Electronic Design 2009 Forecast Issue

강의 노트
부품이 과열된 플라이백 전원 공급 장치 수리
소개
이러한 강의 노트는 PI University 비디오 과정인 부품이 과열된 플라이백 전원 공급 장치 수리와
함께 읽어야 한다. 이 과정에서는 스위치 모드 전원 공급 장치에서 부품이 과열되는 다양한
원인에 대해 알아보고 이러한 문제를 진단 및 수리하는 단계를 소개하고 있다.
과정을 시작하기 전에
경감 한도 확인
본 과정을 시작하기 전에 여러분의 회사 또는 고객이
작동 온도에 대한 경감 한도를 지정하고 있는 경우
이러한 한도가 보드의 각 주요 부품에 어떤 식으로
사용되고 있는지 파악해야 한다. 경감 한도를 지정하지
않은 경우에는 제조업체의 데이터시트에서 각 부품의
최대 작동 온도를 확인한다.
참고를 위해 본 과정에서는 각 주요 부품에 대한 엄격한
엄격한 온도 한도
작동 온도 안내 목록을 소개하고 있다. 이러한 정보는 가장 높은 주변 온도 및 최소/최대 라인
전압에서 측정한 최악의 상황을 고려한 조건을 나타낸다. 부품 온도는 특정 안전 요구 사항을
충족하거나 부품의 수명을 개선하기 위해 떨어뜨릴 수 있다. 예를 들어 전해 캐패시터의 허용
가능한 작동 온도는 부품의 예상 수명에 비례한다. 70℃에서 연속해서 작동한 105℃ 2,000 시간
등급의 캐패시터는 예상 수명이 20,000 시간 정도이다.
최소 및 최대 라인 전압에서 전체 부하로 실행하는 동안 어떤 부품이 최대 작동 온도를
위반하는지 측정하고 확인해야 한다.
부하 특성화 확인
계속하기 전에 먼저, 부하가 디자인에 지정된
수준보다 전력을 더 많이 소모하지 않는지
확인한다.
예를 들어 다음은 잉크젯 프린터에 대한 부하
특성화이다. 프린터에 필요한 정적 부하가 22W 에
불과하지만 과도 전력을 포함한 평균 전력은
31W 이며 피크 시에는 최대 100W 에 이른다. 이
프린터를 22W 전원 공급 장치에 연결했다면 전원
잉크젯 프린터 부하 특성화
공급 장치는 사용 중 과열되었을 것이다.
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부하 특성화를 확인하려면 PI Expert(R)에서 지정한 전체 평균 출력 전력을 소모하도록 설정된
전자 부하를 연결한다.
전자 부하로 테스트하자 과열 문제가 사라지면 PI Expert에서 부하를 다시 특성화하고 전원 공급
장치를 다시 디자인해야 한다.
부품의 열 분포도
열 평형 도달
저항에서 연기가 나는 경우 등과 같이 과열이 확실한 상황에서는 문제를 해결하기 전에 온도를
측정할 필요가 없다. 다른 모든 측정의 경우 측정을 하기 전에 전원 공급 장치가 열 평형에
이르도록 충분한 시간을 할애한다. 경우에 따라 이 시간은 한 시간이 넘을 수도 있다. 부품 온도가
10 분 동안 변화율이 0.5℃ 미만이라면 열 평형을 이루었다고 간주할 수 있다.
부품 유형별 과열 분석
디자인에서 다음 부품 중 하나가 과열되는 경우 계속하기 전에 전원 공급 장치의 효율을
측정한다.

출력 다이오드

브리지 정류기

트랜스포머

입력 캐패시터

입력 인덕터 또는 커먼 모드 초크

PI(Power Integrations) 디바이스
효율이 PI Expert에 입력한 목표치보다 5% 이상 낮으면 회로에서 손실이 예상 수준보다
높아진다. 플라이백 전원 공급 장치에서 손실된 전력은 열로 변환되어 일부 부품이 과열되는
원인이 될 수 있다. 계속하기 전에 이 문제를 해결하도록 한다.
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참고: 전원 공급 장치 효율을
측정하는 데 필요한 장비 및
절차는 PI University 강의 노트인
효율 측정 기법에서 확인할 수
있다.
측정한 효율이 목표치의 5%
이내인 경우 본 과정을 계속
진행하여 문제를 해결하도록
한다.
과열된 클램프
전력 손실은 과열의 원인이 될 수 있음
클램프가 과열되는 경우는 디자인에 문제가 있음을 나타낼 수 있다.
과열된 클램프는 심각한 디자인 문제가 있음을 나타낼 수 있음
이 문제를 진단하려면 클램프에 있는 모든 부품의 크기가 올바르게 지정되었는지 확인해야
한다(부록 A 의 클램프 크기 지정 디자인 가이드 참조).
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과열된 트랜스포머
트랜스포머가 과열되는 경우는 다른 디자인 문제를 나타낼 수 있다. 이 문제를 해결하려면
트랜스포머 디자인을 디버깅해야 한다. 이 문제를 해결하는 과정에 도움이 필요한 경우 현지 PI
기술 지원 담당자에게 문의하면 된다.
