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2019.12.11 AC/DC

설계 순서

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

절연형 플라이백 컨버터의 기본 내용을 확인했으니, 이제 설계의 순서에 대해 설명하겠습니다.

AC/DC 컨버터뿐만 아니라, 대부분의 설계는 이와 같은 순서로 진행합니다. 먼저, 요구 사양을 확인하고 그 사양을 실현하기 위한 부품을 선택합니다. 여기에서 「제어용 전원 IC 선택」이라고 게재한 이유는, 최근 전원 설계에서 대부분의 경우 전원용 IC를 이용하기 때문이며, 실질적으로 전원 IC를 선택하고 그 IC를 중심으로 설계를 진행하게 됩니다. 다음으로 IC가 필요로 하는 부품을 선정하고, 정수 등을 계산합니다. 도면이 완성되면 프로토타입을 제작하여 성능을 평가한 후, 양산, 출하의 순서를 거치게 됩니다.

1. 요구 사양 결정
먼저 요구 사양을 명확히 확인합니다. 원래 이 항목이 가장 먼저 해야 하는 가장 중요한 항목입니다. 그러나, 전원 사양은 「회로 전체의 사양이 정해지지 않으면, 결정할 수 없다」는 숙명 때문에, 전체의 설계 기간이 끝나는 시점에서 급하게 설계해야 하는 등 전원 설계자로서 어려움이 있습니다. 그렇지만, 임시로라도 정하지 않으면 설계 자체가 진행되지 않으므로, 임시 사양을 설정하여 설계를 시작하는 경우가 많을 것입니다.

1. 요구 사양 결정

  • 입출력 : 입력전압 범위, 출력 전압치와 정밀도
  • 부하 : 전류, 과도 유무 (Sleep / Wakeup 포함)
  • 온도 : 최대치 / 최소치, 냉각의 유무
  • 사이즈 : 실장 면적, 높이 (폼 팩터)
  • 필요 보호 기능 : 저전압, 과전압, 과열 등
  • 특이한 환경 / 사용 조건 : 자동차, 우주, 통신, RF 등
  • 비용

사양 결정에 필요한 주요 확인 항목에 대해 상기와 같이 정리하였습니다. 입력 조건을 예로 들면, 국가별 사용 전압이 다르므로, 글로벌 판매를 염두에 두고 있다면 더 넓은 전압 범위에 대응해야 합니다. 또한, 국가에 따라서는 전압이 불안정한 곳도 있으므로, 어느 정도의 마진을 고려할지 등, 사양에 따라 부품의 선택이 크게 달라집니다.

다른 항목에 대해서도, 요구 사양에 적합한 전원을 설계하기 위해 상세한 부분까지 고려해야 합니다.

2. 제어용 전원 IC 선택
두번째로는 제어용 전원 IC의 선택입니다. 1번 항목에서 확인한 요구 사양을 바탕으로 적합한 전원 방식, 트랜스 방식 / 스위칭 방식, 강압 / 승압, 플라이백 / 포워드, 그리고 AC/DC 컨버터에서는 중요한 검토 사항인 절연 / 비절연을 결정하여 제어 IC를 선택하게 됩니다. 즉, 제어 IC의 선택은 전원 방식을 결정하는 것입니다.

2. 제어용 전원 IC 선택

  • 방식 : 트랜스 방식, 스위칭 방식
  • 방식 : 강압, 승압, 승강압, 반전
  • 방식 : 리니어, 플라이백, 포워드 등
  • 절연 / 비절연

실질적인 전원 설계에 있어서는 전원 IC가 담당하는 부분이 크므로, 사용 IC에 따라 회로 및 부품이 결정됩니다. 즉, IC를 중심으로 설계한다고 할 수 있습니다.

3. 설계, 주변 부품 선정
IC와 전원 방식이 결정되면, IC의 어플리케이션 예 등을 참고로 하여 설계를 진행하게 됩니다. 트랜스 설계를 비롯하여, 주변 회로의 콘덴서 및 저항 등의 정수를 결정합니다.

3. 설계, 주변 부품 선정

  • 주요 변압 부품 : 트랜스, 브릿지, 다이오드, 콘덴서 등
  • IC가 필요로 하는 부품
  • 각 정수의 계산, 최적화
  • 트랜스 설계

설계 시에는 전기, 전자 지식뿐만 아니라, 부품 지식, 그리고 특히 경험이 필요합니다. 이러한 지식 및 경험을 바탕으로 설계를 진행하게 됩니다. 그러나, 설계 시에는, 어려운 문제에 직면하기도 합니다. 이러한 경우에는 부품 메이커의 서포트 체제를 이용하여, 신속하게 설계를 추진할 수 있습니다.

4~5. 프로토타입 제작, 평가, 양산, 출하
다음 순서로 도면을 완성하고 부품 리스트와 기판 레이아웃이 완성되면, 프로토타입 제작과 평가를 실시합니다.

4. 프로토타입 제작, 평가

  • 평가 보드 / 툴 이용
  • 프로토타입 기판 작성, 상정 조건에서의 동작, 성능 평가
  • 디버그, 최적화
  • 요구 사양에 대해 적합 / 부적합, 트레이드 오프의 판단

5. 양산 설계, 평가, 출하 검사

프로토타입에 있어서는, 우선 기본 동작 확인부터 시작합니다. 동작이 정상적인지 판단이 어려운 경우가 있을 것입니다. 이러한 경우에는, 설계 사양과 동일하지 않을 수도 있지만, IC 메이커에서 해당 IC의 평가 보드를 구비하고 있는 경우가 많으므로, 평가 보드를 이용하는 방법이 있습니다. 확실히 동작하는 평가 보드를 이용하여, 설계한 회로가 정상 동작하는지를 비교 검토할 수 있습니다.

그리고, 디버그 및 최적화가 끝나면, 양산을 위한 판단을 합니다. 이 때, 요구 사양을 완벽하게 만족하지 않는 경우가 있습니다. 이러한 경우, 설계에 있어 반드시 만족시켜야 하는 필수 항목이라면 재설계를 진행하거나, 트레이드 오프 즉 타협점을 설정하여 전원 전체로서의 목표를 달성할 수 있도록 검토해야 합니다.

대체적으로는 이와 같은 순서로 설계를 진행하면 됩니다.

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.

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