절연 전원 공급 장치 대 비절연 전원 공급 장치: 실패 없는 올바른 선택

PCB 설계자로 일하다 보면 설계에 어떠한 규제 요구 사항을 적용받는 때가 올 수 있습니다. 의료, 자동차, 군사 등 그 분야가 무엇이든 설계는 결국 면밀히 검토되고 매우 높은 표준을 준수하게 될 수 있죠. 이러한 규정이 적용되면 많은 경우 전력 절연(또는 전력 절연 부족)이 갑자기 매우 인기 있는 화제가 됩니다.

전력 절연이란 무엇이며 절연 전원 공급 장치란 무엇일까요? 전력 절연이란 기본적으로 말 그대로 전원 공급 장치를 시스템의 나머지 회로와 절연하는 것입니다. 이는 전력 시스템에서 흔히 볼 수 있는 조치이며, 그럴 만한 이유가 있습니다. 예를 들어 의료용 PCB에 비절연 전원 공급 장치를 사용하면 위험한 쇼크나 서지가 공급 장치를 통해 장치로 흘러들어 사용자에게 또는 심지어 환자에게까지 해를 끼칠 위험이 더 커집니다.

절연 및 비절연 전원 공급 장치는 설계자 및 사용자 안전과 큰 관련이 있습니다. 여기서는 실험실에서 볼 수 있는 AC 또는 DC 전원 공급 장치에 대해서만 말하는 것이 아닙니다. 많은 디지털 및 임베디드 시스템의 경우 전원 공급 장치는 기판에 집적되며 단일 집적 회로로 나타나지 않습니다. 전원 공급 장치 절연은 기판 또는 다중 기판 시스템에 집적된 경우에도 최종 사용자와 기타 장비를 보호하는 데 도움이 됩니다. 그러니 설계를 시작하기 전에 항상 절연 전원 공급 장치와 비절연 전원 공급 장치의 차이점을 고려하는 것이 좋습니다.

절연 전원 공급 장치란 무엇일까요?

절연 전원 공급 장치는 대개 절연 변압기를 통해 전원이 공급되는 나머지 회로와 전기적으로 절연되는 전원 공급 장치입니다. 이는 전력과 전압이 두 섹션 간의 직접적인 전기 연결 없이 입력에서 출력으로 전달됨을 의미합니다. 이러한 전원 공급 장치는 AC 주 전원에서 큰 입력 전압을 수용할 수 있으며 입력을 더 낮은 전압으로 변환할 수 있습니다. 후속 PFC 및 레귤레이터 스테이지를 사용하여 출력 전류를 안정적인 값으로 제한하면 다운스트림 부품이 전원 공급 장치 입력의 큰 전압 및 전류 서지로부터 보호됩니다.

랩 등급 DC 또는 AC 전원 공급 장치의 경우 사용자는 절연 전원 공급 장치의 출력 스테이지에 적극적으로 참여해야 합니다. 즉, 와이어를 연결 또는 분리하거나 전면 패널의 일부 설정을 조정하거나 달리 전원 공급 장치를 조작해야 할 수 있습니다. 입력을 출력과 절연하면 전원 공급 장치의 최종 사용자가 전원 공급 장치로 작업할 때 쇼크를 겪을 위험이 낮아집니다. 아래에는 절연 전원 공급 장치를 사용하여 AC를 DC로 변환하는 일반적인 토폴로지가 나와 있습니다.

