고급 스위칭 IC를 사용하여 효율적이고 풍부한 기능을 갖춘 저전력 AC/DC 전원 공급 장치 구현

약 10W 이하의 저전력 AC/DC 공급 장치는 가정용 조광기, 스위치, 센서, 가전 제품, 사물 인터넷(IoT) 및 산업용 제어 장치에 널리 사용됩니다. 듀티 사이클이 상대적으로 낮고 부하가 장시간 대기 모드에 걸리지만, 전원 공급 장치는 장치가 활성화될 때 '절전 해제'되어야 합니다.

개념적으로 이러한 전원 공급 장치는 간단하게 설계할 수 있습니다. 라인 정류용 다이오드 몇 개로 시작해 컨트롤러 IC를 추가하고, 출력에 필터 커패시터를 배치한 다음, 분리가 필요한 경우 변압기를 삽입하면 작업이 완료됩니다. 하지만 겉보기에는 단순해 보여도 사실 이러한 공급 장치는 매우 다양한 방식으로 제작됩니다.

기본적으로 안정적인 DC 출력 레일을 제공해야 하고 사용자 안전, 부하 시 효율성, 대기 효율에 대한 여러 엄격한 규제 요건을 충족해야 합니다. 또한 설계자는 짧은 출시 기간 요건을 충족하면서 실장 면적과 비용을 최소화하기 위해 노력해야 하므로, 물리적 레이아웃, 지원 부품, 신뢰성, 성능 평가, 인증, 패키지 문제를 고려해야 합니다.

이 기사에서는 Power Integrations의 고집적 오프라인 스위칭 컨트롤러 IC 제품군을 소개하고 이러한 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 방법을 보여 줍니다.

통합 MOSFET 및 컨트롤러 IC

8가지 오프라인 스위칭 컨트롤러 IC로 구성된 Power Integrations LinkSwitch-TNZ 제품군은 SO-8C 패키지에 실장된 단일 장치에 725V 전력 MOSFET 스위치와 전원 공급 장치 컨트롤러를 결합합니다. 각 모놀리식 IC는 탁월한 서지 내성 기능, 발진기, 자기 바이어스를 위한 고전압 스위칭 전류원, 주파수 지터링, 빠른(주기 간) 전류 제한, 과열 시 전원 차단 회로(히스테리시스), 출력 및 입력 과전압 보호 회로망을 제공합니다.

이 장치는 선택한 전도 모드에 따라 출력 전류가 225mA 또는 360mA인 LNK3306D-TL을 사용하여 벅 컨버터 설계(그림 1)와 같은 비분리 배열의 코어를 형성할 수 있습니다. 또한 비분리 벅 부스트 전원 공급 장치로 구성되어 최대 575mA의 출력 전류를 공급할 수 있습니다.

그림 1: LinkSwitch 제품군을 사용하는 이 일반 비분리 벅 컨버터 설계는 이러한 장치를 사용하여 구현할 수 있는 여러 토폴로지 중 하나에 불과합니다. (이미지 출처: Power Integrations)

이중 절연되거나 AC 라인 배선 오류로부터 보호되는 부하에는 갈바닉 분리가 필요하지 않지만, 갈바닉 분리가 필요한 장치도 있습니다. 이러한 경우에는 범용 입력 분리 플라이백 설계에서 LinkSwitch-TNZ 장치를 사용하는 것이 바람직합니다. 이 장치는 해당 토폴로지에서 최대 12W의 출력 전력을 제공합니다.

LinkSwitch-TNZ 제품군의 IC는 토폴로지에 따라 다양한 출력 전류와 전력 커패시터를 제공합니다(표 1).

표 1: LinkSwitch-TNZ 제품군은 다양한 구성, 토폴로지 및 작동 모드를 지원합니다. 각 배열에 따라 최대 출력 전류 또는 전력 제한이 다릅니다. (이미지 출처: Power Integrations)

개념부터 구현까지

LinkSwitch-TNZ 제품군은 높은 통합성과 유연성으로 설계자의 작업을 간소화합니다. 인증되고 배송 가능한 전원 공급 장치 설계를 개발하는 과정에는 다음을 비롯한 여러 과제가 수반됩니다.

