기술기고문
5V ~ 140V의 폭 넓은 입력에서 12V, 200mA 제공하는 바이어스 전원 공급장치
글: 빅터 카시에프(Victor Khasiev) 선임 애플리케이션 엔지니어(Senior Applications Engineer) /
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
오늘날의 자동차 및 산업용 시스템은 시스템 입력 전압이 최대 입력에서 최소 입력으로 극단적으로 변하는 경우에도 안정적인 전원을 필요로 한다. 자동차 시스템에서는 콜드 크랭킹 스타트업, 동적 연료 관리시스템의 실린더 활성화/비활성화 또는 엔진 부하의 상당한 변화로 인해 현저한 레일 전압 변동이 발생할 수 있다. 마찬가지로 산업용 애플리케이션에서 라인 브라운아웃은 문제가 되며, 고출력 장비에서 모터를 켜면 입력 전압이 심각하게 떨어질 수 있다.
전력 변환 시스템이 저전압 입력에서 부하에 전체 전력을 공급할 수 없는 경우에도 이들 시스템의 대부분은 입력 전압 레벨에 관계없이 작동 상태를 유지해야 한다. 예컨대 널리 사용되고 있는 고전압 부스트 및 벅 컨버터는 표준 게이트 레벨을 갖는 고전압 MOSFET을 사용한다. 입력 강하 시 게이트 드라이버가 계속 작동하려면 바이어스 전압이 10V 이상을 유지해야 한다. 중요한 디지털 제어 및 정보 시스템 역시 입력 조건과 관계 없이 바이어스되고 작동해야 한다.
이 글에서는 5V ~ 140V의 넓은 소스 전압 범위에 걸쳐 전기 시스템에서 바이어스 전압을 유지하는 솔루션에 대해 설명한다.
회로 설명과 기능
입력 전압이 필요한 바이어스 레벨 이하로 떨어질 가능성이 없고, 설계 목표가 외부 바이어스 전원 공급장치를 사용하여 스위칭 컨트롤러의 전력 소모를 최소화하는 것이라면, 단순한 벅 컨버터를 사용해도 된다.
그림 1은 그러한 사례를 나타낸다. 이 솔루션은 내부 스위칭 트랜지스터를 포함한 고전압 벅-컨트롤러 LTC7138을 중심으로 구성된다. 파워 구성은 인덕터 L1, 다이오드 D1, 출력 커패시터 C2 및 C3를 포함한다. 솔루션 프로파일을 3mm 미만으로 최소화하기 위해 입력에 세라믹 커패시터만 사용하였다. 또한 옵션인 극성 커패시터(예를 들면 비용 효율적인 22µF 200V, EMVE201 ARA220MKG5S)를 사용할 수도 있지만, 이 경우 바이어스 전원 공급장치의 높이가 많이 높아진다.
그림 1. 고전압, 벅 기반 바이어스 회로도. 여기서 VIN은 12.5V ~ 140V이고 VOUT은 0.2A에서 12V이다.
이 회로는 검증 및 테스트되었다. 그림 2에 제시된 파형은 회로의 기능을 보여준다. 초기 입력 전압 레벨 100V는 12V로 떨어지지만, 출력은 안정적인 12V 전압의 0.2A를 부하에 공급한다.
그림 2. 고전압, 벅 기반 바이어스 회로 파형. 여기서 VIN은 20V/div, VOUT은 5V/div이며, 타임 스케일은 50ms/div이다.
