대기전력 0.005W의 5V/1A 전원 회로 제작 방법

게재월 | 2014 - 05 조회162562 추천0

목록으로 글자확대하기 글자축소하기

타이머, 리모컨 기능이 있는 장치에 적합하며  24시간, 365일 전원을 계속 넣지 않아도 걱정 없다!


대기전력(대기전력)은 가전 제품이나 정보기기 등의 전원을 꺼도 콘센트에 꼽혀 있는 것만으로 소비되는 전력이다. 대기 중에는 가동을 준비하고 있는 부품이 전력을 소비한다. 대기전력은 크게 다음과 같은 3종류로 분류할 수 있다.

① 리모컨 수신기의 지시 대기에 의한 전력 소비

② 메모리, 내장 시계, 시계 표시 등의 기능 유지를 위한 전력 소비

③ 스마트폰, 휴대전화 등의 AC 어댑터 접속에 의한 전력 소비

여기서는 대기전력의 저손실화를 위한 전원회로 방식, 제어 방법, 설계 포인트에 대해 검토한다. 제작한 전원회로는 그림 1, 그 전력 특성은 그림 2와 같다.


▲ 그림 1. 대기 기능을 가진 가전기기의 전원회로 (AC 입력 5W 출력. 그림 7에 나타난 2차 측 검출 제어 전원회로와 비교하면

2차 측 정전압회로를 삭제할 수 있다는 것을 알 수 있다)


▲ 그림 2. 그림 1에 나타난 전원회로의 전력 특성 (무부하 시 전력은 제로 대기라고 할 수 있는 5mW 이하를 만족시킨다)


제작 방법 ① : 주전원과 보조전원으로 나눈다


그림 3은 가전기기 등의 대기 기능을 가진 장치의 전원 회로이다. 주전원과 보조전원 2회로로 구성되는 보조 전원 방식이다. 대기전력은 보조전원과 그 부하에 의한 전력 로스를 가리킨다.


▲ 그림 3. 대기 기능을 가진 장치의 전원회로 블록

(주회로 구동용 주전원 회로와 제어 마이컴, 리모컨 수광 회로와 같은 대기 부품용 보조전원 회로로 구성되어 있다)


1. 주전원 … 스위치 ON일 때 주회로에 전력을 공급한다

주전원은 전원 ON일 때 주회로에 전력을 공급하고 OFF일 때(대기 시) 회로 동작을 정지시킨다. 출력은 액정 TV의 경우 LED 백라이트나 오디오 등에, 에어컨의 경우 모터 부하 등에 전력을 공급한다.

주전원의 구동 전력은 50W 전후로 크기 때문에 경부하 시의 드라이버나 레귤레이터, 스너버 회로, 파워 소자 등의 손실이 커진다.


2. 보조전원 … 대기 시 고효율로 전력을 공급한다

보조전원은 전원이 OFF일 때(대기 시)에도 동작하며 제어 마이컴, 리모컨 수신 회로 등에 전력을 공급한다. 소전력용 부품을 사용하므로 경부하 시의 손실은 비교적 작다. 경부하로 되는 대기 시에는 주전원 회로에 전력을 공급하지 않도록 떨어뜨리게 되어 보조전원 회로만 동작하므로 적은 전력만 공급하면 된다.

전원이 ON일 때에는 리모컨 명령으로 주회로 전원을 동작시켜 장치의 주회로에 전력을 공급한다.

대기 시의 전력 손실은 보조전원 회로 자체에서의 손실과 그 부하가 되는 제어 마이컴, 리모컨 수광 회로 등의 전력 소비분을 합한 손실이 된다. 대기 시의 전력 손실을 개선하는 데에는 저손실 전원회로 방식이나 제어 방법, 저소비전류 마이컴이 필요하다.


대기전력 측정 방법


대기전력 측정 시 측정기 접속에는 주의가 필요하다. 계기 손실이 측정값에 영향을 미치기 때문이다. 전력 측정에는 그림 A와 같은 접속 방식이 있다.


