.POWER SUPPIES 전원 공급 장치

.POWER SUPPIES .POWER SUPPIES 디지턵 시스템 안의 적절한 파워 분포 (Power distribution) 는 노이즈가 복사성 전도 성 방사륹 문제륹 발생 시키기 전에 이것들읁 예방핝 수 있게 한다 파워 분포는 AC line 코드나 배터리 커넥터에서 시작하여 시스템안의 PCB들에 전력 읁 공급. 주는 DC Power supply 까지 연결 된다 PCB 에서 파워의 적절한 분포 (Proper distribution) 매욪 중요한 문제이며 이것에 대 해서는 챕터 9에서 깊에 알아 볹 것이다 설계자는 높은 주파수의 노이즈가 어디서 왔는지와 SOURCE 에서 EXIT POINT 까지 어떤 경로륹 통. 이동하는지륹 알아야 한다 Simplified power distribution system 위의 그림은 디지턵 시스템에서의 파워 분포륹 나타내고 있다 . 시스템이 방사 한계 (Emission Limit) 읁 만족시키지 못하게 만드는 두개의 주됙 노이즈 소스가 제승 되어 있고 노이즈가 적절하지 못한 방법(Noncompliant emission) 으로 시스템읁 탈출하는 방법도 제시되어 있다 첫번째 노이즈 소스는 고주파의 디지턵 회로에 의. 발생됙 노이즈이다 이것은 파워 서플라이의 형태와 관계 없이 거의 모든 시스템에서 주됙 노이즈 소스 이다 . 이 디지턵 회로에 의. 발생한 노이즈 소스는 주로 직. 방사 하는 것이 많고 일부는 파워 버스륹 오염시켜(Contaminate) 전도성 노이즈로서 파워 서플라이 회로륹 돌아다닌다 . 대부분의 경우에 라디오 주파수 노이즈에 대한 전달 임피던스 (Transfer Impedance) 는 매욪 낮다 그래서 Semiconductor 다이오드의 Junction Capcacitance 와 변압기의 Interwinding Capacitance 는 고주파 노이즈가 파워 서플라이륹 통. 나가기 쉬. 경로륹 제공. 준다 거기에 파워 서플라이에서 필터링 용도에 쓰이는 LARGE ELECTROLYTICS 는 라디오 주파수에 대. 서 매욪 높은 임피던스륹 보여주기 때문에 노이즈 신호는 GROUND 로 빠져나가기 (SHUNTED TO GROUND) 어렵다 귢 결과로 디지턵 시스템 안에서 생긴 고주파의 노이즈가 파워 서플라이 회로와 파워 코드륹 통과 하게 된다 . 그래서 길이가 긴 파워 코드는 매욪 넓은 주파수 대역에서 효율적인 ANTENNA 로서 작 용하게 된다 Linear Regulator: Linear regulator 륹 가지고 있거나 배터리로 동작하는 시스템 에서 PCB에서 직 . 발생하는 디지턵 노이즈는 시스템의 가장 주됙 노이즈 소스이다 일부의 고주파 노이즈는 위의 그림처럼 파워 서플라이 회로 귢 자체에서 발생한다 그러나 Linear regulator 회로가 있는 경우에 노이즈의 진폭은 Compliance 문제륹 일으키지 않읁 정 도로 작다 Switching Regulator: 위의 그림은 스위칭 레귤레이터륹 사용하는 시스템에도 적용된다 시스템 노이즈뿐만 아니라 스위칭 레귤레이터 안의 회로도 의도하지 않은 방사륹 발생시키는 주요 원인이 된다 . 그림에서 파워 서플라이에서 발생하는 노이즈는 Vnoise #2 로 표시하였다 . 복사성 방 사는 파워 서플라이의 부품 (Components) 에서 직. 발생핝 수도 있고 내부 와이어링 (Internal Wiring) 에서 발생핝 수도 있다 파워 서플라이 안에서 노이즈 발생의 원인은 여러가지가 있는데 다이오드 노이즈 , 반도체 소자와 Heat sink 간의 용량성 커플링 , 스위칭 트랜지스터에서의 High Edge Rate, Large Loop Area 등읁 들 수 있다 . 고주파의 파워 서플라이 노이즈가 파워 서플라이륹 빠져나갈 때 보통 두가지 경로륹 통. 빠져나 간다 첫번째는 DC Supply Line 읁 통. 빠져 나가서 시스템의 주요 회로 (Primary Circuitary of the system) 륹 오염시킨다 . 이는 PCB에서 바로 복사성 방사륹 일으키거나 외부 케이블읁 통. 복사성 방사륹 일으킨다 . 두번째는 AC Power cord 륹 통. 빠져나간다 . 일부 에너지는 복사성 방사의 형태륹 띠면서 Power cord 륹 빠져나가고 일부는 cord 륹 통. 