3상 전원에서 작동하도록 설계된 e-meter나 대전력 가전 용품과 같은 용도의 전원 공급장치(SMPS)는 위상 간 비대칭 시 발생하는 높은 전압에서 동작할 수 있어야 한다. 여기서는 신형 프리 레귤레이터(Pre-regulator)의 작동 및 장점들에 대해 상세히 설명한다.
프리 레귤레이터는 현재 개별적으로 동작한다. 온세미컨덕터(ON Semiconductor)는 이에 대한 사용권을 갖고 있지만, PWM 컨트롤러/레귤레이터/MOSFET 구매 고객에게는 로열티 없이 무료로 제공하고 있다. 시스템 레벨의 비용 절감 효과를 주는 이 솔루션은, 총 시스템 비용을 낮춰줄 뿐 아니라 온세미컨덕터 부품의 기술 로열티가 무료이므로 서로 도움이 될 수 있다. 프리 레귤레이터는 IC 집적을 염두에 두고 있지만, 사용 결정은 이 별도의 솔루션이 시장에서 어떻게 수용되는가에 달려있다.
신형 프리 레귤레이터 디자인
그림 1. 프리 레귤레이터는 컨버터 설계를 간소화시켜 작고 저렴한 부품을 사용할 수 있다
그림 1과 같이, 이 신규 솔루션은 SMPS 입력 단자에 전압 레귤레이터(제어 회로부)를 삽입한다. 이와 같은 경우, 프리 레귤레이터는 모든 재래식 플라이백 컨버터 디자인(Switcher)이 사용될 수 있도록 200-Vdc로 조정된 전압을 제공하며, 일종의 LDO(Low Drop-Out Regulator)와 같이 동작한다.
조정된 전압은 입력 벌크 커패시터 이전의 프론트 엔드(Front-end) 프리 레귤레이터에 의해서만 지원된다. 벌크 커패시터보다 높은 전압을 제공하는 SMPS 스너버는 프리 레귤레이터의 N채널 MOSFET을 쉽게 제어 및 구동할 수 있다.
신형 프리 레귤레이터의 계통도
전체 회로 솔루션은 그림 2와 같이, 주 전원 공급 장치와 벌크 커패시터 전원 공급 장치 사이에 삽입된다.
그림 2. 프리 레귤레이터의 전체 회로도 및 기존 SMPS와의 상호 연결도
기존의 플라이백 SMPS와 상호 연결
기존의 플라이백 SMPS에 제한적이고 단순한 연결을 통해 프리 레귤레이터를 삽입할 수 있다.
첫 번째는 EMI 필터 이후의 주 전원 공급에 해당하는 V-in 단자이다(반파 정류를 위한 다이오드 한 개 장착). 두 번째 연결은 기존 SMPS의 전원으로 벌크 커패시터와 연결되는 V-Out 단자이며, 세 번째는 V-Out보다 높은 전압으로 N채널 MOSFET의 게이트를 제어하는 플라이백 전압 클램프(또는 스너버)에 연결되는 V-Supply이다. 그리고 네 번째와 마지막 연결은 접지이다.
그림 3. 프리 레귤레이터 작동
간소화된 프리 레귤레이터의 동작
SMPS 스너버단의 V-Supply 덕분에, Zener ZD3-ZD6으로 클램프된 Vref는 드레인 전압(V-in)이 소스(V-Out)보다 높아지면 rm 즉시 Power N 채널 MOSFET Q1을 구동할 수 있는 전압 소스를 제공한다. 드레인 전압은 주(V-in) 전압이 상승함에 따라 출력 벌크 커패시터를 공급 전압으로 충전한다.
그림 4. 절연 변압기 없이 2개의 위상 간 420V 주 전원과 직접 연결된 드레인
전압은 MOS 스위치 OFF에 의한 피크 과전압 현상을 보이지 않았다
이 Power MOSFET은 V-Out이 레귤레이션 포인트(제어전압)로 상승할 때까지 완전 포화된다. 게이트(∼Vref)와 소스(V-Out) 사이의 전압이 낮은 레벨(< 5V)로 내려가는 즉시 Power MOSFET이 Turn OFF되기 시작한다. Q1이 더 이상 포화되지 않으면 주 전압 형태를 따라 드레인-소스 전압이 급상승한다. Q1의 Drain to Source 전압이 50V 미만일 경우, 저항 분압 R5-R10과 R2 덕분에 트랜지스터 Q2의 스위치가 켜지면서 Power MOSFET Q1의 게이트 전압을 감소시킴과 동시에 스위치 OFF 속도를 높여줌으로써 스위칭 손실을 줄인다.
