고성능 고신뢰성 절연 전력 공급기의 간편한 구축방법

기성품 설계들이 필요로 하는 모든 기능들을 제공할 수 없기 때문에 대부분의 애플리케이션에서 맞춤형 설계에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 대응한 디스크리트 PWM 컨트롤러를 사용해 자체 솔루션을 구축할 경우, 상당히 낮은 비용으로 특수한 폼팩터, 비표준 입력, 출력 전압 등과 같은 어려운 요구사항들을 충족시킬 수 있다. 특히, 능동 클램프 리셋 기능을 제공하는 포워드 컨버터가 맞춤형 공급기에서 탁월한 효율성과 컴포넌트 스트레스 감소를 지원하기 때문에 폭넓게 사용되고 있는데 이 글에서는 구체적인 제품을 통해 그 특징을 살펴본다.

Bruce Haug 리니어 테크놀로지 선임 제품 마케팅 엔지니어

배경

조립식 절연 DC/DC 컨버터와 모듈은 분배 버스 전압을 절연 저전압으로 효율적으로 변환시킬 수 있는 간편한 솔루션이긴 하지만 상대적으로 높은 비용이 소요되는 단점을 갖는다. 하지만 기성품 설계들은 필요로 하는 모든 기 능들을 제공할 수 없기 때문에 대부분의 애플리케이션에서는 이러한 맞춤형 설계가 요구되고 있다.
이러한 요구에 대응하기 위해 디스크 리트 PWM 컨트롤러를 사용해 자체 솔루션을 구축할 경우 상당히 낮은 비용 으로 특수한 폼팩터, 비표준 입력, 출력 전압 등과 같은 어려운 요구사항들을 충족시킬 수 있는 유연성이 제공된다.
최근 들어 이와 같은 컨트롤러 기술의 발전으로 절연 전력 공급기의 설계 작업을 단순화할 수 있는 추가적인 기 능들이 제공되고 있다. 또한 이를 통해 설계자들은 디스크리트 설계가 자신들의 최종 애플리케이션에 적합한지에 대해 이전과는 다른 시각을 갖게 됐다.
특히, 능동 클램프 리셋 기능을 제공 하는 포워드 컨버터가 맞춤형 공급기에서 탁월한 효율성과 컴포넌트 스트레스 감소를 지원하기 때문에 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 장점을 바탕으로 포워드 컨버터는 가장 간편한 절연 벅 토폴 로지 중 하나로 이용되고 있지만, 여기에 포함된 능동 클램프 리셋 기법이 성능 제약과 잠재적 신뢰성 문제를 유발하므로 그 사용 범위에 제한을 받는다.
리니어 테크놀로지의 2세대 LTC 3765/LTC3766 칩셋은 특허출원 중인 기법으로 능동 클램프 리셋 기능이 제공하는 포워드 컨버터의 신뢰성 문제와 성능 제약에 관련된 문제를 모두 제거 한 제품이다. 이 칩셋은 고성능 포워드 컨버터의 설계를 단순화시켜 조립식 대안 솔루션을 위한 경쟁력 있는 대안을 간편하게 구축할 수 있도록 해준다.

칩셋

LTC3765와 LTC3766은 결합을 통해 능동 클램프 트랜스포머 리셋, 다이렉트 플럭스 리미트(Direct Flux Limit) 등의 기능을 제공하는 절연 동기식 포워드 컨버터 칩셋을 구성함으로써 전력 트랜스포머가 모든 조건에서 포화되지 않도록 해준다.
또한 LTC3765는 1차측 지능형 컨트 롤러로서 LTC3766과 협력해 강건하고 간편한 자기-기동(Self-starting) 절연 전력 공급기를 구현한다. 이때 스타트- 업 후 LTC3765는 초소형 펄스 트랜스 포머를 통해 2차측 LTC3766 컨트롤러로부터 타이밍 신호와 바이어스 전력을 공급받는다.
이러한 2차측 제어 구조는 부하에 인접해 브레인(brain)들을 배치하는 방식으로 가장 신속한 과도 응답 특성을 제 공하는 동시에 출력 전압과 전압에 대해 신뢰할 수 있는 모니터링과 제어를 보장한다.
뿐만 아니라 이 아키텍처는 옵토-아이솔레이터나 바이어스 공급기에 대한 요구를 제거해 설계를 단순화하고 컴포 넌트 수를 줄일 수 있도록 돕는다. 그림 1에 일반적인 애플리케이션 블록 다이어그램을 나타냈다. 또한 그림 2에서는 관련과도 응답 특성과 효율/전력손실 곡선을 관찰할 수 있다.
이와 더불어 LTC3765/66은 기존의 캐치 와인딩(Catch Winding) 또는 공진(Resonant) 리셋 기법 대비 향상된 효율(최대 95%)과 증대된 전력 밀도를 지원하는 능동 클램프 트랜스포머 리셋 기법을 구현하기 위해 필요한 모든 제어 회로를 포함하고 있다. 또한 메인 스 위치를 위한 고전류 게이트 드라이버, 능동 클램프 스위치, 동기식 스위치 등은 조정 가능한 디레이 기능을 지원하므로 최대 효율을 달성할 수 있다.
추가 기능으로는 정확한 고속 평균 전류 제한, 75kHz에서 500kHz까지의 고정-주파수 조정 동작, 프리-바이어스 부하조건에서 클린 스타트-업 (Clean start-up), 고전력 설계를 위한 다중위상 동작, 과온 보호, 완벽한 원격 출력 전압 감지 등이 지원된다.






