10mW 대기전력을 위한 저가의 플라이백 솔루션
플라이백 토폴로지는 단순성과 저렴한 비용 덕분에 저전력 AC/DC 변환 시 여전히 선호되고 있다. 적은 양의 외부 부품을 사용하는 이 토폴로지는 광범위한 입력 전압 범위에 한 개 이상의 출력을 제공한다. 여기서는 전력 효율적인 컨트롤러로 전원 공급 장치 솔루션의 비용을 저감시키는 방법에 대해 알아본다.
Adnaan Lokhandwala TEXAS INSTRUMENTS
플라이백 토폴로지는 절연 형식 및 비절연 형식으로 쓰이며, 스마트폰이나 태블릿의 배터리 충전, TV와 데스크톱 컴퓨터, 가전의 보조 전원 공급 장치, 휴대형 컴퓨팅과 셋톱 박스, 네트워킹의 AC 어댑터 등 다양한 애플리케이션에 사용되고 있다. 그림 1은 이러한 애플리케이션에서의 일반적인 전력 레벨이다. 대량 소비 시장(그림 1의 시장에서 2012년 전 세계 출고된 것만 수 십억 개 이상으로 추정)에서 이 플라이백 토폴로지(Flyback Topology)의 다양한 쓰임새와 용도를 감안했을 때 이 토폴로지는 비용, 효율, 대기전력과 같은 모든 성능의 사양을 최적화하는 데 이상적이다.
플라이백 컨버터는 대부분의 애플리케이션에서 벽체 충전기(Wall Char- ger)/어댑터의 독립형 외부 전원 공급 장치로 사용된다. 일부 애플리케이션에서는 이 컨버터가 대형 장비의 일부에 전력을 공급하거나, 장비가 주 기능을 수행하지 않을 때 대기전력을 공급해 사용자 디스플레이와 리모컨 같은 시스템 기능을 유지시키는 장치로 사용되기도 한다. 하지만 어떤 경우든 플라이백 컨버터는 컨버터의 대기전력 소모를 꼼꼼히 검토하여 전체 전력 낭비를 최소화하고 있다.
예를 들어 AC 벽체 충전기에 사용되는 플라이백 전원 공급 장치가 30mW 미만의 사양으로 출시됐다고 가정해 보자. 이 때 이 공급 장치가 10mW의 대기전력만 소비할 경우, 남은 20mW는 입력 필터, 커패시터, 바이어스 컴포넌트 등과 같은 누출 회로 부품에 더 높은 마진을 차지함으로써 전체 솔루션 비용을 낮춰 준다. 이처럼 대기전력 소비가 낮은 플라이백 컨버터는 대기 모드에서 더 많은 시스템 기능을 활성화시키며 최종 장비의 총 전력소비를 최소한으로 유지하도록 한다.
친환경 전력을 향한 노력
전력산업에는 효율과 대기전력을 위한 여러 가지 이니셔티브 및 준칙들이 있으며 이들은 최종 장비, 전력 레벨, 관할 기관에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 미국에는 캘리포니아 에너지위원회(California Energy Commission)와 환경보호국의 ENERGY STAR®1가 있고, 유럽에는 유럽연합 스탠드 바이 이니셔티브(Stand by Initiative)가 있다. 이와 같이 수많은 에너지 보존 이니셔티브들을 훑어보면 이들 모두 ‘경부하와 무부하/대기에서 전력손실을 최소화한다’라는 공통 주제를 갖고 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 다수의 나라들이 외부 전원 공급 장치의 대기전력 소비와 경부하 작동 효율에 대해 의무적, 자발적인 제한을 도입하고 있는 추세이다.
미국 캘리포니아 에너지위원회에서는 2013년 2월부터 자체적으로 배터리 충전 효율 표준을 채택하여 시행하고 있으며, 미국 에너지 부(Department of Energy)에서는 전원 공급 장치 효율에 관한 전 세계 현행 법규에 영향을 미칠 법안의 초안을 마무리하는 중이다.