Q1 스위치가 꺼지면, 드레인 전압이 추가로 상승하여 Q2의 구동을 유지하고 전체 스위치 OFF 프로세스를 유지한다. Q1 도통 시간 동안 커패시터 C4는 다이오드 D4를 통해 10V까지 충전된다. Q2가 켜지면 R11에 의해 트랜지스터 Q3이 켜지면서 R11을 통해 C4가 방전될 때까지 Q2의 도통을 유지한다.
이로 인해 Q2를 OFF시킬 수 있는 드레인 단의 강력한 진동에도 불구하고, Q1의 오동작(도통)을 피할 수 있다. 커패시터 C4는 다음 전도 사이클이 가능하도록 어느 정도 ms 후 완전히 방전되어야 하므로 너무 커서는 안 된다(전파 정류와 반파 정류 간 차이).
어떤 이유로든 Q1의 전류(출력전류)가 출력 저항 R1에 의해 정해진 특정 한계치를 넘어서면, 트랜지스터 Q4가 도통하면서 Power MOSFET Q1의 드라이브(게이트 전압)를 드롭 및 OFF시킨다. Q1은 OFF되고(Q2와 Q3을 활용하여) 스위치 OFF 프로세스가 즉각 시작된다.
그림 5. 벌크 커패시터가 GND로 단락된 프리 레귤레이터 구동
그림 1의 플라이백 절연 트랜스포머 누설 인덕턴스에 의한 Power MOSFET의 고전압 스파이크를 오실로스코프로 확인해 보았다.
그 결과 Power MOSFET의 기생 바디 다이오드로 인해 드레인 전압은 출력보다 결코 낮아지지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
2개 위상 사이의 전원 공급으로 인해, 전압이 620V까지 상승하지만 180V 이상의 출력 전압 덕분에 Power MOSFET의 드레인과 소스 사이 전압은 450V 이하로 유지된다.
이로 인해 벌크 커패시터를 충전시키거나, 이와 같은 상태를 길게 유지하지 않아도 되므로 아무 문제없이 MOSFET의 애벌란시(Avalanche) 보호를 할 수 있다.
스너버는 공급 전압을 제공할 수 없으므로(SMPS는 OFF), 기동을 위해 추가 회로가 필요하다. 유일한 가용 에너지는 V-in을 통한 주 전원 공급이다.
커패시터 C5, C6이 D3을 통해 V-in 피크 전압까지 충전되고 높은 임피던스 저항 R17-R20을 통해 Q1을 구동한다. 커패시터 C5, C6 모두 직렬로 연결되어, 하나의 단락 시험
(안전성 테스트)을 피해 없이 지원할 수 있다. 또한 이 커패시터들은 GND 대신 V-Out과 연결되어 각각의 커패시터에 가해지는 전압을 줄여준다.
기동 단계에서 Cycle by Cycle 전류 제한이 바로 동작하며, 전류가 제한된 한도를 넘지 않도록 함과 동시에 돌입 전류를 완벽히 억제하는 기능을 담당한다. 이를 통해 SMPS로의 돌입 전류를 제한하는 전류 제한 저항이나 NTC를 제거할 수 있게 된다.
안전성 테스트 및 구동
가장 중요하고 일반적인 안전성 테스트는 전해 벌크 커패시터 단락 현상이다. 기존 SMPS의 경우에는 즉시 퓨즈가 타버리고 SMPS의 주 전원 연결이 단절되어 별도의 수리와 정비가 요구되지만, 프리 레귤레이터는 매우 탁월한 전류 제한 기능으로 동작하며, 일반적인 기동과 유사하게 타이머 스위치 OFF 및 열 폭주 없이 Power MOSFET이 제한적인 전류로 계속 구동된다.
만약 전해 커패시터의 단락이 제거되면, 전체 시스템이 정상 작동으로 복귀되고 벌크 커패시터의 출력 전압도 200V로 돌아온다.
