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높은 파괴전압과 낮은 대기전력을 통한 오프라인 보조 전원공급장치 설계법

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글/제임스 리(James Lee), 온세미컨덕터 조명 부서 마케팅 담당

에너지 효율에 대한 필요성은 자동화의 모든 부분에 영향을 미치고 있다. 여기에는 가정 자동화(home automation)가 현재와 전혀 다른 의미를 뜻했던 시기에 고안된 가전제품도 포함된다. 이러한 제품에 의존하기 시작한 수십 년 전만 해도 에너지의 금전적, 환경적 비용은 소비자 편의보다 중요하게 여겨지지 않았다. 하지만, 최근 편의성과 비용 간의 불균형이 발생하면서 에너지 효율이 중요하게 다뤄지고 있다.
최선의 노력을 다했음에도 불구하고 아직까지 많은 가전제품이 물 또는 공기의 가열(전기포트, 오븐, 샤워시설, 세탁기), 공기 또는 기타 유체 냉각(냉장고), 대류(토스터, 오븐) 또는 일반적인 모션(세탁기 및 건조기의 전기 모터, 진공청소기)등의 조합을 통해 다양한 기능을 제공하므로 많은 에너지 소비한다. 소비자들이 사용하는 가전제품들은 주로 킬로와트시(kWs) 단위의 에너지가 요구되기 때문에 가정 내 전기 소비에 있어 가장 큰 부분을 차지한다.
많은 가전 제품들은 점점 더 정교한 제어 기능이나 사용자 인터페이스를 제공하고 있다. 이러한 센서, 디스플레이, 터치 감지 패널과 같은 장치들은 본질적으로 전력 소비량이 낮은 애플리케이션이다. 이러한 보조 기능을 위해 높은 전류를 공급하도록 설계된 전원공급장치로 전력을 공급하는 것은 비효율적이다. 특히, 이러한 주요 전력 집약적 기능을 사용하지 않을 때, 이용되는 보조기능인 경우 더욱 그러하다. 따라서 교류(AC) 전원에서 상대적으로 낮은 수준의 40W 미만 직류(DC) 전력을 공급할 수 있는 보조 오프라인 전원공급장치에 대한 수요가 발생하게 됐다.
보조 오프라인 전원공급장치의 주요 목표는 대기 상태에서 가능한 한 효율적인 전력을 제공하는 것이다. 이를 위해서는 비용, 공간, 그리고 에너지의 모든 측면에서 효율적인 방법으로 이러한 전원공급장치를 구현해야 한다.
제품 설계 엔지니어들은 가전제품의 안전 요건 또한 고려해야 한다. 전원공급장치 측면에서 이는 종종 절연 솔루션을 의미하지만, 경우에 따라 관련 규격에 의해 요구되는 전기 절연 수준은 물리적 설계를 통해 제공될 수 있다. 때문에 절연과 비절연 모든 방식에서 저전력 보조 오프라인 전원공급장치 애플리케이션 공간을 타깃으로 한 저전력 스위칭모드 전원공급장치(SMPS) 솔루션에 대한 수요가 증가하고 있다.

완전한 통합 솔루션

점점 더 높은 수준의 집적화와 강인한 반도체 제조 공정에 대한 요구가 증가하면서, 반도체 제조업체들은 오프라인 전력 변환을 위한 단일 칩 솔루션을 개발하는데 집중하고 있다. 스위칭 MOSFET와 제어 회로를 단일 장치에 통합함으로써, 이제 더 높은 수준의 전력 밀도를 가진 스위칭 모드 전원 공급기를 설계하는 것이 더욱 용이해졌다. 뿐만 아니라, 앞서 언급한 보조기능에 필요한 전력량에 최적화되어, 가전제품의 여러 영역에 사용될 수 있는 보조전력 또한 공급할 수 있게 됐다.
보조 전원공급장치에서 요구되는 전력의 범위는 애플리케이션과 기능에 따라 1W 미만에서 최대 70W까지 달라질 수 있다. 온세미컨덕터는 오랫동안 해당 애플리케이션 분야에 대한 솔루션을 개발해왔으며, 해당 솔루션의 포트폴리오 또한 확대하고 있다.
초저전력 보조 전원공급장치에 대한 수요가 증가함에 따라 온세미컨덕터는 최근 비절연(그림 1) 또는 절연(그림 2) 형태에 모두 사용 가능한 저전력 오프라인 스위치 모드 전원공급장치용으로 개발한 NCP1067x 고전압 스위처 제품군의 설계도를 공개했다. 해당 제품군은 컨트롤러와 파워 MOSFET을 하나의 SOIC7 패키지에 통합하여 제공함으로써 초소형으로 구현할 수 있다.

