변압기가 내장된 분리형 DC-DC 컨버터 사용을 통해 손쉽게 조립

비용과 공간을 줄이기 위한 목적에서, 모놀리식 DC-DC 컨버터는 여러 대량 응용 제품을 위한 우수한 솔루션이지만 출력에서 전원 공급 장치 입력을 전기적으로 분리해야 하는 설계에는 사용할 수 없습니다. 한 좋은 예로 의료 장치를 들 수 있습니다. 일반적으로, 기판에 실장되는 분리형 전원 공급 장치를 대신 사용할 수 있지만 이러한 전원 공급 장치는 필요한 전기 분리를 달성하기 위해 변압기를 필요로 하므로 효율성이 떨어지고 솔루션의 비용, 크기, 무게가 늘어납니다. 변압기는 또한 DC-DC 컨버터의 성능에 변동을 일으키고 대량 자동화 조립을 어렵게 만듭니다.

이러한 여러 문제를 처리하기 위해 설계자는 컨버터의 기판에 변압기를 내장한 분리형 DC-DC 컨버터 모듈로 전환할 수 있습니다.

이 기사에서는 분리형 DC-DC 컨버터를 사용해야 하는 상황을 설명합니다. 그런 다음 Murata Electronics의 예시 솔루션을 소개하고 이러한 솔루션을 사용하여 일반적으로 변압기 기반 분리형 DC-DC 컨버터와 연결된 주요 설계에 부정적 영향을 미치지 않으면서 분리를 달성하는 방법을 보여줍니다. 이 기사에서는 또한 컨버터의 패키지가 고레벨, 자동화 표면 실장 조립을 충족하는 방식에 대해 설명하며 전압 및 전류 리플을 최소화하고 전자파 장해(EMI)를 줄이면서 제품 내부에 분리형 DC-DC 컨버터를 설계하는 방법을 보여줍니다.

분리형 컨버터를 사용하는 시기

일반적인 DC-DC 컨버터에서 단일 조정기 회로는 전류가 입력에서 출력으로 직접 흐르도록 허용합니다. 이로써 복잡성, 크기 및 비용이 감소됩니다. 그러나 장치의 입력측과 출력측을 전기적으로 분리하기 위해 갈바닉 분리(이후부터는 단순히 “분리”라고 함)를 필요로 하는 응용 제품이 많이 있습니다. 예를 들어, 안전 요구 사항은 특히 입력측이 사람을 위험하게 할 수 있는 높은 전압에 연결된 경우 변압기를 사용하여(또는 경우에 따라 결합형 인덕터에서) 입력측과 출력측 사이에서 전압 및 전류를 전달하는 분리형 DC-DC 컨버터를 사용하도록 지시할 수 있습니다. 분리형 DC-DC 컨버터는 또한 접지 루프를 분할하는 데에도 유용하므로 잡음에 민감한 회로의 부품을 잡음원에서 분리할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 기본 비분리형 DC-DC 컨버터(위)와 갈바닉 분리를 위한 변압기를 사용하는 분리형 버전(아래) 비교. (이미지 출처: DigiKey)

분리형 DC-DC 컨버터의 또 다른 특징은 유동적인 출력입니다. 이러한 컨버터는 출력 단자 간에 고정 전압을 공급하지만 분리된 회로의 전압 레벨에 비례하는 확정 또는 고정 전압을 제공하지 않습니다. 즉 "유동적"입니다. 해당 전압을 고정하기 위해, 분리형 DC-DC 컨버터의 유동적인 출력을 출력측의 회로 노드에 연결하는 옵션이 있습니다. 그러면 출력측 회로에 위치한 다른 점을 기준으로 출력을 이동하거나 인버트할 수 있습니다. 입력 회로와 출력 회로의 분리로 인해, 설계자는 두 회로 모두에 고유한 접지 레퍼런스가 있도록 해야 합니다.

주어진 DC-DC 컨버터의 규격서에는 일반적으로 분리 전압(간극을 연결하는 전류 없이 정의된 짧은 시간 동안 인가할 수 있는 최대 크기)이 나열되어 있습니다. 또한, 규격서에는 분리를 깨지 않으면서 연속적으로 견딜 수 있는 최대 작동 전압이 세부적으로 설명되어 있습니다.

분리는 몇 가지 장단점을 제공합니다. 먼저, 분리형 컨버터는 더 비싼 경향이 있습니다. 일반적으로 맞춤형 변압기는 비분리형 버전에서 사용되는 등가의 기성 인덕터보다 비싸기 때문입니다. 요구되는 분리가 높을수록 비용이 더 커집니다.

