일렉트로닉스 설계 핸드북-전원회로 설계 핸드북

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10月號)와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

연재 2. 일렉트로닉스 설계 핸드북

복잡한 전자 시스템을 효율적으로 설계하고 확실하게 동작시켜야한다는 과제가 엔지니어에게 계속 요구되고 있다.
때로는 편리한 표나 툴을 사용하여 일을 효율적이고 정확하게 진행해야 한다. 이와 관련, 본지에서는 전자회로의 심장부라고도 할 수 있는 전원회로, 아날로그 신호처리에 반드시 필요한 OP 앰프회로, 무선 시스템 구축에 있어서 중요한 고주파회로 등 작업 시 참고할 수 있는 편리한 표와 계산식 및 대표적인 회로 등을 모아보았다.

전원회로 설계 핸드북

전원회로는 전자회로를 안정적으로, 그리고 안전하게 동작 시키는 데 반드시 필요한 회로이다. 여기에서는 상용(商用) 전원의 전압변환에서부터 DC-DC 컨버터와 3단자 레귤레이 터를 사용한 안정화 전원회로 설계 시 사용하는 대표적인 디 바이스까지 소개한다.



2개의 다이오드로 만드는 정류회로

그림 1은 센터 탭용 출력 권선을 가진 전원 트랜스를 사용 한 전파 정류회로이다. 



2개의 권선을 동상으로 감고 감기 시 작 부분과 종료 부분을 접속하여 센터 탭으로 하고 있다. 2개의 정류 다이오드로 전파 정류할 수 있으며 다이오드의 순방향 특성에 의한 정류전압의 전압강하(VF)는 다이오드 1 개 분이다. 트랜스의 권선은 2세트 필요하다.
그림과 같이 2개의 권선에서 출력되는 교류의 정현파 전압 을 정(＋)의 반사이클과 부(－)의 반사이클로 나누어 정류한 다. 싱글 탭 방식에 비해 각 권선의 실효전류가 반으로 되기 때문에 가는 전선으로 해결된다.

정부 전원을 만드는 4개의 다이오드가 사용된 정류회로

센터 탭과 브리지 다이오드를 사용하여 그림 2와 같이 정부(＋, －)의 전원을 얻을 수도 있다. 



OP 앰프 등의 전원으로 ±12V를 얻는 경우 등에 적합하다.

정류 다이오드의 내압 결정방법

트랜스는 1차 측과 2차 측의 권선비에서 입력전압을 출력 전압으로 변환한다.
AC100V는 정현파이므로 피크 전압은 그 2배인 약 141V 이다. 다음과 같은 식이 성립된다.

여기서, V1 : 1차 전압 [VRMS], V2 : 2차 전압 [VRMS], N1: 1차 측 권수 [턴], N2 : 2차 측권수 [턴]
정류용 다이오드의 내압은 입력전압의 변동 이나 뇌 등의 서지 전압을 고려하여 출력전압 V2에 대해 1.2∼1.5배의 마진이 필요하다. 실제의 브리지 다이오드는 100V/200V/ 400V/600V로 시리즈화되어 있으므로 이 중 에서 선택하면 될 것이다.

정류회로 2…싱글 탭 전원 트랜스＋4개의 다이오드

그림 3은 싱글 탭의 전원 트랜스와 브리지 접속한 4개의 다이오드로 만든 전파 정류회로이다. 



다이오드로는 브리지 다이오드도 사용할 수 있다.
4개의 다이오드가 전원 트랜스에서 출력되는 교류의 정현파를 정(＋)의 반사이클과 부(－)의 반사이클로 나누어 정류 한다.
정류 시 다이오드의 순방향전압에 의한 정류전압의 전압강 하는 다이오드 2개 분, 즉 2VF이다. 다이오드의 내압은 전술 한 센터 탭 방식의 반으로 해결된다. 전원 트랜스도 권선이 1 세트이므로 심플하고 저가이다.

브리지 다이오드의 외관

사진 1은 4개의 다이오드를 브리지 접속하여 하나의 패키지에 넣은 브리지 다이오드의 외관이다.



평균전류의 결정방법

다이오드의 전류용량은 평균전류로 결정한다. 전원회로의 출력전류에 변동효율 등을 가미하고 다이오드의 순방향 전압 강하(VF)에 의해 발열이 있으므로 약간의 여유를 두도록 한 다. 기준은 출력전류의 2배 이상이다.
표 1에 싱글 인라인 패키지(SIP)의 대표적인 브리지 다이오드를 나타낸다.





평활용 전해 콘덴서의 외관

전원 트랜스의 2차 측 출력전압을 정류한 다음에는 사진 2에 나타난 전해 콘덴서로 평활한다.



