전원 공급 장치 효율을 향상시키는 동기식 정류기(효율적으로 제어되는 경우)

더 빠른 프로세서, 더 많은 메모리, 더 큰 대역폭을 갖춘 최신 전자 장치는 공공연히 더 많은 전력을 필요로 합니다. 동시에 시장은 더 작은 전원 공급 장치를 요구합니다. 더 작은 패키지로 더 높은 수준의 전력을 공급하려면 전력 효율을 높여야 합니다. 이러한 효율 증가는 전원 공급 장치의 손실 감소를 필요로 하며, 이는 기본 설계에 대한 재고를 의미합니다.

이제, 어디에서 손실이 발생하고 이러한 손실에 대한 대처 방법을 살펴보겠습니다. 플라이백 전원 공급 장치를 예로 사용하겠습니다(그림 1). 플라이백 컨버터는 전계 효과 트랜지스터(FET)를 켜고 끕니다.

그림 1: 기본 플라이백 전원 공급 장치는 FET를 켜고 끕니다. 여기에서는 연결 전류 및 전압 파형을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

FET가 켜져 있는 동안 전류(I_P)는 결합된 인덕터의 1차측으로 흐릅니다. 이로 인해 인덕터에 자기장이 형성됩니다. FET가 꺼지면 인덕터의 축소 필드로 인해 2차 전류(I_O)가 2차측에서 다이오드를 통해 출력 필터 및 부하로 흐릅니다. 손실은 결합된 인덕터, 동적 스위칭, FET 및 출력 다이오드의 전도 손실, 클램프 회로의 전력 손실에서 발견되는 형태로 나타납니다. 이러한 모든 손실을 평가해야 하지만 이 게시물에서는 출력 다이오드의 전도 손실에 중점을 둡니다.

출력 다이오드가 전도되면 전류 수준 및 온도에 따라 달라지는 순방향 전압 강하(V_F)가 나타납니다(그림 2).

그림 2: 일반적인 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하는 온도와 전류에 따라 달라집니다. (이미지 출처: Diodes Incorporated)

이 다이오드의 순방향 전압 강하는 전류가 증가함에 따라 증가하고 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 10암페어(A)의 순방향 전류의 경우(25°C 기준) 순방향 전압 강하는 약 420mV이며, 이는 다이오드가 4.2W를 분산시키고 있음을 의미합니다. 이러한 손실을 피하는 한 가지 방법은 전원 공급 장치의 스위칭 주기 동안 적절한 시간에 켜지는 FET로 다이오드를 교체하는 것입니다. 이를 동기식 정류기(SR)라고 하며 때때로 능동 정류기라고도 합니다. FET가 켜져 있는 경우 순방향 임피던스는 주로 FET 채널의 저항(R_DS(ON))입니다. Texas Instruments CSD18532KCS는 R_DS(ON)이 약 5mΩ인 N 채널 FET입니다. 이 FET를 다이오드와 비교하면 SR 접근 방식의 이점을 확인할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: CSD18532KCS와 쇼트키 다이오드의 순방향 전압 강하 비교. 등가 회로 모델을 통해 차이점을 확인할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

FET의 순방향 전압 강하는(25°C 기준) 다이오드의 420mV 강하와 비교하여 10A 순방향 전류에서 약 60mV에 불과합니다. 다이오드의 4.2W와 비교하여 전력 손실은 0.6W로 전력 손실이 크게 감소하고 전원 공급 장치의 전력 효율이 향상되었습니다.

Texas Instruments는 Texas Instruments UCC28740EVM-525 10W 분리형 출력 평가 기판을 사용하여 비교를 수행했습니다. 이 평가 모듈은 정전압 및 정전류 출력 조정을 제공하는 10W 오프라인 전력 모듈입니다. 이는 DCM(불연속 전도 모드) 플라이백 컨버터를 기반으로 합니다. 테스트에서는 슈퍼 장벽 정류기를 사용하여 순방향 전압 강하 및 전류가 측정되고 Texas Instruments CSD19531Q5A N 채널 MOSFET을 사용하여 SR이 측정되었습니다(그림 4).

그림 4: 다이오드 및 MOSFET 동기식 정류를 사용하여 동일한 전원 공급 장치에서 순방향 전압 강하 및 전류를 비교합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

정류기에서 순방향 전압 강하의 차이는 쉽게 확인할 수 있습니다. 다이오드 정류기 순방향 전압은 1V의 상당 부분을 실행하는 반면 SR은 훨씬 작습니다. SR 전도 단계의 시작과 끝에 있는 작은 직사각형 펄스는 FET의 본체 다이오드 전도로 인한 것입니다. 이러한 펄스는 전도 손실을 증가시키지만 지속 시간이 짧기 때문에 전원 공급 장치 효율에 거의 영향을 미치지 않습니다.

다양한 부하 전류에 대한 전원 공급 장치의 효율은 동기식 정류기가 일반적인 다이오드 정류기에 비해 우수함을 보여줍니다(그림 5).

그림 5: 다양한 부하 전류 및 소스 전압에 대한 전원 공급 장치의 효율을 비교할 때 효율이 2% ~ 3% 향상됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

동기식 정류의 효율은 광범위한 부하 전류에 걸쳐 다이오드 정류기에 비해 2% ~ 3% 더 높습니다. SR 구현의 증가된 복잡성은 그만한 가치가 있습니다.

동기 정류 구현

SR의 단점은 전원 공급 장치 스위칭 작업과 동시에 FET를 구동해야 한다는 것입니다. SR에 사용되는 FET를 제어하는 데에는 기본적으로 두 가지 접근 방식이 있습니다. 첫 번째 접근 방식은 자율 제어입니다. 이 방법은 직접 또는 별도의 권선을 통해 결합된 인덕터의 2차 전압을 사용하여 SR을 제어합니다. 단순성과 적은 부품 수로 인해 이 접근 방식은 매우 매력적인 옵션입니다. 그러나 이 기술은 일부 회로 토폴로지에 대해 작동하지 않으며 결합된 인덕터의 재설정 프로세스에 따라 달라집니다.

두 번째 방법은 제어 기반 접근 방식으로 여기서 SR은 Texas Instruments UCC24612-1DBVR과 같은 동기식 정류기 컨트롤러를 사용하여 주 스위치의 게이트 구동 신호에서 제어됩니다. 이 장치는 능동 클램프, 유사 공진(QR), 불연속 전도 모드(DCM), 연속 전도 모드(CCM) 및 LLC 공진 플라이백 변환과 같은 광범위한 플라이백 토폴로지로 작동합니다. 또한 전도 손실을 최소화하기 위해 MOSFET 전도 간격을 설정하는 데 V_DS 전압 감지를 사용합니다. UCC24612-1DBVR은 플라이백 컨트롤러와 함께 작동하여 능동 클램프 및 제로 전압 교차 스위칭과 같은 다른 효율 개선 작업과 더 많은 제어를 구현합니다.

결론

동기식 정류기는 UCC24612-1DBVR과 같이 쉽게 사용할 수 있는 하드웨어 장치로 지원되는 효율 향상 기술 툴킷에 포함되어 있으며, 더 높은 전력 밀도에 대한 요구를 해결하기 위해 쉽고 비용 효율적인 설계를 제공합니다.