입력 전압이 필요한 바이어스 레벨보다 아래로 떨어지면 이 설계의 예상 성능은 상당히 달라진다. 이 경우, 입력 전압이 설정된 출력보다 아래로 떨어지면 출력 전압은 입력을 따르기 때문에 벅 컨버터를 사용하는 것만으로는 충분하지 않다. 그림 3은 듀얼 스테이지 바이어스 전원 공급장치를 사용하는 이 같은 문제에 대한 솔루션을 보여준다. 첫 번째 메인 스테이지는 그림 1과 유사한 고전압 스텝다운 컨버터이다. 출력은 부스트 컨버터에 연결되며, 전력 트랜지스터를 통합한 LT8330 컨버터 IC를 기반으로 한다. 파워 구성은 인덕터 L2, 다이오드 D2, 출력 필터를 포함한다. 부스트 컨버터 회로의 구성요소에 대한 전압 스트레스가 벅 프런트엔드보다 상당히 낮기 때문에 비교적 저렴한 부품을 사용할 수 있고 전체 비용을 절감할 수 있다.
그림 3. 고전압, 듀얼 스테이지 기반 회로도. 여기서 VIN은 5V ~ 140V이고 VOUT은 0.1A ~ 0.15A에서 10.5V이다.
이 회로에서 벅 컨버터의 출력은 12.5V로 설정된다. 그러나 부스트 컨버터의 출력은 더 낮은 전압인 10.5V로 설정되는데, 이는 부하가 적절히 기능하기에 충분한 전압 수준이다. 이들 컨버터는 동시에 동작하지 않는다. 만약 첫 번째 컨버터가 스위칭하면, 두 번째 컨버터는 스위칭하지 않는다.
정상 동작 조건(VIN > 12.5V)에서 입력 전압이 12.5V에서 100V로 달라지면 벅 컨버터만 작동하면서 부하에 12.5V를 공급한다. 전류는 부스트 컨버터의 인덕터와 다이오드를 통하여 부하 단자 VOUT로 흐른다. 전류 레벨이 비교적 낮기 때문에, 이 전류 경로에서의 손실은 최소화된다.
VIN이 12.5V 이상을 유지하는 한 부스트 컨버터의 출력 전압은 12.5V이고 10.5V의 사전 설정된 값을 충분히 초과하므로 부스트 섹션에서는 스위칭 동작이 발생하지 않으며 벅 컨버터만 동작한다.
입력 전압이 12.5V 또는 그 이하로 떨어지면 벅 컨버터는 스위칭을 멈추지만, 내부 P-채널 MOSFET은 ON 상태를 유지하므로 100% 듀티 사이클 동작이 가능하다.
입력 전압이 12.5V 아래로 떨어지면 두 전압 VRAIL(중간 레일)과 VOUT이 모두 VIN 레벨로 떨어진다. 중간 레일이 10.5V < VRAIL < 12.5V 범위에 있으면 컨버터의 벅과 부스트는 모두 스위칭하지 않는다.
입력 전압이 좀 더 떨어지고 VRAIL 레벨이 10.5V 아래로 떨어지면 부스트 컨버터가 작동을 시작하여 VOUT을 10.5V로 유지한다.
이 컨버터의 기능을 보여주는 파형이 그림 4에 나와 있다. 5.5V의 최소 입력 전압에서 부하 전류는 0.15A이다. 부하가 0.1A로 감소하면 최소 입력 전압이 5.0V가 되는 것을 알 수 있다(그림 5 참조). 입력 전압이 5V에서 100V로 상승하는 것은 그림 6에서 확인할 수 있다. 그림 7은 이 컨버터의 실제 모습이다.
그림 4. 고전압, 듀얼 스테이지 기반 바이어스 회로 파형. 부하 전류는 0.15A이고 시간 간격은 50ms/div이다.
그림 5. 고전압, 듀얼 스테이지 기반 바이어스 회로 파형. 부하 전류는 0.1A이고 시간 간격은 50ms/div이다.
그림 6. 입력 전압에 따라 파형이 상승한다. 부하 전류는 0.1A이고 시간 간격은 50ms/div이다.
그림 7. LTC7138 컨버터 브레드보드
컨버터 부품 선택을 위한 기본 고려사항
최대 입력 전압과 부하 전류는 부스트의 최소 동작 입력 전압과, 그에 따른 전체 전원 공급장치의 최소 입력 전압을 정의한다.