내압의 개산(槪算)

콘덴서 내압을 초과하는 전압이 인가되면 방폭(防爆) 밸브 가 열리거나 회로가 고장나 큰 사고로 연결된다. 평활 콘덴서 의 내압을 결정할 때에는 트랜스의 2차 측에서 출력되는 전압 의 피크값에 대해 20% 정도 마진을 고려한다.
또 상용전압은 변동되므로 거기에 10% 정도의 마진이 더 있다면 안심할 수 있다. 다음과 같은 식으로 구한다.
VCmax ＝ √2kVt
여기서, VCmax : 내압 [VDC], Vt : 트랜스 전압 [VRMS] k :계수(1.2∼1.3)
·계산 예
8.2VRMS를 평활하는 콘덴서의 내압 VCmax [V]는 다음과 같은 식으로 구한다.
VCmax ＝ √2×1.2×8.2≒13.9V
실제로는 내압 16V인 것을 선택한다.

평활 콘덴서의 용량 개산

평활 콘덴서의 용량은 일반적으로 O. H. Schade의 그래프(7) 에서 리플 함유율 등을 결정한 다음 구한다. 간단하게는 다음 과 같은 식으로 구할 수 있다.

여기서, DC : 평활 콘덴서의 용량 [F], RL : 부하저항 [Ω], f : 정류 후의 주파수 [Hz]
분자 k는 평활 콘덴서의 리플 전압을 결정하는 계수이다. 통상 20∼50으로 한다. 이 계수가 클수록 리플 전압이 작아진 다. 부하저항 RL [Ω], 평활 콘덴서의 양단전압 VC [V], 평활 콘덴서에서 유출되는 전류 IC [A]는 다음과 같은 관계이다.

IC는 후단에 접속하는 전원 IC가 3단자 레귤레이터일 경우, 출력전류와 같은 값이 된다. DC-DC 컨버터라면 변환효율을 가미한 값이 된다.
·계산 예
3단자 레귤레이터 78M05에서 5V, 0.5A의 출력전류를 얻 는 경우를 살펴보자. 상용전원의 변동이나 마진을 고려하여 평활전압과 인출전류를 8.2V, 0.75A라 생각하면,

k를 20으로 하여 계산하면 다음과 같다.

실제로는 여유를 두고 3,300㎌을 1개, 또는 1,000㎌을 3 개 병렬 접속한다.

콘덴서의 내압표기

콘덴서의 내압은 6.3V/10V/16V/25V/35V/50V 등의 수 치로 표준화되어 있다. 이것은 기호로 표시하는 경우가 많으 며 표 2와 같이“0J”, “1E”, “2A”처럼 숫자와 알파벳의 조합으로 표현하고 있다. 



예를 들어 6.3V 제품인 경우“0J”(＝100×J＝6.3)로 표기되어 있다. 25V 제품은“1E”(＝101×E＝ 25), 100V 제품은“2A”(＝102×A＝100)로 표기되어 있다.

리플 전압의 개산식

평활 콘덴서의 단자에는 트랜스에서 공급되는 충전전류와 부하 측으로 유출되는 방전전류에 의해 리플 전압이 발생한다. 리플 전압 ΔV [Vp-p]는 대략 다음과 같은 식으로 구한다.

여기서, fAC : 상용전원의 주파수 [Hz], CC : 평활 콘덴서의 용량 [F], Iout : 부하전류 [ADC]
·계산 예
5V, 0.5A 출력의 전원에서 3,300㎌의 평활 콘덴서를 사용 한 경우의 리플 전압은 다음과 같이 구할 수 있다.
 

대표적인 전원평활용 콘덴서

자주 사용되는 전원평활용 콘덴서의 메이커명과 시리즈명을 표 3에 나타낸다.



전해 콘덴서의 수명계산

알루미늄 콘덴서는 내부에 전해액이 봉입되어 습식 콘덴서 라고도 한다. 전해액을 사용하고 화학변화를 응용한 제품이 므로 전해액이 없어지면 정전용량이 감소된다. 이 화학변화 의 지속시간은 환경온도로 변한다. 따라서 전해 콘덴서에는 수명이 있고 사용환경에 따라 늘거나 줄어든다.
실제 콘덴서를 보면 각 사가 105℃, 2,000시간 등으로 수 명을 보증하고 있다. 105℃에서 2,000시간인 전해 콘덴서를 60℃에서 사용할 때의 수명은 다음과 같이 계산된다. 다음에 나타난 아레니우스 법칙이라는 유명한 산출식을 사용한다.

여기서, L : 온도 TC에서의 수명 [시간], LO : 규정온도 TO 에서의 수명 [시간], TO : 수명을 규정하는 온도 [℃], TC : 콘덴서의 환경온도(표면온도와 거의 같다) [℃]
10℃의 변화에서 2배(1.2배)로 되기 때문에‘10℃, 2배 법 칙’이라고도 한다. 수명의 정의는, 예를 들어‘정전용량이 초 기값에서 －20%로 되었을 때’등으로 규정되어 있다. 위의 식에 LO＝2,000, TO＝105, TC＝60을 대입하면,

≒45,255시간≒1,886일≒5.2년
수명이 105℃, 2,000시간인 전해 콘덴서를 환경온도 60℃ 에서 사용하면 약 5년간 사용할 수 있다.



3단자 레귤레이터를 사용한 직류전원회로의 기본형

그림 4는 3단자 레귤레이터를 사용한 5V, 0.5A 출력의 직류 전원회로이다. 



