간편한 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS) 매트릭스를 사용하여 전원 공급 장치 설계 간소화

전자 제품 또는 전자 장치 설계자에게는 필연적으로 적절한 전원 공급 장치가 있어야 합니다. 수십 와트에서 수 킬로와트(kW)에 이르는 전력 소자를 감안하면, 적합한 부품을 찾는 일은 어려울 수 있습니다. 수천 개의 옵션과 그에 맞는 정류기, 전력 컨트롤러, 스위치, 게이트 구동기가 필요하므로 설계 공정이 느려져서 비용이 증가하고 기한을 놓치는 문제가 발생할 수 있습니다.

문제를 단순화하는 방법은 신뢰할 수 있는 공급업체의 지능형 전력 소자 제품군으로 시작한 후 해당 온라인 도구를 사용하여 최적 옵션을 선택하는 것입니다. 예를 들어 응용 제품, 토폴로지, 소자 및 중요 특성별로 구성된 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS) 부품 매트릭스를 활용하면 선택 및 설계 공정을 단축할 수 있습니다.

이 기사에서는 SMPS 설계에 대해 간략하게 설명합니다. 그런 다음 각 응용 제품의 전력 레벨과 호환되는 브리지 정류기, 컨트롤러, 게이트 구동기 및 전원 스위치를 연결하는 onsemi의 SMPS 부품 매트릭스를 소개합니다. 핵심 제품 정의에 대해 설명하고 매트릭스를 사용하여 부품 선택을 간소화하는 방법을 예시로 제공합니다.

SMPS 설계

전력 레벨이 100W인 USB 전력 공급(PD) 응용 제품을 위한 기본 AC 라인 소스 SMPS의 주요 요소를 고려해 보겠습니다(그림 1). 공급 장치의 라인 또는 1차 측에는 일반적으로 정류기, 역률 보정(PFC) 컨트롤러, 전력 컨트롤러, 광 커플러, 게이트 구동기 및 전원 스위치가 필요합니다. 2차 측에는 일반적으로 동기식 정류기 컨트롤러(SRC), 동기식 정류기(SR) 스위치, USB PD 컨트롤러 및 광 커플러가 필요합니다.

그림 1: 일반 100W SMPS의 주요 부품을 보여줍니다. (이미지 출처: onsemi, 저자에 의해 수정됨)

이 설계를 위한 부품은 전력 레벨과 일치합니다. 설계자는 PFC 및 전력 제어를 위한 1차 측 토폴로지, 2차 측 정류기 및 조정기 토폴로지를 선택해야 합니다. 그런 다음 해당 결정에 따라 개별 부품을 선택할 수 있습니다.

이때 onsemi SMPS 매트릭스를 사용하면 전원 공급 장치 부품을 선택하는 데 도움이 됩니다(그림 2).

그림 2: 설계자가 전원 공급 장치의 전력 등급과 선호하는 토폴로지에 따라 능동 소자 부품을 선택하는 데 도움이 되는 대화형 SMPS 매트릭스를 보여줍니다. (이미지 출처: onsemi)

SMPS 매트릭스에서는 왼쪽의 첫 번째 두 열에 표시되는 전력 레벨과 밀도를 기반으로 설계를 선택합니다. 가장 높은 전력 레벨이 맨 위에 오고, 아래로 갈수록 전력 레벨이 낮아집니다. 5W ~ 3kW 이상의 전력 레벨이 포함되어 있습니다. 출력 밀도는 단위 부피당 전력을 측정하는 척도이며, 초고출력 밀도에서는 고밀도 패키지보다 더 작은 전원 공급 장치를 사용할 수 있습니다. 이 두 가지 패키지의 대안으로 로우 프로파일 패키지가 있습니다. 이 매트릭스는 전력 레벨에 상응하는 전원 공급 장치 전압 레벨을 설정합니다.

매트릭스의 각 전력 레벨 항목에는 출력 밀도 옵션에 해당하는 1열 ~ 3열의 권장 부품이 있으며, 1차 측 및 2차 측 토폴로지에 대해 선택된 부품을 제공합니다. N/A로 표시된 항목은 해당 항목이 특정 전력 레벨 및 밀도에 적용되지 않음을 나타냅니다.

