전압 변동을 방지하는 방법을 알고 있나요?

전원 공급 장치 문제 중 가장 흔한 유형 중 하나는 출력 전압 변동입니다. 이 문제는 입력 전압 변화, 부하 전류의 예측 불가능한 변화, 피드백 제어 루프의 오작동, 스위칭 주파수 문제, 구성 요소의 허용 오차, 온도 변화 및 구성 요소의 노화 등 다양한 요인에 의해 발생합니다. 

이 기사에서는 출력 전압 변동의 원인을 간략히 탐구하고 이러한 문제를 해결하고 예방하는 방법에 대한 통찰을 제공할 것입니다.

입력 전압 변동

전원 공급 장치(또는 레귤레이터 칩)로의 입력 전압은 레귤레이터 칩의 절대 최대/최소 한계를 초과하여 변동될 수 있습니다. 레귤레이터/컨트롤러 칩은 이러한 변동을 처리할 수 없으며, 변동의 빈도에 따라 출력 전압이 떨어지거나 증가하거나 상당한 양의 리플을 보일 수 있습니다. 

예를 들어, 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)의 유명한 LM2576-5.0 [1] 레귤레이터 칩의 응용 다이어그램을 살펴보십시오(그림 1). 입력 전압 변동 범위가 7-40V(고전압 버전의 경우 60V)일 수 있다고 명확히 언급되어 있습니다. 또 다른 예는 파워 인테그레이션스(Power Integrations)의 LNK30X 칩입니다(그림 2) [2]. 여기서는 입력 AC 전압이 265VAC를 초과하지 않아야 하며, 85VAC 아래로 떨어지지 않아야 한다고 언급되어 있습니다. 그렇지 않으면, 특히 일부 부하 하에서 출력 전압이 변동될 수 있습니다.

전원 공급 장치가 입력에서 갑작스럽고 큰 전압 변동을 처리할 수 없을 수도 있다는 점을 유의해야 합니다. 심지어 변동이 최소/최대 범위 내에 있더라도 출력 전압이 변동될 수 있습니다.

그림 1

LM2576-5.0 벅 컨버터 칩의 응용 다이어그램

그림 2

LinkSwitch-TN 범용 입력, 12V-120mA 출력

부하 변화

전원 공급 장치가 부하 전류의 갑작스러운 변화를 처리하지 못할 수 있으며, 이는 출력 전압의 변동을 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 전원 공급 장치의 전류 공급 능력이 최대 3A로 평가되었는데, 부하가 갑자기 4A를 끌어당길 경우, 이러한 상황이 주기적으로 발생하면 출력 전압이 떨어지고 변동하게 됩니다.

또한, 부하의 전류가 제한된 범위 내에서만 변동한다 하더라도, 전원 공급 장치는 DC 부하를 사용하여 "부하 단계 응답"에 대해 조정되고 테스트되어야 합니다. 간단히 말해서, DC 부하는 주기적으로(예: 저전류 레벨: 1A, 고전류 레벨: 3A) 부하 펄스를 공급 출력에 적용하면서 출력 전압이 링잉 현상을 보이는지 모니터링합니다. 이는 부하 전류가 상당히 자주 크게 변할 수 있는 응용 프로그램에서 필수적인 테스트입니다. 예를 들어, 운전자가 자주 전조등, 난방 요소 등을 켜고 끄는 자동차와 같은 경우입니다. 그림 3은 조정되지 않은 전원 공급 장치 [3]를 보여줍니다. 그림 4는 부하 단계 응답 테스트를 통과한 수정/조정된 전원 공급 장치 [3]를 보여줍니다.

그림 3

조율되지 않은 전원 공급 장치 (핑크: 전류 펄스, 노랑: 출력 전압, 오렌지: 출력 전압 (4P-평균화))

그림 4

조율된 전원 공급 장치 (핑크: 전류 펄스, 노랑: 출력 전압, 오렌지: 출력 전압 (4P-평균화))

피드백 제어 루프

이것이 모든 출력 전압 변동의 가장 가능성 있는 원인입니다! 그러므로 다른 가능한 출력 전압 변동 문제를 찾아보기 전에 이것을 먼저 확인해야 합니다. 피드백 제어 루프는 단순히 컨트롤러/조절기가 출력을 감지하고 전압을 안정화하기 위한 회로 경로입니다. 피드백 회로의 어떤 고장도 적어도 출력 전압 변동으로 이어질 것입니다. 