3단자 레귤레이터를 사용하면 안정적인 직류전원을 간단하게 만들 수 있다.

가장 많이 사용되고 있는 3단자 레귤레이터

3단자 레귤레이터는 표 4에 나타난 시리즈가 잘 알려져 있다. 



신일본무선, NEC 일렉트로닉스, 내셔널 세미컨덕터사를 비롯하여 많은 반도체 메이커가 취급하고 있다. 예를 들면 ‘NJM79M05’라는 제품의 형명에서,
· NJM → 신일본무선제
· 79 → 출력전압이 부(-)극성
· M → 최대 출력전류가 500mA
· 05 → 출력전압이 5V
라는 것을 알 수 있다. 3단자 레귤레이터의 출력전류 정격 은 실제로 사용하는 전류값에 약간의 마진을 포함하여 선정 한다. 출력전류 정격이 부하전류에 대해 여유가 없으면 내부 의 과전류 보호회로가 동작, 출력전압이 저하되어 부하 측으 로 공급되는 전류가 자동적으로 억제된다.

3단자 레귤레이터의 외관

사진 3에 3단자 레귤레이터의 외관을 나타낸다.



출력ON/OFF 기능등을지닌전압레귤레이터 일람

78/79 시리즈 외에도 출력 ON/OFF 기능이나 출력전압 조정 등의 부가기능을 지닌 3∼5단자 레귤레이터가 있다. 대표적인 부가기능 장착 레귤레이터를 표 5에 나타낸다.



입력과 출력의 전압 차가 작아도 동작하고 대전류(2∼3A) 를 출력할 수 있는 저포화전압 타입도 있다. 출력전압 가변 타입인 LM317(내셔널 세미컨덕터) 1.5A 등이 대표적이다.

발열량의 계산방법

입력전압 Vin[V], 출력전압 Vout[V]의 차이와 출력전류 Iout[A]의 곱이 내부 손실 PD[W]로 된다. 즉, 다음과 같은 식 이 성립된다.
PD＝(Vin－Vout)Iout
그림 4와 같이 입력전압을 12V, 출력전압을 5V, 출력전류 를 0.5A로 하면 내부손실은 다음과 같이 구할 수 있다.
PD＝(12V－5V)×0.5A＝3.5W
3단자 레귤레이터의 입력전압 정격은 허용되는 내부손실 에서 결정되며 출력전압이 낮은 것일수록 낮아지고 있다. 방열 핀을 잘 골라 칩 온도를 정격 이하로 할 수 있다면 입 력전압 30∼40V까지 사용할 수 있는 경우도 있다. 상세한 내 용은 각 반도체 메이커에 상담하는 것이 좋을 것이다.
입력전압 35V에서 5V, 0.5A를 출력하면 15W의 내부손실 이 발생한다. 이럴 때에는 아무리 큰 방열 핀을 사용해도 내 부의 칩 온도가 정격을 초과해버린다. 이러한 경우, 스위칭 방식 DC-DC 컨버터를 사용해야 한다.

리플 제거율이란

리플(ripple)은 잔물결이라는 의미이다. 3단자 레귤레이터 등 직류전원의 출력전압 파형은 물결이 아니라 평탄해야 하 지만 전압 레인지를 확대해 살펴보면 약간의 파상으로 변동 하고 있다. 이 변동전압을 리플 전압이라 한다.
상용전원을 트랜스로 정류평활한 전원에 대해 3단자 레귤 레이터로 안정화하면 그 출력에는 100Hz 또는 120Hz로 변 동하는 리플 전압이 나타난다. 스위칭 방식인 DC-DC 컨버터 에서는 스위칭 주파수의 리플 전압도 중첩되어 있다.
3단자 레귤레이터의 출력에 발생하고 있는 리플 전압이 회 로의 특성에 영향을 미치는 경우에는‘리플 제거율’이라는 특 성을 고려한다. 이것은 입력 측 평활 콘덴서의 리플 전압을 어느 정도 적게 하여 출력할 것인가 하는 특성이다.
3단자 레귤레이터의 품종에 따라 약간 차이가 있지만 일반 적으로 40∼60dB 정도이다. 예를 들어 40dB이라면 전압비 에서 100이므로 평활 콘덴서의 리플 전압이 1VP-P 있어도 출 력 리플 전압은 1/100인 10mVP-P까지 압축된다.



기본회로와 동작파형

DC-DC 컨버터는 3단자 레귤레이터와 같이 안정적인 직류 전압을 출력하는 안정화 전원이다. ON과 OFF의 스위칭 동 작이므로 변환효율이 높고 발열이 작은 직류 전원회로를 구성할 수 있다. 그림 5에 기본회로와 동작파형을 나타낸다.



코일은 스위치 소자가 ON했을 때 에너지를 축적하고, OFF되어 있는 동안 다이오드 D1에서 전류를 전송하는 기능 을 담당한다. 다이오드 D1의 역할은 스위치 소자가 OFF되어 있는 동안, 코일 L1의 전류가 전류(轉流)되는 경로를 구성하 는 것이다. D1은 그 기능에서 프리 휠 다이오드(Free Wheel Diode)라 불리고 있다.
변환효율을 올리기 위해서는 역 회복시간(trr)이 가급적 짧 고 순방향의 전압강하(VF)가 적은 다이오드가 필요하다. 통 상적으로는 고속이며 순방향전압 VF가 낮은 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky Barrier Diode)(이하 SBD)를 사용한다.

