기술기고문
옵토커플러가 필요 없는 600V 입력 절연형 플라이백 컨트롤러의 전원 전압을 800V로 확장
글 / 유첸 양(Yuchen Yang), 선임 애플리케이션 엔지니어(Senior Applications Engineer)
/ 윌리엄 시옹(William Xiong), 애플리케이션 엔지니어(Applications Engineer)
/ 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
기존의 절연형 고전압 플라이백 컨버터는 옵토커플러를 사용해 이차측 레퍼런스 회로에서 일차측으로 레귤레이션 정보를 전달하여 엄밀한 레귤레이션을 달성한다. 그런데 문제는, 옵토커플러로 인해 절연형 디자인에서 복잡성을 상당히 높인다는 것이다. 옵토커플러와 관련해서 전달 지연, 노후화, 이득 차이 같은 문제들이 있을 수 있으며, 이러한 문제들 모두가 전원 루프 보정을 복잡하게 하고 신뢰성을 낮출 수 있다. 그런데다가 스타트업 시에 IC를 파워업 하기 위해서 블리더 저항이나 고전압 스타트업 회로가 필요하다. 또한 스타트업 부품들로 고전압 MOSFET을 추가하지 않으면 블리더 저항이 원치 않는 전력 손실을 일으키는 요인이 될 수 있다.
LT8316은 마이크로전력 고전압 플라이백 컨트롤러 제품으로서, 옵토커플러, 복잡한 이차측 레퍼런스 회로, 추가적인 스타트업 부품들을 필요로 하지 않는다.
전원 전압 확장
LT8316은 열 향상 20리드 TSSOP 패키지를 채택하고 고전압과 관련한 간격을 위해서 4개 핀을 제거했다. 삼차 권선으로부터의 절연 출력 전압을 샘플링하기 때문에 레귤레이션을 위해서 옵토커플러를 필요로 하지 않는다. 2개 외부 저항과 선택적인 온도 보정 저항을 사용해서 출력 전압을 프로그램 할 수 있다. 준공진 경계 모드 동작을 사용해서 우수한 부하 레귤레이션을 달성하고, 작은 크기의 트랜스포머를 사용할 수 있고, 스위칭 손실을 낮춘다(특히 높은 입력 전압일 때). 이차 전류가 거의 0일 때 출력 전압을 검출하므로 외부 부하 보정 저항과 커패시터를 필요로 하지 않는다. 그러므로 LT8316을 사용함으로써 절연형 플라이백 컨버터 디자인을 크게 간소화하고 부품 수를 줄일 수 있다(그림 1).
그림 1: 20V~800V의 넓은 입력 범위와 260V의 최소 스타트업 전압으로 동작하는 12V 절연형 플라이백 컨버터
LT8316은 최대 600V에 이르는 VIN으로 동작하도록 설계되었는데, VIN 핀과 직렬로 제너 다이오드를 추가함으로써 이 전압을 확장할 수 있다. 제너 다이오드 상으로 전압 강하에 의해서 칩으로 인가되는 전압이 낮아짐으로써, 전원 전압이 600V를 넘을 수 있다.
그림 1은 18V~800V의 넓은 입력 범위로 동작하는 플라이백 컨버터를 보여준다. 부품 선택에 관해서는 LT8316 데이터 시트에서 자세히 설명하고 있다. VIN 핀과 직렬로 220V 제너 다이오드를 사용하면, 스타트업을 위한 최소 전원 전압은 제너 다이오드의 전압 허용오차를 감안해서 대략 260V이다. 스타트업 후에는 260V 아래의 전원 전압으로도 정상적으로 동작한다.
그림 2는 다양한 입력 전압으로 효율을 보여준다. 이 플라이백 컨버터로 91%의 피크 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 또한 그림 3에서 보듯이, 옵토커플러를 사용하지 않고도 다양한 입력 전압에서 부하 레귤레이션을 잘 유지한다.
그림 2: 그림 1 플라이백 컨버터의 효율
그림 3: 그림 1 플라이백 컨버터의 부하 및 라인 레귤레이션
스타트업 전압이 낮은 디자인
위에서 살펴본 솔루션은 입력 전압을 800V까지로 확장하지만, 제너 다이오드 때문에 최소 스타트업 전압을 260V로 높인다. 그런데 문제는, 어떤 애플리케이션은 높은 입력 전압과 낮은 스타트업 전압을 모두 필요로 한다는 것이다.