부스트 컨버터 듀티 사이클
부스트 컨버터 입력 전류
VO, IMAX, IO가 주어진 경우, 부스트 최소 전압은 다음과 같다.
그러나 VO, VINMIN 및 IMAX가 주어질 경우, 최대 출력 전류 IO는 다음과 같다.
맺음말
주전원 시스템은 넓은 입력 전압 범위에서 작동을 유지하는 것이 중요하다. 이 글에서는 이러한 목표를 달성하는 솔루션에 대해 살펴보았다. 이 글에서 소개한 회로는 입력 전압 강하 동안 최대 140V에서 최저 5V까지 입력 전압에서 안정적인 바이어스 레벨을 생성한다. 안정된 바이어스 레벨은 고전압 MOSFET과 제어 블록의 정상적인 기능을 보장한다. 이 글에서 제시한 고도로 통합된 컨버터를 사용하면 부품 수와 전체 비용을 줄일 수 있다. 애플리케이션에 따라 필요한 경우, 솔루션 높이는 최소화하도록 조정할 수 있다.
저자 소개
빅터 카시에프(Victor Khasiev)는 ADI의 선임 애플리케이션 엔지니어로서, AC-DC 및 DC-DC 변환용 전력 반도체와 관련해서 풍부한 경험을 쌓고 있다. 효율적인 PFC 솔루션과 향상된 게이트 드라이버와 관련해서 2개의 특허를 보유하고 있다. 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 양-대-음, 음-대-음, 플라이백, 포워드 컨버터, 양방향 백업 전원을 비롯해서 자동차와 산업용 애플리케이션에 ADI 반도체를 사용하는 것에 관한 여러 편의 글을 썼다. ADI 고객들을 지원하는 것을 보람으로 여기며, ADI 제품, 전원 회로 설계와 검증, PCB 레이아웃, 문제해결에 관한 질문에 답하고 최종 시스템 테스트에 참여하는 것을 기쁘게 생각한다. 문의: victor.khasiev@analog.com
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
머리말
오늘날의 자동차 및 산업용 시스템은 시스템 입력 전압이 최대 입력에서 최소 입력으로 극단적으로 변하는 경우에도 안정적인 전원을 필요로 한다. 자동차 시스템에서는 콜드 크랭킹 스타트업, 동적 연료 관리시스템의 실린더 활성화/비활성화 또는 엔진 부하의 상당한 변화로 인해 현저한 레일 전압 변동이 발생할 수 있다. 마찬가지로 산업용 애플리케이션에서 라인 브라운아웃은 문제가 되며, 고출력 장비에서 모터를 켜면 입력 전압이 심각하게 떨어질 수 있다.
전력 변환 시스템이 저전압 입력에서 부하에 전체 전력을 공급할 수 없는 경우에도 이들 시스템의 대부분은 입력 전압 레벨에 관계없이 작동 상태를 유지해야 한다. 예컨대 널리 사용되고 있는 고전압 부스트 및 벅 컨버터는 표준 게이트 레벨을 갖는 고전압 MOSFET을 사용한다. 입력 강하 시 게이트 드라이버가 계속 작동하려면 바이어스 전압이 10V 이상을 유지해야 한다. 중요한 디지털 제어 및 정보 시스템 역시 입력 조건과 관계 없이 바이어스되고 작동해야 한다.
이 글에서는 5V ~ 140V의 넓은 소스 전압 범위에 걸쳐 전기 시스템에서 바이어스 전압을 유지하는 솔루션에 대해 설명한다.
회로 설명과 기능
입력 전압이 필요한 바이어스 레벨 이하로 떨어질 가능성이 없고, 설계 목표가 외부 바이어스 전원 공급장치를 사용하여 스위칭 컨트롤러의 전력 소모를 최소화하는 것이라면, 단순한 벅 컨버터를 사용해도 된다.