DC-DC 컨버터 제어 IC의 외관

사진 4(a)는 범용 PWM 컨트롤러이다. 오차증폭기나 콤퍼레이터 등 DC-DC 컨버터를 구성하는 데 필요한 회로를 2채널씩 내장하고 있다.



사진 4(b)는 내부에 전력 스위치를 내장한 제어 IC이다. 초 크 코일, 프리 휠 다이오드, 평활 콘덴서를 외장하는 것만으 로도 강압형 DC-DC 컨버터를 구성할 수 있다.
사진 4(c)는 출력전압의 안정화 기능을 지닌 스위치트 커 패시터 방식 DC-DC 컨버터 IC이다. 0.33μ∼1㎌ 정도의 차 지 펌프용 콘덴서를 외장하면 출력전류 수십mA 정도의 승강 압형 DC-DC 컨버터를 구성할 수 있다.

5V, 3A 출력의 DC-DC 컨버터

그림 6에 SI-8050S를 사용한 입력전압 12V, 출력 5V, 3A의 DC-DC 컨버터 회로를 나타낸다.



그림 7은 SI-8050S의 내부 블록도이다.



제어 IC의 입력단자와 출력단자 사이에는 스위치 소자가 내장되어 있으며 ON일 때 입력에서 출력 측으로 전력이 전 달되어 코일 L1에 전류가 흐른다.
스위치가 OFF되면 L1에 전압이 가해지지 않지만 일단 코 일에 흐른 전류는 갑자기 정지되지 않으므로 L1과 다이오드 D1에 전류가 흐른다.

스텝다운 컨버터용 제어 IC 일람

표 6에 TO-220 패키지의 대표적인 스텝다운형 DC-DC컨버터 제어 IC를 나타낸다.



DC-DC 컨버터용 코일의 외관

사진 5는 DC-DC 컨버터에 사용하는 코일의 외관이다 .



DC-DC 컨버터용 쇼트키 배리어 다이오드의 외관

사진 6은 TO-220 패키지의 대표적인 SBD의 외관이다.



코일 인덕턴스의 결정방법

가장 확실하고 간단한 방법은, 사용할 DC-DC 컨버터 제어 IC의 데이터 시트에서 권장하고 있는 인덕턴스값으로 선정한 다. 직접 계산하고 싶은 경우, 다음의 식을 이용한다.

여기서, Vin : 입력전압 [V], Vout : 출력전압 [V], Irip : 리 플 전류 [AP-P], fSW : 스위칭 주파수 [Hz]
그림 5에서 인덕턴스 L1이 크면 출력 콘덴서 Cout의 용량을 작게, L1이 작으면 Cout을 크게 한다.
코일의 허용전류와 인덕턴스값은 거의 코일의 체적에 비례 한다. 인덕턴스 30μ∼100μH인 것이 필요한 경우에는 허용전 류 1∼5A인 것을 선정하면 될 것이다. 코일의 전류용량은 출 력전류와 리플전류의 반을 더한 값 이상으로 해야 한다. 실제 로는 최대 출력전류일 때 코일의 코어가 자기포화되지 않는 값 이하로 하면 대부분의 경우 문제없다. 코일이 자기포화하 면 코일의 인덕턴스값이 저하된다. 그러면 스위치 소자의 전 류가 증대하여 발열되므로 파손에 이르는 경우가 있다.

DC-DC 컨버터용 트로이덜 코어 일람

표 7은 구하기 쉬운 DC-DC 컨버터용 트로이덜 코어이다.



DC-DC 컨버터용쇼트키배리어다이오드일람

SBD는 내압 15∼100V 정도까지 각 반도체 메이커에서 라인업되고 있다. 표 8에 TO-220 패키지의 대표적인 SBD를 나타낸다.



내압(VRRM)과 순방향 전압강하(VF)는 거의 비 례하므로 가급적 내압이 낮은 SBD를 사용하는 쪽이 변환효 율을 높일 수 있다. 다이오드의 손실은 순방향 전압강하(VF) 와 통과전류의 곱이기 때문이다.
그림 6에 나타난 DC-DC 컨버터는 강압형이므로 다이오드 에 인가되는 최대 전압은 입력전압과 같아진다. 따라서 입력 전압의 최대값 이상의 정격전압 다이오드를 선정한다. 정격 전류용량은 DC-DC 컨버터의 최대 출력전류 이상이 되도록 결정한다. 엄밀하게는 프리 휠 다이오드로 동작하는 기간, 즉 스위치 소자가 OFF되어 있는 기간에 흐르는 평균전류(Iave) 로 결정할 수 있다.

