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2020.05.13 AC/DC

정리

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

지금까지 「AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법」을 테마로, 절연형 플라이백 컨버터의 기본에 대해 복습하고, 설계 순서, 사양 결정, 전원 IC 선택, 그리고 실제의 회로 설계와 기판 레이아웃에 대해 설명했습니다. 이제 마지막으로 최종 정리를 하겠습니다.

스위칭 전원 회로는 기본적으로 아날로그 회로이며, 그 설계 원칙에는 변함이 없습니다. 단, 스위칭이라는 대전류를 ON / OFF하는 동작 때문에 고조파 및 EMI 등을 고려하여 설계해야 합니다.

AC/DC 컨버터라는 점에서는, 수백V의 고전압을 취급하므로, 센서 회로 등과는 달리 고내압 부품을 필요로 하여, 절연 및 고내압 부품에 대한 지식이 필요합니다.

절연 전원의 관점에서는, 트랜스 설계가 필요합니다. 심플한 부품이지만, 사용 경험이 없으면 피하게 되는 부품이기도 합니다. 그러나, 전원 회로에 있어서는 매우 중요한 기본적 부품입니다.

부품 정수의 결정 시에는 계산식으로 정수를 구할 수 있는 것과, 경험을 바탕으로 대략적인 회로 조건으로부터 대략적인 수치를 결정하는 것이 있습니다. 마진의 설정 방법과 같이 경험을 바탕으로 결정하는 항목은 왕도가 없으므로 설계, 프로토타입 제작, 평가를 반복하여 학습하는 수밖에는 없습니다.
어쨌든, 아날로그 회로이므로 「대략적으로 이정도」와 같은 정수의 결정 방법이 많이 제시되고, 그 중에는 납득되지 않는 부분도 있을 것입니다. 그러나 반대로는, 정확히 그 정수가 아니면 동작하지 않는다는 것이 아니라고 말할 수 있습니다. 어느 정도의 허용치를 둔 조합을, 최적화하기 위해 튜닝한다는 이미지로 이해할 수 있을 것입니다. 즉 동일한 사양의 전원을 3명의 설계자가 설계할 경우, 예를 들어 플라이백과 같은 기본 구성은 동일하겠지만, 세밀한 부분은 각양각색입니다. 이것이 바로 아날로그 회로, 전원 회로 설계가 흥미로운 이유라고 할 수 있습니다.

하기에 본 테마에서 다룬 항목, 특히 「2. 설계 순서」부터는 항목별로 키 포인트를 정리하였습니다. 각 프로세스에서 반드시 기억해야 할 내용이므로, 참고하여 주십시오.

<AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법>

  1. 절연형 플라이백 컨버터의 기본
  2. 설계 순서

    키 포인트

    ・전원의 경우에는 설계 시작 시점에서 사양이 완전히 결정되지 않는 경우가 많지만, 가능한 사양을 최대한 결정한 후에 설계를 시작한다.

    ・실질적인 전원 설계에 있어서는 전원 IC가 담당하는 부분이 크므로, 사용하는 IC에 따라 회로 및 부품이 결정된다.

    ・양산 판단 시에는, 요구 사양에 대한 적합 / 부적합뿐만 아니라, 트레이드 오프에 따른 조정도 필요하다.

  3. 전원 사양 결정

    키 포인트

    ・설계 시작에 필요한 정보를 가능한 많이 수집하고, 변경이 있을 것이라는 전제 하에, 허용 폭과 마진을 가지고 설계에 임한다.

  4. 설계에 사용할 IC의 선택

    키 포인트

    ・전원 설계에 있어서는 사용하는 전원 IC에 따라 대체적인 회로나 부품이 결정되므로, 회로 예 등을 참고하여 전체적인 이미지를 이해할 수 있다.

  5. 절연형 플라이백 컨버터 회로 설계
    • 트랜스 설계 (수치 산출)

      키 포인트

      ・기본적으로 설계하는 회로에 적합한 트랜스 설계가 필요하다.