그림 1은 그러한 사례를 나타낸다. 이 솔루션은 내부 스위칭 트랜지스터를 포함한 고전압 벅-컨트롤러 LTC7138을 중심으로 구성된다. 파워 구성은 인덕터 L1, 다이오드 D1, 출력 커패시터 C2 및 C3를 포함한다. 솔루션 프로파일을 3mm 미만으로 최소화하기 위해 입력에 세라믹 커패시터만 사용하였다. 또한 옵션인 극성 커패시터(예를 들면 비용 효율적인 22µF 200V, EMVE201 ARA220MKG5S)를 사용할 수도 있지만, 이 경우 바이어스 전원 공급장치의 높이가 많이 높아진다.
그림 1. 고전압, 벅 기반 바이어스 회로도. 여기서 VIN은 12.5V ~ 140V이고 VOUT은 0.2A에서 12V이다.
이 회로는 검증 및 테스트되었다. 그림 2에 제시된 파형은 회로의 기능을 보여준다. 초기 입력 전압 레벨 100V는 12V로 떨어지지만, 출력은 안정적인 12V 전압의 0.2A를 부하에 공급한다.
그림 2. 고전압, 벅 기반 바이어스 회로 파형. 여기서 VIN은 20V/div, VOUT은 5V/div이며, 타임 스케일은 50ms/div이다.
입력 전압이 필요한 바이어스 레벨보다 아래로 떨어지면 이 설계의 예상 성능은 상당히 달라진다. 이 경우, 입력 전압이 설정된 출력보다 아래로 떨어지면 출력 전압은 입력을 따르기 때문에 벅 컨버터를 사용하는 것만으로는 충분하지 않다. 그림 3은 듀얼 스테이지 바이어스 전원 공급장치를 사용하는 이 같은 문제에 대한 솔루션을 보여준다. 첫 번째 메인 스테이지는 그림 1과 유사한 고전압 스텝다운 컨버터이다. 출력은 부스트 컨버터에 연결되며, 전력 트랜지스터를 통합한 LT8330 컨버터 IC를 기반으로 한다. 파워 구성은 인덕터 L2, 다이오드 D2, 출력 필터를 포함한다. 부스트 컨버터 회로의 구성요소에 대한 전압 스트레스가 벅 프런트엔드보다 상당히 낮기 때문에 비교적 저렴한 부품을 사용할 수 있고 전체 비용을 절감할 수 있다.
그림 3. 고전압, 듀얼 스테이지 기반 회로도. 여기서 VIN은 5V ~ 140V이고 VOUT은 0.1A ~ 0.15A에서 10.5V이다.
이 회로에서 벅 컨버터의 출력은 12.5V로 설정된다. 그러나 부스트 컨버터의 출력은 더 낮은 전압인 10.5V로 설정되는데, 이는 부하가 적절히 기능하기에 충분한 전압 수준이다. 이들 컨버터는 동시에 동작하지 않는다. 만약 첫 번째 컨버터가 스위칭하면, 두 번째 컨버터는 스위칭하지 않는다.
정상 동작 조건(VIN > 12.5V)에서 입력 전압이 12.5V에서 100V로 달라지면 벅 컨버터만 작동하면서 부하에 12.5V를 공급한다. 전류는 부스트 컨버터의 인덕터와 다이오드를 통하여 부하 단자 VOUT로 흐른다. 전류 레벨이 비교적 낮기 때문에, 이 전류 경로에서의 손실은 최소화된다.
VIN이 12.5V 이상을 유지하는 한 부스트 컨버터의 출력 전압은 12.5V이고 10.5V의 사전 설정된 값을 충분히 초과하므로 부스트 섹션에서는 스위칭 동작이 발생하지 않으며 벅 컨버터만 동작한다.
입력 전압이 12.5V 또는 그 이하로 떨어지면 벅 컨버터는 스위칭을 멈추지만, 내부 P-채널 MOSFET은 ON 상태를 유지하므로 100% 듀티 사이클 동작이 가능하다.
