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글: 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE / 아나로그디바이스(Analog Devices) 

많은 전자 회로들이 갈바닉 절연을 필요로 한다. 이 전기적 절연을 달성하기 위해서 흔히 트랜스포머를 사용한다. 트랜스포머를 통해 전기 에너지를 전달하는 데에는 다양한 토폴로지를 사용할 수 있다. 주로 50W 미만의 저전력에 널리 사용되는 회로 유형이 ‘플라이백 컨버터(flyback converter)’라고 하는 것이다.

그림 1은 간단한 플라이백 컨버터 회로를 나타낸 것이다. 스위치 S1이 온(on)일 때는 트랜스포머 코어 T1을 통해서 에너지를 저장하고, S1이 오프(off)일 때는 코어에 저장된 에너지를 T1의 이차 권선과 프리휠링 다이오드 D1을 차례대로 거쳐서 출력으로 방출한다.

그림 1: 플라이백 컨버터 회로도 

그림 1을 보면, 전원 경로와 함께 녹색으로 표시된 피드백 경로가 필요하다는 것을 알 수 있다. 피드백 경로는 출력 전압을 정밀하게 제어하기 위한 것이다. 피드백 신호 역시 갈바닉 절연을 통해서 전달해야 하기 때문에 설계가 꽤 복잡해진다. 이를 위해 옵토커플러나 ADuM3190 같은 디지털 아이솔레이터 모듈을 사용할 수 있다. 그런데 피드백 신호를 일차 측에서 검출할 수도 있다. 그러면 피드백 경로에 갈바닉 절연이 필요 없다.

ADI에서 지원하는 옵토커플러가 필요 없는 컨버터 제품을 사용하면 갈바닉 절연 플라이백 회로를 작은 풋프린트에 손쉽게 구현할 수 있다. 그림 2는 최대 42V 입력 전압과 1.2A의 최대 스위치 전류를 특징으로 하는 컨버터 제품으로서 LT8301을 사용한 회로를 보여준다. 이 회로에서는 출력 전압에서 일차측 스위칭 레귤레이터까지 어떠한 피드백 경로도 볼 수 없다. 하지만, 트랜스포머를 통해 내부 피드백 경로가 숨겨져 있는 것이다. 일차측 스위치 오프 시간에 트랜스포머 일차 권선을 통해서 반사되는 전압을 측정한다. 이를 통해 일차측에서 출력 전압 상태에 관한 정확한 정보를 획득할 수 있다.

그림 2: 옵토커플러가 필요 없는 LT8301을 사용하면 극히 컴팩트한 플라이백 컨버터를 손쉽게 달성할 수 있다. 

갈바닉 절연 플라이백 회로를 구현하기 위한 또 다른 방법도 있다. 그림 3은 그러한 절연형 벅 컨버터를 보여준다.

그림 3: MAX17681을 사용한 절연형 벅 컨버터 

일반적인 플라이백 컨버터와 절연형 벅 컨버터의 가장 큰 차이점은 일차측 트랜스포머 권선과 접지 사이에 커패시터 C_BUCK을 사용한다는 점이다. MAX17681을 사용할 때는 하프 브리지를 사용해서 트랜스포머 일차측 권선을 구동한다. 즉, MAX17681이 LX 핀을 통해 상측과 하측 스위치를 제공한다. 그림 2에서는 트랜스포머 일차측 권선과 접지 사이에 하나의 스위치만을 사용한다.

절연형 벅(iso-buck)은 보통의 벅 컨버터에 인덕터를 결합해서 절연형 전압을 생성하는 것으로 생각할 수 있다. 그림 3에서 파란색 선이 벅 컨버터를 나타내는 것이다. C_BUCK 상의 전압이 이 통합 벅 컨버터의 레귤레이트 전압에 해당된다.

이들 갈바닉 절연 스위칭 레귤레이터 솔루션은 둘 다 옵토커플러를 사용한 신호 피드백이 필요 없다. 그렇다면 각 솔루션의 장점은 무엇일까?

그림 2의 컨버터는 부피가 큰 일차측 바이패스 커패시터(C_BUCK)를 필요로 하지 않고 내부에 하나의 스위치를 사용해서 구동된다. 절연형 벅 컨버터의 장점은 정밀하게 레귤레이트된 일차측 전압을 사용할 수 있다는 것이다. 그럼으로써 시스템 내에서 예를 들어서 일차측 회로 소자들에 에너지를 공급할 수 있다. 특정한 권수비의 트랜스포머를 사용해서 원하는 갈바닉 절연 전압 V_OUT2를 발생하도록 설정해야 한다.

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공했다. 2001년에 전원 관리 분야에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원장치와 관련한 업무를 맡은 것을 비롯해서 다양한 애플리케이션 경험을 쌓았다. 2009년에 아나로그디바이스에 입사했으며, 현재는 ADI 뮌헨 지사에서 전원 관리 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)를 맡고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com