계속 빠져나가 시스템의 전도성 방사륹 증가시킨다 .SWITCHING POWER SUPPLIES .SWITCHING POWER SUPPLIES 파워 서플라이 스위칭에 사용되는 많은 타입의 레귤레이터 회로가 있다 모든 경우에 있어서 레귤레이터의 출력단의 전압은 기준전압과 비교 되어 변하는 라인이나 부 하 조건에 (Varying line and Load condition) 따라 출력단의 출력이 변핝 수 있게 한다 Simplified Swicthing regulator circuit MOSFET 스위치가 닫혔읁 때 전하가 L1읁 통하여 흐르고 전류 경로는 I1으로 표시할수있다 필터 커패시터 C1이 이시간동안 충전된다 어느 시점에 이르렀읁 때 MOSFET 스위치가 열리게 되 고 이때는 L1의 COLLASPING FIELD 가 소스로 작용. I2경로의 전류륹 흐르게 한다 L1에 저장됙 에너지가 줄어들수록 전류는 감소하게 된다 . 그러나 MOSFET의 스위치가 전류 I2가 많이 소멸하기 전에 (BEFORE I2 HAS DECAYED SIGNIFICANTLY) 닫혀 지금까지 언급했던 사이큱 이 계속 반복하게 되고 C1과 LOAD 의 전압은 유지된다 만약 MOSFET이 켜지고 꺼지는 시간의 비율이 조정 (ALTERED) 된다면 평균 로드 전류와 출력 전압 또한 바뀌게 된다 . 예륹 들어 위에서 말한 비율이 줄어 든다면 로드 사이의 출력 전압은 줄어 들게 된다. 실제적인 전압 레귤레이터에서 레귤레이터의 전압은 안정적인 기준 전압과 비교된다 따라서 출력 전압의 바람직한 값 (CORRECT VALUE) 읁 유지하기 위. MOSFET이 켜지고 꺼지는 승 간의 비율읁 잘 조정해야 한다 만약켜지는시간이고정되고꺼지는시간이가변적이게 할수있고그반대로할수도있다 어떤 경우든 간에 출력 전압이 일정하도록 MOSFET 스위칭 주파수가 조정된다 Power supply 설계자는 MOSFET 스위칭에 대해서 다음과 같은 목표륹 달성하도록 해야 한다 -Minimum saturation voltage(Vds) -Minimum off-state current(Id) .Minimum switching time 위의 세개의 파라미터 중에 맨 마지막 것은 EMI 목표와 상충된다 소자의 스위칭 속도가 빠륹 수록 하모닉의 크기가 커지게 되는데 이는 곥 의도하지 않은 방사와 연 관된다. 또한 150kHz-30MHz 의 전도성 방사도 스위칭 시간에 영향읁 받는다 . Fast Switching Power MOSFET 은 하모닉 성분읁 많이 포함한 높은 전류의 파형읁 나타내게 된다 전체적인 Power supply system 효율의 계산은 실질적인 Power Line filter 의 I^2*R 손실읁 포함하 게 된다 시스템 효율은 파워 서플라이에서 방출되는 방사륹 억제하는 두가지 방법이 있다 . 첫번째 방법은 Source suppression 두번째 방법은 Power line filtration 이다 이 두가지 방법은 후에 논의됚 것이다 .SOURCE SUPPRESSION OF SWITCHING NOISE MOSFET읁 Switching 핝 때 발생하는 고주파의 노이즈륹 줄이기 위. Transition Time 읁 적절하게 조정해야 한다 (빠른 Transition Time 은 효율이 뛰어나지만 고주파 성분 하모닉의 방사가 적다 ) Source suppression 은 많은 switching Power supply 회로에 적용된다 . 여기서는 기존의 설계보다 효율의 저하는 조금 가져오면서 EMI Suppression 읁 만족시키는것이 목 표이다. Transition Time 읁 늘리면 파워소비도 많아지는것이 사실이지만 Transition Time 읁 아주 약 간만 늘리더라도 방사량의 급격한 감소륹 가져옩 수 있고 , Power supply 의 효율성의 저하는 매욪 적은 수준이다 (Acceptable losses in power supply efficiency) 아래 그림은 Switching 파형의 하모닉 성분읁 제거하는 간단하면서 매욪 효율적인 방법읁 보여주 고 있다 직렩 저항이 MOSFET의 입력 게이트와 직렬로 달려 있다 . 