두 번째 주요 단락시험은 Power MOSFET Q1 드레인과 소스단의 직접 단락이다. 이 경우 전류 제한 기능만으로는 단락 전류를 제대로 제한할 수 없다. 벌크 커패시터 C3의 전압은 과도 전압 클램프인 ZD2에 의해 메인 퓨즈가 타버릴 때까지 제한된다.
EMI 및 서지 방지
EMI를 줄이기 위해 커패시터는 Power MOSFET의 드레인과 소스 사이에 연결된다. 이 커패시터는 드레인 전압의 진동 성분을 제한하고 전체 시스템의 직렬 인덕턴스(EMI 필터 포함)에서 비롯될 수 있는 피크 전압과 Power MOSFET의 고주파 기생 진동을 줄여준다.
또한 낮은 스위칭 주파수로 인해 전체적인 동작에 영향을 주지 않는 비교적 큰 2.2nF의 커패시터를 사용할 수 있다(이 커패시터는 다음 사이클 전에 완전히 방전되므로 스위치-ON 동작에 영향을 주지 않는다). 또한 이 커패시터 C1은 Power MOSFET의 전압을 제한하여 MOSFET의 최대 정격 이하로 유지시킴으로써 전체 프리 레귤레이터를 서지 테스트로부터 보호하기도 한다.
지연 시간 설계와 프리 레귤레이터의 이점
주 전원이 제거되더라도 출력 전압이 너무 빨리 감소하지 않도록 전달된 에너지가 출력 커패시터에 저장돼야 한다. 이러한 감소시간을 지연 시간(Hold-up Time)이라고 하며, 출력 커패시터의 용량이 이를 좌우한다. 대부분의 출력 전압은 매우 낮으므로 (< 12 V), 입력 벌크 커패시터를 가지는 것이(1/2 CV2, 입력전압 V에서 에너지가 커패시터 C에 저장) 더 효율적이다.
지연 시간은 특정 출력 전원, 지원되는 최소 시간, 최소 주 공급 전압 등으로 정의해야 한다. 프리 레귤레이터는 주 전원 공급과 관계없이 동일한 전압에서 에너지를 저장하므로, 주 전원 공급 범위 전반에 걸쳐 동일한 성능을 제공한다(대부분의 용도는 주 전원 공급이 180Vac까지 낮아지더라도 지연 성능을 요한다).
벌크 커패시터를 C, 주 전원 OFF 전의 초기 전압을 Vo, 플라이백 SMPS의 주 공급 전압을 VF(∼30V), 지연시간 t 도중에 전달되는 전원을 P-Out, 그리고 SMPS 효율을 Eff라고 가정하면, 다음과 같은 공식이 나온다.
1/2C*(V02－VF2)＝(P－Out/Eff.).
이것은 어떤 응용 분야든지 동일하게 해당된다.
그림 6. 47µF 벌크 커패시터 @2W 출력의 지연시간
그림 6에서 지연시간이 대형 입력 벌크 커패시터에 연동되는 범위를 볼 수 있다. 통상 30ms 이상의 시간과 2W 출력 및 180V AC 전원을 필요로 하는 e-계량기의 경우 특히 여기에 해당된다.
이러한 사양과 관련해서 기존 솔루션의 경우는 높은 공급 전압(> 600 V)을 지원하기 위해 두 개의 직렬 100µF 400V(16×25mm) 타입이 필요한 반면, 프리 레귤레이터 블록을 사용하는 SMPS는 47µF 250V(12.5×20mm) 벌크 커패시터 하나만 있으면 된다.
이러한 차이를 살펴보면, 400V 커패시터의 단가는 250V 커패시터 단가의 약 4배 가까이라고 예상해야 한다. 만약 2,000시간@105℃에서의 부품 가격이 절반이라면, 5000시간@105℃ 조건에서는 그 차이가 더 커진다. 또한 보다 엄격한 지연 시간 성능을 견디도록 사양이 높아져야 한다면, 커패시터의 용량값은 더 커져야 한다.
전체 시스템 효율
전원 공급이 감소한 덕분에 포스트 플라이백 컨버터의 효율이 향상될 것이다. 스위처 Power MOSFET의 높은 전압 마진으로 인해 전압 클램프 및 그에 따른 전력 손실은 더욱 감소할 것이다.
트랜스포머의 1차 측 전압이 높을수록 1차 측 인덕턴스가 커지고 1차 측 전류는 감소하며, 낮은 Vf를 가진 쇼트키 다이오드인 2차 측 다이오드의 역전압은 감소하고 전력 손실이 줄어들 뿐만 아니라 사이즈와 비용도 축소될 것이다.
