플라이백 준공진 스위칭 전원 원리 및 파라미터 계산 가이드, QR 플라이백 트랜스포머 파라미터 계산 공식

[ABC]

플라이백 스위칭 전원 공급 장치의 작동 원리

1. 스위치 도통 단계: 변압기 동명단의 극성 관계로 인해, 2차측 다이오드는 역방향 차단 상태에 있으며 이때 변압기 1차 권선의 인덕턴스가 에너지를 저장합니다.
2. 스위치 차단 단계: 2차측 다이오드가 순방향 도통으로 전환되고, 변압기 1차측에 저장된 에너지가 방출되어 일부는 커패시터를 충전하고 나머지는 부하에 에너지를 공급합니다.

플라이백 스위칭 전원 공급 장치의 DCM 작동 모드

모드 정의

DCM(Discontinuous Conduction Mode, 비연속 전도 모드)는 완전 에너지 변환 모드(비연속 모드)라고도 하며, 핵심 특징은 다음과 같습니다:

• 자심에 저장된 에너지가 완전히 방출됩니다(그림 3의 i_{\text{p}} 파형에 해당).
• 2차 정류 다이오드 전류가 0을 지나간 이후(그림 3의 i_{\text{s}} 파형에 해당)에야 1차 스위치가 도통됩니다.

관련 파형 설명

• 그림 2: DCM 모드에서 스위치 소자의 드레인-소스 전압(V_{\text{DS}}) 파형으로, 이 모드에서의 전압 변동 특성을 보여줍니다.
• 그림 3: DCM 모드에서의 전류 파형으로, 1차 권선 전류(i_{\text{p}})와 2차 권선 전류(i_{\text{s}})를 포함하며 에너지가 완전히 방출되는 과정을 시각적으로 보여줍니다.

모드 장단점

장점

1. 2차 정류 다이오드에 역방향 회복 문제가 발생하지 않습니다.
2. 전원 루프의 안정성이 제어하기 더 쉽습니다.

단점

1. 1차 권선의 피크 전류와 실효값이 커져 구리 손실 및 MOS 소자의 전도 손실이 증가합니다.
2. 권선 에너지가 완전히 방출된 후 스위치 소자의 드레인에 MOS 접합 커패시터와 1차측 인덕터 누설 인덕턴스로 인한 사인파 진동이 발생합니다.
3. 전통적인 고정 주파수 플라이백 컨버터에서 스위치 소자가 다시 턴온할 때 진동 전압의 임의의 위치(피크 포함)에 있을 수 있어 턴온 손실이 증가할 수 있습니다.

플라이백 스위칭 전원 공급 장치의 CCM 작동 모드

모드 정의

CCM(Continuous Conduction Mode, 연속 전도 모드)는 불완전 에너지 변환 모드(연속 모드)라고도 하며, 핵심 특징은 다음과 같습니다:

• 자심에 저장된 에너지가 완전히 방출되지 않습니다(그림 5의 I_{\text{p}} 파형에 해당).
• 2차 정류 다이오드 전류가 완전히 0이 되기 전(그림 5의 I_{\text{s}} 파형에 해당)에 1차 스위치가 도통됩니다.

관련 파형 설명

• 그림 4: CCM 모드에서 스위치 소자의 드레인-소스 전압(V_{\text{DS}}) 파형으로, 이 모드에서의 전압 변화 특성을 보여줍니다.
• 그림 5: CCM 모드에서의 전류 파형으로, 1차 권선 전류(I_{\text{p}})와 2차 권선 전류(I_{\text{s}})를 포함하며 에너지가 완전히 방출되지 않은 과정을 시각적으로 보여줍니다.

모드 장단점

장점

동일한 출력 조건에서 자심 에너지가 완전히 방출되지 않아 1차 인덕터 전류가 0으로 떨어지지 않으므로 피크 전류 및 실효값이 DCM 모드보다 작아 구리 손실 및 MOS 소자의 전도 손실이 낮습니다.

