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2020.05.13 AC/DC

절연형 플라이백 컨버터 회로 설계 : EMI 대책 및 출력 노이즈 대책

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

이번에는 회로 상에서의 노이즈 대책에 대해 설명하겠습니다. 스위칭 전원 설계 시에는 노이즈의 평가와 대책이 필수적으로 필요합니다.

먼저 노이즈에 관련된 용어를 간단히 복습하겠습니다.

・EMI (Electro Magnetic Interference) : 전자 방해 (전자 간섭, 전자 장해)
 전파 및 고주파가 노이즈로서 전자기기 등에 영향을 미치는 현상. 또는 영향을 미치는 전자파.
 -전도 노이즈 : 케이블 및 기판 배선을 경유하여 전달되는 노이즈

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차동 (differential) 모드 노이즈 (노멀 모드 노이즈) : 전원 라인 사이에서 발생하여 전류와 동일한 방향으로 흐르는 노이즈

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공통 모드 노이즈 : 금속 케이스 등을 경유하여 부유 용량 등을 통해 신호원으로 되돌아오는 노이즈

 -방사 노이즈 : 공기중으로 방출되는 노이즈

・EMS (Electro Magnetic Susceptibility) : 전자 감수성
 전자파로 인한 방해, 간섭 (EMI : 전도 노이즈 및 방사 노이즈)을 받아도 장해를 일으키지 않는 능력, 내성.

・EMC (Electro Magnetic Compatibility) : 전자 양립성 (전자 적합성)
 EMI+EMS. 에미션 (Emission : 방출) 대책과 이뮤니티 (Immunity : 내성)의 양립, 그 대책.

EMI에는, 경로의 관점에서 전도 노이즈와 방사 노이즈가 있으며, 전도 노이즈는 전달 방식에 따라 차동 모드 노이즈와 공통 모드 노이즈로 분류됩니다. 필요 최저한으로 알아 두어야 하는 내용이므로 참고하여 주십시오.

EMI 대책

이러한 스위칭 전원 회로의 EMI가 다른 회로에 영향을 미치는 경우, EMI 대책을 실시해야 합니다. 큰 전류가 스위칭되는 노드 및 라인에는, 기본적으로 임피던스의 정합 (整合 / matching) 및 바이패스 / 필터의 역할을 하는 콘덴서나 저항 / 콘덴서 회로를 추가합니다.

1) C12, R17 : 출력 정류 다이오드에 RC 스너버 추가
입력 스너버와 마찬가지로, ON / OFF 시에 발생하는 스파이크를 저감합니다. 입력 스너버에 대해서는 「주요 부품 선정 – CIN과 스너버」 편을 참조하여 주십시오. C12는 500V 1000pF, R17은 10Ω 1W 정도를 선택합니다.

2) C10 : 1차측과 2차측 사이에 Y-콘덴서 추가
Y-콘덴서 (Y-캐패시터)라고 불리우는 콘덴서를 1차측과 2차측의 그라운드 사이에 추가합니다. 이는 절연 트랜스의 권선간 용량을 통해 1차측의 스위칭 노이즈가 2차측에 발생시키는 공통 모드 노이즈를 저감시키기 위한 대표적인 방법 중 하나입니다. Y-콘덴서의 전압 정격은 트랜스의 절연 내압과 동등해야 합니다. 용량은 2200pF 정도를 선택합니다.

3) C11 : MOSFET Q1의 드레인 – 소스 사이에 콘덴서 추가
고속 스위칭으로 기인하는 OFF 시의 서지를 저감하기 위해, MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 콘덴서를 추가하는 방법이 있습니다. 이것도 스너버의 일종입니다. 단, 손실이 증가하므로 온도 상승에 주의할 필요가 있습니다. 여기에서는 1kV 내압의 10~100pF의 콘덴서를 사용합니다.

상기의 부품 정수는 시작 단계에서의 참고치이므로, 노이즈의 영향을 확인하여 조정해야 합니다.

출력 노이즈 대책

스위칭 전원의 출력전압에는 스위칭 주파수에 의존하는 리플이 존재하며, 그 이외에도 고조파나 인덕턴스, 용량으로 인한 노이즈가 존재합니다. 이러한 노이즈가 문제시되는 경우에는 출력에 LC 필터를 추가하는 방법이 효과적입니다.

인덕터 L은 10μH, C10은 10μF~100μF 정도를 기준으로, 노이즈를 관찰하여 조정합니다.

지금까지 설명한 내용이 주요 노이즈 대책이라고 할 수 있습니다. 어떤 방법을 사용하더라도 기본적으로는 노이즈를 측정하거나, 기기에 대한 노이즈의 영향을 확인해야 합니다. 확실한 노이즈의 측정을 위해서는 적절한 측정 환경 및 장치가 필요합니다. 이러한 정량적인 측정이 불가능한 경우에는, 기기로서의 S/N 비 등을 참고하여, 성능 면에서 영향의 유무 정도는 파악할 수 있습니다.

본 편에서 제시한 대책은, 전원 회로 구성에 있어서의 노이즈 대책입니다. 노이즈의 발생은 기판 레이아웃, 부품 배치, 부품 성능 등과도 관계가 있습니다. 경우에 따라서는, LC 필터를 간단한 L형에서 π형 및 T형으로 확장하거나 회로 기판에 실드를 배치해야 하는 경우도 있습니다.

또한, 기기의 사양에 따라서는, 국제 무선장해 특별 위원회 (CISPR) 규격과 같은 노이즈 규격을 만족해야 합니다. 규격 준거가 필요한 경우에는 설계 초기부터 염두에 두고 설계를 진행하는 것이 매우 중요합니다.

 

본 편을 마지막으로 「절연형 플라이백 컨버터 회로 설계」에 대한 설명을 마치겠습니다. 다음 편에서는 「기판 레이아웃 예」에 대해 설명하겠습니다.

키 포인트

・스위칭 전원은 잠재적으로 EMI의 원인이 되며, 전도 노이즈 및 방사 노이즈 모두에 대한 대책이 필요하다.

・EMC의 관점에서는, 주로 에미션 (노이즈 방출)에 대한 대책이 해당된다.

・대책의 기본은 노이즈 필터의 설치이지만, 기판 레이아웃이나 기본 부품에도 관계가 있다.

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