▲ 그림 A. 계기 손실이 포함되지 않은 (b) 접속으로 측정한다


그림 A(a)의 경우, 전력계의 전류 측정 회로는 입력 저항의 수MΩ에 의한 수mW 계기 손실을 포함하여 측정한다.

대기전력이 적은, 즉 측정 전류가 작은 경우 그림 A(b)와 같은 결선 방식으로 측정한다. 전압 측정 회로(입력 저항)를 전류 측정 회로에서 AC 입력 측에 접속하면 실제 기기에 흐르는 전류를 바르게 측정할 수 있다. 간헐 발진 동작 전원에서는 전력계 측정 전류가 반복 간헐 신호로 되므로 전류값 변동이 크고 안정적인 특정 측정이 어려워진다. 이 경우, 곱셈 기능이 있는 전력계를 사용하면 안정적인 대기전력을 평가할 수 있다.


제작 방법 ② : 경부하일 때의 스위칭 횟수를 줄인다


표 1은 보조전원 회로의 주요 방식을 정리한 것이다. 전원 트랜스를 사용한 리니어 전원과 고주파 트랜스를 사용한 스위칭 전원 방식이 있다.


▲ 표 1. 보조전원 회로의 주요 방식


리니어 전원 방식은 AC 입력 전압을 전원 트랜스로 강압한 전압을 정류 평활하고, 시리즈 레귤레이터를 거쳐 출력을 공급하는 방식이다. 얼마 전까지 주류였다. 회로는 그림 4와 같이 간단한 구성으로 되어 있다.


▲ 그림 4. 보조전원 회로 ① … 리니어 전원 방식

(구성은 간단하지만 1차 측 권선에 의한 전력 손실을 억제하기

위해 트랜스가 크고 무거워진다. 소형화가 요구되는 오늘날에는

부적합하다)


전원 트랜스의 1차 측 권선은 AC 입력 전압에 접속되어 상시 여자된다. 이 여자 전류에 의한 전력 손실은 저손실화하더라도 100mW 정도 발생한다. 여자 전류를 억제하여 전력 손실을 개선할 수도 있지만, 전원 트랜스가 크게 무거워지므로 최근의 저소비 보조전원 회로로는 부적합한 방식이다.

스위칭 전원 방식은 리니어 전원 방식과 마찬가지로 AC 입력 전압을 정류 평활하고, 그림 5와 같이 스위칭 회로에서 출력을 공급하는 방식이다. 플라이백 컨버터의 파워 소자 제어 방법에 의해 주파수 저감 방식과 간헐 발진 방식이 있다. 각각 출력 전압의 안정화 검출 방법에 따라 2차 측 검출과 1차 측 검출로 나눌 수 있다. 주로 사용되는 것은 스위칭 전원의 간헐 발진 방식이다.


▲ 그림 5. 보조전원 회로 ② … 스위칭 전원 방식 (스위칭에 의해

높은 주파수에서 여자시키기 위해 트랜스를 작게 할 수 있다)


1. 스위칭 주파수 저감 방식

파워 소자의 스위칭 주파수를 연속적으로 저감시킴으로써 효율을 개선하는 방식이다. 스위칭 주파수 저감의 동작 원리는 대기 경부하 상태가 되더라도 스위칭 동작이 일정한 스위치 ON 기간(혹은 일정한 스위칭 피크 전류)을 강제적으로 발생시킴으로써 부하에 대응하는 피드백량으로 스위치 OFF 기간을 조정한다.

그림 6(b)와 같이 부하전력이 작아진 경우, 스위칭 동작의 OFF 기간을 길게 하면 스위칭 주파수가 저하된다. PWM 방식 스위칭 전원에 대해 스위칭 로스에 의한 소비전력을 대폭 줄일 수 있다. 항상 출력에 대응하여 스위치 OFF 시간을 피드백 제어하고 있으므로 출력 전압의 레귤레이션은 양호하다.