과열된 입력 인덕터 또는 커먼 모드 초크
입력 커먼 모드 초크가 과열되는 경우 먼저
서미스터 같이 매우 높은 온도로 실행되는 부품과
물리적으로 가까이 배치되어 있지 않은지 확인한다.
이에 해당되는 경우 보드의 레이아웃을 다시
지정하여 고온으로 실행되는 부품을 커먼 모드
초크와 떨어뜨려야 한다.
커먼 모드 초크 위치 확인
인덕터 자체가 과열되는 경우는 인덕터 권선의 직렬 저항을 통해 전력이 과도하게 소산된다는
것을 나타낸다. 전력 소산을 줄이려면 전류 등급이 보다 높은 인덕터로 교체한다. 이렇게 하면
와이어 직경이 늘어나고 직렬 저항이 줄어든다.
과열된 브리지 정류기
다이오드 브리지 정류기에서 손실된 전력은 1.8V 정도인 두 다이오드의 최악의 상황을 고려한
순방향 전압 강하와 평균 입력 전류를 곱한 수치와 같다. 전류 등급이 보다 높은 다이오드를
선택하면 저항 손실이 줄어들고 부품 온도가 낮아진다.
출력 전력이 약 30 ~ 40W 이상인 디자인의 경우에는 히트싱크에 연결할 수 있는 패키지 브리지
정류기를 선택해야 할 수 있다.
다이오드 브리지 정류기의 손실된 전력
히트싱크에 패키지 브리지 정류기 연결
과열된 입력 캐패시터
전해 캐패시터의 열은 해당 등가 직렬 저항(ESR: Equivalent Series Resistance)에 흐르는 리플
전류로 인해 발생한다. 디자인에서 전파 정류를 사용하는 경우 먼저 브리지에 고장난 다이오드가
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없는지 확인한다. 다이오드의 개방형 회로에 결함이 발생하면 브리지가 반파 정류기로 변환된다.
이렇게 되면 입력 캐패시터에 흐르는 리플 전류가 크게 증가한다.
다음으로, 캐패시터의 리플 전류 등급이
캐패시터에 흐르는 실제 RMS 리플 전류를
충족하거나 초과하는지 확인한다. 입력
캐패시터로 들어가는 RMS 리플 전류를 확인하는
방법에는 두 가지가 있다. 먼저, 가장 쉬운 방법은
캐패시터와 보드 사이에 전류 루프를 삽입하고,
오실로스코프와 전류 프로브를 사용하여
캐패시터에 흐르는 총 RMS 전류를 측정하는
전류 프로브를 사용하여 RMS 리플 전류 측정
것이다. 이때 스코프의 RMS 및 평균 시간을 설정하여 완전한 하나의 사이클을 측정하도록 한다.
아니면 아래 나와 있는 등식을 사용하여 RMS 리플 전류를 개략적으로 구할 수도 있다.
1 차 캐패시터 리플 전류 계산
이 식의 경우

TB 는 한 캐패시터 충전/방전 사이클의 총 시간을 나타내며, 이는 전파 정류된 디자인에
대한 라인 전압 기간의 절반에 해당한다.

VBV는 DC 버스에 나타나는 최저 전압이며 특정 입력 캐패시터 값에 대해 PI Expert에서
계산한 VMIN 값에 해당한다.
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
VBP는 DC 버스에 나타나는 피크 전압이며 PI Expert 시간 √2 에 지정된 VACMIN에
해당한다.

TC는 PI Expert에 지정된 다이오드 브리지 정류기의 전도 시간이다.

ICHP 및 IDCHAV 는 각각 벌크 캐패시터의 피크 충전 및 평균 방전 전류이다(둘 다 주어진
식으로 계산할 수 있음).

DS 는 스위칭 MOSFET 의 듀티 사이클을 나타낸다.
기본적인 계산을 위해 전원 공급 장치의 평균 듀티 사이클을 사용한다. 다이오드 브리지 전도
시간은 비교적 작기 때문에 평균 DC 버스 전압은 VMIN 과 총 전압 리플의 절반을 합한 수치와
같다고 볼 수 있다. 여기서 플라이백 전원 공급 장치에 대한 전달 함수를 재정리하여 D 의 평균을
구할 수 있다.
캐패시터의 등급이 올바른 경우 캐패시터 값을 높이거나 두 개의 캐패시터를 병렬로 사용하여
유효 ESR을 낮춘다. 아니면 값은 동일하지만 ESR이 더 낮은 다른 계열에서 캐패시터를
선택한다. 입력 벌크 캐패시터의 값을 바꾸는 경우 PI Expert에서 새 값으로 디자인을 반복해야
한다.
과열된 금속 산화물 배리스터
금속 산화물 배리스터(MOV)는 차동 라인 서지를
클램핑하는 데 사용된다. 디자인에 MOV 가 사용되는
경우 해당 전압 등급이 최대 AC 입력 라인 전압보다
높은지 확인한다. 범용 입력 전원 공급 장치의 MOV
전압은 일반적으로 275V 내지 320V 이다.
서지 이벤트를 많이 겪게 되면 MOV 의 성능이 떨어져
해당 전압 등급이 낮아지고 전력 소산율이 높아진다.
MOV 가 라인 서지를 많이 겪지 않은 경우에도 부품에
결함이 발생할 수 있다.
언제든지 전압 등급이 올바른 상태에서 MOV 가
고온으로 실행되는 경우에는 새 부품으로 교체한다.
