오디오 시스템용 전력 공급장치 설계
스위칭 전원 공급장치는 짧은 하이 피크 부하의 소형 출력 필터 단에서 우수한 출력 레귤레이션을 유지하기 위해 크기가 커야 했었다. Power Integrations이 사용하는 새로운 설계 방식은 이 같은 과도한 설계가 필요하지 않다.
글│Andrew Smith, Power Integrations
오디오 시스템 설계의 흐름은 고성능의 오디오 품질을 소형, 경량, 저비용에 제공하는 것이다. 각 오디오 시스템의 핵심적인 부품인 전원 공급장치는 시스템의 크기, 무게, 전력 효율에 영향을 미치며 사운드 출력의 품질에 상당한 영향을 준다. 리니어 기술에 기반한 전통적인 전원 공급장치는 너무 거대하고 무겁고 비용이 비싸며 오디오 애플리케이션에 일반적으로 볼 수 있는 연속형 및 피크 요구조건 사이에 10:1 변환을 지원할 수 없으며 새로운 소형 폼 팩터에 맞지 않을 수 있다.
리니어 전원 장치의 부적절성
리니어 솔루션은 고성능을 유지하기 위해 피크 부하 이하에서 천천히 붕괴되는 대규모 전력 트랜스포머와 대량 출력 필터 단으로 거대한 스윙을 지원한다. 이 방식은 최신 오디오 시스템 설계의 성능과 효율성을 준수하는데 적절하지 않다.
리니어 전원 장치의 부적절성으로 인해 오디오 시스템 설계자들은 전원 공급장치 설계에서 스위치 모드 기술을 사용하고 있다. 스위칭 전원 공급장치는 짧은 하이 피크 부하의 소형 출력 필터 단에서 우수한 출력 레귤레이션을 유지하기 위해 크기가 커야 했었다. 그러나, 최첨단 고전압 기술로 전력 변환 IC를 공급하는 Power Inte-grations이 사용하는 새로운 설계 방식은 이 같은 과도한 설계가 필요하지 않다.
PKS606P에 기반한
전원 공급장치 레퍼런스
Power Integrations는 PKS606P에 기반한 전원 공급장치 레퍼런스를 개발했다. PKS606P는 오프 라인 스위치 IC의 피크스위치(PeakSwitch) 제품군의 일부로 고품질 오디오 및 비디오 장비의 요구조건을 만족시킨다. 피크스위치 IC 제품들은 혁신적인 온/오프 제어 기법을 사용하므로 기존의 PWM 레귤레이터와 리니어 전원 공급장치와 비교할 때 전원 공급장치 설계에 상당한 장점을 제공한다. 전원 공급장치는 온/오프 제어 기능을 지닌 고주파수 에너지 전송을 통해 오디오 시스템에서 발생하는 부하 변경에 매우 신속하게 반응할 수 있으며 가장 동적인 오디오 요구조건도 쉽게 지원할 수 있을 정도의 신속한 전력을 제공한다.
피크 출력 파워
3배 공칭이상의 피크 출력 파워는 레귤레이션 손실 없이 일정 기간 동안 제공된다. 이 피크 출력 전력은 연속적인 전력 제공에 필요한 이상의 전력 트랜스포머 크기를 증가시키지 않고도 가능하다. 온/오프 제어는 필요할 때만 출력 단에 전력을 공급한다. 낮은 부하에서 불필요한 스위칭 손실의 제거는 피크스위치 전원 공급장치가 어떠한 부하 조건에서도 고효율을 제공할 수 있다는 것을 의미한다. 이를 통해 오디오 시스템은 어댑터 전원 공급장치에서 요구되는 대기모드와 절전모드(Sleep Mode)의 효율성을 달성시킬 수 있으며 또한 캘리포니아 에너지 위원회(CEC: California Energy Commission)가 규정한 타이틀 24 한계(Title 24 Limit)처럼 새로이 제정된 에너지 표준의 요건도 충족시킨다.
파워 MOSFET
그림 1은 복잡한 애플리케이션 회로를 보여준다. 이 회로의 핵심은 Peak-Switch PKS606P(U1)으로, 8핀 DIP 패키지로 공급되어 피크 전력 전송에서 필수적인 히트싱크의 비용과 크기를 최소화시킨다. 피크스위치 IC는 700V Power-MOSFET, 낮은 EMI를 위한 주파수 지터링을 갖춘 오실레이터, 스타트-업을 위한 고전압 스위치 전류 소스, 전류 제한 기능이 하나의 모놀리식 디바이스에 통합되었다. 자동-재시작(Auto-Restart), 라인 저전압 센스, 이력현상의 열 셧다운 등 다양한 보호 기능들이 통합되었다.
