전원 설계 기술 정보 사이트

기술 자료 다운로드

2019.12.11 AC/DC

전원 사양 결정

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

설계 순서」 편에서 설명한 바와 같이, 설계를 시작하기 위해서는 전원으로서 어떤 성능과 특성을 구비해야 하는지, 전원의 사양이 결정되어야 합니다.

실제로 전원의 사양은 전원 설계자가 마음대로 정할 수 있는 것이 아닙니다. 사용하는 입력 전원 및 공급되는 부하가 요구하는 전압 정밀도 및 전류 등을 비롯하여, 효율 및 동작온도 범위 등 많은 확인 사항이 있으며, 이러한 확인 사항은 시스템 전체의 사양 및 급전하는 기판의 사양에 따라 결정됩니다.

그러나, 현실적으로 이러한 사양은 설계 시작 시점에서 명확히 결정되지 않습니다. 이는 전력을 공급받는 측도 어느 정도 설계를 진행하지 않으면 알 수 없는 부분이 많기 때문입니다.

그렇다고 해서, 모든 부분이 명확하게 결정될 때까지 기다린다면, 설계에 할당되는 기간은 아마도 설계 종료 단계가 될 것이고, 전원 설계를 위해 사용할 수 있는 시간도 매우 짧을 것입니다. 따라서, 적당한 타이밍에 대략적인 정보를 바탕으로, 변경이 있을 것이라는 전제하에 허용 폭과 마진을 가지고 설계를 시작해야 합니다.

설계를 시작함에 있어서, 본래 결정해야 하는 사항과 우선 설계를 시작하기 위해 최소한으로 결정해두어야 하는 사양을 하기와 같이 정리하였습니다.

결정해야 하는 전원 사양

  • 입출력 : 입력전압 범위, 출력 전압치와 정밀도
  • 부하 : 전류, 과도 유무 (Sleep / Wakeup 포함)
  • 효율 : 대기전력
  • 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
  • 취득이 필요한 인증 및 규격
  • 비용

그럼, 「최소한으로 결정해 두어야 하는 전원 사양」에 대해 구체적으로 설명하겠습니다.

・입력전압 범위
AC/DC 컨버터이므로 당연히 입력은 AC 전원입니다. 다행히 주거 공간이나 오피스용 AC 전원은 공칭전압이 제시되어 있습니다. 국가에 따라 사용 전압이 다르므로, 전 세계에서 사용되는 100VAC~240VAC의 범위를 고려해야 합니다. 또한, 공칭치이므로 허용차를 고려하면, 최저 -15%인 85VAC, 최고 +10%인 264V의 범위를 상정하는 경우가 많습니다. 국가에 따라서는 전원 사정이 매우 열악한 경우가 있으므로, 허용차 설정 시에는 경험이나 실정의 파악이 필요합니다. 이와 같이, 설계하는 전원을 탑재하는 기기의 소비처에 따라 입력전압 범위가 정해진다고도 할 수 있습니다.

전 세계 주거용 주요 전원전압 (공칭치)
한국 : 220VAC
일본 : 100VAC
미국 : 120VAC
캐나다 : 120VAC / 240VAC
영국 : 230VAC / 240VAC
러시아 : 127VAC / 220VAC
중국 : 110VAC / 220VAC

・출력전압 / 정밀도 / 전류
AC/DC 컨버터의 출력전압은 시스템 및 회로 기판이 필요로 하는 DC 전압치로 설정합니다. 산업기기를 예로 들면, 24VDC 및 12VDC 등의 공통 표준 전압일 경우가 일반적이지만, 최근에는 5VDC 및 3.3VDC 등 직접적인 구동 전압으로 설정하는 경우도 적지 않습니다. 어쨌든, 출력전압에는 ±5%와 같은 정밀도가 요구됩니다. 이는 전력을 공급받는 디바이스의 요구에 따라 결정됩니다. 설계에 있어서는 요구 정밀도를 만족할 수 있는 부품 및 방식을 검토해야 합니다.

출력의 사양에서 더욱 중요한 것은 출력전류입니다. 이는 급전하는 회로에서 필요로 하는 전류가 충분히 공급되어, 출력전압의 안정화를 유지할 수 있는 수치여야 합니다. 마진을 크게 잡으면 허용 범위는 넓어지지만, 부품의 비용 및 사이즈는 증가하므로, 최대 부하 전류의 정보는 매우 중요합니다. 또한, 부하 과도가 발생하는 경우에는 응답 특성에 대한 검토도 필요합니다. 충분하지 않은 경우에는 시스템 리셋이 발생하는 등, 시스템에 치명적인 장해를 초래할 우려가 있습니다.

