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2021.06.09 AC/DC

동기정류 회로부 : 주변 회로 부품 선정 - 드레인 단자의 D1, R1, R2

AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 2차측 동기정류 회로의 설계

지난 편에서는 동기정류부 설계의 첫번째 단계로서 설계에 사용하는 전원 IC를 결정했습니다. 다음으로, 선택한 전원 IC, BM1R00147F의 주변 회로 부품을 선정해 보겠습니다. 이번 편에서는 드레인 단자의 D1, R1, R2에 대해 설명하겠습니다.

동기정류 회로부 : 주변 회로 부품 선정 - 드레인 단자의 D1, R1, R2

먼저, 오른쪽에 표시한 2차측 동기정류부 블록도에서 이번에 설명할 회로 부분을 확인하겠습니다. 적색 테두리로 표시한 부분이 이에 해당되며, BM1R00147F의 드레인 단자와 MOSFET M2의 드레인 사이에 삽입되어 있는 D1, R1, R2의 역할을 확인하고, 각각의 정수를 설정하겠습니다.

BM1R00147F는 드레인 단자의 전압을 통해 2차측 MOSFET M2의 게이트를 제어합니다. 드레인 단자는 VDS2의 전압을 검출하며, 이때 검출 레벨이 수 mV로 낮기 때문에, MOSFET M2 스위칭 시 극소량 발생하는 서지 전압을 잘못 검출하게 됩니다. 따라서 드레인 단자에는 서지를 흡수하기 위한 대책이 필요합니다.

하기는 드레인 단자에 서지 대책에 없는 경우의 회로와 파형도의 예입니다.

VDS2의 파형 (하늘색)에는 Rising-edge 부분에 서지 (또는 스파이크)가 발생했습니다. 이로 인해, 검출 오류를 일으켜, VGS2 (보라색)가 본래 필요한 시간보다 짧은 시간 안에 OFF됩니다.

하기는 이러한 서지 대책으로서, 드레인 단자에 D1, R1, R2를 추가한 회로와 파형도의 예입니다.

D1, R1, R2에 의해 서지가 억제됨으로써, VDS2는 정상적으로 검출되고 VGS2도 정상적인 파형이 됩니다.

이로써 D1, R1, R2를 삽입하는 목적과 효과에 대해서는 이해되었을 것입니다. 그럼, 각각의 구체적인 정수 설정에 대해 설명하겠습니다.

■다이오드 D1
다이오드 D1은 MOSFET ON 시의 전류 경로입니다. 회로도에서는 단순히 다이오드 기호로 표기되어 있지만, 순방향 전압 Vf가 낮은 소신호 쇼트키 배리어 다이오드 (SBD)를 선정하는 것이 좋습니다. 또한, 드레인 단자는 임피던스가 높아, D1에는 VDS2 이상의 내압은 필요가 없으므로 낮은 내압의 제품으로 선정할 수 있습니다. 본 설계 사례에서는 로옴의 RB751VM-40 (VR=30V, IO=30mA, Vf MAX=0.37V)을 선정하였습니다.

■R1
R1은 VDS2 검출 필터용 저항입니다. 300Ω~2kΩ 정도를 삽입하는 것이 좋습니다. VDS2의 파형 및 VGS2의 파형을 확인하면서 선정해야 합니다. 본 설계 사례에서는 1kΩ으로 선정하였습니다. R1의 정수 설정에 대해서는 별도로 설명할 예정입니다.

■R2
R2는 전류 제한 저항입니다. 2차측 MOSFET M2에 전류 IFET2가 흐르기 시작하는 순간, 2차측 MOSFET M2는 OFF 상태이므로, IFET2는 2차측 MOSFET M2의 바디 다이오드에 흐르게 되므로, VDS2=-Vf_M2 (MOSFET M2의 바디 다이오드의 Vf)가 됩니다. IC의 드레인 단자는 부전압이 되므로, IC에서 전류 Id가 출력됩니다. (하기 그림 참조)

R2는 IC 보호를 위해, 이때 흐르는 전류 Id가 6mA 이하가 되도록 선택하는 것이 좋습니다. R2는 하기 식을 통해 산출할 수 있습니다.

MOSFET M2의 바디 다이오드의 Vf 최대치 Vf_M2 MAX를 1.2V, D1의 Vf 최소치 Vf_D1_MIN=0.2V, IC 내부 ESD 다이오드의 Vf 최소치 Vf_ESD_MIN=0.4V로 하는 경우, R2>100Ω이 됩니다.

본 설계 사례에서는 마진을 고려하여, 150Ω을 선정하였습니다.

키 포인트

・BM1R00147F는 드레인 단자의 전압을 통해 2차측 MOSFET M2의 게이트를 제어한다.

・드레인 단자의 검출 레벨은 수 mV로 낮아, MOSFET M2의 스위칭 시 극소량의 서지 전압을 잘못 검출하게 된다.

・대책으로서, 드레인 단자에 서지를 흡수하기 위한 저항과 다이오드를 추가한다.

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