둘째, 분리형 DC-DC 컨버터는 비분리형 버전보다 큰 경향이 있습니다. 변압기는 일반적으로 등가의 인덕터보다 크며 인덕터는 더 높은 스위칭 주파수에서 작동하므로 변압기와 비교하여 크기를 더욱 줄일 수 있습니다.

셋째, 분리형 DC-DC 컨버터의 부품 간 효율성, 조정, 성능 반복성은 비분리형 컨버터에 비해 떨어지는 경향이 있습니다. 변압기는 인덕터와 비교하여 다소 효율성이 떨어지며 분리 장벽으로 인해 더 나은 조정 및 과도 성능을 위해 출력을 직접 감지하고 엄격하게 조정할 수 없습니다. 비분리형 DC-DC 컨버터는 더 작기 때문에 부하에 가까이 배치하여 전송선 효과를 줄이고 효율성을 어느정도 향상시킬 수 있습니다. 또한, 분리형 컨버터의 변압기는 일반적으로 맞춤형 제조 장치이므로 두 장치가 정확히 동일한 출력을 제공하지 않습니다.

마지막으로, 이러한 변압기는 효율적인 대량 조립 공정을 방해할 수도 있습니다. 변압기를 갖춘 분리형 DC-DC 컨버터의 높이는 자동 조립에 적합하지 않으므로 PCB에 수동으로 추가해야 합니다.

분리형 DC-DC 컨버터 선택

설계자의 응용 제품이 안전 또는 다른 이유로 분리를 요구하는 경우 이전에 설명한 장단점을 수용해야 합니다. Diligent 부품 연구를 통해 설계 손상으로 인한 영향을 최소화하도록 설계된 몇 가지 새로운 솔루션을 확인할 수 있습니다.

예를 들어, Murata는 최근 NXE(그림 2) 및 NXJ2 계열 분리형 DC-DC 컨버터를 소개했습니다. 이러한 컨버터는 분리형 DC-DC 컨버터에서 나타나는 일부 기존 문제를 해결하도록 설계되었습니다.

그림 2: Murata의 NXJ2 및 NXE(위에 표시됨) 분리형 DC-DC 컨버터에는 제품의 크기를 줄이기 위해 부품의 기판 내에 변압기가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Murata Electronics)

NXE 계열은 최대 2W를 제공하며 5V 및 12V 입력 옵션과 5V, 12V, 15V 출력 옵션을 지원합니다. 입력 전류와 출력 전류는 전압에 따라 달라지지만 542mA 입력/400mA 출력(5/5V 제품) ~ 205mA/133mA(12/15V 제품)의 범위입니다. 이 제품 범위는 모델에 따라 100kHz ~ 130kHz의 스위칭 주파수를 제공합니다.

이와 유사하게, NXJ2 계열은 2W 설계이며 5V, 12V, 24V 입력 옵션과 5V, 12V, 15V 출력 옵션을 지원합니다. 입력 전류와 출력 전류는 550mA 입력/400mA 출력(5/5V 제품) ~ 105/133mA(24/15V 제품)의 범위입니다. 이 제품은 95kHz ~ 140kHz의 스위칭 주파수를 제공합니다.

Murata 분리형 DC-DC 컨버터는 장치의 기판에 변압기를 내장함으로써 자동화 제조의 문제를 해결합니다. 변압기는 인쇄 회로 기판의 바닥판으로 흔히 사용되는 유리 강화 에폭시 래미네이트인 FR4와 구리가 번갈아 층을 이루며 형성되어 있어 내장된 코어 주변에 권선을 형성합니다. 내장된 변압기 구조는 열 방출에 도움을 주고 부품 간 성능 반복성을 향상시키는 것으로 알려져 있습니다.

그 결과 테이프 및 릴 패키징에 적합한 저높이(4.5mm), 콤팩트(5V 및 12V 버전의 경우 15.9mm x 11.5mm 및 24V 버전의 경우 16mm x 14.5mm) 패키지가 생성되었으며 자동화 배치 기계의 진공 노즐로 픽업할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: NXE 분리형 DC-DC 컨버터는 테이프 및 릴 공급이 가능한 콤팩트한 패키지로 제공되며 자동화 조립 장비에 의해 PC 기판에 배치됩니다. (이미지 출처: Murata Electronics)

내장형 변압기 설계는 다른 분리형 설계와 비교하여 우수한 전기적 성능을 제공합니다. 분리형 DC-DC 컨버터는 일반적으로 최대 부하에서 55% ~ 85% 효율 범위에서 작동합니다. NXE 계열 및 NXJ2 계열은 100% 부하 및 5V 출력에서 약 72% 효율을 제공하며 15V 출력의 경우 최대 76%, 24V 출력의 경우 최대 78%까지 상승합니다.

