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2021.09.01 AC/DC

정리

AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 2차측 동기정류 회로의 설계

14회에 걸친 「AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 2차측 동기정류 회로의 설계」는 본 편을 마지막으로 마무리하겠습니다.

본 테마는, 최근 AC/DC 전원에 대한 효율 요구가 까다로워지고 있다는 사실에 주목하여 게재를 시작하였습니다. AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 방법 중 하나로서, 기존의 주류인 다이오드 정류 방식을, 효율 향상이 가능한 동기정류 방식으로 전환하는 방법이 있습니다. 그러나, AC/DC 컨버터의 동기정류화에는 몇가지 과제가 있습니다. 중전력까지의 AC/DC 컨버터 대부분은 PWM 플라이백 방식이며, 조건에 따라서 연속 모드로 동작합니다. 이를 단순히 동기정류 방식으로 전환하게 되면 연속 모드 동작 시에 정상적인 제어가 어려워지고, 1차측 스위치 소자와 2차측 정류 소자가 동시 ON되는 오류가 발생하여, 관통 전류로 인해 소자가 파괴될 가능성이 있습니다. 따라서, 동시 ON을 방지하는 회로를 추가하거나, 연속 모드로 동작하지 않는 의사 공진 (Quasi-Resonant) 방식을 채용하거나, 불연속 모드 동작만 사용하는 등 대책이 필요했습니다.

본 테마는, 이러한 과제에 대해 다이오드 정류 방식 AC/DC 컨버터를 동기정류화하기 위해 개발된 2차측 동기정류 컨트롤러 IC, BM1R001xxF 시리즈를 사용하여 다이오드 정류 방식 AC/DC 컨버터를 동기정류화하는 설계를 예로 들어 설명했습니다.

하기에 각 기사의 키 포인트를 정리하였습니다.

<AC/DC 컨버터의 효율을 향상시키는 2차측 동기정류 회로의 설계>

  1. 서론

    키 포인트

    ・AC/DC 컨버터의 효율 개선은 필수적으로 요구되고 있지만, 국가별 규제 등으로 까다로워지고 있다.

    ・플라이백 AC/DC 컨버터의 2차측 동기정류화에는, 관통 상태 회피와 같은 과제가 있다.

    ・2차측 동기정류화를 위한 컨트롤러 IC가 개발되고 있다.

  2. 설계 순서

    키 포인트

    ・설계 순서는 하기와 같다.
     1. 동기정류 회로부 설계 : 동기정류용 MOSFET 선정, 제어 IC 선택, 주변 부품 선정
     2. 션트 레귤레이터 회로부 설계
     3. 트러블 슈팅
     4. 특성 평가

  3. 설계에 사용하는 IC

    키 포인트

    ・BM1R001xxF 시리즈는 강제 OFF 시간이 다른 5기종으로 구성되어 있다.

    ・SOP8 패키지로, 소형이며 심플하다.

    ・션트 레귤레이터는 저소비전류 & 고정밀도가 특징으로, 제어 회로 전류의 저감에 따른 대기 시 전력의 삭감이 가능하다.

    ・동기정류 컨트롤은 불연속 ~ 임계 ~ 연속 모드에 모두 대응하며, PWM 방식 컨버터에도 적용 가능하다.

  4. 전원 사양과 대체 회로

    키 포인트

    ・본 설계 예에서는 다이오드 정류 타입의 AC/DC 컨버터를 동기정류로 대체한다.

    ・동기정류화 방법에는 Low-side 타입과 High-side 타입이 있다.

    ・외장 부품은 조금 늘어나지만, 효율 개선, 특히 대기 시의 고효율화는 AC/DC 컨버터의 과제이므로, 동기정류화는 유용하다.

  5. 동기정류 회로부 : 동기정류용 MOSFET 선정

    키 포인트

    ・본 설계 예에서는 다이오드 정류 타입의 AC/DC 컨버터를 동기정류로 대체한다.

    ・동기정류화 설계의 첫번째 단계로, 출력 정류 다이오드를 대체하는 MOSFET를 선정한다.

    ・대체 부품의 사양 결정을 위해, 기존 회로에서의 전류, 전압, 파형 등을 확인한다.

  6. 동기정류 회로부 : 전원 IC 선택

    키 포인트

    ・기존 회로의 동작 및 제반 조건을 확인하여, 설계에 사용하는 전원 IC를 결정한다.

    ・1차측과 2차측의 MOSFET 동시 ON 동작으로 인한 파괴를 방지하는 최대 ON 시간을 설정한다.