성능 저하로 인한 MOV 과열
과열된 출력 캐패시터
먼저, 캐패시터의 리플 전류 등급이 PI Expert에 지정된 값을 충족하거나 초과하는지 확인한다.
이는 출력 커패시터 RMS 리플 전류(Output Capacitor RMS Ripple Current) 필드의 설계
결과(Design Results) 탭에서 확인할 수 있다. 캐패시터의 등급이 올바르게 지정된 경우 ESR이
보다 낮은 캐패시터를 선택하거나, 여러 캐패시터를 병렬로 배치하여 전체 ESR을 줄이는
방식으로 전력 소산율을 낮춘다.
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단일 출력에 대해 여러 출력 캐패시터를 병렬로 사용하는 경우 리플 전류가 모든 캐패시터에서
동일하게 공유되도록 각 캐패시터까지의 PCB 레이아웃 트레이스 길이가 같은지 확인한다. PCB
레이아웃 트레이스 길이가 같지 않으면 캐패시터 중 어느 하나가 과열되어 보드의 레이아웃을
다시 지정해야 하는 상황이 발생한다.
과열된 출력 전류 감지
출력 전류 감지 저항에서 소산되는 전력은 V 제곱을 R 로 나눈 값과 같다. 여기서 V 는 감지
전압이고 R 은 감지 저항 값이다. 감지 전압은 트랜지스터 기반 감지의 경우 대개 0.3 ~ 0.7V 이고
연산 증폭기 기반 회로의 경우에는 50 ~ 100Mv 이다.
저항의 크기가 소산되는 전력보다 충분하게 크지 않으면 저항이 매우 뜨거워지게 된다. 저항의
전력 등급은 일반적으로 표면 온도인 70°C 에 대해 지정된다. 이보다 높은 온도에서 작동하는
저항은 수명이 크게 단축될 수 있다.
감지 전압
과열된 저항
저항의 온도를 낮추려면 저항을 PCB 에 수직으로 실장하는 방법을 고려해 본다. 이렇게 하면
저항 주변에 흐르는 공기의 양이 증가하고 리드 길이가 늘어나 열을 소산시키는 데 도움이 된다.
아니면 전력 등급이 더 높은 저항을 사용하는 방법도 있다.
그 밖의 해결책으로는 저항에서 소산되는 전력의 양을 줄이는 것이 있다. 전류 감지 저항에서
소산되는 전력을 줄이는 방법에는 두 가지가 있다. 즉, 병렬로 배열된 여러 저항에 전력을
분배하거나, 트랜지스터 기반 감지 회로를 사용하는 경우 회로를 연산 증폭기 기반 디자인으로
변경하여 저항의 전압 강하를 줄인다.
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과열된 출력 다이오드
출력 다이오드는 대개 보드에서 가장 뜨거운 부품 중
하나이며, 외부 히트싱크를 사용하더라도 주변 온도보다
50℃ 높게 측정되는 것이 보통이다. 출력 다이오드 온도가
여전히 너무 높으면 다이오드의 유형 및 등급이 PI Expert에
지정된 대로 올바른지 먼저 확인한다.
플라이백 컨버터에서는 초고속 복구 또는 쇼트키
다이오드만 출력 정류기로 사용해야 하며, 표준 정류기
과열된 출력 다이오드
다이오드를 사용해서는 안 된다. 고속 또는 초고속 복구
다이오드가 과열된 상황에서 다이오드의 최대 역전압이 쇼트키 유형을 사용할 수 있을 만큼 낮은
경우 유사한 등급의 쇼트키로 교체하면 온도가 줄어들게 된다. 출력 다이오드의 최대 역전압은
PI Expert의 설계 결과 탭에서 확인할 수 있다.
기존 다이오드와 병렬로 또 다른 유사한 등급의 다이오드를 추가해도 온도가 낮아진다. 또한
전류 등급이 높고 그에 따라 저항이 낮은 다이오드를 사용하면 몇 가지 개선 효과를 얻을 수 있다.
다이오드의 크기와 유형이 올바르면 보다 성능이 뛰어난 히트싱크를 사용해야 한다.
TO-220 패키지 다이오드의 경우 써멀 컴파운드
또는 써멀 패드를 사용하면 케이스와 히트싱크
간의 열 저항이 낮아진다. 그러나 써멀 그리스를
사용하는 경우에는 레이어의 두께를 최소화하는
데 유의해야 한다. 레이어가 두꺼우면 표면 간의
열 전달율이 떨어져 디바이스의 온도가 올라간다.
또한 디바이스가 전체 히트싱크 표면을 따라
동일한 평면상에 있는지도 확인한다. 실장 나사를
공면 상태 확인
과도하게 조이지 않아야 하는데, 과도하게 조일 경우 패키지와 히트싱크가 분리될 수 있다.
필요한 경우 보다 큰 히트싱크를 선택하여 온도를 낮춘다.
축 다이오드의 경우 다이오드의 음극 패드에서 PCB 의 구리 면적을 늘려야 한다. 1 온스의 구리
접합 보드를 사용하는 경우 구리 깊이를 2 온스로 늘리면 PCB 히트싱크를 사용하는 축
다이오드의 온도가 낮아진다.