1. 효율성 및 안전과 관련된 엄격한 의무 요구 사항을 준수해야 합니다. 대기 모드에서 전력을 공급하면서 엄격한 대기 전력 효율성 규정도 충족해야 하므로 이러한 요건을 준수하기가 더욱 어렵습니다. LinkSwitch-TNZ IC는 동급 최고의 경부하 효율성을 제공하여, 다음을 비롯한 대기 규정을 충족하면서 더 많은 시스템 기능에 전력을 공급할 수 있습니다.
   • 대기 모드 또는 오프 모드에서 장비가 0.5W 이하의 전력을 소비해야 하는 가전 제품에 대한 EU 집행 위원회(EC) 표준(1275)
   • 스마트 조명 제어 장치의 대기 소비 전력을 0.5W로 제한하는 스마트 홈 에너지 관리 시스템(SHEMS)용 Energy Star 버전 1.1
   • 전자 레인지의 오프 모드 전력 소비를 0.5W로 제한하는 중국의 GB24849

LinkSwitch-TNZ IC는 이러한 요구 사항을 충족하면서도 부품 수를 이산 소자 설계에 비해 40% 이상 줄입니다. 이 스위칭 전원 공급 장치 IC는 라인 및 부하에 걸친 ±3% 조정 및 무부하 시 전력 소비 30mW 미만(외부 바이어스 사용)을 실현하며 IC 대기 전류가 100µA 미만입니다.

2. 중성선 및 3선식 연결 없이 2선식 AC 라인 연결을 안전하게 지원해야 합니다. 조광기, 스위치, 센서와 같은 많은 부하에는 이 세 번째 전선이 없으므로 과도하고 잠재적으로 위험한 누설 전류의 위험이 있습니다. 이 표준은 다양한 상황에서 최대 누설 전류를 정의하며, 2선식 무중성선 설계에서 LinkSwitch-TNZ 누설 전류는 150µA 미만으로 이 최대 값에 미치지 못합니다.
3. 전자파 장해(EMI) 방출 한도를 초과하지 않아야 합니다. 이 목표를 달성하기 위해 LinkSwitch-TNZ 발진기는 공칭 66kHz 스위칭 주파수 주변에서 4kHz의 소량 주파수 지터를 도입하는 확산 스펙트럼 기술을 사용합니다(그림 2). 주파수 지터의 변조 속도는 평균 방출과 준피크 방출 모두에 대한 EMI 감소를 최적화하기 위해 1kHz로 설정됩니다.

그림 2: EMI 방출을 규제 제한 이하로 유지하기 위해 LinkSwitch-TNZ 발진기는 공칭 66kHz 스위칭 주파수 주변에서 4kHz가 확산되는 확산 스펙트럼 기술을 사용합니다. (이미지 출처: Power Integrations)

4. 최소한의 추가 부품이나 전력 소비로 AC 라인 제로 크로싱을 감지해야 합니다. 이 감지 기능은 계전기 또는 트라이액을 사용하여 주기적으로 AC 라인을 연결하고 분리하는 조명 스위치, 조광기, 센서 및 플러그에 필요합니다.

제로 크로싱 신호는 스마트 홈 및 건물 자동화(HBA) 제품 및 가전 제품에서 스위칭을 제어하여 스위칭 응력과 시스템 유입 전류를 최소화하는 데 사용됩니다.

마찬가지로 가전 제품에서는 종종 이산 소자 제로 크로싱 감지 회로를 사용하여 모터 및 마이크로 컨트롤러 장치(MCU) 타이밍을 제어합니다. 이러한 응용 제품에는 무선 연결, 게이트 구동기, 센서 및 디스플레이를 위한 보조 전원 공급 장치도 필요합니다.

이를 달성하기 위해 대개 AC 라인 제로 크로싱을 감지하고 스위칭 손실과 유입 전류를 줄이면서 1차 전력 장치의 켜기 전환을 제어하는 이산 소자 회로가 구현됩니다. 이 방식은 많은 부품이 필요하고 손실이 커서 대기 전력 예산의 거의 절반을 소비하는 경우도 있습니다.

대신 LinkSwitch-TNZ IC는 사인파 AC 라인이 0V임을 나타내는 정확한 신호를 제공합니다. LinkSwitch-TNZ의 제로 크로싱 지점 감지는 5mW 미만의 전력을 소비하므로, 10개 이상의 이산 소자 부품이 필요하고 50mW ~ 100mW의 지속 전력을 소모하는 대체 방식에 비해 시스템에서 대기 전력 손실을 줄일 수 있습니다.

X 커패시터의 기능

라인 EMI 필터에는 클래스 X 및 클래스 Y 커패시터가 포함되어 있어 EMI/RFI 발생을 최소화합니다. 이 필터는 AC 라인의 AC 전원 입력과 AC 중성선에 직접 연결됩니다(그림 3).

그림 3: EMI 필터링에는 AC 라인에 클래스 X 및 클래스 Y 필터링 커패시터가 필요하지만 사용자의 안전을 위해 클래스 X 커패시터는 라인 분리 후 관리해야 합니다. (이미지 출처: www.topdiode.com)

안전 규정에서는 AC 라인이 차단된 후에도 저장된 전압과 에너지가 라인 코드에 장시간 남아 있지 않도록 하기 위해 AC 라인이 분리될 때 EMC 필터의 X 커패시터를 방전하도록 규정합니다. 허용 가능한 최대 방전 시간은 IEC60950 및 IEC60065 같은 산업 표준에 따라 규제됩니다.