또한, 유럽 위원회 공동연구센터(Joint Research Centre of the European Commission)도 외부 전원 공급 장치의 에너지 효율에 관한 행동강령 5판의 최종안을 2013년 10월에 발표했다. 활성화 모드 효율을 강화하고 무부하 전력 소비를 줄이도록 제안하는 이 자발적인 개정안(Voluntary Specification)은 유럽위원회(EC)의 현행 에코 디자인을 지시하는 의무적인 법안보다 훨씬 더 까다롭다.
EC는 외부 전원 공급 장치가 일부 애플리케이션의 휴지 모드 및 대기 모드에서 효과를 발휘할 수 있도록 4포인트 활성화 모드 평균-효율 요건을 넘어 10% 부하에서의 부가적인 효율 요건을 추가했다. 또한, EC는 8W 미만의 모바일 핸드헬드 배터리 구동 외부 장치에 대해서도 2014년부터 무부하 전력소비를 75mW 밑으로 제한해야 한다는 추가 조건을 덧붙였다. 마지막으로 에너지 관련 제품에 관한 EC의 에코디자인 준칙인 Lot 6, Tier 2는 2013년 1월부로 시행되고 있으며, 여기서는 가정 및 사무실 장치의 총 시스템 대기전력 소비를 0.5W 밑으로 제한하고 있다.
10mW 미만의 대기전력 소비
그림 2는 10mW 미만의 대기전력을 소비하는 절연 플라이백 컨버터의 전형적인 아키텍처이다. 플라이백에서 대기전력 손실을 가장 많이 일으키는 네 가지 핵심 구성 요소(라벨 A∼D)들과 그 상대적 비용이 함께 나타나 있다. 이와 같은 유형의 컨버터는 일반적으로 출력 전압을 2차 측 레퍼런스와 비교하며, 절연 배리어로 에러 신호를 전송할 때는 옵토아이솔레이터가 사용된다.
하지만, 이러한 방식은 근본적으로 두 가지 문제를 갖고 있다. 첫째는 널리 사용되는 텍사스 인스트루먼츠(TI)의 TL431 션트 레귤레이터와 같이 저렴한 레퍼런스는, 모든 상황에서 컨버터 로딩과 상관 없이 최소한의 캐소드 바이어스 전류 (∼1mA)를 필요로 한다는 것이다. 그리고 둘째는 표준 옵토커플러 구성의 경우 무부하 조건에서 전류를 가장 많이 소비하게 되어 있다는 것이다. 10mW 미만의 대기전력 소비를 달성하기 위해서는 TI의 TLV431 션트 레귤레이터와 같이 매우 낮은 바이어스 전류를 사용하는 고가의 레퍼런스를 피드백 컨트롤로 사용해야 한다.
이러한 문제들을 해결할 한 가지 방법은 TI의 UCC28710과 같이 1차 측 조절 기능을 가진 일정 전압, 일정 전류(CVCC)의 컨트롤러를 사용하는 것이다. 이러한 종류의 컨트롤러는 AC/DC 설계를 단순화시키고 성능을 높일 수 있다. UCC28710은 플라이백 출력 전압과 출력 전류를 5% 정밀도 내에서 옵토커플러의 피드백 없이 제어할 수 있다. 또한 이 컨트롤러는 정확한 출력 CVCC 컨트롤을 위해 1차 전력 스위치 및 트랜스포머 보조 와인딩의 정보를 처리한다.
무부하 소비를 줄이기 위해 컨버터 부하가 감소하면서 컨트롤러는 평균 전류 소비를 95㎂까지 낮춘다. 이 때, 이 컨트롤러는 스마트 슬립 모드에 들어간다. 이러한 컨트롤 알고리즘은 컨버터의 스위칭 주파수와 1차 전류의 최대 진폭을 조절함과 동시에 MOSFET 밸리 스위칭을 유지하여 라인과 부하에서 높은 변환 효율을 달성한다.
마지막으로 고전압 IC 기술을 사용하여 외부 HV 스타트업 MOSFET을 이 컨트롤러에 집적시킴으로써 부품 수를 줄이고 솔루션을 간소화할 수 있게 된다[그림 3(a)].
