이 글은 2W 절연 DC/DC 전원공급장치 설계의 다양한 접근방식을 다룬다. 여기에는 통합 피드백을 갖춘 절연 스위칭 레귤레이터에 관한 정보가 포함된다. 이 레귤레이터는 정밀 회로와 디지털 절연기를 통해 출력 전압을 직접 감지하고 절연해 안정적인 성능을 구현할 수 있다.

전원공급장치(Power Supply) 설계자는 제어 루프 안정화를 위해 보상 네트워크 설계를 더 복잡하게 만들지 않으면서도 넓은 동작온도 범위에서 출력 전압의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 절연 DC/DC 전원공급장치의 역할은 2차 측(secondary side)에서 안정적인 DC 전압을 제공하는 것이다. 잘 설계된 폐쇄루프 전원공급장치는 부하 조정과 과도 응답이 좋아야 하며, 이는 안정적인 DC출력 전압에 필수적이다.

많은 절연 폐쇄 루프 설계에서는 컨트롤러를 전력 스위치가 위치하는 1차 측에 두며 2차 측으로부터 절연 출력 전압 정보를 얻어야 한다. 2차 측 컨트롤러를 사용하면 2차 측 출력 전압을 검출하기가 쉬워질 수 있지만, 2차 측 시동 전압(start-up voltage) 회로를 추가하고 1차 측 스위치 구동을 위해 절연을 하려면 설계가 복잡해질 수밖에 없다. 1차 측 컨트롤러는 그 단순함 때문에 대부분의 설계에서 널리 사용된다. 특히, 절연 DC/DC

컨버터의 절연 출력 전압 정보를 검출하는 여러 가지 방법과 그 방법들의 한계를 집중적으로 살펴볼 것이다.

옵토커플러 피드백을 사용하는 1차 측 컨트롤러

기존의 절연 DC/DC 전원공급장치 설계에서는 절연 피드백을 위해 옵토커플러를, 2차 측 오류 증폭기 및 레퍼런스로 션트 레귤레이터(shunt regulator)를 사용한다. 옵토커플러 피드백을 사용하는 1차 측 컨트롤러 토폴로지는 플라이백(flyback) 컨버터이며 그림 1에 제시돼 있다. 플라이백 회로는 1차 측에 스위치 하나, 2차 측에 정류용 다이오드를 사용하는 단순함을 특징으로 한다. 션트 레귤레이터는 내부 오류 증폭기로 인해 분배된 출력 전압과 비교된 레퍼런스 전압을 제공한다.

출력은 옵토커플러 LED드라이버 회로로 들어간다. 오류 증폭기에는 보상 네트워크를 두어 전압 루프를 안정화시켜야 하며, 이를 위해서는 개발을 위한 설계 시간이 필요하다. 옵토커플러 LED 전류는 일련의 레지스터로 인해 바이어스된 션트 레귤레이터 출력에서 제공된다. 이 때 필요한 전류의 세기는 데이터 시트에 기술된 대로 옵토커플러 전류 전달비(current transfer ratio, CTR)의 특징에 의해 좌우된다.

CTR 특징은 출력 트랜지스터 전류 대 입력 LED 전류의 비로, 선형이 아니며 부분적으로 그 값이 달라진다. 옵토커플러는 일반적으로 초기 CTR에서 2:1의 불확실성을 가지며 고전력이 고밀도로 공급되는 고온의 환경에서 수년간 사용되거나 서비스로 이용될 경우 CTR이 50% 감소하게 된다. DC/DC 전원공급장치에서 사용되는 가격이 낮은 절연기에서 종종 볼 수 있듯이 옵토커플러의 CTR 변화는 전압 피드백 성능과 효과적인 동작온도 범위를 제한한다.

옵토커플러를 사용하지 않는 1차 감지 레귤레이터

옵토커플러 피드백 사용을 피하기 위해 1차 전류 감지를 기반으로 하는 스위칭 레귤레이터를 대신 사용할 수 있다.

이러한 장치는 그림 2에서 보듯이 폐쇄루프 플라이백 아키텍처를 사용하며 출력 전압을 제어하기 위해 1차 전류와 변압기 권선비(turns ratio) 사이의 관계에 의존한다. 간접적으로 1차 측에서의 출력 전압을 감지하려면 플라이백 전압이 오류 증폭기에 의해 1차 측 컨트롤러에서 샘플링되어야 하며, 1차 측 컨트롤러는 이러한 피드백을 출력 전압을 제어하는 데 사용한다.

