스위칭 전원 공급 장치 설계의 기술 및 과학 지식 습득하기

1975년 처음 전기 엔지니어가 된 후 맡게 된 첫 번째 설계 프로젝트는 HP 9825A 데스크톱 컴퓨터용 HP 9878A I/O 확장기에 관한 프로젝트였습니다. 저는 프로젝트의 전자 분야 전체의 설계를 담당했으며 프로젝트의 기계적 설계를 맡은 HP 엔지니어인 Jerry Nichols와 함께 작업했습니다.

개념상 I/O 확장기는 오늘날의 USB 허브와 매우 유사했습니다. 즉, 컴퓨터의 I/O 포트를 여러 포트로 “확장”하는 것입니다. HP 9878A I/O 확장기의 역할은 하나의 I/O 슬롯을 7개 슬롯으로 전환하는 것이었습니다. I/O 카드의 코드명은 모두 향신료 이름을 기준으로 지정했기 때문에(Parsley, Sage, Rosemary 등) I/O 확장기 프로젝트의 코드명은 “Spice Rack”이 되었습니다. Spice Rack은 1976년에 소개되었습니다(그림 1).

그림 1: HP 9878A I/O 확장기(1976년경)는 당시의 스위칭 조정기 설계 때문에 5V, 12V, -12V 전원 공급 장치를 위해 선형 전력 조정을 사용했습니다. (사진 출처: Steve Leibson)

이 설계 작업에는 확장기의 7개 슬롯에 연결되는 I/O 카드에 전력을 공급하는 일도 포함됩니다. 각 카드는 I/O 슬롯의 정격 5V 레일에서 최대 500mA, 정격 12V와 -12V 레일에서 100mA를 소비할 수 있습니다. 따라서 I/O 확장기의 전원 공급 장치는 5V에서 3.5A를(I/O 확장기의 내부 회로망에 필요한 5V 공급 전류에 추가로), 정격 12V와 -12V 전력 공급 장치의 경우 700mA 미만을 공급해야 했습니다.

HP 9878A의 12V 전원 공급 장치 요구 사항은 새로운(당시로는) A7812A7912 3단자 조정기로 손쉽게 충족할 수 있었지만, 거의 4A를 제공해야 하는 정격 5V 전력 공급은 쉽지 않았습니다. 저는 약간의 조사 끝에, 10핀 TO-5 패키지의 A723 가변 조정기 IC를 선택했으며, 이 제품에는 몇 가지 추가적인 지원 부품 및 부피가 큰 TO-3 패키지의 외부 2N3055 NPN 전력 트랜지스터가 필요했습니다.

참고: 전설적인 Bob Widlar가 1967년에 A723 가변 조정기 IC를 설계했으며 내구성이 매우 높다고 입증되었습니다. Widlar의 여러 아날로그 IC 설계와 마찬가지로 A723 조정기는 오늘날에도 폭넓게 이용이 가능합니다. 50년이 넘은 IC를 사용하는 데 문제될 것은 없습니다.

3단자 조정기 및 2N3055 전력 트랜지스터는 알루미늄 패널에 고정되어 있고 이 패널은 방열을 위해 HP 9878A의 주조 알루미늄 섀시에 견고하게 부착되어 있습니다. 기판에 장착된 A723 가변 조정기에는 소형 칩온 방열판이 사용되었습니다. 이 설계에서는 방열 문제가 발생하지 않았습니다.

A7812 및 A7912 3단자 조정기는 45년이 지난 지금도 적절한 선택일 수 있지만, A723 가변 조정기와 외부 2N3055 NPN 패스 트랜지스터는 더 이상 사용하지 않습니다. 과도한 발열 낭비를 최소화하기 위해 HP 9878A의 전원 공급 장치 설계에는 미조정 DC 전력 레일이 정격 5V 레일보다 조금만 높도록 맞춤 제작된 전력 변압기가 필요했습니다. 하지만 당시에는 HP에 자체 변압기 공장이 있어서 맞춤 변압기로 인해 어려움을 겪지는 않았습니다. 그런데 제가 지금 다시 설계한다면 이 작업에 선형 전원 공급 장치를 사용하지 않을 것입니다.

1975년에는 스위칭 전원 공급 장치 설계가 아직 초기 단계였습니다. 사실상 그다지 과학적이지 못했고 스위칭 전원 공급 장치 설계에 도움이 되는 IC가 거의 없었습니다. 솔직히 말하자면 아예 없었습니다. 오늘날에는 과학이 발전하여 IC 형태로 사용 가능한 스위칭 전력 조정기가 매우 많지만, 우수하고 신뢰도 높은 스위칭 전원 공급 장치의 설계는 여전히 까다롭다고 생각합니다. 모든 예술과 마찬가지로 설계자들은 먼저 규칙을 알아야 합니다. 그래야만 규칙을 깰 수 있고, 그래야만 그 이점을 누릴 수 있습니다.

스위칭 전원 공급 장치 설계의 기술과 과학 지식을 습득하는 데 도움이 되는 리소스는 많이 있습니다. 가장 좋은 리소스 중 하나로 Texas Instruments(TI)에서 전력 관리 실험용 키트(PMLK) 계열용으로 개발한 평가 키트와 관련 강좌를 들 수 있습니다. 이 계열에는 다음이 포함됩니다.

이러한 제품 세 개에는 각각 벅 및 부스트 스위칭 전원 공급 장치 설계와 저 드롭아웃 조정기(LDO)를 다루는 평가 기판과 텍스트북이 포함되어 있습니다. 정격 스위칭 공급에서 여러 저전류, 정격 공급 전압을 추출하기 위한 스위칭 전원 공급 장치 설계에도 LDO가 필요할 수 있습니다.

이러한 TI 텍스트북에는 모두 평가 기판을 기반으로 하는 실습이 포함되어 있습니다. 이 세 개의 PMLK 워크북에 있는 모든 실습을 수행해 보면 전원 공급 장치 과학에 대해 많은 것을 알게 될 것입니다. 45년 전에도 이러한 리소스가 있었다면 참 좋았을 것 같습니다.

작성자 정보

Image of Steve Leibson Steve Leibson은 HP와 Cadnetix에서 시스템 엔지니어로 근무한 후, EDN 및 Microprocessor Report에서 편집장을 역임했습니다. 또한 "The Next Wave with Leonard Nimoy”에 기술 전문가로서 2회 출연한 바 있습니다. 그는 33년 동안 설계 엔지니어가 보다 빠르고 효율적이며 신뢰성이 뛰어난 시스템을 개발할 수 있도록 지원해 왔습니다.
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