LLC 공진 컨버터 설계 및 PCB 레이아웃

DC-DC 컨버터는 설계하기 어려울 수 있으며 심지어 위험할 수도 있습니다. 특히 고전류 출력을 갖는 스위칭 컨버터를 고려할 때 더욱 어렵고 면 더위험합니다. 다양한 유형의 스위칭 컨버터와 해당 토폴로지 중에서 LLC 공진 컨버터 설계는 전력 전자 회사의 애플리케이션 노트를 보기 전까지는 자주 논의되지 않습니다. 이러한 컨버터는 LED 뱅크, 어플라이언스, 데스크톱 및 서버 전원 공급 장치, 기타 여러 전력 변환 시스템과 같은 고전력 시스템의 핵심 부분입니다.

피드백 루프를 구현하기 위한 제어 알고리즘 및 방법을 살펴보면 LLC 공진 컨버터 설계의 가치가 보이기 시작합니다. 벅-부스트 컨버터에 사용할 수 있는 것과 동일한 유형의 제어 알고리즘을 구현하여 강하 또는 과도한 리플이 있는 전원 공급 장치를 수용할 수도 있지만, 이 유형의 절연 스위칭 컨버터를 사용하면 더 높은 출력 전력을 얻을 수 있습니다. 이러한 시스템을 위한 PCB 레이아웃을 생성할 준비가 된 경우 안전, 열 관리 및 노이즈 억제를 위해 기억해야 할 몇 가지 사항이 있습니다.

LLC 공진 컨버터 설계

LLC 공진 컨버터는 스위칭 신호에 적합한 주파수를 선택하여 출력 전압을 제어하는 절연 스위칭 컨버터입니다. 스위칭 신호의 듀티 사이클을 통해 출력이 제어되는 표준 스위칭 컨버터(예: 벅 또는 부스트 토폴로지)와 LLC 공진 컨버터를 대조해 보세요. 이러한 시스템은 AC 메인 입력이 있는 시스템을 포함하여 많은 고전력 애플리케이션에서 사용됩니다.

아래의 블록 다이어그램은 LLC 공진 컨버터의 다양한 부분을 보여 줍니다. 컨버터의 입력 스테이지는 일반적으로 정류기, 전력 컨디셔닝 스테이지(PFC 회로) 및 평활 커패시터 뱅크로 구성됩니다. AC 메인을 다루는 경우에는 여기에 EMI 필터를 배치할 수 있습니다. PFC 스테이지는 LLC 공진 컨버터 설계에 반드시 필요한 것은 아니지만, 다른 스위칭 레귤레이터에서처럼 전력 변환 효율을 높게 유지해 줍니다.

풀 브리지 스위칭 대 하프 브리지 스위칭

LLC 공진 컨버터 설계의 스위칭 소자는 두 가지 구성으로 제공됩니다. 풀 브리지 스위칭 회로에는 MOSFET이 네 개 있는 반면, 하프 브리지 스위칭 회로에는 MOSFET이 두 개 있습니다. 이러한 소자는 AC 전원이 공급될 때 브리지 정류기의 다이오드가 순방향 바이어스와 역방향 바이어스를 서로 전환하는 것과 같은 방식으로 켜지고 꺼집니다. 여기서 풀 브리지는 보통 더 많은 공간을 차지하며 더 많은 노이즈를 생성합니다. 주파수 제어에 필요한 커패시터는 하프 브리지 회로(C1 및 C2)에 직접 배치될 수 있으므로 저는 하프 브리지 스위칭 회로를 선호합니다.

출력 정류

출력 측의 정류는 여러 방법으로 적용될 수 있습니다. 여기서 목표는 출력이 항상 DC가 되도록 전류의 방향을 제어하는 것입니다. 출력 측의 커패시터는 브리지 섹션이 전환될 때 리플을 완만하게 만듭니다. 더 간단한 LLC 컨버터에서는 출력 정류가 다이오드에 의해 제공되는 반면, 더 높은 전류의 LLC 공진 컨버터 설계는 MOSFET을 사용하여 출력 측에서 정류를 제공할 수 있습니다.

출력 제어하기

출력은 AC 회로에서와 마찬가지로 변압기에서 적절한 권수비를 선택하여 설정하게 됩니다. 그러나 변압기의 1차 측에서 확인되는 전압의 크기는 스위칭 회로로 전송되는 구동 신호의 주파수를 조정하여 제어할 수 있습니다. 이 구동 신호는 듀티 사이클이 약 50%인 펄스-주파수 변조(PFM) 신호입니다.

