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노아 로드리게즈 (Noah Rodriguez)

소비자들은 매일 휴대하는 다양한 전자 장치를 위한 빠르고 효율적인 휴대용 충전기를 원한다. 대부분의 전자 장치가 USB Type-C® 충전기로 옮겨감에 따라 모든 장치를 충전할 수 있는 소형 전력 어댑터에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다.

최신 소비자용 USB Type-C 모바일 충전기, PC 전원 공급 장치 및 TV 전원 공급 장치를 설계할 때 해결해야 할 과제는 솔루션 크기를 줄이면서 전력 수준을 유지하거나 높이는 것이다. TI의 저전력 질화 갈륨(GaN) 장치는 가장 널리 사용되는 다양한 토폴로지에서 이 문제를 해결하는 동시에 열, 크기 및 통합의 이점을 제공한다. 지난 수십 년 동안 GaN과 같은 넓은 밴드갭 기술의 발전과 함께 효율성과 기능을 개선하기 위한 AC/DC 토폴로지의 새로운 개선도 이루어졌다. 이 기고문에서는 이러한 애플리케이션에 널리 사용되는 토폴로지 내에서 이러한 장치의 이점과 호환성, 그리고 몇 가지 매력적인 새로운 토폴로지에 대해 자세히 살펴볼 예정이다.

ACF AHB 토폴로지를 통한 효율성 전력 밀도 극대화

새로 개발된 두 가지 하프 브리지 토폴로지는 효율성을 최적화하는 동시에 가변 출력 전압 기능을 제공한다. 그림 1과 같이 능동 클램프 플라이백(ACF) 및 비대칭 하프 브리지(AHB) 토폴로지는 DC/DC 단계에서 효율성과 전력 밀도를 극대화하는 데 도움이 될 수 있다. 반공진(QR) 플라이백이나 제로 전압 스위칭(ZVS) 플라이백에서처럼 손실 스너버 클램프를 사용하는 대신 ACF 및 AHB 토폴로지는 누설 에너지를 출력으로 재활용할 수 있어 효율성이 더욱 향상된다. 또한 이 두 토폴로지는 저압측 전계 효과 트랜지스터(FET)의 전압 스파이크를 완전히 제거할 수 있어 2차측에서 더 낮은 전압의 동기식 정류기 FET를 사용할 수 있다. 또한 AHB 토폴로지는 두 번째 출력 필터가 필요하지 않아 전체적으로 더 저렴하고 더 작은 솔루션이 된다.

그림 2에서 볼 수 있듯이  LMG3622LMG3624LMG3626 통합 GaN FET는 통합된 '무손실' 전류 감지 기능을 갖추고 있어 전력 손실을 줄여 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 65W ACF의 경우 통합 전류 감지는 10mW 미만의 손실을 유발하는 반면, 기존 전류 감지 방식은 약 170mW의 손실을 유발한다. ACF, AHB 등을 포함하여 전류 모드 제어가 필요한 모든 토폴로지는 이러한 손실 감소로 큰 이점을 얻을 수 있으며 전체 솔루션의 효율성을 더욱 높일 수 있다.

그림 1: ACF AHB 토폴로지

그림 2: 통합 전류 감지 기존 전류 감지 전력 손실 비교

고전력 설계를 위한 토템 PFC 토폴로지

대부분의 경우 70W 이상의 전력 수준에 도달하면 역률 보정(PFC) 단계가 필요하다. 이 단계에서 GaN의 성능을 제대로 활용하려면 그림 3과 같이 토템 폴 PFC 토폴로지를 고려할 수 있다. 브리지 정류기를 제거하면 역회복 손실이 제로이므로 이 토폴로지에서 GaN FET의 가치가 강화된다.

금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)는 바디 다이오드가 있어 역회복 전하가 높아 이 토폴로지에서 사실상 사용할 수 없으며, 실리콘 카바이드(SiC)는 역회복 전하를 약간만 개선하는 데 그친다. 반면 LMG3624는 조정 가능한 회전율을 제공하여 시스템에서 전자기 간섭과 효율성 간의 적절한 균형을 찾을 수 있도록 도와준다.


그림 3: 토템 PFC 토폴로지

QR, ZVS, LLC 부스트 PFC 토폴로지의 저전력 GaN

새로운 토폴로지가 주목받기 시작했지만, 기존 토폴로지와 통합된 GaN을 사용하면 여전히 분명한 이점이 있다. 단일 스위칭 FET를 GaN FET로 교체하기만 하면 효율성과 스위칭 주파수 성능의 향상을 확인할 수 있기 때문에(주로 GaN의 낮은 입력 커패시턴스로 인해 턴오프 손실이 낮아짐) QR 플라이백, ZVS 플라이백 및 기존 부스트 PFC에 GaN을 도입하는 것이 일반화되었다. 또한 LMG3624 GaN FET는 정동작 전류가 낮아 대기 모드에서 이를 더욱 줄일 수 있다. QR, ZVS 및 부스트 PFC 토폴로지는 LMG3624에 통합된 무손실 전류 감지 기능의 이점도 누릴 수 있다.

LLC 공진 컨버터 토폴로지는 수십 년 동안 존재해 왔으며, 노트북 어댑터 및 TV 전원 공급 장치와 같이 USB Type-C 컨트롤러가 출력 전압을 지배하지 않는 고정 출력 전압 애플리케이션에서 널리 사용된다. 또한 LLC 토폴로지는 대부분의 하프 브리지 DC/DC 토폴로지에 비해 변압기 효율이 가장 높다.

마무리

더 작고 효율적인 AC/DC 솔루션에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 소비자들은 휴대성을 높이기 위해 더 작은 어댑터를 선호한다. 산업 환경에서는 그래픽 처리 장치의 전력 소비가 증가함에 따라 고효율 전원 공급 장치(PSU)가 PC에 필수적인 요소가 되고 있다. 더 얇아진 PSU는 또한 더 슬림한 하이엔드 TV를 위한 길을 열어주고 있다. LMG3624의 다기능성은 이 문서에서 언급된 모든 토폴로지에 통합할 수 있는 기능과 이점을 제공하여 이러한 애플리케이션의 요구 사항을 충족하는 데 도움이 된다.

참고자료

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