CVCC 전원, 납축전지충전회로, 고효율DC-DC 컨버터등

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本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌(2004年1月號)와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다. CVCC 전원, 납축전지충전회로, 고효율DC-DC 컨버터등 전원 회로 DSP나 A-D 컨버터, D-A 컨버터를 사용한 것처럼 아날로 그 회로와 디지털 회로가 함께 존재하는 애플리케이션에서는 복수의 기준전압원이 필요한 경우가 있다. 그림 1은 하나의 기준전압원에서 다출력 기준전압을 간단 히 생성할 수 있는 회로이다. 입력이 교류신호가 아니라 직류 전압으로 되어 있다. OP 앰프에는 표준적인 단전원 OP 앰프를 사용할 수 있다. NJM2904를 사용했을 경우, 20mA 정도의 출력전류가 얻어 진다. 통상적인 리니어 레귤레이터와 달리 부하전류를 흡입하거 나 나오게 할 수 있으므로 A-D 컨버터나 D-A 컨버터의 기준 전압원 회로에 사용된다. 출력전압은 다음과 같은 식으로 구 해진다. 출력정밀도가 필요한 경우에는 저항 R1, R2, R3에 집합저 항을 사용한다. 필요하다면 저오프셋 타입이나 고정밀도 타 입의 OP 앰프를 선택한다. 4출력이 필요한 경우에는 2.9×4.0×1.0mm의 패키지에 넣은 NJM2342가 편리할 것이다. 그림 2는 －32V를 출력하는 리니어 레귤레이터이다. OP앰프는 최대 전원전압이 출력전압보다 크고, 게인 밴드폭 곱 이 1M∼10MHz 정도라면 대체할 수 있다. Tr1은 2SK30AY 도 사용할 수 있지만 2K117 쪽의 포화전압이 크므로 입출력 간 전위차의 최소전압이 약간 커질 것이다. 그림 3은 부하에 인가되는 전류와 전압의 검출신호로, 정 전압제어와 정전류제어가 자동적으로 전환되는 회로이다. Tr1과 Tr2는 제어영역에 없는 OP 앰프의 출력전압을 다른 쪽 출력전압 부근에 체류시키는 역할을 담당한다. 예를 들어 전압제어영역에서는 D1이 ON이므로 Tr1은 동작하지 않는 다. 이 때 IC4의 출력이 상승하고 Tr2의 베이스 전류가 흐르는 레벨에 도달하면 Tr2를 통하여 IC4에 부귀환이 걸린다. 그 결과, IC4의 출력전압은 Tr3의 베이스 전위보다 훨씬 높은 전 압으로 유지된다. VCC까지 포화되는 것이 아니라 항상 상대 의 제어전압보다 VBE 만큼 높은 레벨로 유지되므로 전압제어 와 전류제어가 원활하게 전환된다. 그림 4는 정전류제어 회로를 내장한 DC-DC 컨버터 IC NJM2340을 사용한 충전용 CVCC 전원회로이다. 사양은 다음과 같다. · 입력전압 : 12V · 출력전압 : 5.5V · 출력전류 : 680m · 전력효율 ; 70% 외장 저항에 ±1%의 전류검출 저항을 사용해도 출력전류 의 분산을 ±5% 이하로 할 수 있다. 로우 사이드 충전전류를 검출하기 위해 입출력간의 그라운드를 공통으로 할 수 없다. 또한 NJM2340의 FB 단자를 L 레벨로 하면 스위칭이 정지 된다. 타이머 IC나 마이컴과 조합하여 보호기능도 실현할 수 있다. 그림 5는 마그넷식으로 정격전력 390W의 발전기를 가진 12V계 오토바이의 레귤레이터이다. B-E 사이의 전압이 높아 지면 사이리스터에서 발전기의 출력을 단락하는 위상을 제어 한다. 