전압, 전류 제어 루프 결합으로
LED 드라이버, 고용량 배터리/슈퍼커패시터
차저, MPPT 태양열 애플리케이션 간소화

Xin(Shin) Qi Linear Technology Corporation


LED 조명이나 고용량 배터리/슈퍼커패시터 차저 등에 정전류/정전압(CC-CV) 애플리케이션이 많이 사용됨에 따라, 갈수록 복잡해지는 전류 제어 루프와 전압 제어 루프간 상호 작용은 전원장치 디자이너에게 까다로운 과제로 되고 있다. CC-CV 애플리케이션에 적합하도록 설계된 스위치 모드 컨버터는 특히 전원장치의 전력이 제한적이거나 또는 전력을 다수의 경쟁적인 부하들로 할당해야 하는 경우 확실한 이점을 제공한다.
예를 들어 슈퍼커패시터를 전력이 제한적인 전원장치를 이용하여 최소한의 시간으로 충전해야 한다고 했을 때, 일정한 입력 전력을 유지하기 위해서는 출력(커패시터) 전압이 상승하는 데 따라서 충전 전류를 제어하여 낮춰야 한다.
리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 LT3796은 하나의 전류 레귤레이션 루프와 2개의 전압 레귤레이션 루프를 매끄럽게 결합하여 외부 N-채널 전력 스위치를 제어함으로써 전력 제한 문제나 정전류/정전압 레귤레이션 문제를 해결할 수 있도록 한다.
LT3796은 3개의 트랜스컨덕턴스 오차 증폭기 고유의 wired-OR 동작을 보정 핀 VC로 취합함으로써 적합한 루프
(레귤레이션에 가장 근접하는 루프)가 제어를 장악하도록 한다. 또한 추가적인 독립형 전류 검출 증폭기를 이용하여 입력 전류 제한과 입력 전압 레귤레이션을 비롯, 기타 다양한 기능도 구현할 수 있다.
LT3796은 넓은 VIN 범위(6V∼100V)와 레일-투-레일(0V∼100V) 출력 전류 모니터링 및 레귤레이션을 특징으로 하므로, 태양열 배터리 차저에서부터 고전력 LED 조명 시스템에 이르는 다양한 유형의 애플리케이션에 이용할 수 있다. 또한 고정 스위칭 주파수 전류 모드 아키텍처는 넓은 입력 전압 및 출력 전압 범위에서 안정적으로 동작한다.
또한 LT3796은 하이-사이드 전류 검출 기능을 통합함으로써 부스트, 벅, 벅-부스트 또는 SEPIC, 플라이백 토폴로지에 이용할 수 있다.

출력 단락 회로 보호 성능이 뛰어난 고전력 LED 드라이버

그림 1은 LT3796을 부스트 컨버터로 구성하여 넓은 입력 범위에서 34W LED 스트링을 구동하는 것을 나타낸 것이다. 낮은 입력 전압일 때 LED 전류를 낮춤으로써 외부 전력 소자들이 과열되지 않도록 방지한다. 입력 측 전류 검출 증폭기는 다음과 같은 공식에 의해 입력 전류를 CSOUT 핀에서 전압 신호로 변환함으로써 입력 전류를 모니터링 한다.