▲ 그림 6. 스위칭 전원 방식의 동작 파형 (스위칭 횟수를 줄여

경부하 시의 스위칭 로스를 줄였다. 울림이 없는 간헐 발진

방식이 일반적이다)


그러나 스위칭 동작 주파수가 가청 주파수 대역까지 떨어지면 스위칭 트랜스에서 ‘삐-’ 혹은 ‘지-’하는 울림이 발생한다. 이것은 트랜스에서의 자속 변화에 의한 자왜음(磁歪音)이다. 대책으로는 트랜스의 함침이 유효하지만 자왜음을 100% 흡수하지는 못한다. 

특히, 가전제품 대기 동작 시에는 주기능이 OFF되어 있으므로 야간 등 조용한 곳에서는 들린다.(2)


2. 간헐 발진 방식

스위칭 전원의 파워 소자 스위칭 동작을 일정 기간 계속하고, 이어서 일정 기간 스위칭 동작을 정지시키는 것을 반복하여 간헐 발진 동작하는 방식이다.

일반적인 동작에서의 높은 스위칭 주파수(65kHz 등)보다 단위시간당 스위칭 횟수를 줄임으로써 스위칭 손실을 줄여 대기 시 전원 효율을 개선한다. 그림 6(c)와 같이 부하전력이 작아지면 발진 정지 기간이 길어져 소비전력을 대폭 줄일 수 있다.

출력 전압에 리플이 발생하지만 앞서 설명한 스위칭 주파수 저감 방식에 비해 트랜스의 자왜음이 발생하기 어려우므로 일반적으로 널리 사용되고 있는 방식이다.


제작 방법 ③ : 1차 측 전압 검출 방식으로 한다


간헐 발진 방식에는 2차 측 검출 제어와 1차 측 검출 제어의 2종류가 있다. 각각의 대기전력 실력을 확인한다. 

측정 결과, 2차 측 전압 검출 방식의 대기전력 10mW 전후에 대해 1차 측 전압 검출 방식은 3.3mW로 작아진다는 것을 알 수 있었다.


1. 2차 측 검출 제어 회로로 대기전력 측정

(1) 회로 구성

측정에 사용한 회로를 그림 7, 기판을 사진 1에 나타낸다. 회로 구성은 주회로의 저소비전력화를 위해 입력 라인 필터를 정류 뒤에 구성했다. 그리고 노이즈 대책을 더 강화하기 위해 트랜스를 실드 구조로 하는 방법도 있다. 


▲ 그림 7. 대기전력을 측정해 본다 … 측정 타깃은 2차 측 검출 제어의 전원 회로 (AC 입력 5W 출력)


▲ 사진 1. 그림 7의 전원회로


션트 레귤레이터는 저소비 타입을 사용했다. 전원 트랜스 권선의 사양은 표 2, 구조는 그림 8과 같다.


▲ 표 2. 그림 7에 나타난 전원회로의 트랜스 권선 사양


▲ 그림 8. 그림 7에 나타난 전원회로의 트랜스 권선 구조


(2) 전원 IC STR4A162의 동작

STR4A162의 주요 사양을 표 3에, 각 단자 기능을 표 4에 정리했다. 고내압 파워 MOSFET과 전류 모드형 PWM 제어 IC를 하나의 패키지에 내장한 스위칭 전원용 파워 IC이다. 낮은 대기전력을 실현하기 위해 저소비형 기동 회로가 내장되었으며, 경부하 시에는 간헐 발진 동작으로 자동 전환된다.


▲ 표 3. 2차 측 검출 제어용 전원 IC STR4A162D의 주요 사양


▲ 표 4. 전원 IC STR4A162D의 단자 기능


과전류 보호(OCP), 과부하 보호(OLP), 과전압 보호(OVP), 과열 보호(TSD) 등 풍부한 기능을 내장하고 있으며 센스 MOSFET을 내장하고 있어 외장 검출 저항은 필요 없다. 외장 부품이 적으므로 상수를 조정하는 수고도 적어진다.