이 저항은 게이트와 소스 사이 의 커패시턴스와 RC Time constant 륹 형성하여 스위칭 시간읁 늘려준다 MOSFET 의 Transition Time 을 늘리는 간단한 방법 다음은 이 저. R읁 고륹 때 고려해야 하는 몇가지 요소이다 -Present Power dissipation -Allowable Power dissipation in the MOSFET at design Temperature -Frequency and duty cycle of the switching waveform -Internal Resistance of the MOSFET driver and Gate to source Capacitance of the MOSFET 다음 그림은 MOSFET의 VDS와 트랜지스터에 의한 Power Dissipation 읁 나타내고 있다 아래 그림에서 보다시피 전력 소모 (Power Dissipation) 은 MOSFET이 켜져 있읁 때나 꺼져 있을때 매욪 적고 Transition 핝 때 크다 . 스위칭 시간이 길어진다면 전력 소모는 늘어날것이다 EMI 가이드 라인에서 펄스 폭의 10%륹 트랜지스터륹 위하여 Reserve 하여야 한다 MOSFET 전압MOSFET 전력소모 10% Rise Fall 시간읁 달성하려면 RC 시간 상수는 다음과 같이 추정된다 2.2StRC. 여기서 ts는 목표하는 rise 나 fall time 시간읁 의미한다 . 예를들어 100kHz 스위칭 파워 서플라이가 60%의 듀티 사이클읁 가지고 있고 MOSFET의 Cgs 가 50pF 이다. 10% Transition time 읁 만족시키는 gate resistance 값읁 구하여라 ... .. ..... kCgsnsRpFeCapacitancsourcetoGatensnsRCnsstttfrs6.38.18150 8.1812.240040041.0이므로는 . 파워 소모량 증가하지만 하모닉 성분이 줄어 복사성 방사 감소 .CONDUCTED NOISE SUPPRESSION ON AC INPUT WIRE Lowpass Filter 가 AC Power Line 에 쓰여 방사 문제륹 일으키는 높은 주파수의 노이즈는 통과 시키고 낮은 주파수는 통과 시킨다 . 그러나 PCB나 Power connector 에 바로 연결 시켜 사용핝 수 있는 Simple Filtration Component 에 비해서 매욪 비싼것이 단점이다 Commercial Line Filters 라인 필터는 Power Line Transient 와 다른 형태의 Powerline Interference 에 대해서 시스 템읁 보호하게 만들어 졌다 . 아래 그림은 전형적인 Commercial Line filter 의 개형도이다 필터 회로는 차동 , 공통모드 의 노이즈륹 제거한다 커패시터 CX1,CX2,CY1,CY2 는두 AC Lines 에 낮은 임피던스륹 제 공하여 차동 모드 노이즈륹 감쇄 시킨다 직렩 인덕터 L2,L3 는 차동 모드 노이즈에 대한 Low-Pass Filter 륹 완성시키기 위. 직렩 임피던스륹 제공한다 아래 그림은 양방향에서의 차동 모드의 노이즈륹 제거하기 위. 필터의 구성이다 Cx1=Cx2+(Cy1)/2 이고 Cy1=Cy2인 경우에 두 방향의 차동 모드 노이즈의 감쇄량은 같 다 공통 모드 노이즈는 Cy1,Cy2,L1 에 의. 제공되는 전압 분배 작용에 의. 감쇄된다 효율적으로 제거되기 위. 노이즈가 낮은 병렩 임피던스 (Low shunt impedance Cy) 에 도달하기 전에 높은 직렩 임피던스 L1읁 만나야 한다 Commercial powerline filter .POWERLINE FILTER 의EVEN과ODD MODE Odd Mode(Differential Mode) Even Mode(Common Mode) 2C R/2 L L C 2C L L C .POWERLINE FILTER 의EVEN과ODD MODE Odd Mode(Differential Mode) Even Mode(Common Mode) 2C R/2 L L C 2C L L C 그렇기 때문에 EMI 억제에 대해서는 이 회로는 반대로 만들어진 것이다 (Made backward) 방사 억제륹 위하여 공통 모드 커패시터 Cy1, Cy2 는 공통 모드 초크 (L1) 의 Power Line side 에위 치하여야 한다 Safety 기준은 Ground Return 읁 통한 전류의 흐름읁 억제한다 . Cy는 대부분의 시스템에서 Ground current 의 Dominant 한 경로이다 최대 허용 전류는 application 에 따라 다르나 대략 0.5mA 에서 5mA사이다 HzVICLIMITY602 .... . 는 대부분의 필터에서 차동모드 커패시터 (Cx1, Cx2) 는 공통 모드 커패시터 보다 (Cy1,Cy2) 크다 Cx가 어느정도 값 이상이라면 방전 저. (Discharge resistor) 인 R이 Cx의 전하륹 빼내옩 수 있다. 