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

갈바닉 절연 전원 공급장치는 다양한 애플리케이션에 사용된다. 어떤 회로에서는 안전을 고려하여 갈바닉 절연을 필요로 하며, 또 어떤 회로에서는 신호에 대한 간섭을 차단하기 위해 기능적 절연이 사용된다.

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갈바닉 절연 전원 공급장치는 보통 플라이백 컨버터로 설계된다. 이들 레귤레이터는 설계 구조가 매우 단순하다. 그림 1은 ADP1071 플라이백 컨트롤러로 구성된 이러한 레귤레이터의 일반적인 설계를 보여준다. 트랜스포머 상에 점들이 일치하지 않으므로 이것이 플라이백 컨버터임을 알 수 있다. 1차측에 전원 스위치(Q1)가 사용되며, 2차측 정류기 회로도 필요하다. 이는 쇼트키 다이오드를 사용할 수 있지만 더 높은 효율을 위해 일반적으로 능동 스위치(그림 1의 Q2)가 사용된다. 이 ADP1071 컨트롤러는 스위치를 제어하고 피드백 경로 FB에 대한 갈바닉 절연을 제공한다.

그림 1. 최대 약 60W의 전력을 허용하는 일반적인 플라이백 레귤레이터(플라이백 컨버터)

플라이백 컨버터는 매우 인기 있지만, 이 토폴로지에는 실제적인 제한이 있다. 그림 1의 트랜스포머 T1은 실제로 전형적인 트랜스포머로 사용되지 않는다. Q1이 온 상태일 때 T1의 2차 권선에는 전류가 흐르지 않는다. 1차측 전류의 에너지는 거의 완전히 트랜스포머 코어에 저장된다. 벅 컨버터가 초크(인덕터)에 에너지를 저장하는 방식과 유사하게 플라이백 컨버터는 트랜스포머에서 이러한 작업을 수행한다. Q1이 오프 상태이면, 전류 흐름이 T1의 2차측에서 발생한다. 이를 통해 출력 커패시터 COUT과 출력에 에너지가 공급된다.

이러한 컨셉트는 구현하기는 매우 쉽지만 보다 높은 전력에서는 본질적인 제약이 따른다. 트랜스포터 T1은 에너지 저장 소자로 사용된다. 이러한 이유로 트랜스포머는 커플링 인덕터(초크)라고도 할 수 있다. 이를 위해서는 트랜스포머가 필요한 에너지를 저장할 수 있어야 한다. 전원 공급장치의 에너지 등급이 높을수록 트랜스포머는 더 크고 가격도 비싸다. 대부분의 애플리케이션에서 상한은 약 60W이다.

더 높은 전력을 위해 갈바닉 절연 전원 공급장치가 필요한 경우에는 포워드 컨버터를 선택하는 것이 바람직하다. 개념은 그림 2에서 볼 수 있다. 여기서 이 트랜스포머는 실제로 전형적인 트랜스포머로 사용된다. 전류가 1차측에서 Q1을 흐르는 동안 2차측에서도 전류 흐름이 발생한다. 따라서 트랜스포머는 에너지 저장 용량을 제공할 필요가 없다. 그런데, 사실은 그 반대라고 해야 정확하다. 트랜스포머는 몇 사이클 후 의도치 않게 포화 상태에 도달하지 않도록 하기 위해 반드시 Q1의 오프 시간 동안 항상 방전되어야 한다.

그림 2. 최대 약 200W의 전력을 허용하는 포워드 레귤레이터(포워드 컨버터)

동일한 전력의 경우 포워드 컨버터는 플라이백 컨버터보다 더 작은 트랜스포머를 필요로 하므로 60W 미만의 전력 수준에서도 포워드 컨버터가 사용하기에 실용적이고 합리적이다. 한 가지 단점은 매번 사이클마다 의도치 않게 저장되는 에너지로부터 트랜스포머를 방전해야 한다는 것이다. 이는 그림 2의 스위치 Q4와 커패시터 CC와 함께 능동 클램프 와이어링에 의해 구현된다. 또한 포워드 컨버터는 일반적으로 출력측에 추가적인 인덕터 L1이 필요하다. 하지만 이 때문에 출력 전압이 동일한 전력 수준에서 플라이백 컨버터보다 더 낮은 리플을 가질 수 있다.

그림 3. LTspice에서 ADP1074를 시뮬레이션한 회로의 예시

아나로그디바이스의 ADP1074와 같은 전원 관리 IC는 포워드 컨버터 설계용으로 매우 컴팩트한 솔루션을 제공한다. 이 아키텍처는 일반적으로 약 60W 이상의 전력 수준이 필요할 때 사용된다. 60W 미만에서도 회로 복잡성과 달성 가능한 효율에 기반할 때 포워드 컨버터가 플라이백 컨버터보다 더 나은 선택일 수 있다. 어떤 토폴로지를 사용할 것인지에 대한 결정을 단순화하기 위해, ADI 웹사이트 상에서 무료로 제공되는 회로 시뮬레이터 LTspice를 사용하여 시뮬레이션 할 것을 권장한다. 그림 3은 LTspice 시뮬레이션 환경에서 수행한 ADP1074 포워드 컨버터 회로의 시뮬레이션 회로도를 보여준다.

저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 전공했다. 2001년 전력 관리 사업부에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원 공급장치를 담당하는 등 다양한 애플리케이션 직책을 맡았다. 2009년 아나로그디바이스에 입사하여 현재는 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전력 관리를 위한 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com.