Green FPSTM e-SeriesTM 제품군을 사용한 고효율 솔루션

글│Gwanbon Koo, Ph.D., Senior Engineer, Fairchild Semiconductor

 저렴한 비용과 크기 및 부피를 소형화할 수 있다는 장점 때문에, 전력 변환 산업에서 가장 보편적인 토폴로지 가운데 하나는 바로 플라이백이다. 그러나, 단일 스위칭 소자를 사용하는 토폴로지는 총 비용을 감소 시킬 수 있는 장점은 있으나, 하드 스위칭 모드에서 동작할 때 스위칭 손실이 증가된다는 단점이 있다. 지금까지 연구된 소프트 스위칭 기법과 관련된 수많은 논문과 특허들은 적어도 2개 혹은 그 이상의 스위칭 소자를 대상으로 하고 있으며, 이는 중대용량 전력 애플리케이션에 유용하다. 따라서 소용량 전력 애플리케이션을 위한 단일 스위칭 소자를 대상으로 하는 소프트 스위칭 기법의 개발이 필요하다.

 스위칭 손실을 감소시킴으로써 전체 효율을 증대시키기 위해, 페어차일드 반도체의 그린 페어차일드 파워 스위치(Green FPSTM) e-SeriesTM는 일반적으로 준공진형(quasi-resonant) 스위칭 기법으로 알려진 밸리 스위칭 기법(valley switching technique)을 사용하고 있다. Green FPS e-Series는 항상 스위칭 소자의 양단 전압이 로컬 최소값일 때 스위칭 소자가 켜지기 때문에 고효율뿐 만 아니라 우수한 EMI(Electromagnetic Interference) 성능도 함께 보여준다. 또다른 Green FPS e-Series의 우수한 장점 중의 하나는 입력 전압 및 부하 전류의 전체 범위에 대해 동작 주파수가 그다지 크게 변하지 않는다는 점이다. 스위칭 블랭킹 시간(tB)과 밸리 검출 윈도 시간(tW) 때문에 동작 주파수가 일정한 범위 내에서 제한이 되기 때문이다. 또한, Green FPS e-Series 는 강화된 보호 기능들로 인해서 비정상적인 상황이 발생할 때 컨버터의 신뢰성을 향상시킨다.

 지금까지 이 기고문을 읽은 독자들은 Green FPS e-Series가 무엇인가라고 질문을 제기할 수 있다. Green FPS e-Series는 Sense FET(Field Effect Transistor)과 합쳐진 페어차일드 반도체의 통합형 하이브리드 PWM(Pulse Width Modulation) 컨트롤러이다. 하이브리드 PWM 컨트롤러는 전통적인 PWM 컨트롤러와 준공진형 컨트롤러가 결합된 것을 의미한다. 페어차일드 반도체의 FSCQ-Series와 같은 전통적인 준공진형 방식의 IC들은 미리 정해진 순번(첫째번 또는 둘째번)의 밸리를 찾아서 항상 DCM(discontinuous conduction mode)으로 동작하는 반면, Green FPS e-Series는 입력 전압과 부하 전류 조건에 따라 일정한 주파수를 갖는 CCM (continuous conduction mode)이나 혹은 밸리 스위칭을 하는 DCM으로 동작할 수 있다.

그림 1. 부하 조건에 따른 전통적인 준공진형 컨버터의 동작 주파수

 스위칭 소자의 턴 온 순간에 발생하는 FET 출력 커패시터에 의한 용량성 손실이 감소되기 때문에, 전통적인 준공진형 IC를 사용한 컨버터에서 스위칭 손실은 감소된다. 그러나, 준공진형 기법이 애초에 스위칭 손실을 감소시키기 위해 채택되었다고는 해도 경부하 조건에서는 감소되는 것이 아니라 오히려 증가할 수도 있다. 그 이유는 미리 정해진 순번에서 밸리 스위칭(예를 들어서 항상 첫째번 밸리에서 스위칭을 한다고 하자)을 하면, 동작 주파수가 그림 1에서 보듯이 경부하 조건으로 갈수록 증가하기 때문이다. 반면, Green FPS e-Series의 동작 주파수는 tW 때문에 제한된다.