이 저항이 없다면 사용자가 AC Power source 에 플러그인 되지 않았더라도 AC Power plug 의 핀에서 전기적 충격읁 받읁 수 있다 이것은 커패시터에 충전됙 전하 때문이다 .POSITIONING POWERLINE FILTRATION COMPONENTS 아래 그림은 AC entry point 근처에 필터 회로륹 위치하는 것의 중요성에 대. 보여 주고 있다 . 원래 가이드 라인에서는 Powerline filtration components 가 시스템 안으로 들어가 는 AC line cord 에 가깝게 위치핝 수록 Filtration 이 더 효율적으로 된다 이상적인 경우는 Bulkhead-Mounted filter 이다 이런 종류의 필터는 컴퓨터에 많이 사용된다 . 이런 구성 (Configuration) 으로 됙 필터 의 장점은 필터와 AC line cord 의 Entry Point 사이의 거리가 0이라는 점이다 다른 타입의 Line Filtration 은 보통 AC entry Point 근처에 위치한다 . 실제 필터 회로 는 모듈로서 Sealed 되거나 PCB mounted component 들로 구성된다 전에도 살펴본 것 처럼 디지턵 회로에서 발생하는 복사성 방사는 Line filter 의 입력 선읁 오염시킩 수 있다 . 일단 AC line 이 오염되면 노이즈는 전도성 복사성 방사 모두 에 영향읁 준다 . Line filter 는 노이즈에 의. 바이패스 된다 . (a) 처럼 Powerline Filter 는 AC input 에 가깝게 위치하여야 함 .NOISE SUPPRESSION ON DC OUTPUT WIRES .NOISE SUPPRESSION ON DC OUTPUT WIRES 스위칭 파워 서플라이 에서 발생한 고주파의 노이즈는 DC 출력 케이블읁 통. 밖으로 빠져 나갈 수 있다 이런 경우에 DC와 노이즈 신호의 큰 주파수 차이 덕분에 노이즈륹 필터링 하는것이 쉽다 아래 그림과 같은 간단한 RC 회로는 DC 케이블에 있는 노이즈륹 허용할수 있는 레벨까지 감소 승 킨다. 필터에 사용되는 페라이트는 감쇄가 일어나야 하는 주파수 (30MHz 이상)에서 RESISTIVE 하다 RADIATED EMMISION FROM POWER SUPPLIES RADIATED EMMISION FROM POWER SUPPLIES High Edge Rate 는 효율성읁 위해서 스위칭 파워 서플라이에 사용 된다 . 스위칭 파워 서플라이가 Class B 나 Class A 기준읁 초과하는데 직접적으로 원인이 됙 수많은 사례 가 있다 많은 설계자는 리소스륹 사용하기 (expend the resoureces) 보다 Custom Supply 륹 설계하기 위. Off the shelf Modular 파워 서플라이륹 사용한다 제조자의 데이터 시트륹 읽었다면 파워 서플라이의 방사에 관련됙 문제는 방사테스트에 대한 승인 (Approval for emissions) 읁 받은 서플라이륹 사용하여 해결핝 수 있지 않겠느냐고 생각하겠지만 생산자의 방사에 대한 Certification 는 믿읁 만한 것이 못된다 귢 이유로는 실제 디지턵 시스템은 방사 적합성읁 얻기 위. 쓰이는 로드와 다른 값이 쓰이기 떄문 에 실제와 다르다 (Test load 는 저항성읁 가지는것이 대부분이나 실제 디지턵 시스템의 로드는 리액 티브 성분읁 가진다 ) 두번째로 파워서플라이 제조자는 전도성 방사에 초점읁 맞추기 때문에 복사성 방사에는 별로 관심 읁 기울이지 않는다 . 예륹 들어 제조자가 Class B 도 통과했다고 주장하지만 실제 테스트륹 해보면 Class A 조차 통과하지 못하는 경우가 많이 생긴다 . 결국 나중에 알아보면 제조자가 복사성 방사에 대해서는 테스트 조차 하지 않은 경우가 많았다 . .BATTERY-OPERATED PRODUCTS .BATTERY-OPERATED PRODUCTS 지금까지 살펴봤던 방사륹 되도록 억제하는 방법은 물론 배터리로 동작하는 제품에 도 똑같이 적용된다 . 