레귤레이터 없이 발전기의 출력을 부하에 그대로 공급 하면 다양한 전장품에 스트레스가 가해지거나 연축전지가 과 충전되어 신뢰성이 손상된다. 그림 5에 나타난 회로는 약 30W의 손실을 발생시키기 때 문에 방열대책이 필요할 것이다. 또 오토바이의 전원 라인에는 수십V의 서지 전압이 실릴 수 있으므로 내전압이 50V 정 도 이상인 부품을 사용하는 것이 좋다. 이 회로는 제로 전류 스위칭이므로 스너버가 필요 없다. 연축전지 충전전압의 온도계수(부의 계수)에 맞추기 위해 서는 ZD1에 있어서 13V 제품 1개가 아니라 5V 이하의 제너 다이오드를 시리즈로 하는 것이 좋을 것이다. 단, 그만큼 제 너 다이오드의 동작저항이 커지므로 R7을 조정하거나 Tr4를 달링턴 접속으로 하여 게인을 가동한다. 통신용으로 사용되는 저전압 동작의 VCO에서는, 저전압 동작이므로 전원 IC 자체에서 나오는 노이즈가 C/N 특성에 크게 영향을 미친다. 예전부터 전원 라인에 노이즈 필터를 넣 는 것은 일반적이지만 전원 자체의 노이즈가 작을 경우에는 필요 없다. 그림 6은 이러한 용도로도 사용할 수 있는 로우 노이즈 전 원회로이다. 출력부의 디커플링 콘덴서 CO에 10㎌의 탄탈 콘 덴서를 사용했을 때의 잡음특성은 12㎶RMS(10Hz∼80kHz를 노이즈 미터로 측정)이다. 1㎌의 세라믹을 사용했을 때의 잡 음전압은 20㎶RMS이다. 그림 7은 건전지 2∼4개로 동작하는 백색 LED 점등회로이다. 휘도는 최대값으로 고정하고 있다. 전류검출저항은 27 Ω이므로 LED에 흐르는 전류는 약 10mA이다. 전류를 더 증가시키려면 L1을 포화자속밀도가 높은 인덕턴 스로 변경해야 한다. 칩 바닥 면에 방열용 패드가 있는 타입이므로 실험할 때에는 위를 향해 고정시키고 방열 패드에는 굵직한 주석도금선 을 납땜한다. 그림 8은 대표적 제품인 DC-DC 컨버터 NJM2360을 사 용, 정전압에서 부전압을 만드는 극성반전회로이다. 차지 펌프 방식과 달리 출력전압이 입력전압에 의존하지 않고 높은 내압이 얻어진다는 등의 특징이 있다. IC에 입력전 압과 출력전압의 차가 인가되므로 IC의 내압으로 40V는 필 요하다. 스위칭 노이즈가 염려되는 경우는 출력에 LC의 LPF 를 접속한다. IC에는 MC34063(온 세미컨덕터)도 사용할 수 있다. 그림 9는 연축전지의 충전회로이다. 전압가변형 3단자 레 귤레이터 LM317을 정전류 동작시키고 있다. 출력전압은 연 축전지의 충전종지전압으로 맞춘다. 출력전압은 분압저항 R1 과 R2에서 설정한다. R6는 출력전류를 검출하고 트랜지스터 Tr1과 Tr2에서 IC1 의 출력전압을 연축전지의 단자전압에 맞춘 값으로 자동조절 하며 약 1A의 정전전류를 출력한다. R6는 0.68W(＝1A×1A ×0.68Ω)의 전력을 소비하므로 2W 정도의 허용 소비전력이 필요하다. 전류를 검출하는 Tr2의 VBE 온도 특성의 영향으로 검출전 류값, 정(＋)의 온도계수를 갖게 된다. 그림 10은 범용 전압가변형 스텝다운 컨버터 제어 IC를 사 용한 연축전지의 충전회로이다. SI-8050S는 스위칭 트랜지스터와 제어회로를 내장하고 있 다. 분압저항 R1과 R2에서 설정하는 출력전압이 연축전지의 충전종지전압이 되도록 한다. 