      ・트랜스 설계를 번거롭게 생각하는 엔지니어가 많지만, IC 메이커 및 트랜스 메이커의 서포트 체제를 이용하면 조금 더 편리하게 설계할 수 있다.

    • 트랜스 설계 (구조 설계) – 제1장
    • 트랜스 설계 (구조 설계) – 제2장

      키 포인트

      ・수치 산출에 이어, 구체적인 트랜스 구조의 설계를 진행한다.

      ・수치 산출과 더불어 대략적인 구조 설계가 끝나면, 트랜스 메이커 등의 협력을 통해 최종 제작을 촉진할 수 있다.

    • 주요 부품 선정 – MOSFET 관련 제1장

      키 포인트

      ・스위칭 트랜지스터 (MOSFET)는 주로 드레인 – 소스간 내압, 피크 전류, ON 저항으로 인한 손실, 패키지의 허용 손실을 고려하여 선정한다.

      ・탁상에서의 계산만으로는 적절한 선정이 어려우므로, 경험치나 실측치가 필요하다.

    • 주요 부품 선정 – MOSFET 관련 제2장

      키 포인트

      ・스위칭 트랜지스터 (MOSFET)의 동작을 제어하기 위한 회로는 전원 IC의 사양을 바탕으로 한다.

      ・전원 IC의 데이터 시트에는 회로, 정수의 결정 방법 등이 게재되어 있으므로 참고한다.

    • 주요 부품 선정 – CIN과 스너버

      키 포인트

      ・입력 콘덴서 CIN은 입력전원의 순단 및 스위칭으로 인해 발생하는 입력전류를 보완하므로 중요하다.

      ・스너버 회로는 입력에 발생하는 서지로부터 스위칭 트랜지스터를 보호하기 위해 기본적으로 필요하다.

    • 주요 부품 선정 – 출력 정류기와 Cout

      키 포인트

      ・기본적인 회로 동작은 다이오드 정류 방식 DC/DC 컨버터와 동일하다.

      ・출력 정류 다이오드는 손실이 작은 쇼트키 배리어 다이오드, 패스트 리커버리 다이오드를 사용한다.

      ・출력 콘덴서에 사용하는 전해 콘덴서에 있어서는, 리플 전류로 인한 수명 단축에 대해 충분히 검토한다.

    • 주요 부품 선정 – IC의 VCC 관련

      키 포인트

      ・전원 IC에는, 전원 IC 내부의 제어 회로용 저전압 DC 전원 (호칭 예 : VCC 등)이 필요하며, 일반적으로는 트랜스의 보조 권선 (호칭 : VCC 권선, 3차 권선 등)을 이용한다.

      ・전원을 생성하기 위해서는, 심플한 다이오드 정류가 이용되는 경우가 많다.

      ・전압은 IC의 사양에 따르며, 특히 AC/DC의 경우에는 고전압에서 변환되는 것이므로, 정격을 넘지 않도록 주의한다.

    • 주요 부품 선정 – IC의 설정, 기타

      키 포인트

      ・전원 IC를 사용하는 설계 시에는 기본 부품 (다이오드 브릿지, 트랜스 등) 이외에도 전원 IC의 기능 설정을 위해 필요한 부품이 있다.

      ・전원 IC를 위한 부품의 정수 등은 데이터 시트, 어플리케이션 노트, 설계 매뉴얼 등의 설명을 바탕으로 결정한다.

      ・이러한 부품은 보호회로의 차동 레벨이나 제한치 등의 설정용인 경우가 많으며, 주로 저항 및 콘덴서가 해당된다.

    • EMI 대책 및 출력 노이즈 대책

      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.

  6. 기판 레이아웃 예

    키 포인트

    ・스위칭 전원 설계에서는 기판 레이아웃이 전원 성능 및 EMC에 크게 영향을 미친다.

    ・기본적으로 대전류가 흐르는 라인은 두껍고 짧게, 루프는 작게 한다.

    ・제어 신호 라인은, 노이즈가 많은 라인과는 별도로 분리하고, 트랜스 바로 밑에도 배선해서는 안된다.

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