FB1 핀의 저항 네트워크가 OPENLED 보호 기능을 제공 하므로 출력 전압을 제한하고 ISP 핀, ISN 핀 및 다수의 외부 소자가 각각 최대 정격을 초과하지 않도록 한다. LED가 개방 회로 결함을 일으키거나 고전력 드라이버에서 LED 스트링이 제거되면 FB 정전압 루프가 동작 되고 출력을 92.5V로 레귤레이트한다. 또한  핀 상태가 바뀌어 OPENLED 이벤트가 발생했다는 것을 알려준다.
LT3796은 LED 전류 검출에 대해 독립적인 단락 회로 보호 기능을 제공한다. 이러한 단락 회로 보호 기능은 과도한 스위칭 전류가 만들어지지 않도록 하며 전력 소자들을 보호한다. 이 보호 임계값(375mV 정격)은 디폴트 LED 전류 검출 임계값보다 50% 높게 설계되었다.
LED 과전류가 검출되면 GATE 핀을 GND로 구동하여 스위칭을 정지시키고, TG 핀을 하이로 풀링하여 LED 어레이를 전원 경로로부터 차단시킨 후  핀을 하이 상태로 만든다. 또한 쇼트키 다이오드 D2를 추가하여 PMOS M2의 드레인이 긴 케이블을 거쳐 접지로 단락을 일으켰을 때 접지 아래로 스윙하는 것을 방지할 수 있도록 했다. PNP 헬퍼 Q1을 포함하고 있으므로 트랜션트 단락 회로 전류를 추가적으로 제한할 수 있다.
SS 핀과 V_REF 핀 사이에 저항이 연결되어 있지 않으면 컨버터가 히컵(Hiccup) 모드로 들어가며, 그림 2와 같이 주기적으로 다시 시도한다. V_REF와 SS 핀 사이에 저항을 연결하여 LED 단락 시 SS 핀이 0.2V보다 높게 유지되도록 하면, LT3796이 그림 3과 같이 GATE 핀을 로우로 풀링하고 TG핀을 하이로 풀링하여 래치오프 모드로 된다. 래치오프 모드에서 빠져나오려면 EN/UVLO 핀을 로우에서 하이로 토글해야 한다.


PWM 디밍 비율이 높은 LED 드라이버

입력 참조 LED 스트링을 이용하면 그림 4와 같이 LT 3796이 벅 모드 컨트롤러로 동작할 수 있게 된다. 1MHz 동
작 주파수를 이용함으로써 높은 PWM 디밍 비율이 가능해진다. OPENLED 레귤레이션 전압은 CSP, CSN, CSOUT 핀에서 독립적 전류 검출 증폭기를 거쳐 다음과 같이 설정된다.

PWM 오프 위상일 때에는 LT3796이 V_C 핀에 대한 모든 내부 부하를 정지시키고 충전 상태를 유지한다. 또한 PMOS 스위치 M2를 턴오프하여 LED 스트링을 전원 경로로부터 차단하고 출력 커패시터가 방전하지 못하도록 한다.
이와 같은 동작들이 결합하여 PWM 신호가 하이로 되었을때 LED 전류 회복 시간을 크게 향상시킬 수 있도록 한다. 100Hz PWM 입력 신호를 이용한다고 해도, 이 벅 모드 LED드라이버는 그림 5에 나타난 바와 같이 3000 : 1의 디밍 비율을 달성할 수 있다.

R_WIRE 보정 기능이 있는 SEPIC 컨버터

배선과 케이블의 전압 강하로 인해 부하 레귤레이션 오차가 발생할 수 있다. 원격 검출 배선을 추가하면 이러한 오차를 보정할 수 있는데, 어떤 애플리케이션에서는 이와 같이 배선을 추가할 수 없는 경우가 있다. 이에 대한 해결책으로,LT3796은 부하 전류에 상관 없이 배선에 의한 전압 강하를 보정할 수 있다. 다만 기생 배선 또는 케이블 임피던스를 알수 있어야 한다.
그림 6은 R_WIRE 보정 기능을 이용하는 12V SEPIC 컨버터를 나타낸 것이다. R_SNS1을 ISP 및 SIN 핀의 제어로 1A 부하 전류를 제한할 수 있도록 선택했다. 저항 네트워크 R1-R5가 LT3796의 내부 전류 검출 증폭기(그림 7에서 CSAMP)와 함께 동작하며 부하 전류에 대해 전압 강하를 반영하도록 OUT노드 전압(V_OUT)을 조정한다. 그럼으로써 전체적인 부하 범위에 걸쳐 V_LOAD가 12V로 일정하게 유지되도록 한다.

그림 7은 LT3796의 내부 CSAMP 회로가 어떻게 작동하는지 나타낸 것이다. LT3796의 전압 루프가 FB1 핀을 1.25V로 레귤레이트함으로써 R5＝12.4k를 이용, I₃가 100㎂로 항상 유지되도록 한다. 그림 7에서는 V_OUT＝1.25V＋I₂·R4이므로 전류 I₂에 따라 V_OUT이 변화한다. I₂·R4의 변화량이 I_LOAD·(R_SNS1＋R_WIRE)의 변화량을 상쇄할 수 있다면 V_LOAD가 일정하게 유지된다.
그림 7에서 V_OUT으로부터 연결된 R1/R3 분할기는 CSP에서 전류 I₁에 의해 레귤레이트 되는 전압을 설정한다. 이 전압은 R2로 흐른다. I₁은 FB1 노드로 전달되고 여기서 I₂와 합쳐진다.

