 기법은 VOUT의 정확도가 볼트-초 클램프의 정확도에 크게 종속적이다. 경쟁 볼트-클램프 솔루션들은 시스템 입력으로부터 연결된 외부 RC 네트워크를 이용해서 내부 비교기 임계값을 트립한다. 하지만 이러한 RC 기법의 정확도는 외부 커패시터 오차, RC 시간 상수와 IC 스위칭 피리어드 사이의 부품-대-부품 불일치, 내부 비교기 임계값 오차, 낮은 입력 전압일 때 충전 비선형 등에 영향을 받을 수 있다.

LT3752, LT3752-1, LT3753은 부품 대 부품으로 정확한 레귤레이션을 달성하도록 트리밍된 타이밍 커패시터 및 비교기 임계값을 이용한다. 그림 2는 다양한 입력 전압의 부하 전류에 따른 VOUT을 보여준다. 만약 듀티 사이클 클램프를 프로그램하는 저항이 개방 회로가 되면 즉시 스위칭을 정지함으로써 볼트-초 클램프가 작동하지 않고서는 이 디바이스가 작동하지 못하도록 한다.

하우스키핑 플라이백 컨트롤러 통합

LT3752/LT3752-1은 하우스키핑 전원을 발생하기 위한 내부 정주파수 플라이백 컨트롤러를 통합하고 있다. 이 하우스키핑 전원이 일차 및 이차 IC에 이용하기 위한 바이어스를 효율적으로 제공해 메인 포워드 트랜스포머에서 보조 권선으로 바이어스 전원을 발생할 필요가 없다. 따라서 트랜스포머의 복잡성과 크기, 비용을 크게 낮출 수 있다.

이 하우스키핑 전원을 이용해서 INTVCC 핀을 오버드라이브(overdrive)함으로써 외부로부터 전력을 취하며 효율을 향상하고 추가적인 구동 전류를 공급해 INTVCC 레벨을 최적화할 수 있다. 또한 메인 포워드 컨버터가 스위칭을 시작하기에 앞서 어떠한 이차 측 IC로 바이어스를 제공할 수 있다. 따라서 이차 측에서 외부적 스타트업 회로가 필요하지 않다.

정밀 저전압 록아웃 및 소프트 스타트

LT3752/LT3752-1의 정밀 저전압 록아웃(UVLO) 기능은 전원 시퀀싱이나 스타트업 과전류 보호에 이용할 수 있다. 간단히 UVLO 핀에서 VIN 전원으로 저항 분할기를 연결하기만 하면 된다. UVLO 핀은 조절가능 입력 히스터리시스를 특징으로 소프트 스톱을 하기에 앞서 IC가 입력 전원 드룹(input supply droop)에 대처할 수 있다.

소프트 스톱 시에는 컨버터가 스위칭 주파수, 볼트-초 클램프, COMP 핀 전압을 폴드백하여 계속해서 스위칭한다. LT3752와 LT3752-1, LT3753은 UVLO 핀에서 마이크로전력 셧-다운 임계값이 약 400 mV이다. 그러면 VIN 정지 전류가 40 mA 또는 그 이하로 떨어진다. 또한 소프트 스타트 핀(SS1과 SS2)으로 커패시터를 추가해 소프트 스타트 기능을 구현할 수 있다. 따라서 스타트업 시나 결함 조건으로부터 복구 시, 피크 입력 전류를 낮춰 출력 전압 오버슈트를 방지한다. SS1 및 SS2 핀은 전류 한계와 스위칭 주파수, 쇄도 전류를 낮춰 출력 커패시터가 서서히 최종적인 값으로 충전하도록 한다.



소프트 스톱을 이용한 셧-다운

소프트 스타트 스타트업의 역으로서 LT3752/LT3752-1과 LT3753은 셧-다운 시에 SS1 핀을 서서히 방전할 수 있다(소프트 스톱). 그림 3은 그림 5 컨버터의 셧-다운 파형이다. 소프트 스톱 기능을 이용하지 않으면 자체 구동 동기 정류기 피드백이 커패시터 에너지를 일차 측으로 전달함으로써 셧-다운 발진을 일으키고 일차 측의 소자들을 손상시킬 수 있다. 그림 4는 소프트 스톱을 이용했을 때의 셧-다운 파형을 보여준다. 컨버터가 스위칭 주파수, 볼트-초 클램프, COMP 핀 전압을 폴드백해 계속해서 스위칭하여 매끄럽게 셧-다운이 이뤄지도록 한다.

전류 모드 제어

LT3752/LT3752-1과 LT3753은 전류 모드 제어 아키텍처를 이용해 전압 모드 컨트롤러보다 전원 대역폭을 향상하고 라인 및 부하 트랜션트에 대한 응답을 향상시킨다. 전류 모드 제어는 전압 모드 제어 아키텍처보다 더 적은 수의 보정 소자를 필요로 하므로 넓은 범위의 동작 조건을 보정하기가 훨씬 더 간편하다. 연속 모드이면서 50% 이상 듀티 사이클로 동작할 때 단일 저항을 이용해서 필요한 기울기 보정을 프로그램할 수 있다.

