전원 공급장치의 효율성 증대로
에너지 절약 방법

페어차일드 파워 스위치는 단일 패키지에서 고전압 FET를 통합함으로써, 외부 부품 수는 감소되고 비용이 절감될 뿐만 아니라 PCB 공간도 감소된다.
잘 알려진 고정 주파수 플라이백 컨버터를 사용하면, 그 효율성은 구식의 60Hz
트랜스포머 방법 이상으로 급격히 향상될 수 있다.

                                                                           글│페어차일드 반도체 코리아

그린 (Green)" 전력은 합리적인 이유로 전자 제품 업계에서 널리 퍼져 있다. 전자 기기의 보급은 한 국가의 전력망에 대한 중압감을 더욱 가중시키고 있다. 게다가, 에너지 공급을 보존해야 하는 명백한 필요성도 존재한다. 정부 관련 청사를 비롯해 공공 사업체들은 엔지니어들이 더욱 전력 효율적인 전자 제품, 특히 외부 전원 공급장치를 사용하는 제품을 개발하도록 장려하기 위해 관련 법규와 정책을 마련하고 있다. 반도체 업체들은 대기 전력을 감소시키고 효율성을 증대시키는 제품을 공급함으로써 이러한 법규를 준수하는 데 중요한 역할을 담당하고 있다.
랩톱 컴퓨터, 프린터, 모뎀, 배터리 충전기를 비롯해 외부 전원 공급장치를 필요로 하는 제품의 리스트는 광범위하다. 수많은 제품들이 개별적으로 전력을 거의 사용하지 않는다고 해도, 수많은 제품과 가정용 제품들이 복합적으로 사용될 경우, 효율성을 증대시킴으로써 절약할 수 있는 에너지는 대단한 양이 된다. 미국 환경 보호국(Environmental Protection Agency)의 에너지스타(Energy Star) 프로그램은 이러한 전원 공급장치의 효율성을 증대시킴으로써 매년 320억 kWhr를 절약할 수 있을 것으로 예측된다.
가전 제품들이 "꺼져"있거나 "절전(Sleep)" 모드 일 때 조차도, 제품의 다양한 기능을 유지하고 구동시키기 위해 여전히 전력이 필요하다. 1990년대 후반에 시작된 에너지스타 프로그램은 다양한 소비자 가전 제품들이 "꺼져(Off)"있을 때 효율성을 증대 시킴으로써 잠재적인 에너지 절약을 현실화할 수 있도록 시행되었다. 이 프로그램은 1와트 정책(One Watt Initiative)으로 확대되어, AC 라인에서 소모되는 1W 전력은 수많은 가전 제품과 소비자 제품을 위한 제한선으로 자리잡았다. 이 제한선은 더욱 엄격하게 적용되어 이제 외부 전원 공급장치에 사용되는 전력 제한선이 1W 미만으로 자리잡았다.
에너지스타 프로그램은 외부 전원 공급장치를 다음과 같이 정의한다. 외부 전원 공급장치란 AC 라인 전압을 단일 저전압 DC 혹은 AC 출력 전압으로 변환시키는 최종 제품의 개별 기기(Housing)이다. 에너지스타 검증 요건을 충족하기 위해, 제품은 "켜짐(On)" 상태나 동작 모드를 모두 충족시켜야 할 뿐 만 아니라 "꺼짐"이나 무부하 효율 규격도 준수해야 한다. 에너지스타에 따르면 무부하(No Load)는 전원 공급장치에 대한 입력이 AC 전력으로 플러그 되었으나 전원 공급장치의 출력 단자로 연결되지 않은 상태로 정의된다. 이에 대한 한 예로 휴대전화가 충전기에 연결되지 않았으나 충전기는 AC 전력으로 플러그된 상태인 경우가 될 수 있다. 이에 관련된 규격은 표 1과 표 2(1)에서 정리된다.