그림 4에서는 또 다른 800V 최대 입력 전압 솔루션을 보여준다. 이 회로는 제너 다이오드와 트랜지스터를 사용해서 전압 레귤레이터를 형성한다. VIN 핀을 약 560V로 레귤레이트 하면서 입력 전압이 안전하게 800V까지 이를 수 있다. 이 회로의 장점은 LT8316이 더 낮은 전원 전압에서도 스타트업 할 수 있다는 것이다.
그림 4: 20V~800V 입력 대 12V 출력과 낮은 스타트업 전압으로 동작하는 절연형 플라이백 컨버터
그림 5: 800V까지 이르는 전원 전압으로 동작하는 비절연형 벅 컨버터
비절연형 벅 컨버터
LT8316의 고전압 입력은 절연 트랜스포머를 필요로 하지 않는 단순한 비절연형 벅 컨버터에도 손쉽게 활용할 수 있다. 자기 소자로서 비교적 저렴한 규격형 인덕터를 사용할 수 있다.
비절연형 벅 애플리케이션을 위해서는 LT8316의 접지 핀을 벅 토폴로지의 스위치 노드로 연결한다. LT8316은 고유의 센싱 방식을 사용해서 스위치 노드가 접지로 연결되었을 때만 출력 전압을 검출할 수 있으므로 단순한 벅 회로를 달성할 수 있다.
플라이백 컨버터와 마찬가지로 벅 컨버터의 전원 전압도 확장할 수 있다. 그림 5는 800V까지 입력 전압으로 동작할 수 있는 벅 컨버터 회로를 보여준다. 전원 전압과 LT8316의 VIN 핀 사이에 220V 제너 다이오드를 사용한다. 스타트업을 하기 위한 최소 전원 전압은 제너 다이오드의 전압 허용오차를 감안해서 260V이다. 스타트업 후에는 이보다 낮은 전원 전압으로도 LT8316이 계속해서 정상적으로 동작한다. 그림 6은 다양한 입력 전압에서의 효율을 보여준다. 이 벅 컨버터로 91% 피크 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 그림 7은 부하 및 라인 레귤레이션을 보여준다.
그림 6: 그림 5 벅 컨버터의 효율
그림 7: 그림 5 벅 컨버터의 부하 및 라인 레귤레이션
그림 8: 낮은 스타트업 전압으로 동작하는 800VIN 비절연형 벅 컨버터
그림 4의 플라이백 컨버터와 마찬가지로, 전원 전압과 VIN 핀 사이에 전압 레귤레이터를 추가해서 벅 컨버터로 낮은 스타트업 전압을 달성할 수 있다. 그런데 GND 핀에서 VIN 핀 사이에 바디 다이오드가 트랜지스터의 이미터 전압을 높이고 베이스-이미터 항복을 일으킬 수 있다. 이것을 방지하고 트랜지스터를 보호하기 위해서 2개 다이오드를 추가한다. 그림 8은 이 낮은 스타트업 전압 솔루션을 보여준다.
맺음말
LT8316은 준공진 경계 모드로 동작하고 옵토커플러를 사용하지 않고 뛰어난 레귤레이션을 달성한다. 그 밖에도 리플이 낮은 Burst Mode® 동작, 소프트 스타트, 프로그램 가능한 전류 한계, 저전압 록아웃, 온도 보정, 낮은 정지 전류를 특징으로 한다. 이러한 다수의 기능들을 통합함으로써 배터리 사용 시스템에서부터 자동차, 산업용, 의료용, 텔레콤 전원장치, 절연형 보조/하우스키핑 전원장치 같은 다양한 애플리케이션으로 설계를 간소화하고, 부품 수를 줄이고, 높은 효율을 달성할 수 있다.
저자 약력
유첸 양(Yuchen Yang)은 아나로그디바이스(Analog Devices)의 선임 애플리케이션 엔지니어이다. 다양한 비절연형 및 절연형 컨버터를 비롯한 전원 제품 애플리케이션을 맡고 있다. 칭화 대학에서 전기공학 학사학위와 버지니아 공대에서 전기공학 석사학위 및 박사학위를 취득했다. 2018년에 아나로그디바이스에 입사했다. 궁금한 점은 yuchen-x.yang@analog.com으로 문의.
윌리엄 시옹(William Xiong)은 2017년에 캘리포니아 주립 공과대학교(샌 루이스 오비스포)를 졸업하면서 전기공학 학사학위를 취득했다. 2017년 7월에 아나로그디바이스에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하기 시작했으며, 현재는 벅, 부스트, 플라이백 및 포워드 컨버터 같은 절연형 토폴로지를 맡고 있다. 궁금한 점은 william.xiong@analog.com으로 문의.