절연 변압기를 통한 절연 전원 공급 장치의 출력 스테이지에 대한 간단한 토폴로지

위 토폴로지에서는 step-down변압기가 AC-DC 변환의 일환으로 입력(입력 EMI 필터링과 정류기 회로 사이)에 배치되어 있지만, step-down 변압기는 정류기 및 PFC 스테이지 뒤에(특히 절연 DC-DC 스위칭 컨버터에서) 배치되는 경우가 많습니다. 일반적으로 절연이 필요한 고전류 스위칭 DC-DC 컨버터에서 절연 DC-DC 전원 공급 장치를 설계할 때는 게이트 드라이버 회로에 의해 공급되는 펄스 스트림으로 하프 브리지 또는 풀 브리지 배열의 MOSFET을 구동해야 합니다. 이는 기본적으로 공진 LLC 컨버터에서 수행됩니다. 이 회로의 맥동 출력은 변압기를 통해 더 낮은 전압으로 강압되며 커패시터 뱅크를 통해 평활화됩니다. 이는 일반적인 절연 DC-DC 스위칭 컨버터 유형인 플라이백 컨버터에서도 수행되는데 토폴로지는 다를 수 있습니다.

위 토폴로지에는 절연이 실제로 구현되는 방식과 전반적인 접지 전략과 같은 중요한 사항이 뚜렷하게 나와 있지 않습니다. 절연 전원 공급 장치에는 다음과 같은 최대 세 개의 접지 영역이 있을 수 있습니다.

• 1차 접지(PGND): 이는 변압기의 1차 측, 즉 전원 공급 장치의 입력 측에 있는 접지 영역입니다. 단상 또는 삼상 AC에 연결된 경우에는 어스 연결도 입력 EMI 필터 회로의 연결로 입력 측에 있을 수 있습니다(아래 참고). 이 접지 영역은 변압기의 1차 측까지 이어져야 합니다. 이 접지 영역의 에지는 시스템에서 절연이 발생하는 위치를 정의합니다.
• 2차 접지(SGND): 이 접지 영역은 변압기의 2차 측에서 시작하며 나머지 시스템에 대한 접지 기준을 제공합니다. 이 영역은 시스템에서 부동 상태로 남아 있을 수 있지만, 고전력 시스템에서는 2차 측이 부동 도체처럼 작동하기 때문에 2차 접지가 전원 접지 기준 레벨 주위에서 진동하는 경우 상당한 노이즈가 유발될 수 있습니다. 이는 두 GND 영역에 걸친 Y형 캡으로 AC에서 억제됩니다.
• 섀시(어스) 접지(PE 또는 GND): 이 접지는 절연 전력 시스템에 있는 경우 보통 안전 접지가 됩니다. 이는 절연 전원 공급 장치의 출력 측에 연결하거나 시스템에 있는 다운스트림 장비 또는 기판의 전력 반환부에 연결해서는 안 됩니다. 섀시는 오류가 발생하는 경우를 제외하고는 원래 전류가 흐르는 도체가 아닙니다.

지정 문자 'PGND' 및 'SGND'는 필수 사항이 아닙니다. 엄밀히 말해 네트의 이름은 원하는 대로 지정할 수 있습니다. DC 절연을 유지하면서 노이즈를 제거하고 안전을 보장하도록 이러한 영역을 실제로 연결하는 방법은 애플리케이션에 따라 다릅니다. 이러한 시스템에서 시작하는 데 도움이 되는 몇 가지 리소스는 다음과 같습니다.

• 절연 전원 공급 장치 PCB 레이아웃에서 접지를 연결하는 방법
• 도금된 PCB 장착 홀에 대한 PCB 접지 기술

설계 예시

아래 이미지에는 절연 전원 공급 장치와 관련된 설계 예시가 나와 있습니다. 이 공급 장치에서는 실제로 입력과 출력 사이에 다음과 같은 두 가지 수준의 절연이 적용되어 있습니다.

• AC 입력에
• push-pull 스위칭 스테이지와 출력 사이

초기 AC/DC 변환 작업을 처리할 수 있는 기준 설계는 여러 개이기 때문에 아래에는 AC 입력 스테이지가 나와 있지 않습니다. AC 정류 스테이지의 출력은 스위칭 동작을 통해 컨버터의 전력 변환 효율성 감소를 보충하는 PFC 회로로 이어집니다. 절연 스위칭 스테이지는 아래에 나와 있습니다.

