기술기고문
유니폴라 음극 전원에 효율적으로 양극 레일을 추가하는 방법
글: 빅터 카시예프(Victor Khasiev) 선임 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices Inc.)
머리말
양극 전원 공급장치가 필요한데, 사용 가능한 대부분의 레일(또는 유일하게 사용가능한 레일)이 음극일 때가 있다. 실제로 음전압-양전압 변환은 자동차 전자장치와 다양한 오디오 증폭기, 산업 및 테스트 장비용 바이어싱 회로에 사용된다. 이러한 많은 시스템들에는 음극 레일(접지에 대한)을 통해 전력이 분배되기는 하지만 이들 시스템에 있는 로직 보드, ADC, DAC, 센서 및 이와 유사한 디바이스에는 여전히 한 개 이상의 양극 레일이 필요하다. 이 글에서는 음극 레일에서 양전압을 생성하기 위한 간단하고 적은 부품 수의 효율적인 회로를 소개한다.
회로 설명과 파워트레인 기능
그림 1은 음전압을 양전압으로 효율적으로 변환하는 완벽한 솔루션을 보여준다. 이 특별한 솔루션은 부스트 토폴로지를 사용한다. 이 파워트레인은 스위칭 MOSFET, 하단 Q1, 상단 Q2, 인덕터 L1 및 입력/출력 필터를 포함한다. 동기식 고효율 부스트 컨트롤러 IC는 파워트레인의 스위칭 MOSFET 상태를 변화시켜 출력 전압을 조절한다. 이 회로를 설명하면, 시스템 접지(SYS_GND)는 극성에 대한 레퍼런스 역할을 하며, 따라서 SYS_GND에 대한 음극 입력 레일(–VIN) 및 SYS_GND에 대한 양극 출력 레일(+VOUT)이 사용된다.
컨버터는 다음과 같이 동작한다. 트랜지스터 Q1이 켜지면, 전류가 SYS_GND에서 음극 레일로 흐른다. 트랜지스터 Q2가 꺼지고 인덕터 L1이 자기장에 에너지를 저장한다. 스위칭 사이클을 완료하기 위해 Q1은 꺼지고 Q2가 켜지며, 전류가 SYS_GND에서 +VOUT 레일로 흐르기 시작하여 L1 에너지를 부하로 방전한다.
그림 1. 음전압-양전압 컨버터 회로도. VIN은 –6V ~ –18V(–24Vpeak)이고 VOUT은 6A, +12V이다.
파워트레인 소자 선택을 위한 기본 식
스위칭 동작에 대한 그림 2의 토폴로지 다이어그램은 음전압-양전압 컨버터 동작을 보여준다. 스위칭 사이클의 첫 번째 간격에는 듀티 사이클에 의해 정의된 시간 동안 하단 스위치 BSW가 단락되고, 상단 스위치 TSW가 개방된다. 인덕터 L을 가로지르는 전압은 –VIN과 같다. 이 간격 동안 인덕터 L의 전류가 증가하면서 인덕터를 가로지르는 –VIN과 일치하는 전압 극성을 발생시킨다. 동시에 출력 필터 커패시터가 방전되면서 시스템 부하에 전류를 공급한다.
그림 2. 음전압-양전압 컨버터 토폴로지 다이어그램
사이클의 두 번째 간격에서 두 스위치는 반대가 된다. BSW는 개방되고 TSW가 단락된다. 인덕터 L을 가로지르는 극성이 바뀌고, 인덕터는 사이클의 첫 번째 간격에서 저장된 전류를 부하와 출력 필터 커패시터 COUT에 모두 소싱하기 시작한다. 인덕터는 사이클의 이 부분에서 해당하는 만큼 전류가 감소한다. 인덕터의 전압-초 균형은 연속 전도 모드(CCM)에서 컨버터의 듀티 사이클 D를 정의한다.
타이밍 및 소자 응력 계산
파워트레인 소자의 타이밍과 응력을 설명하는 공식은 다음과 같다.
