IR1167 SmartRectifierTM 컨트롤 IC를 사용하는
2차측 정류
이 글에서는 2차측 정류의 특성을 간단히 소개하고 있으며 스마트 정류기 제어 IC의 원리 및 설계가 자세히 설명하고 있다. SmartRectifier 기법은 SR 스위치(동기식 정류기 스위치)에 대한 전압을 측정함으로써 이러한 2가지 기법에 대한 좀 더 나은 대안을 제시한다. SmartRectifier는 1차측에서 신호에 의존하지 않으며, 고속 응답을 제공한다.
글│Raphael Li, ZHANG Wei-zuo, International Rectifier
최근에 디지털 회로의 전압은 지속적으로 하강하는 반면, 전력 밀도는 점점 증가해 2차측 정류를 위한 조건은 계속 강화되고 있다. 다이오드 사용에서부터 동기식 정류에 이르기까지, 다이오드를 대체하는 동기식 정류기 스위치 사용의 증가가 소비 전력을 감소시키고 있다. 현재 스위치를 제어하는 2가지의 제어 기법이 존재한다. 즉 개별형(Separate) 및 칩 기법이다. 동기식 정류를 구현하기 위해 개별적인 부품을 사용하게 되면 느린 반응의 결과를 가져오며, 시스템 신뢰성을 저하시키게 된다. 단일 칩 동기식 정류는 위상 잠금 루프(PLL: Phase Locked Loop)를 기반으로 한다. 2차측에서 동기식 정류를 구현하기 위해 1차측의 신호를 사용함으로써, 이 기법은 경 부하 혹은 무부하를 이용한 절연상태에서 작동하는 것을 보장 받지 못한다.
SmartRectifierTM 기법은 SR 스위치(동기식 정류기 스위치)에 대한 전압을 측정함으로써 이러한 2가지 기법에 대한 좀 더 나은 대안을 제시한다. SmartRectifier는 1차측에서 신호에 의존하지 않으며, 고속 응답을 제공한다.
동기식 정류
한 가지 예로 6A/5V 플라이백 컨버터를 이용함으로써, 그림 1에서 보이는 것처럼, 좌측 회로는 다이오드 정류기를 활용한 것이며 반면 우측 회로도는 동기식 정류 MOSFET을 사용한다. 전압 하강과 각 디바이스의 전력 손실은 표 1에 기재되어 있다.
동일한 작동 조건하에서, 다이오드 정류기를 비교하면 동기식 정류 MOSFET은 더 적은 전압 강하의 특징을 가지며, 이것은 전력 손실을 감소시켜 준다. 더 낮은 열 손실로 인해, 디바이스의 크기 또한 더욱 작아지며 전력 밀도가 더욱 증가하게 된다. 대용량 전류 조건에서, 2차측 정류를 수행하기 위해 동기식 정류 MOSFET을 사용하는 것이 더욱 효과적이다. 그러나, 전류 동기식 정류 기법은 복잡한 회로를 요구한다. 가장 두드러진 기법들은 개별 운전과 위상 잠금 루프이다.
전자는 동기식 정류에 항상 이상적이지는 않다. 그 이유는 동기식 정류 MOSFET에서 바디 다이오드의 전도 시간이 상대적으로 길기 때문이다. 또 다른 이유로 턴 온을 위해 필요한 게이트 전압이 역동적이기 때문이다. 게이트 전압이 슈트 쓰루(Shoot Through)를 허용하는 것을 방지하는 작업은 외장형 PWM 제어와 같은 특별한 회로가 필요하거나 2차측에 스위칭 정보를 교차시키는 부품을 커플링하는 것이 필요하다.
이것은 스위칭 모드 전원 공급장치의 복잡도를 증가시킨다. 종종, 2개의 전류 센스 트랜스포머, 2개의 고속 비교기, 2개의 고전류, 느린 경과 시간 드라이버를 사용하는 방법은 더 느린 반응과 낮은 신뢰성의 결과를 보인다.
단일 칩 위상 잠금 루프는 1차측에서 턴 오프를 사용해 SR 스위치를 켤 수 있는 2차측에서 전압 신호를 만든다. 이 기법은 더욱 많은 주변 부품들을 이용한다. 전류가 절연 모드 상태가 될 때, 2차측에서 정류된 전류는 1차측 신호와 함께 항상 동기식이 아니다. 이 IC는 논리적으로 기능이 수행되지 않을 수 있으며 바디 다이오드 정류에 따라 SR 스위츠를 제어할 수 없다.
동기식 정류 이론
이 IC는 소스 전압에 대한 드레인을 차동적으로 감지하고 이것을 그림 3에서 보이는 3개의 전압 임계값 VTH1, VTH2, VTH3와 비교해 SR 스위치를 켜거나 끌 정확한 시간을 결정한다.
SR 스위치 켜기
그림 2에서 보이는 것처럼, 불연속 모드에서 플라이백 컨버터 작동은 한 가지 예로 이용될 수 있다. 1차측에서 스위치를 끌 때, 전류는 2차측의 SR 스위치에서 기생 다이오드로 이동된다(SR 스위치는 아직 켜지지 않는다). 그림 4에서 보는 것처럼, ID_SEC는 더 높은 (-) 전압 값 VDS_SEC을 생성한다(MOS-FET 온 저항을 통해 흐르는 전류로 유도된 전압 하강보다 더욱 높다). (-) 전압은 IR1167의 VTH2에 결국 도달해 SR 스위치의 턴 온을 유도하고, 전류가 드레인에서 소스로 흐르는 것을 가능하게 해 VDS를 감소시킨다.
전압 감소와 함께 동반되는 것은 전류 진동이다. 이 것은 -VDS를 VTH1 이하로 하향시킬 수 있으며, SR 스위치의 턴 온프를 유도할 수 있다. 따라서, IR1167IC는 가짜 턴 오프를 방지하기 위해 최소 온 타임(Minimum On Time)이 추가된다. 최소 온 타임은 외부 회로로 설정될 수 있다.
동시에, 프로그래머블 MOT(Mini-mum On Time)는 2차측의 최소 듀티 싸이클을 제한하며, 뿐만 아니라 2차측 스위치의 최대 듀티 싸이클을 제한한다.
SR 스위치 끄기
(DCM/CrCM에서 플라이백 컨버터)
SR 스위치가 턴 온 상태가 된 이후, 정류된 전류는 감소된다. 차례로, VDS의 절대값도 정류된 전류가 VTH1에 도달하고 SR 스위치가 꺼질 때까지 감소된다. 다른 컨버터 토폴로지는 서로 다른 턴 오프 조건을 가질 수 있다.
불연속 전도 모드에서, SR 스위치 턴 오프 위상 기간 동안 dI/dt는 더욱 낮으며, 일단 턴 오프 기준이 만족되면 (VDS
SR 스위치 끄기
(플라이백 컨버터 CCM)
그림 5에서 보는 것처럼, 이 회로가 전도 단계 동안 CCM에서 작동할 때, 전류는 감속될 것이며 -VDS는 감소될 것이다.
주요 스위치가 다시 켜질 때, SR FET를 통한 전류는 급격하게 감소될 것이며, VTH1을 지나 -VDS를 감소시키고 SR FET을 끈다. CCM에서 2개의 전도 모드에서 다른 잔류 전류는 1차 측면에 비해 2차 측면을 자유롭게 움직일 것이다. 따라서 CCM에서 시간 조절은 1차 측면과 2차 측면에서 전도를 방지하는데 결정적이다.
동시에 정확하게 시간이 맞춰진 턴 오프는 스위치에서 전력 손실을 감소시켜 준다. 분명히, 스위치를 끄는 최적의 시간은 전류가 제로에 도달할 때이다. 재동작을 위해(데이터 시트에서 tDoff) IR1167의 내부 로직 구동을 위해 요구되는 시간과 완전한 방전을 위한 게이트(게이트 루프 시간 상수의 3배 τgate off = (RgFET + Rg + rdown)․Csync, 여기서, 저항들은 내부 MOSFET 게이트 저항, 외부 게이트 레지스터, 드라이버 풀 다운 저항이다)를 고려함으로써 100ns 이내로 턴 오프 되기 전에 신호를 보내야 한다.
SmartRectifier의 장점
스위치에서 전력 손실 감소시키기
그림 6은 IR 1167- Qg, Qgd, Vgs로 제공되는 동기식 정류 신호에 의해 구동되는 MOSFET의 게이트 충전이다. IR1167은 SR 스위치가 켜지기 전에 다이오드를 통해 전류가 흐를 수 있기 때문에, SR 스위치에서 누수 전압은 하강되며, 따라서 Qg는 Qgd를 포함하지 않는다. 그림 6에서 검은 색 선은 SR 스위치가 변경되었을 동안 정기적인 게이트 특성을 보여준다. 점선은 IR116을 사용할 때 게이트 특성이다. 그 이전 것으로 요구되는 턴 온 게이트 충전은 Qg이며, 반면 나중 것으로 요구되는 게이트 충전은 Qg-Qgd이다. 이것은 스위칭 손실을 감소시키고 전력 효율성을 증대시킨다.
이러한 조건하에서 게이트 충전은 다음과 같이 기술될 수 있다:
전력 밀도 증대
그림 2에서 보는 것처럼, 동기식 정류를 위해 IR1167을 사용한 애플리케이션은 부품을 덜 필요로 한다. 전류 센싱 기법과 비교되는 SmartRectifier는 부품을 75%까지 감소시키고 전력 효율성을 1%까지 증대시킬 수 있으며, 전력 밀도도 더 증가한다.
광범위한 MOSFET을 구동시킬 수
있는 고전압 기술
수많은 동기식 정류 IC들은 저전압 애플리케이션을 위한 것으로 최대 5V가 될 수 있으나 이것이 동기식 정류의 보급을 제한시킨다. IR1167은 200V 기술을 사용하며, 30~200V에 이르는 MOSFET에서 애플리케이션을 가능하게 한다.
결론
IR1167이 제공하는 동기식 정류 및 SmartRectifier의 독자적인 기술 특징 덕분에, 드레인 및 소스에 대한 전압을 차동으로 감지함으로써 SR 스위치를 제어한다. 이 같은 간단한 방법은 전력 효율성을 향상시키고, 부품 수를 감소시켜 신뢰성 및 전력 밀도를 증가시킨다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 12월호>