전류치 면에서의 검토와 더불어, AC/DC 컨버터의 출력을 바탕으로 개별 스위칭 레귤레이터로 전원을 구성하는 경우에는, 전력 베이스로 생각할 수 있습니다. 스위칭 레귤레이터는 전력 변환을 담당하므로, AC/DC 컨버터로 12VDC를 생성하고, 이를 입력으로 하는 후단의 스위칭 레귤레이터가 효율 80%로 5V / 0.8A일 경우, 입력전력은 5W가 됩니다. 단순히 이를 커버하기 위해서는, AC/DC 컨버터의 12V 출력은 5W면 되므로, 출력전류로서는 0.42A만 있으면 됩니다. 전력을 변환하는 전원의 출력 능력은 전력으로 나타내는 경우가 많습니다.

・출력 리플 전압
리플이란 맥류 (脈流)를 뜻합니다. 변환된 DC 전압은, 입력 AC 전원의 주파수 및 스위칭 변환의 주파수에 관련된 맥류를 포함합니다. 물론 변환 과정에서 평활화 / 필터링이 실행되지만, 0이 되지는 않습니다. 예를 들어, 출력 5VDC를 중심으로 400mVp-p의 리플이 있을 경우, 최대치는 5.2V, 최소치는 4.8V가 됩니다. 이는 5V±4%로, 일반적인 정밀도 요구 ±5%를 겨우 만족하지만, 3.3V 출력으로 400mVp-p의 리플이 있을 경우에는 3.3V±6%가 됩니다.

스위칭 동작으로 기인하는 출력 리플 전압의 이미지

AC/DC 컨버터는 12VDC와 같은 BUS 전압을 생성하고 이를 입력전압으로 하여, 각 회로가 필요로 하는 전압을 개별 전압 레귤레이터 등을 통해 공급하는 구성에서는, AC/DC 컨버터의 리플 요건은 완화될 수도 있을 것입니다. 그러나, 상기 예와 같이 저전압 디바이스에 직접 급전하는 경우에는 리플 전압이 문제가 될 가능성이 있습니다. 어쨌든, 리플 전압은 작을수록 좋으므로, 필터링을 위한 스페이스 및 비용을 고려하여 허용치를 설정하게 됩니다.

・절연 내압
시스템의 사양에 따라서는, AC/DC 컨버터에 절연이 필요한 경우가 있습니다. 산업기기 및 의료기기 등은 기본적으로 절연이 필요하며, 절연 레벨을 지정하고 있는 경우가 있습니다. AC/DC 컨버터의 절연이란, 1차측 (AC 입력)과 2차측 (DC 출력)이 전기적으로 도통하지 않는 상태이며, 기본적으로 트랜스포머가 이 기능을 담당합니다. 절연에는 3kVAC와 같은 전압치 이외에, 절연 구조, 절연 레벨 등 규격에 근거한 검토 사항이 있습니다. 트랜스의 설계를 위해서는 규격 및 부재에 대한 지식도 필요하므로, 자세한 사항에 대해서는 규격서 등을 참조하여 주십시오.

・동작온도 범위
설계하는 전원을 탑재하는 시스템 및 기기에도 동작온도 범위의 사양이 있을 것입니다. AC/DC 컨버터로서는 그 부분을 커버할 수 있는 제어 IC 및 부품으로 구성되어 있어야 합니다. 또한, 기기의 사양은 주위 온도로 표시되는 경우가 대부분이지만, AC/DC 컨버터가 케이스 내부에 실장된다면, 케이스 내부 온도를 기준으로 정해야 합니다. AC/DC 컨버터는 발열이 적지 않습니다. 사용 부품의 정격을 초과하게 되면, 치명적인 장해가 발생할 가능성이 있으므로, 온도에 대해서는 충분한 검토가 필요합니다.

・효율
효율은, 입력전력에 대한 출력전력의 비율이며 %로 나타냅니다. 효율이 80%라면 20%는 손실이며, 이러한 손실은 기본적으로 열로 변환됩니다. 오늘날 효율 향상은 필수 요건이므로, 열과의 관련성을 충분히 이해해야 합니다.

효율을 향상시키기 위해서는 사용하는 변환 방식, 제어 IC, 외장 부품의 검토가 필요합니다.

・무부하 시 입력전력
출력전류가 흐르지 않을 때의 입력전력, 즉 무부하 시의 자기 소비 전력입니다. 저전력화는 이미 책무로서 중요시되고 있으며, 불필요한 자기 손실은 최대한 낮게 억제하도록 요구되고 있습니다. EnergyStar는 그 일례입니다. 자기 소비를 저감시키기 위해서는 회로 구성 및 제어 IC의 역할이 중요합니다.

최소한이라고 표현했지만, 여러 사정으로 인해 이러한 항목조차도 결정하기 어려운 경우도 있을 것입니다. 이러한 경우, 전원으로서 대략 어느 정도의 성능과 특성을 지니고 있어야 넓은 조건에 대응 가능한지 판단할 수 있는 경험치도 필요합니다. 수정 변경이 가능한 부분과 아예 처음부터 다시 시작해야 하는 부분을 명확히 구분하여 설계를 시작하는 것이 중요합니다.

키 포인트

・전원의 경우에는 설계 시작 시점에서 사양이 완전히 결정되지 않는 케이스가 많이 있다.

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

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

기술 자료 다운로드