AC/DC 변환 회로 설계의 과제

디스크리트 구성을 사용할 것인지, 전원용 IC를 사용할 것인지에 대한 검토는 지속적으로 감소 추세이지만, 주로 온보드 전원을 설계한다는 관점에서 설명하겠습니다. 

 

여러가지 견해가 있겠지만, 전원 IC를 사용하는 메리트를 생각하면, 전원 IC를 완벽하게 사용하는 것이 좋은 방법이라고 생각합니다.

 

 전원 IC에는, 최적의 제어가 가능하도록 필요한 회로와 기능의 대부분이 탑재되어 있습니다. 따라서, 설계자가 이를 조정하면서 자신의 설계에 최적화함으로써, 완성도 높은 전원을 실현할 수 있습니다.

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전원은 전원 메이커가 보유한 노하우의 집합체로서, 튜닝의 편이성 및 성능 면, 그리고 비용 면에서도 디스크리트 구성이 우수한 시대가 있었습니다.

 

그러나, 오늘날의 전원용 IC는 다양한 시장 요구를 반영하여, 간단하고 편리하게 고성능 전원을 구축할 수 있게 되었습니다. 무엇보다도 부품 수가 줄어, 사이즈 및 신뢰성 면에서도 우수합니다.

 

신속한 Time-to-Market이 요구되는 기기 설계에서는, 설계 개시가 늦어지는 경향이 있는 전원 설계의 능률을 향상시키는 것이 매우 중요합니다.

키 포인트
・전원 설계에 관한 노하우가 없다면, 실질적으로 전원용 IC를 사용하는 것이 좋은 방법이다.
・대부분의 경우, IC 메이커는 설계에 대한 서포트를 실시하고 있다.

 

전원의 효율 향상은, 현대 사회의 에너지 절약 요구에 있어서 가장 중요한 테마입니다. 또한, 대기 시의 소비전력도 중요한 개선 항목이며, 다양한 대책이 강구되고 있습니다.

스위칭 DC/DC 컨버터의 효율은 95% 전후를 달성할 수 있습니다. 반면에, AC/DC 컨버터의 경우는 1차측의 변환 효율에 아직 개선의 여지가 있는 것이 실정입니다. 또한, 취급 전력이 커지면, PFC (역률 개선)가 필요하여, 추가 회로와 노하우가 필요합니다.

 

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AC/DC 변환에서 효율 향상을 위해서는 스위칭 방식의 채용이 필수입니다.

 

이를 위해서는 앞서 기술한 바와 같이, 예를 들어 100VAC를 직접 정류하여 평활할 수 있는 다이오드와 콘덴서, 그 후의 140V 가까이 DC 전압을 스위칭할 수 있는 트랜지스터와 같은 고내압 부품이 필요하므로, 당연히 비용도 증가합니다.

 

이는 저전력화 요구와의 트레이드 오프로서 중요한 현안 사항입니다.

 

 

소형화 역시 중요한 요구 사항입니다. 스위칭 방식을 사용함으로써 소형화가 가능합니다. 

 

AC/DC 변환의 기본 편에서 게재한 AC 어댑터의 예를 통해 그 차이점을 이해할 수 있으리라 생각합니다.

구성 부품 중, 크기가 크고 무거운 트랜스는 부품으로서 나름의 소형화가 추진되고 있습니다. 2차측의 DC/DC 변환 회로는 

 

스위칭 주파수를 높이면 인덕터와 콘덴서를 작게 할 수 있으므로, 소형화에는 효과가 있습니다. 

 

반면에, 효율은 저하되는 경향이 있으므로, 이러한 면에서는 사이즈와 효율의 최적화가 필요합니다.

 

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또한, 제어 IC에 주변 기능을 탑재하는 것도, 부품수를 줄여 실장 면적을 삭감하는데 도움이 됩니다. 

 

최근의 제어 IC에는 5, 6종류의 보호 기능이 탑재되어 있습니다. 만약 이러한 보호 기능을 디스크리트로 구성하게 되면 

 

상당히 많은 부품과 스페이스가 필요하게 됩니다.

 

전원에 있어서 보호 기능은, 안전면뿐만 아니라, 회로의 신뢰성에 있어서도 중요한 기능입니다. 

 

보호 기능을 크게 분류하면, 입력 (과전압, 동작할 수 없게 되는 입력전압의 저하 등), 출력 (과부하 및 단락, 역전압, 과전압 등), 온도 (과잉 자기 발열, 주위 온도의 상승 등)이 있습니다. 

 

이러한 항목이 모든 전원 회로에 필요한 것은 아니지만, 대부분이 꼭 필요하거나, 있으면 좋은 기능입니다. 앞서 설명한 바와 같이, 필요한 보호 기능의 대부분이 제어 IC에 탑재되어 있으므로, 이를 적극 이용할 것을 권장합니다.

 

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특히, AC/DC의 경우, 입력은 콘덴서로부터의 AC이므로, 경우에 따라서는 낙뢰로 인해 큰 서지 등이 인가될 가능성이 있습니다. 또한, 전압이 높고, 전류도 가정용일 경우에도 30A~50A와 같이 고전류를 흘릴 수 있으므로, 장해가 발생한 경우의 손해는 막대해 질 것입니다.

 AC/DC 변환 회로도 등을 게재하고 있는데, AC라인의 퓨즈가 생략되어 있습니다. 대부분의 전원 회로에서는 소스에 퓨즈를 삽입합니다. 상식적인 내용이므로 회로도에서는 생략되는 경우가 많지만, 여기에서 확인해 두고자 합니다.

 

전원에는 다양한 인증 및 규제가 있습니다. 

 

잘 알려져 있는 Energy Star 역시 그 일종으로, 효율 및 대기 시 소비전력에 관한 규제입니다. 

 

안전 관련으로는 PSE 인증이 AC 어댑터 등 전원 유닛에서 필수이며, 노이즈 관련으로는 EMI 및 EMC의 적합성이 필요한 케이스가 다수 있습니다. 

 

이러한 인증 및 규제는 전 세계적으로 공통인 것, 국가 및 지역에 한정되는 것 등 다양하게 있으므로, 제품의 글로벌 전개를 고려한다면, 각 국가의 규격에 적합하도록 할 필요가 있습니다. 

 

또한, 이러한 인증에는 시험이 필요하며, 이를 위해 시간과 비용 그리고 노력이 많이 소요된다는 점을 기억해 주십시오.

 

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설계에 있어서 중요한 것은 첫 단계에서 어떤 인증이 필요하며, 어떤 규제를 만족해야 하는지를 확실히 파악하는 것입니다.

 

만약 나중에 요건으로서 추가될 경우, 처음부터 설계를 다시 해야 하는 상황에 직면하거나, 제품이 완성되어도 시험이

 

완료되지 않아 출하할 수 없는 등, 큰 문제가 될 가능성이 있습니다.