과열된 PI 디바이스
PI 디바이스가 과열되거나 열 차단 모드에 들어가는 경우 디자인의 히트싱크 양을 늘려야 한다.
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DIP 또는 표면 실장 패키지 디바이스를 사용하는 경우 보드의 레이아웃을 다시 지정하여 소스
플레인의 구리 면적을 극대화한다. 이는 디바이스의 주요 히트싱크 메커니즘이다.
1 온스의 구리 접합 보드를 사용하는 경우 구리 깊이를 2 온스로 늘리면 PI 디바이스를 포함하여
PCB 히트싱크를 사용하는 모든 부품의 온도가 낮아진다. 여전히 보드의 소스 플레인에서 열을
충분히 소산시킬 수 없는 경우 외부 히트싱크가 가능한 패키지 유형으로 전환하거나 다음으로 큰
PI 디바이스를 선택한다. Rdson 이 낮을수록 전도 손실이 적고 디바이스 온도가 낮다.
일부 PI 디바이스 제품군은 내부 전류 한도를 프로그래밍할 수 있기 때문에 보드를 다시
디자인할 필요 없이 보다 큰 디바이스를 사용할 수 있다.
PI 디바이스를 외부 히트싱크에 연결하는 경우 써멀 그리스를 사용하여 케이스와 히트싱크 간의
열 저항을 낮춘다. 그러나 이 경우 레이어의 두께를 최소화하는 데 유의해야 한다. 레이어가
두꺼우면 표면 간의 열 전달율이 떨어져 디바이스의 온도가 올라간다.
또한 디바이스가 전체 히트싱크 표면을 따라 동일한 평면상에 있는지도 확인한다. 실장 나사를
과도하게 조이지 않아야 하는데, 과도하게 조일 경우 패키지와 히트싱크가 분리될 수 있다.
과열된 서미스터
입력 돌입 서미스터는 고온으로 실행되도록 디자인되어 있다. 정상적인 작동 시 주변 온도보다
100°C 높게 측정되는 것이 일반적이다. 서미스터의 저항은 온도가 증가함에 따라 낮아지므로
돌입 전류를 제한하기 위해 냉각시키면 임피던스가 높아지고 과도한 소산을 막기 위해 온도를
높이면 급속도로 감소한다.
서미스터 전류 등급이 PI
서미스터 = Tambient + 100°C
Expert의 설계 결과 탭에
있는 평균 다이오드
브리지 전류(Average
Diode Bridge Current)와
일치하는지 확인한다.
과열된 입력 휴즈형 저항
휴즈형 저항은 소산되는
특징이 있기 때문에 출력
전력이 약 10W 미만인
과열된 서미스터
디자인에만 사용해야
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과열된 부품이 있는 플라이백 전원 공급 장치 수리
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한다. 디자인의 출력 전력이 이보다 높은 경우 휴즈형 저항을 휴즈로 교체한다. 디자인의 출력
전력이 10W 미만인 경우 보드에 장착된 휴즈형 저항의 값이 디자인에 지정된 값과 일치하는지
확인한다.
저항 값만 낮춰도 소산율과 온도가 낮아지지만 이러한 방법은 권장되지 않는다. 이 방법을
사용할 경우 AC 가 먼저 적용되면 돌입 전류가 높아지기 때문에 심각한 결함이 발생할 수 있다.
세부 정보
이 과정에 설명된 정보와 관련하여 궁금한 사항이나 의견이 있는 경우
[email protected] 이메일을 통해 문의하면 된다.
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부록 A
클램프 크기 지정 디자인 가이드
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디자인 가이드
클램프 크기 지정
도입
이 자료에서는 PI Expert(R)를 사용하여 디자인한 플라이백 전원 공급 장치를 위한 네 개의 각 주요
클램프 유형 회로에서 부품의 크기를 지정하는 단계별 절차에 대해 설명한다. 해당되는 경우
결정한 가설이나 사용한 근사치를 명시해 두었다. PI Expert를 통해 만든 클램프 디자인은 여기에
제공된 알고리즘으로 생성한 디자인보다 수치 면에서 다소 엄격할 수 있다. 클램프 회로를 처음
디자인한 후에는 프로토타입을 생성하고 전원 공급 장치에서 프로토타입의 성능을 확인해야
한다. 결과가 예상치와 크게 다르면 디자인을 반복한다.
네 가지 클램프 유형
RCD 클램프 크기 지정
1.
트랜스포머 LL의 1차 누설 인덕턴스를 측정한다.
2.
PI Expert에서 사용한 디자인의 스위칭 주파수 fs를 확인한다.
3.
다음과 같이 정확한 1차 전류 IP를 구한다.
(참고: 모든 값은PI Expert에서 확인할 수 있다.)
a. 디자인에서 전력 제한 프로그래밍을 사용하는 경우 IP =
ILIMITEXT
b. 디자인에서 외부 전류 제한 프로그래밍을 사용하는 경우 IP =
ILIMITEXT
c. 다른 모든 디자인의 경우 IP = ILIMITMAX
4.
다음과 같이 1차 MOSFET에서 허용되는 총 전압을 구하고
Vmaxclamp를 계산한다.