출력 전류가 상승함에 따라 RSNS에서 전압 강하가 증가하고 I₁이 감소한다. FB2로 일정한 100㎂를 유지하기 위해서는 전류 I₂를 그와 일치하게 상승시킴으로써 감소를 보정해야 한다. 이와 같이 출력 전류를 이용하여 I₂를 상승시킴에 따라 V_OUT이 양의 부하 레귤레이션 특성을 띄게 된다. 케이블 강하를 보정하려면 이와 같이 양의 부하 레귤레이션이 필요하다.
그림 8은 I_LOAD에 대해 측정된 V_LOAD와 V_OUT이다. I_LOAD가 1A 전류 한계보다 낮을 때에는 V_LOAD가 I_LOAD와 무관하다는
것을 알 수 있다. I_LOAD가 1A에 근접해 가면 ISP 및 ISN 핀의 전류 루프가 전압 루프에 개입하여 출력 전압을 끌어내린다. 그림 9는 부하 트랜션트 응답을 나타낸 것이다.



태양열 패널 배터리 차저

태양열 구동 장비는 극히 가변적인 에너지 소스를 이용하므로 장비를 항상 가동하려면 태양열 패널로부터 오는 에너지를 재충전 가능한 배터리로 저장해야 한다. 태양열 패널에는 최대 전력 지점(Maximum Power Point)이 있는데 이는 패널이 최대의 전력을 발생시킬 수 있는 비교적 고정적인 전압 수준을 말한다.
MPPT(Maximum Power Point Tracking)는 패널 전압이 이 값에서 벗어나지 않고 유지될 수 있도록, 통상적으로 컨버터의 출력 전류를 제한하는 방식으로 이루어진다. LT3796은 전류 및 전압 루프를 결합한 고유의 특성으로 인해 MPPT 배터리 차저 솔루션에 이용하는 데 적합하다.
그림 10은 LT3796을 이용하여 태양열 패널로부터 SLA(Sealed Lead Acid) 배터리를 충전하는 것을 나타낸 것이다. 이 차저는 3스테이지 충전 방식을 이용하고 있다. 첫 번째 스테이지는 정전류 충전이다. 배터리가 최대 14.35V로 충전되면 충전 전류가 감소하기 시작한다. 최종적으로 요구되는 배터리 충전 전류가 100mA 아래로 떨어지면 내부 C/10 단자가 를 풀다운하여 충전 동작을 정지시킨다. 그리고 차저가 V_FLOAT＝13.5V로 부동 충전 스테이지로 들어가고 자체 방전으로 인해 발생된 손실을 보정한다.

충전 전류는 CSP 및 CSOUT(CTRL) 핀의 저항 네트워크에 의해 다음과 같은 식으로 설정된다

MPPT 기능은 최대 출력 충전 전류를 제어하는 방식으로 달성된다.
태양열 패널 출력의 전압이 (CTRL 핀에서 1.1V이고 최대 충전 전류일 때인) 28V에 가까워지면서 떨어지는 데 따라 충전 전류가 감소한다(그림 11). 그러므로 이 서보 루프가 작동하여 차저 시스템의 전력 요구량을 패널이 제공할 수 있는 최대 전력으로 감소시킴으로써 태양열 패널의 전력 활용율을 100%에 가깝게 유지할 수 있다.