쇼트키 배리어 다이오드의 역 전류 온도 특성

SBD는 순방향 전압강하가 작고 역 회복시간이 짧기 때문 에 고효율이 장점인 스위칭 방식의 DC-DC 컨버터에서 자주 사용되고 있다. SBD는 통상 역 전압이 높아질수록 원래 흐르 지 않아야 하는, 즉 캐소드에서 애노드로 향하는 전류가 커지 게 된다. 이것을 역 전류라 한다.
그림 8은 SBD FCQ08A04(내압 40V, 일본인터)의 피크역 전압-역 전류 특성이다.



저VF를 구하여 내압이 낮은 정격 한계점까지의 SBD를 사용하면 역 전류가 증대, 손실이 커질 뿐만 아니라 경우에 따라서는 SBD가 열 폭주한다. 또 SBD 는 온도가 상승하면 역 전류가 커진다. 그 결과, 큰 손실발생 의 원인이 될 수 있다. 통상적으로 25℃에서는 내압 한계점에 서 10mA 정도의 역 전류가 흐르지만 Tj＝150℃로 되면 제품 에 따라 100mA∼30mA라는 큰 역 전류가 발생한다.



방열 핀의 필요성을 간단하게 판별하는 방법

방열 핀의 열 저항 θc-a [℃/W], IC의 내부손실 PD [W], IC의 표면 온도 TC [℃] 사이에는 거의 다음과 같은 관계가 성 립된다.


열 저항이란 열의 흐름을 방해하는 저항이다. 전기회로의 전류 흐름을 방해하는 저항에 해당한다. TO-220 패키지의 IC인 경우, 접합부에서 외기까지의 열 저항은 단체, 자립, 무 풍이라는 조건에서 65℃/W 정도이다.
·계산 예
3단자 레귤레이터의 입력전압을 12V, 출력전압을 5V, 출 력전류를 0.5A라고 하면,
PD＝(12V－5V)×0.5A＝3.5W
의 내부손실이 발생한다. 식 (4)에 θc-a＝65℃/W, PD＝ 3.5W를 대입하면,
TC＝227.5℃
가 된다.
NJM78 시리즈의 절대 최대 정격표를 표 9에 나타낸다.



이 표에서 NJM78 시리즈 내부에 있는 칩 온도의 최대값은 150℃라는 것을 알 수 있다. 패키지의 표면 온도가 200℃ 이 상이기 때문에 패키지 내부의 온도는 더 높아야 한다. 따라서 방열 핀이 필요하다는 것은 명백하다.

DC-DC 컨버터 제어 IC의 손실계산

SI-8050S를 사용하고 입력전압 12V, 출력전압 5V, 출력 전류 3A인 DC-DC 컨버터를 살펴본다. SI-8050S의 데이터 시트에 나타나 있는 그림 9의 그래프를 볼 때, 사용조건에서의 변환효율은 약 75%이다. 



따라서 내부손실 PD [W]는 다음과 같이 계산할 수 있다.

여기서, η: 변환효율 [%], Vout : 출력전압 [VDC], Iout : 출력전류 [ADC]

금속판으로 만드는 방열 핀의 열 저항 그래프

금속판의 재질, 두께, 면적을 알고 있다면 그림 10에 나타난 그래프를 사용하여 열 저항을 알 수 있다. 



환경온도 TA[℃]의 최대가 50℃이고 3단자 레귤레이터의 케이스 표면온 도가 100℃일 때, 방열 핀의 열 저항은 다음과 같은 식으로 구한다.

그림 10에서 열 저항 14.3℃/W, 두께 2mm인 알루미늄판 의 면적은 약 10mm×20mm이다. 이 알루미늄판을 3단자 레귤레이터에 설치하면 주위에서 케이스까지의 온도상승분이 약 50℃로 되어 주위온도 50℃에서 사용해도 표면온도는 약 100℃ 이하가 된다. 여기서 나타낸 것은 간략한 방법이므 로 IC의 케이스와 접합부의 열 저항(θj-c)은 고려하지 않았다. 반드시 20% 정도의 마진을 고려하도록 한다.

방열 핀의 형상에서 열 저항을 아는 방법

자신이 갖고 있는 방열 핀의 열 저항을 알 수 없는 경우, 방 열 핀의 포락(包絡) 체적을 안다면 그림 11에 나타난 그래프를 사용하여 열 저항을 알 수 있다.



방열기의 외관

사진 7에 TO-220 패키지 IC용 방열 핀의 외관을 나타낸다.



자연공랭과 강제공랭

발열부품의 냉각방법에는 자연공랭과 강제공랭의 2가지가 있다.
자연공랭은 전도, 대류, 방사에 의해 열에너지가 대기 속으 로 자연히 배출되는 방법이다. 강제공랭은 팬 모터를 사용, 바람을 발생시켜 반도체나 방열 핀으로 직접 보냄으로써 대 류에 의한 열의 방사를 조장하는 것이다.
강제공랭은 장치의 소형화나 반도체의 Tj 저하에 의한 신 뢰성 확보 등의 목적으로 사용되고 있지만 팬 모터에는 수명 이 있으므로 주의해야 한다.

방열 핀의 소비전력과 온도상승 특성

그림 12는 TO-220 패키지 IC용 방열 핀의 소비전력과 온도상승 특성이다.



