Switched – Mode Power Supply

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1 Switched – Mode Power Supply
Topology of SMPS Feedback Network IC 주변회로 KA3842 FAN7554 / FAN7556

2 1. Topology of SMPS SMPS(Switched-Mode Power Supply)는 전력용 트랜지스터등 반도체
소자를 스위치로 사용하여 직류 입력전압을 일단 구형파 형태의 전압으로 변환한 후 필터를 통하여 제어된 후 직류 출력전압을 얻는 장치이다. 이 때 직류 출력전압의 제어는 스위치의 ON, OFF기간을 제어함으로써 이루어진다. SMPS의 동작은 직류(입력)에서 직류(출력)로의 변환(DC- DC Conversion)을 기본으로 하고 있으므로 SMPS를 DC-DC 컨버터라고 부르기도 한다.

3 SMPS의 종류 절연상태 종류 상태 Buck Converter Vi>Vo Nonisolated
Boost Converter Vi<Vo Buck-Boost Vi>(or <)Vo Isolated Flyback <200W Forward <300W Push-pull <500W Half-Bridge <1kW Full-Bridge <2kW

4 Buck( Step-down ) Converter
Vin > Vo , Vo = DVin

5 Boost( Step-up ) Converter
Vin < Vo , Vo = Vin/(1-D)

6 Buck - Boost( Up - Down ) Converter
Vin >(or <) Vo , Vo = DVin/(1-D)

7 Flyback Converter

8 2. Feedback Network - Vo만 검출하므로 Dynamic Response가 느리다.
Voltage Mode Control - Vo만 검출하므로 Dynamic Response가 느리다. - Compensation Network 복잡(Z1과 Z2가 복잡)하다. - Saw Tooth Wave의 frequency에 의해 switching frequency가 결정된다. - KA7500(OP Amp 2개) Current Mode Control - Vo 및 iL을 검출하므로 dynamic response가 빠르다. - Compensation Network가 간단하다. - OSC에 의해 switching frequency가 결정된다. - KA 3842

9 Voltage mode control

10 Current Mode Control

11 3. IC 주변회로 Inrush Current Snubber circuits Optical Coupler Soft Start

12 Inrush Current 전원 스위치를 turn-on 했을 때 초기 상태에서는 평활 콘덴서의 충 돌입전류 제한 방법
전 전하가 0이므로 단락상태와 같기 때문에 흐르는 전류이다. 돌입전류 제한 방법 (1) 저항 R은 보통 cement 저항 사용 문제점 : 정상 동작시 R*Iin2 손실로 인한 R에서의 발열  R을 줄이면 돌입전류가 증가한다.

13 저항 R자리에 NTC( Negative Temperature Coefficient ) 삽입
(2) Power Thermistor 저항 R자리에 NTC( Negative Temperature Coefficient ) 삽입 NTC : 저온시에는 큰 저항값을 나타내고 온도가 상승함에 따라서 낮은 저항이 된다. 문제점 : NTC의 온도변화보다 빠른 속도로 전원 스위치를 ON/OFF 시 보호기능이 떨어진다.

14 (3) Thyristor Bridge diode 1) --> R --> Cin 2) --> SCR--> Cin R은 비교적 큰 값( 50 W 정도) 단점 : 가격이 비싸다.

15 Snubber Circuits 스위칭 MOSFET이 turn-off한 순간의 급격한 드레인-소스간의 전압의 상승을 방지하고 MOSFET의 드레인-소스간 전압이 안전동작영역에 들어가도록 함과 동시에 외부로 나가는 필요없는 잡음을 감소시키는 동작을 한다. 실제 VDS,peak = Vin+VLl1+(N1/N2)Vo+(N1/N2)VLl2 Vo'L = VLl1+(N1/N2)VLl2 여기서 VLl1 : 1차측 누설 인덕터 전압 VLl2 : 2차측 누설 인덕터 전압

16 (1) Voltage Clamping Snubber(Trans Snubber)
이 회로는 콘덴서 C의 전압이 항상 높은 레벨로 충전되어 있기 때문에 스위칭 MOSFET의 드레인 전압의 상승부분에는 전혀 효과가 없고, 드레인 전압이 콘덴서 C의 전압값보다도 높아진 순간에만 효과가 있다. C가 클수록 DVc가 줄어들고 Vcp 도 줄어든다. Vc,ave조정은 저항 R로 한다. 저항이 작으면 전압은 낮아지지 만 저항 소비전력이 증가한다. PR = VC2 / R