플라이백 컨버터 스위치 선택은 애플리케이션 및 성능 중심적으로 이뤄진다. 일부의 경우 BJT(Bipolar Junction Transistor)가 MOSFET보다 더 나은 선택일 수도 있다. BJT 제조, 특히 고전압(≥700V) 및 저전력 애플리케이션용을 제조하는 데 있어서 적은 레이어를 필요로 하므로 공정이 단순화된다. 따라서 기본적으로 전력 MOSFET보다 BJT가 저렴하다. 초고전압( 〉 900V) BJT는 현재 경제적인 옵션이므로, 산업시장을 위한 오프라인 전원 공급 장치 및 AC 유틸리티 전압이 매우 다양한 영역에서 BJT 기반 설계가 선호될 수 밖에 없다.
게다가 BJT 기반을 갖춘 컨버터의 제조 비용이 더 저렴해질 가능성도 있다. BJT 기반의 컨버터는 일반적으로 더 낮은 di/dt 및 dV/dt 스위칭 스트레스를 갖고 있으며, Y 커패시터가 없을 때 EMI를 더 쉽게 준수할 수 있다. 또한, 공통 모드 초크가 필요 없으며 변압기의 구조가 더 단순하다. 그리고 전원 꺼짐 상태에서 느린 di/dt 때문에 변압기 누설 인덕턴스의 일부 에너지가 BJT 턴오프 변환 시 소멸될 수 있어, 일부 설계에서 잠정적으로 스너버 회로를 제거할 수 있다. 하지만 반대로 생각하면 BJT는 더 높은 스위칭 손실을 겪으며 스위칭 주파수가 낮은 설계로 한정되고, 복잡한 드라이브 체계를 필요로 한다고 볼 수 있다.
그림 3(b)는 BJT 구동을 위한 고도의 집적 솔루션을 나타낸 것이다. UCC28720 컨트롤러는 베이스 전류 진폭을 컨버터 부하에 맞춰 동적으로 조절하는 드라이버를 갖고 있다. 때문에 BJT는 항상 최적의 스위칭 조건에서 스위칭 및 전도성 손실을 최소화할 수 있다. 이는 더 높은 전력 AC/DC 설계에서도 마찬가지이다.
앞의 논리를 설명하기 위해 두 개의 5V/1A USB 충전기를 설계했다. 그림 4에는 이 충전기들을 테스트한 데이터가 정리되어 있다.
이 컨트롤러들은 10mW 미만의 초저 대기전력 소비를 가능케 해주며, 최적화된 변조 및 구동 방식은 어떤 엄격한 국제 법규도 충족시킬 수 있는 높은 평균 효율을 달성할 수 있게 한다. 참고 자료 2와 3에는 전체 테스트 데이터와 이들 설계의 BOM에 대한 링크가 나타나 있다. 또한, 이 BJT 기반 솔루션이 80＋%4의 평균 효율을 제공할 수 있다는 것을 증명하기 위해, 그림 4에 고전력 5V/1.5A 설계 테스트 데이터를 나타냈다.
플라이백 토폴로지의 단순성과 비용 효과성이라는 특장점 덕분에 보통 가전제품을 구동하는 대부분의 저전력 AC/DC 설계에서 이 토폴로지를 채택하게 되었다. 이처럼 공급 장치의 설계자는 비용을 낮추는 동시에 동일한 성능을 달성하거나 같은 비용으로 더 높은 성능을 달성해야 하는 과제를 갖고 있다. 지금까지 전력 효율적인 컨트롤러를 현명하게 선택하여 앞에서 설명한 몇 가지 성능과 전원 공급 장치 솔루션 비용을 해결하는 방법에 대해 다루어 보았다.
TI의 700V 플라이백 컨트롤러 제품군에 속하는 UCC28710과 UCC28720은 동급 최강의 대기전력 및 효율로 비용이 최적화된 설계를 가능하게 해주며 산업표준을 준수하고 있다.