정류기 열에는 일치하는 전력 레벨에 대해 제안되는 브리지 정류기 부품이 나열됩니다. 경우에 따라 브리지리스 항목도 있습니다. 이는 토템폴 PFC와 같은 다른 부품이 그 기능을 대체하여 정류기 브리지가 필요하지 않은 경우에 발생합니다. PFC 필드에 있는 '고속 레그' 및 '저속 레그' 항목은 토템폴 PFC를 빠르게 식별합니다. 이러한 PFC에는 라인 주파수에서 작동하는 저속 레그 스위치가 있는 반면, 고속 레그 스위치는 더 높고 일반적인 스위칭 주파수에서 작동합니다.

매트릭스에서는 원하는 전력 레벨에 따라 기본 토폴로지를 제안합니다. 플라이백(스위처), 액티브 클램프 플라이백(ACF), 준공진형(QR) 플라이백, 인덕터-인덕터 커패시터(LLC) 등 네 가지 일반적인 토폴로지를 갖춘 컨트롤러 장치를 권장합니다.

플라이백 컨버터는 1차 측과 2차 측 사이에 직접적인 전기 연결이 없는 분리형 전원 공급 장치 토폴로지입니다. 전원 스위치 장치가 꺼지면 결합된 인덕터가 1차 측에서 2차 측으로 에너지를 전달합니다. 컨버터 전압 제어는 고정 주파수에서 펄스 폭 변조(PWM) 스위칭을 사용하여 유지됩니다.

ACF 설계에서는 결합된 인덕터의 플라이백 개념을 사용하여 1차 측에서 2차 측으로 에너지를 전달합니다. 또한 능동 소자를 사용하여 결합된 인덕터의 누설 유도 용량을 커패시터에 방전하거나 클램핑하여 MOSFET 전원 스위치에 가해지는 응력을 최소화합니다.

QR 플라이백 토폴로지는 회로의 기생 유도 용량과 정전 용량을 사용하여 공진에 가까운 응답을 얻고 최소한의 드레인 전압으로 전원 스위치를 켭니다. 이 '소프트 스위칭'은 컨버터의 스위칭 손실을 줄여주며그 결과로 발생하는 스위칭 주파수는 고정되지 않고 부하에 따라 달라집니다.

LLC 컨버터는 완전한 공진 응답을 사용하여 실질적인 0 드레인 전압 전환을 보장합니다. 무부하 상태에서도 스위칭 손실을 줄이고 더 높은 전력 레벨에 적합합니다.

권장 컨트롤러는 특정 전력 범위를 중심으로 클러스터링되어, 최저 전력 레벨에는 스위처를 사용하고, 중간 범위 공급에는 QR 및 ACF를 사용하고, 높은 전력 레벨에는 LLC 컨버터를 사용합니다.

매트릭스에는 11가지 특정 설계에 대한 부품 간 연결을 보여주는 상세 SMPS 제품 구성도가 포함되어 있으며, 레이블이 지정된 탭 내에 5가지 전력 레벨 및 밀도가 제공됩니다(그림 3).

그림 3: 매트릭스에는 11가지 특정 설계에 대한 상세 SMPS 제품 구성도가 포함되어 있으며, 레이블이 지정된 탭 내에 5가지 전력 레벨 및 밀도가 제공됩니다. (이미지 출처: onsemi)

전력 레벨과 밀도가 선택되면 매트릭스의 적절한 전력 레벨 행과 토폴로지별 열에서 부품을 선택할 수 있습니다. 하이퍼링크 부품 번호를 클릭하면 강조 표시된 번호가 DigiKey 부품 번호에 연결된 매트릭스의 확장된 보기가 열립니다(그림 4).

그림 4: 원본 매트릭스의 하이퍼링크 부품 번호를 클릭하면 DigiKey 부품 항목에 대한 링크가 있는 확장된 보조 매트릭스가 열립니다. (이미지 출처: onsemi)

선택한 행과 토폴로지에 나열된 모든 부품은 호환됩니다.