방열 핀의 설치방법

그림 13은 TO-220 패키지의 IC에 방열 핀을 설치하는 방법이다.



리플 전류의 산출식

출력 콘덴서에 흐르는 리플 전류 Irip [AP-P]는 입출력전압 Vin [V], Vout [V]과 스위칭 주파수 fSW [Hz]로 구한다. 즉, 다 음과 같은 식으로 구한다.

위 식의 제1항은 코일 L에 흐르는 전류를 구하는 부분, 제 2항은 스위칭 주기, 제3항은 온 듀티를 나타내고 있다.
·계산 예
L＝50μH, fSW＝100kHz, Vin＝12V, Vin＝5V라고 할 경우에는,

로 구한다. 출력전류에는 0.58AP-P의 3각파상 리플 전류가 중첩된다. 또한 0.58AP-P를 다음과 같은 식에서 실효값으로 변환하면,

로 구한다.
출력 콘덴서에 사용하는 콘덴서는 170mARMS 이상의 허용 리플 전류를 지닌 타입으로 선정해야 한다.
전해 콘덴서의 허용 리플 전류는 데이터 시트에 나타나 있 으므로 참고한다.
표 10은 스위칭 전원용 알루미늄 전해 콘덴서 FC 시리즈(마츠시타전자부품)의 데이터 시트를 인용한 것이다.



스위칭 전원용 전해 콘덴서의 구분방법

표 11과 같이, 허용 리플 전류가 100kHz 등의 높은 주파수로 규정되어 있는 것이 스위칭 전원용이다. 



상용주파수에서 사용하는 전해 콘덴서는 표 12에 나타난 바와 같이 리플전류가 120Hz로 규정되어 있다.



리플 전압의 산출식

리플 전압의 허용값은 부하 측에서 규정되는 것이 일반적 이다. 통상, 출력전압의 1% 또는 출력전압의 1%＋50mV 등 으로 규정된다. 5V 출력인 경우, 출력전압의 1%는 50mV, 출력전압의 1%＋50mV는 100mV이다. 전원회로의 출력 리 플 전압 Vrip [VP-P]는 직류에 중첩하는 교류분의 피크 투 피크 값으로 나타내며 다음과 같은 식으로 구한다.
Vrip＝IripRESR
여기서, Irip : 리플 전류 [AP-P], RESR : 평활 콘덴서의 등가 직렬저항 [Ω]
위 식은 콘덴서의 ESR에 리플 전류가 흘러 리플 전압이 발 생한다는 것을 의미하고 있다. 리플 전류는 실효값이 아니라 피크 투 피크 값을 사용한다.

자주 사용되는 스위칭 전원용 전해 콘덴서

표 13에 나타난 일본케미콘의 LXZ 시리즈나 마츠시타전자부품의 FC 시리즈가 대표적인 제품이다.



스위칭 전원용 소형 알루미늄 전해 콘덴서는 고주파화와 저ESR화가 진행되어 허용 리플 전류도 비약적으로 커지고 있다. ESR은 콘덴서 메이커의 시리즈에 따라 천차만별이다. ESR은 온도계수가 있으므로 저온에서도 출력 리플 전압을 규정하는 경우에는 그 온도에서의 ESR에서 리플 전압을 산 출해야 한다.

평활 콘덴서의 용량과 대전류 공급시간

출력 콘덴서는 전원회로의 출력 임피던스를 내려 안정적으 로 동작시키는 기능이 있다. 펄스 전류가 흐르는 부하인 경 우, 이 출력 콘덴서의 용량을 크게 하면 DC-DC 컨버터의 과 도 응답 특성이 개선된다. 단시간이지만 정격전류보다 큰 전 류를 인출할 수 있다.
예를 들어, 정격 1A 출력의 전원회로에 1,000㎌의 출력 콘 덴서 Cout [F]을 부가하고 과도적으로 2A의 전류를 부하에 공급한다. 출력전압이 5% 변동할 때까지의 시간 t [s]를 구 하면 다음과 같다.
DC-DC 컨버터의 출력전압을 Vout [V]으로 하면,
 



전원 트랜스의 외관

사진 8에 전원 트랜스의 외관을 나타낸다. 



트랜스는 규소 강판의 코어와 도선을 사용한 코일로 만들어져 있다. 또 E형 과 I형의 코어와 코일로 조성한 EI 트랜스가 일반적이다. 트로이덜 트랜스는 링 코어를 사용하고 있으며 특히 상용 주파수에서는 많은 권선을 수동을 감기 때문에 고가이다. 러 그단자 타입이나 프린트 기판에 직접 실장할 수 있는 핀 타 입, 리드선 타입 등이 있다.

전류용량의 개산식

전원 트랜스의 출력전류는 2차 측에 접속되는 부하가 소비 하는 전류로 결정한다. 2차 측 탭에서 나오는 전류는 다음과 같은 식으로 개산할 수 있다.