그림 2. 부하 조건에 따른 Green FPS e-Series의 동작 주파수

 tW는 그림 2에서 보듯이 밸리 검출 윈도 시간이다. 기본적으로, 스위칭 소자는 스위칭 소자 양단 전압의 로컬 최소값(즉, 밸리)에서 켜진다. 스위칭 소자가 일단 켜지면, 스위칭 블랭킹 시간 tB 동안 검출되는 밸리는 모두 무시된다. 다시 말하면, 다음 번의 스위치 턴 온은 tB 시간이 지난 이후에나 가능하다. tB 시간이 지나고 나면, 그림 2(A)~(C) 와 같이 밸리는 tW 기간 동안에만 검출된다. 밸리가 tW 기간 동안 검출되지 않을 경우, 스위칭 소자는 그림 2(D)에서 보듯이 tW가 끝나는 순간에 강제로 켜지게 된다. 부하 전류가 커지거나 입력 전압이 낮아지는 경우, 이와 같이 일정한 주파수로 CCM 동작을 하게 된다. 이상의 설명과 같이, 스위칭 주파수는 전통적인 준공진형 방식의 IC와 비교해 입력 전압과 부하 전류의 변동과 관계없이 tB 및 tW로 정의된 좁은 범위 내에 항상 존재하게 된다. 물론, 스위칭 손실은 경부하 조건에서 더 이상 증가하지 않는다.

 Green FPS e-Series는 고효율뿐 만 아니라 낮은 EMI 특성도 함께 보여준다. 턴 온 순간의 낮은 스위칭 소자 양단 전압이 바로 그 첫 번째 이유이다. 두 번째 이유는 그림 3에 제시되어 있다.

그림 3. dc 링크 전압 리플에 따라 가변하는 동작 주파수

Ac-dc 컨버터의 입력단에는 정류 다이오드와 링크 커패시터로 이루어진 정류 회로가 존재하게 마련이다. 따라서, 상용 주파수 60Hz (또는 50Hz)의 2배가 되는 120Hz(또는 100Hz)의 리플이 링크 커패시터 양단 전압에 실리게 된다. 어떤 일정한 입력 전압이 가해지고 있다고 했을때, 드레인 전류는 링크 전압이 최대가 되는 점에서 가장 가파른 기울기를 보여준다. 따라서 tW 내에서 밸리는 상대적으로 일찍 발생한다. 즉, 이순간 컨버터는 주어진 입력 전압과 부하 조건 하에서 최대 동작 주파수로 동작한다. 드레인 전류의 기울기는 링크 전압이 감소할수록 함께 감소하며, 이것은 피드백 신호가 일정하다고 가정할때에, tW 내에서 밸리가 오른쪽으로 이동하는 것을 의미한다. 따라서 동작 주파수는 ac 입력 전원이 링크 커패시터를 충전하기 시작할 때까지 계속적으로 낮아진다. 결과적으로 링크 전압의 리플이 동작 주파수를 주기적으로 변동시켜주게 되고, 이것을 "고유의 주파수 변조 기능(Inherent Frequency Modulation Function)"이라고 부른다. 이것은 EMI를 감소시키므로 작은 필터를 사용할 수 있게 해준다.

 밸리를 찾기 위해서 그림 4에서 보는 바와 같이 바이어스 와인딩 전압이 이용된다. 몇 개의 외부 부품이 추가로 필요하지만, 밸리가 검출되는 과정을 단계적으로 설명하기 위해 우선 3개의 저항만 추가된 것을 고려해 보자. 바이어스 와인딩 전압은 그림 4(B)처럼 스위칭 소자 양단의 전압에서 dc 오프셋(dc 링크 전압과 대응) 을 뺀 것과 같다. 수백 볼트의 스위칭 소자 양단 전압은 턴비 Na/Np와 사용된 저항들의 전압 분배에 의해서 적절한 크기로 스케일 다운되어 "Sync" 핀에서 관측된다. 여기서 Na와 Np는 바이어스와 1차 와인딩 각각의 턴수이다. 일반적으로 제어 IC에는 -0.3V를 초과하는 음의 전압이 입력될 수 없기 때문에, 그림 4(B)에서 음의 부분을 제거하는 것은 필수적이다.