입력 전류 제한 기능의 슈퍼커패시터 차저

슈퍼커패시터는 무선(Cordless) 기기의 급속 충전 전력 셀에서 마이크로프로세서를 위한 단시간적인 백업 시스템에 이르기까지, 다양한 유형의 애플리케이션에서 빠른 속도로 배터리를 대체하고 있다. 슈퍼커패시터는 수명이 더 오래가고, 더 친환경적이며 성능이 우수할 뿐만 아니라 장기적으로 비용이 절약되기는 하지만,
슈퍼커패시터를 충전하기 위해서는 시스템 차원의 손상이나 슈퍼커패시터 자체의 손상을 방지하기 위해 충전 전류 및 전압 한계를 정밀하게 제어해야 한다.
일부 애플리케이션은 입력 전원이 붕괴되는 것을 방지하기하기 위해 입력 전류를 제한하도록 요구한다. 그림 12는 28V 레귤레이트 출력 전압 및 1.33A 입력 전류 제한 기능의 1.67A 슈퍼커패시터 차저를 나타낸 것이다. R_SNS1이 입력 전류를 검출하고 전압 신호로 변환하여 FB2 핀으로 전달함으로써 입력 전류 제한이 이루어지도록 한다.
슈퍼커패시터는 매 충전 사이클마다 0V부터 충전된다.

VOUT에서 R3, C5, R5, R10, R4, Q1, RT를 거쳐 RT 핀에 이르는 피드백 루프가 주파수 폴드백을 수행함으로써 레귤레이션이 이루어지도록 한다.
그림 13은 이 차저의 출력 전압 대비 입력 전류 및 출력 충전 전류를 나타낸 것이다. 이 그림을 보면, LT3796은 입력전류가 1.33A 입력 전류 한계에 가까워지도록 변화할 때까지 출력 전류 레귤레이션을 유지하고 있다는 것을 알 수 있다.

LT3796은 정밀한 전류 및 전압 레귤레이션 루프를 결합한 범용 스텝업 DC/DC 컨트롤러이다. LT3796은 단일 전류 루프와 2개의 전압 루프를 결합함으로써 LED 드라이버, 배터리 또는 슈퍼커패시터 차저, MPPT 태양열 배터리 차저, 입력 및 출력 전류 제한 기능의 스텝업, SEPIC 컨버터와 같이 다중 제어 루프를 필요로 하는 애플리케이션에서 편리하게 이용할 수 있다. LT3796은 또한 다수의 결함 보호 및 보고 기능, 상단 게이트 드라이버, 전류 루프 보고 기능을 포함하고 있다.
28리드 TSSOP 패키지의 LT3796을 이용함으로써 다수의 제어 IC 및 시스템을 대체할 수 있게 되었다. 그러므로 설계를 간소화하고 시스템 비용을 낮추며 솔루션 크기를 줄일 수 있는, 신뢰할 수 있는 전원 시스템을 제공할 수 있다.

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리니어 테크놀로지
레일투레일 80V 전력 모니터링 솔루션 출시

리니어 테크놀로지 코리아는 0V∼80V 레일의 광범위한 범위에서 전류, 전압, 전력을 모니터하는 I2C 시스템 모니터링 솔루션(LTC2945)을 출시한다고 밝혔다.
수많은 사례에서 봤을 때, 이전의 전력 모니터링 솔루션 제품들은 3V∼5V의 전원 공급 한계가 있으며 36V 미만으로 전압을 모니터하여 더 높은 전압을 모니터하기 위해서는 추가적인 회로가 요구된다.
그러나 LTC2945는 유연한 전원 공급 옵션을 제공하며 전원에서 모니터된 4V∼80V의 전력을 공급받고, 2.7V∼80V의 2차 전원 공급 또는 온보드 셧트 레귤레이터로부터 전원을 공급받는다. 이러한 전원 옵션들은 개별적인 벅 레귤레이터, 션트 레귤레이터나 비효율적인 저항 디바이더에 대한 필요성을 없애주면서 0V∼80V의 어떤 레일도 모니터한다.
LTC2945는 간단하면서도 단순한 IC 솔루션으로 내부 델타 시그마 ADC 및 멀티플라이어를 사용하여 12비트 전류 및 전압 측정, 24비트 전력 판독 기능을 제공한다. LTC2945의 폭넓은 동작 범위는 다양한 애플리케이션에 적합하며 특히 48V 텔레콤 장비, AMC(Advanced Mezzanine Card), 블레이드 서버에 이상적이다. 온보드 션트 레귤레이터는 80V 이상의 전원장치를 지원하며 네거티브 전원 모니터링 기능을 제공한다. LTC2945-1 버전은 옵토 아이솔레이터 구성으로 변환하여 사용할 수 있도록 인버트 데이터 출력 I2C 핀을 제공한다.