분리형 DC-DC 컨버터는 일반적으로 비분리형 제품에 일반적인 정밀 조정 기능이 없습니다. 출력과 입력 간에 전기적 피드백 루프가 없기 때문입니다. NXE 계열의 경우 라인 조정은 1.15%/%이며 부하 조정은 7% ~ 11%입니다. NXJ2의 라인 조정은 24V 입력의 경우 통상 1%/%, 다른 모든 입력 유형의 경우 통상 1.1%/%입니다. 전압 설정점의 정확도는 출력 부하 전류 및 선택된 NXE 또는 NXJ2 장치에 따라 달라집니다. 예를 들어, NXE2S1215MC 12V 입력/15V 출력 솔루션은 최대 출력 부하 전류에서 설정점에 대해 -2% ~ -6% 변동을 나타냅니다(그림 4).

그림 4: 분리형 DC-DC 컨버터는 일반적인 비분리형 DC-DC 컨버터의 정밀한 조정 기능이 없습니다. 전압 설정점의 정확도는 출력 부하 전류에 따라 달라집니다. 다음 예시에서는 Murata의 12V 입력/15V 출력 분리형 DC-DC 컨버터인 NXE2S1215MC의 다양한 부하의 설정점에 대한 출력 전압 정확도를 보여줍니다. (이미지 출처: Murata Electronics)

사양 이해하기

출력에서 입력을 전기적으로 분리하는 것은 대개 규제 요구 사항이므로 엔지니어는 주어진 설계에 대해 규제 요구가 무엇인지 명확하게 알고 있어야 합니다. 이는 어려운 과제일 수 있습니다. 정보가 혼동스러울 수 있기 때문입니다.

예를 들어, 규제 표준에서는 부품에 요구되는 분리와 최종 제품에 요구되는 분리를 별도로 지정하며 이는 각각에 대해 다릅니다. 따라서, 예를 들어 부품의 사양서에는 장치가 2.5KV ~ 5KV AC의 분리 테스트 전압을 견딜 수 있고 제품 표준 IEC 60950-1을 준수한다고 설명되어 있을 수 있지만, 설계자에게 더 중요한 것은 아이솔레이터 작동 전압이 예를 들어 150VAC ~ 600VAC이고 부품 표준 IEC 60747-5-5를 준수한다는 것입니다.

분리 레벨을 설명하는 데 사용되는 용어에 대해서도 주의를 기울여야 합니다. “Basic(기본)”은 단층 분리를 나타내고 “Double(이중)”은 2층을 나타냅니다. “Reinforced(강화형)”는 Double(이중)에 해당하는 단일 절연 시스템입니다. 표준에서는 1층 절연에서 발생할 수 있는 단일 결함을 간주하므로 2차 절연층을 가진 제품은 계속 보호를 제공할 수 있습니다. 중요한 것은, 부품 표준에 “Basic(기본)”으로 정의되어 있는 부품은 안전 보호에 불충분한 것으로 분류된다는 것입니다.

부품의 분리 성능의 또 다른 중요한 측면은 공간거리와 연면거리입니다. 공간거리는 두 부품 회로 간에 공기를 통과하는 가장 짧은 거리이고 연면거리는 표면에서 가장 짧은 거리입니다.

설계자가 아이솔레이터 성능을 보장할 수 있는 가장 좋은 방법은 아이솔레이터에 VDE 및 Underwriters Laboratory(UL) 인증이 있는지 확인하고 아이솔레이터 제조업체로부터 실제 인증서에 대한 사본을 받는 것입니다.

NXE 및 NXJ2 계열의 경우 FR4는 컨버터의 주 권선과 2차 권선 간에 분리 장벽을 제공하고, 모든 부품은 3KV DC에서 1초 동안 테스트되었으며 3KV DC에서 1분 동안 샘플 검증 테스트를 거쳤습니다. 절연 저항은 테스트 전압 1KV DC에서 10GΩ으로 측정됩니다.

NXE 및 NXJ2 계열은 UL에 의해 ANSI/AAMI ES60601-1 인증을 획득했으며 주 코일과 2차 코일 간 최대 250V rms의 작동 전압을 기준으로 1MOOP(작업자 보호 수단)를 제공합니다. UL은 또한 작동 전압 125V rms에 대한 강화 절연을 위해 UL 60950에 대한 DC-DC 컨버터를 승인합니다. 이 장치의 연면거리는 2.5mm이고 공간거리는 2mm입니다.

출력 리플과 EMC 감소

스위치 전압 컨버터는 항상 스위칭 소자에서 생성된 전압 및 전류 리플과 관련된 설계 문제를 수반합니다. 분리형 DC-DC 컨버터도 예외가 아닙니다.