조정된 공급 전압은 너무 커지는 ON 시간과 스위칭 주파수 변동, 너무 높은 dv/dt 및 그에 따른 스위칭 손실, EMI를 피할 수 있게 한다.
스위칭 주파수를 100kHz 이상으로 높이면 전반적인 성능에 영향을 미치지 않고도 트랜스포머의 사이즈와 비용을 줄일 수 있다.
낮은 스위칭 주파수와 제로 전압 스위칭(ZVS) 기능을 지닌 프리 레귤레이터는 주 전원 및 출력 전원의 작은 변동으로 90%에 가까운 우수한 효율을 갖게 된다.
일반적인 90-264Vac에 이르는 입력 범위와 12V & 10W 플라이백 SMPS(프리 레귤레이터에 의해 조정된 200V 공급 전원을 이용하도록 재설계되지 않음)로 전체 테스트를 실시한 결과, 프론트 엔드 프리 레귤레이터는 표 1과 같은 결과를 제공했다.
표 1. 무부하 소비전력 및 전체(프리 레귤레이터＋플라이백) 시스템 효율
이 결과가 고압 전원 MOSFET 또는 캐스케이드를 이용하는 현재 고전압 입력 솔루션의 결과와 매우 유사하다. 따라서, 조정된 200V 전원의 이점을 활용한 프리 레귤레이터와 플라이백이 결합된 시스템의 효율을 5%까지 높이는 한편 비용도 추가로 절감할 수 있을 것이다.
응용 예시
설계를 간소화하고 솔루션의 설계 유연성을 증명하기 위해 그림 7과 같이 기존의 재래식 넓은 입력 범위의 10W 플라이백 SMPS와 상호 연결되도록 새로운 프리 레귤레이터 솔루션이 개발됐다. 기존 SMPS는 와이어 4개의 상호 연결을 통해 제한적으로 개조해 새로운 프리 레귤레이터를 연결할 수 있다. 두 개의 벌크 커패시터 모두 병렬로 연결되지만, 최종 설계인 싱글 보드에서는 단 한 개만 사용할 수 있다.
프리 레귤레이터 sub PCB (50mm×40mm)의 사이즈가 너무 클 경우, 보다 큰 벌크 커패시터를 사용해야 한다. 소형 DPAK Power MOSFET에는 방열 목적으로 사용하는 약간의 PCB 면적이 있다. 제품의 신뢰성을 높이기 위해, 여러 개의 저항들은 서로 직렬로 연결하여 각각의 저항에 걸리는 전압을 50% 이하로 유지한다.
200-V 프리 레귤레이터는 초고효율의 LDO와 같은 역할을 하며, 기존 모든 타입의 플라이백 SMPS와 함께 사용할 수 있지만, 주 전원의 과도한 피크 전류를 피하기 위해 최대 출력을 15W 이하로 사용해야 한다. 제한적인 개수의 별도 부품으로 설계됐지만 이 소자는 매우 우수한 효율을 제공하며, 안정적인 구동 및 안전성을 제공한다.
이 프리 레귤레이터를 사용하면 벌크 커패시터의 선택이 용이해지므로 장시간의 지연 시간을 구현할 수 있게 된다. 적용된 하나의 250V급 벌크 커패시터는 일반적인 솔루션에 적용된 벌크 커패시터에 비해 작아진 사이즈와 저렴한 비용으로 우수한 성능을 구현할 수 있다.
플라이백 SMPS 이후에 미치는 영향은 자세히 설명하지 않았지만, 제한되고 조정된 전원은 설계를 쉽게 할 수 있도록 한다. 이로 인해 트랜스포머와 다이오드를 포함한 부품들의 사이즈를 줄일 수 있으며, 전체적인 시스템 비용도 줄일 수 있다.
프리 레귤레이터의 효율이 일반적인 캐스케이드 방식의 효율과 비슷하므로, 현재의 일반적인 플라이백 SMPS 설계를 최적화할 수 있으며, 가장 단순한 설계 변경으로 전체 효율은 최고 5%까지 상승하고 EMI가 낮아지며 전체 시스템 솔루션 비용 또한 줄어들게 된다.
Jean-Paul Louvel ON Semiconductor
