PFC 회로 설계 및 전력 시스템을 위한 레이아웃

우리가 원하든 원치 않든 PCB로의 전력 입력은 항상 깨끗한 DC나 정현파 신호가 아닐 수 있습니다. 정류기에서 나오는 DC는 출력 캐패시터로부터 일부 리플을 가지고 있을 수 있으며, AC 신호는 노이즈를 포함하거나 완벽한 사인파가 아닐 수 있습니다. 이러한 문제를 수정하는 몇 가지 방법이 있으며, 올바른 여과 회로를 선택하거나 입력 파형을 형성하여 시스템의 부하에 최대 전력 출력을 생성하도록 하는 것입니다.

AC 전력 시스템을 다루고 있다면, 전력 공급에서의 전류/전력 소모를 줄이거나 부하에 사용 가능한 전력을 증가시키기 위해 전력 인자 보정(PFC)이 필요할 것입니다. PFC 회로는 IC로 제공되지만, 높은 전압/높은 전류 시스템의 요구를 처리할 수 없습니다. 전력 인자를 1에 가깝게 증가시키기 위해 PCB에 자체 PFC 회로 설계 및 레이아웃이 필요합니다. 여기 자체 PFC 회로를 설계하고 시뮬레이션하는 방법과 PFC 회로에 대한 몇 가지 레이아웃 팁을 제공하겠습니다.

전력 인자 보정이란 무엇인가요?

전력 공급 장치의 역률은 실제 소비 전력과 표시 전력(실제 볼트 및 암페어로)의 비율이며, 이 수치는 0에서 1 사이입니다. AC 소스에 연결된 정류기가 있는 전력 공급 회로의 전형적인 스위칭 레귤레이터는 입력 전압이 정점에 가까워지면 작은 버스트로 전류를 끌어당깁니다. 입력 라인에서 끌어당긴 전류가 정현파 전압 파형에서 벗어날수록 역률은 더 작아집니다. 역률은 기본적으로 전력 효율성을 위한 또 다른 척도입니다.

예를 들어, 레귤레이터의 효율이 96%라고 가정하면, 전체 전력 공급 장치의 역률이 60%인 경우 실제 효율은 96% x 60% = 57.6%입니다. PFC 회로 설계를 사용하는 목적은 역률을 가능한 한 1에 가깝게 만드는 것입니다. 역률이 1에 가까울 때, 실제 소비 전력은 이상적인 RMS 입력 전압 및 전류를 사용하여 계산한 표시 전력에 가까워집니다.

새 제품을 유럽에서 판매할 계획이라면, 전원 공급 장치에 PFC를 적용해야 한다는 점을 확인해야 합니다. 가장 중요한 규정은 EN61000-3-2로, 최소 75W의 입력 전력을 가지고 서비스 입구에서 최대 16A까지 끌어올릴 수 있는 전력 시스템에 적용됩니다. 이 규정은 또한 조정기의 입력에서 측정된 39번째 고조파까지의 총 고조파 왜곡(THD)에 대한 한계를 설정합니다. 이는 PFC 회로의 다른 이점을 보여줍니다; 더 큰 전력 계수를 가진 전원 공급 장치는 DC 조정기 입력에서 THD가 거의 0에 가까울 것입니다.

PFC 회로 설계 및 토폴로지

PFC 변환기는 부스트 또는 벅 토폴로지로 구현할 수 있습니다. 벅-부스트 토폴로지도 있지만, 입력 전압을 일반적으로 높이거나 낮추고 일정한 수준에서 조절해야 하기 때문에 그다지 인기가 없습니다. 벅과 부스트 버전의 두 가지는 아래에 나와 있습니다. 이 회로 다이어그램이 표준 벅 또는 부스트 DC-DC 변환기에서 기대하는 것과 일치한다면, 정확합니다! 전체 회로 다이어그램은 동일하지만, 이 회로들을 위한 구성 요소 선택이 회로에 의해 제공되는 전력 계수 증가에 영향을 미칩니다.

PFC 회로가 일반적인 스위칭 레귤레이터와 다른 점은 무엇일까요? PFC 회로 설계에서 중요한 점은 올바른 동작 모드를 선택하는 것으로, 이는 회로에서 올바른 인덕터를 선택하는 것을 포함합니다. 인덕터는 MOSFET이 켜져 있는 동안 입력 전압이 상승함에 따라 인덕터를 통한 전류가 얼마나 빠르게 증가하는지를 결정합니다. MOSFET이 꺼지면, 인덕터는 역 EMF를 제공하여 더 많은 전류를 부하 쪽으로 유도합니다.

인덕터 리플 파형은 인덕터의 크기에 의해 결정되며, 이는 일반적인 스위칭 레귤레이터에서도 마찬가지입니다. 인덕터가 작을수록 리플 파는 더 커집니다. MOSFET에 PWM 또는 PFM 펄스를 적용하여 파형을 제어합니다. 아래에 표시된 세 가지 PFC 회로 모드는 인덕터 크기와 MOSFET에 적용된 변조 유형에 의해 결정됩니다. 아래 표는 각 모드에서의 변조 및 전류 특성을 요약합니다.

스위칭 MOSFET에 PWM 또는 PFM을 제대로 제공하려면 PWM/PFM 컨트롤러에 피드백 루프를 구현해야 합니다. 이 목적에 사용할 수 있는 몇 가지 전문 IC가 있으며, 고전압에서도 사용할 수 있습니다.

PFC 레이아웃: 고전력 스위칭 레귤레이터처럼 다루기

스위칭 컨버터를 다룰 때 가장 중요하게 기억해야 할 점은 스위칭 노이즈로부터의 격리를 고려하는 것입니다. 노이즈가 심한 스위칭 레귤레이터나 PFC 회로에서 발생하는 어떠한 노이즈도, 특히 고전류에서는 강력한 자기장을 생성하여 하류 회로에 노이즈 신호를 유도할 수 있습니다. 갈바닉 격리는 전도성 EMI를 제거하지만, 방사성 EMI는 제거하지 않으므로, 저수준 회로에 대한 격리 구조(예: 비아 펜스 또는 차폐)를 사용하여 유도된 노이즈를 방지해야 합니다. 이는 고전압 공급 장치와 저전력 전자기기의 레귤레이터 IC 모두에서 오랫동안 잘 알려진 문제였습니다.

고려해야 할 다른 사항으로는 PWM 신호나 PFM 신호의 설계, 스택업 디자인, 방사성 EMI를 줄이기 위한 다른 기술이 있습니다. 고전압에서 작업할 때는 PCB 레이아웃에서 전도성 요소 간에 적절한 간격을 설정하여 ESD를 방지해야 합니다. 이러한 클리어런스는 IPC-2221 표준에서 정의합니다. 더 알아보려면 이 기사들을 확인하세요:

• SMPS 회로 설계: 어떤 스위칭 주파수를 사용해야 할까요?
• IoT 제품에서 DC-DC 컨버터 EMI 억제 기술
• 면간 커패시턴스 및 PCB 스택업
• 고전압 설계를 위한 IPC-2221 계산기 사용하기

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