17 (2) R. C. D Snubber(충방전형 RCD Snubber)
스위칭 MOSFET의 turn-off한 순간, 콘덴서 C와 다이오드 D로 전류가 흘려서 MOSFET의 드레인-소스간의 전압 상승 속도를 떨어지게 한다. 스위칭 MOSFET이 turn-on한 순간 콘덴서의 C의 전하를 저항 R을 통해 급속히 방전한다. PR=1/2 C Vcp2 fs

18 Optical Coupler Optocoupler는 다이오드의 순방향 전류 IF에 의해 발광하고, 이 발광이 phototransistor의 베이스에 인가되어 컬렉터 전류 IC를 흘리게 한다.

19 2차측 출력전압을 일정하게 하기 위해 트랜지스터의 Q1의 duty를 가변하는 regulation 회로이다.
주요 구성 회로 드라이브 회로 : Baker clamp, speed up 콘덴서 증폭기 A1 : 2차측 출력전압의 변동을 검출하여 오차 증폭 Optocoupler : 출력전압 변동을 PWM IC로 전달 PWM IC : 트랜지스터 Q1의 duty 가변 오차 증폭기 A2와 PWM 비교 기 내장

20 Vo 상승  A1 출력 감소  optocoupler 베이스 감소  PWM IC A2의 비반
전단자 전압 감소(VC3)  A2 출력 증가  IC Comparator duty 감소 Vo 감소

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22 Vo 상승  TL431의 VREF 상승  optocoupler 베이스 증가 
PWM IC A2의 비반전단자 전압 증가(VC3)  A2 출력 감소  IC Comparator duty 감소  Vo 감소

23 Soft Start

24 Soft start 회로는 보통 RC network로 구성되어 있다. 전원이 막 turn-on하는
시점에서는 콘덴서 C는 0V로 되어 있어 D1을 통해 Error Amp.의 출력은 0V 로 되어 있다. t=0+시점에서 콘덴서 C는 Vref로부터 t=RC 시정수로 충전되어지고 C가 완전 히 충전되어지면 D1은 역바이어스 된다. 그 결과 콘덴서 C의 충전 기울기에 따라 Error Amp. 의 출력이 점점 증가함으로써 soft start를 형성할 수 있다. D2는 콘덴서 C의 빠른 방전을 위함이다.

25 4. KA3842 1. 제품개요 KA3842은 고정 주파수 방식의 Current-Mode PWM Control IC이다.
Current-Mode Control IC는 기존의 Voltage-Mode Control IC보다 Control Loop를 설계하기가 간단하면서도 Line Regulation과 부하응답 특성이 훨씬 좋다. FEATURES Under Voltage Lockout with Hysteresis Low Start-Up Current Current - Mode Operation to 500KHz High Current Totem Pole Output Optimized for Off - Line Converter Pulse - By - Pulse Current Limiting

26 2. Block Diagram

27 3. Under Voltage Lockout UVLO회로는 제어회로의 안정된 동작을 보장하기위해 Vcc전압이 일정전압 이하일때는 동작을 멈추고 일정 전압(16V) 이상일 때 제어회로가 동작을 시작하도록 한다. 6V의 Hysteresis는 IC의 기동을 쉽게 작용을 한다. IC는 동작하기 전까지는 작은 전류(Start-Up 전류, 1mA 이하)를 소비하도록 설계되어 있다. 기동저항을 통해서 1mA이하의 작은 전류만이 흘러 들어 오도록 설계하여 Vcc를16V까지 충전한 후 동작을 시작하면 Vcc전압이 10V까지 방전하기 전까지는 IC가 계속 동작을 할 수 있다. 이 시간동안에 출력전압을 상승시켜 Vcc에 연결된 권선을 통해 IC의 동작전류를 공급 받도록 하면 IC는 계속해서 동작을 할 수 있다.

28 4. Current Sense Circuit Mosfet의 전류가 Feedback 전압에 비례하여 제어회로가 동작한다. Mosfet을 turn-on시키고 Current Sense 비교기는 Mosfet 전류가 Vfb에 비례하는 일정한 값이 되면 다시 turn-off시키는 동작을 반복하게 된다.