이 회로의 경우는 13.72V이다. 저항 R5에서 출력전류를 검출하고 트랜지스터 Tr1과 Tr2에서 IC1의 출력전압을 연축전지의 단자전압에 맞는 값으로 자동 조절하여 약 3A의 정전류 동작을 실행한다. 전류를 검출하는 Tr2의 VBE 온도 특성의 영향으로 검출전 류 특성은 정(＋)의 온도계수를 가진다. R5는 1.98W(3A×3A×0.22Ω)의 전력을 소비하므로 5W 정도의 허용 소비전력이 필요하다. 그림 11은 3.3V, 1A 출력, 효율 96%의 스텝다운 컨버터 이다. MAX1685의 입력전압 범위는 2.7∼14V로 넓어 배터 리 충전기능이 있는 포터블 기기에 적합하다. 출력전압은 3.3V 고정이거나 외장 저항에서 1.25V부터 Vin까지 설정할 수 있다. 경부하까지 고정주파수로 스위칭 동 작하는 고정주파수 PWM 모드는 노이즈 성분의 변동을 겸하 는 장치에 이용한다. 통상적으로는 중부하 시에 PWM의 고정주파수 모드, 경부 하 시(150mA 미만)에 PFM(Pulse Frequency Modulation) 모드로 동작한다. 자기 소비전류는 150㎂이다. 저전력 모드에서는 스탠바이일 때 또는 부하전류가 적을 때(160mA) 자기 소비전류가 25㎂까지 저감한다. 셔트다운 모드일 때는 자기 소비전류가 2㎂로 된다. 형상은 16핀 QSOP이다. 제어회로와 스위칭 소자를 내장 하고 있으며 콘덴서와 코일, 다이오드를 외장하면 최대 효율 96%가 얻어진다. 동작주파수가 600kHz로 고속이므로 프린 트 기판의 레이아웃이 중요하다. 또 일반적인 전해 콘덴서가 아니라 ESR이 낮은 OS 콘덴 서(산요)나 기능성 고분자 콘덴서를 사용한다. 모든 부품은 표면실장용을 사용하고 리드가 있는 부품은 사용하지 않도록 한다. 그림 12는 입력전압 5.5∼60V, 출력전압 5V, 출력전류 1A의 스텝다운 DC-DC 컨버터이다. 이 회로의 특징은 입력전압이 광범위해서 5.5∼60V까지 커버할 수 있다는 점이다. 용도는 고전압이 필요한 공업용 또 는 차량 탑재용 전자기기, 48V계 버스 라인에서의 서브 전원, 배터리 차저, 분배전원 등이다. LT1766은 스텝다운 스위칭 레귤레이터 IC이다. 발진회 로, 제어회로, 스위칭 트랜지스터 등 스텝다운 컨버터에 필요 한 모든 기능을 내장하고 있다. 발진주파수는 200kHz, 내장 파워 트랜지스터(Q1)의 피크 전류는 1.5A이다. 그림 13은 범용 시리즈 레귤레이터 LM305(내셔널 세미 컨덕터)를 사용한 자여식 스텝다운 DC-DC 컨버터이다. ＋12∼＋30V의 입력전압을 ＋5V로 강압하여 출력한다. 출력전류는 최대 2A이다. 기본동작은 출력전압에 포함되는 미세한 리플 전압을 검출하여 ON/OFF 제어하는 출력 리플 전압검출형 초퍼 회로이다. LM305는 기준전압, OP 앰프, 드라이버 회로 등을 내장한 드로퍼용 제어 IC이다. 일본에서는 NEC 일렉트로닉스가 μPC141이라는 형명으 로 판매하고 있다. 출력전압을 3V 이하로 설정하면 스위칭 동작하지 않고 Tr1 의 로스가 증가한다. 출력전압 Vout은 다음과 같은 식으로 구 할 수 있다. 그림 14에 나타난 LTC1425는 절연용 소형 DC-DC 컨버터를 만드는 데 적합한 제어 IC이다. 발진주파수는 275kH이고 전류 모드로 출력을 제어한다. 출력단에서 피드백을 걸고 있지 않으므로 부하변동은 ±5%이다. 