Switched – Mode Power Supply

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 SMPS를DC-DC 컨버터라고 부르기도 한다.

3. SMPS의종류 절연상태 종류 상태 Buck Converter Vi>Vo Nonisolated Boost Converter Vi<Vo Buck-Boost Vi>(or <)Vo Flyback <200W Isolated 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 • 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 • 전 전하가 0이므로 단락상태와 같기 때문에 흐르는 전류이다. • 돌입전류 제한 방법 • (1) 저항 • R은 보통 cement 저항 사용 • 문제점 : 정상 동작시R*Iin2손실로 인한 R에서의 발열  R을 줄이면 돌입전류가 증가한다.

13. (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 W정도) • 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. 실제VDS,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. Vo상승  A1출력 감소  optocoupler 베이스 감소  PWM IC A2의 비반 전단자 전압 감소(VC3)  A2출력 증가  IC Comparator duty 감소 Vo감소

22. Vo상승  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=RC시정수로 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

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 --> C1충전(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 --> R6전압 증가 • KA3842내부의 Vfb낮아짐 --> Duty가 감소 --> Vout 감소 • 2차측 전압이 낮아질때는 이와 반대로 동작하게 되어 전체적으로 Regulation이 이루어 지게 되는 것이다.

35. BLOCK DIAGRAM Description The FAN7554 is a fixed frequency current mode PWM Control IC Rt/Ct Vref Vcc 3.5V R Q - Features + UVLO • 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 + S S Q R S Q R - 15V/9V Vref S/S - OSC CLK MAX. 1V PWM OUT 2R FB 1mA Applications R 2 4 5 1 8 7 3 6 Vref Offset(0.1V) • General Off-line SMPS • SMPS for VCR, Adaptor and OA equipment • DC to DC converter Vref I S OCP + 100uA - 2V. GND off OCP-out UVLO-out PWR / SAVE on 1k 0.3V - + + － 14V 1.5V Vcc 5uA + OLP 6V - + Off-Line PWM Control IC (FAN7554)

36. BLOCK DIAGRAM Description The FAN7556 is a fixed frequency voltage mode PWM Control IC VCC CT 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 Com. LA + S Q R UVLO - 2V + Vref / Bias - Vref 15V/9V 100uA S/S OSC Vcc 14V CLK PWM + OUT 5uA - 2.5V - FB 1mA R OCP Vref 0.25V - Applications I S OLP + + 2 4 8 5 3 1 7 6 - 6V Com.-out • General Off-line SMPS • SMPS for VCR, Adaptor and OA equipment • DC to DC converter UVLO-out GND PWR / SAVE R Q S Off-Line PWM Control IC (FAN7556)