다이렉트 플럭스 리미트

적절한 동작을 위해 모든 트랜스포머에서는 V-S(Volt-second) 균형을 유지하는 것이 필수적으로 요구되며, 양과 마찬가지로 컨버터의 온/오프 시간에 대해 음의 V-S도 인가돼야 한다. 불균형이 발생할 경우, 이로 인해 코어의 일반적인 대칭자화(Symmetric Magne-tizing) 전류와 플럭스 밀도가 포화 상태로‘이동’할 수 있다
때문에 능동 클램프 컨버터는 추가 스위치와 커패시터를 사용하여 컨버터의 오프-타임 동안 리셋 전압을 인가한다. 이 기법을 통해 최저 가능 스위치 전압과 최고 효율을 달성할 수 있다. 또한 트랜스포머 자체의 자화 전류는 듀티 사이클에 따라 변화하는 정확한 전압으로 리셋 커패시터를 충전 또는 방전시킨다.
이것은 정상 상태 조건에서는 잘 동작 하지만, 듀티 사이클이 너무 빠르게 변화할 경우에는 커패시터의 전압이 유지 되지 못하여 코어 포화 상태를 유발하기도 한다. 이처럼 트랜스포머가 포화되었을 경우에 단락-회로처럼 보일 수 있으며, 다른 전력 공급기의 컴포넌트를 손상시킬 수 있다.
한편, LTC3765와 LTC3766은 트랜스포머 자화 전류를 직접 모니터링하는 방법을 통해 트랜스포머 코어의 플럭스 축적을 제한하는 새로운 독창적인 시스템을 실현한다. 리셋 사이클에서 능동 클램프의 PMOS가 온 상태이면 그림 3에 나타낸 것처럼 PMOS 소스와 직렬로 연결된 감지 레지스터를 통해 자화 전류를 직접 측정하여 제한할 수 있다.




이와 반대로 PMOS가 오프 상태로 전환되고 메인 NMOS 스위치가 온 상 태로 되면, LTC3765는 RUN 핀 상에 감지된 입력 전압과, R 핀에서부터 접지까지의 레지스터에 의해 조정된 트랜 스포머 코어 파라미터에 기반해 자화 전 류에 대한 정확한 내부 모형(Internal Replica)을 생성한다. 그러면 온-타임 기간 동안 이 정확한 내부 모형에 의해 자화 전류가 제한된다. 이전 방법들과 달리 다이렉트 플럭스 리미트 기능은 플럭스 축적을 직접 모니터링 해 가능한 가장 신속한 과도 응답 특성을 제공하면서 트랜스포머가 포화 되지 않도록 보장할 수 있다.
이러한 기능을 통해 컨버터는 배터리 충전기와 같은 프리-바이어스 출력에서 확실하게 스타트-업을 실행하고, 순 간적인 라인 드롭아웃 이후(무조건적인 소프트-스톱 없이) 재시작이 가능하다.

자가-기동(Self-Starting)

LTC3766은 LTC3765와 함께 작용해 2차측에 제어 기능을 제공하는 자가-기동 포워드 컨버터를 생성한다. 이 경우 초기에는 2차측에 이용 가능한 바이어스 전압이 없기 때문에 LTC3765는 1차 측의 오픈-루프 상태에서 스타트-업을 관리해야만 한다.
우선 전력이 1차측에 인가되면, LTC3765가 자체 내부 오실레이터를 통해 오픈-루프 소프트-스타트를 시작한다. 이때 SSFLT 핀의 전압 상승률에 의한 제어를 받으면서 듀티 사이클을 0% 에서 70%까지 점진적으로 증가시키고 메인 1차측 MOSFET를 스위칭하면 전력이 2 차측에 공급된다.
2차측의 경우, 피크 충전(Peak Cha-rge)이나 다른 간단한 회로를 통한 메인 출력 또는 보조 트랜스포머로부터 바이어스 전압을 직접 끌어올 수 있다. 이러한 과정을 통해 LTC3766이 스타트- 업 요구사항을 충족시킬 수 있는 적정 전압을 확보하면, 초소형 펄스 트랜스포머를 통해 듀티 사이클 정보를 LTC3765에 제공한다.
LTC3765는 이 신호를 감지하면 게이트 드라이버 제어 기능을 LTC3766으로 전환하여 출력 전압의 소프트-스타트를 유지한다. 일반적으로 1차측에서 2차 측으로의 이러한 핸드-오프(Hand-off)는 출력 전압이 최종 수준의 1/2 이하일 경우에 발생한다. 다음으로 LTC3765는 선형 레귤레이터를 오프 상태로 전환하고 펄스 트랜스포머 및 온-칩 렉티파이어를 이용하여 1차측 MOSFET의 구동을 위한 바이어스 전력을 제공받는다.