부하변동을 개선하고 싶은 경우에는 절연된 센싱 회로에서 출력단으로부터 얻어야 한다. 트랜스는 부트스트랩 권선이다. 그림 15는 절연된 2채널의 아날로그 회로용 전원이다. LTC1425는 리니어테크놀러지사의 절연 DC-DC 컨버터용 제어 IC이다. LTC1425는 전류 모드로 동작하고 발진주파수 는 275kHz이다. 전원에 필요한 회로는 모두 내장하고 있다. 내장 스위칭용 파워 MOSFET의 최대 드레인 전류는 1.5A 이다. 귀환을 걸고 있지 않으므로 2차 측의 부하변동은 ±5% 정 도 있다. 부하변동의 정밀도를 올리기 위해 3단자 레귤레이터 를 부가하고 있다. 효율은 5V 입력에서 72%, 15V 입력에서 80%이다. 절연 성능은 트랜스의 권선구조로 결정한다. 그림 16은 입력전압 1∼5V, 출력전압 3.3V, 출력전류 500mA의 스텝업 레귤레이터이다. 전지 2개의 직렬접속 전원에서 로직 회로용 3.3V 전원을 생성할 수 있다. LTC3401은 스텝업 레귤레이터에 필요한 모든 회로를 내 장하고 있고 입력전압 1V에서 동작한다. 소비전류도 38㎂로 매우 작은 것이 특징이다. 입력전압 범위는 1∼5V, 출력전압은 R1, R2로 2.6∼5V까 지 설정할 수 있다. 그림 18은 강압형 DC-DC 컨버터에 LC 직렬공진회로를 추가하여 만든 전류공진 ZCS(Zero Current Switch) 회로이 다. ZCS는 공진주기에 의한 ON 시간고정인 가변주파수 변조 VFM(Variable Frequency Modulation)이므로 제어에 연구 가 필요하다. 범용 타이머 IC μPC1555C는 전압 제어발진기 VCO(Voltage Controlled Oscillator)로 이용하고 있다. 스위칭용 파워 MOSFET Tr1, 전류 다이오드 D3, 평활 인 덕터 L1에서 통상적인 스텝다운 DC-DC 컨버터를 구성하고 있다. 인덕터 L1과 콘덴서 C8은 공진회로를 구성하고 있다. D2는 반파의 ZCS를 실현하기 위한 다이오드이다. D1과 C3는 부트스트랩 회로를 구성하고 있으며 Tr1의 게이트 드라이브 전력을 생성하고 있다. 출력전압을 분압저항 R12, VR1, R13에서 검출하고 Tr5에서 IC1의 주파수를 제어한다. 과전류 보호회로는 Tr3의 VBE에서 검출하고 있으므로 정(＋)의 온도계수를 지니고 있다. 0.5∼ 3A 정도의 출력전류까지 사용할 수 있다. 이 상태의 회로에서는 IC1의 VCO 속도에 따라 과도응답이 그다지 빠르지 않으므로 연구가 더 필요하지만 ZCS의 기초 실험에는 최적이다. 그림 19는 출력전류 5A를 인출하는 비절연 스텝다운 DCDC 컨버터이다. BIC1222는 동기정류용 파워 MOSFET 2개와 제어회로를 내장한 멀티 칩 모듈이다. 입력전압 범위는 8∼20V, 출력은 2.5V∼12V까지 외부저항에서 임의로 설정할 수 있다. 과전류 보호회로, 과열 보호회로, ON/OFF 기능을 갖고 있다. 표 1에 3A 출력일 때와, 5A 출력일 때의 사양을 나타낸다. 그림 20에 나타난 BIC221C는 비절연형 스텝다운 DCDC컨버터용 IC이다. 동기정류 파워 MOSFET와 제어회로를 내장하고 있다. 입력전압 범위는 4.5∼20V, 출력은 0.8∼12V까지 외부저 항에서 설정할 수 있다. 최대 출력전류는 3A이다. 