필수 방전이 발생하도록 하기 위해 기존에는 블리더 저항기를 X 커패시터에 병렬로 추가하는 방식을 사용했습니다. 하지만 이 방식에는 출력 저하가 수반됩니다. 더 나은 해결책은 사용자가 설정할 수 있는 시간 상수가 있는 X 커패시터 방전 기능을 포함하는 것입니다. LNK3312D-TL 같은 IC는 이러한 접근 방식을 취합니다. 그 결과 인쇄 회로(PC) 기판 공간이 감소하고 부품 명세서(BOM)가 줄어들며 신뢰성이 향상됩니다.

전원 공급 장치와 컨버터에는 여러 가지 보호 기능이 필요합니다. LinkSwitch-TNZ IC 제품군의 모든 장치에는 다음과 같은 기능이 통합되어 있습니다.

• 시동 시 시스템 부품의 응력을 제한하는 소프트 스타트
• 단락 및 개방 루프 오류 시 자동 재시작
• 출력 과전압 보호
• 라인 입력 과전압 보호
• 과열 보호(히스테리시스)

IC에서 전체 설계까지

아무리 성능이 뛰어나거나 기능이 풍부하더라도 IC 하나만으로는 즉시 사용 가능한 완벽한 AC/DC 컨버터를 구현할 수 없습니다. 장치에 통합될 수 없거나 통합되면 안 되는 부품이 많기 때문입니다. 이러한 부품에는 벌크 필터링 커패시터, 바이패스 커패시터, 인덕터, 변압기 및 보호 부품이 있습니다. LNK3302D-TL 장치를 기반으로 하는, 제로 크로싱 감지기가 장착된 비분리 범용 입력, 6V, 80mA 정전압 전원 공급 장치에는 외부 부품이 필요합니다(그림 4).

그림 4: LNK3302D-TL IC 기반의 제로 크로싱 감지기를 갖춘 완전하고 안전한 비분리 범용 입력, 6V, 80mA 정전압 전원 공급 장치에 필요한 외부 부품이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Power Integrations)

또한 연면거리 및 공간거리와 같은 속성에 대한 안전 관련 최소 치수도 있습니다. 따라서 완전한 설계를 개발하기가 어려워집니다. LinkSwitch-TNZ IC 제품군은 이 작업을 간소화합니다. 예를 들어 66kHz 스위칭 주파수를 사용하면 필요한 자석에 여러 벤더에서 제공하는 표준 기성품을 사용할 수 있습니다. 또한 Power Integrations는 참조 설계를 제공합니다.

분리형 공급 장치가 필요한 경우, LNK3306D-TL을 기반으로 제로 크로싱 감지 기능을 갖춘 6W 분리형 플라이백 전원 공급 장치인 RDK-877 참조 설계(그림 5)를 활용할 수 있습니다.

그림 5: 6W RDK-877 참조 설계는 플라이백 토폴로지에서 분리를 지원하며 LNK3306D-TL을 기반으로 합니다. (이미지 출처: Power Integrations)

이 공급 장치의 입력 범위는 90V_AC ~ 305V_AC이며, 출력은 500mA에서 12V이고, 무부하 전력 소비는 전체 AC 라인 범위에서 30mW 미만입니다. 대기 모드에서 350mW 이상의 전력을 사용할 수 있으며, 활동 모드 효율은 공칭 부하에서 80% 이상의 최대 부하 효율로 DOE6 및 EC CoC(v5) 요구 사항을 충족합니다. 또한 이 설계는 전도성 EMI에 대한 EN550022 및 CISPR-22 클래스 B 요구 사항을 충족합니다.

결론

저전력 AC/DC 공급 장치를 설계하고 구현하는 일은 사소해 보일 수도 있습니다. 하지만 성능 및 효율성 목표, 안전 및 규제 의무, 비용, 실장 면적, 시장 출시 기간 요구 사항을 충족해야 하는 현실을 고려하면 이는 까다로운 작업입니다. 컨트롤러와 MOSFET이 결합된 Power Integrations LinkSwitch-TNZ 제품군과 같은 스위칭 IC를 사용하면 이 작업을 크게 간소화할 수 있습니다. 이러한 IC는 다양한 전력 레벨을 지원하며 제로 크로싱 감지 및 X 커패시터 방전과 같은 필수 기능을 통합하면서 다양한 공급 토폴로지와 함께 사용할 수 있습니다.