매트릭스 사용

이해를 돕기 위한 중간 범위 전력 레벨의 좋은 예로는 앞서 그림 1 제품 구성도에 표시된 장치와 유사한 USB PD용 100W SMPS를 들 수 있습니다. 매트릭스를 보면 70W ~ 200W 전력 레벨 행에 필요한 100W 공급 장치가 포함되어 있습니다. 출력 밀도 등급 열에서 '높음'을 선택하면 필요한 부품에 대한 링크가 있는 확장된 매트릭스가 나타납니다(그림 5).

그림 5: 녹색 상자는 확장 매트릭스에서 100W 고밀도 SMPS를 위한 부품 선택 항목을 간략하게 보여줍니다. 파란색 부품 번호는 관련 DigiKey 제품 필터 페이지로 연결됩니다. (이미지 출처: onsemi)

특히 유럽연합의 국제 규정에서는 75W 이상의 전력 레벨에서 PFC를 사용하도록 규정하고 있습니다. 여기서 권장되는 PFC 컨트롤러는 onsemi NCP1623입니다. NCP1623은 비용 효율성, 신뢰성, 고역률, 효율성이 필수 요건인 고속 충전 전원 어댑터 및 모듈식 컴퓨터 전원 공급 장치에 최대 300W를 지원하는 소형 폼 팩터 부스트 PFC 컨트롤러입니다. 외부 브리지 정류기가 필요하며, onsemi GBU6M 또는 GBU6K가 권장됩니다. 호환되는 PFC 전원 스위치는 최대 드레인-소스 전압(V_DSS) 600V, 최대 드레인 전류(I_D) 22A, 드레인-소스 온스테이트 저항(R_DS(ON)) 125mΩ의 정격 고속 MOSFET인 onsemi NTP125N60S5H입니다.

권장되는 1차 측 컨트롤러는 onsemi NCP1343 고주파 QR 플라이백 컨트롤러입니다. 이 컨트롤러는 최신 SMPS 설계에 필요한 모든 필수 부품을 통합하여 AC/DC 어댑터 및 개방형 프레임 전원 공급 장치에 이상적입니다. 이 컨트롤러는 650V_DSS, 12A I_D, 260mΩ의 R_DS(ON) 정격 NVD260N65S3 전원 스위치와 매칭됩니다.

onsemi NPC4307은 전원 공급 장치의 2차 측 동기식 정류 구동기입니다. 80V80 V_DSS, 61A I_D, 10mΩ R_DS(ON) 정격 onsemi NTMFSC010N08M7 MOSFET 스위치와 함께 사용할 경우 효율적인 동기식 정류를 보장합니다.

설계의 마지막 주요 단계는 AC/DC 어댑터의 2차 측 광 커플러 또는 DC/DC 포트 전력 조정기를 관리할 수 있는 USB PD 컨트롤러를 선택하는 것입니다. 매트릭스에서는 전원 공급 장치 출력에서 30V_DSS 및 164A I_D 정격 onsemi NTTFS4C02NTAG N채널 MOSFET을 사용하는 onsemi FUSB15101 PD3.0 프로토콜 컨트롤러(USB 프로그래밍 가능 전원 공급 장치(PPS) 지원)를 제안합니다. 이 컨트롤러의 R_DS(ON)는 10V에서 2.25mΩ, 4.5V에서 3.1mΩ입니다.

onsemi NCP1343PD100WGEVB 평가 기판으로 제공되는(그림 6) 결과 전원 공급 장치의 출력 전압 범위는 3.1V ~ 21V입니다. 평균 효율은 115V 또는 230V_AC 입력에서 92%입니다. 이 제품은 60mm x 60mm x 19mm 크기의 패키지에 장착되고 출력 밀도는 24W/in.³입니다.

그림 6: SMPS 매트릭스를 사용하여 선택한 부품을 기반으로 하는 100W USB PD 레퍼런스 전원 공급 장치 설계의 상단(왼쪽) 및 하단(오른쪽) 뷰를 보여줍니다. (이미지 출처: onsemi)

결론

onsemi SMPS 매트릭스는 전원 공급 장치 부품 선택을 위한 간편한 경로를 제공하여 호환 가능한 핵심 부품을 설계 전력 레벨에 맞게 선택할 수 있도록 합니다. 부품을 찾는 데 필요한 시간을 단축하고 규격서와 가격 견적에 대한 즉각적인 링크를 제공합니다.