그림 4. 밸리 검출 방법

 이것이 다이오드 Da가 추가되고 전압 분배가 2개의 저항이 아닌 3개의 저항으로 이루어지는 이유이다. 그림 4(C)는 Da와 함께 3개의 저항이 사용되었을 때 "Sync" 핀에서 관측되게 되는 파형을 보여준다. 그러나, 바이어스 와인딩 전압의 음의 부분이 제거되면서 가장 중요한 정보, 즉 밸리에 대한 정보도 함께 제거되어 버렸다. 이 상태로는 컨트롤러가 밸리의 위치를 찾을 수가 없게 되었다. 그래서 마지막으로 커패시터 Ca가 추가되고, "Sync" 핀에서 관측되는 전압은 그림 4(D)에서 보듯이 Ca와 사용된 저항들의 값으로 계산되는 시간 상수만큼 지연된다. 인위로 넣어준 내부 지연 시간(200ns)까지 함께 고려할 경우, 사용자는 스위칭 소자 양단 전압이 밸리가 될 때에 Vsync가 Vthl에 도달하도록 조정할 수 있다.

 전체 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 Green FPS e-Series는 여러 가지의 보호 기능을 갖추고 있다. 그 중에서도 OLP (Over Load Protection) 및 AOCP (Abnormal Over Current Protection) 등의 보호 기능은 Green FPS e-Series 에서 스위치가 턴 오프되는 순간에 발생하는 턴 오프 지연시간을 줄였기 때문에 기존의 FPS 들에 비해서 더욱 강화된 기능들이다. 이러한 보호 기능들은 출력 양단이나 2차측 정류 다이오드가 단락될 때 IC가 손상을 입지 않도록 보호해준다. 덧붙여 감소된 스위치 턴 오프 지연 시간은 IC가 다룰 수 있는 최대 전력이 입력 전압에 따라 바뀌게 되는 전력 불균형 문제를 감소시키는 데에도 기여한다. OVP(Over Voltage Protection)는 Vcc 대신 Vsync의 정보를 이용하기 때문에 더욱 정확해진다. 왜냐하면 Vcc는 출력 전압 뿐만 아니라 부하 조건과 관련된 정보를 함께 포함하는 반면, Vsync는 출력 전압만을 반영하기 때문이다. 기타 다른 보호 기능 중, TSD(Thermal Shutdown)는 IC 온도를 절대 정격 이하로 유지하기 위해 구현되고, 히스테리시스(hysteresis)를 갖춘 UVLO(Under Voltage Lock Out), LEB(Leading Edge Blanking), 소프트 스타트와 같은 기능들도 IC의 정상적인 동작을 보장하기 위해 사용된다.

 Green FPS e-Series 에는 표 1에서 보는 것처럼 7가지 제품들이 있다. 이 가운데 두 제품은 단일 칩이며, 나머지 다섯 가지 제품들은 투 칩(two chip) IC이다. 이 제품들은 충전기, 어댑터, 셋톱박스, DVD 레코더를 비롯해 PC 및 LCD TV용 보조 전원 공급장치 등과 같은 소용량 전력 애플리케이션에 적합하며 전력 범위는 universal 입력에서 최대 19W, 유럽형 입력에서 최대 25W 정도까지 사용이 가능하다.

 MOSFET 단품과 PWM 컨트롤러를 각각 이용해서 전체 시스템을 구성하는 방법에 비해, Green FPS e-Series는 전체 비용, 크기, 무게를 감소시키면서 동시에 효율성, 생산성, 시스템의 신뢰성을 증가시킨다. Green FPS e-Series는 밸리 스위칭을 하는 플라이 백 컨버터의 효율적인 저가 설계에 매우 적합하다. Green FPS e-Series를 이용해 고효율 솔루션을 즐겨보자.