여기서, It : 전원 트랜스의 출력전류 사양 [ARMS], Iout : 2 차 측 전원 출력전류(전원 IC의 입력전류) [ADC] 1.5는 콘덴서 입력 평활회로의 역률이나 트랜스 2차 전류 를 실효값으로 환산하기 위해 곱하는 계수이다.
2차 측 전류를 접속하는 전원 IC가 3단자 레귤레이터인 경 우, 출력전류와 입력전류가 거의 같으므로 부하전류와 정류 평활회로의 출력전류는 거의 같다. 2차 측에 접속하는 전원 IC가 DC-DC 컨버터인 경우, 트랜스의 출력전류를 결정할 때 변환효율을 가미해야 한다.
DC-DC 컨버터는 변환효율이 높으므로 3단자 레귤레이터 를 사용하는 것보다 적은 전류로 해결할 수 있다.
·계산 예 ①
3단자 레귤레이터 78M05에서 0.5A의 출력전류를 얻는 경우, 입력전류는 출력전류와 같다. 트랜스에 요구되는 출력 전류는 다음과 같다.

·계산 예 ②
SANKEN전기사의 제어 IC SI-8050S를 사용하여 입력전 압 12V, 출력 5V, 3A의 DC-DC 컨버터를 설계했을 경우, DC-DC 컨버터의 입력전류 Iin은 다음과 같이 된다.
효율은 SI-8050S의 데이터 시트(그림 9)에 나타난 바와 같이 75%로 한다.

트랜스에 요구되는 출력전류 사양은 다음과 같다.
 

2차 측 전압의 개산식

1차 측 권선에는 100VRMS의 교류전압이 입력된다. 그렇다 면 2차 측 전압은 어떻게 결정해야 할까? 전원 트랜스의 2차 측에는 정류 평활회로를 접속한다. 이 정류 평활회로의 출력 전압이 IC 레귤레이터가 동작할 수 있는 최저 입력전압 (VImin)보다 높아야 한다.
벽에 있는 콘센트에서 얻어지는 AC100VRMS 전압은 ±10% 정도로 변동하기 때문에 이만큼은 마진으로 포함되어 있어야 한다. 즉,

여기서, Vt : 전원 트랜스의 2차 측 전압 [VRMS], VImin : IC 레귤레이터의 최저 입력전압 [VDC], VF : 정류 다이오드의 순 방향전압(브리지 다이오드 사용을 상정), k : 딜레이팅 계수
(1.1∼1.2)
·계산 예
3단자 레귤레이터 78M05가 정상적으로 동작하기 위해 필 요한 입출력간 전압 차의 최소값은 1.8V이다. 따라서 안정적 인 5V를 출력하기 위해 입력전압은 최저 6.8V가 필요하다. 2 차 측 출력전압 Vt [VRMS]는 다음과 같다.
 

트랜스의 역할은 절연과 변압

트랜스의 역할은 2가지이다. 하나는 안전규격을 충족시키 기 위해 입력 측(1차 측)과 출력 측(2차 측)을 전기적으로 절 연하여 이용자의 감전사고를 방지하는 것이다. 또 하나는 입 력 측의 AC100V를 원하는 교류전압으로 변환하여 출력 측 으로 전력을 전달하는 것이다.
전원 트랜스는 그림 14와 같이 1차 측과 2차 측의 권선비에서 입력전압을 출력전압으로 변환한다.



1차 측 전압을 V1,권수를 N1으로 하고 2차 측 전압을 V2, 권수를 N2로 하면 다 음과 같이 된다.

여기서, V1 : 1차 전압 [V], V2 : 2차 전압 [V], N1 :1차 측 권수 [턴], N2 : 2차 측 권수 [턴]





퓨즈는 전원회로의 출력이 쇼트되거나 파손 등의 이상이 발생했을 때 용단(溶斷)되어 회로에 공급되는 전력의 경로를 차단하는 중요한 부품이다. 퓨즈는 전원회로 기동 시, 정상 시에는 끊어지지 않고 이상이 발생했을 때 확실하게 끊어져 야 한다. 여기서는 퓨즈의 선정방법을 소개한다.

형상

일반적으로 퓨즈의 형상에는 사진 9에 나타난 Ø6×30mm와 Ø5×20mm의 2종류가 있다.



클립 고정이나 퓨즈에 리드선이 부가된 납땜 타입도 있다.
이밖에도 대형 타입이나 표면실장 타입, 그리고 소신호 트 랜지스터와 같은 TO-92 패키지의 IC 프로텍터라 불리는 반 도체형 퓨즈도 있다.

JIS가 규정하고 있는 퓨즈의 용단 특성

표 14와 같이 퓨즈의 용단 특성은 JIS 규격에서 규정되고 있다. 



C6575는 일본에서 퓨즈의 규격을 결정하는 JIS 규격 의 번호이다. C6575－1∼4까지이며 퓨즈의 일반적인 규격 은 －1이다. 규격을 보면‘미니어처 퓨즈－제1부 : 미니어처 퓨즈를 위한 정의 및 미니어처 퓨즈 링크를 위한 일반 요구사 항’이라 기재되어 있다.

