소비전력 규제를 충족시키는

LNK364P를 이용한 저전력, 고효율 셀 폰용 충전기

세계적으로 미주, 유럽, 심지어는 중국에서도 휴면 전력 즉 대기 모드시의 소비전력 규제와 더불어 능동모드(Active mode)상태에서의 효율을 본격적으로 규제하려는 움직임이 일고 있다. 기존의 어댑터는 대기 모드시의 전력과 능동 모드시의 효율이 기대치 보다 낮아서 발전소에서 공급되는 전력의 대부분을 낭비하고 있다.

자료제공 : Power Integration Korea(www.powerint.com)

최근 들어 미주, 유럽, 심지어는 중국조차도 휴면 전력 즉 대기 모드시의 소비전력 규제와 더불어 능동모드(Active mode)상태에서의 효율을 본격적으로 규제하려는 움직임이 일고 있다. 이미 미국 정부에서는 자율적으로 모든 외부 전원 공급장치(External Power Supply), 즉 어댑터의 능동 모드시의 효율을 제한하기 시작했으며, 캘리포니아 주정부(California Energy Commission)에서는 강제 규정임을 발표했다. 기존의 어댑터는 대기 모드시의 전력과 능동 모드시의 효율이 기대치 보다 낮으므로 기존의 발전소에서 공급 되는 전력의 대부분을 낭비하고 있는 현실을 적극적으로 반영하고자 노력하고 있다. 이에 Power Integrations에서는 이미 10여년 전부터 고안하여 실제 적용하고 있는 EcoSmartTM을 이용한 저전력, 고효율을 구현할 수 있는 IC를 지속적으로 전세계 시장에 계속적으로 출시하고 있으며, 최근에 소형의 저전력, 고효율의 어댑터를 구현할 수 있는 LNK-XT 계열을 출시하여 셀 폰 충전기에 적용한 실례를 소개한다.

LNK-XT 계열군의 전기적인 특장점

그림 1은 LNK-XT 계열의 블록도이다.

① 획기적이고 매우 적은 수의 소자들로 회로구성을 가능케 하여 시스템 가격을 상당히 낮출 수 있다. 특히 보조전원을 사용치 않고도 무 부하 시265VAC 입력전압에서도 300mW의 소비전력을 제공하며 출력 3W 미만의 어댑터 구현 시 과도전압으로 인한 Clamp 회로 없이도 설계가 가능하다(ClamplessTM).

② 어댑터의 이상 동작 시, 즉 2차측의 단락상태나 또는 부궤환 시스템의 오동작(Open Loop)이 일어난 경우에 IC가 자동 재시작 기능(Auto Restart)이 동작하여 출력전력의 95%까지 줄일 수 있으므로 다른 부가의 오동작 개선회로가 전혀 필요하지 않다.

③ 간단한 ON/OFF 제어로 IC를 동작 시키기 때문에 궤한 보상이 필요 없으며 높은 밴드위스를 가지기 때문에 아주 빠른 스위칭 동작으로 인하여 과도시의 오버 슛트가 없으며 다이내믹 부하에도 아주 좋은 응답특성을 갖는다.

④ ON/OFF 제어로 인하여 아주 낮은 출력 부하에서도 높은 효율을 유지할 수 있어 최근에 대두되는 CEC 레귤레이션에도 충분히 만족시킬수 있다.

⑤ 주파수 지터링( F r e q u e n c y Jittering) 기능이 내장되어 Y1콘덴서 없이도 훌륭한 EMI 마진을 가진다.

⑥ 어댑터 내부의 과열방지를 위해 온도 단락기 능 ( T h e -rmal Shutdown)이 내장되어 IC의 접합 온도가 최소 135℃에 도달하면 동작이멈추고 75℃가 되면 자동으로 동작을 개시한다.

표 1은 LNK-XT 계열의 최대출력 전력을 표시한다. 그림 2는 LNK-XT 계열군을 출력 전력별로 사용할수 있는 개괄적인 적용 회로이다.

<표1: LNK-XT 계열의 최대출력 전력

실제 3.5W 어댑터 회로 설계 예와 동작 설명

그림 3은 실제 셀 폰의 5V, 700mA 충전기를 설계한 회로도이다. 그림 3은 LNK364P를 이용한 무선 전화기용 충전기(Travel Adapter)를 설계한 회로이다. 실제로 바로 양산 전 단계의 회로이며, PCB 설계에 의해 약간의 부품 값은 바뀔 수 있으나 기본 골격은 그대로 유지해도 무방하다.