단점

1. 2차 정류 다이오드 전류가 0으로 떨어지지 않아 역방향 회복 시간으로 인한 손실이 발생합니다.
2. 부하가 무부하에서 만재로 변화할 때 DCM→CRM→CCM 세 단계를 거치며, DCM에서 CCM으로 전환될 때 전달 함수가 변화하여 진동이 발생할 수 있습니다.
3. 듀티 사이클이 클 경우 하위 고조파 진동이 발생하기 쉬워 일반적으로 기울기 보상 회로를 추가해야 하며, 피드백 설계 복잡도가 높아집니다.
4. 스위치 소자의 턴온 손실이 심각합니다(MOS 소자가 종종 최고 전압 상태에서 턴온됨).

플라이백 스위칭 전원 공급 장치의 QR 작동 모드

모드 정의

QR(준공진) 모드는 DCM(완전 에너지 변환 모드)의 일종으로, 핵심 특징은 다음과 같습니다:

• 자심 에너지가 완전히 방출된 후, 변압기 1차측 인덕터와 MOS 소자의 접합 커패시터가 공진하며, MOS 접합 커패시터가 전압 최저값으로 방전되었을 때 1차 스위치가 도통됩니다.

관련 파형 설명

• 그림 6: QR 모드 중부하 상태에서의 V_{\text{DS}} 전압 파형
• 그림 7: QR 모드 경부하 상태에서의 V_{\text{DS}} 전압 파형
  두 파형 모두 스위치 소자가 진동 전압의 저점에서 도통되는 특성을 보여줍니다.

핵심 특징 및 최적화

QR 모드는 DCM의 대부분의 장단점을 계승하며, 핵심 최적화 포인트는 "저점 감지 기능"입니다: 스위치 소자가 진동 전압의 저점에서 도통되도록 하여 제로 전압/저전압 턴온을 실현함으로써 스위치 손실을 줄이고 EMI 노이즈를 감소시킵니다.

구현 방식

자속 재설정 감지 기능(일반적으로 보조 권선을 통해 구현)을 활용하여 컨트롤 IC의 동작 로직과 연동하여 스위치 소자가 진동 전압이 최저점에 도달했을 때 도통되도록 보장합니다.

한계

QR 모드는 작동 주파수가 동적으로 변화하는 특성을 가지므로 다른 회로 파라미터 결정에 영향을 미칩니다.

QR 플라이백 스위칭 전원 공급 장치 파라미터 결정 절차

1. QR 주요 파라미터 결정

파라미터 항목	설명 및 값
입력 전압 범위	최소 V_{\text{acmin}}, 최대 V_{\text{acmax}}; 일반적으로 저입력(85~135VAC), 고입력(176~265VAC), 전체 전압(85~265VAC)으로 구분
입력 주파수 f_{\text{ac}}	교류 주파수, 일반적으로 50Hz 또는 60Hz
출력 전압 V_{\text{out}}	전원 출력 목표 전압
출력 전류 I_{\text{out}}	전원 출력 목표 전류
전체 효율 \\eta	일반적으로 80%로 가정
최소 스위칭 주파수 f_{\text{sw}}	주파수는 동적으로 변화하며, 최소 입력 전압, 최대 입력 전력 조건에서의 최소 주파수로 설계, 일반적으로 25kHz~100kHz
최대 입력 전력 P_{\text{in}}	공식: P_{\text{in}} = \\frac{V_{\text{out}} \\times I_{\text{out}}}{\\eta}

2. 직류 입력 전압 결정

전류 전압은 풀웨이브 정류 + 필터 커패시터를 통해 직류 고전압으로 변환되며, 핵심 공식과 파라미터는 다음과 같습니다:

1. 커패시터 충전 듀티 사이클: D_{\text{ch}} \\approx 0.33
2. 최소 직류 입력 전압:
   V_{\text{busmin}} = \\sqrt{2V_{\text{acmin}}^2 - \\frac{P_{\text{in}} \\times (1-D_{\text{ch}})}{C_{\text{BUS}} \\times f_{\text{ac}}}}
3. 최대 직류 입력 전압:
   V_{\text{busmax}} = \\sqrt{2} \\times V_{\text{acmax}}
4. 입력 커패시터 C_{\text{BUS}} 선택(단위: \\mu\\text{F/W}):

AC 입력 전압 범위	C_{\text{BUS}} 값
85~135VAC	2
176~265VAC	1
85~265VAC	2~3

3. 반사 전압 V_{\text{RO}} 결정

반사 전압은 QR 모드에서 제로 전압 도통을 실현하는 핵심 파라미터로, 핵심 로직은 다음과 같습니다:

