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하프 브리지 방식의 회로구성
개선된 공진 양구 컨트롤러
글 이혜원 2006-09-28 |   지면 발행 ( 2006년 10월호 - 전체 보기 )

공진형 컨버터는 공진 탱크를 전력 변환 과정의 일부로 이용하는 PCS(Power Conditioning Systems)이다. 다른 종류의 공진형 컨버터 회로구성이 많지만 이들 모두 기본적으로 같은 방식으로 작동한다. 유효 전압은 전력 스위치에 의해 생성되고 일반적으로 하프 또는 풀 브리지(half or full-bridge)로 배열되며 공진 탱크 회로에 적용된다. 그 결과로 생성되는 전류 또는 전압은 절연 트랜스포머(안전상의 이유로 오프라인 애플리케이션에 필수) 및 DC 전압 출력을 생성하는 정류 시스템을 통해 부하에 접속된다. 음성 피드백에 기반 한 제어 루프는 탱크 회로에 적용된 유효 전압의 주파수를 적절하게 변경해 DC 출력 전압을 조절한다. 하프 브리지 회로구성에 맞춘 신제품인 L6599는 50%의 보정 듀티 사이클을 제공한다. 하이사이드와 로우사이드 스위치는 180˚ 다른 위상으로 거의 동시에 작동한다. 외부 하이 사이트 전력 스위치를 부트스트랩 기술로 구동하게 하기 위해 IC에 600V 이상 견딜 수 있는 고압 플로팅 LDMOS 구조와 함께 외부의 빠른 복구 부트스트랩 다이오드를 교체하는 동기식 고압 LDMOS를 내장하고 있다.양측의 게이트 드라이버를 위한 일반적인 소스, 싱크 전류는 각각 0.6A , 1.2A이다. 설계자는 외부의 프로그램화가 가능한 발진기를 이용하여 컨버터의 구동 주파수 범위를 설정할 수 있다.스타트업에서 돌입 전류를 막고 출력 전압 초과를 최소화하기 위해서 ‘비선형적인(non linear)’ 소프트 스타터를 사용한다. 스위칭 빈도는 프로그램화가 가능한 최대부하로부터 시작되며 제어 루프가 정하는 정상 부하에 도달할 때까지 점진적으로 줄어든다. 가장 흥미로운 것은 경부하에서 버스트 모드 구동에 적합한 ON/OFF 제어 입력이다. 이를 통해 무부하 상태에서 공진 컨버터의 한계를 극복하여 가장 엄격한 에너지 절감 권고 사항을 준수할 수 있다. 또한 공진 컨버터가 PFC(Power Factor Corrector) 프리레귤레이터 전력으로 구동되는 경우, L6599는 버스트 모드 구동 중에 프리레귤레이터의 전원을 끌 수 있는 전용 출력을 제공받는다.IC 세트는 몇 가지 보호 기능 및 하우스키핑 기능을 제공한다. 비래칭 차단 입력단은 Power-up과 Power-down 시퀀싱을 허용하거나 브라운아웃에 사용될 수 있다. 고성능 과전류 보호(OCP)는 스루풋 에너지를 제한하기 위해 주파수 이동과 평균 전력을 최소화하기 위해 지정된 시간이 지난 후 자동으로 종료되는 기능을 자동 재시작 기능과 결합한다. 고성능 과전류 보호의 두 번째 단계는 첫 단계 보호 기능이 충분하지 않을 경우 IC의 출력을 막아 과부하 및 단락으로부터 완전한 보호를 해주는 것이다. 추가 래칭 차단 입력단은 과열 및 과전압 방지 기능을 쉽게 실행하도록 한다.저전력 소모(<30mW), 구동 주파수(500kHz) 및 자유 구동과 슬루율(50V/ns)를 보장하기 위해 설계된 고압 플로팅 구조 등이 이 IC의 또 다른 두드러진 기능들이다. L6599 모델의 블록선도는 그림 1과 같다.회로 설명공급 부분공급 부분에는 모든 내부 회로를 공급하는 5V 압력 조정 장치에 대해 기준 전압으로 사용되는 밴드 갭 구조가 포함된다. 이 부분에서는 또한 발진기를 위한 치우침 전류와 기준 전압이 생성된다. 지연 시간 방지(300ns)는 교차 전도 및 대전류 슈트 스루를 막기 위해 두 가지 종류의 비중첩 파형을 제공한다. 2.5V 히스테리시스가 포함된 저전압 컴퍼레이터가 낮은 부분에 위치해 있어 공급 전압 VCC를 모니터하고 이 컴퍼레이터의 Turn-on 및 Turn-off 스레시홀드(각각 10.7V, 8.15V)는 온도와는 관련이 없도록 설계된다. 부트스트랩 회로는 게이트가 저전압 드라이버와 동시에 구동되는 고압 LDMOS 스위치로 구성된다. 이것은 외부 부트스트랩 축전기의 전하를 적절하게 생성시킨다.발진기발진기는 지면에 연결된 축전기에 의해 외부로 프로그램화 되어 있다. 발진기는 핀 RF에 연결된 네트워크에 정해진 전류에 의해 교대로 충전 및 방전된다. 그림 2의 블록선도는 간단한 내부 회로를 보여준다.핀과 지면 사이에 연결된 세 가지 지로가 있다. 첫 번째 지로는 핀에 연결된 저항 장치 (RFmin)이며, 이 장치는 2차 지로에서 1차 지로로 피드백 신호를 전달하는 광 트랜지스터 집전자에서 최소 구동 주파수 저항장치(RFmax)를 정한다. 이 광 트랜지스터는 발진기 전류의 치우침을 조절해 주파수는 출력 전압 변동률을 실행한다. RFmax 값은 최대 주파수를 결정한다.광 트랜지스터가 완전히 포화될 때 이 하프 브리지가 구동된다. R-C 시리즈 회로(Rss+Css)는 초기에 주파수 편이를 설정한다. 이 브리지는 안정된 구동 상태에서는 어떠한 도움도 되지 않는다.다음 관계는 각각의 최소, 최대 발진기 주파수와 관련이 있다.


