기판 실장 컨버터를 사용하여 분리형 및 비분리형 AC/DC 및 DC/DC 전력 요구 사항 충족

최신 전력 분배 방식에는 분리형 및 비분리형 AC/DC 및 DC/DC 전원 컨버터의 정교한 조합이 필요한 경우가 많습니다. 분리형 컨버터는 주로 단일 또는 다중 장애 발생 시 시스템 및 사용자 보호를 위해 필요하며, 신호 무결성을 유지하기 위해 분리 하위 기능에 전력을 공급하는 데도 필요합니다.

원칙적으로, 다양한 성능 트레이드 오프를 제공하는 다양한 아키텍처를 통해 정교한 IC를 사용하여 저전력에서 중간 전력 컨버터(최대 약 1000와트)를 쉽게 직접 설계할 수 있습니다. 그러나 이러한 컨버터를 개발하고 검증하는 현실은 다른 이야기입니다. 최소한 출력 전압 및 전류 정격, 효율성, 과도 응답, 물리적 크기, 라인, 부하 및 공급 결함에 대한 보호 등 기본적인 기능 및 성능 측면에서의 요구 사항을 충족해야 합니다.

이러한 기본적인 사항 이외에도 설계 시 고려할 문제는 더 있습니다. 안전, 다양한 부하 수준에서의 효율성, 셧다운 성능, 열 성능, 전자파 장해(EMI) 방출 및 민감성 등과 관련된 많은 규제 의무도 고려해야 합니다. 이러한 속성은 인증된 테스트 랩에서 검증해야 하므로 설계 일정이 상당히 길어집니다. 간단한 DIY(직접 제작) 옵션은 매우 위험해져 곧 논외가 되고, 제작 대 구매의 결정이 구매 쪽으로 크게 기울어집니다.

확신이 서지 않는다면 컨버터에 갈바닉 분리 기능도 포함되어 있어야 한다는 점을 고려하세요. 거의 모든 AC/DC 컨버터의 공통 요구 사항이지만, 일부 DC/DC 컨버터에도 필요합니다. 이로 인해, 새로운 규제, 안전 및 인증 의무까지 고려해야 하므로, 공급 규모에 관계없이 직접 만드느냐, 구매하느냐의 기로에서 결국은 구매 쪽으로 더욱 기울게 됩니다.

다행인 점은, 기판 실장 방식의 분리형 및 비분리형 전력 컨버터가 다양한 전압 및 전류 정격으로 제공된다는 것입니다. 그 덕분에 방위, 통신, 테스트 및 측정(분리형) 및 모바일 로봇 공학(비분리형) 분야의 응용 제품을 위한 설계 및 배포가 크게 간소화되며 전력 분배에 조합하여 사용할 수 있습니다.

드롭인 구성 요소로, 전력 분배 레일에 최적화된 위치에서 메인 인쇄 회로 기판(PC 기판)에 배치할 수 있습니다. 또한 별도의 지지대나 브라켓이 필요하지 않습니다. 즉, 전원 기능을 폐쇄적이고 완전한 솔루션으로 제공하므로 바로 사용할 수 있습니다.

분리 기본 사항

갈바닉 분리는 신호 또는 전원 경로의 양측 사이에 전도성('옴') 경로가 형성되는 것을 방지하는 전기적 장벽입니다. 그러나 이러한 분리 상태에서도 다른 전송 방법을 사용하여 에너지와 전력이 통과할 수 있어야 합니다. 설계에 따라 신호, 전력 또는 둘 다에 대해 분리가 필요할 수 있습니다. 분리를 구현하는 데 사용되는 기술은, 분리되는 전류 흐름의 특성에 따라 다릅니다.

여러 가지 이유로 분리가 필요할 수 있습니다. 신호의 경우 센서 무결성을 개선하고 접지 루프를 제거하거나 신호 경로에 전원이 유입되는 결함 발생 시 사용자와 회로를 보호할 수 있습니다.

전원의 경우, 주로 사용자의 안전을 보장하고 AC 전원선이나 고전압 DC 전원과의 부주의한 접촉으로 인한 충격을 방지하기 위해 필요합니다. 또한 비전력 신호에 사용되는 '플로팅' 회로(회로 접지에 연결되지 않음)의 요구 사항도 지원합니다.

일반적으로 분리는 키르히호프의 전류 법칙(KCL)에 따라 전류 흐름을 라우팅하는 방법입니다. 전류가 흐르기 위해서는 반드시 소스로 되돌아가는 경로가 있어야 하며, 분리의 역할은 이 경로를 차단하는 것입니다. 잠재적인 감전 시나리오에서 사용자를 통과하여 접지로 돌아가는 전체 고장 전류 경로(그림 1, 왼쪽)는 전원의 절연 변압기에 의해 끊어집니다(그림 1, 오른쪽).

그림 1: 감전을 방지하기 위해 사용자를 통과하여 접지로 돌아가는 고장 전류 경로(왼쪽)는 전원(오른쪽)의 절연 변압기에 의해 차단됩니다(이미지 출처: Lumen Learning).

일반적인 잠재적 충격 시나리오에서 절연이 벗겨진 경우, 전류/열전선이 기기의 금속 케이스에 직접 닿을 수 있습니다. 기기가 의도한 대로 작동하더라도 접지/접지 연결이 끊어져(종종 발생하는 경우) 고장 전류가 접지선을 안전하게 통과하지 않고 사용자를 통해 접지로 흐르는 경우 사용자는 감전될 수 있습니다.