/ 윌리엄 시옹(William Xiong), 애플리케이션 엔지니어(Applications Engineer)
/ 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
기존의 절연형 고전압 플라이백 컨버터는 옵토커플러를 사용해 이차측 레퍼런스 회로에서 일차측으로 레귤레이션 정보를 전달하여 엄밀한 레귤레이션을 달성한다. 그런데 문제는, 옵토커플러로 인해 절연형 디자인에서 복잡성을 상당히 높인다는 것이다. 옵토커플러와 관련해서 전달 지연, 노후화, 이득 차이 같은 문제들이 있을 수 있으며, 이러한 문제들 모두가 전원 루프 보정을 복잡하게 하고 신뢰성을 낮출 수 있다. 그런데다가 스타트업 시에 IC를 파워업 하기 위해서 블리더 저항이나 고전압 스타트업 회로가 필요하다. 또한 스타트업 부품들로 고전압 MOSFET을 추가하지 않으면 블리더 저항이 원치 않는 전력 손실을 일으키는 요인이 될 수 있다.
LT8316은 마이크로전력 고전압 플라이백 컨트롤러 제품으로서, 옵토커플러, 복잡한 이차측 레퍼런스 회로, 추가적인 스타트업 부품들을 필요로 하지 않는다.
전원 전압 확장
LT8316은 열 향상 20리드 TSSOP 패키지를 채택하고 고전압과 관련한 간격을 위해서 4개 핀을 제거했다. 삼차 권선으로부터의 절연 출력 전압을 샘플링하기 때문에 레귤레이션을 위해서 옵토커플러를 필요로 하지 않는다. 2개 외부 저항과 선택적인 온도 보정 저항을 사용해서 출력 전압을 프로그램 할 수 있다. 준공진 경계 모드 동작을 사용해서 우수한 부하 레귤레이션을 달성하고, 작은 크기의 트랜스포머를 사용할 수 있고, 스위칭 손실을 낮춘다(특히 높은 입력 전압일 때). 이차 전류가 거의 0일 때 출력 전압을 검출하므로 외부 부하 보정 저항과 커패시터를 필요로 하지 않는다. 그러므로 LT8316을 사용함으로써 절연형 플라이백 컨버터 디자인을 크게 간소화하고 부품 수를 줄일 수 있다(그림 1).
그림 1: 20V~800V의 넓은 입력 범위와 260V의 최소 스타트업 전압으로 동작하는 12V 절연형 플라이백 컨버터
LT8316은 최대 600V에 이르는 VIN으로 동작하도록 설계되었는데, VIN 핀과 직렬로 제너 다이오드를 추가함으로써 이 전압을 확장할 수 있다. 제너 다이오드 상으로 전압 강하에 의해서 칩으로 인가되는 전압이 낮아짐으로써, 전원 전압이 600V를 넘을 수 있다.
그림 1은 18V~800V의 넓은 입력 범위로 동작하는 플라이백 컨버터를 보여준다. 부품 선택에 관해서는 LT8316 데이터 시트에서 자세히 설명하고 있다. VIN 핀과 직렬로 220V 제너 다이오드를 사용하면, 스타트업을 위한 최소 전원 전압은 제너 다이오드의 전압 허용오차를 감안해서 대략 260V이다. 스타트업 후에는 260V 아래의 전원 전압으로도 정상적으로 동작한다.
그림 2는 다양한 입력 전압으로 효율을 보여준다. 이 플라이백 컨버터로 91%의 피크 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 또한 그림 3에서 보듯이, 옵토커플러를 사용하지 않고도 다양한 입력 전압에서 부하 레귤레이션을 잘 유지한다.
그림 2: 그림 1 플라이백 컨버터의 효율
그림 3: 그림 1 플라이백 컨버터의 부하 및 라인 레귤레이션
스타트업 전압이 낮은 디자인
위에서 살펴본 솔루션은 입력 전압을 800V까지로 확장하지만, 제너 다이오드 때문에 최소 스타트업 전압을 260V로 높인다. 그런데 문제는, 어떤 애플리케이션은 높은 입력 전압과 낮은 스타트업 전압을 모두 필요로 한다는 것이다.
그림 4에서는 또 다른 800V 최대 입력 전압 솔루션을 보여준다. 이 회로는 제너 다이오드와 트랜지스터를 사용해서 전압 레귤레이터를 형성한다. VIN 핀을 약 560V로 레귤레이트 하면서 입력 전압이 안전하게 800V까지 이를 수 있다. 이 회로의 장점은 LT8316이 더 낮은 전원 전압에서도 스타트업 할 수 있다는 것이다.