    ・강제 OFF 시간을 산출하여, BM1R001xxF 시리즈 중 적절한 제품을 선택한다.

    ・BM1R001xxF 시리즈는 강제 OFF 시간에 따라 5기종이 구비되어 있다.

  7. 동기정류 회로부 : 주변 회로 부품 선정 – 드레인 단자의 D1, R1, R2

    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.

  8. 동기정류 회로부 : 주변 회로 부품 선정 – MAX_TON 단자의 C1과 R3, 및 VCC 단자

    키 포인트

    ・BM1R00147F의 MAX_TON 단자에는, 노이즈 저감을 위해 콘덴서와 저항을 직렬로 접속한다.

    ・이 콘덴서와 저항은 MAX_TON 단자의 위상보상도 겸하고 있으므로, 반드시 접속해야 한다.

    ・BM1R00147F의 VCC 단자에 대한 전력 공급은, Low-side 타입의 경우 2차측 VOUT에서 간단하게 공급할 수 있다.

    ・High-side 타입의 경우에는 보조 전원 회로를 추가하거나, 트랜스 2차측에 보조 권선을 추가하는 등 별도의 전원을 배치해야 한다.

  9. 션트 레귤레이터 회로부 : 주변 회로 부품 선정

    키 포인트

    ・BM1R00147F의 션트 레귤레이터 회로부의 주변 부품 설정을 통해 출력전압을 설정한다.

  10. 트러블 슈팅 ① : 2차측 MOSFET가 갑자기 OFF되는 경우

    키 포인트

    ・기존 절연형 플라이백 컨버터의 2차측을 대체하는 것이므로, 실제 동작 확인이 매우 중요하다.

    ・노이즈로 인한 2차측 MOSFET의 오동작 발생에 대한 대책으로는, 드레인 단자 라인에 페라이트 비드 추가와 필터용 저항의 저항치를 크게 조정하는 방법이 있다.

  11. 트러블 슈팅 ② : 경부하 시 2차측 MOSFET가 공진 동작으로 인해 ON되는 경우

    키 포인트

    ・기존 절연형 플라이백 컨버터의 2차측을 대체하는 것이므로, 실제 동작 확인이 매우 중요하다.

    ・경부하 시에 2차측 MOSFET가 공진 동작으로 인해 ON되는 경우가 있으며, 이에 대한 대책으로는 4가지 정도의 방법이 있다.
     1) 드레인 단자 접속 저항 R1을 작게 한다.
     2) 강제 OFF 시간이 긴 기종 (IC)으로 변경한다.
     3) 2차측 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 스너버 회로를 추가한다.
     4) 트랜스의 권선비 Ns / Np를 작게 한다.

    ・각 대책에는 트레이드 오프 관계에 해당하는 주의 사항이 있다.

  12. 트러블 슈팅 ③ : 서지의 영향으로 VDS2가 2차측 MOSFET의 VDS 내압 이상이 되는 경우

    키 포인트

    ・기존 절연형 플라이백 컨버터의 2차측을 대체하는 것이므로, 실제 동작 확인이 매우 중요하다.

    ・서지의 영향으로 VDS2가 2차측 MOSFET의 VDS 내압 이상이 되는 경우가 있으며, 이에 대한 대책으로는 3가지 정도의 방법이 있다.
     1) 2차측 MOSFET의 드레인 – 소스 사이에 용량을 삽입한다.
     2) 1차측 MOSFET의 게이트 저항치를 크게 한다.
     3) 트랜스의 권선비 Ns / Np를 작게 하여 VDS2를 낮춘다.

    ・각 대책에는 트레이드 오프 특성이 있으므로 주의한다.

  13. 다이오드 정류와 동기정류의 효율 비교

    키 포인트

    ・기존의 2차측 다이오드 정류 방식과, 대체 후 동기정류 방식의 효율은, 동기정류 방식이 확실히 높다.

    ・동기정류 방식의 High-side 타입, Low-side 타입은 효율 차이가 거의 없다.

    ・효율 차이의 지배적 요인은, 다이오드 정류의 다이오드 손실 (VF)과 동기정류의 MOSFET 손실 (VDS)의 차이다.

  14. 실장 기판 레이아웃에 관한 주의점

    키 포인트

    ・2차측 동기정류화에 있어서도, 기판 레이아웃에 관한 주의점 대부분은 스위칭 전원 회로의 레이아웃 기본을 바탕으로 한다.

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