LC 공진 탱크 회로는 회로의 유일한 저항이 MOSFET의 온 상태 저항과 변압기/인덕터 코일의 권선 저항이기 때문에 약간의 게인을 갖게 됩니다. 일반적인 게인 값은 1~1.5입니다. 출력 전력이 떨어지면 드라이버는 PFM 신호 주파수를 조정하여 시스템을 공진에 더 가깝게 만들어야 합니다. 이렇게 출력 전압은 변압기 1차 측의 알맞은 게인을 이용하여 높일 수 있습니다.

이 유형의 제어 방법은 그림 3에서 볼 수 있는 것처럼 피드백 루프, 전류 또는 전압 감지 회로 및 MCU로 구현할 수 있을 정도로 간단합니다. 이 감지 기능을 제공하고 브리지 회로를 구동하는 데 필요한 펄스 신호를 제공할 수 있는 집적 PMIC도 있습니다. 출력을 감지하고 이를 입력으로 피드백하여 스위칭 주파수를 조정하려면 보통 옵토커플러가 필요합니다. 옵토커플러를 사용하면 절연을 유지하면서 감지된 출력을 1차 측으로 다시 전달할 수 있습니다. 회로 설계를 마치고 필요한 컴포넌트를 모두 선택했다면 이 모든 것을 PCB 레이아웃으로 가져오는 방법을 생각해야 합니다.

PCB 레이아웃에서의 컴포넌트 배치

LLC 공진 컨버터 설계는 보통 어느 정도의 고전압 시스템에서 사용되므로 다음과 같은 몇 가지 기본 설계 팁을 따라야 합니다.

• 출력 변압기: 최종 변압기를 배치할 때는 절연 DC 전원 공급 장치의 모범 사례를 따르세요. 변압기가 출력에서 고전압 측을 절연하더라도 작업자는 여전히 피드백 루프의 고전압에 노출될 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
• MOSFET 정류기: 고전류 출력 시스템의 경우 고전류의 정류를 제공하기 위해 결국 출력 측에서 MOSFET을 사용하게 될 수 있습니다. 심지어 절연 파괴 위험 없이 대규모 전류를 제공하기 위해 출력 측에서 병렬로 MOSFET 그룹을 사용할 수도 있습니다. 
• 공간 거리: 고전압에서 작업하는 경우 PCB 설계 도구에 있는 공간 거리 설계 규칙을 활용하세요. 퍼텐셜 차가 큰 도체 간의 공간 거리에 대한 안전 표준을 기판이 위반하지 않도록 해야 합니다.
• 절연: 위에서 간략하게 언급한 것처럼 옵토커플러를 사용해 감지된 출력을 컨트롤러 IC의 피드백 핀으로 다시 전달하여 절연을 유지해야 합니다. 변압기는 또한 산업 표준(IEC 또는 UL) 또는 규정에 지정되어 있을 수 있는 특정 주파수/전압 제한까지 일정 수준의 절연 전압을 제공해야 합니다.

대부분의 고전력 시스템의 경우와 마찬가지로 레이아웃에는 특정 컴포넌트에 장착되는 히트 싱크나 팬 또는 둘 모두가 필요할 가능성이 큽니다. 500W 이상에서 작동하는 LED 기판 같은 경우 금속 코어 PCB를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 금속 코어는 자연적인 열 방산을 제공하기 때문입니다. 중요 패드의 열 비아도 열을 평면 레이어로 넘김으로써 도움이 될 수 있습니다.

다음 LLC 공진 컨버터 설계를 생성할 준비가 되면 Altium Designer®에서 회로도 편집기 및 PCB 레이아웃 도구를 사용하세요. 회로도 및 PCB 레이아웃을 생성한 후에는 Altium 365™ 플랫폼에서 설계 데이터를 공유하여 쉽게 설계 팀과 협업하고 설계 데이터를 관리할 수 있습니다.

Altium 365에서 Altium Designer로 할 수 있는 작업은 이보다 훨씬 많습니다. 제품 페이지에서 자세한 기능 설명을 읽어 보거나 On-Demand 웨비나 중 하나를 확인해 보세요.