Switched – Mode Power SupplySwitched – Mode Power Supply

1. Topology of SMPS2. Feedback Network3. IC 주변회로4. KA38425. FAN7554 / FAN7556

1. Topology of SMPS1. Topology of SMPS

• SMPS(Switched-Mode Power Supply) 는 전력용 트랜지스터등 반도체 소자를 스위치로 사용하여 직류 입력전압을 일단 구형파 형태의

전압으로 변환한 후 필터를 통하여 제어된 후 직류 출력전압을 얻는 장치이다 .

이 때 직류 출력전압의 제어는 스위치의 ON, OFF 기간을 제어함으로써

이루어진다 . SMPS 의 동작은 직류 ( 입력 ) 에서 직류 ( 출력 ) 로의 변환 (DC-

DC Conversion) 을 기본으로 하고 있으므로 SMPS 를 DC-DC 컨버터라고 부르기도 한다 .

SMPS 의 종류

절연상태 상태Nonisolated Vi>Vo

Vi<VoVi>(or <)Vo

Isolated <200W

<300W<500W

<1kW

<2kW

Buck-Boost

Full-Bridge

Flyback

Forward

Push-pull

종류Buck Converter

Half-Bridge

Boost Converter

Buck( Step-down ) Converter

LoVo

Co

ViniL+ -VL +

VgQ1

D1

+

++

+

-

--

VD

VDS iDS

Vin > Vo , Vo = DVin

Boost( Step-up ) Converter

Vin < Vo , Vo = Vin/(1-D)

Vo

Co

VinL

iL + -VL +

Q1

D1+

+

-

VDS

iD

iDS

Buck - Boost( Up - Down ) Converter

Vin >(or <) Vo , Vo = DVin/(1-D)

VoCo

Vin

L

iL +

-

VL

+

Q1

D1+ + -VDS

iDS

-

Flyback Converter

N1 N2

V

V

+

in

-

V

VB+-

+

-

TLm

im

isw

ce+

-

D1 iD

ic

Io

Vo

+

-

부하

Q1

Co

Vo = N2N1

D1-D

Vin

2. Feedback Network2. Feedback Network

• Voltage Mode Control

- Vo 만 검출하므로 Dynamic Response 가 느리다 .

- Compensation Network 복잡 (Z1 과 Z2 가 복잡 ) 하다 .

- Saw Tooth Wave 의 frequency 에 의해 switching frequency 가 결정된다 .

- KA7500(OP Amp 2 개 )

• Current Mode Control

- Vo 및 iL 을 검출하므로 dynamic response 가 빠르다 .

- Compensation Network 가 간단하다 .

- OSC 에 의해 switching frequency 가 결정된다 .

- KA 3842

Voltage mode control

LoVo

Co

ViniL+ -VL +

VgQ1

D1

+

++

+

-

--

VD

VDS iDS

구동 회로

COME/A

z1z2

VrVc

+-

Vo

Vc

C O MO U TP U T

Current Mode Control

Vo

Co

VinL

iL + -VL +

Q1

D1+

+

-VDS

iD

iDS

COME/A

z1z2

VrVc

+-

구동회로

S

R

OSC

Q

OSCoutp ut

i DS

Vc

F/Foutput

3. IC 3. IC 주변회로주변회로• Inrush Current

• Snubber circuits

• Optical Coupler

• Soft Start

Inrush Current

• 전원 스위치를 turn-on 했을 때 초기 상태에서는 평활 콘덴서의 충

전 전하가 0 이므로 단락상태와 같기 때문에 흐르는 전류이다 . Irush = (Vm - Vc)/ZL I(p)rush = Vm/ZL

1) 돌입전류 제한 방법 (1) 저항 R 은 보통 cement 저항 사용

문제점 : 정상 동작시 R*Iin2

손실로

인한 R 에서의 발열

R 을 줄이면 돌입전류가 증가한다 .

• 저항 R 자리에 NTC( Negative Temperature Coefficient ) 삽입

• NTC : 저온시에는 큰 저항값을 나타내고 온도가 상승함에 따라서

낮은 저항이 된다 .

• 문제점 : NTC 의 온도변화보다 빠른 속도로 전원 스위치를 ON/OFF 시

보호기능이 떨어진다 .

(2) Power Thermistor

(3) Thyristor

• Bridge diode 1) --> R --> Cin

2) --> SCR--> Cin

• R 은 비교적 큰 값 ( 50 정도 )

• 단점 : 가격이 비싸다 .

Snubber Circuits

• 스위칭 MOSFET 이 turn-off 한 순간의 급격한 드레인 - 소스간의 전압의 상승을 방지하고 MOSFET 의 드레인 - 소스간 전압이 안전동작영역에 들어가도록 함과 동시에 외부로 나가는 필요없는 잡음을 감소시키는 동작을 한다 .

