포토 커플러가 필요없는 절연형 플라이백 DC-DC 컨버터1차측을 제어함으로써 2차측을 안정화하는 방법

－회로도만 보면, 비안정 절연 전원 같이 보이는데, 안정화되어 있는 것인가요?

물론 안정화되어 있습니다. BD7F 시리즈가 어떻게 출력을 안정화시키는지 설명하겠습니다. 하기 그림을 봐주십시오.

상기 그림의 좌측 회로도는, BD7F 시리즈의 간략 회로 블록과 외장 트랜스 및 2차측 정류 회로를 나타냅니다. 우측은 각 노드에서의 전압 (Vx)과 전류 (Ix) 파형입니다.

2차측에서의 피드백 없이 안정화 제어가 가능한 이유는, 1차측의 플라이백 전압 V_sw를 구성하는 성분에 V_out이 포함되어 있으므로, V_sw를 모니터링하여 연산함으로써 V_out을 간접적으로 검출할 수 있기 때문입니다.

그림의 파형과 식을 통해 조금 더 자세히 설명하겠습니다. V_sw는 1차측의 플라이백 전압으로, 트랜스의 1차측 권선의 한쪽 끝과 IC의 SW Pin이 연결되는 부분에서 내장 스위치 (MOSFET)가 OFF하면 발생하는 전압입니다. V_sw에는 「트랜스의 권선비 (1차측 Np / 2차측 Ns)」와, 「V_out과 출력 정류 다이오드 V_f의 합」을 곱한 값에, 「V_in」을 더한 전압이 나타납니다. 간단히 말하자면, 트랜스의 권선비에 비례하는 (V_out＋V_f) 전압에 V_in을 더한 전압이 발생합니다. 그림과 식으로 보시면 이해가 빠를 것입니다. 한가지 보충하자면, 이 식은 이해하기 쉽도록 간략화한 것입니다. 2차측에 발생하는 전압을 (V_out＋V_f)로 기재하였지만, 엄밀히는 (V_out＋V_f)에 「2차측의 총 임피던스 (권선 저항 및 ESR)×I_S」분의 전압을 더할 필요가 있습니다. 이 항목은 오차의 요인이 되므로, 설계를 위한 계산의 경우에는 포함시켜야 합니다.

－1차측의 플라이백 전압을 이용하는 것은 잘 알겠습니다. 특별히 어려운 것이 아니라면, 연산 방식에 대해 설명해주시겠습니까?

원리는 그다지 어렵지 않습니다. 우측 그림을 통해 설명하겠습니다. 2군데 동그라미로 표시된 부분이 포인트가 되는 부분입니다. 상세한 내용은 제품의 데이터시트에 기재되어 있으며, 데이터시트의 식은 앞에서 본 간략식이 아닌 2차측 전압의 모든 항목을 포함하고 있으므로, 여기서부터는 데이터시트의 식을 사용하겠습니다. 기호의 표기 (소문자, 아래첨자)가 조금 다르지만 의미는 동일합니다.

먼저, 하기가 기본식입니다. V_SW는 SW Pin에서의 플라이백 전압입니다. 앞에서 기재한 간략식에 「I_S×ESR」이 추가되었습니다.

V_sw는 저항 R_FB에 의해 전류 I_RFB로 변환됩니다. FB Pin의 전압 V_FB는 V_IN과의 차동 회로에 따라 V_IN의 전압과 거의 동등해집니다. 이 동작은 OP Amp의 차동 회로와 같은 개념으로, 루프 제어임을 기억해 주십시오. I_RFB를 식으로 나타내면 하기와 같습니다.

V_FB≒V_IN이므로, V_SW에서 V_IN (V_FB)를 뺀 전압을 R_FB로 나누면 I_RFB가 되는 것을 알 수 있습니다. 이로써, 식에 V_OUT이 추가되었습니다. 이제부터 V_OUT을 구합니다.

위의 I_RFB는 저항 R_REF에 흐르므로, REF Pin의 전압 V_REF는 하기의 식과 같습니다.
이미 I_RFB에 대해 다루었지만, V_REF＝R_REF×I_RFB가 됩니다.

블록도를 보시면, REF Pin 전압은 IC 내부 콤퍼레이터의 비반전 단자에 입력되어, 반전 단자의 기준전압 0.78V와 비교됩니다. 일반적인 제어 IC로는 에러 앰프가 되지만, 이 IC는 콤퍼레이터를 사용한 제어 방식이므로 콤퍼레이터가 됩니다. 에러 앰프와 같은 개념으로 REF Pin (콤퍼레이터의 반전 입력)의 전압은 기준전압 (0.78V)과 동일해집니다. 따라서, 출력전압 V_OUT과 REF Pin 전압 V_REF는 하기 식과 같은 관계가 됩니다.

즉, 출력전압 V_OUT은 트랜스의 권수비, 그리고 R_FB와 R_REF의 저항비에 따라 정해집니다. V_F와 I_S×ESR은 출력전압 오차의 요인이 됩니다.

－그렇군요. 1차측 플라이백 전압을 루프 제어하여, 간접적으로 출력전압을 안정화한다는 말씀이시군요. 설계 시 이러한 식을 바탕으로 출력전압을 설정하면 되겠네요.

그렇습니다. 데이터시트에는 R_REF의 표준치로서 3.9kΩ이 기재되어 있으며, V_REF는 0.78V (typ)이므로 이를 바탕으로 출력전압을 설정할 수 있습니다. 또한, 응용 회로 예와 권장 트랜스도 제시되어 있으므로, 데이터시트를 참조하시면 좋을 것 같습니다.

－지금까지 포토 커플러 및 보조 권선이 불필요한 구조의 포인트에 대해 설명해주셨는데요, 이어서 BD7F 시리즈의 IC로서의 기능 및 특징에 대해 설명 부탁드립니다.

(다음 편에 이어서)

※본 기사는 2016년 10월 시점의 내용입니다.