[전력반도체] 절연형 고주파수 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터 설계 - 1

[전력반도체] 절연형 고주파수 푸쉬-풀 DC/DC 컨버터 설계 - 2

성능 결과

그림 3∼5의 측정 결과를 보면, 그림 1의 푸쉬-풀 컨버터가 듀티 사이클 제어를 사용해서 LDO 상에서 낮은 V_IN - V_OUT 차이를 유지함으로써 전력 손실과 온도 상승을 최소화한다는 것을 알 수 있다. 그림 3에서는 LDO 당 200mA일 때 V_DIFF가 10V~15V의 전체적인 입력 전압 범위에 걸쳐서 2.5V 아래로 유지되고 있다는 것을 알 수 있다. 그림 4에서는 전체적인 부하 전류 범위에 걸쳐서 전력 손실이 낮게 유지된다는 것을 알 수 있다. 그림 5와 그림 6은 열 영상을 보여준다.

그림 7은 듀티 사이클 제어를 사용하지 않은 경우와 듀티 사이클 제어를 사용한 경우의 효율을 비교하고 있다. 입력 전압이 상승함에 따라서 효율이 크게 저하된다는 것을 알 수 있다. 그림 8에서는 듀티 사이클 제어를 사용하지 않을 때와 사용할 때 양의 LDO에서 차이 전압을 보여준다. 그림 9와 그림 10에서는 열 영상을 보여준다. 듀티 사이클 제어가 차이 전압을 낮추고 효율과 열 성능을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.

그림 3. 입력 전압에 따른 LDO(U2)의 V_IN - V_OUT 차이 및 전력 손실

그림 4. 부하에 따른 LDO(U2)의 V_IN - V_OUT 차이 및 전력 손실

그림 5. 그림 1 디자인의 열 영상, V_IN = 10V

그림 6. V_IN = 15V일 때 열 영상

그림 7. ‌‌듀티 사이클 제어를 적용했을 때와 적용하지 않았을 때 효율 비교, I_OUT1 = I_OUT2 = 200mA

그림 8. ‌듀티 사이클 제어를 적용했을 때와 적용하지 않았을 때 풀 부하일 때 VIN에 따른 LDO(U2)의 V_IN - V_OUT 차이, I_OUT1 = I_OUT2 = 200mA

그림 9. ‌그림 1 회로로 듀티 사이클 제어를 적용하지 않았을 때 열 영상, V_IN = 10V

그림 10. ‌그림 1 회로로 듀티 사이클 제어를 적용하지 않았을 때 열 영상, V_IN = 15V

고정 입력 전압의 소형화된 트랜스포머 드라이버

기본 형태의 레귤레이트 하지 않은 트랜스포머 드라이버 컨버터의 출력 전압은 부하 전류에 따라서 심하게 변동적이다. 레귤레이트 된 전압을 제공하기 위해서는 출력에 LDO를 사용할 것을 강력히 권장한다.
그림 11(a)는 LT3999를 사용해서 부품 수를 줄일 수 있는 트랜스포머 드라이버 디자인이며, 그림 11(b)는 이 디자인을 설계하기 위한 플로우차트이다.

그림 11. (a) 적은 수의 부품을 필요로 하는 고정 입력 전압 트랜스포머 드라이버, (b) 디자인을 설계하기 위한 설계 순서도

이 플로우차트의 간단한 4단계를 사용해서 적은 수의 부품을 필요로 하는 1MHz, 5V 입력, 5V 출력, 400mA 트랜스포머 드라이버를 설계할 수 있다.

1단계 : 스위칭 주파수 설정
LT3999 데이터 시트의 표를 참고해서 단일 RT 저항을 사용해서 LT3999의 스위칭 주파수를 설정할 수 있다(주파수 범위는 50kHz부터 1MHz까지).
이 디자인을 위해서는 고주파수 f_SW = 1MHz를 선택하고 이에 따른 R_T = 12.1k을 선택한다.

2단계 : 트랜스포머 선택
트랜스포머 권선 비율은 다음과 같이 계산할 수 있다.

이 공식에서 V_SW는 내부 스위치의 스위치 포화 전압이고, V_F는 정류기 다이오드의 포워드 전압이다. V_LDO는 레귤레이트되지 않은 트랜스포머 드라이버 출력에서 포스트 레귤레이트 저잡음 출력으로의 강하이다. V_LDO는 가장 높은 전압일 때 강하이며 이를 최소화해야 한다. 0.8V이면 LDO가 뜨거워지지 않으면서 드롭아웃을 피할 수 있는 충분한 강하를 제공한다. 대략적으로 V_SW = 0.4V, V_F = 0.7V, V_LDO = 0.8V이면 적당하다.

트랜스포머의 전류 정격은 어느 정도 여유를 감안해서 출력 전류보다 20~50% 높아야 한다.
피크 자화 전류[I_M(PEAK)]와 일차 측으로 반사되는 풀 부하 전류(N·I_OUT)를 합한 것이 내부 스위치의 피크 전류 한계(I_LIM)보다 낮아야 한다. 이를 기준으로 최소한의 L_M[L_M(MIN)] 을 필요로 한다.

V_OUT = V_IN = 5V를 위해서는 Coilcraft의 PA6383-AL (N = 1.5)가 적당하다.

3단계 : 정류기
전압과 전류에 근거해서 정류기 다이오드를 선택한다.
이들 다이오드 상의 전압은 센터 탭 구조 때문에 트랜스포머 이차 전압의 두 배 이상이 된다. 그러므로 정류기의 전압 정격은 2N·V_IN = 15V보다 20% 가량 높아야 한다.
CMSH1-20M(20V, 1A)이 이러한 요건을 충족한다.

4단계 : LDO 리니어 레귤레이터
선택적인 포스트 레귤레이팅 LDO의 최대 입력 전압[V_{LDO_IN(MAX)}]은 무부하일 때이다. 이 때는 V_IN·N = 7.5V이다. LDO의 전류 정격은 부하 전류보다 높아야 한다(이 디자인의 경우 400mA보다 높아야 한다). 이 5V 400mA 출력에 적당한 LDO는 LT1763(20V, 500mA)이다.

맺음말

LT3999는 모노리식 DC/DC 트랜스포머 드라이버 제품으로서, 듀티 사이클 제어, 높은 주파수, 높은 전력을 특징으로 한다. 넓은 입력 전압 범위와 LDO에서 낮은 손실을 가능하게 하며, 높은 주파수 동작으로 소형 크기의 수동 소자들을 사용할 수 있다. 또한 최대 36V 입력 전압과 최대 1A에 이르는 입력 전류가 가능하다. 

더슨 황 _ 리니어 테크놀로지