이는 LLC 공진 스위칭 컨버터이며, 제가 다른 곳에서 보여 드린 설계의 변형입니다. 이 공진 컨버터의 1차 및 2차 측에는 스테이지를 스위칭하는 추가 게이트 드라이버 회로가 있습니다. 1차 접지와 2차 접지가 서로 다른 네트이며 안전 커패시터하고만 연결되어 있기 때문에 우리는 이 컨버터가 절연되어 있다는 것을 알 수 있습니다.

아래에는 다른 표준 절연 전원 공급 장치 토폴로지가 나와 있습니다. 이들은 토폴로지일 뿐이며, 스위칭 동작을 구동하려면 게이트 드라이버도 필요합니다. 또한 실제 절연 전원 공급 장치에서는 피드백 메커니즘도 사용됩니다. 피드백 회로는 출력을 측정하고 구동 PWM 신호를 조정하여 목표 전압을 유지합니다.

위 토폴로지에서 주목해야 할 한 가지 사항은 회로가 집적 회로에 부분적으로 또는 완전히 집적될 수 있다는 점입니다. 이러한 집적 회로는 높은 갈바닉 절연을 제공하지만, 낮은 노이즈에 필요한 지원 회로와 집적 피드백을 갖추고 있습니다. 따라서 낮은 노이즈와 높은 효율성이 필요한 저전력 시스템에서 더 흔히 사용됩니다.

갈바닉 절연을 제공하는 변압기

절연 전원 공급 장치는 절연 변압기를 사용하여 입력 섹션과 출력 섹션 간에 갈바닉 절연을 제공합니다. 변압기는 각 코일의 교류에 의해 생성된 자기장을 사용하여 코일 간에 전력을 간단히 전달하며, 전압은 변압기의 권수비에 따라 승압 또는 강압됩니다. 변압기를 사용한 절연의 이점은 변압기의 입력 코일과 출력 코일 간에 직접적인 전기 연결이 없어 양측의 도체가 서로 닿지 않는다는 점입니다. 전력은 유도를 통해 장치의 두 접지 영역 전반에 전달됩니다. 이에 따라 변압기의 모든 다운스트림은 입력 측의 높은 전압/전류로부터 보호됩니다. 즉, 모든 다운스트림은 '절연'됩니다.

출력 전력을 모니터링하고 제어하기 위해 피드백 루프가 필요한 경우, 출력을 이전 레귤레이터 스테이지에 다시 연결하는 데는 일반적으로 광 절연기가 사용됩니다. 이 부품은 적외선 다이오드를 사용하여 고전력 레귤레이터 스테이지 및 저전력 레귤레이터 스테이지 간에 절연을 보장합니다. 낮은 전압/전류에서 실행되는 전원 공급 장치의 경우 보통 광절연기가 출력에 직접 연결될 수 있습니다. 하지만 더 큰 전압/전류 수준을 수신할 수 있는 광 절연기 IC도 일부 있습니다.

절연 전원 공급 장치에서 고려해야 할 한 가지 사항은 효율성입니다. 모든 변압기는 권선에서 방산되는 열 및 코어의 교류 자화로 인해 약간의 손실을 겪습니다. 코어에 사용되는 자성체(일반적으로 철 또는 철의 강자성 합금)는 입력 AC 전류가 진동할 때 앞뒤로 자화됩니다. AC 입력에 의해 생성되는 자기장이 매우 크면 코어의 자화가 포화하여 출력 전력이 제한되고(효율성 감소) 코어 손실이 커집니다. 이는 변압기 양측의 1차 전압 정격을 결정하는 요소 중 하나입니다.

이 유형의 변압기는 대형 절연 전원 공급 장치에서 찾을 수 있습니다.