이러한 위험을 관리하기 위해 전원 공급 장치의 분리 기능은 원래 전압 소스와 장치 사이의 전류 경로를 차단합니다. 이렇게 하면 배선 결함에도 불구하고 그 사이에 회로가 형성되는 것을 방지하여 감전 위험을 제거할 수 있습니다.

위험한 전압에는 AC 라인 전압과 멀티셀 배터리 팩의 전압과 유사한 DC 전압이 모두 포함된다는 점에 유의하세요. 대부분의 규제 표준은 상황과 전압 유형에 따라 위험 전압을 약 60볼트 이상으로 정의합니다.

전원 분리는 거의 항상 변압기를 통한 자기 결합을 사용하여 이루어집니다. 마그네틱 커플링은 전기적으로 효율적이고 기술적으로 효과적이며 매우 유연하고 신뢰성이 높으며 규제 및 회로 요구 사항을 모두 충족하도록 쉽게 맞춤화할 수 있습니다.

다양한 선택이 가능한 이유

최신 시스템은 많은 전력 레일을 사용하기 때문에 배전 계획에 있어 아키텍처 선택의 폭이 넓습니다. 그러나 회로의 일부는 분리해야 하는 반면 다른 일부는 분리가 필요하지 않거나 분리해서는 안 되는 경우 올바른 전력 컨버터를 선택하는 것은 어려울 수 있습니다.

고전압 AC/DC 또는 DC/DC 공급 레일에는 분리가 필요하지 않지만 배전 체인에서 더 멀리 떨어져 있어 분리가 필요한 경우가 있습니다. 설계자가 결정해야 하는 사항 중에는 하나의 대형 분리형 공급 장치를 사용할지 아니면 여러 개의 소형 공급 장치를 사용할지, 필요한 곳에만 분리형 공급 장치를 사용하고 다른 곳에는 비분리형 공급 장치를 사용할지 여부가 있습니다(그림 2).

그림 2: 완전한 시스템 수준의 전력 분배 배열에는 분리형 및 비분리형 AC/DC 및 DC/DC 전력 컨버터의 조합이 필요한 경우가 많습니다(이미지 출처: TDK-Lambda).

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 TDK-Lambda는 다양한 입력/출력 전압 및 전류 정격에 걸친 광범위한 기판 실장형 강압/강등(벅/부스트) 분리형 및 비분리형 AC/DC 및 DC/DC 전력 컨버터를 제공합니다. 그 예는 다음과 같습니다.

분리형 AC/DC: PFE500F-28/T는 85VAC ~ 265VAC 입력을 위한 단일 출력 28V/18암페어(A) 컨버터입니다. 대류 또는 강제 공기 냉각이 불가능한 환경에서 사용할 수 있도록 122mm × 70mm × 12.7mm 풀 브릭 밀폐형 모듈에 3000VAC 입력-출력 분리 기능을 갖추고 있습니다.

비분리형 AC/DC: 또한 풀 브릭 크기의 PF1500B-360 밀폐형 모듈은 분리형 고전압 DC/DC 컨버터를 사용하는 분산 전원 시스템 또는 고전압 소스가 필요한 부하에서 사용하기 위해 AC 입력을 조정된 360V DC(VDC) 출력으로 변환합니다. 170VAC ~ 265VAC 입력에서 1512와트, 85VAC ~ 265VAC에서 1008와트의 정격 전력을 제공합니다. 이 모듈의 역률은 0.98이고 효율은 최대 96.5%입니다.

분리형 DC/DC: GQA2W024A050V-007-R 분리형 DC/DC 컨버터는 최대 3000VDC 입력-출력 분리를 지원하는 고성능의 소형 1/4 브릭 실장 면적으로 120와트를 제공합니다. 9V ~ 36V의 입력 범위에서 작동하며 24A에서 5V를 공급합니다. 기계식 패키징은 여러 베이스 플레이트, 밀폐형 및 포트형 구성으로 제공되며(그림 3) 외부 냉각판 또는 방열판을 통한 대류 및 전도 냉각을 지원합니다.

그림 3: 설계자에게 전체 패키지 설계 및 컨버터 냉각에 대한 최대한의 유연성을 제공하기 위해 GQA2W024A050V-007-R 컨버터는 여러 패키지 구성으로 제공됩니다(이미지 출처: TDK-Lambda).

비분리형 DC/DC: I6A24014A033V-003-R 비분리형 부하점(PoL) DC/DC 컨버터는 12V 또는 24VDC 전원 공급 장치에서 고전류 출력 전압 레일을 생성하는 데 적합합니다. 입력 범위는 9V ~ 40V이고, 최대 14A를 제공하며, 1/16 브릭 크기의 소형 패키지로 3.3V ~ 24V의 넓은 출력 조정 범위를 제공합니다.

결론

TDK Lambda는 다양한 토폴로지 및 입력 및 출력 전압 사양을 위한 분리형 및 비분리형 PC 기판 실장형 컨버터를 제공합니다. 그 결과 다양한 전원 구성을 충족할 수 있는 최적화된 고성능 기성 컨버터 세트가 탄생했습니다.