그림 4: 20V~800V 입력 대 12V 출력과 낮은 스타트업 전압으로 동작하는 절연형 플라이백 컨버터
그림 5: 800V까지 이르는 전원 전압으로 동작하는 비절연형 벅 컨버터
비절연형 벅 컨버터
LT8316의 고전압 입력은 절연 트랜스포머를 필요로 하지 않는 단순한 비절연형 벅 컨버터에도 손쉽게 활용할 수 있다. 자기 소자로서 비교적 저렴한 규격형 인덕터를 사용할 수 있다.
비절연형 벅 애플리케이션을 위해서는 LT8316의 접지 핀을 벅 토폴로지의 스위치 노드로 연결한다. LT8316은 고유의 센싱 방식을 사용해서 스위치 노드가 접지로 연결되었을 때만 출력 전압을 검출할 수 있으므로 단순한 벅 회로를 달성할 수 있다.
플라이백 컨버터와 마찬가지로 벅 컨버터의 전원 전압도 확장할 수 있다. 그림 5는 800V까지 입력 전압으로 동작할 수 있는 벅 컨버터 회로를 보여준다. 전원 전압과 LT8316의 VIN 핀 사이에 220V 제너 다이오드를 사용한다. 스타트업을 하기 위한 최소 전원 전압은 제너 다이오드의 전압 허용오차를 감안해서 260V이다. 스타트업 후에는 이보다 낮은 전원 전압으로도 LT8316이 계속해서 정상적으로 동작한다. 그림 6은 다양한 입력 전압에서의 효율을 보여준다. 이 벅 컨버터로 91% 피크 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 그림 7은 부하 및 라인 레귤레이션을 보여준다.
그림 6: 그림 5 벅 컨버터의 효율
그림 7: 그림 5 벅 컨버터의 부하 및 라인 레귤레이션
그림 8: 낮은 스타트업 전압으로 동작하는 800VIN 비절연형 벅 컨버터
그림 4의 플라이백 컨버터와 마찬가지로, 전원 전압과 VIN 핀 사이에 전압 레귤레이터를 추가해서 벅 컨버터로 낮은 스타트업 전압을 달성할 수 있다. 그런데 GND 핀에서 VIN 핀 사이에 바디 다이오드가 트랜지스터의 이미터 전압을 높이고 베이스-이미터 항복을 일으킬 수 있다. 이것을 방지하고 트랜지스터를 보호하기 위해서 2개 다이오드를 추가한다. 그림 8은 이 낮은 스타트업 전압 솔루션을 보여준다.
맺음말
LT8316은 준공진 경계 모드로 동작하고 옵토커플러를 사용하지 않고 뛰어난 레귤레이션을 달성한다. 그 밖에도 리플이 낮은 Burst Mode® 동작, 소프트 스타트, 프로그램 가능한 전류 한계, 저전압 록아웃, 온도 보정, 낮은 정지 전류를 특징으로 한다. 이러한 다수의 기능들을 통합함으로써 배터리 사용 시스템에서부터 자동차, 산업용, 의료용, 텔레콤 전원장치, 절연형 보조/하우스키핑 전원장치 같은 다양한 애플리케이션으로 설계를 간소화하고, 부품 수를 줄이고, 높은 효율을 달성할 수 있다.
저자 약력
유첸 양(Yuchen Yang)은 아나로그디바이스(Analog Devices)의 선임 애플리케이션 엔지니어이다. 다양한 비절연형 및 절연형 컨버터를 비롯한 전원 제품 애플리케이션을 맡고 있다. 칭화 대학에서 전기공학 학사학위와 버지니아 공대에서 전기공학 석사학위 및 박사학위를 취득했다. 2018년에 아나로그디바이스에 입사했다. 궁금한 점은 yuchen-x.yang@analog.com으로 문의.
윌리엄 시옹(William Xiong)은 2017년에 캘리포니아 주립 공과대학교(샌 루이스 오비스포)를 졸업하면서 전기공학 학사학위를 취득했다. 2017년 7월에 아나로그디바이스에서 애플리케이션 엔지니어로 근무하기 시작했으며, 현재는 벅, 부스트, 플라이백 및 포워드 컨버터 같은 절연형 토폴로지를 맡고 있다. 궁금한 점은 william.xiong@analog.com으로 문의.
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