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2020.08.05 AC/DC

중요 체크 포인트 : 출력 과도 응답과 출력전압 rising 파형

절연형 플라이백 컨버터의 성능 평가와 체크 포인트

절연형 플라이백 컨버터의 성능 평가에 있어서, 사양 이외에 확인해 두어야 할 「중요 체크 포인트」에 대한 내용도 중반에 접어들었습니다. 이번에는, 「출력 과도 응답과 출력전압 rising 파형」에 대해 설명하겠습니다.

출력 과도 응답

출력전압의 중요한 특성 중 하나로 과도 응답 특성이 있습니다. 「과도」란 출력전류 즉 부하 전류가 급격하게 변동하는 것을 의미하고 있으므로, 정확히 표현하자면 출력전압 부하 과도 응답 특성이라고 할 수 있습니다. 영어 용어로 사용하는 경우도 있으며 과도 응답은 transient response라고도 합니다.

이 특성이 중요한 이유는, 부하 전류에 대한 출력전압의 안정성에 연관되는 항목이며, 외장 회로의 부품 정수를 통해 최적화가 가능하기 때문입니다. 다시 말하자면, 특성을 확인하여 더 좋은 특성으로 조정할 수 있으므로 중요합니다.

과도 응답은, 하기 조건의 조합에 따라 전압 파형을 관찰하여 확인합니다. 오실로스코프, 부하 장치, 그리고 부하 전류 파형도 확인해야 하므로 전류 프로브도 필요합니다.

<체크 포인트와 조건>
・입력전압 : 최소치, 최대치
・부하 전류 : 최소치 → 최대치, 최소치 ← 최대치
・환경 : 온도 조건의 상한치 및 하한치

부하의 전환을 연속하여 실행하면, 하기 왼쪽 그림과 같은 파형이 관찰될 것입니다. 부하 전류가 급격하게 감소하면 출력전압은 순간적으로 높아지고, 어느 정도 시간이 경과하면 거의 설정 전압으로 되돌아옵니다. 반면에 부하 전류가 급증하는 경우에는, 출력전압은 순간적으로 저하되고, 어느 정도 시간이 경과하면 거의 원래 상태로 되돌아옵니다. 관찰 포인트는 하기의 2가지 항목입니다.
1) 출력전압의 변동이 어느 정도의 시간이 경과한 후, 안정 상태로 회복되는가.
2) 출력전압의 변동에 링잉, 오버슈트, 언더슈트 등의 현상이 나타나지는 않는가.

1)에 대해서는 변동 전압이 작고, 안정 상태로 회복되는 시간이 빠른 것이 바람직한 특성입니다. 즉, 과도 응답이 고속이고, 변동으로부터의 복귀가 빠르다고 할 수 있습니다. 2)의 경우, 링잉 등이 없는 상태가 베스트입니다. 왼쪽 그림의 파형은 양호한 예입니다.

만약, 과도 응답 특성이 요구를 만족하지 않는 경우에는, 귀환 루프의 위상 여유와 게인 여유를 조정해야 합니다. 구체적으로는 상기 오른쪽 회로도에서 나타낸 외장 회로의 부품 정수를 조정합니다. 이러한 부품의 조정은 시행착오를 거치면서 조정하기도 하지만, 경험이 없다면 무엇을 어느 정도 조정해야 하는지 판단할 수 없을 것입니다. 따라서, 정량적으로 위상과 게인의 상태를 측정하고, 여유도를 확인하면서 조정해 나가는 것이 초기 단계에서는 확실한 방법입니다. 측정 시에는 FRA (주파수 특성 분석 장치)를 사용하는 것이 편리하고 간단합니다.

조정 시에는, 일반적으로 응답 속도를 빠르게 하면 안정성이 저하되는 경향이 있으므로, 위상 여유를 유지하면서 가장 빠른 응답이 얻어지도록 조정해야 합니다. 참고로 부하 과도에 의한 출력 변동을 zero로 만들 수는 없습니다.

출력전압 rising 파형

이 항목 역시 출력전압 파형을 확인하는 항목이며, 입력 전원 ON 시의 출력전압 rising 특성을 관찰합니다. 방법 및 측정기는 과도 응답 특성과 거의 동일하므로, 일련의 확인 사항으로서 함께 확인하면 평가의 능률이 높아질 것입니다. 차이점으로는 출력 부하 전류를 연속하여 전환할 필요가 없다는 점입니다.

<체크 포인트와 조건>
・입력전압 : 최소치, 최대치
・부하 전류 : 최소치, 최대치
・환경 : 온도 조건의 상한치 및 하한치

※링잉, 오버슈트, 언더슈트의 유무를 확인한다.

확인은 상기 조건을 조합하여 실시합니다. 예를 들어, 입력전압 최소, 부하 전류 최대, 온도 하한이라는 조건을 설정하여, 입력 전원 ON 시의 출력전압 파형을 확인합니다. 관찰 포인트로는 출력 파형에 링잉, 오버슈트, 언더슈트가 발생했는지의 여부입니다. 이러한 현상이 발생하면, 출력전압이 안정되기까지 필요 이상의 시간이 소요될 뿐만 아니라, 지나치게 큰 변동이 있으면, 전력을 공급받는 디바이스가 오동작을 일으키거나, 리셋이 작동할 가능성이 있습니다.

실제로는 이러한 항목도 출력의 응답 특성 중 하나로 생각할 수 있습니다. 그러한 의미에서도 과도 응답과 겹쳐지는 부분이 있으므로, 일련의 확인 사항으로서 함께 확인할 수 있습니다. 링잉, 오버슈트 및 언더슈트는 과도 응답과 같이 위상과 게인의 여유를 조정하여 최적화할 수 있습니다. 이와는 별개로 소프트 스타트 및 부하 용량의 관계에 따라 rising 파형이 달라지므로, 관찰되는 파형이 무엇으로 인해 그렇게 되었는지도 검토할 필요가 있습니다. 참고로 상기 파형도는 양호한 특성을 나타냅니다.

키 포인트

・출력의 부하 과도 응답은 귀환 회로의 위상보상 회로를 조정하여 최적화한다.

・출력 rising 파형의 최적화도 마찬가지이다.

・이러한 평가와 조정은 상호 관계가 있으므로 일련의 작업으로 함께 실시한다.

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