마르쿠스 제헨드너 (Markus Zehendner), TI 전원 관리 및 MGTS 부문 시스템 엔지니어 

10년 이상 동안 TI의 Power Stage Designer 툴은 다양한 전원 공급 토폴로지의 전류와 전압을 계산할 때 전기 엔지니어들이 사용할 수 있는 훌륭한 설계 보조 도구였다. 이 도구는 모든 계산을 실시간으로 실행하고 직접 피드백을 주기 때문에 새로운 전원 공급 장치 설계를 시작할 때 사용하기 쉬운 도구라고 생각한다.

TI Power Stage Designer의 최신 버전에는 기존 기능 세트 외에 새로운 토폴로지와 두 가지 새로운 설계 기능이 포함되어 있어 전원 공급 장치 개발을 위한 설계 시간을 더욱 단축할 수 있다.

새로운 툴에는 전계 효과 트랜지스터(FET) 손실 계산기, 병렬 커패시터용 전류 공유 계산기, AC/DC 벌크 커패시터 계산기, 정류기 간 링잉을 댐핑하기 위한 저항-커패시터(RC) 스너버 계산기, 플라이백 컨버터용 저항-커패시터-다이오드(RCD) 스너버 계산기, 출력-전압 저항 분할기 계산기, 동적 아날로그 및 디지털 출력-전압 스케일링 계산기, 단위 변환기, 루프 보상을 위한 보드 플로팅 툴, 부하-스텝 계산기 및 필터 디자이너가 포함된다. 이제 이 13가지 기능을 각각 자세히 살펴보자.

1: FET 손실 계산기

이 툴을 사용하면 메인 스위치 또는 동기 정류기로 작동하는 여러 FET를 쉽게 비교할 수 있다. 최소, 최대 및 RMS(루트 평균 제곱) 전류 값, FET 드레인-소스 전압 및 스위칭 주파수는 선택한 토폴로지 창에서 전송된다. 또한 이 툴을 사용하면 메인 스위치 및 동기 정류기에 해당하는 MOSFET를 선택한 후 동기식 컨버터의 총 MOSFET(금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터) 손실을 평가할 수 있다. 그림 1은 FET 손실 계산기 창을 보여준다

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그림 1: FET 손실 계산기

2: 전류 공유 계산기

전력 변환기의 입력 또는 출력에서 서로 다른 종류의 커패시터를 병렬로 연결하면 임피던스에 따라 콘덴서의 RMS 전류량이 달라진다. Power Stage Designer를 사용하면 첫 번째 고조파 임피던스 모델을 기반으로 최대 3개의 병렬 커패시터에 대한 전류 응력을 추정할 수 있다.

3: AC/DC 벌크 커패시터 계산기

AC/DC 컨버터는 일반적으로 입력 정류기 뒤에 벌크 캐패시터를 두어 전력계 및 전원 관리 컨트롤러에 준정속 입력 전압을 제공한다. Power Stage Designer는 다양한 입력 매개 변수를 기반으로 벌크 커패시턴스를 제안한다.

4: 정류기용 RC 스너버 계산기

전원 공급 장치에서 EMI(전자기 간섭) 테스트를 통과해야 하는 경우 정류기 간 링잉이 주요 문제가 될 수 있다. 이 문제를 해결하는 방법은 여러 가지가 있으며 RC 스너버 네트워크를 구현하는 것은 인쇄 회로 기판(PCB) 레이아웃을 재설계하지 않아도 되는 쉬운 해결책이다. TI의 툴은 RC 스너버 네트워크의 시작 값을 쉽게 결정할 수 있는 방법을 제공한다.

5: 플라이백 컨버터용 RCD 스너버 계산기

변압기 누출 인덕턴스와 같은 기생으로 인해 플라이백 컨버터는 스위칭 노드에서 전압 오버슈트 및 링잉을 경험할 수 있다. 링잉을 줄이고 오버슈트의 감쇠를 달성하는 가장 쉬운 방법은 플라이백 컨버터의 기본 인덕턴스와 병렬로 RCD 스너버 회로를 구현하는 것이다. Power Stage Designer를 사용하면 스너버 저항기 및 커패시터의 시작 값을 선택할 수 있다.