1. MOS 소자의 정격 전압 V_{\text{DS}} 구성:
   V_{\text{DS}} = V_{\text{busmax}} + V_{\text{clamp}} + \\text{누설 인덕터 전압} + \\text{스위치 소자 전압 여유분}
   • V_{\text{clamp}} (클램프 전압): $1.4V_{\text{RO}}$일 때 흡수 회로 손실이 최소화됩니다.
   • 누설 인덕터 전압: 일반적으로 10~20V
   • 스위치 소자 전압 여유분: $V_{\text{DS}}$의 10%~20%
2. V_{\text{RO}} 계산 공식:
   V_{\text{RO}} = \\frac{[(80\\% \\sim 90\\%)V_{\text{DS}} - V_{\text{busmax}} - (10 \\sim 20)]}{1.4}

4. 최대 도통 시간 T_{\text{ON}} 결정

스위칭 주기 T = T_{\text{ON}} + T_{\text{OFF}} + T_{\text{W}} ($T_{\text{OFF}}$는 소자자 시간, $T_{\text{W}}$는 진동 시간), 핵심 공식:

1. 진동 시간 T_{\text{W}}:
   T_{\text{W}} = \\pi \\sqrt{L_{\text{P}} \\times C_{\text{P}}}
   ($L_{\text{P}}$는 1차측 인덕턴스, $C_{\text{P}}$는 MOS 소자의 드레인 커패시터; 일반적으로 $T_{\text{W}} \approx 5\%T$로 설계)
2. 최대 도통 시간:
   T_{\text{ON}} = \\frac{V_{\text{RO}} \\times (0.95 \\times T)}{V_{\text{busmin}} + V_{\text{RO}}}

5. 1차측 인덕턴스 L_{\text{P}} 결정

1. 최대 듀티 사이클: D_{\text{max}} = \\frac{T_{\text{ON}}}{T}
2. 1차측 피크 전류:
   I_{\text{ppk}} = \\frac{P_{\text{in}} \\times 2}{D_{\text{max}} \\times V_{\text{busmin}}}
3. 1차측 인덕턴스:
   L_{\text{P}} = \\frac{V_{\text{busmin}} \\times T_{\text{ON}}}{I_{\text{ppk}}}

6. 적절한 변압기 선택(AP 방법)

AP 값으로 자심을 선택하는 공식:

AP = A_{\text{e}} \\times \\left( \\frac{L_{\text{P}} \\times I_{\text{ppk}}^2 \\times 10^4}{\\Delta B \\times 450 \\times K_{\text{O}}} \\right)^{1.143}

• 파라미터 설명:
  • A_{\text{e}}: 자심 단면적(계산된 AP 값으로 자심을 매칭하여 결정)
  • \\Delta B: 자속 밀도 변화량, 일반적으로 <0.3T
  • 450: 전류 밀도(단위: A/㎠)
  • K_{\text{O}}: 창 이용률, 일반적으로 0.2~0.4

7. 변압기 1차 및 2차 권선 수 결정

1. 1차 권선 수:
   N_{\text{P}} = \\frac{L_{\text{P}} \\times I_{\text{ppk}}}{\\Delta B \\times A_{\text{e}}}
   (L_{\text{P}} 단위는 \\mu\\text{H}, A_{\text{e}} 단위는 \\text{mm}^2)
2. 2차 권선 수:
   N_{\text{S}} = \\frac{(V_{\text{out}} + V_{\text{f}}) \\times N_{\text{P}}}{V_{\text{RO}}}
   ($V_{\text{f}}$는 정류 다이오드 전압 강하, 일반적으로 0.5~1V)

8. 변압기 에어 갭 L_{\text{g}} 결정

공식:

L_{\text{g}} = \\frac{\\mu_{0} \\times N_{\text{P}}^2 \\times A_{\text{e}}}{L_{\text{P}}}

• 파라미터 설명:
  • \\mu_{0}: 진공 투자율, $4\pi \times 10^{-7}\ \text{H/m}$로 가정
  • A_{\text{e}}: 자심 단면적(단위: \\text{m}^2)
  • L_{\text{P}}: 1차측 인덕턴스(단위: H)