Y1 커패시터 없는 어댑터의 트랜스포머 설계

그림 3의 트랜스포머의 전기적인 설계치는 LNK-XT 계열군의 출시와 동시에 배포된 PIXLs Designer rev 6.1에 의해 LNK364P를 이용한 최적화 설계를 할 수 있으며 설계자의 요구에 따라 설계치를 변경할 수도 있다. 코어로는 EE1616으로 설계하였으며, 충전기의 트랜스포머 설계 시 실제 최대 허용 출력전력이 중요하며, 그림 3 회로는 CC시의 전압 강하분과 출력 케이블로 인한 전압 강하분을 고려하면 대략4.5W 정도로 설계하면 된다. 또한 최근에 무선 전화기 사용자의 누설 전류로 인한 감전 영향을 거의 없애기 위해 충전기의 Y1 커패시터를 제거하여야만 하는데 이것으로 인해 전도성 그리고 방사성 잡음의 크기를 줄이기가 어렵다. 또한 정전기에 의한 방전 회로가 형성되지 않기 때문에 충전기의 시장 신뢰성에 위험한 영향을 주고 있다.그러나 폐사에서는 2년 전부터 Y1커패시터를 제거할 경우에 충분한 마진을 가질 수 있는 EMI 해결방법을 전세계적으로 제공하고 있으며, 실제로 수많은 고객사들의 충전기들이 PowerIntegrations의 지적재산인 EShield TM의 기술을 적용하여 생산 판매하고 있다. 그림 4는 E-ShieldTM 기술을 위의 회로에 적용한 권선 방법이다. 그림 4의 권선 방법은 EMI의 영향을 고려하여 크게 두 가지로 요약 할 수 있다. 첫째는 제 2권선과 코어의 영향을 최소화 시키는 제 1권선의 역할이다. 제2권선은 어댑터의 주 스위칭 권선이고 코어와 밀접한 잡음영향을 줄 수 있으므로 제 1권선으로 하여금 둘 사이의 잡음영향을 상쇄시킬 수 있다. 이것을 코어 상쇄 권선(Core Cancellation Winding)이라고 한다. 둘째는 제 4권선과 제 2권선의 영향을 최소화 시키는 제 3권선의 역할이다. 제 4권선은 2차측 즉 출력을 담당하는 권선이고 1차측의 주권선에 직접적인 잡음 영향을 줄 수 있으므로 제 3권선으로 하여금 둘 사이의 잡음영향을 차폐 시킬 수 있다. 이것을 차폐 권선(Shield Winding)이라고 한다.이와 같이 E-ShieldTM을 사용하면 네 개의 권선을 통해 저렴하고 용이하게 Y1 커패시터가 필요 없는 어댑터를 설계할 수 있다. 앞에서 언급했듯이 E-ShieldTM는 Power Integrations의지적재산이므로 승인 없이 무단으로 사용 할 수 없으나 Power Integrations의 IC 제품을 채용 시에는 E-ShieldTM기술을 사용하여도 무방하다.더욱 더 중요한 점은 E-ShieldTM을 사용한다 하더라도 반드시 자사가 특허권을 소유한 주파수 지터링(Frequency Jittering) 기능이 있는 LNK-XT 계열군 또는 Power Integrations 제품만 이 시장에서 요구하는 충분한 전도 및 방사 잡음에 대한 충분한 마진을 가진 어댑터를 설계, 대량 생산이 한층 용이할 수 있다. 그림 5는 실제 설계 제작된 위의 어댑터로 측정한 전도잡음 측정치이다.

여러 가지 CC/CV(Constant Current /Constant Voltage) 제어기

특히 CC/CV 제어기로 TM1051로 설계하였으나 기존의 트랜지스터와 션트 레귤레이터(KA431)를 사용한 회로 보다는 간단하며 출력전압과 전류를 정확하게 보정해 줄 수 있으며 충전기를 대량 생산을 할 때에도 생산수율을 극대화 할 수 있다. 특히 외부 온도 변화에 의한 트랜지스터와 션트 레귤레이터의 보상을 위해 별도의 NTC 써미스터가 필요 없으며 고 저온 시 CC/CV의 정밀도를 높일 수 있다. 이때의 출력 전압 변동폭은 4%이내이고 출력전류 변동폭은 9%이내이다.

또한 개개의 설계자의 요구에 따라 CC/CV 제어를 그림 6과 같이 트랜지스터와 션트 레귤레이터를 사용하여도 충분히 주어진 출력 전압, 전류 규정을 맞출 수 있다. 물론 이 경우에 반드시 온도 보상용 NTC 써미스터를 사용하여야 한다. 이 경우 반드시 지켜야 할사항은 그림 3의 회로보다 평균 효율이 3~4%정도 감소함으로 주의하여 설계하여야 하나 Power Integrations의 어떤 IC를 채용해도 무난히 CEC 규정을 만족 시킬 수 있다. 이 경우의 출력전압, 전류 변동폭은 TSM1051를 적용한 회로와 같이 규정 지을 수 있다. 또한 사용자의 전기적인 규정이 조금 더 느슨하다면 그림 7과 같이 CC를 위해서는 트랜지스터를 이용하고 CV는 제너 다이오드를 사용하여도 무방하다. 특히 2%제너 다이오드를 사용한다 하더라도 출력전압 변동폭을 10%, 전류폭은 20% 정도로규정 지어 설계하여야 한다. 그러나 위의 두가지 방법을 채용할 경우에 특별히고려해야 될 사항은 최근에 대두되는 능동 모드시의 효율을 반드시 고려해야 한다. 왜냐하면 충전전류를 감지하기 위한저항 값에 의해 소모되는 소비전력이 TSM1051를 채용시의 감지 저항값 보다 두 배 이상이기 때문에 능동 모드시의 효율을 4~5% 정도 감소하고 2% 제너 다이오드를 사용한다 하더라도 출력전압 강하가 심하게 발생하여 평균적인 효율을 감소시킬 수 있으므로 주의하여 선택하여야 한다.