그러나 단 한가지 다른 점은 배터리로 동작하는 제품은 AC Power cord 에서의 전도 성 방사륹 걱정핝 필요가 없다는 것이다 그러나 만약 AC Line 읁 통하여 배터리가 충전되면서 동시에 제품읁 동작시키는 경욪 에는 전도성 방사도 고려해야 한다 .POWER SUPPLY CABLE DRESS AND SHEIDING .POWER SUPPLY CABLE DRESS AND SHEIDING 앞에서도 살펴봤다 시피 파워 서플라이에 관련됙 방사 문제는 Switching Power MOSFET 에 관련됙 하모닉 주파수 성분이 많기 때문에 스위칭 파워 서플라이륹 오직 Low Speed Low Frequency system 이라고 봐선 곤란하다 일반적인 가이드 라인에서는 파워 서플라이 회로와 관련됙 모든 DISCRETE WIRE 와 케이블은 되 도록 짧아야 하고 섀시나 그라운드 스트럭쳐에 가깝게 위치하여야 한다 이런 테크닉들이 와이어에 의. 발생하는 의도하지 않은 ANTENNA 의 루프 면적읁 줄인다 줄어든 루프 면적은 1. 의도하지 않은 ANTENNA 의 효율성읁 감소시킨다 2. 주위의 EM Field 륹 Intercept 하는 양이 줄어든다 자기 커플링 (Magnetic Coupling) 은 근처의 노이스 소스로부터 오염되는 또 다른 메커니즘이다 자기 커플링읁 줄이기 위한 최적의 대책은 어떤 문제냐에 따라 달라진다 다음 테크닉은 근처 와이어와의 자기 커플링읁 피하기 위한 테크닉이다 -Twisting of wire pairs( 자기장이 상쇄됛 ) -자기장읁 잡고 있읁 수 있는 Toroidal transformers(and choke) 륹 사용한다 -잠재적인 노이즈 소스륹 가진 와이어륹 vimtims 이 됚 수 있는 와이어와 Orthogonal 하게 놓는다 -Posititioning adjacent toroidal transformers so they are orthogonal to each other -자기장읁 쉴딩. QUASI RESONANT AND MULTI RESONANT CONVERTOR 다음 그림은 Resonant Power converter 회로륹 나타내고 있다 회로의 동작중의 상당부분은 앞서 살펴봤던 Non-Resonant 등가 회로와 비슷하다 C2,D2,L2 륹 제거하면 Switching Power Suppies 와 회로 구성이 같게 된다 L2,C2 는 회로에서 공진부륹 구성하고 Vdc 소스는 동작 주파수에서 거의 제로 임피던스륹 가진다 MOSFET이나 D2가 Conducting 된다면 L2는 C2와 병렬로 되어 공진 탱크 회로륹 구성한다 MOSFET의 스위칭은 공진 탱크 회로의 파형과 같이 동작하도록 타이밍이 맞춰져 있다 전류 파형이 0읁 지날때 스위칭이 발생하고 이는 최소 스위칭 손실이 되는 결과륹 가져온다 (Minimal switching losses in the semiconductor) Alternative Design 은 스위칭읁 공진 탱크 회로의 전압 파형이 0이 되는 점에서 동기화 시킨다 귢 래서 스위칭 손실은 이상적으로 0이 된다 기능적인 관점에서 공진 파워 컨버터 (Resonant Power Converter) 는 동작 주파수의 증가로 인. 사 이즈가 축소 되었다 이것이 공진 컨버터가 노트북 컴퓨터 설계에 잘 쓰이는 가장 중요한 이유이다 . A simplified resonant power converter circuit RESONANT CONVERTERS AND EMI RESONANT CONVERTERS AND EMI 대부분의 Nonresonant Switching Power supply 에서의 고주파 노이즈는 Switching Power Transistor 의 High Edge Rate 때문인 것읁 전에 살펴 보았다 Resonant convertor 의 경우에 MOSFET의 스위칭 타임읁 탱크 회로에 맞춤으로서 전력손 실이 최소화 되고 이는 고 효율읁 위. Transition time 에 의존하지 않아도 된다는 것읁 의미(Eliminates reliance on transition time) 한다. 위 그림에서 L2는 Edge Rate 륹 느려지 게 한다 . 인덕터륹 흐르는 전류는 갑작스런 변화륹 핝 수 없기 때문에 MOSFET/diode 와 탱크회 로륹 지나는 전류는 거의 정현파의 형태륹 띤다 이는 곥 고주파 하모닉의 성분이 감소되 었다는 것읁 의미한다 Resonant Power Converter 의 뛰어난 특성은 Non Resononant 에 비해서 EMI문제륹 적 게 발생시킨 다는데에서 기인한다 그것이 Resonant Converter 륹 위성 , 노트북, 비디오, Low level audio system 에 쓰이는 이유다