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갈바닉 절연 전원 공급 장치는 다양한 애플리케이션에 사용됩니다. 이에 대한 이유는 다양합니다.

일부 회로에서는 안전 고려사항으로 인해 갈바닉 절연이 필요합니다. 다른 회로에서는 신호에 대한 간섭을 차단하기 위해 기능적 분리가 사용됩니다.

갈바닉 절연 전원 공급 장치는 일반적으로 플라이백 컨버터를 사용하여 설계됩니다. 이 레귤레이터는 매우 단순한 디자인을 가지고 있습니다. 그림 1은 ADP1071 플라이백 컨트롤러를 갖춘 조정기의 일반적인 설계를 보여줍니다.

변환기의 점이 일치하지 않기 때문에 이것이 플라이백 변환기임을 알 수 있습니다. 1차측 전원 스위치(Q1)가 사용됩니다. 또한 2차측 정류회로도 필요합니다. 이는 쇼트키 다이오드를 사용하여 실행할 수 있지만 더 높은 효율을 위해 능동 스위치(그림 1의 Q2)가 일반적으로 사용됩니다. 해당 ADP1071 컨트롤러는 스위치 제어를 담당하고 피드백 경로 FB에 갈바닉 절연을 제공합니다.

그림 1. 최대 약 60W의 전력을 위한 일반적인 플라이백 조정기(플라이백 컨버터)

플라이백 컨버터는 매우 널리 사용되지만 이 토폴로지는 실질적인 제한 사항이 있습니다. 그림 1의 변압기 T1은 실제로 클래식 변압기로 사용되지 않습니다. Q1이 온 상태이면 T1의 2차 권선을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 1차측 전류의 에너지는 변압기 코어에 거의 완전히 저장됩니다.

벅 컨버터가 초크(인덕터)에 에너지를 저장하는 방식과 유사하게 플라이백 컨버터는 변압기에서 이를 수행합니다. Q1이 오프 상태일 때 T1의 2차측에 전류 흐름이 발생합니다. 이는 출력 커패시터 COUT과 출력에 에너지를 공급합니다. 이 개념은 구현하기가 매우 쉽지만 더 높은 전력에서는 본질적인 제한이 있습니다. 변압기 T1은 에너지 저장 요소로 사용됩니다. 이러한 이유로 변압기를 결합 인덕터(초크)라고도 합니다. 이를 위해서는 변압기가 필요한 에너지를 저장할 수 있어야 합니다. 전원 공급 장치의 에너지 등급이 높을수록 변압기는 더 크고 더 비쌉니다. 대부분의 애플리케이션에서 상한은 약 60W입니다.

더 높은 전력을 위해 갈바닉 절연 전원 공급 장치가 필요한 경우 순방향 컨버터가 적합한 선택입니다. 개념은 그림 2에 나와 있습니다. 여기서 변압기는 실제로 고전적인 변압기로 사용됩니다. 1차측 Q1을 통해 전류가 흐르는 동안 2차측에도 전류 흐름이 발생합니다. 따라서 변압기는 에너지 저장 용량을 제공할 필요가 없습니다. 사실, 그 반대가 사실입니다. Q1의 오프 타임 동안 변압기가 항상 방전되어 몇 사이클 후에 실수로 포화 상태에 도달하지 않도록 해야 합니다.

그림 2. 최대 약 200W의 전력을 위한 순방향 레귤레이터(순방향 컨버터)

동일한 전력을 위해 순방향 컨버터에는 플라이백 컨버터보다 더 작은 변압기가 필요합니다. 이로 인해 순방향 컨버터는 60W보다 낮은 전력 레벨에서도 실용적이고 합리적으로 사용할 수 있습니다. 한 가지 단점은 변압기 코어가 각 사이클마다 의도하지 않게 저장된 에너지로부터 자유로워야 한다는 점입니다. 이는 그림 2의 스위치 Q4 및 커패시터 CC가 있는 능동 클램프 배선으로 구현됩니다. 또한 순방향 컨버터에는 일반적으로 출력 측에 추가 인덕터 L1이 필요합니다. . 그러나 이를 통해 동일한 전력 레벨에서 출력 전압도 플라이백 컨버터보다 낮은 리플을 가질 수 있다.

그림 3. LTspice에서 시뮬레이션된 ADP1074가 포함된 회로의 예.

Analog Devices의 ADP1074와 같은 전력 관리 IC는 순방향 컨버터 설계를 위한 매우 콤팩트한 솔루션을 제공합니다.

이 아키텍처는 일반적으로 약 60W보다 높은 전력 수준이 필요할 때 사용됩니다. 60W 미만에서는 회로 복잡성과 달성 가능한 효율성을 기준으로 하면 플라이백 컨버터보다 포워드 컨버터가 더 나은 선택일 수도 있습니다. 사용할 토폴로지에 대한 결정을 단순화하려면 자유 회로 시뮬레이터 LTspice를 사용한 시뮬레이션을 권장합니다. 그림 3은 LTspice 시뮬레이션 환경에서 ADP1074 순방향 컨버터 회로의 시뮬레이션 회로도를 보여줍니다.