프로그래머블 기능을 이용해서 간편하게 최적화 가능

LT3752/LT3752-1과 LT3753은 디자이너가 특정한 애플리케이션에 따라서 최적화할 수 있도록 다수의 프로그래머블 기능을 포함하고 있다. 예를 들어 다양한 게이트 신호들 사이에 지연시간을 프로그램할 수 있어 상호 전도를 방지하고 효율을 최적화할 수 있다. 또한 단일 저항을 이용해서 각각의 지연을 설정할 수 있다.

메인 MOSFET의 프로그래머블 턴-온 전류 스파이크 공백(적응식 리딩 에지 공백 + 프로그래머블 확장 공백)은 컨버터의 잡음 내구성을 크게 향상할 수 있다. 게이트 상승 시간이나 얼마 후에 MOSFET 소스로 연결된 전류 검출 저항으로 잡음이 발생할 수 있다. 이 잡음이 검출 비교기를 부정하게 트립함으로써 성급하게 스위치 턴-오프를 일으킬 수 있다.
 
이 문제에 대한 한 가지 해결책은 적정보다 대형의 RC 필터를 이용해서 부정한 트립을 방지하는 것이다. 바로 이럴 때 프로그래머블 턴-온 스파이크 공백을 이용하면 추가적인 RC 필터링이 필요하지 않게 된다.

RT 핀에서 접지로 단일 저항을 이용해 동작 주파수를 100 kHz에서 500 kHz 사이로 프로그램할 수 있으며 아니면 SYNC 핀을 통해 외부 클록으로 동기화할 수 있다. 조절가능 동작 주파수이므로 스펙트럼 잡음에 민감한 애플리케이션에 따라서 특정한 주파수 대역을 벗어나도록 설정할 수 있다.

36 V ~ 72 V 입력 대 5 V/20 A 포워드 컨버터

그림 5는 36 V ~ 72 V 입력을 이용해서 5 V/20 A 출력을 제공하는 컨버터이다. 동적 리셋 회로는 소형의 P-채널 MOSFET M2와 리셋 커패시터로 이뤄진다. 리셋 피리어드일 때는 M1 MOSFET은 오프가 되고 MOSFET M2를 이용해서 리셋 커패시터를 트랜스포머 T1의 일차 권선으로 연결한다. 리셋 커패시터의 전압이 듀티 사이클에 따라 자동으로 조절되어 모든 동작 조건으로 완전한 트랜스포머 리셋을 제공한다.

또한 동적 리셋 회로가 리셋 전압을 이차 동기 MOSFET 정류기 M4를 구동하기에 적합한 사각파로 쉐이핑한다. 이들 MOSFET은 이차 측에 있으므로 이차 권선 전압으로 구동된다. 그림 6은 이 컨버터의 효율을 보여준다.

18 V ~ 72 V 입력 대 12 V/12.5 A 포워드 컨버터

그림 7은 18 V ~ 72 V 입력 대 12 V/12.5 A 출력 포워드 컨버터를 보여준다. 이 포워드 컨버터의 이차 측에 LT8311을 이용해서 옵토커플러를 통해 동기 MOSFET 제어 및 출력 전압 피드백을 제공한다. LT8311이 일차 측 IC로부터 동기 제어 신호를 받을 수 있으려면 펄스 트랜스포머(그림 7에서 T3)가 필요하다. 이들 제어 신호를 LT8311이 디지털적으로 해석(하이 또는 로우)하여 캐치 및 포워드 MOSFET을 턴-온/턴-오프한다. 그림 8은 이 컨버터의 효율을 보여준다.

150 V ~ 400 V 입력 대 12 V/16.7 A 포워드 컨버터



그림 9는 150 V ~ 400 V 입력 대 12 V/16.7 A 출력 절연형 플라이백 컨버터를 보여준다. 이처럼 입력 전압이 높은 애플리케이션의 경우에는 입수 가능한 P-채널 MOSFET의 전압 정격이 로우-사이드 능동 클램프 토폴로지로 능동 클램프 스위치로써 이용하기에 충분히 높지 못할 수 있다. 따라서 하이-사이드 능동 클램프 토폴로지를 이용한 N-채널 기법을 사용해야 한다. 이 토폴로지는 N-채널 MOSFET을 구동하기 위해 하이-사이드 게이트 드라이버나 게이트 트랜스포머가 필요하다. 그림 10은 이 컨버터의 효율을 보여준다.





결론

리니어의 LT3752와 LT3752-1, LT3753은 볼트-초 클램프 아키텍처를 이용해 정확한 레귤레이션을 달성함으로써 절연형 전원장치의 디자인을 간소화하고 성능을 향상시킨다. 또한 플라이백 컨트롤러를 통합해 하우스키핑 전원을 발생시켜 자기 소자들을 줄일 수 있다. 전류 모드 제어는 대역폭을 향상하고 넓은 범위의 동작 조건에 대해 보정이 가능하도록 한다. 소프트 스톱 기능은 손상을 일으키는 전압 및 전류 스파이크로부터 전원장치와 기타 소자들을 보호한다.