(3) 스위칭 파형

그림 9는 무부하 시 파워 소자의 스위칭 동작 파형을 나타낸 것이다. 간헐 발진 동작에 의해 연속 발진 기간(스위칭 주파수 65kHz)을 짧게, 정지 기간을 길게 함으로써 단위시간당 스위칭 횟수를 적게 하여 손실을 줄일 수 있다는 것을 확인했다.


▲ 그림 9. 그림 7에 나타난 전원회로의 무부하 시 스위칭 파형

(4ms/div. 입력 AC100V)


발진 기간의 주파수가 가청 주파수 대역이 아니므로 트랜스에서의 자왜음이 낮게 억제되었다. 그림 10은 정격 출력 시의 스위칭 파형을 나타낸 것이다.

▲ 그림 10. 그림 7에 나타난 전원회로의 정격 출력 시

스위칭 파형 (4㎲/div. 입력 AC100V, 출력 5V·1A)


(4) 전력 특성 … 대기전력은 5mW 이하로 하기 어렵다

그림 11은 스탠바이 전력 특성을 측정한 결과이다. 무부하 시 전력은 AC100V일 때 7.60mW가 되었다. 또한 소비전력을 줄이는 방법으로, Vref가 낮고 최소 캐소드 전류가 작은 션트 레귤레이터를 사용하는 것을 들 수 있다.


▲ 그림 11. 그림 7에 나타난 전원회로의 전력 특성


무부하 시 전력은 10mW를 밑돌기 때문에 기존의 대기전원과 비교하면 충분히 저소비라고 할 수 있다. 그러나 입력 전력 < 5mW의 경우 2차 측 전압 검출 제어 방식으로는 어려울 것이다.

2차 측 검출 제어 방식의 경우, 2차 측 회로에 정전압 회로가 필요하다. 이 정전압 회로는 전압을 검출하는 손실과 정전압을 확보하기 위한 손실이 발생하며, 2차 측 검출 제어 방식으로는 대기전력 10mW 전후가 된다.

이 과제를 해결하는 방법으로 2차 측 회로의 정전압 회로를 필요로 하지 않는 1차 측 검출 제어 방식이 있다.


2. 1차 측 검출 제어 회로로 측정

(1) 회로 구성

이번에 평가한 전원회로도는 그림 1, 외관은 사진 2와 같다. 회로 구성은 앞서 설명한 2차 측 제어 방식과 비교하기 위해 같은 사양으로 했다. 2차 측의 정전압 회로가 없으므로 비교적 적은 부품으로 구성되어 있다.


▲ 사진 2. 그림 1의 전원 회로


1차 측 FB 신호를 검출하기 위해 슬럼프 스너버 회로로 다이오드 보조 스위치 회로를 사용했다. 이번에 2차 측 보호용 제너 다이오드는 사용하지 않았다.

트랜스의 권선 사양은 표 5, 구조는 그림 12와 같다. 1차 측 검출 방식에서는 보조 권선 전압 VD를 저항 분압하고 FB 단자에 입력하여 제어함으로써 정전압 출력을 제어했다.


▲ 표 5. 그림 1에 나타난 전원회로의 트랜스 권선 사양


▲ 그림 12. 그림 1에 나타난 전원회로의 트랜스 권선 구조


(2) 회로 동작

그림 13은 1차 측 검출 방식의 동작을 나타낸 것이다. 파워 MOSFET 드레인-소스 간 전류 파형 IDS, 2차 측 정류 다이오드 전류 파형 IDout, 보조 권선 전압 파형 VD는 그림 13(b)와 같은 관계가 된다. 