(참고: 최소한 50V의 마진을 MOSFET에 대한 BVDSS보다 작게 유지하고 과도 전압을 고려해 30 ~
50V의 마진을 추가로 설정하는 것이 좋다. 범용 입력 디자인의 경우에는 Vmaxclamp가 200V 미만인 것이
좋지만 1.5*VOR 수준 아래로 내려가서는 안 된다.)
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디자인 가이드
클램프 크기 지정
5.
2페이지
클램프 회로의 전압 리플 Vdelta를 구한다.
(참고: 평균 값은 Vmaxclamp의 10%가 적절하다.)
6.
다음과 같이 클램프 회로의 최소 전압을 계산한다.
7.
다음과 같이 클램프 회로의 평균 전압 Vclamp를 계산한다.
8.
다음과 같이 누설 리액턴스에 저장된 에너지를 계산한다.
(참고: 일부 누설 리액턴스 에너지는 클램프로 전송되지 않는다. 따라서 클램프에서 소산되는 실제
에너지는 위의 수식을 사용해 피크 1차 전류 IP를 클램프에만 흐르는 전류 IC로 대체하여 계산해야
한다. IC는 계산 또는 측정하기가 어렵기 때문에 여기서는 알려진 척도 요소로 ELL을 조정하여
클램프에서 소산되는 에너지 Eclamp를 추정하기로 한다.)
9.
클램프에서 소산되는 에너지 Eclamp는 다음과 같이 추정한다.
(참고: 일반적으로 연속 출력 전력이 1.5W 미만인 전원 공급 장치에는 클램프 회로가 필요 없다.)
10. 다음과 같이 클램프 저항 값을 계산한다.
(참고: 여기서 계산한 Rclamp 값은 첫 번째 근사치이다. 전원 공급 장치를 구성한 후 평균 전압 Vclamp를
측정하고 이를 여기서 사용한 값과 비교한다. 측정한 값이 예상치보다 작으면 값이 이러한 계산 결과와
일치할 때까지 Rclamp 값을 늘린다. 측정한 값이 예상치보다 크면 Rclamp 값을 줄인다.)
11. 클램프 저항 전력 등급은 다음보다 크거나 같아야 한다.
12. 다음과 같이 클램프 캐패시터 값을 계산한다.
13. 클램프 캐패시터 전압 등급은 1.5*Vmaxclamp보다 크거나 같아야 한다.
14. 고속 또는 초고속 복구 다이오드를 클램프 회로에서 블로킹 다이오드로 사용해야 한다.
(참고: 경우에 따라 표준 복구 다이오드를 사용해도 효율 및 EMI가 일정 수준 개선될 수 있다. 그러나
이러한 용도로 사용되는 표준 복구 다이오드는 반드시 지정된 역복구 시간을 목록에서 확인할 수
있어야 한다. 또한 이러한 다이오드의 역복구 전류가 허용 한도를 넘지 않도록 세심한 주의를 기울여야
한다. 철저한 평가 절차 없이 표준 복구 다이오드를 기반으로 한 디자인을 승인하는 것은 권장되지
않는다.)
15. 블로킹 다이오드의 PIV는 1.5*Vmaxclamp보다 크거나 같아야 한다.
16. 블로킹 다이오드의 순방향 피크 반복 전류 등급은 IP보다 크거나 같아야 한다. 이 파라미터가
데이터시트에 나와 있지 않은 경우 평균 순방향 전류 등급은 0.5*IP보다 크거나 같아야 한다.
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디자인 가이드
클램프 크기 지정
3페이지
(참고: 다이오드의 평균 순방향 전류 등급은 이보다 낮게 지정될 수 있으며, 주로 열 성능에 의해
제한을 받는다. 등급이 적절한지 확인하려면 안정 상태로 작동하는 동안 최저 입력 전압에서 블로킹
다이오드의 온도를 측정해야 한다. 히트싱크, 부품 방향 및 최종 제품 인클로저는 모두 다이오드의
작동 온도에 영향을 준다.)
17. 다음과 같이 댐핑 저항(사용되는 경우)의 크기를 지정한다.
(참고: 최대 연속 출력 전력이 20W 이상인 시스템의 경우 Rdamp는 반드시 필요한 경우에만 사용하고
아주 작은 값(1Ω ≤ Rdamp≤ 4.7Ω)으로 제한해야 한다.)
18. 댐핑 저항 전력 등급은 다음보다 크거나 같아야 한다.
ZD 클램프 크기 지정
1.
트랜스포머 LL의 1차 누설 인덕턴스를 측정한다.
2.
PI Expert에서 사용한 디자인의 스위칭 주파수 fs를 확인한다.
3.
다음과 같이 정확한 1차 전류 IP를 구한다.
(참고: 모든 값은PI Expert에서 확인할 수 있다.)
a. 디자인에서 전력 제한 프로그래밍을 사용하는 경우 IP =
ILIMITEXT
b. 디자인에서 외부 전류 제한 프로그래밍을 사용하는 경우 IP =
ILIMITEXT
c. 다른 모든 디자인의 경우 IP = ILIMITMAX
4.
다음과 같이 1차 MOSFET에서 허용되는 총 전압을 구하고
Vmaxclamp를 계산한다.
(참고: 최소한 50V의 마진을 MOSFET에 대한 BVDSS보다 작게 유지하고 과도 전압을 고려해 30 ~
50V의 마진을 추가로 설정하는 것이 좋다. 범용 입력 디자인의 경우에는 Vmaxclamp가 200V 미만인 것이
좋지만 1.5*VOR 수준 아래로 내려가서는 안 된다.)