<고해상도 이미지 보기 >
▶ 부품60-1
수백 개의 pF 또는 nF 범위에 있는 CF를 정하려면, 발진기 주파수가 변동률에 필요한 전체적인 범위를 포함하도록 허용하는 RFmin와 RFmax 값을 선별해야 한다.

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▶ 부품60-2
소프트 스타트소프트 스타트는 구동 초기에 지나친 전류 유입을 막아 컨버터 전력 성능을 점진적으로 증대시키기 위한 것이다. 공진 컨버터의 전력은 주파수와 반비례 관계에 있다. 이 경우 그림 3과 관련하여 소프트 스타트는 루프가 실행될 때까지 초기의 높은 값으로부터 나온 구동 주파수를 소해함으로써 실행된다. L6599 컨버터의 소프트 스타트는 단순히 RF 핀에서 지면(그림 2 참조)으로 연결된 R-C 시리즈 회로를 추가해 실행된다.축전기 Css는 초기에 완전 방전되어 Rss는 RFmin과 병렬을 이루고 주파수는 Rss와 RFmin에 의해 정해진다. 광 트랜지스터는 출력 전압이 변동값에서 지나치게 멀지 않는 한 초기에 전원이 차단된다.

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▶ 부품60-3
Css 축전지는 참조 전압(2V)에 도달할 때가지 점진적으로 충전되어 Rss를 통한 전류는 0으로 된다. 주파수가 소해되는 동안 구동 주파수는 Css의 전하가 기하급수적으로 증가한 후 소멸된다. 이것은 탱크 회로 임피던스가 비선형 주파수에 의존하는 것을 상쇄한다. 탱크 회로 임피던스는 주파수가 공진으로부터 멀어지면 약간 변하고 주파수가 공진 주파수(그림 3 참조)로 근접하게 되면 빠르게 변한다. 결과적으로 평균 전류 유입은 선형 주파수 소해 시 발생하는 피크 없이 원만하게 증가하며 출력 전압은 오버 슈트가 거의 없이 변동값에 도달하게 된다. Rss와 Css는 일반적으로 다음 관계에 따라 선별된다.



