더 작고, 더 가볍고, 더 효율적인 AC/DC USB PD(Power Delivery) 충전기에 대한 요구는 언제나 전원 공급 장치 설계 엔지니어들이 해결해야 하는 어려운 과제입니다. 100W 미만에서 반공진 플라이백은 여전히 지배적인 토폴로지이며, GaN(질화 갈륨) 기술은 전력 밀도와 효율성을 더욱 높일 수 있습니다.

그러나 1차 컨트롤러에 바이어스 전력을 공급하려면 변압기의 보조 권선과 정류 및 필터링 회로가 필요합니다. 설상가상으로 USB PD 충전기 출력 전압은 범위가 넓습니다. 예를 들어, USB PD 표준 전력 범위는 5V~20V의 출력 전압에 해당하며, 최신 USB PD 확장 전력 범위를 통해 출력 전압이 48V까지 올라갈 수 있습니다.

보조 전압은 출력 전압에 비례하기 때문에 1차 컨트롤러의 바이어스 전압 범위가 늘어나 추가 회로가 필요하고 효율이 저하됩니다. 이 전원 관련 팁 문서에서는 이러한 설계 과제를 해결하는 자체 바이어스 플라이백 컨버터 솔루션을 소개합니다.

넓은 바이어스 전압 다루기

그림 1, 그림 2, 그림 3 및 그림 4에서는 USB PD 충전기 애플리케이션의 넓은 바이어스 전압 범위를 다루는 네 가지 방법을 보여줍니다. 기존에는 바이어스 전압을 조정하기 위해 선형 레귤레이터 또는 탭 보조 권선을 사용하거나 추가 DC/DC 스위칭 컨버터를 추가하는 방법이 이용되었습니다. 이러한 모든 방법은 부품 수를 늘리거나 비용을 추가하거나 전력 손실을 높입니다. 이에 대한 대안으로 자체 바이어싱은 외부 부품을 완전히 제거하고 효율성을 높입니다.

VCC 자체 바이어싱

플라이백 컨트롤러는 항상 정류 AC 입력 전압에서 직접 바이어스 전력을 얻을 수 있지만, 이는 과도한 전력 손실을 초래합니다. 자체 바이어싱의 핵심은 두 소스에서 공급되는 전력 단계에서 에너지를 하베스팅하는 것입니다. 하나는 스위치 노드 커패시터에 저장된 에너지이고, 다른 하나는 변압기의 1차측 권선에 저장된 에너지입니다. 그림 5에 표시된 것처럼 통합 자체 바이어싱 회로는 입력 및 출력 조건을 기반으로 이 두 작업을 이상적으로 수행할 수 있습니다.

그림 6에서는 스위치 노드 커패시터로부터의 에너지 하베스팅을 보여줍니다. 이렇게 하면 모든 스위칭 사이클에서 스위칭 노드 커패시터에 저장된 에너지를 재활용하므로 효율성이 향상됩니다. 반사 출력 전압이 입력 전압과 동일한 AC 로우 라인 입력과 같은 경우에는 자연스럽게 제로 전압 스위칭이 발생하며, 스위치 노드 커패시터에는 에너지가 없습니다. 이때 인덕터 에너지 하베스팅이 작동하고, 1차 스위칭 전류의 일부가 내부 경로를 통해 VCC 커패시터로 전달됩니다.

보조 권선 없는 감지 실현

많은 플라이백 컨트롤러는 보조 권선을 사용하여 입력 및 출력 전압을 감지하고 출력 과전압 또는 입력 부족 전압과 같은 상태를 감지합니다. 자체 바이어스 플라이백 컨버터를 사용하면 입력 및 출력 전압 감지를 위해 스위칭 노드 전압을 사용할 수 있습니다. 그림 7에 표시된 것처럼 감지된 전압은 입력과 반사된 출력 전압의 합입니다. 1차 권선의 평균 전압이 0이므로 스위치 노드 전압의 평균은 입력 전압과 같습니다.

출력 전압 감지를 위해 반사 출력 전압을 샘플링할 수 있으며, 컨트롤러에 저항 프로그래머블 핀(TI(텍사스 인스트루먼트) UCG28826의 TR 핀)을 사용하여 변압기의 정확한 권선 비율을 알려야 합니다.

올바르게 구성되면 UCG28826과 같은 자체 바이어스 장치는 과전력 및 과전압 보호와 같은 다양한 보호 기능을 정확하게 제공할 수 있습니다. 그림 8에서는 USB PD 애플리케이션의 UCG28826을 보여줍니다.

그림 9에서는 단일 오류 상태인 피드백 핀을 의도적으로 분리한 후의 과전압 보호 파형을 보여줍니다. 컨트롤러는 출력 전압을 감지하고 공칭 20V 출력의 경우 출력이 약 24.4V까지 상승할 때 적절하게 과전압 보호 기능을 트리거합니다.

프로토타입 및 테스트 결과

그림 10에서는 GaN 전력 스위치가 통합된 TI의 범용 AC 입력 65W 듀얼 USB Type-C 포트 USB PD 충전기 레퍼런스 설계를 보여줍니다. 이 레퍼런스 설계는 단순화된 자체 바이어스 기능과 UCG28826의 통합 GaN 스위치 덕분에 2.3W/cm³의 전력 밀도와 AC/DC 단계에 대해 93.2%의 효율을 달성합니다. 또한 보조 권선 없는 설계는 변압기 제조를 간소화하고 비용을 절감합니다. 표 1에는 65W 레퍼런스 설계의 설계 매개 변수가 요약되어 있습니다.

간소화된 USB PD 충전기

컨트롤러 및 GaN 스위치와의 높은 수준의 통합을 통해 USB PD 충전기 설계를 간소화할 수 있지만, 컨트롤러의 바이어스 회로와 변압기의 관련 보조 권선이 여전히 있으므로 효율성이 저하되고 크기와 비용에 영향을 미칩니다.

통합 자체 바이어싱 회로는 회로에서 해당 부분을 제거하고 광범위한 출력을 갖춘 전원 공급 장치를 위해 전력 밀도를 높일 수 있습니다. 또한 변압기에 보조 권선이 없는 경우에도 적절한 입력과 출력 전압 감지를 달성할 수 있습니다.

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