[그림1] 일반적인 비절연 애플리케이션(벅 컨버터)

[그림 2] 일반적인 절연 애플리케이션(플라이백 컨버터)

NCP1067x는 고정주파수 모드로 동작하지만 부하가 감소하면 소비 전력을 감소시키기 위해 자동으로 대기 모드로 전환하고, 이 때 스킵-사이클 기능을 이용한다. 해당 디바이스는 자체 전원 공급이 가능한 설계로 트랜스포머에 보조 권선(auxiliary winding)이 필요하지 않지만, 사용할 수 있는 경우 보조 권선을 통해 자동 복구형 과전압 보호기능을 사용할 수 있다. 출력 쇼트-서킷 보호로부터의 자동 복구 또한 시간 기반 탐지를 통해 구현된다.
온세미컨덕터의 고전압 기술을 적용한 NCP1067x는 12Ω 상당으로 낮은 RDS(on)의 700V 파워 MOSFET을 사용한다. 230V AC에 연결된 개방형 프레임 구성(frame configuration)에서 개발자는 15.5W를 제공하는 전원공급장치를 구현할수 있다. EMI를 개선하기 위해 NCP1067x는 입력전압의 공칭 스위칭 주파수에 약 ±6%의 변동을 더한 주파수 지터링을 채택한다. 지터를 적용하는 데 사용되는 톱니형태 파형은 디바이스 내부에서 생성한다. 비절연 설계에서는 출력 전압을 분배 및 작아진 비율을 트렌스컨덕턴스 증폭기에 적용하는 피드백 핀을 사용한다.

높은 파괴전압에 대한 수요 증가

파워 MOSFET 혹은 BVDS에 대한 더 높은 파괴전압을 필요로 하는 요구는 보조 전원공급장치 설계의 또다른 주요 요소다. 일반적으로 이는 트랜지스터의 실제 치수와 관련이 있는데, 더 큰 파괴전압은 곧 더 큰 트랜지스터를 필요로 함을 의미한다. 이는 대부분의 애플리케이션의 경우에 솔루션이 너무 커지고 비용이 너무 많이 드는 결과를 초래한다.
MOSFET이 통합된 대부분의 SMPS 스위처에 사용되는 기술은 평면적이다. 이는 시장 내 크기 및 비용에 대한 규정을 충족시키기 위해 BVDS가 700V인 장치를 만들었기 때문이다. 그러나 BVDS가 더 높을수록 서지 및 전압 스파이크에 대해 강화되므로 보다 강인한 최종 제품을 생산할 수 있다. 따라서 최근에는 기존과 같이 저렴한 소형 BoM 솔루션을 제공할 수 있는 더 높은 BVDS의 스위치를 공급하는 데 탄력이 붙고 있다.
여기에 대해 온세미컨덕터는 자체 개발한 SMPS 컨트롤러와 SUPERFET2 SJ(Super Junction) 기술을 기반으로 구축한 파워 MOSFET를 통합하여 스위처 모듈을 개발하여 800V의 BVDS를 공급하면서도 플라스틱 듀얼-인-라인 패키지로 제작할 수 있는 모듈을 만들었다. 이 혁신적인 제품군은 제품의 성능을 향상시키면서 실행 가능한 해결책을 제조업체들에 제공함과 동시에, 시장의 상업적 수요까지 충족시키는 최초의 제품군이다.
FSL5x8 전류모드 스위치 제품군은 PDIP-7 패키지에서 사용 가능하며, PWM 컨트롤러와 SUPERFET 2 파워 MOSFET로 구성된다. 보통 800V의 파괴전압을 얻기 위해서는 컨트롤러와 별도의 디스크리트 MOSFET를 사용해야 하지만, 온세미컨덕터는 SUPERFET 2 기술 덕분에 두 디바이스를 하나의 작은 패키지로 통합할 수 있었다.
이를 통해 설계자는 절연(그림 3) 및 비절연(그림 4) 플라이백 설계에 모두 사용할 수 있는, 단일 디바이스를 사용한 저전력 오프라인 보조 전원공급장치(약 40W)를 더욱 집적화된 방식으로 설계할 수 있다.

[그림 3] 절연 옵토-커플러 피드백(라인 감지 가능)

[그림 4] 비절연 다이렉트 피드백(라인 감지 불가)

NCP1067x와 FSL5x8 제품 내부의 비교기 역할을 하는 트랜스컨덕턴스 증폭기는 설계자가 비절연 플라이백 전원 공급기를 쉽게 개발할 수 있게하며, 이는 사용 가능한 보드의 공간 최적화 및 BoM의 최소화에 기여한다.
저전력 오프라인 전원공급장치의 대다수가 플라이백 모드로 작동하고 있는 상황에서, 온세미컨덕터의 전원공급장치 솔루션 포트폴리오에 추가된 두 가지 제품군은 더욱 집적화된 결합으로 더 나은 성능과 신뢰성을 제공해 전력 밀도를 높이고 BoM 비용을 낮추는 등 새로운 이점을 제공할 것이다.
모든 비절연 전원공급장치 설계는 전달할 수 있는 전력량이 제한되어 있지만, 본 기고에서 간략하게 설명된 제품군들은 보조 전원공급장치용 저전력 오프라인 전원공급장치 애플리케이션 분야의 저단부와 고단부를 모두 타깃으로 한 스위처 설계가 가능함을 보여준다. 또한 비절연 플라이백 컨버터는 일반적으로 절연형보다 효율적이기 때문에 운영 비용 또한 실현될 것이다.
보조 오프라인 전원공급장치를 사용하는 주된 목적은 최종 제품이 사용하는 대기 전류를 줄이기 위해서다. 고도로 집적되고 애플리케이션에 최적화된 디바이스를 선택한다면, 개발자들은 더 적은 보드 공간과 최소한의 BoM 비용으로 이 목적을 달성할 수 있다.