5.
다음과 같이 누설 리액턴스에 저장된 에너지를 계산한다.
(참고: 일부 누설 리액턴스 에너지는 클램프로 전송되지 않는다. 따라서 클램프에서 소산되는 실제
에너지는 위의 수식을 사용해 피크 1차 전류 IP를 클램프에만 흐르는 전류 IC로 대체하여 계산해야
한다. IC는 계산 또는 측정하기가 어렵기 때문에 여기서는 알려진 척도 요소로 ELL을 조정하여
클램프에서 소산되는 에너지 Eclamp를 추정하기로 한다.)
6.
클램프에서 소산되는 에너지 Eclamp는 다음과 같이 추정한다.
(참고: 일반적으로 연속 출력 전력이 1.5W 미만인 전원 공급 장치에는 클램프 회로가 필요 없다.)
7.
TVS 항복 전압이 Vmaxclamp로 지정된다.
(참고: 필요한 경우 반올림한다. 제너 다이오드는 디바이스에서 소산되는 순간 피크 전력을 견딜 수
없기 때문에 TVS를 반드시 사용해야 한다.)
PI-DG-101(개정: 2010년/1월)
www.powerint.com
Power Integrations, Inc.
디자인 가이드
클램프 크기 지정
8.
4페이지
TVS 전력 등급은 1.5*Eclamp*fs 이상이어야 한다.
(참고: 필요에 따라 여러 개의 TVS 부품을 병렬로 사용하여 전력 경감 효과를 얻는다. 전원 공급 장치가
전체 부하 및 최저 입력 전압으로 실행되는 동안 전원 공급 장치의 온도를 측정하여 TVS 전력 등급이
올바른지 확인한다. TVS의 본체 온도는 25°C의 주변 온도에서 작동 시 70°C를 넘지 않아야 한다.
TVS의 온도가 이보다 높으면 전력 등급이 더 높은 부품을 사용하거나 여러 개의 TVS 부품을 병렬로
사용한다.)
9.
고속 또는 초고속 복구 다이오드를 클램프 회로에서 블로킹 다이오드로 사용해야 한다.
(참고: 경우에 따라 표준 복구 다이오드를 사용해도 효율 및 EMI가 일정 수준 개선될 수 있다. 그러나
이러한 용도로 사용되는 표준 복구 다이오드는 반드시 지정된 역복구 시간을 목록에서 확인할 수
있어야 한다. 또한 이러한 다이오드의 역복구 전류가 허용 한도를 넘지 않도록 세심한 주의를 기울여야
한다. 철저한 평가 절차 없이 표준 복구 다이오드를 기반으로 한 디자인을 승인하는 것은 권장되지
않는다.)
10. 블로킹 다이오드의 PIV는 1.5*Vmaxclamp보다 크거나 같아야 한다.
11. 블로킹 다이오드의 순방향 피크 반복 전류 등급은 IP보다 크거나 같아야 한다.
이 파라미터가 데이터시트에 나와 있지 않은 경우 평균 순방향 전류 등급은 0.5*IP보다 크거나
같아야 한다.
(참고: 다이오드의 평균 순방향 전류 등급은 이보다 낮게 지정될 수 있으며, 주로 열 성능에 의해
제한을 받는다. 등급이 적절한지 확인하려면 안정 상태로 작동하는 동안 최저 입력 전압에서 블로킹
다이오드의 온도를 측정해야 한다. 히트싱크, 부품 방향 및 최종 제품 인클로저는 모두 다이오드의
작동 온도에 영향을 준다.)
12. 다음과 같이 댐핑 저항(사용되는 경우)의 크기를 지정한다.
(참고: 최대 연속 출력 전력이 20W 이상인 시스템의 경우 Rdamp는 반드시 필요한 경우에만 사용하고
아주 작은 값(1Ω ≤ Rdamp≤ 4.7Ω)으로 제한해야 한다.)
13. 댐핑 저항 전력 등급은 다음보다 크거나 같아야 한다.
RCD+Z 클램프 크기 지정
1.
트랜스포머 LL의 1차 누설 인덕턴스를 측정한다.
2.
PI Expert에서 사용한 디자인의 스위칭 주파수 fs를 확인한다.
3.
PI Expert를 통해 예측한 피크 1차 전류 IP를 확인한다.
4.
다음과 같이 1차 MOSFET에서 허용되는 총 전압을 구하고
Vmaxclamp를 계산한다.
(참고: 최소한 50V의 마진을 MOSFET에 대한 BVDSS보다 작게 유지하고
과도 전압을 고려해 30 ~ 50V의 마진을 추가로 설정하는 것이 좋다. 범용
입력 디자인의 경우에는 Vmaxclamp가 200V 미만인 것이 좋지만 1.5*VOR
수준 아래로 내려가서는 안 된다.)
5.
클램프 회로의 전압 리플 Vdelta를 구한다.
(참고: 평균 값은 Vmaxclamp의 10%가 적절하다.)
6.
다음과 같이 클램프 회로의 최소 전압을 계산한다.
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클램프 크기 지정
5페이지
7.
다음과 같이 클램프 회로의 평균 전압 Vclamp를 계산한다.