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▶ 부품60-4
전류 감지기 OCP그림 4는 효율성 목표가 매우 높을 때 과전류 방지 회로가 사용된 것을 보여준다. L6599 모델은 새로운 과전류 관리 시스템으로 구성되어 있다. ISEN 핀은 1차 전류를 감지한다. 만약 외부에서 핀으로 연결된 전압이 0.8V를 초과하면 첫 번째 축전기는 급시동되고 이는 내부 스위치의 전원이 켜지고 소프트 스타트 축전기 Css를 방출한다.이로 인해 발진기 주파수가 급격히 증가하고 에너지 전달이 제한된다. ISEN 핀의 전압이 50MV로 떨어질 때까지 방출이 계속 일어난다. 탱크 전류 정보의 평균 시간이 10/fmin 범위에 있는 히스테리시스는 주파수 증가를 효율적으로 만든다. 출력 회로 단락 하에서 이러한 결과는 1차 피크 전류를 일정하게 한다. 만약 주파수 증가에도 불구하고 전류가 지속적으로 늘어나면 1.5V인 두 번째 비교 측정기는 devICe를 닫는다. IC 공급 전압은 UVLO 이하여야 하며 재구동 되기 위해서는 초기 기준을 넘어야 한다.지정된 시간이 지난 후 자동으로 과전류 차단OCP는 과부하나 출력 회로 단락의 경우, 1차적 에너지에서 2차적 에너지 흐름을 제한하는데 효과적이다. 그러나 이러한 조건 하에서 2차 코일 및 정류기를 통하는 출력 전류는 컨버터의 안전성에 위험 인자가 될 수도 있다. OCP 동안에 발생하는 피해를 막기 위해서 초기 지연 이후에 간헐적으로 컨버터를 강제로 구동시키는 것이 관례이다. 결과적으로 변압기 및 정류기에 대한 열 스트레스가 용이하게 처리되도록 평균 출력 전류가 낮아진다. 이 기능은 핀 2(OCD)에서 지면으로 연결된 축전기 및 저항 장치에 의해 구현된다.축전기와 저항 장치는 IC가 멈추기 전에 사용자가 과전류 상태의 최대 기간을 정하고 IC가 다시 스위치 온 된 후의 지연을 허용한다. ISEN 핀의 전압이 0.8V를 초과하고 OCP 비교 측정기가 활성화되면 축전기가 150Ua의 내부 전류 발전기에 의해 충전되고 외부 저항 장치에 의해 천천히 방출된다. 만약 핀의 전압이 2V에 도달하면 소프트 스타트 축전기는 완전히 방출되어 스위칭 주파수가 최대값으로 올라가 항상 150μA를 유지한다. 전압이 3.5V를 초과하면 IC는 스위칭이 중단되고 내부 발전기의 전원이 꺼져 핀의 전압은 외부 저항 장치로 인해 소멸된다. IC는 전압이 0.3V로 떨어지면서 약하게 재구동 된다. 이러한 방식으로 회로 단락 상태에서 컨버터는 매우 낮은 평균 전력 유입으로 간헐적으로 구동된다(그림 5).래치 셧다운이 기능은 분할기가 있는 핀 8을 외부의 참조 전압으로부터 편의함으로써 과열 방지 기능을 용이하게 실행하는데 유용하다. 위쪽의 저항 장치는 전력 MOSFET과 같은 발열체 가까이 놓여져 있는 NTC인데 이는 2차 다이오드 또는 변압기이다. 이 기능은 외부의 비변환 입력 및 1.85V라고 알려진 내부 변환 입력을 포함한 비교 측정기로 구현된다. 핀의 전압이 내부 스레시홀드를 초과하면 IC 전원이 즉시 차단되고 전력 소모는 매우 낮아진다. 정보는 차단되고 IC를 재구동하려면 VCC 핀 전압은 UVLO 스레시홀드로 돼야 한다.라인 감지 기능이 보호 기능은 컨버터로의 입력 전압이 정해진 범위 이하로 떨어지면 IC를 차단하고 입력 전압이 다시 정상 범위로 돌아가면 재구동되도록 한다. IC는 그림 6과 같이 내부 비교 측정기에 의해 셧다운 된다. 비변환 인풋은 LINE 핀에서 제공된다. 핀의 전압이 내부 참조 전압 이하인 경우 비교 측정기는 내부적으로 1.25V가 된다. 이러한 조건에서 소프트 스타터는 방전되고 PCF_STOP 핀이 개방되며 IC 소모량은 줄어든다. 핀의 전압이 참조 전압 이상이면 PWM이 재구동된다. 그림 7은 타이밍 다이어그램이다.하이사이드 드라이버그림 8은 내부 블록이다. 고전압 전력 MOSFET을 효율적으로 구동시키기 위한 가장 중요한 특징은 전력 손실이 낮아야 한다는 것이다. 펄스 발생기는 입력 신호의 상승 에지가 발생하는 ‘하이 ON 펄스’와 하강 에지가 발생하는 ‘하이 OFF 펄스’를 생성 한다.펄스의 폭은 매우 짧으나(일반적으로 250ns) 논리 신호가 플로팅 섹션으로 정확하게 전송되기에는 충분하다. 이러한 펄스는 두 개의 고전압 수평형 DMOS(LDM1 & LDM2)의 게이트를 구동한다. 이 기술은 전류 펄스를 통해 신호가 플로팅으로 전송되고 드라이버로 래치된다.이 회로는 플로팅 섹션에서 전력 소실이 거의 없게 한다. 드레인 저항 장치의 일반 값은 2kΩ이며 전류 펄스는 5mA이다.IC 기술2μm 리소그래피 기술은 접합 절연 기술을 이용한 것으로 LDMOS 부품이 600V 이상의 파괴 전압 및 20V의 저전압 부품을 통합한다. 이와 동시에 수동 소자는 지면에서 최대 파괴 전압으로 플로트 될 수 있는 전압 섹션을 포함한다. 저전압 능동 장치에는 CMOS와 전압이 20V이고 ohmIC poly-silICon 저항 장치가 포함된 바이폴라 트랜지스터가 포함된다.따라서 이 기술은 다기능 HVICs의 실행을 위한 이상적인 솔루션이다(그림 9).맺음말L6599 모델은 가장 일반적인 하프 브리지 회로구성과 호환 가능한 새로운 HVIC이다. 다기능과 설계를 자랑하는 이 모델은 성능 및 전력 공급 기능이 뛰어나다. 그림 10은 칩의 마이크로 사진이다.

<EPNC>

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2006년 10월호
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