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디지털 전력 공급 장치의 절연 이유 및 방법 ①


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글/제이슨 두안(Jason Duan), 아나로그디바이스


인터넷 및 통신 인프라의 비약적인 성장에 따라, 디지털 제어 기술이 유연성, 부품 수 절감, 최신 제어 알고리즘, 시스템 통신, 외부 잡음에 대한 낮은 감도, 파라미터 변화 등 여러 이점을 제공할 수 있게 되었다. 그 결과, 해당 기술이 통신, 네트워크, 컴퓨터의 전력 시스템에서 점점 더 많이 사용되고 있다. 디지털 전력 공급 장치는 하이엔드 서버, 스토리지, 텔레콤 브릭 모듈 등에 폭넓게 사용되고 있다. 이러한 애플리케이션에는 절연이 요구되는 경우가 많다.
디지털 전력 공급 장치 절연 시 발생하는 어려움이 있는데, 디지털 또는 아날로그 신호를 절연 장벽 너머로 빠르고 정확하게 보내면서도 데이터 크기 역시 작아야 한다는 점이다. [1] 그러나, 기존의 광커플러 솔루션은 대역폭 및 전류비(CTR)가 낮아서 온도에 따른 특성 변화가 심하고 시간에 따라 성능 저하가 일어난다는 단점이 있다. 변압기 솔루션 역시 크기가 크고 자기 포화가 생기는 문제가 있다. 이러한 문제 때문에 높은 안정성이 필요하며 장시간 사용되는 애플리케이션에서는 광커플러나 변압기의 사용이 제한되었다. 이 글에서는 디지털 전력 공급 장치 설계에 사용되는 아나로그디바이스의 iCouplerⓇ 제품으로 이러한 문제를 해결하는 디지털 절연 기술에 관해 이야기하고자 한다.

절연 기술이 필요한 이유


전력 공급 장치를 설계할 때, 장치 사용자 및 그 외의 사람들을 감전 또는 에너지 과부하의 위험으로부터 보호하기 위해서는 안전 표준을 준수하는 것이 필수적이며, 절연 기술은 이러한 안전 표준을 충족시키는 데 중요한 수단이다. 유럽의 독일 전자기술협회(VDE), 국제 전기 표준 회의(IEC) 및 미국의 UL과 같은 전 세계 여러 기관에서는 여러 입출력 전압의 정상 상태 및 과도 상태 모두에 대한 절연 요구사항을 명시하고 있다. 예를 들어, UL60950에서 도입한 절연 카테고리는 다음의 다섯 가지가 있다.
• 기능 절연(Functional Insulation): 장비의 기능 보완을 위해서만 필요한 절연
• 기본 절연(Basic Insulation): 감전으로부터 보호하기 위한 기본적인 절연
• 보충 절연(Supplementary Insulation): 기본 절연 외에 추가로 적용되는 독립적인 절연. 기본 절연에 문제가 생겼을 경우를 대비해 쇼크 위험을 줄여 주기 위해 사용
• 이중 절연(Double Insulation): 기본 절연과 보충 절연을 포함한 절연
• 강화 절연(Reinforced Insulation): 감전을 어느 정도 보호해 주는 단일 절연 시스템으로 이 표준에서 정한 조건에서는 이중 절연 시스템의 역할을 함.

1차 측 제어와 2차 측 제어 비교


컨트롤러의 위치에 따라 절연 전력 제어 방법이 1차측 제어 및 2차 측 제어 두 가지로 나뉜다. 표 1은 1차 측 제어와 2차 측 제어의 기능을 비교한 것이다. 표에서 UVP와 OVP는 각각 부족 전압 보호와 과전압 보호를 뜻한다.

2차 측 제어

ADP1051은 아나로그디바이스의 PMBus™ 인터페이스를 갖춘 최신 디지털 전력 컨트롤러로, 높은 전력 밀도 및 효율성이 필요한 중간 버스 컨버터를 겨냥해 출시된 제품이다.[2] ADP1051은 가변 상태 기계 구조를 기반으로 하며, 역전류 보호, 프리바이어스 구동, 일정 전류 모드, 조정 가능한 출력 전압 슬루율, 조정 가능한 데드 타임 제어, 칩 내부의 볼트-초 균형 등 유용한 기능을 다양하게 갖추고 있어서 아날로그 솔루션에 비해 외부 부품 사용을 크게 줄일 수 있다. 일반적으로 ADP1051은 시스템과의 통신이 쉽기 때문에 2차 측 제어에 더 많이 사용된다. 따라서 동기 정류기의 PWM 신호 및 VOUT 감지 신호 등이 시스템 통신을 위해 절연장벽을 넘어갈 필요가 없다. 그러나, 이 경우 보조 전원 공급 장치가 있어야 시동 시 1차 측으로부터 2차 측 컨트롤러 ADP1051에 초기 전원을 공급할 수 있다. 또한, ADP1051에서 나온 PWM 신호는 절연 장벽을 건너야 한다. 여기에서는 게이트 드라이브 변압기, 디지털 절연기, 절연 게이트 드라이버의 세 가지 방법을 살펴본다...(중략)

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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