동기 정류회로방식이므로 매우 고효율이다. 31핀을 Vout으로 접속하면 출력전압은 2.5V로 된다. 그림 21은 월드 와이드 입력의 절연형 고효율 스탠바이 전 원으로, CO2 배출량 삭감에 대응하는 에너지 절감 스탠바이 전원이다. 회로의 사양을 다음과 같이 정리한다. · 입력 : AC85∼264VRMS · 출력 : DC＋5.5V/1A · 무부하 시 입력전력 : 0.1W 이하(AC100V 시), 0.2W이하(AC230V 시) MIP2E20MY는 파워 MOSFET와 같이 3단자의 패키지속에 전체 기능을 내장하고 있다. 설계 상 어려운 점은 없다. 동작은 전류 모드의 플라이백 컨버터이며 항상 1차 전류를 센 싱하고 있어 전류가 어떤 값 이하라면 간헐적으로 동작한다. 간헐동작이므로 출력 리플이 많아 전압 안정도에 어려움이 있기 때문에 반드시 뒤에 저손실 레귤레이터를 접속하여 사용 한다. 그 경우에도 연속동작 모드에 비하면 손실이 훨씬 낮다. 유일하게 까다로운 트랜스 설계에 관해서는 참고문헌 (2), (3)을 참조하거나 메이커 대리점에 의뢰하면 흔쾌히 공급해준다. 이 전원회로는 스탠바이 전용이지만 MIP2E20MY의 스탠 바이 오퍼레이션 전환기능을 사용하면 60W까지의 전원에서 트랜스 변경 없이 에너지 절감 스탠바이 전원기능을 부가할 수 있다. 그 경우, MIP2E20MY를 MIP2E7D로 변경하고 트 랜스나 기타 부품을 소비전력에 따라 변경한다. 단, 스탠바이 시에는 에너지 절감을 위해 메인 출력을 스위치 등으로 차단 해 둔다. 스탠바이 오퍼레이션 전환기능을 가진 대체 제품으로서는 파워 인티그레이션즈(PI)사의 TOP232P가 있지만 일부는 기능적으로 다르다. 에너지 절감 스탠바이 전용이라면 더욱 우수한 에너지 절감 특성을 지닌 MIP282, MIP283 및 PI사 의 TNY255P, TNY266P 등이 있다. FPGA 등 1개의 IC에서 2개의 전원을 필요로 하는 IC가 많이 있다. 그림 23은 입력전압 4.5∼20V, 출력 2.5V/2A, 1.8V/0.9A의 2채널 출력 DC-DC 컨버터이다. 3단자 레귤레이터는 리니어 방식이기 때문에 응답속도도 150㎲로 빨라 고 속응답이 필요한 FPGA에서도 구동할 수 있다. 입력전압 범위는 4.5∼20V이다. 출력은 0.8∼12V까지 외 부저항으로 임의로 설정할 수 있다. 출력전압을 3.3V로 설정 하려면 31번 핀을 오픈으로 한다. 그림 24는 입력전압 약 10∼16V에서 동작하는 정격전력 35W의 방전 램프용 정전력 전원회로이다. 무부하 시의 출력전압은 380V이며 최대전류는 0.5A 정도이다. 이 범위에서 35W의 부하를 구동할 수 있다. R4를 가변함으로써 출력전력 을 조정할 수 있다. 승산기를 사용하여 정전력 제어하고 있다. 부하의 전압과 전류를 승산한 신호를 바탕으로 Tr3, Tr4가 ON하는 시간을 제어하고 있다. NJM4200은 생산이 중단된 제품이므로 페어 차일드의 RC4200쪽이 구하기 쉬울 것이다. 출력전압이 낮을 때 출력전력이 증가하도록 IC3, Tr1을 설 치하고 있다. 이것은 방전 램프의 상승에 필요한 회로이다. 일반적인 용도에서는 필요하지 않다. 슬로프 보상을 실시하 면 더욱 큰 전류범위까지 사용할 수 있을 것이다. T1은 플라이백 트랜스로서 사용하고 있으며 1차 인덕턴스 의 값을 일정한 범위로 해야 한다.