표 1에서 Ln은 자연로그를 의미한다. 외부 전원 공급장치에 대한 에너지 스타 테스트 기법은 100%, 75%, 50%, 25%의 정격 출력 전류에서 동작 모드 동안 전원 공급장치의 효율성을 테스트하는 것과 관련이 있다. 4개의 데이터 포인트 평균은 그 다음 계산된다(2). 결과를 바탕으로, 표 1의 알맞은 등식은 최소 평균 효율을 결정하기 위해 사용된다.
설계 엔지니어들은 위의 요구 조건을 만족시키는 가장 비용 효율적인 방법을 결정해야 한다. 가장 최근까지도, 단순 전압 강하를 위한 궁색한 방법인 60Hz 트랜스포머는 낮은 재료비용이 드는 손쉬운 방법이였다. 그러나, 이 방법은 위에 제시된 새로운 규격을 준수하지 못한다. 따라서, 대부분의 외부 전원 공급 장치들은 효율을 증대시키기 위해 스위치 모드 전원 공급장치를 사용한다. 토폴로지의 선택은 보통  플라이백 컨버터이다.
그림 1은 페어차일드 파워 스위치(FPSTM: Fairchild Power Switch)를 이용한 일반적인 출력 플라이백 전원 공급장치의 블록 다이어그램을 보여준다.

페어차일드 파워 스위치는 단일 패키지에서 고전압 FET를 통합함으로써, 외부 부품 수는 감소되고 비용이 절감될 뿐 만 아니라 PCB 공간도 감소된다. 잘 알려진 고정 주파수 플라이백 컨버터를 사용하면, 그 효율성은 구식의 60Hz 트랜스포머 방법 이상으로 급격히 향상될 수 있다. 60Hz 트랜스포머와 리니어 레귤레이터를 사용하면, 그 효율성은 일반적으로 45~50% 범위에 속한다. 플라이백 타입의 스위치 모드 전원 공급장치는 75~85% 범위의 효율성을 가질 것이다. 그러나, 기존의 고정 주파수 플라이백 컨버터의 효율성을 증대시키는 방법들도 존재한다.
예를 들어, 효율성은 의사 공진형(quasi-resonant) 기술을 향상시킴으로써 표준 고정형 주파수 스위치 모드 전원 공급장치 이상으로 향상될 수 있다. 의사 공진형 스위치 모드 전원 공급장치는 주요 스위칭 FET에서 스위칭 손실을 감소시킴으로써 효율성을 향상시킨다. 최대 5%의 효율성 향상은 표준 고정형 주파수인 하드 스위칭 컨버터에서 의사 공진형 기술로 실현될 수 있다. 이 기술을 더욱 더 잘 이해하기 위해, 하드 스위칭 컨버터의 동작에 대한 검토가 준비되어 있다. 그림 2는 전통적인 플라이백 컨버터의 스위칭 파형을 보여준다.

전통적인 플라이백 컨버터에서, FET가 꺼져 있을 때, FET의 Coss , 트랜스포머 용량, 반사된 다이오드 용량 등을 포함해 회로 주변에서 발생하는 다양한 기생 커패시티는 충전이 될 것이다. FET가 다시 켜질 때, 이러한 기생 커패시티는 대용량 전류 스파크를 일으키는 FET로 방전될 것이다. 이 같은 대용량 전류 스파이크는 총 스위칭 손실에 원인이 된다. 그러나, 의사 공진형(Quasi-Resonant) 컨버터에서, FET의 드레인-소스 전압은 컨트롤러에 의해 감지되며 드레인-소스 전압이 최소일 때 처음 밸리(Valley) 기간 동안 FET를 켤 것이다. 그 결과는 의사 공진형 컨버터의 스위칭 주파수가 오실레이터에 의존하는 것이 아니라 1차 인덕턴스, 공진형 커패시터, 입력 전압 치 출력 전력에 의존되는 것이다. 그림 3은 의사 공진형 스위칭을 보여준다.