8.
다음과 같이 누설 리액턴스에 저장된 에너지를 계산한다.
(참고: 일부 누설 리액턴스 에너지는 클램프로 전송되지 않는다. 따라서 클램프에서 소산되는 실제
에너지는 위의 수식을 사용해 피크 1차 전류 IP를 클램프에만 흐르는 전류 IC로 대체하여 계산해야
한다. IC는 계산 또는 측정하기가 어렵기 때문에 여기서는 알려진 척도 요소로 ELL을 조정하여
클램프에서 소산되는 에너지 Eclamp를 추정하기로 한다.)
9.
클램프에서 소산되는 에너지 Eclamp는 다음과 같이 추정한다.
(참고: 일반적으로 연속 출력 전력이 1.5W 미만인 전원 공급 장치에는 클램프 회로가 필요 없다.)
10. 다음과 같이 클램프 저항 값을 계산한다.
(참고: 여기서 계산한 Rclamp 값은 첫 번째 근사치이다. 전원 공급 장치를 구성한 후 평균 전압 Vclamp를
측정하고 이를 여기서 사용한 값과 비교한다. 측정한 값이 예상치보다 작으면 값이 이러한 계산 결과와
일치할 때까지 Rclamp 값을 늘린다. 측정한 값이 예상치보다 크면 Rclamp 값을 줄인다.)
11. 클램프 저항 전력 등급은 다음보다 크거나 같아야 한다.
12. 다음과 같이 클램프 캐패시터 값을 계산한다.
13. 클램프 캐패시터 전압 등급은 1.5*Vmaxclamp보다 크거나 같아야 한다.
14. TVS 항복 전압을 VZ = Vmaxclamp + 20V와 같이 적절히 지정한다.
(참고: 제너 다이오드는 턴온 시 디바이스에 나타나는 순간 피크 전력을 견딜 수 없기 때문에 TVS를
반드시 사용해야 한다.)
15. 정상적인 작동 및 과부하 시에 저장되는 에너지의 차이를 조정하려면 다음과 같이 TVS 전력
등급의 크기를 지정해야 한다.
(참고: 모든 전류 제한 값은PI Expert에서 확인할 수 있다.)
16. 고속 또는 초고속 복구 다이오드를 클램프 회로에서 블로킹 다이오드로 사용해야 한다.
(참고: 경우에 따라 표준 복구 다이오드를 사용해도 효율 및 EMI가 일정 수준 개선될 수 있다. 그러나
이러한 용도로 사용되는 표준 복구 다이오드는 반드시 지정된 역복구 시간을 목록에서 확인할 수
있어야 한다. 또한 이러한 다이오드의 역복구 전류가 허용 한도를 넘지 않도록 세심한 주의를 기울여야
한다. 철저한 평가 절차 없이 표준 복구 다이오드를 기반으로 한 디자인을 승인하는 것은 권장되지
않는다.)
PI-DG-101(개정: 2010년/1월)
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Power Integrations, Inc.
디자인 가이드
클램프 크기 지정
6페이지
17. 블로킹 다이오드의 PIV는 1.5*Vmaxclamp보다 크거나 같아야 한다.
18. 블로킹 다이오드의 순방향 피크 반복 전류 등급은 IP보다 크거나 같아야 한다.
이 파라미터가 데이터시트에 나와 있지 않은 경우 평균 순방향 전류 등급은 0.5*IP보다 크거나
같아야 한다.
(참고: 다이오드의 평균 순방향 전류 등급은 이보다 낮게 지정될 수 있으며, 주로 열 성능에 의해
제한을 받는다. 등급이 적절한지 확인하려면 안정 상태로 작동하는 동안 최저 입력 전압에서 블로킹
다이오드의 온도를 측정해야 한다. 히트싱크, 부품 방향 및 최종 제품 인클로저는 모두 다이오드의
작동 온도에 영향을 준다.)
19. 다음과 같이 댐핑 저항(사용되는 경우)의 크기를 지정한다.
(참고: 최대 연속 출력 전력이 20W 이상인 시스템의 경우 Rdamp는 반드시 필요한 경우에만 사용하고
아주 작은 값(1Ω ≤ Rdamp≤ 4.7Ω)으로 제한해야 한다.)
20. 댐핑 저항 전력 등급은 다음보다 크거나 같아야 한다.
RCDZ 클램프 크기 지정
1.
트랜스포머 LL의 1차 누설 인덕턴스를 측정한다.
2.
PI Expert에서 사용한 디자인의 스위칭 주파수 fs를 확인한다.
3.
다음과 같이 정확한 1차 전류 IP를 구한다.
(참고: 모든 값은PI Expert에서 확인할 수 있다.)
a. 디자인에서 전력 제한 프로그래밍을 사용하는 경우 IP =
ILIMITEXT
b. 디자인에서 외부 전류 제한 프로그래밍을 사용하는 경우 IP
= ILIMITEXT
c. 다른 모든 디자인의 경우 IP = ILIMITMAX
4.
다음과 같이 1차 MOSFET에서 허용되는 총 전압을 구하고
Vmaxclamp를 계산한다.