듀티 사이클은 스위치의 온/오프 시간을 결정한다.
IOUT의 평균 값은 입력 전류이다.
인덕터 전류의 피크 값:
스위칭 MOSFET에 대한 전압 응력:
하단 MOSFET을 통과하는 평균 전류:
상단 MOSFET을 통과하는 평균 전류:
이들 식은 토폴로지의 기능을 전반적으로 이해하고 파워트레인 소자를 예비 선택하는 데 유용하다. 최종 선택과 상세 설계를 위해서는 LTspice® 모델링 및 시뮬레이션을 사용한다.
컨버터 제어 설명과 기능
출력 전압의 감지와 제어 전압의 레벨 시프팅은 PNP 트랜지스터 Q3 및 Q4에 기반한 전류 미러에 의해 관리된다. 피드백 전류 IFB(이 회로에서 1mA)는 피드백 루프의 저항 값을 결정한다.
여기서 VC는 오차 증폭기의 레퍼런스 전압이다.
여기서 RFB(T)는 출력 전압 감지 저항이다.
그림 1에 보이는 피드백 회로는 저가의 솔루션이지만, 디스크리트 트랜지스터의 허용오차는 베이스 이미터 전압과 온도 변화의 차에 의해 영향을 받을 수 있다. 정확도를 높이기 위해 정합된 페어 트랜지스터를 사용할 수 있다.
컨버터 파워트레인의 제어는 LTC7804 부스트 컨트롤러가 수행한다. 이 칩을 선택한 이유는 동기식 정류에 의한 높은 효율, 손쉬운 구현, 높은 스위칭 주파수 동작(소형 인덕터 크기를 원하는 경우), 그리고 낮은 무부하 전류 특성 때문이다.
테스트 결과와 토폴로지 제한
이 솔루션은 정밀하게 테스트되고 검증되었다. 그림 3은 폭 넓은 부하 전류 범위에서 96%에 달하는 높은 효율 수준을 유지하는 것을 보여준다. 입력 전압의 절대값이 감소하면 입력 및 인덕터 전류가 증가하는 것에 주의한다. 특정 지점에서 인덕터 전류는 인덕터의 최대값 또는 포화 전류를 초과할 수 있다. 이 효과를 보여주는 디레이팅 곡선은 그림 4에 나와 있다. 최대 부하 전류는 –9V ~ –18V 범위에서 6A이며, 절대값이 –9V 미만인 입력 전압의 경우 이 아래로 떨어진다. 그림 6의 솔루션 보드에 대한 열 성능은 그림 5에서 볼 수 있다.
그림 3. 자연 대류 냉각일 때 VIN –12V 및 –18V에 대한 효율 곡선
그림 4. –9V 미만 절대값 입력 전압에 대한 출력 전류 디레이팅 곡선
그림 5. 컨버터의 열화상 이미지. VIN –12V 및 VOUT 6A에서 +12V, 자연 대류 냉각을 사용하고 공기 흐름 없음.
그림 6. 컨버터 사진
맺음말
지금까지 부스트 컨트롤러를 사용하여 유니폴라 음극 전원 공급장치에 양극 레일을 추가하는 매우 효율적이고 비교적 단순한 설계를 구현하는 완벽한 솔루션을 살펴보았다. 또한 타이밍, 전력 변환 소자, 전계 응력에 대한 회로도와 계산법을 알아보았다. 테스트 데이터는 높은 효율과 우수한 열 성능을 보여준다. 뿐만 아니라 이 솔루션에 사용되는 부스트 토폴로지는 설계자에게 사전 검증된 부스트 컨트롤러를 사용할 수 있는 옵션을 제공하므로 개발 시간과 비용을 절감해 준다. 반대로 음전압-양전압 컨버터를 위한 부스트 컨트롤러의 검증은 향후 부스트 애플리케이션을 위한 사전 검증을 제공할 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, 전원 공급장치 회로 설계 및 검증, PCB 레이아웃, 문제 해결 및 최종 시스템 테스트에 참여하고 있다. 문의: victor.khasiev@analog.com
머리말
양극 전원 공급장치가 필요한데, 사용 가능한 대부분의 레일(또는 유일하게 사용가능한 레일)이 음극일 때가 있다. 실제로 음전압-양전압 변환은 자동차 전자장치와 다양한 오디오 증폭기, 산업 및 테스트 장비용 바이어싱 회로에 사용된다. 이러한 많은 시스템들에는 음극 레일(접지에 대한)을 통해 전력이 분배되기는 하지만 이들 시스템에 있는 로직 보드, ADC, DAC, 센서 및 이와 유사한 디바이스에는 여전히 한 개 이상의 양극 레일이 필요하다. 이 글에서는 음극 레일에서 양전압을 생성하기 위한 간단하고 적은 부품 수의 효율적인 회로를 소개한다.