정격전압의 결정방법

퓨즈의 정격전압에는 32V, 63V, 125V, 250V, 600V 등 이 있다. 이상이 발생하여 퓨즈가 용단되었을 때, 퓨즈의 양 단에 인가되는 전압이 정격전압 이하라면 문제없다. 정격전 압이 낮은 퓨즈를 사용하면 용단 후에 아크가 튀고, 퓨즈는 용단되지만 회로가 차단되지 않는 경우가 있다.
일본에서는 벽에 있는 콘센트로부터 공급되는 전압이 AC 100V이므로 125V 이상의 타입이라면 문제없다. 입력전압이 AC200V계인 경우에는 250V의 퓨즈를 사용한다.

퓨즈의 종류와 용단 특성

퓨즈는 내부의 엘리먼트가 녹는 쪽(용단 특성)에 따라 다음 과 같은 3종류로 분류된다.
·속동 용단형(패스트 블로형, 패스트 액팅형이라고도 한다) ·사진 10에 나타난 타임 러그형(슬로우 블로형, 타임 러그형이라고도 한다)

·속단형과 타임 러그형의 중간 특성을 나타내는 보통 용단형(노멀 블로형)
그림 15에 각 퓨즈의 정격전류의 비율-용단시간 특성을 나타낸다.



퓨즈의 정격전류 결정방법 ①∼정상동작 시 용단되지 않도록

퓨즈의 정격전류에 대해, 흐르는 전류의 평균값과 용단될 때까지의 시간을 플롯한 커브를 이용한다. 이것을 It 커브라 부른다.
통상적으로는 평균전류로 기재되며 제품에 따라 커브가 다 르다. 그림 16에 보통 용단형 퓨즈의 용단 커브를 나타낸다.



정상동작 시 이 커브를 초과하지 않도록 퓨즈의 정격전류를 측정한다.

퓨즈의 정격전류 결정방법 ②∼전원투입 시의 래시 전류로 차단되지 않도록

AC 콘센트에 플러그를 삽입하는 전원 투입 시에는 퓨즈에 펄스상의 전류가 흐른다. 펄스 전류가 흐르고 있는 과도적인 기간동안, 엘리먼트에 전류가 흘러 발생한 에너지는 외부로 방출되는 즉시 대부분 엘리먼트에서 소비된다.
I2t값이란, 퓨즈를 통과하는 전류 에너지 전부가 엘리먼트 를 용단하는 데 사용됐다고 가정하여 퓨즈에 가해질 수 있는 에너지의 최소값을 나타내고 있다. 다른 용어로 줄 적분값이 라고도 한다.
그림 17은 보통 용단형 퓨즈의 I2t 커브이다. 



전원투입 시 흐르는 돌입전류 파형의 면적을 적분하여 이 그림 위에 플롯 해 간다.
곡선보다 위쪽에 플롯하게 되면 전원투입 시 등에서 용단 될 가능성이 있다.

전류값 딜레이팅

퓨즈의 정격전류를 결정할 때에는 정상 시의 전류에 대해 트랜스의 여자전류나 콘덴서 회로에의 돌입전류 등을 고려, 계수를 곱해 딜레이팅한다. 퓨즈는 주위온도가 높아질수록 작은 전류로 절단되기 쉽기 때문이다. 퓨즈는 일종의 저항이 므로 자기발열도 있다. 또 통전 횟수에 의한 정격전류의 저하 도 있다. 이러한 특성은 각 사의 모델에 따라 다르므로 개별 적으로 확인해야 한다. 일반적으로는 다음과 같이 구한다.
여기서, IF : 퓨즈의 정격전류 [ARMS], Iin : 정상 시 입력전 류 [ARMS], k : 딜레이팅 계수(2∼5)
정상동작 시의 통과전류가 1ARMS라면 2∼5ARMS의 정격전 류인 것을 선정한다.

각 나라의 안전규격

어떤 퓨즈를 사용하든 반드시 안전규격인정 제품을 사용한 다. 퓨즈는 이상 시의 2차 재해, 즉 감전이나 화재를 방지하기 위한 부품이므로 나라마다 안전규격이 정해져 있고 그 나라에 서 사용하는 기기에 내장하는 퓨즈는 그 나라의 안전규격 인 정을 받아야 한다. 각국의 안전규격 명칭은 다음과 같다. ·일본 : 전기용품안전법
·미국 : UL(Underwriters Laboratories)
·캐나다 : CSA(Canada Standards Association)
·유럽 : IEC, SEMKO(스웨덴), VDE(독일), BSI(영국) 등
일본의 전기용품안전법은 METI(Ministry of Economy, Trade and Industry, 경제산업성)가 관할하고 있다. 미국에 서는 UL248에 퓨즈 규정이 제시되어 있다.



PFC 컨트롤 IC 일람

표 15는 주요 PFC(Power Factor Correction) 컨트롤 IC의 일람표이다.



PFC용 초크 코일의 구입처 일람

표 16은 초크 인풋 정류회로나 PFC에 사용되는 초크 코일의 구입처 및 시리즈 일람이다.

[출처] 일렉트로닉스 설계 핸드북|작성자 맥가이심

출처: ICBANK