의사 공진형 스위칭 결과는 훨씬 감소된 턴 온 전류 스파이크이다. 이 것은 스위칭 손실을 감소시킨다. 그 결과 효율성을 향상시키고, 또한 EMI 신호를 감소시킨다. 공급장치의 설계에 따라, 제로 전압 스위칭을 달성하는 것을 상상할 수 있다. 효율성이 향상될 뿐만 아니라 스위칭 FET의 강도도 감소되어 그 결과 신뢰성이 향상된다. 페어차일드 반도체는 광범위한 전력 레벨을 위해 설계된 다양한 범위의 의사 공진형 전력 스위치 제품들을 제공한다.
대기 모드에서 효율을 증대시키기 위해 몇 가지 다른 방법들이 있다. 일반적으로 각 방법은 주파수 감소 기법의 일부에 해당한다. 이에 대한 이유는 스위칭 손실이 더 많은 퍼센트의 총 손실이 되기 때문이다. 이 때 부하는 감소된다. 1차 측 FET와 출력 다이오드의 스위칭 손실은 주파수와 직접 관련이 있으며 주파수를 낮춤으로써 손실이 감소될 수 있다. 불연속 전도 모드에서 플라이백 전원이 동작하는 경우, 출력 다이오드 스위칭 손실은 매우 낮다. 그 이유는 다이오드를 통한 전류가 이에 대한 전압이 역회전 하기 전에 제로까지 하강되기 때문이다. 1차측 FET에서 스위칭 손실은 등식 1을 이용해 근접될 수 있다.

　　　    

이 등식에서, VDS는 드레인 소스 전압이며, fSW는 스위칭 주파수이고, IDSpk는 변환 시간에서 피크 드레인 전류이다. 또한 tSWon와 tSWoff는 변환 시간이다. 스위칭 주파수가 감소될 때 스위칭 손실이 감소된다는 것을 등식 1에서 볼 수 있다. 수많은 최신 디지털 스토리지 오실로스코프는 스위칭 디바이스에서 소비되는 전력을 측정하는 기능을 갖추고 있다. 드레인 전류뿐만 아니라 드레인-소스 전압을 살펴 봄으로써, 이 범위의 향상된 수학 함수들은 디바이스에서 소모되는 총 전력을 추측할 수 있는 역량이 갖춰져 있다.
대기 상태의 효율을 향상시키기 위해 FPS는 주파수를 감소시키는 버스트 모드 기법을 활용한다. 그림 4는 FPS가 대기 모드에서 어떻게 동작하는지를 보여준다.

제품의 부하가 감소될 때, 피드백 전압인 Vfb 또한 감소된다. 디바이스는 피드백 전압이 500mV 미만으로 하강할 때 자동으로 버스트 모드로 전환될 것이다. 주요 디바이스의 스위칭은 여전히 지속될 것이지만, 내부 전류 제한은 트랜스포머에서 유입 밀도를 제한하기 위해 낮아진다. 스위칭은 피드백 전압이 지속적을 하강할 때 지속될 것이다. 일단 피드백 전압이 350mV로 도달하면, 스위칭은 멈추고 전원 공급장치의 출력 전압은 부하 전류와 독립적인 속도로 하강할 것이다. 이것은 차례로 피드백 전압을 상승시킨다. 일단 Vfb가 500mV로 도달하면, 스위칭은 다시 동작할 것이다. 이것은 이 과정이 반복될 때 피드백 전압을 다시 하강시킨다. 이 버스트 모드 동작의 넷 효과는 대기 모드에서 소비되는 전력을 급격히 낮춘다. 한 예로, 페어차일드의 FSDH321은 0.3W 부하를 구동할 때 AC 라인의 0.65W만 소비할 것이다.
대기 전력을 비롯해 동작 전력을 감소시키는 또 다른 방법은 스타트업 레지스터에서 소비되는 전력을 감소시키는 것이다. 스타트업 레지스터를 사용하면 전원이 AC 전력에 연결될 때 마다 전력이 레지스터에서 소비되게 한다. 이 때 값비싼 불연속 회로는 포함되지 않을 경우이다. 대부분 FPS 디바이스는 스타트업 레지스터를 필요로 하지 않는다. 이 같은 전력 손실은 고전압 전류 소스가 디바이스 내부에 포함되기 때문에 완화된다. 시스템이 시작된 이후, 전류 소스는 고전압 DC 링크에서 불연속 되어 그 결과 전력이 감소된다.











<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 04월호>