플라이백 SMPS의 입력 캐패시터 크기 축소 위해
`온타임 익스텐션` 사용하기 (1)
온/오프 컨트롤 기능(on/off control function)을 통합한 온타임 익스텐션은 전압 조절 성능을 제공하는데 이는 기존 펄스폭 변조(PWM, Pulse-Width Modulation) 컨트롤을 대신하며 추가 회로가 없어도 되는 장점을 갖는다.
글│Rahul Joshi, Power Integrations
마이크로프로세싱 기반의 디바이스는 입력 파워 정전을 감지하고 메모리 백업이 이루어지는 동안 파워를 공급해주는 정류된 전력 공급기(PSU, Power Supply Unit)가 필수적이다.
이 솔루션을 통해 더 높은 출력 전압을 산출하고 백업에 필요한 시간 제공을 위해 선형(Linear) 전압조절기(Regulator) 입력 시점에서 커패시턴스(Capacitance)을 사용할 수 있다. 그러나 이러한 방식은 에너지 효율성이 떨어진다. 이는 파워 공급 회로의 제 1차 측면에서 고전력 기반의 더 큰 트랜스포머 및 부품이 필요한 제 2차 선형 전압조절기를 사용하기 때문이다. 
또 다른 방식으로는 PI의 스위처 IC 시리즈에 적용된 온타임 익스텐션(On-Time Extension) 기술이 있다. 온/오프 컨트롤 기능(On/Off Control Function)을 통합한 온타임 익스텐션은 전압 조절 성능을 제공하는데 이는 기존 펄스폭 변조(PWM, Pulse-Width Modulation) 컨트롤을 대신하며 추가 회로가 없어도 되는 장점을 갖는다(그림 1참조).
TinySwitch-III IC는 700V 파워 MOSFET, 낮은 EMI용 주파수의 오실레이터, 스타트업용 고압 변환 전류 소스 및 전류 제한 온-오프 컨트롤러를 모놀리식 디바이스를 통합한다.
그림 1에서 S와 D 사이에 연결된 파워 MOSFET은 컨트롤러에 의해 확정된 주파수 및 듀티 사이클에 따라 변환되며 정류 주요 입력에서 제 2의 트랜스포머로 에너지를 전환시킨다. 정상 운용 시 MOSFET은 EN/UV 입력에 의해 변환 조정된다. 이 때 핀에서 115㎂ 이상의 전류가 흘러나오게 되면 MOSFET 스위칭은 불가능해진다. 
옵터-커플러(Opter-Coupler)에서 EN/UV 입력으로 통하는 DC OUT으로부터의 피드백 시그널은 MOSFET 스위칭을 가능 또는 불가능하게 할 수 있으며 로드 조건에 맞춰 출력 전압을 조절한다. TinySwitch-III 디바이스는 선택 사양인 편향 권선을 통해 파워를 제공받는다. 편향 권선이 없을 경우 TinySwitch-III 부분은 내부 고압 전류 소스를 통해 자체 전력 모드로 구동된다.
정상 운용 모드에서 컨트롤러가 스위칭을 구현시키는 최대 듀티 사이클은 컨트롤 루프 확보를 위해 제한되며 회로 보호를 강화한다. 그러나 입력 공급에 실패하고 DC 버스 압력이 떨어지기 시작하면, 듀티 사이클의 제약성이 로드로 전달되는 에너지의 양을 감소시킨다. 온타임 익스텐션은 충분한 시간 확보에 유리하며 입력 캐패시터에서 출력으로 전달되는 에너지를 최대화한다.
메모리 백업
셧다운 전에 중요한 데이터 저장이 필수적인 애플리케이션은 주로 조절된 공급 전압에서 나오는 EEPROM 메모리를 사용한다. EEPROM의 `쓰기`(Write) 싸이클은 최대 10ms의 시간이 걸린다. 이 사이클에 충분한 시간 확보를 위해 꼭 필요하지 않은 로드를 제거하려면 입력 DC 버스 필터 커패시턴스에 저장된 에너지를 사용함으로써 절전 시 전력 소비를 줄여야 한다(그림 2참조).
플라이백 컨버터 토폴로지는 저비용, 적은 부품 수, 저전력 및 전반적인 입력을 위한 설계의 용이성 등의 이점을 제공한다. DCMDE(Discontinuous Conduction Mode/Duty-Cycle Extension)에서 운용되는 플라이백 컨버터와 DCMDE(Dis-continuous Conduction Mode/Duty Cycle Extension)용으로 온타임 익스텐션을 사용하는 플라이백 컨버터를 비교 평가해보자.
저하된 입력 전압에서 전력 전달하기
케이스 1: DCMFF
최대 50%의 듀티 사이클을 가진 DCMFF 컨버전 단계의 전력 전달이 100 kHz에서 구동되고 500μH의 제 1차 인덕턴스를 사용하는 21.25W(5V@ 4.25A)의 전력 공급 설계에 적당한지를 평가한다(그림 3참조). 측정된 효율성은 84%이다. 이러한 설계에 필요한 Vmin은 100V이다. 100V DC 버스 전압에서 연결된 로드가 21.25W의 전부하(Full Load)와 같을 시 듀티 사이클은 최대가 된다.
-회로 운용
t0에서 MOSFET Q1은 전원이 켜지고 t0과 t1 구간에서 그 전원이 유지된다. 이 구간에서 유지되는 동안 제 1의 전류는 선형으로 증가하는데 그 경사도는 입력 DC 전압 Vin의 성능을 나타낸다. t1에서 MOSFET Q1의 스위치 전원이 꺼지고 트랜스포머 t1의 1차 및 2차 권선이 끝나면 전압의 결과치가 반대로 된다.
다이오드 D1은 t1에서 전달되기 시작하는데 다이오드 전류는 제로에 이를 때까지 계속 감소된다. 다이오드 D1 전류의 피크 값은 트랜스포머 전환율과 t1의 제1의 전류 값에 따라 달라진다. 비연속성 설계를 위한 다이오드 전류는 MOSFET Q1 t2에서 다시 전원이 켜기지 전, 제로 수준까지 떨어진다. 이러한 운용 방식은 계속 반복되며 MOSFET Q1의 온타임 마지막에서 1차로 저장된 에너지는 모든 사이클의 2차로 전송된다.
100V이하 입력 전압 감소 및 설계의 최대 수치인 50%에 이르는 듀티 사이클을 기반으로 온타임 끝에서 흐르는 인덕터의 피크 전류는 출력 시 모든 로드를 지원하는데 필요한 값보다도 낮다. 그림 3의 파형 점선은 줄어든 DC 버스 전압으로 인한 변화의 특성을 보여주는 것으로 일정한 출력 전압을 유지하기 위해 로드가 감소함을 알 수 있다. 인덕터 전류의 경사도는 입력 DC 전압의 성능을 나타낸다. 일단 듀티 사이클이 50%에 이르게 되면 듀티 사이클에서 더 이상은 증가 현상이 일어나지 않으며 온타임은 모든 스위칭 사이클을 위해 고정 유지된다. 이는 각 사이클의 에너지 전환을 감소시킬 뿐 아니라 방정식(1)에 따른 설계의 최대 전력량도 감소시킨다.
50%에 이르는 최대 듀티 사이클의 DCMFF 설계에 있어서 방정식(2)는 최대 출력 파워와 DC 버스 전압 사이의 관계 정보를 제공한다.
그림 4는 회로의 최대 전력량 전압이 감소하는 것을 보여주고 있다. 50%의 전부하 로드를 위해 회로는 출력이 69V의 DC 버스 전압으로 떨어질 때에 유지 조절된다. 
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 09월호>