출력 필터 회로 없이는, NXE DC-DC 컨버터의 통상 출력 리플은 약 55mVp-p(피크 투 피크)에서 최대 85mVp-p까지 상승합니다. NXJ2 계열의 경우에는 70mVp-p ~ 170mVp-p입니다. 이러한 값은 여러 응용 제품에서 허용되지만 보다 안정적인 출력을 요구하는 제품들이 있습니다.

그림 5에 표시된 출력 필터 회로를 사용하면 출력 전류와 전압 리플을 크게 낮출 수 있습니다. 인덕터(L) 및 커패시터(C)의 값은 DC-DC 컨버터의 입력 및 출력 전압에 따라 다릅니다. 그러나 예를 들어, Murata의 NXE2S1205MC(12V 입력/5V 출력) 제품의 경우 22마이크로헨리(µH)의 인덕터와 10마이크로패럿(µF)의 커패시터가 필요합니다. 출력 필터 회로의 효과는 출력 전압 및 전류 리플을 최대 5mVp-p로 낮추는 것입니다.

그림 5: 적절한 L 및 C 값을 갖춘 이 단순한 출력 필터 회로는 분리형 DC-DC 컨버터 출력 전류 및 전압 리플을 크게 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Murata Electronics)

최적의 결과를 위해, 커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)은 가능한 낮아야 하고 전압 정격은 분리형 DC-DC 컨버터의 정격 출력 전압의 최소 2배여야 합니다. 인덕터의 경우 정격 전류는 DC-DC 컨버터의 출력보다 작아서는 안 됩니다. 정격 전류에서 인덕터의 DC 저항은 인덕터에서의 전압 강하가 DC-DC 컨버터의 정격 전압의 2%보다 작아야 합니다.

그림 6에 표시된 대로, 입력 필터 회로를 NXE 및 NXJ2 계열에 추가하여 EMI를 약화시킬 수 있습니다. 또한 L 및 C의 값은 DC-DC 컨버터의 입력 전압 및 출력 전압에 따라 달라집니다. 그러나 예를 들어 Murata의 NXE2S1215MC(12V 입력/15V 출력) 제품의 경우 22µH 인덕터 및 3.3µF 커패시터가 필요합니다.

그림 6: 적절한 L 및 C 값을 갖춘 이 단순한 입력 필터 회로는 분리형 DC-DC 컨버터의 EMI 방출을 EN 55022 제한을 충족하는 데 필요한 값 아래로 줄일 수 있습니다. (이미지 출처: Murata Electronics)

그림 7에 표시된 대로, 필터링 효과를 통해 Murata 분리형 DC-DC 컨버터는 EN 55022 곡선 B 공진형 피크 EMC 제한을 충족할 수 있습니다. EMI 방열 장치는 EU의 EMC 지침 2014를 충족하기 위해 이러한 값을 개선해야 합니다.

그림 7: 그림 6에 표시된 입력 필터 회로의 효과는 분리형 DC-DC 컨버터(NXE2S1215MC, in this case) EMI 방출량을 EU의 EMC 지침에서 규정한 제한 아래로 낮추는 것입니다. (이미지 출처: Murata Electronics)

DC-DC 컨버터의 필터 회로 설계에 대한 자세한 내용은 DigiKey 기술 기사, Capacitor Selection is Key to Good Voltage Regulator Design(우수한 전압 조정기 설계의 핵심인 커패시터 선택)을 참조하십시오.

결론

분리형 DC-DC 컨버터는 규제 또는 안전 고려 사항에서 입력 전압과 출력 전압의 전기적 분리를 요구하는 경우 중요한 역할을 수행합니다. 그러나, 변압기를 사용한 분리는 비용, 크기, 성능 변동성, 조립 문제와 같이 설계에 좋지 않은 영향을 초래할 수 있습니다.

엔지니어는 이러한 부정적 영향을 인식하고 그에 따라 제품을 설계해야 합니다. 예를 들어, 분리형 DC-DC 컨버터는 일반적으로 비분리형 제품을 정밀하게 조정할 수 있는 피드백 루프가 없으므로 출력 전압이 비분리형 부품에 비해 부하에 따라 설정점에서 더 광범위하게 변동될 수 있습니다.

위에서 설명한 바와 같이, 값이 비싸고 부피가 큰 기판 실장형 변압기를 사용하는 대신 FR4 층과 구리층을 교대로 사용하여 컨버터의 기판에 내장된 변압기를 구축하는 DC-DC 솔루션이 있습니다. 결과적으로 보다 우수한 부품 간 전기적 성능 반복성을 나타내고 자동화 배치 기계로 처리할 수 있는 저렴하고 콤팩트한 장치를 구현할 수 있습니다. 이러한 분리형 DC-DC 컨버터는 또한 고전압 분리 및 절연 테스트를 위한 적절한 표준을 충족합니다.