▲ 그림 13. 1차 측 검출 방식의 동작


보조 권선 전압 VD 파형은 파워 MOSFET의 VDS 파형에 따라 다르므로, 그림 13(a)와 같이 1차 측 권선 사이에 다이오드 보조 스위칭 회로를 추가하여 VD 파형의 서지를 억제하고 파형을 정형해야 한다.

파워 MOSFET이 OFF되면 트랜스에 비축된 에너지를 2차 측에 공급하고, 2차 측 정류 다이오드에는 전류 IDout이 흐른다. 에너지를 방출한 후에도 파워 MOSFET은 계속 OFF되며 보조 권선 전압은 자유 진동한다. 자유 진동 기간의 2차 측 정류 다이오드 전류 IDout은 제로가 된다. 보조 권선 전압 VD는 다음 식과 같다.



여기서 ND는 보조 권선[턴], NS는 2차 측 권선[턴], Vout은 출력 전압[V], VF는 2차 측 다이오드의 순방향 전압[V]이다.

전원용 IC STR5A164는 그림 13(b)와 같이 보조 권선 전압 VD 파형의 어깨 전압을 샘플링하고 있다. 보조 권선 전압 VD 파형의 어깨 전압 종료 부분, 즉 2차 측 정류 다이오드가 더 이상 흐르지 않는 부근을 검출함으로써 2차 측 정류 다이오드에 흐르는 전류의 변화가 작은 부분에서 검출할 수 있다. 부하전류의 변동에 대해 순방향 전압 VF의 변동이 적어 출력 전압을 일정 전압으로 제어하고 있다.

(3) 전원 IC STR5A164

STR5A164의 주요 사양을 표 6, 각 단자 기능을 표 7에 나타낸다. STR5A164는 고내압 파워 MOSFET과 1차 측 검출 방식의 전류 모드형 PWM 제어 IC를 한 소켓에 내장한 스위칭 전원용 파워 IC이다. 낮은 대기전력을 실현하기 위해 저소비형 기동 회로를 내장하고, 경부하 시에는 간헐 발진 동작으로 자동 전환된다.


▲ 표 6. 1차 측 검출 제어용 전원 IC STR5A164D의 주요 사양


▲ 표 7. 전원 IC STR5A164D의 단자 기능


경부하 시 효율을 향상시키기 위해, 부하에 따라 PWM 발진 주파수를 낮추고 MOSFET의 스위칭 손실을 경감시키는 그린 모드 기능도 내장했다. 

또한 센스 MOSFET을 내장하여 외장 검출 저항이 필요 없으며 과전류 보호(OCP), 과전압 보호(OVP), 과열 보호(TSD) 등 풍부한 기능도 내장했다.

(4) 스위칭 파형

그림 14는 무부하 시 파워 소자의 스위칭 동작 파형을 나타낸 것이다. 스위칭 동작은 간헐 발진 동작으로 되어 있다는 것을 확인할 수 있다.


▲ 그림 14. 그림 1에 나타난 회로의 무부하 시 스위칭 파형

(4ms/div. 입력 AC100V)


그림 15는 정격부하 시의 스위칭 동작이다. 그림 10에 나타난 2차 측 검출 방식에 비해 턴 오프 직후 드레인 전압 파형의 서지 전압이 다이오드 보조 스위치에 의한 스너버 회로로 억제되고 있다.


▲ 그림 15. 그림 1에 나타난 전원회로의 정격 출력 시 스위칭 파형

(4㎲/div. 입력 AC100V, 출력 5V·1A)


그림 16은 보조 권선 전압과 FB 단자 입력 전압 파형이다. FB 단자 파형도 문제없이 턴 오프 시의 서지 전압분이 제거되어 있다.


▲ 그림 16. 그림 1에 나타난 전원회로의 1차 전압 제어 파형

(4㎲/ div. 입력 AC100V, 출력 5V·1A)


(5) 전력 특성

그림 2(a)는 대기전력 특성을 측정한 결과이다. 무부하 시의 전력은 AC100V일 때 3.30mW로 되어 제로 대기라고 할 수 있는 5mW를 밑돌았다(‘5mW 미만으로 할 수 있다면 규격상 ‘제로’라고 해도 된다’ 부분 참조). 그림 2(b)는 변환 효율 특성을 나타낸 것이다.

