기술기고문
단일 IC로 30V ~ 400V 입력에서 절연 또는 비절연 ±12V 출력 생성
지준(조지) 치안 Zhijun (George) Qian, 수석 엔지니어(Senior Engineer)
윌리엄 시옹(William Xiong), 애플리케이션 엔지니어(Applications Engineer)
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
전기차, 대형 배터리 스토리지 스택, 홈 자동화, 산업용 및 통신 전력은 모두 고전압을 ±12V로 변환해야 하며, 이 경우 증폭기와 센서, 데이터 컨버터, 산업용 프로세스 컨트롤러에 전력을 공급하기 위해 듀얼 극성 레일이 필요하다. 이러한 모든 시스템에서 한 가지 과제는 –40°C ~ +125°C 온도 범위에서 동작할 수 있는 작고 효율적인 듀얼 극성 레귤레이터를 만드는 것이다. 이는 특히 자동차 및 기타 높은 주변 온도 애플리케이션에서 중요하다.
선형 레귤레이터는 잘 알려져 있으며 일반적으로 바이폴라 전원을 위한 우선적인 후보로 고려되지만, 주로 높은 스텝다운 비에서 갖는 열 소산 특성으로 인해 앞서 언급한 높은 입력 전압과 낮은 출력 전압 애플리케이션에는 적합하지 않다. 뿐만 아니라 듀얼 극성 솔루션은 최소 2개(포지티브 출력 선형 레귤레이터 1개, 네거티브 컨버터 1개)의 집적회로(IC)가 필요하다. 보다 바람직한 솔루션은 우수한 효율과 레귤레이션으로 비교적 높은 입력에서 2개 출력을 모두 생성하는 단일 스위칭 레귤레이터를 사용하는 것이다. 이를 통해 동시에 조밀한 공간 요건을 만족하고 비용을 낮출 수 있다.
이 글은 30V ~ 400V의 넓은 입력 전압 범위에서 ±12V 출력을 생성하는 두 가지 우아한 회로를 소개한다. 두 회로는 모두 단일 고전압 LT8315 컨버터를 사용하지만, 한 회로는 절연 플라이백 토폴로지이고, 다른 하나는 비절연 벅 토폴로지를 기반으로 한다. LT8315 자체는 고전압 모노리식 컨버터로 열 성능 강화된 20핀 TSSOP 패키지에 630V/300mA MOSFET, 제어 회로, 고전압 스타트업 회로를 통합하고 있다.
옵토커플러가 필요 없는 절연 듀얼 극성 플라이백 레귤레이터
플라이백 컨버터는 다중 출력 애플리케이션에 광범위하게 사용되어 갈바닉 절연을 제공하고 안전을 향상시키며 잡음 내성을 증가시킨다. 출력은 어느 쪽 출력이 접지되는가에 따라 포지티브 또는 네거티브가 될 수 있다. 전통적으로 출력 전압 레귤레이션은 옵토커플러를 사용하여 2차측 레퍼런스 회로에서 1차측으로 정보를 전송함으로써 이루어진다. 문제는 옵토커플러가 전파 지연, 노화, 이득 편차 등으로 상당한 복잡성을 추가하고 신뢰성을 떨어뜨린다는 것이다. 일반적으로 IC의 피드백 핀에 연결된 하나의 출력이 레귤레이션 루프를 지배하지만, 다른 출력은 트랜스포머 권선을 통해 느슨하게 제어되기 때문에 이러한 출력의 레귤레이션 성능은 좋지 못하다.
LT8315는 옵토커플러가 필요 없으며, 전원 트랜스포머의 3차 권선으로부터 반사된 절연 출력 전압을 샘플링 한다. 또한 2차 전류가 거의 영(0)일 때 출력 전압을 감지하므로 탁월한 부하 레귤레이션을 달성한다. 듀얼 출력 설계에서 이러한 고유한 감지 방식은 각각의 출력을 정밀하게 레귤레이트 할 수 있게 하므로, 두 출력이 모두 레귤레이션을 지배할 수 있다. 그 결과 통상 ±5% 부하 레귤레이션이 쉽게 달성된다.
그림 1에 보이는 LT8315 솔루션은 의사 공진 경계 전도 모드로 동작한다. 스위치 노드가 밸리로 링잉 할 때 MOSFET이 켜지기 때문에 1차 MOSFET은 최소 턴온 손실을 갖는다. 2차측에는 다이오드 역 복구 손실이 없다. 3kV의 강화된 절연 트랜스포머가 절연 장벽에 유일한 부품이므로 시스템 신뢰성을 향상시키고 엄격한 고전압 전원 절연 요구사항을 만족한다. 그림 2는 다양한 입력 전압에서 전체 부하 효율 곡선을 보여준다. 이 플라이백 컨버터는 입력이 70V이고, 두 부하 전류가 모두 50mA일 때 85.3% 피크 효율을 달성한다.
그림 1은 30V ~ 400V의 넓은 입력 범위를 갖는 플라이백 컨버터의 완전한 회로도를 보여준다. 컨버터는 ±12V를 출력하고, 5mA ~ 50mA의 부하 전류로 엄격한 레귤레이션을 유지한다. 이 플라이백 컨버터는 그림 2에서 보듯이 85.3% 피크 효율을 갖는다.
그림 1. 30V ~ 400V의 넓은 입력 범위를 갖는 완벽한 ±12V/50mA 절연 플라이백 컨버터
그림 2. 그림 1 플라이백 컨버터의 전체 부하 효율 대비 입력 전압
그림 3. 단일 LT8315 IC를 사용하는 비절연 듀얼 인덕터 벅 컨버터 회로도. 30V ~ 400V 입력으로부터 ±12V 출력 전압, 각각 30mA전류를 지원한다.
SLT8315의 고전압 입력 성능은 상용 인덕터를 사용함으로써 비절연 솔루션에 적용할 수 있다. 듀얼 인덕터를 통합한 벅 레귤레이터는 그림 3에서 보듯이 단 몇 개의 부품만 필요로 한다. 이 컨버터는 30V ~ 400V의 매우 넓은 범위의 입력을 수용하고 ±12V/30mA 출력을 생성한다. 이 회로는 30V 입력일 때 두 출력 모두에 대해 전체 부하에서 87%의 높은 효율을 달성할 수 있다.
이 토폴로지에서 LT8315의 GND 패드는 의도적으로 접지되지 않았으며 두 출력을 모두 구동하기 위해 공통 스위치 노드로서 연결되어 있다. PCB 레이아웃과 관련하여, 이 토폴로지에서는 GND 트레이스가 비교적 잡음이 많은 스위치 노드이므로 다른 부품에 미치는 전자기 간섭의 영향을 감소시킬 수 있도록 LT8315의 GND 패드 크기를 노출되는 패드 영역 내로 제한해야 한다. FB 핀에서 다이오드 D2와 2개의 1% 저항은 포지티브 출력 전압을 레귤레이트 하는 피드백 경로를 구성한다. D2는 MOSFET이 전도할 때마다 FB 핀의 방전을 방지하는 데 필요하다. 저항 전압 분배기는 D2와 D3의 순방향 전압이 같아 상쇄되므로 D2의 순방향 전압 강하를 고려할 필요가 없다. 따라서 피드백 네트워크는 포지티브 출력 전압을 추적하고 정밀하게 레귤레이트 한다.
네거티브 레일은 저전압 커플링 커패시터 CFLY, 2차 인덕터 L2, 캐치 다이오드 D4 및 네거티브 출력 커패시터 CO2를 구성한다. CO1-L1-CFLY-L2의 회로 루프를 위한 인덕터 볼트-초 균형에 따라 L1 및 L2를 가로지르는 평균 전압은 영(0)이므로 커플링 커패시터 CFLY의 전압은 포지티브 출력 전압과 같다. MOSFET의 온-타임 동안 CFLY는 L2를 충전하는 반면, D4는 MOSFET 오프-타임 동안 L2 방전에 경로를 제공한다. 네거티브 출력 전압은 일정하게 유지되면서 포지티브 출력 전압과 같은 CFLY의 전압에 기반해 간접적으로 레귤레이트 된다. 그림 4의 레귤레이션 곡선에서 보듯이 포지티브 부하가 풀 30mA에 있을 때 네거티브 전원은 다양한 입력 전압에서 3mA ~ 30mA의 부하 범위에 대해 ±5% 레귤레이션을 유지한다.
그림 4. 그림 3의 듀얼 인덕터 벅 컨버터에 대한 다양한 입력 전압에서 네거티브 12V 부하 레귤레이션 곡선
결론
지금까지 30V ~ 400V의 넓은 입력 범위를 위한 절연 및 비절연의 두 가지 듀얼 극성 컨버터 솔루션을 살펴보았다. LT8315는 고전압 MOSFET을 통합하고, 옵토커플러 피드백 루프가 필요 없을 뿐 아니라 고전압 스타트업 회로를 내장해 두 솔루션에 모두 사용된다. 그 밖의 특징으로는 낮은 리플 버스트 모드(Burst Mode®) 동작, 소프트 스타트, 프로그래밍 가능한 전류 제한, 저전압 록아웃, 온도 보상 및 낮은 무부하 전류 등이 있다. LT8315는 높은 수준의 통합으로 다양한 애플리케이션을 위한 고전압 입력 및 듀얼 극성 출력 회로 설계를 간소화한다.
글쓴이
지준(조지) 치안(Zhijun (George) Qian)은 아나로그디바이스의 수석 엔지니어이다. 다양한 비절연 및 절연 컨버터의 전력 제품 애플리케이션을 담당하고 있다. 중국 저장 대학에서 학사와 석사를, 미국 센트럴 플로리다 대학에서 박사 학위를 모두 전력 전자공학 전공으로 받았다. 2010년에 리니어테크놀로지(현 ADI)에 입사했다. 연락처: george.qian@analog.com
윌리엄 시옹(William Xiong)은 2017년에 미국 산 루이스 오비스포의 칼폴리 대학을 전기공학 학사학위를 받고 졸업했다. 2017년 7월 아나로그디바이스에서 애플리케이션 엔지니어로 경력을 시작했으며, 현재 플라이백 및 포워드 컨버터와 같은 벅, 부스트 및 절연 토폴로지를 담당하고 있다. 연락처: william.xiong@analog.com
윌리엄 시옹(William Xiong), 애플리케이션 엔지니어(Applications Engineer)
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
전기차, 대형 배터리 스토리지 스택, 홈 자동화, 산업용 및 통신 전력은 모두 고전압을 ±12V로 변환해야 하며, 이 경우 증폭기와 센서, 데이터 컨버터, 산업용 프로세스 컨트롤러에 전력을 공급하기 위해 듀얼 극성 레일이 필요하다. 이러한 모든 시스템에서 한 가지 과제는 –40°C ~ +125°C 온도 범위에서 동작할 수 있는 작고 효율적인 듀얼 극성 레귤레이터를 만드는 것이다. 이는 특히 자동차 및 기타 높은 주변 온도 애플리케이션에서 중요하다.
선형 레귤레이터는 잘 알려져 있으며 일반적으로 바이폴라 전원을 위한 우선적인 후보로 고려되지만, 주로 높은 스텝다운 비에서 갖는 열 소산 특성으로 인해 앞서 언급한 높은 입력 전압과 낮은 출력 전압 애플리케이션에는 적합하지 않다. 뿐만 아니라 듀얼 극성 솔루션은 최소 2개(포지티브 출력 선형 레귤레이터 1개, 네거티브 컨버터 1개)의 집적회로(IC)가 필요하다. 보다 바람직한 솔루션은 우수한 효율과 레귤레이션으로 비교적 높은 입력에서 2개 출력을 모두 생성하는 단일 스위칭 레귤레이터를 사용하는 것이다. 이를 통해 동시에 조밀한 공간 요건을 만족하고 비용을 낮출 수 있다.
이 글은 30V ~ 400V의 넓은 입력 전압 범위에서 ±12V 출력을 생성하는 두 가지 우아한 회로를 소개한다. 두 회로는 모두 단일 고전압 LT8315 컨버터를 사용하지만, 한 회로는 절연 플라이백 토폴로지이고, 다른 하나는 비절연 벅 토폴로지를 기반으로 한다. LT8315 자체는 고전압 모노리식 컨버터로 열 성능 강화된 20핀 TSSOP 패키지에 630V/300mA MOSFET, 제어 회로, 고전압 스타트업 회로를 통합하고 있다.
옵토커플러가 필요 없는 절연 듀얼 극성 플라이백 레귤레이터
플라이백 컨버터는 다중 출력 애플리케이션에 광범위하게 사용되어 갈바닉 절연을 제공하고 안전을 향상시키며 잡음 내성을 증가시킨다. 출력은 어느 쪽 출력이 접지되는가에 따라 포지티브 또는 네거티브가 될 수 있다. 전통적으로 출력 전압 레귤레이션은 옵토커플러를 사용하여 2차측 레퍼런스 회로에서 1차측으로 정보를 전송함으로써 이루어진다. 문제는 옵토커플러가 전파 지연, 노화, 이득 편차 등으로 상당한 복잡성을 추가하고 신뢰성을 떨어뜨린다는 것이다. 일반적으로 IC의 피드백 핀에 연결된 하나의 출력이 레귤레이션 루프를 지배하지만, 다른 출력은 트랜스포머 권선을 통해 느슨하게 제어되기 때문에 이러한 출력의 레귤레이션 성능은 좋지 못하다.
LT8315는 옵토커플러가 필요 없으며, 전원 트랜스포머의 3차 권선으로부터 반사된 절연 출력 전압을 샘플링 한다. 또한 2차 전류가 거의 영(0)일 때 출력 전압을 감지하므로 탁월한 부하 레귤레이션을 달성한다. 듀얼 출력 설계에서 이러한 고유한 감지 방식은 각각의 출력을 정밀하게 레귤레이트 할 수 있게 하므로, 두 출력이 모두 레귤레이션을 지배할 수 있다. 그 결과 통상 ±5% 부하 레귤레이션이 쉽게 달성된다.
그림 1에 보이는 LT8315 솔루션은 의사 공진 경계 전도 모드로 동작한다. 스위치 노드가 밸리로 링잉 할 때 MOSFET이 켜지기 때문에 1차 MOSFET은 최소 턴온 손실을 갖는다. 2차측에는 다이오드 역 복구 손실이 없다. 3kV의 강화된 절연 트랜스포머가 절연 장벽에 유일한 부품이므로 시스템 신뢰성을 향상시키고 엄격한 고전압 전원 절연 요구사항을 만족한다. 그림 2는 다양한 입력 전압에서 전체 부하 효율 곡선을 보여준다. 이 플라이백 컨버터는 입력이 70V이고, 두 부하 전류가 모두 50mA일 때 85.3% 피크 효율을 달성한다.
그림 1은 30V ~ 400V의 넓은 입력 범위를 갖는 플라이백 컨버터의 완전한 회로도를 보여준다. 컨버터는 ±12V를 출력하고, 5mA ~ 50mA의 부하 전류로 엄격한 레귤레이션을 유지한다. 이 플라이백 컨버터는 그림 2에서 보듯이 85.3% 피크 효율을 갖는다.
그림 1. 30V ~ 400V의 넓은 입력 범위를 갖는 완벽한 ±12V/50mA 절연 플라이백 컨버터
그림 2. 그림 1 플라이백 컨버터의 전체 부하 효율 대비 입력 전압
그림 3. 단일 LT8315 IC를 사용하는 비절연 듀얼 인덕터 벅 컨버터 회로도. 30V ~ 400V 입력으로부터 ±12V 출력 전압, 각각 30mA전류를 지원한다.
SLT8315의 고전압 입력 성능은 상용 인덕터를 사용함으로써 비절연 솔루션에 적용할 수 있다. 듀얼 인덕터를 통합한 벅 레귤레이터는 그림 3에서 보듯이 단 몇 개의 부품만 필요로 한다. 이 컨버터는 30V ~ 400V의 매우 넓은 범위의 입력을 수용하고 ±12V/30mA 출력을 생성한다. 이 회로는 30V 입력일 때 두 출력 모두에 대해 전체 부하에서 87%의 높은 효율을 달성할 수 있다.
이 토폴로지에서 LT8315의 GND 패드는 의도적으로 접지되지 않았으며 두 출력을 모두 구동하기 위해 공통 스위치 노드로서 연결되어 있다. PCB 레이아웃과 관련하여, 이 토폴로지에서는 GND 트레이스가 비교적 잡음이 많은 스위치 노드이므로 다른 부품에 미치는 전자기 간섭의 영향을 감소시킬 수 있도록 LT8315의 GND 패드 크기를 노출되는 패드 영역 내로 제한해야 한다. FB 핀에서 다이오드 D2와 2개의 1% 저항은 포지티브 출력 전압을 레귤레이트 하는 피드백 경로를 구성한다. D2는 MOSFET이 전도할 때마다 FB 핀의 방전을 방지하는 데 필요하다. 저항 전압 분배기는 D2와 D3의 순방향 전압이 같아 상쇄되므로 D2의 순방향 전압 강하를 고려할 필요가 없다. 따라서 피드백 네트워크는 포지티브 출력 전압을 추적하고 정밀하게 레귤레이트 한다.
네거티브 레일은 저전압 커플링 커패시터 CFLY, 2차 인덕터 L2, 캐치 다이오드 D4 및 네거티브 출력 커패시터 CO2를 구성한다. CO1-L1-CFLY-L2의 회로 루프를 위한 인덕터 볼트-초 균형에 따라 L1 및 L2를 가로지르는 평균 전압은 영(0)이므로 커플링 커패시터 CFLY의 전압은 포지티브 출력 전압과 같다. MOSFET의 온-타임 동안 CFLY는 L2를 충전하는 반면, D4는 MOSFET 오프-타임 동안 L2 방전에 경로를 제공한다. 네거티브 출력 전압은 일정하게 유지되면서 포지티브 출력 전압과 같은 CFLY의 전압에 기반해 간접적으로 레귤레이트 된다. 그림 4의 레귤레이션 곡선에서 보듯이 포지티브 부하가 풀 30mA에 있을 때 네거티브 전원은 다양한 입력 전압에서 3mA ~ 30mA의 부하 범위에 대해 ±5% 레귤레이션을 유지한다.
그림 4. 그림 3의 듀얼 인덕터 벅 컨버터에 대한 다양한 입력 전압에서 네거티브 12V 부하 레귤레이션 곡선
결론
지금까지 30V ~ 400V의 넓은 입력 범위를 위한 절연 및 비절연의 두 가지 듀얼 극성 컨버터 솔루션을 살펴보았다. LT8315는 고전압 MOSFET을 통합하고, 옵토커플러 피드백 루프가 필요 없을 뿐 아니라 고전압 스타트업 회로를 내장해 두 솔루션에 모두 사용된다. 그 밖의 특징으로는 낮은 리플 버스트 모드(Burst Mode®) 동작, 소프트 스타트, 프로그래밍 가능한 전류 제한, 저전압 록아웃, 온도 보상 및 낮은 무부하 전류 등이 있다. LT8315는 높은 수준의 통합으로 다양한 애플리케이션을 위한 고전압 입력 및 듀얼 극성 출력 회로 설계를 간소화한다.
글쓴이
지준(조지) 치안(Zhijun (George) Qian)은 아나로그디바이스의 수석 엔지니어이다. 다양한 비절연 및 절연 컨버터의 전력 제품 애플리케이션을 담당하고 있다. 중국 저장 대학에서 학사와 석사를, 미국 센트럴 플로리다 대학에서 박사 학위를 모두 전력 전자공학 전공으로 받았다. 2010년에 리니어테크놀로지(현 ADI)에 입사했다. 연락처: george.qian@analog.com
윌리엄 시옹(William Xiong)은 2017년에 미국 산 루이스 오비스포의 칼폴리 대학을 전기공학 학사학위를 받고 졸업했다. 2017년 7월 아나로그디바이스에서 애플리케이션 엔지니어로 경력을 시작했으며, 현재 플라이백 및 포워드 컨버터와 같은 벅, 부스트 및 절연 토폴로지를 담당하고 있다. 연락처: william.xiong@analog.com
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