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2020.01.08 AC/DC

설계에 사용할 IC의 선택

AC/DC PWM 방식 플라이백 컨버터 설계 방법

전원으로서의 사양이 결정되면, 설계의 두번째 순서로서 「제어용 전원 IC를 선택」합니다.

오늘날 전원 회로 설계에는 전원용 IC를 이용하는 것이 일반적입니다. 전원용 IC는, 제어 성능이 매우 우수할 뿐만 아니라, 다양한 보호 기능이 탑재되어 있어 설계가 용이하고 실장 면적 등의 면에서도 유리하기 때문에 두번째 순서로 정하게 됩니다.

본 편에서는 PWM 방식 플라이백 AC/DC 컨버터를 설계하기 위해, 예제로서 구체적인 전원 사양을 설정하고, 그에 대응하는 전원 IC를 결정해 보겠습니다.

전원의 사양은 「설계 시작을 위해 최소한으로 결정해 두어야 하는 사양」을 바탕으로, 일반적인 조건을 하기와 같이 설정하였습니다. 또한, 그 조건을 바탕으로 IC를 선택하기 위한 포인트에 대해서도 정리하였습니다.

예제로서의 전원 사양 IC 선택의 포인트
입력전압 : 85~264VAC 넓은 입력 대응의 전원 방식
출력 : 12VDC±5% / 3A 36W 출력 파워 트랜지스터 외장
출력 리플 전압 : 200mVp-p 전류 모드 타입
절연 내압 : 1차 – 2차간 3kVAC 포토 커플러를 통한 피드백 제어
동작온도 범위 : 0~50℃ 동작 보증온도 범위 : -40~85℃
효율 : 80% 이상 스위칭 방식
무부하 시 입력전력 : 0.1W 이하 기동 회로 내장, 저소비전력 타입

・입력전압 : 85~264VAC
입력 사양은 월드와이드 대응이 가능하도록 설정하였습니다. IC는 넓은 입력전압에 대응 가능한 제품으로 선정해야 합니다.

・출력 : 12VDC±5% / 3A 36W
출력전압은 산업기기 등에서 일반적으로 사용되는 전압인 12V로 설정하고, 출력전압 정밀도는 ±5% 이내, 출력전류는 3A로 설정하였습니다. 스위칭 트랜지스터 내장형 IC로도 설계가 가능하지만, 기본 구성에 대한 이해를 위해 MOSFET 외장 타입 IC로 선택합니다.

・출력 리플 : 200mVp-p
출력 리플은 일반적인 수준으로, 리플이 낮게 나올 수 있도록 전류 모드 방식의 제어 IC를 선택합니다.

・절연 내압 : 1차 – 2차간 3kVAC
트랜스와 마찬가지로 출력전압의 안정화를 위한 피드백 제어를 위해 2차측의 전압 (출력전압)을 1차측으로 귀환시키는 라인이 필요하고, 그 라인 역시 절연시킬 필요가 있습니다. 피드백 라인의 절연에는 포토 커플러를 이용합니다.

・동작온도 범위 : 0~50℃
동작온도 범위는 기기의 일반적인 사양으로 설정하였습니다. 이를 커버하기 위해서는 이 동작온도 범위보다 넓은 범위의 사양을 갖춘 IC와 부품으로 선택합니다.

・효율 : 80% 이상
효율 역시 일반적인 수치입니다. DC/DC 컨버터의 경우 90% 이상의 효율이 요구되기도 하지만, AC/DC 컨버터의 경우, 더 개선시킬 수도 있지만 80%라는 효율은 결코 낮은 수준이 아닙니다. 이 효율을 실현하기 위해서는 스위칭 방식의 AC/DC 변환 회로가 필요합니다.

・무부하 시 입력전력 : 0.1W 이하
이를 실현하기 위해서는, 소비전력이 낮은 제어 IC를 선택해야 합니다.

이러한 전원 사양을 실현할 수 있는 IC를 선정하기 위해서는, AC/DC 변환의 방식과 특징, 시장에 유통되고 있는 제어용 IC의 종류와 기능을 이해해야 합니다. 언뜻 까다로운 과정으로 느껴질 수도 있지만, 변환 방식만 정하게 되면 그다지 어렵지 않습니다. 여기에서는 PWM 방식의 플라이백 컨버터를 다루고 있으므로, IC 선택 시에는 우선 플라이백 컨버터를 구성할 수 있는 IC를 찾습니다. 다음으로 PWM 방식을 찾고, 입력 범위나 출력 사양에 적합한 것을 찾는 순서로 진행합니다. 참고로, IC 메이커 web 사이트의 조건 검색을 활용하면 더 편리하게 IC를 검색할 수 있습니다.

하기는 이러한 전원 사양을 실현할 수 있는 전원 IC입니다.

BM1P061FJ : AC/DC용 PWM 컨트롤러 IC

특징

  • PWM 주파수 65kHz
  • 전류 모드 방식
  • 경부하 시 burst 동작, 주파수 저감 기능
  • 650V 기동 회로 내장
  • VCC 단자 저전압 보호, 과전압 보호
  • CS 단자 오픈 보호
  • CS 단자 Leading-Edge-Blanking 기능
  • 사이클 별 과전류 제한 기능
  • 과전류 제한 AC 보정 기능
  • 소프트 스타트 기능
  • 2차측 과전류 보호 회로
  • 주파수 호핑 기능

BM1P061FJ를 사용한, 절연형 플라이백 컨버터 회로

BM1P061FJ는 AC/DC 컨버터용 PWM 컨트롤러 IC로, 절연형 플라이백 컨버터를 구축할 수 있습니다. IC로서의 특징은 상기와 같습니다. 이번 설계 예의 사양에 맞추어 본 IC를 선택한 것은, 다음과 같은 3가지 주요 이유가 있기 때문입니다. 264VAC를 정류한 DC 전압에 충분히 대응 가능한 650V 내압 기동 회로를 내장한 전류 모드의 PWM 방식 스위칭 전원용 IC라는 점, 기동 회로와 경부하 시 스위칭 주파수 저감 기능을 탑재하여 저전력과 고효율을 실현할 수 있다는 점, 그리고 BM1PXXX 시리즈로서 라인업을 구성하여 설계 도중의 사양 변경 등에 대응하기 쉽다는 점입니다.

상기 회로도는 플라이백 컨버터를 구축할 때의 기본 회로 구성입니다. 보시는 바와 같이, IC의 집적화가 우수하므로, 외장 부품이 매우 적다는 것을 알 수 있습니다. IC의 상세 사양에 대해서는 데이터시트를 참조하여 주십시오.

그럼, 설정한 전원 사양을 실현할 수 있는 IC가 결정되었으므로, 간단히 AC/DC 변환에 대해 복습하고 설계에 대한 설명을 이어나가겠습니다.

키 포인트

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

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

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

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