피드백 경로는 선형 및 벅/부스트 전압 조절기 회로에서 쉽게 찾을 수 있습니다. 플라이백 컨버터의 경우, 피드백 제어 루프의 최소 구성 요소는 옵토커플러와 젠너 다이오드(또는 쇼트 조절기)입니다(그림 5). 출력 정류 다이오드와 필터링 캐패시터도 제어 루프를 안정화하는 데 중요한 역할을 하며, 이는 "구성 요소의 노화"에서 논의될 것입니다.

그림 5

플라이백 컨버터의 전형적인 회로

스위칭 주파수

전원 공급 장치를 설계/수리하고 출력 전압이 불안정한 경우, 하나의 가능한 원인은 잘못된 스위칭 주파수일 수 있습니다. 스위칭 주파수는 계산과 부품 값에서 매우 중요한 역할을 합니다. 계산된 주파수에서 상당히 벗어나거나 어떤 불안정성이 있으면 출력 전압이 변동될 수 있습니다.

부품 허용 오차

전원 공급 장치는 다양한 개별 부품으로 구성되며, 이들의 허용 오차는 받아들일 수 있는 범위 내에 있어야 합니다. 예를 들어, 5%의 허용 오차가 그러합니다. 이러한 부품이 더 높은 허용 오차를 보이거나 저품질 부품을 사용하면 출력 전압이 변동되거나 효율성이 저하될 수 있습니다. 따라서, 전원 공급 장치를 설계할 때는 계산된 값에 가능한 한 가깝게 유지해야 합니다. 수리를 시도하는 경우에는, 결함이 있는 부품을 동일한 것(값, 크기, 허용 오차)으로 교체해야 합니다.

온도 변화

자연스럽게 전원 공급 장치는 열을 발생시키므로, 이 열은 방열판과 팬을 사용하여 적절히 배출해야 합니다. 그렇지 않으면 과도한 열이 부품에 열 스트레스를 가하고 수명을 줄여 쉽게 출력 전압이 변동될 수 있습니다. 더욱이, 응용 환경의 주변 온도가 높거나 적절한 환기가 없는 경우, 부품이 제대로 냉각되지 않아 전압 변동이 발생할 수도 있습니다. 

노화된 부품

시간이 지남에 따라, 특히 전해 콘덴서와 같은 부품의 성능이 저하되어 고장이 발생할 수 있습니다. 대부분의 경우, 전해 콘덴서가 모양이 변하거나 부풀어 오른 것처럼 보이면 분명하지만, 때로는 시각적인 징후 없이 마르기도 합니다. 부풀어 오르거나 마른 출력 콘덴서는 출력 전압 변동의 가장 흔한 원인 중 하나입니다 왜냐하면 고장난 콘덴서는 피드백 제어 루프의 성능에 영향을 주고 출력 리플/노이즈를 증가시키기 때문입니다. 

이 외에도, 메인 입력 콘덴서(브리지 정류기 이후)나 컨트롤러 칩의 디커플링 콘덴서가 고장나 출력 전압에 영향을 줄 수 있습니다. 원래 용량 값의 20% 이상을 잃은 모든 콘덴서는 교체해야 한다는 것이 경험칙입니다. 그러므로 LCR 미터는 모든 전원 공급 장치 설계나 수리 시도에 필수적인 도구입니다. 

이 비디오는 ESR을 측정하지 않고 전해 콘덴서 고장을 테스트하는 세 가지 방법을 설명합니다 [4]. 개별 전해 콘덴서를 찾아서 수리하는 것이 너무 시간이 많이 걸린다면, 모든 전해 콘덴서를 교체하는 것이 현명한 결정일 수 있습니다! 그림 6은 부풀어 오른 콘덴서를 보여줍니다.

그림 6

부풀어 오른 전해 커패시터
 

참고 자료

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: SIGLENT DC 전자 부하를 사용한 부하 스텝 응답: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4]: 실패한 커패시터를 쉽게 감지하는 방법: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU