글: 프레데딕 도스탈(Frederik Dostal), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

그림 1은 통상적인 절연형 플라이백 컨버터 아키텍처를 나타낸다. 이러한 컨버터는 약 60W 이하의 전력 변환에 사용되는 것을 쉽게 볼 수 있다. 권선비를 조절할 수 있는 트랜스포머와 일차측 스위치를 이용함으로써 전원 전압을 출력 전압으로 변환할 수 있다. 출력 전압을 되도록 안정적으로 유지하기 위해, 출력 전압에 대한 정보는 피드백 경로를 통해 일차측 PWM 발생기로 전달된다. 출력 전압이 너무 높거나 낮으면 그에 따라서 PWM 발생기의 듀티 사이클을 조절한다.


 
그림 1: 옵토커플러 기반 피드백 경로를 사용하는 통상적인 플라이백 컨트롤러
 
이러한 피드백 경로는 비용이 추가되고, 보드 상에서 공간을 차지하며, 트랜스포머의 절연 전압과 함께 회로의 최대 절연 전압을 결정한다. 옵토커플러는 시간이 지날수록 노후화되어 특성이 달라지며 통상적으로 85°C 이상의 온도에서 동작하도록 설계되지 않는다.
 
옵토커플러 외에, 트랜스포머 보조 권선을 사용해서 출력 전압 상태에 관한 정보를 제공하는 방법도 있다. 여기에 따라서 출력 전압 레귤레이션을 할 수 있다. 하지만 이렇게 추가적인 트랜스포머 권선을 사용하면 트랜스포머가 비용이 비싸지며, 출력 전압 레귤레이션이 특별히 더 정확해지는 것은 아니다.
 
더 나은 방법으로서, 옵토커플러와 옵토커플러의 이차측 제어 모듈을 대체하는 디바이스를 사용할 수 있다. 그러한 디바이스로서 ADuM3190을 들 수 있는데, 이는 iCoupler^® 절연 기술을 통합함으로써 옵토커플러를 사용하지 않고 갈바닉 절연을 통해서 유도 결합 방식으로 피드백 신호를 전송할 수 있다.
 
또 다른 방법도 있다. 만약 디스크리트 피드백 경로를 완전히 없앨 수 있는 방법이 있다면 이는 솔루션을 극히 간소화할 수 있을 것이다. 그림 2는 디스크리트 피드백 경로를 없앤 플라이백 컨버터를 나타낸 것으로, 아나로그디바이스(Analog Devices) Power by Linear™ 그룹의 LT8300이다. 이 디바이스를 활용하면 이차측에서 일차측으로 반사된 전압을 측정해서 그에 따라서 PWM 발생기가 생성하는 듀티 사이클을 조정해야 하는지, 조정해야 한다면 어떻게 조정해야 하는지를 알 수 있다. 이 솔루션의 장점은, 옵토커플러나 그 밖에 다른 피드백 회로를 사용할 필요가 없다는 것이다. 따라서 비용과 공간을 절약할 수 있다. 또한 피드백 경로의 최대 절연 전압 때문에 제한을 받는 것을 피할 수 있다. 사용되는 트랜스포머가 특정 절연 전압에 대해 설계된 범위 내에서 최대 절연 전압으로 동작할 수 있다.
 
이 솔루션은 경계 모드(boundary mode) 레귤레이션 개념을 기반으로 한 것이다. 즉, 매 사이클마다 이차측 전류가 0 암페어로 떨어진다. 그런 다음, 출력 전압이 트랜스포머 일차 권선으로 반사되면 이를 측정하고, 그 값을 일차측 레귤레이션에 활용한다.
 


그림 2: 피드백 경로를 없애고 일차측 트랜스포머 권선을 통해 레귤레이션을 하는 플라이백 컨트롤러
 
디스크리트 피드백 경로를 없앤 이러한 방식의 회로 사용이 가능할지 여부는 해당 애플리케이션이 요구하는 출력 전압 레귤레이션 정확도에 따라서 결정될 것이다. 오차율 ±1% 이내의 정확도를 달성할 수 있으나, 애플리케이션에 따라서 편차가 있을 수 있다.
 
출력 전압은 다음과 같은 공식으로 계산할 수 있다:
 

 
Rfb는 그림 2에서 볼 수 있으며, Rfb를 사용해서 출력 전압을 조절할 수 있다. Nps는 사용된 트랜스포머의 권선비이고, Vf는 이차측 플라이백 다이오드에서의 전압 강하이다. 이는 대체로 온도에 많은 영향을 받는다. 출력 전압이 12V나 24V처럼 높은 값이면 Vf로 인한 영향은 낮아진다. 출력 전압이 3.3V 이하면, 출력 전압에 온도가 미치는 영향은 꽤 높아진다. 옵토커플러를 사용하지 않는 일부 제품은 온도 보정 기능을 포함함으로써 서로 다른 정류 다이오드 전압 강하를 서로 다른 온도에서 보정할 수 있다.
 
또한 레귤레이션을 적절히 유지하기 위해서는 출력에 최소한의 부하가 필요하다. LT8300의 경우에는 최대 부하의 약 0.5%이다.

 

맺음말

디스크리트 피드백 경로를 없애고 일차측 트랜스포머 권선을 통해서 제어하는 플라이백 컨트롤러를 사용하면 오차를 일으키기 쉬운 옵토커플러를 없앰으로써 설계를 단순화할 수 있다.

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공했다. 2001년부터 전력관리 분야에 종사해 왔으며, 미국 애리조나주 피닉스에서 4년간 근무하면서 SMPS를 비롯해 다양한 애플리케이션 직책을 거쳤다. 2009년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 현재는 ADI 독일 뮌헨 지사에서 전력관리 담당 FAE로 재직 중이다. 문의: frederik.dostal@analog.com