회로 설명과 파워트레인 기능
그림 1은 음전압을 양전압으로 효율적으로 변환하는 완벽한 솔루션을 보여준다. 이 특별한 솔루션은 부스트 토폴로지를 사용한다. 이 파워트레인은 스위칭 MOSFET, 하단 Q1, 상단 Q2, 인덕터 L1 및 입력/출력 필터를 포함한다. 동기식 고효율 부스트 컨트롤러 IC는 파워트레인의 스위칭 MOSFET 상태를 변화시켜 출력 전압을 조절한다. 이 회로를 설명하면, 시스템 접지(SYS_GND)는 극성에 대한 레퍼런스 역할을 하며, 따라서 SYS_GND에 대한 음극 입력 레일(–VIN) 및 SYS_GND에 대한 양극 출력 레일(+VOUT)이 사용된다.
컨버터는 다음과 같이 동작한다. 트랜지스터 Q1이 켜지면, 전류가 SYS_GND에서 음극 레일로 흐른다. 트랜지스터 Q2가 꺼지고 인덕터 L1이 자기장에 에너지를 저장한다. 스위칭 사이클을 완료하기 위해 Q1은 꺼지고 Q2가 켜지며, 전류가 SYS_GND에서 +VOUT 레일로 흐르기 시작하여 L1 에너지를 부하로 방전한다.
그림 1. 음전압-양전압 컨버터 회로도. VIN은 –6V ~ –18V(–24Vpeak)이고 VOUT은 6A, +12V이다.
파워트레인 소자 선택을 위한 기본 식
스위칭 동작에 대한 그림 2의 토폴로지 다이어그램은 음전압-양전압 컨버터 동작을 보여준다. 스위칭 사이클의 첫 번째 간격에는 듀티 사이클에 의해 정의된 시간 동안 하단 스위치 BSW가 단락되고, 상단 스위치 TSW가 개방된다. 인덕터 L을 가로지르는 전압은 –VIN과 같다. 이 간격 동안 인덕터 L의 전류가 증가하면서 인덕터를 가로지르는 –VIN과 일치하는 전압 극성을 발생시킨다. 동시에 출력 필터 커패시터가 방전되면서 시스템 부하에 전류를 공급한다.
그림 2. 음전압-양전압 컨버터 토폴로지 다이어그램
사이클의 두 번째 간격에서 두 스위치는 반대가 된다. BSW는 개방되고 TSW가 단락된다. 인덕터 L을 가로지르는 극성이 바뀌고, 인덕터는 사이클의 첫 번째 간격에서 저장된 전류를 부하와 출력 필터 커패시터 COUT에 모두 소싱하기 시작한다. 인덕터는 사이클의 이 부분에서 해당하는 만큼 전류가 감소한다. 인덕터의 전압-초 균형은 연속 전도 모드(CCM)에서 컨버터의 듀티 사이클 D를 정의한다.
타이밍 및 소자 응력 계산
파워트레인 소자의 타이밍과 응력을 설명하는 공식은 다음과 같다.
듀티 사이클은 스위치의 온/오프 시간을 결정한다.