9. 1차 및 2차 권선선 두께 결정

1. 1차측 파라미터:
   • 1차 전류 실효값: I_{\text{Prms}} = I_{\text{ppk}} \\times \\sqrt{\\frac{D_{\text{max}}}{3}}
   • 1차 권선선 두께: D_{\text{P}} = 1.13 \\times \\sqrt{\\frac{I_{\text{Prms}}}{J}}
2. 2차측 파라미터:
   • 소자자 듀티 사이클: D_{\text{off}} = \\frac{T_{\text{OFF}}}{T} (T_{\text{OFF}} = T - T_{\text{ON}} - T_{\text{W}})
   • 2차 피크 전류: I_{\text{Spk}} = \\frac{2 \\times I_{\text{out}}}{D_{\text{off}}}
   • 2차 전류 실효값: I_{\text{Srms}} = I_{\text{Spk}} \\times \\sqrt{\\frac{D_{\text{off}}}{3}}
   • 2차 권선선 두께: D_{\text{S}} = 1.13 \\times \\sqrt{\\frac{I_{\text{Srms}}}{J}}

• 전류 밀도 J: 일반적으로 4~6A/mm², 2차 권선 수가 적을 경우 10A/mm² 사용 가능

10. 2차 정류 다이오드 결정

1. 역방향 내전압:
   V_{\text{rrrm}} = 1.25 \\times (V_{\text{busmax}} \\times N + V_{\text{out}})
   ($N = \frac{N_{\text{S}}}{N_{\text{P}}}$는 권선비, 1.25는 전압 스파이크 여유 계수)
2. 순방향 전류:
   I_{\text{F}} = (2 \\sim 3) \\times I_{\text{Srms}}
   (2~3은 여유 계수)

11. 출력 커패시터 결정

출력 커패시터는 내전압, 용량 및 등가 직렬 저항(ESR)에 맞춰 선택해야 하며, 핵심 파라미터는 다음과 같습니다:

1. 커패시터 내전압 일반적으로 출력 전압의 1.25배로 선택, 공식: V_{\text{Cout}} = 1.25 \\times V_{\text{out}}

2. 커패시터 용량 출력 전압 리플은 출력 전압의 1%로 제어(즉 \\Delta V = 1\\%V_{\text{out}}), 용량 계산 공식: C_{\text{out}} = \\frac{(I_{\text{Spk}} - I_{\text{out}})^2 \\times D_{\text{off}}}{2 \\times \\Delta V \\times I_{\text{Spk}} \\times f_{\text{sw}}} 여기서:

• I_{\text{Spk}}: 2차 피크 전류
• I_{\text{out}}: 출력 전류
• D_{\text{off}}: 변압기 소자자 듀티 사이클
• f_{\text{sw}}: 스위칭 주파수

3. 등가 직렬 저항(ESR) 리플 제어의 핵심 파라미터, 공식: \\text{ESR} = \\frac{\\Delta V}{I_{\text{Spk}} - I_{\text{out}}}

12. RCD 흡수 파라미터 결정

RCD 흡수 회로는 MOS 소자의 드레인-소스 전압 스파이크를 억제하기 위해 사용되며, 파라미터 결정 로직은 다음과 같습니다:

1. 누설 인덕턴스 L_{\text{ik}} 일반적으로 변압기 1차측 인덕턴스의 1%~5%로 가정(실제 테스트가 없는 경우 이 범위로 예비 추정 가능).

2. 클램프 저항 R 계산 공식: R = \\frac{2 \\times (V_{\text{clamp}} - V_{\text{RO}}) \\times V_{\text{clamp}}}{L_{\text{ik}} \\times I_{\text{ppk}}^2 \\times f_{\text{sw}}}
   저항 소비 전력: P_{\text{R}} = \\frac{V_{\text{clamp}}^2}{R}

3. 클램프 커패시터 C 커패시터 전압 변동값 $\Delta V$는 클램프 전압 $V_{\text{clamp}}$의 5%~10%로 가정, 계산 공식: C = \\frac{V_{\text{clamp}}}{\\Delta V \\times R \\times f_{\text{sw}}} 여기서:

• V_{\text{clamp}}: 클램프 전압(이전에 $1.4V_{\text{RO}}$로 결정됨)
• V_{\text{RO}}: 반사 전압
• I_{\text{ppk}}: 1차 피크 전류
• f_{\text{sw}}: 최소 스위칭 주파수

[hhzh]

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