혁신적인 과전력 보상 기법

전류 모드 제어에서 동작하는 스위치 모드 파워서플라이에서 컨버터가 전달하는 최대 출력 전력은 변압기의 최대 피크 전류를 제한하여 고정된다. 최대 전류가 감지되었을 때 MOSFET를 끄는데 지연이 있기 때문에 실제피크 값은 예상치보다 높다. 초과하는 전류의 양은 입력 전압에 비례한다. 따라서 파워서플라이의 최대 전력 용량은 low 라인에서보다 high 라인에서 높다. 파워서플라이 설계자는 안전 요구 사항에 대처하기 위해 입력 전압 범위에서의 출력 전력 능력을 제한 할 필요가 있다. 그렇게 할 수 있게 해주는 한 가지 방법을 OPP(Over Power Compensation or Protection)라고 한다. 이 글에서는 우선 기존의 OPP 기법들의 장점과 한계를 살펴보고, 그 다음에 새로운 과전력 보상 기법과 실제 구현 사례를 소개하고자 한다.

Stephanie Cannenterre / 온세미컨덕터

전달 지연 효과
내부 로직이 반응하는 데는 시간이 좀 걸리기 때문에 최대 피크 전류(lLimit)가 감지된 이후에도 MOSFET가 즉각 꺼지지 않는다. 실제로, 컨트롤러 유형 및 기술에 따라 전류 감지 비교기의 신호가 구동핀을 그라운드로 가지고 갈 때 여러 로직 게이트들을 통해 전달되어 지연되는 시간은 약 150ns ~ 200ns가 걸릴 수 있다.
이 전달 지연은 일반적으로 컨트롤러 제조업체에 의해 그 특성이 결정되며 컨트롤러 데이터시트에 명시된다(그림 1).
MOSFET가 용량성 입력을 제공하기 때문에 게이트 소스 사이의 전하 QG는 즉시 없어지지 않으며 구동 전류 능력과 QG에 따라 달라진다. 게다가 잡음 특성 문제로 게이트 신호에 저항이 삽입되면 이 저항에 의해 추가된 시간이 중요해질 수 있다.
따라서 전달 지연(tprop) 은 컨트롤러의 전달 지연과 MOSFET 드라이브 구성에 내재된 스위칭 지연의 합계로 생각할 수 있다.
이러한 지연 때문에 인덕터 내부를 순환하는 전류 IL가 한계치인 limit에 도달할 때 MOSFET가 즉각 꺼지지 않으며 이로 인한 피크 전류는 예상치보다 높아진다. 초과하는 전류의 양은 인덕터 전류 기울기에 직접 영향을 받기 때문에 입력 전압에 비례한다. 그러므로 컨버터의 전력 용량은 입력 전압이 높아질수록 늘어난다.
이러한 현상이 (그림 2)에 잘 나타나 있다.
고장 시 전류가 컨트롤러에 의해 내부적으로 고정되면 인덕터 전류의 최종 값은 (식 1)로 계산될 수 있다.
여기서 IL,peak는 인덕터의 실제 피크 전류이고, Ilimit는 한계값, tprop는 컨트롤러의 전달 지연과 MOSFET의 드라이브 구성에 내재된 스위칭 지연의 합이다.
구체적인 예를 통해 전달 지연의 효과를 살펴보자. 19V, 60W의 준공진(QR) 어댑터가 Ilimit = 3.4A의 한계 피크 전류를 가지고 설계되었다. 이 어댑터의 동작 파라미터들은 다음과 같다.
- 1차측 인덕턴스
: Lp = 285uH
- 권선 비율
: Nps = 0.25
- 출력 전압 : Vout = 19V
- 출력 다이오드 순방향 전압 강하
: Vf = 0.8V
- MOSFET 드레인 커패시터
: Clump = 250pF
- 최대 ac 입력 전압
: Vin(max) = 265Vrms
- 최소 ac 입력 전압
: Vin(min) = 85Vrms
- 전달 지연 : tprop = 300ns

최소 입력 전압과 최대 입력 전압에서 도달하는 최대 피크 전류는 (식 1)로 계산할 수 있으며, 준공진 설계에서는 스위칭 주파수가 가변적이며 전압 및 부하 상태에 따라 결정되는데 이는 (식 2)를 따른다. 항은 MOSFET가 개방되었을 때의 자연 진동 주기를 나타낸다.
그에 상응하는 전력 용량은 다음의 (식3)과 같으며, (표 I)에 결과가 요약되어 있다. 이 어댑터는 최소 입력 전압에서는 68W를 공급할 수 있는데 최대 입력 전압에서는 100W를 낼 수 있는데 이는 어댑터 전력 용량이 47% 증가함을 나타낸다.
최대 입력 전압에서의 전력 용량을 제한하기 위해서는 설계에 과전력 보상 설계가 추가되어야 한다. 몇 가지 기존 기법들을 살펴보자.

저항을 통해 전류 감지 전압에 오프셋을 만들어 주기
이 간단한 기법은 벌크 레일(bulk rail)과 컨트롤러의 전류 감지(CS) 핀 사이에 저항을 연결하는 것으로 구성되어 있다.
이 기법은 전류 감지 신호에 양(+)의 오프셋을 만들어내 높은 입력 전압에서의 피크 전류 오버슈트를 보상하도록 한다.
이 기법의 가장 큰 단점은 고전압 레일에 직접 연결된 OPP 저항 ROPP로 인해 대기 모드에서의 전력 소모가 증가한다는 것이다. ROPP를 통해 입력 전압에서 그라운드로 가는 통로가 생성되었기 때문에 전체 전력 소모가 증가한다. OPP 저항에 의해 소모되는 전력은 (식 4)와 같다.
1kΩ의 직렬 저항 RCS에 0.3V의 오프셋을 만드는 1.2MΩ 의 OPP 저항의 경우 가장 높은 입력 전압에서 소모되는 전력은 114mW이다(식 5).
이것은 새로운 표준이 시행하는 대기전력 소모 제약 하에서는 받아들일 수 없는 수치이다.

컨트롤러의 고전압(HV) 핀을 이용해 CS 전압에 오프셋 주기
전류 감지 전압의 오프셋을 만드는 또 다른 방법은 (그림 5)에 설명된 것처럼 컨트롤러의 HV 핀을 이용하여 입력 전압을 감지하는 것이다. 전압 정보는 컨트롤러에 의해 내부적으로 처리되며 입력 전압에 비례하는 전류로 변환된다. 이 전류는 양(+)의 오프셋을 생성시키기 위해 CS핀과 감지 저항 Rsense 사이에 위치한 저항에 주입된다.
예전의 방법에 비해 이 접근방식은 전력 소모를 증가시키지 않는데, 그 이유는 OPP 저항이 벌크 레일에 묶이는 대신 낮은 전압 경로에 위치하기 때문이다. OPP 저항으로 인한 전압 강하는 수백 mV의 범위 내에 있는데, 이것은 이 저항에 의해 소모되는 전력이 무시할 만하다는 것을 의미한다.
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<보다 자세한 정보는 전자과학 2011년 09월호 참조해 주십시오>