6: 출력 전압 저항 분할기 계산기

이제 출력 전압, 기준 전압 및 공차를 포함한 고압 또는 저압 측 저항을 기준으로 전원 공급 장치에 대한 출력 전압 피드백 분할기를 쉽게 계산할 수 있다.

7: 동적 아날로그 출력-전압 스케일링 계산기

일부 애플리케이션의 경우 전력 컨버터의 출력 전압을 특정 출력 전압 범위에서 조정할 수 있어야 한다. 세 번째 저항이 있는 가변 아날로그 출력 전압을 출력 저항 분할기에 공급하여 이를 달성할 수 있다. Power Stage Designer를 사용하면 선택한 출력 전압 범위, 최대 조정 전압, 기준 전압 및 상단 피드백 저항을 기준으로 필요한 저항 값을 찾을 수 있다.

8: 동적 디지털 출력 전압 스케일링 계산기

여러 저항/신호 MOSFET 조합을 저압측 피드백 저항과 병렬로 연결하여 전원 공급 장치의 출력 전압을 조정할 수도 있다. 마이크로컨트롤러로 MOSFET을 활성화 및 비활성화하면 전원 공급 장치에 서로 다른 출력 전압을 "프로그래밍"한 것과 같다. Power Stage Designer는 피드백 회로의 저항 값을 선택하도록 지원한다.

9: 장치 변환기

Power Stage Designer에는 게인을 인수로, 임페리얼을 국제 단위계로 또는 그 반대로 변환하는 등 다양한 전원 공급 매개 변수를 변환하는 작은 도우미가 포함되어 있다.

10: 루프 계산기

루프 계산기는 전압 모드 제어 벅에 대한 개방 루프 및 폐쇄 루프 전송 기능의 보드 플롯과 5가지 다른 전류 모드 제어 토폴로지(벅, 부스트, 반전 벅 부스트, 순방향 및 플라이백)를 표시한다. 루프 폐쇄를 위해 5개의 서로 다른 보상 네트워크를 사용할 수 있다. 그림 2는 Power Stage Designer 루프 계산기 창을 보여준다.

그림 2: Power Stage Designer 루프 계산기

11: 부하 단계 계산기

부하 단계 계산기를 사용하면 전압 모드 및 전류 모드 제어 변환기가 출력 전압 조절 요구 사항을 유지하는 데 필요한 최소 출력 커패시턴스를 결정할 수 있다. 내부 보상 네트워크를 활용하는 장치와 함께 이 도구를 사용할 때는 외부 구성품을 선택할 수 있는 자유도가 해당 장치에 따라 제한되므로 주의해야 한다.

12: 필터 디자이너

필터 디자이너는 전원 공급 장치에 적합하게 감쇠된 차동 모드 π-필터를 설계하는 데 도움이 된다. 이 툴은 필터 및 댐핑 네트워크의 보드 플롯뿐만 아니라, 댐핑되지 않은 필터 임피던스와 댐핑된 필터 임피던스의 그래프도 보여준다. 이 정보를 통해 필터가 선택한 댐핑 구성품에 충분한 신호 감쇠 및 안정성을 제공하는지 여부를 동시에 확인할 수 있다. 필터 디자이너는 매우 좋은 출발점을 제공할 것이지만, 완성된 PCB로 EMI 사양을 충족하려면 PCB 레이아웃 및 구성품 기생과 같은 요소가 필터의 최종 성능에 상당한 영향을 미칠 것이다.

13: 새로운 토폴로지

  • Power Stage Designer 툴은 4개의 최신 토폴로지인 직렬 캐패시터 벅 컨버터를 포함하여 총 21개의 토폴로지를 지원한다
  • 반진공/주파수 변조 플라이백 컨버터
  • 인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 하프 브리지 컨버터

인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 풀 브리지 컨버터 그림 3 참조.

그림 3: LLC 브리지 컨버터의 토폴로지

Power Stage Designer를 통해 전원 공급 장치 설계자의 삶이 조금 더 쉬워질 수 있다.

새 도구 상자 뒤에 있는 방정식과 가정은 "Power Stage Designer 사용 설명서"에서 참조할 수 있다.

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