(참고: 최소한 50V의 마진을 MOSFET에 대한 BVDSS보다 작게 유지하고 과도 전압을 고려해 30 ~
50V의 마진을 추가로 설정하는 것이 좋다. 범용 입력 디자인의 경우에는 Vmaxclamp가 200V 미만인 것이
좋지만 1.5*VOR 수준 아래로 내려가서는 안 된다.)
5.
클램프 회로의 전압 리플 Vdelta를 구한다.
(참고: 평균 값은 Vmaxclamp의 10%가 적절하다.)
6.
다음과 같이 클램프 회로의 최소 전압을 계산한다.
7.
다음과 같이 클램프 회로의 평균 전압 Vclamp를 계산한다.
8.
다음과 같이 누설 리액턴스에 저장된 에너지를 계산한다.
PI-DG-101(개정: 2010년/1월)
www.powerint.com
Power Integrations, Inc.
디자인 가이드
클램프 크기 지정
7페이지
(참고: 일부 누설 리액턴스 에너지는 클램프로 전송되지 않는다. 따라서 클램프에서 소산되는 실제
에너지는 위의 수식을 사용해 피크 1차 전류 IP를 클램프에만 흐르는 전류 IC로 대체하여 계산해야
한다. IC는 계산 또는 측정하기가 어렵기 때문에 여기서는 알려진 척도 요소로 ELL을 조정하여
클램프에서 소산되는 에너지 Eclamp를 추정하기로 한다.)
9.
클램프에서 소산되는 에너지 Eclamp는 다음과 같이 추정한다.
(참고: 일반적으로 연속 출력 전력이 1.5W 미만인 전원 공급 장치에는 클램프 회로가 필요 없다.)
10. 제너 항복 전압은 VZ ≥ VOR로 지정된다.
(참고: 필요한 경우 반올림한다. VZ를 VOR보다 낮게 지정해서는 안 된다.)
11. 다음과 같이 클램프 저항 값을 계산한다.
12. 다음과 같이 클램프 저항의 전력 등급을 계산한다.
(참고: 여기서 계산한 Rclamp 값은 첫 번째 근사치이다. 전원 공급 장치를 구성한 후 평균 전압 Vclamp를
측정하고 이를 여기서 사용한 값과 비교한다. 측정한 값이 예상치보다 작으면 값이 이러한 계산 결과와
일치할 때까지 Rclamp 값을 늘린다. 측정한 값이 예상치보다 크면 Rclamp 값을 줄인다.)
13. 제너 다이오드의 전력 등급은 다음보다 크거나 같게 지정되어야 한다.
(참고: 필요에 따라 여러 개의 제너 다이오드를 병렬로 사용하여 전력 경감 효과를 얻는다. 전력 등급이
제너 다이오드에 대해 너무 크면 대신 TVS를 사용할 수도 있다. 전원 공급 장치가 전체 부하 및 최저
입력 전압으로 실행되는 동안 전원 공급 장치의 온도를 측정하여 제너 다이오드의 전력 등급이
올바른지 확인한다. 제너 다이오드의 본체 온도는 25°C의 주변 온도에서 작동 시 70°C를 넘지 않아야
한다.)
14. 다음과 같이 클램프 캐패시터 값을 계산한다.
15. 클램프 캐패시터 전압 등급은 1.5*Vmaxclamp보다 크거나 같아야 한다.
16. 고속 또는 초고속 복구 다이오드를 클램프 회로에서 블로킹 다이오드로 사용해야 한다.
(참고: 경우에 따라 표준 복구 다이오드를 사용해도 효율 및 EMI가 일정 수준 개선될 수 있다. 그러나
이러한 용도로 사용되는 표준 복구 다이오드는 반드시 지정된 역복구 시간을 목록에서 확인할 수
있어야 한다. 또한 이러한 다이오드의 역복구 전류가 허용 한도를 넘지 않도록 세심한 주의를 기울여야
한다. 철저한 평가 절차 없이 표준 복구 다이오드를 기반으로 한 디자인을 승인하는 것은 권장되지
않는다.)
17. 블로킹 다이오드의 PIV는 1.5*Vmaxclamp보다 크거나 같아야 한다.
18. 블로킹 다이오드의 순방향 피크 반복 전류 등급은 IP보다 크거나 같아야 한다.
이 파라미터가 데이터시트에 나와 있지 않은 경우 평균 순방향 전류 등급은 0.5*IP보다 크거나
같아야 한다.
(참고: 다이오드의 평균 순방향 전류 등급은 이보다 낮게 지정될 수 있으며, 주로 열 성능에 의해
PI-DG-101(개정: 2010년/1월)
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디자인 가이드
클램프 크기 지정
8페이지
제한을 받는다. 등급이 적절한지 확인하려면 안정 상태로 작동하는 동안 최저 입력 전압에서 블로킹
다이오드의 온도를 측정해야 한다. 히트싱크, 부품 방향 및 최종 제품 인클로저는 모두 다이오드의
작동 온도에 영향을 준다.)
19. 다음과 같이 댐핑 저항(사용되는 경우)의 크기를 지정한다.
(참고: 최대 연속 출력 전력이 20W 이상인 시스템의 경우 Rdamp는 반드시 필요한 경우에만 사용하고
아주 작은 값(1Ω ≤ Rdamp≤ 4.7Ω)으로 제한해야 한다.)
20. 댐핑 저항 전력 등급은 다음보다 크거나 같아야 한다.
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