입력 전압이 12.5V 아래로 떨어지면 두 전압 VRAIL(중간 레일)과 VOUT이 모두 VIN 레벨로 떨어진다. 중간 레일이 10.5V < VRAIL < 12.5V 범위에 있으면 컨버터의 벅과 부스트는 모두 스위칭하지 않는다.
입력 전압이 좀 더 떨어지고 VRAIL 레벨이 10.5V 아래로 떨어지면 부스트 컨버터가 작동을 시작하여 VOUT을 10.5V로 유지한다.
이 컨버터의 기능을 보여주는 파형이 그림 4에 나와 있다. 5.5V의 최소 입력 전압에서 부하 전류는 0.15A이다. 부하가 0.1A로 감소하면 최소 입력 전압이 5.0V가 되는 것을 알 수 있다(그림 5 참조). 입력 전압이 5V에서 100V로 상승하는 것은 그림 6에서 확인할 수 있다. 그림 7은 이 컨버터의 실제 모습이다.
그림 4. 고전압, 듀얼 스테이지 기반 바이어스 회로 파형. 부하 전류는 0.15A이고 시간 간격은 50ms/div이다.
그림 5. 고전압, 듀얼 스테이지 기반 바이어스 회로 파형. 부하 전류는 0.1A이고 시간 간격은 50ms/div이다.
그림 6. 입력 전압에 따라 파형이 상승한다. 부하 전류는 0.1A이고 시간 간격은 50ms/div이다.
그림 7. LTC7138 컨버터 브레드보드
컨버터 부품 선택을 위한 기본 고려사항
최대 입력 전압과 부하 전류는 부스트의 최소 동작 입력 전압과, 그에 따른 전체 전원 공급장치의 최소 입력 전압을 정의한다.
부스트 컨버터 듀티 사이클부스트 컨버터 입력 전류VO, IMAX, IO가 주어진 경우, 부스트 최소 전압은 다음과 같다.
그러나 VO, VINMIN 및 IMAX가 주어질 경우, 최대 출력 전류 IO는 다음과 같다.
맺음말
주전원 시스템은 넓은 입력 전압 범위에서 작동을 유지하는 것이 중요하다. 이 글에서는 이러한 목표를 달성하는 솔루션에 대해 살펴보았다. 이 글에서 소개한 회로는 입력 전압 강하 동안 최대 140V에서 최저 5V까지 입력 전압에서 안정적인 바이어스 레벨을 생성한다. 안정된 바이어스 레벨은 고전압 MOSFET과 제어 블록의 정상적인 기능을 보장한다. 이 글에서 제시한 고도로 통합된 컨버터를 사용하면 부품 수와 전체 비용을 줄일 수 있다. 애플리케이션에 따라 필요한 경우, 솔루션 높이는 최소화하도록 조정할 수 있다.
저자 소개
빅터 카시에프(Victor Khasiev)는 ADI의 선임 애플리케이션 엔지니어로서, AC-DC 및 DC-DC 변환용 전력 반도체와 관련해서 풍부한 경험을 쌓고 있다. 효율적인 PFC 솔루션과 향상된 게이트 드라이버와 관련해서 2개의 특허를 보유하고 있다. 스텝업, 스텝다운, SEPIC, 양-대-음, 음-대-음, 플라이백, 포워드 컨버터, 양방향 백업 전원을 비롯해서 자동차와 산업용 애플리케이션에 ADI 반도체를 사용하는 것에 관한 여러 편의 글을 썼다. ADI 고객들을 지원하는 것을 보람으로 여기며, ADI 제품, 전원 회로 설계와 검증, PCB 레이아웃, 문제해결에 관한 질문에 답하고 최종 시스템 테스트에 참여하는 것을 기쁘게 생각한다. 문의: victor.khasiev@analog.com
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