"S"와 "D" 사이에 연결된 파워 MOS-FET은 시스템 클록으로 정의된 일정 주파수에서 변경된다. MOSFET 스위칭은 정류된 메인 입력에서 트랜스포머 2차측까지 에너지를 이동시킨다. 정상적인 동작 기간 동안, MOSFET의 스위칭은 EN/ UV 입력으로 제어된다. MOSFET 스위칭은 240μA 이상의 전류가 핀에서 흐를 때 더 이상 작동하지 않는다.
옵토-커플러를 통해 흐르는 DC OUT에서 EN/UV 입력에 이르는 피드백 신호는 MOSFET의 스위칭을 가능, 혹은 불가능하게 할 수 있으므로 부하 조건에 적절한 출력 전압 레귤레이션을 제공하게 된다. 바이어스 와인딩은 피크스위치 디바이스에 전력을 제공한다. 최적의 스마트 AC 센스 부품은 단락 회로, 과부하, 개방형 루프 오류 시의 셧다운 래치(Latch) 기능 등을 이용하여 파워 다운이나 절전 기간 동안 전력이 ON/OFF 되는 결함을 방지한다. 입력 회로는 퓨즈(F1)와 EMI 부품(R6, C9, L8, L4, C12, R9, R8, C13)으로 구성된다. AC 입력은 정류되고(D1-D4) 필터링 되어(C2) 1차측 전력 부품(T1 및 U1) 전반에 걸쳐 연결된다.
각 스위칭 주기의 플라이백 부분 동안 RCD-Zener 클램프 회로(L2, D5, R7, C11, VR1)는 U1 내부에 집적된 MOS-FET을 보호한다. 페라이트 비드(Ferrite Bead) L2 및 RC 스너버(Snubber) R7, C11은 고주파수 울림 현상을 줄임으로써 EMI를 감소시킨다. 커패시터 C4는 U1의 BYPASS(BP) 핀을 디커플하는, IC 내부에 정류된 전원 모드이다. 통합형 고전압 전류 소스는 U1에 초기 동작 전력을 제공한다. T1(핀 4 및 5), D6, C5, R3에 대한 바이어스 와인딩은 초기 스타트-업 이후, U1에 동작 전류를 제공한다.
출력 전압 피드백
출력 전압 피드백은 U2를 통해 안전 절연 장벽으로 커플된다. 트랜지스터 Q1, C19, R14, D9는 U2 포토레지스터가 보통 발생하는 고주파수 이득 손실을 방지함으로써 가동, 불능이 반복되는 스위칭 변환(펄스 번칭; Bunching) 현상을 방지한다. EN/UV 핀의 신호를 사용한 U1 내부의 컨트롤러는 MOSFET 스위칭 주기를 가동, 불능케 함으로써 출력 전압을 조절한다. 절연 경계의 2차측에서 D7은 T의 출력을 정류하고 C7과 C16을 충전한다. D7에 걸쳐있는 스너버 회로(R5 and C10)는 D7이 꺼질 때 발생하는 고주파수 울림 현상을 감쇄시킨다.
출력 전압 피드백은 2개의 별도 회로에서 파생된다. VR2 및 U2, C19, R16의 LED로 형성되는 회로는 피드백 신호의 고주파수(HF) 부분을 제공한다. R10, U3, 관련 부품으로 형성되는 회로는 피드백 신호의 저주파수(LF) 부분을 제공하며 DC 레귤레이션 셋 포인트를 결정한다.
HF 회로는 우수한 과도 부하 반응을 전원에 제공한다. LF 회로는 우수한 출력 전압 정확성을 전원에 제공한다. 두 회로 모두는 출력 전압이 셋 포인트 값을 초과할 때 U2에서 LED를 순방향으로 기울게 함으로써 동작한다. 직렬 전압은 VR2에 걸쳐 하강하며 U2 LED와 R16은 HF 회로를 위해 셋 포인트를 결정한다. 전압 디바이더(R12와 R13) 및 U3은 LF 회로를 위해 셋 포인트를 결정한다.
커패시터 C17은 HF 회로 주변에 물리적으로 위치되며 셋 포인트 임계를 실수로 촉발시키는 잡음을 감쇄시킨다. 제너(Zener) 다이오드 VR3는 피드백 루프에서 개방형 회로가 될 경우, 자동-재시작이 활성화 될 때까지 16V에서 출력 전압을 클램프 한다(30ms 동안 건너 뛰는 주기가 없게 된 후에 발생한다).
설계 요약
위에서 설명된 회로는 90-265 VAC에서 동작할 수 있으며 EN55022 B 전도 EMI 제한을 준수한다. 트랜스포머(표 2)와 성능 곡선(표 3: #4588)에 대한 자세한 설명은 파워 인티그레이션 디자인 아이디어 DI-134 http://www.powerint.com/PDFFiles/di134.pdf.에 있다. 피크스위치는 전원 공급장치 설계에 크기 및 비용을 확대시키지 않으면서 오디오 시스템에 높은 피크-전력을 제공할 수 있다. 피크스위치 제품군은 소형, 저가형 및 고성능 음악 시스템에 모두 이상적이다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 05월호>