IIoT 설계의 전압 스윙 처리

대부분의 산업 제어 시스템용 가전은 전통적으로 편리한 설계, 통합, 유지 관리를 위해 DIN 레일 실장 시스템을 사용하는 캐비닛에 내장되어 있습니다. DIN 레일 형식에 적합한 다양한 표준 전원 공급 장치, 인클로저 및 기타 제품이 있습니다. 이로 인해 최종 시스템을 선택, 인증 및 구축하는 데 걸리는 시간이 단축됩니다.

산업용 사물 인터넷(IIoT)이 확산됨에 따라 더 높은 수준의 분산 제어가 요구됩니다. 응답성과 유연성을 위해 실제 센서 및 액추에이터에 가깝게 실장될 프로세서에 인텔리전스가 접목됩니다. 프로세서에서 유선 네트워크와 무선 네트워크를 함께 사용하여 통신하므로, 단일 인클로저 내에서 함께 작동하는 여러 프로세서가 공존할 필요성이 감소됩니다. 이전에는 이러한 프로세스 간에 PCB 또는 후면판 버스를 통해 데이터를 공유했습니다.

편리한 실장을 위해 대상 시스템을 DIN 레일에 맞게 설계할 수도 있지만, 각 장치는 더 큰 캐비닛 내에서 공유되는 전력 레일보다 훨씬 작으므로 개별 전원 공급 장치가 필요합니다. 또한 대부분의 환경에서 안전한 수준의 전압을 제공하고 기존 환경과 호환성을 유지하므로 이산 소자와 캐비닛 하우징 장비 모두에서 레일 공급 전기 컨트롤러와 공통으로 24V_DC 사용이 유지될 수 있습니다.

환경마다 특성이 있으므로 컨트롤러의 전원 공급 장치는 대규모 유도성 소자와 정전 용량 소자를 포함하는 주변 장비 또는 간헐적 중부하로 인해 발생되는 유도 전압 및 잡음에 따른 큰 입력 전압 범위 변동을 극복해야 합니다. 따라서 입력 전압 변동과 큰 부하 소비 변경을 초과하는 안정적인 에너지를 제공할 수 있는 콤팩트한 전원이 필요합니다. 대부분의 전기 컨트롤러는 에너지 절약을 위해 활성 상태가 아닐 경우 절전 모드로 전환됩니다. 또한 전원 공급 장치는 이러한 상황에 효율적으로 반응할 수 있어야 합니다.

LM43603 조정기(Texas Instruments) 또는 LTM8025(Linear Technology)와 같은 조정기는 연속 전도 모드(CCM)와 불연속 전도 모드(DCM)를 전환하여 전력 소비 변경에 적응하고 입력 전압 변경을 지원할 수 있습니다. CCM을 사용하면 인덕터의 전류가 스위칭 사이클 중에 항상 0보다 크게 유지되어 부하에 전류를 원활하게 제공할 수 있도록 도와줍니다. DCM에서는 인덕터의 전류가 0으로 떨어질 수 있습니다. 각 사이클 중에 컨버터의 FET 스위치 쌍에 의해 인덕터에 공급되는 전류의 양은 펄스 폭 변조(PWM)를 사용하여 결정합니다.

그림 1: PWM 제어형 전환식 모드 조정기에 대한 연속 전도 모드의 인덕터 전류

각 사이클에서 컨버터는 하이사이드 FET 스위치를 특정 시간 동안 처음 작동하여 정격 출력 전압을 공급합니다. 이 온타임 중에 출력 전압은 입력 전압을 향해 위쪽으로 선회하고 인덕터로 공급되는 전류는 (Vin - Vout)/L 공식에 지정된 선형 기울기로 상승하기 시작합니다.

전압을 조정하여 전압이 입력 수준까지 계속 상승하는 것을 방지하기 위해 제어 논리에서 하이사이드 스위치를 끄도록 결정한 경우, 로우사이드 스위치는 슛스루를 방지하기 위해 잠시 꺼졌다가 다시 켜집니다. 그러면 인덕터 전류가 -Vout/L 기울기로 떨어지기 시작합니다.

컨버터 내의 PWM 컨트롤러는 출력 전압을 샘플링한 후 기준 전압과 비교하여 두 위상에 대한 듀티 사이클을 계산하는 데 사용되는 오류 신호를 생성합니다. 이상적인 컨버터 설계에서 듀티 사이클은 출력 전압에 비례합니다. 오류 증폭기는 DC/DC 컨버터가 듀티 사이클을 조정하여 정격 출력 전압을 유지하도록 합니다.

입력 전압과 출력 전압은 일반적으로 전원 공급 장치 컨트롤러의 스위칭 속도보다 느리게 변경되므로 증폭기에 의해 생성되는 오류 신호는 일반적으로 모든 시점에서 0에 근접합니다. PWM에서 제공되는 조정 기능을 사용하면 부하에 대한 에너지 공급에 영향을 주지 않고 입력 레일의 스윙을 전략적으로 보정할 수 있습니다.

고주파 스위칭을 사용하면 LM43603을 3.5V ~ 36V_DC 공급 전압 범위에서 작동하고 작은 솔루션 크기에서 고효율의 우수한 열 성능으로 최대 3A_DC의 부하 전류를 공급할 수 있습니다. LM43603 컨트롤러 내의 발진기 모듈에 공급되는 RT 신호에 연결된 프로그래밍 가능 저항기를 사용하여 200kHz ~ 2.2MHz 내에서 스위칭 주파수를 프로그래밍할 수 있습니다. 외부 저항기를 사용하지 않을 때의 표준 주파수는 500kHz입니다. LTM8025는 200kHz ~ 2.4MHz 주파수 범위에 대해 작동하며 단자를 RT 핀과 접지에 각각 연결한 저항기를 사용하여 비슷하게 프로그래밍됩니다.