VFLYBACK?(VOUT + VDIODE)×(NPRI/NSEC) (1)

출력 전압은 직접 측정되지 않으며 플라이백 전압(등식 1)은 2차 측 다이오드 전압에 대한 의존도를 보여준다. 다이오드 전압에 조금이라도 변화가 발생한다면 출력 전압도 달라진다. 이러한 접근방식의 문제점은 출력 다이오드의 순전압(forward voltage)이 부하 전류와 온도에 따라 달라질 수 있기 때문에 출력전압에 오류를 발생시킨다는 점이다.

통합 피드백을 사용하는 절연 스위칭 레귤레이터

통합 피드백을 사용하는 절연 스위칭 레귤레이터 방식의 경우 정밀한 회로와 디지털 절연기를 사용해 출력 전압을 직접적으로 감지하고 절연한다. 이 방식을 사용하면 옵토커플러 CTR 변화로 인해 발생하는 출력 전압 피드백 성능의 저하를 막을 수 있다. 출력 전압을 직접 감지하면 부하 전류와 온도에 따라 달라지는 다이오드 전압에 좌우되는 1차 감지 레귤레이터와 달리 안정적인 출력 전압 성능을 구현할 수 있다.

그림 3의 블록다이어그램에서 통합 오류 증폭기는 출력 분배기(output divider)의 전압을 감지하고 2차 측 컨트롤러는 디지털 절연 변압기를 사용하여 펄스폭 변조(pulse width modulated, PWM) 피드백 신호를 1차 측에 전송한다. 1차 측 논리에는 X1과 X2 스위치를 제어하는 게이트 드라이버가 있으며, 이 게이트 드라이버는 교대로 전력 변압기를 통해 2차 측으로 보내지는 에너지를 통제한다.

절연 스위칭 레귤레이터는 옵토커플러, 션트 커플러, 기존의 플라이백 회로의 보상 네트워크를 2차 측 컨트롤러 회로로 대체한다. 2차 측 컨트롤러의 시동회로는 1차 제어 논리 내부에 있으며 이로 인해 사용이 훨씬 수월해진다. 이러한 기능들을 정밀 통합하면 외부 시동회로와 보상 네트워크를 설계하는 데 소요되는 시간과 노력을 절약할 수 있다.

게다가 절연 스위칭 레귤레이터는 1차측에 두 개의 푸시-풀 스위치를 내장해 변압기를 가동시키며, 이는 외부 부품을 최소로 줄인다. 또한 푸시-풀 토폴로지는 효율성 향상에 도움을 준다.

통합 피드백을 사용하는 절연 스위칭 레귤레이터가 1차 감지 레귤레이터보다 뛰어나다는 사실은 성능곡선을 보면 알수 있다. 부하 조정 특징을 나타낸 그림4를 보면, 절연 스위칭 레귤레이터의 전류가 50~500 mA 일 때 출력 전압은 변화량이 1 mV 내외로 거의 일정한 값을 가진다. 비교해보면, 동일한 부하 조건에서 1차 감지 레귤레이터의 출력 변화는 50 mV가 넘는다.




다음으로 살펴볼 성능곡선은 출력 전압의 온도 성능이다(그림 5). 절연 스위칭 레귤레이터는 -40~105 ℃의 넓은 온도 범위에서 5.0V 출력의 전압 변화가 15 mV에 불과하다. 반면 1차 감지 레귤레이터는 동일한 온도 범위에서 출력 전압 변화가 120mV로 성능이 떨어진다. 1차 감지 레귤레이터의 출력 전압 변화는 다이오드 순전압의 변화에 기인한다.

다이오드를 통과하는 부하 전류로 인해 다이오드 순전압에 변화가 생길 수 있는 데다가, 다이오드 순전압은 온도에도 영향을 받기 때문이다. 마지막 성능곡선은 그림 6의 효율성 곡선이다. 앞서 살펴본 것과 마찬가지로 절연 스위칭 레귤레이터는 100mA의 경부하 영역에서 80% 이상의 효율성을 갖추고 있는 반면, 이 영역에서 1차 감지 레귤레이터의 경부하 효율은 미흡한 설계 탓에 60%에 불과하다.

통합 피드백을 사용하는 절연 스위칭 레귤레이터는 정밀 회로와 디지털 절연기를 통해 출력 전압을 직접 감지하고 절연한다. 출력 전압을 직접 감지하면 부하 전류와 온도에 좌우되는 다이오드 전압에 영향을 받는 1차 감지 레귤레이터와 달리 안정적인 성능을 구현할 수 있다. 디지털 절연기는 옵토커플러에서 나타나는 CTR 변화에 좌우되지 않는 정밀 회로를 사용하므로 넓은 온도범위에서 높은 정확성으로 출력 전압을 생성한다. 또한 이러한 접근법은 2차 측 컨트롤러와 내부 보상 네트워크를 갖춘 오류 증폭기를 통합하므로 사이즈와 복잡성뿐 아니라 설계시간까지 크게 단축할 수 있다.