29 5. Oscillator

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31 6. Shutdown Technique 첫번째 방법은 Pin3을 1V 이상으로 올리는 것이고, 두번째는 Pin1을 1V 이하로 내리는 것이다. 두 방법은 PWM Comparator의 Output을 High 상태로 가게끔 한다. PWM latch는 Reset Domainant가 되어 첫번째 Clock Pulse가 Pin 1 또는 Pin 3에서 Shutdown Signal을 제거할 때까지 Output을 Low로 남게할 것이다.

32 7. 동작 설명

33 1) Start 동작 기동저항 R1 --> C1 충전(start current 1mA이하) -->VC1(16V) --> Mosfet Q1 Turn-on KA3842의 동작으로 소비전류는 17mA가 되어 기동저항 R1을 통해 공급받던 C1의 양단전압은 점차 떨어지기 시작하며, 이 전압이 Off Voltage인 10V에 도달 하기 전에 1차측의 권선 d1의 전압이 KA3842의 Vcc를 공급해 준다. 2) 정상 동작 Q1이 On 시간 동안, Transformer 2차측의 모든 Diode각 역 Bias되고 어떤 에너지도 전달되지 못한다. Transformer 1차측 전류는 Sensor저항 R2에 의해서 감지되고, KA3842 내부에 고정된 1V Reference 전압과 비교된다. 감지된 전압이 이 Level에 도달할때, Q1은 Turn-off되고 Transformer 2차측 Diode가 순방향 Bias되어 2차측으로 에너지를 전달한다.

34 3) Feedback 출력전압 Vout이 저항 R4,R5에 의해 분배되고, 이 분배된 전압이 Error Amp인Shunt Regulator TL431의 Reference단자에 인가되며, 이 전압과 IC 내부의 2.5V 기준전압과의 차이에 의해 Cathod로부터 Anode로 흐르는 전류를 제어한다. 이 흐르는 전류가 Photo Coupler를 통해 1차측으로 전달되고 저항 R6의 전압으로 변환되어 KA3842의 F/B단자(Pin2) Feedback 된다. Vout 증가 --> Photo Coupler 전류 증가 --> R6 전압 증가 KA3842내부의 Vfb 낮아짐 --> Duty가 감소 --> Vout 감소 2차측 전압이 낮아질때는 이와 반대로 동작하게 되어 전체적으로 Regulation이 이루어 지게 되는 것이다.

35 Off-Line PWM Control IC (FAN7554)
BLOCK DIAGRAM The FAN7554 is a fixed frequency current mode PWM Control IC Description Features Supply Voltage : 30V Low start-up current : Typ. 0.1mA / Max. 0.2mA Low Off-state current : Typ. 0.2mA/ Max. 0.4mA Simple Feedback structure with delayed shutdown Current Mode PWM Control Various Protection Function : OVP, OLP, OCP Wide Operating Frequency up to 500kHz Remote On/Off Control 8DIP, 8SOP Applications General Off-line SMPS SMPS for VCR, Adaptor and OA equipment DC to DC converter OSC 6 7 1 5 4 3 8 FB Rt/Ct Vref Vcc OUT GND I S 2 S/S - + 1.5V 3.5V － 0.3V 14V 15V/9V UVLO OCP 2V. OLP 6V OCP-out 5uA R Q Offset(0.1V) PWM MAX. 1V 2R UVLO-out S CLK PWR / SAVE on off 1k 100uA 1mA

36 Off-Line PWM Control IC (FAN7556)
BLOCK DIAGRAM The FAN7556 is a fixed frequency voltage mode PWM Control IC Description Features Supply Voltage : 30V Low start-up current : Typ. 0.1mA / Max. 0.2mA Low Off-state current : Typ. 0.2mA/ Max. 0.4mA Auto Restart Function Voltage Mode PWM Control Various Protection Function : OLP, OCP Wide Operating Frequency up to 500kHz Remote On/Off Control 8DIP, 8SOP Applications General Off-line SMPS SMPS for VCR, Adaptor and OA equipment DC to DC converter LA OSC 5 6 2 4 7 3 1 FB CT VCC OUT GND I S 8 S/S - + 15V/9V UVLO OLP 6V UVLO-out R Q S CLK PWR / SAVE Vref / Bias Vref 100uA 1mA Com.-out OCP 14V 2V Com. PWM 0.25V Vcc 5uA 2.5V