실내용 조명으로 LED가 인기를 끌면서 가격이 중요한 요인이 되고 있다. 따라서 구조가 비교적 간단한 플라이백 컨버터가 LED 조명용 전원장치로 가장 적합하다고 할 수 있지만, 저가임에도 여전히 높은 효율과 역률이 필요하다. 이러한 난제를 극복하기 위해서는 최신 전력용 반도체가 필수적이다. 이 글에서는 간단하면서도 고성능 LED 조명용 전원을 위한 새로운 통합형 제어기와 고전압 슈퍼-정션 MOSFET을 소개한다.

글 | 강원석, 박인기, 페어차일드 반도체

1차측 플라이백 컨트롤러
FL7732는 고집적 PWM 제어기로서 저전력 플라이백 컨버터의 효율을 높이기 위한 새로운 기능을 제공하며, 특히 LED 조명용 전원을 위한 가장 간단한 회로 설계를 가능하게 한다. 1차측 제어를 이용한 1단 회로 구성은 가장 적은 외부 부품으로도 전원장치를 구성할 수 있으며 입력단의 커다란 커패시터나 피드백 회로가 필요 없으므로 원가를 크게 낮출 수 있다. FL7732에는 높은 역률과 낮은 THD를 구현하기 위해 일정한 온-타임을 이용한 제어가 사용됐다. 그림 1은 전형적인 응용 회로다.



정전류 제어는 LED 조명에 필요한 중요한 기능 중 하나다. FL7732의 정밀한 정전류 제어는 입력 전압과 출력 전압의 변화에 대해 정확한 출력 전류를 제공한다. 출력 전류는 정상 상태에서는 다이오드 전류와 거의 같기 때문에 MOSFET의 피크 전류와 인덕터 전류의 방전 시간을 이용해 예측 가능하다. FL7732는 출력 전류를 예상하기 위해 피크 검출 회로를 이용해 MOSFET의 드레인 전류를 가져오고 인덕터의 방전 시간과 스위칭 주기를 이용해 출력 전류를 계산한다. 이렇게 계산된 출력 전류 정보는 내부의 정밀한 기준 값과 비교되어 오차 전압을 만들어내고, 이 오차 전압을 이용하여 정전류 모드에서의 MOSFET 온-듀티를 결정하게 된다. 페어차일드의 고유 기술인 TRUECURRENT 방법을 통해 다음 식과 같이 정밀한 정전류 제어가 이루어진다.

일반적으로 1차측 제어 방법에서는 불연속 도통 모드(DCM) 동작이 출력 제어에 유리하기 때문에 많이 쓰이고 있다. 동작 주파수는 출력 전압에 비례하여 변화되어 DCM 동작을 유지하고 고효율과 간단한 설계를 가능하게 한다. 넓은 출력 전압 범위에 대해 DCM 동작을 유지하기 위해 선형 주파수 제어를 이용해 출력 전압에 대해 선형적으로 동작 주파수를 변화시킨다. FL7732는 보조 권선과 VS 핀에 연결된 저항 분배기를 이용해 출력 전압을 검출한다. 출력 전압이 감소하면 2차측 다이오드의 도통 시간이 증가하며 선형 주파수 제어 기능이 스위칭 주기를 증가시켜 컨버터가 계속 DCM 동작을 하도록 한다. 주파수 제어는 또한 1차측 rms 전류를 낮추어 부하가 높은 경우에도 더 나은 효율을 제공한다.
FL7732는 또한 개방 LED, 단락 LED, 과열 등에 대한 보호 기능을 제공한다. 이 중 중요한 기능은 단락 LED 조건에서 전류 제한 수준을 자동으로 낮추어 출력 전류를 최소화하고 외부 부품들을 보호하는 것이다. 그리고 EMI 성능을 높이기 위해 주파수 건너뜀 기능도 제공한다.

새로운 슈퍼-정션 MOSFET
고전압 MOSFET 기술에 있어 낮은 온-저항을 위한 가장 주목할 만한 성과는 전하-균형 기술이라고 할 수 있다. 이 기술은 기존 플래너 기술과 비교해 기둥 모양의 깊은 p형 바디 구조를 갖고 있다. 이 기둥 모양의 깊은 p형 바디는 낮은 농도의 에피 영역에서 전기장을 제한하여 항복전압을 같은 수준으로 유지하면서도 n형 에피의 비저항을 크게 낮출 수 있다. 이렇게 낮은 온-저항 특성과 더불어 2세대 SuperFET 짋 기술은 출력 커패시턴스에 저장되는 에너지가 보다 작아졌다. 출력 커패시턴스에 저장되는 에너지는 매 스위칭 순간마다 MOSFET을 통해 방전되기 때문에 LED 조명과 같은 저전력 분야에서 특히 중요하다.
20 W 정격의 LED 조명용 전원을 이용해 SuperFET짋 Ⅱ 기술의 특성을 검토했다. 해당 전원은 원래 페어차일드반도체의 600 V급 MOSFET인 FDD5N60NZ와 FL7732를 사용하여 설계되었던 것으로 FDD5N60NZ는 플래너 기술을 사용한 제품이며 2 Ω의 온-저항값을 갖는다. 같은 가격대에서 SuperFET Ⅱ 기술은 0.9 Ω이라는 낮은 온-저항과 더 적은 출력 에너지 값을 제공한다. 이렇게 향상된 특성으로 SuperFET Ⅱ 기술은 컨버터의 효율을 크게 높일 수 있다. 그림 2는 AC 입력을 변화시키면서 측정한 효율 결과이다.



SuperFET Ⅱ 기술이 전 입력 범위에서 가장 높은 효율을 보이고 있으며 기존 제품인 FDD5N60NZ에 비해 큰 효율 개선이 있음을 확인할 수 있다. SuperFET Ⅱ 기술은 또한 온-저항값이 같은 경쟁 슈퍼-정션 제품에 비해서도 높은 효율을 기록했다. 특히 입력 전압이 높은 경우에 좋은 결과를 보이고 있는데, 이는 낮은 출력 에너지 특성이 어떻게 시스템 효율에 영향을 주는지 확인할 수 있는 좋은 예이다. 온-저항값이 같기 때문에 효율 차이는 주로 스위칭 손실 차이에 따른 것으로 예상할 수 있다. 그림 3에서 경쟁 제품은 드레인-소스 전압이 증가할수록 출력 커패시턴스에 보다 많은 에너지를 갖는다. 이는 입력 전압이 높아질수록 MOSFET이 켜지는 순간 보다 큰 전력 손실이 발생한다는 의미이다. 따라서 그림 2에서의 효율 측정 결과는 그림 3의 단품 특성과 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.

결론
LED 조명용 전원은 높은 역률과 효율, 안전 규격을 위한 절연된 2차측, 그리고 한정된 공간으로 인해 적은 부품수가 요구된다. FL7732와 SuperFET Ⅱ은 이러한 요구 조건을 만족시키는 완벽한 솔루션이라 할 수 있다.