그림 2: LM43603의 제품 구성도.

경부하 아래쪽에서는 PWM 제어형 CCM 조정 효율성이 급격하게 떨어집니다. DCM은 인덕터 전류가 0까지 떨어지는 것을 허용하는 기간 내에서 부하를 입력과 장시간 분리하여 효율성을 높일 수 있습니다. 출력 커패시터를 사용하면 이 모드에서 리플 효과를 최소화할 수 있습니다.

LM43603의 경우 부하 전류가 CCM에서 피크 투 피크 인덕터 전류 리플의 1/2 미만으로 떨어지면 컨버터가 DCM으로 이동합니다. 전류가 0일때 로우사이트 FET를 꺼서 스위칭 손실을 줄입니다. DCM 중에 스위칭 주파수가 감소됩니다. 샘플링된 출력 전압이 허용되는 값 아래로 떨어지면 컨버터는 하이사이드 FET를 켭니다.

LM43603, LTM8025 등과 같은 장치는 입력 및 출력 시 대부분의 커패시터 형태에서 안정적으로 작동합니다. 콤팩트한 크기로 인해 선호되는 세라믹 커패시터는 고주파 작동에 대한 정전 용량 요구 사항이 일반적으로 100µF 이하이고 일반 혼합 신호 회로망 전압이 3VDC ~ 12V_DC입니다. 세라믹 커패시터는 작고 강력하며 ESR이 매우 낮습니다. 하지만 모든 세라믹 커패시터가 적합한 것은 아닙니다. X5R 및 X7R 유형은 온도 및 인가 전압에 대해 안정적이지만, Y5V 및 Z5U 유형은 정전 용량의 온도 및 전압 계수가 매우 큽니다. 따라서 사용 중에 공칭 정전 용량의 일부만 표시하여 예상한 것보다 훨씬 큰 출력 전압 리플이 발생할 수 있습니다.

그림 3: LTM8025의 제품 구성도.

세라믹 커패시터도 압전됩니다. DCM 또는 버스트 모드에서 스위칭 주파수는 부하 전류에 따라 다르며, 오디오 주파수 범위에서 세라믹 커패시터를 자기화하여 가청 잡음을 발생할 수 있습니다. DCM 조건에서 생성되는 전류가 낮기 때문에 잡음은 일반적으로 작지만, 가청 잡음이 허용되지 않는 경우에는 고성능 전해 커패시터가 더 적합할 수 있습니다. 또는 세라믹 커패시터와 경제적인 전해 커패시터를 병렬로 조합하여 사용할 수도 있습니다.

소프트 스타트 기능도 중요한 고려 사항입니다. 예를 들어, LM43603에는 다음과 같은 소프트 스타트 제어 핀이 있습니다. SS/TRK. 입력 전압이 적용된 이후에 조정기에서 핀을 사용하여 특정 기간 동안 출력 전압을 천천히 높입니다. SS/TRK 핀이 부동 상태로 유지되면 LM43603은 자체 램프 기간 컨트롤러를 사용하여 단 4밀리초 만에 출력 전압을 전체 출력까지 높입니다.

많은 양의 출력 정전 용량을 사용하는 응용 분야나 상대적으로 높은 출력 전압을 사용하는 시스템의 경우 SS/TRK 핀과 장치의 아날로그 접지 레퍼런스 핀(AGND) 사이에 외장형 커패시터를 연결하여 시작 시간을 연장할 수 있습니다. 정전 용량 값에 따라 램프 기간이 결정됩니다. 또는 소프트 스타트 컨트롤러는 원하는 램프 프로파일을 설명하는 외부 전압 소스와 저항기 분배기 쌍을 사용하여 외부 램프 신호를 추적할 수 있습니다.

RUN/SS 핀 및 접지에 연결된 커패시터를 저항기를 통해 외부 전압 소스에 연결하여 LTM8025에 대한 소프트 스타트를 제어합니다. 이에 따른 RC 시간 상수에 따라 소프트 스타트 타이밍이 결정됩니다.

그림 4: LM43603 소프트 스타트를 위한 외부 램프 신호 연결

그림 5: LTM8025에 대한 소프트 스타트 램프 생성을 위한 연결

IIoT 전력 컨트롤러가 작은 공간에 맞고 산업용 장비에 쉽게 통합되어야 하므로 전자파 적합성(EMC)이 중요한 고려 사항입니다. 전환식 모드 전력 조정기에서 생성되는 전자파 장해(EMI)가 최대한 작은 di/dt 루프로 유지되도록 해야 합니다. 이는 LM43603, LTM8025 등과 같은 장치에서 제공되는 높은 수준의 통합에 의해 큰 각도로 활성화됩니다.

그림 6: 전환식 모드 벅 컨버터의 주요 di/dt 루프

하지만 외부 장치, 특히 피드백 노드를 교체할 경우 주의해야 합니다. 외장형 저항기 및 바이패스 커패시터에 대한 트레이스를 최대한 짧게 유지해야 합니다. 저항기로 이어지는 PCB 트레이스가 길 경우 과도한 EMI가 발생할 수 있습니다. 차폐도 중요하며 PCB 내의 추가 접지면을 사용하여 차폐 수준을 높일 수 있습니다.

IIoT 지향 산업용 컨트롤러 설계자는 LM43603, LTM8025 등과 같이 집적도가 높은 조정기를 사용하여 DC 전력을 안정적으로 제공하고 최종 제품의 EMC를 신뢰할 수 있습니다.

그림 7: Linear Technology LM43603의 낮은 EMI 배열 권장