동작 제어 및 소프트-스타트

LTC3766의 주요 온/오프 제어 기능을 담당하는 것은 RUN 핀이다. 이 핀은 내부와 외부를 모두 조정할 수 있는 히 스테리시스(Hysteresis)를 제공하는 정밀 스레스홀드를 특징으로 한다. 2차측 바이어스 전압과 메인 출력 전압을 모니터링하는데 이 핀을 사용할 경우 1차측에서 2차측으로 핸드오프가 발생하는 지점을 제어할 수 있다. 아니면 제어 신호를 통해 이를 직접 구동할 수도 있다.
RUN 핀이 하이 상태이고 적정 전압이 VIN과 VCC핀 모두에 존재하며 스위칭 이 SW 핀에서 감지되면, LTC3766은 소프트-스타트 시퀀스를 시작한다. LTC3765가 제어 핸드-오프를 준비할 수 있도록 보장하기 위해서는 소프트- 스타트 시퀀스를 시작하기 전에 LTC 3766이 SW 핀 상의 스위칭을 모니터링 해야 한다는 점에 주의해야 한다.
이를 위해 우선 FP 핀 상의 전압을 측정한 다음, 소프트-스타트 커패시터 전압을 출력 전압과 동일한 수준으로 신속하게 사전-설정하면 소프트-스타트 시퀀스가 시작된다. 이것은 제어 기능이 1 차측에서 2차측으로 전환됨에 따라 출력 전압에 대해 완벽한 램프 온(ramp on)을 제공하고 불필요한 스타트-업 지연을 방지하기 위해 실행된다.
이로써 소프트 스타트 커패시터의 전압이 적정 수준에 도달하면, LTC3766은 펄스 트랜스포머를 통해 짧은 펄스시퀀스를 전송하여 LTC3765와의 커뮤니케이션 록 (Communication lock)을 구축한다.
이때 LTC3766 이 1차측 MOSFET에 대한 제어를 담당하고 소프트-스타트 커패시터가 이것의 완전 전압까지 계속해서 충전을 진행하는데, 에러 증폭기에 대한 레퍼런스의 유효 수준을 제한하기 위해서 소프트-스타트 전압이 사용된다는 점에 주의할 필요가 있다. 이 기법은 2차 측 소프트-스타트 간격 동안 출력 전압의 폐쇄-루프 제어 기능을 유지시킨다.

전류 제한 및 기타 보호 기능

배터리 충전 애플리케이션과 같이 정확한 전류 제한 기능이 필요한 경우에는 일반적으로 독립적인 증폭기를 사용하여 사전-선정된 최대 수준으로 전류를 레귤레이션 할 수 있는 저속 피드백 루프를 생성할 필요가 있다. 이 루프는 안정성을 보장하기 위해 저속으로 운영되기 때문에 일부 시스템에서는 허용이 불가능한 매우 높은 출력 전류가 순간적으로 흐를 수 있다.
또한 LTC3766은 고속의 정확하고 사용이 간편한 독창적인 평균 전류 제한 구조를 실현한다. LTC3766은 저속 전 류 제한 증폭기를 사용하는 대신 입력과 출력 전류, 출력 전압 또는 공급 전압을 모니터링하는 방법을 통해 신속한 사이클별 보정을 수행함으로써 평균 출력 전류를 근본적으로 일정하게 유지시킨다.
그림 4는 전류 제한 상태에 있는 LTC 3765/LTC3766 애플리케이션 회로의 일반적인 성능을 나타낸 것이다. 이러한 성능은 배터리 충전 애플리케이션에 매우 적합하다.
다이렉트 플럭스 리미트 기능과 평균 전류 제한 기능 외에도 LTC3765/LTC 3766 칩셋은 다양한 추가 보호 기능들을 포함하고 있다. 여기에 속한 기능으로는 동기식 스위치를 위한 조정 가능 역전류 보호, 출력 과전압 보호, 과온 보호 등의 기능을 꼽을 수 있는데 이러한 기능들은 가장 열악한 애플리케이션 환 경에서도 강건하고 신뢰할 수 있는 전력 공급을 보장할 수 있도록 통합돼 있다.

결론

LTC3765와 LTC3766은 결합을 통해 다이렉트 플럭스 트랜스포머 제한 기능을 제공하는 상대적으로 간편한 능동 클 램프 절연 포워드 컨버터를 형성할 수 있기 때문에, 대체 솔루션 대비 컴포넌트 수를 절감하면서 컨버터를 신뢰성 있게 보호하고 신속한 과도 응답 특성을 지원할 수 있다.
특정 크기, 입력, 출력, 비용 목표를 충족시키기 위해 맞춤형 전력 공급기를 설계해야 할 경우 이와 같은 우수한 성능을 제공하는 칩셋은 새로운 수준의 간편성, 낮은 부품 수, 유연성 등을 고신뢰성 애플리케이션에 제공한다. 무엇보다 이러한 솔루션은 구축이 간편하다.