1차 측 검출 제어로 하여 2차 측 정전압 회로를 삭제함으로써 5mW 미만이 되었다. 그러나 출력 전압은 보조 권선을 통해 제어되므로, 출력 전압을 직접 제어하는 2차 측 검출에 대한 트랜스 조정이 어렵다. 멀티 출력 전압 용도 등에 대해서는 2차 측 검출 방식이 적합하다고 할 수 있다.


5mW 미만으로 할 수 있다면 규격상 ‘제로’라고 해도 된다


국제규격 IEC62301에서는 대기전력의 실측값이 5mW 미만일 경우 ‘제로’라고 간주한다. 이것은 ‘제로 대기’라고 불리며 주목 받고 있다. 가정 한 세대당 대기 시 소비전력량은 평균 285kWh/년이며, 전체 소비전력량(4734kWh/년)의 6.0%나 차지하고 있어 저감이 요구되고 있다.(1)


제작 방법 ④ : 스위칭 회로 이외의 연구


대기 회로의 손실을 낮추려면 파워 소자의 스위칭을 줄임과 동시에 회로상수나 부품 선정 등 깊이 있는 설계가 필요하다.

 

1. 위상보정 회로의 구동 전류를 줄인다

그림 17과 같이 스위칭 전원의 일반적인 위상 보정 회로에는 션트 레귤레이터를 사용하고 있어 최소 캐소드 전류가 필요하다. 


▲ 그림 17. 연구 1 … 스위칭 전원 위상 보상 회로에서의

로스를 줄인다 (션트 레귤레이터 구동 전류를 제한했다)


이 전류는 일반적으로 바이어스 전류를 1mA 정도로 하며 이것이 손실로 된다. 최소 캐소드 전류가 작은 저소비 션트 레귤레이터를 사용하면 손실을 줄일 수 있다.

표 8은 대표적인 션트 레귤레이터의 캐소드 전압값을 정리한 것이다. 위상 보정 회로에서 출력 전압 검출의 저항 손실이 작아지도록 한다.


표 8. 주요 션트 레귤레이터의 종류와 사양


2. 입력 라인 필터 회로의 로스를 줄인다

그림 18은 입력 라인 필터 회로이며 코먼 모드 초크 코일, X 콘덴서, 방전 저항으로 구성되어 있다. 이 방전 저항에 의해 전력 손실이 발생한다.


▲ 그림 18. 연구 2 … 입력 라인 필터 회로에서의 로스를 줄인다

( X 콘덴서가 0.1㎌을 넘을 경우, 방전 저항이 필요하다. 0.1㎌

이하로 하면 대기전력을 줄일 수 있다)


전기용품안전법 등의 안전 규격에서는 전원 플러그를 꼽는 다리 쪽에서 본 회로의 종합 정전용량이 0.1㎌을 넘는 용량의 콘덴서를 넣을 경우, 방전 저항을 넣어 잔류 전압을 낮춰야 한다(전기용품안전법의 잔류 전압 측정 시험에서는 기기에 정격전압을 가하여 피크 전압에서 기기를 전원으로부터 떼어내고 나서 1초 후 플러그 다리 사이의 전압이 45V 이하인지 확인한다).

0.1㎌ 이하에서는 감전 위험이 없다고 간주되므로 방전 저항을 떼어낼 수 있다. X 콘덴서 용량을 0.1㎌ 이하로 되도록 입력 라인 필터를 구성하면 방전 저항에 의한 전력 손실을 없앨 수도 있다.



嶋田 雅章


本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는 「トランジスタ技術」誌와의 著作權 協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

목록으로

게재월 | 2014 - 05 조회 162562 추천 0

기사 미리보기