LNK364P의 바이어스 전압 유무와 효율 측정치

LNK-XT 계열군은 TNY 계열군과 마찬가지로 보조전압이 없어도 저 소비전력, 고효율을 보장할 수 있는 제품이다. 그리고 보조전압이 없으므로 트랜스포머가 간단해지며 바이어스 전압이 불필요함으로 인하여 부품 수 3~4개 정도를 줄여서 어댑터를 조금 더 낮은 가격과 단순하게 설계할 수 있다. LNK364P의 동작전류는 주 제어기 모스페트의 드레인으로부터 공급을 받고 최대 250㎂이며 전류의 양이 거의로직 레벨 수준이라고 할 수 있으며 이것은 EcoSmartTM 기술로 만들어졌기 때문에 가능할 수 있다. 이로 인하여 높은 평활 전압으로부터 전류를 공급 받아도 무 부하시의 100mW 이하의 소비 전력과 능동 모드시의 평균 효율을 65%이상 구현할 수 있다. 표 2는 실제 위의 어댑터로 시험한 측정치이다. CEC의 평균 효율 규정은 표 3과 같다. 위에서 볼 수 있듯이 출력 케이블 전력손실과 CC 감지저항으로 인한 손실에도 불구하고 CEC에서 규정한 최소평균 효율을 여유 있게 만족시키는 것을 볼 수 있다. 이러한 LNK364P의 전기적인 성능은 현재 전 세계에 출시되어 있는 어느 IC 보다도 훨씬 우수함을 알 수 있다. 그리고 또한 무 부하시의 입력 소비전력 측정치는 표 4와 같다. 바이어스 전압이 없더라도 훌륭한 평균 효율 특성과 아주 낮은 무 부하 시소비전력 특성을 볼 수 있다.

만약 특정 고객의 더 높은 평균 효율과 더 낮은 무 부하 시 소비전력을 원한다면 출력 12VDC의 바이어스 권선을 추가하면 MOSFET의 드레인으로 부터동작전류를 공급 받을 때 보다 평균 효율은 3~4% 정도의 상승 효과를 발휘할 수 있고 무 부하 시 소비전 력 은 입 력 240VAC를 인가 했을 때 50㎽ 이하로 현저히 낮은전력을 얻을 수 있다.

LNK-XT 계열군의 신뢰성 측면에서의 강화된 점

신뢰성적인 측면에서 검토하면 Y1 커패시터가 없는 어댑터는 외부의 정전기에 의한 시장 불량이 발생할 가능성이 매우 높으나 이 또한 LNK364P의 바이어스 권선이 없으므로 LNK364P에 정전기를 인가할 경우 손상을 입는 경우가 거의 없다. 설사 바이어스 전압을 추가하더라도 바이어스 권선을 통해 IC동작 전류를 공급 받을 경우 10KΪ 이상의 높은 저항을 통과해야 함으로 거의 문제가 되지 않는다. 그리고 PL법(Product Liability)의 강화 조치에 의한 비정상적인 시험인 IC 주변 핀들을 강제로 단락 시킬 경우에도 IC 자체파괴를 제외한 주변 부품의 파괴가 없고 1차와 2차사이의 포토 커플러나 트랜스포커 등의 파괴가 일어나지 않는다. 왜냐하면 포토 커플러와 연결된 LNK-364P의 바이패스 핀의 내부에 보호회로가 그림 1의 블록도에서 볼 수 있듯이 내장되어 있기 때문이다. 그러므로 비정상 단락 시험 후에 1차와 2차 사이의 내전압 시험에도 충분히 견딜 수 있고 그 시험의 통과를 위해 제너 다이오드라든지 그 어떠한 부품의 추가 없이 LNK364P를 사용하는 것만으로도 그러한 시험들을 원만히 해결 할 수 있다.

LNK364P를이용한우수한성능과 낮은시스템가격의충전기구현

종합적으로 분석해 보면 최근에 전세계적으로는 낮은 가격의 충전기를 요구하는 반면에 전력공급의 수급 불안과 충전기 사용 안전문제 등으로 인해 CEC, EPA, EU Code of Conduct 그리고 한국의 KEMCO 등 전세계 에너지관리 기관들이 전기적인 성능향상과 안전문제를 규격쪽으로 매우 강화시키고 있는 현실을 감안할 때 적기에 출시된 LNK-XT 계열이 이러한 각각의 국가 기관들의 엄격한 규정을 충분히 만족시키면서도 고객 요구에 따른 매우 낮은 구조의 충전기 설계와 생산을 가능케 한다.

<자료출처 : 반도체네트워크 2006년 02월호>