IOUT의 평균 값은 입력 전류이다.
인덕터 전류의 피크 값:
스위칭 MOSFET에 대한 전압 응력:
하단 MOSFET을 통과하는 평균 전류:
상단 MOSFET을 통과하는 평균 전류:
이들 식은 토폴로지의 기능을 전반적으로 이해하고 파워트레인 소자를 예비 선택하는 데 유용하다. 최종 선택과 상세 설계를 위해서는 LTspice® 모델링 및 시뮬레이션을 사용한다.
컨버터 제어 설명과 기능
출력 전압의 감지와 제어 전압의 레벨 시프팅은 PNP 트랜지스터 Q3 및 Q4에 기반한 전류 미러에 의해 관리된다. 피드백 전류 IFB(이 회로에서 1mA)는 피드백 루프의 저항 값을 결정한다.
여기서 VC는 오차 증폭기의 레퍼런스 전압이다.
여기서 RFB(T)는 출력 전압 감지 저항이다.
그림 1에 보이는 피드백 회로는 저가의 솔루션이지만, 디스크리트 트랜지스터의 허용오차는 베이스 이미터 전압과 온도 변화의 차에 의해 영향을 받을 수 있다. 정확도를 높이기 위해 정합된 페어 트랜지스터를 사용할 수 있다.
컨버터 파워트레인의 제어는 LTC7804 부스트 컨트롤러가 수행한다. 이 칩을 선택한 이유는 동기식 정류에 의한 높은 효율, 손쉬운 구현, 높은 스위칭 주파수 동작(소형 인덕터 크기를 원하는 경우), 그리고 낮은 무부하 전류 특성 때문이다.
테스트 결과와 토폴로지 제한
이 솔루션은 정밀하게 테스트되고 검증되었다. 그림 3은 폭 넓은 부하 전류 범위에서 96%에 달하는 높은 효율 수준을 유지하는 것을 보여준다. 입력 전압의 절대값이 감소하면 입력 및 인덕터 전류가 증가하는 것에 주의한다. 특정 지점에서 인덕터 전류는 인덕터의 최대값 또는 포화 전류를 초과할 수 있다. 이 효과를 보여주는 디레이팅 곡선은 그림 4에 나와 있다. 최대 부하 전류는 –9V ~ –18V 범위에서 6A이며, 절대값이 –9V 미만인 입력 전압의 경우 이 아래로 떨어진다. 그림 6의 솔루션 보드에 대한 열 성능은 그림 5에서 볼 수 있다.
그림 3. 자연 대류 냉각일 때 VIN –12V 및 –18V에 대한 효율 곡선
그림 4. –9V 미만 절대값 입력 전압에 대한 출력 전류 디레이팅 곡선
그림 5. 컨버터의 열화상 이미지. VIN –12V 및 VOUT 6A에서 +12V, 자연 대류 냉각을 사용하고 공기 흐름 없음.
그림 6. 컨버터 사진
맺음말
지금까지 부스트 컨트롤러를 사용하여 유니폴라 음극 전원 공급장치에 양극 레일을 추가하는 매우 효율적이고 비교적 단순한 설계를 구현하는 완벽한 솔루션을 살펴보았다. 또한 타이밍, 전력 변환 소자, 전계 응력에 대한 회로도와 계산법을 알아보았다. 테스트 데이터는 높은 효율과 우수한 열 성능을 보여준다. 뿐만 아니라 이 솔루션에 사용되는 부스트 토폴로지는 설계자에게 사전 검증된 부스트 컨트롤러를 사용할 수 있는 옵션을 제공하므로 개발 시간과 비용을 절감해 준다. 반대로 음전압-양전압 컨버터를 위한 부스트 컨트롤러의 검증은 향후 부스트 애플리케이션을 위한 사전 검증을 제공할 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, 전원 공급장치 회로 설계 및 검증, PCB 레이아웃, 문제 해결 및 최종 시스템 테스트에 참여하고 있다. 문의: victor.khasiev@analog.com
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