절연 전원 공급 장치 대 비절연 전원 공급 장치

이제 기판으로부터 공급 장치를 절연하는 것이 무엇인지 알았으므로 설계 체인에서 변압기를 제거하면 해당 장치가 갑자기 비절연 전원 공급 장치가 된다는 것이 분명해졌습니다. 전력 절연 없이 기판을 설계하는 것이 일반적이긴 하지만, 고전력에서 작업하거나 빠른 스위칭 공급 장치를 사용하는 경우에는 설계 시 항상 최종 사용자를 고려하세요. 그러면 고객이 금방 잊지 못할 쇼크를 받을 경우 소송을 어느 정도 피할 수 있습니다.

이러한 비절연 전원 설계를 설계할 때의 장점은 많습니다. 우선, 인클로저에 변압기를 배치할 필요가 없기 때문에 절연 전원 공급 장치 설계에 비해 기판 공간이 더 넓습니다. 낮은 전압/전류를 위한 소형 기성품 변압기가 있긴 하지만, 규모를 확장하면 더 많은 기판 공간이 확보됩니다. 또한 비절연 전원 공급 장치를 사용하면 효율성도 높일 수 있습니다.

비절연 공급 장치는 설계상 항상 전기 쇼크의 위험이 있습니다.

비절연 전력 레귤레이터를 절연 전원 공급 장치 또는 절연 스위칭 레귤레이터의 다운스트림에 배치하는 것이 일반적이라는 점은 주목할 만합니다. 이 전략에서는 절연 전원 공급 장치가 고전력 AC 또는 DC 소스에 배치되어 전압을 표준 DC 레귤레이터 IC 또는 전압 레귤레이터 회로에 대해 안전한 수준으로 낮춥니다. 이는 조금 더 복잡하지만, 안전 요구 사항을 충족하여 적절한 보호를 제공한다는 장점이 있습니다. 이에 해당하는 예로는 몇 가지 장치(비절연) 다운스트림에 전력을 공급하는 독립형 의료용 전원 공급 장치(절연)를 들 수 있습니다.

어느 장치가 적합할까요?

요컨대 일반적으로 기판의 전력 조정 회로는 비절연 전원 공급 장치입니다. 이러한 장치는 전류를 많이 생성하거나 매우 높은 전압에서 작동하지 않을 것이기 때문에 절연이 필요하지 않은 소형 레귤레이터 회로 또는 칩으로 제작됩니다. 이러한 장치가 고전류로 작동하더라도 사용자는 쇼크의 위험 없이 시스템에 적극적으로 참여할 수 있습니다. 따라서 비절연 공급 장치는 대부분의 소형 기판에 적합합니다. 여기에는 보통 전력을 필요한 수준으로 낮추기 위해 LDO가 뒤따르는 벅 컨버터가 해당됩니다.

고전력 AC-DC 변환 또는 고전력 DC-DC 변환이 필요한 경우에는 보통 절연 공급 장치를 사용합니다. 전원 공급 장치는 자체 기판에 설계되는 경우가 많습니다. 이후에 발생하는 일은 전원의 특정 특성(AC 대 DC, 주 전원 대 배터리 등), 인클로저가 사용되는 방식, 전원 공급 장치에 연결된 다운스트림 회로 또는 시스템에서 접지가 정의되는 방식에 따라 달라집니다.

앞서 언급한 바와 같이 절연 전원 공급 장치는 규제 산업에 필요한 경우가 많으며, 특정 표준을 준수해야 합니다. 표준의 예는 다음과 같습니다.

• 의료 기기에 대한 IEC 60601-1 안전 표준
• IT 및 AV 장비에 대한 IEC 62368-1(IEC 60950-1 및 IEC 60065를 대체함)
• 일반적인 스위치 모드 전원 공급 장치에 대한 IEC 61204-7:2016

일부 규정은 특정 산업 표준(예: 21CFR870.3605의 심혈관 장치에 대한 US FDA 규정)을 지정하지는 않지만, 이러한 장치가 의도된 환경에서 다른 전자 장치 및 기본 안전 표준과 완전히 조화되도록 안전 및 EMC 테스트를 요구합니다.

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