실제 VDS,peak = Vin+VLl1+(N1/N2)Vo+(N1/N2)VLl2

Vo'L = VLl1+(N1/N2)VLl2

여기서 VLl1 : 1 차측 누설 인덕터 전압

VLl2 : 2 차측 누설 인덕터 전압

(1) Voltage Clamping Snubber(Trans Snubber)

• 이 회로는 콘덴서 C 의 전압이 항상 높은 레벨로 충전되어 있기 때문에 스위칭 MOSFET 의 드레인 전압의 상승부분에는 전혀 효과가 없고 ,

드레인 전압이 콘덴서 C 의 전압값보다도 높아진 순간에만 효과가 있다 .

• C 가 클수록 Vc 가 줄어들고 Vcp 도 줄어든다 .

• Vc,ave 조정은 저항 R 로 한다 .

저항이 작으면 전압은 낮아지지 만 저항 소비전력이 증가한다 .

PR = VC2 / R

(2) R. C. D Snubber( 충방전형 RCD Snubber)

• 스위칭 MOSFET 의 turn-off 한 순간 , 콘덴서 C 와 다이오드 D로 전류가 흘려서 MOSFET 의 드레인 - 소스간의 전압 상승 속도를 떨어지게 한다 .

• 스위칭 MOSFET 이 turn-on 한 순간 콘덴서의 C 의 전하를 저항 R 을 통해 급속히 방전한다 .

• PR=1/2 C Vcp2 fs

Optical Coupler

• Optocoupler 는 다이오드의 순방향 전류 IF 에 의해 발광하고 , 이 발광이 phototransistor 의 베이스에 인가되어 컬렉터 전류 IC 를 흘리게 한다 .

• 2 차측 출력전압을 일정하게 하기 위해 트랜지스터의 Q1 의 duty 를 가변하는 regulation 회로이다 .

• 주요 구성 회로

드라이브 회로 : Baker clamp, speed up 콘덴서

증폭기 A1 : 2 차측 출력전압의 변동을 검출하여 오차 증폭

Optocoupler : 출력전압 변동을 PWM IC 로 전달

PWM IC : 트랜지스터 Q1 의 duty 가변 오차 증폭기 A2 와 PWM 비교 기 내장

+

_

++

__A 1

A 2C O M

V o V C 3

V ref

P W M IC

A 2 ,out

C O M out

V o

A 2 ,o u t

C O M ou t

Vo 상승 A1 출력 감소 optocoupler 베이스 감소 PWM IC A2 의 비반

전단자 전압 감소 (VC3) A2 출력 증가 IC Comparator duty 감소 Vo 감소

++ _

_A 2

C O M

V C 3

V ref

P W M IC

A 2 ,ou t

C O M ou t

V o

A 2 ,o u t

C O M ou t

Vo 상승 TL431 의 VREF 상승 optocoupler 베이스 증가

PWM IC A2 의 비반전단자 전압 증가 (VC3) A2 출력 감소

IC Comparator duty 감소 Vo 감소

Soft Start

• Soft start 회로는 보통 RC network 로 구성되어 있다 . 전원이 막 turn-on 하는

시점에서는 콘덴서 C 는 0V 로 되어 있어 D1 을 통해 Error Amp. 의 출력은 0V

로 되어 있다 .

• t=0+ 시점에서 콘덴서 C 는 Vref 로부터 t=RC 시정수로 충전되어지고 C 가 완전

히 충전되어지면 D1 은 역바이어스 된다 . 그 결과 콘덴서 C 의 충전 기울기에

따라 Error Amp. 의 출력이 점점 증가함으로써 soft start 를 형성할 수 있다 .

• D2 는 콘덴서 C 의 빠른 방전을 위함이다 .

4. KA38424. KA3842

1. 제품개요 KA3842 은 고정 주파수 방식의 Current-Mode PWM Control IC 이다 .Current-Mode Control IC 는 기존의 Voltage-Mode Control IC 보다 Control Loop 를 설계하기가 간단하면서도 Line Regulation 과 부하응답 특성이 훨씬 좋다 .

FEATURES

• Under Voltage Lockout with Hysteresis

• Low Start-Up Current

• Current - Mode Operation to 500KHz

• High Current Totem Pole Output

• Optimized for Off - Line Converter

• Pulse - By - Pulse Current Limiting

2. Block Diagram

IN T E R N A LB IA S

E RR O RA M P

O S C

V R E FG O O DL O G IC

S

R

T

5VR E FS/R

7

5

4

2

1

3

8

5

7

6

2 .5 0 V

2R

R

V C C

G R O U N D

R T /C T

V F B

C O M P

C UR R E N TSE N S E

C UR R E N TSE N SE

C O M P A R A T O R

PW MLA T C H

V R E F

V C

PO W E RG R O U N D

O UT PU T

34V

1V

U V L O

3. Under Voltage Lockout

7V C C O N /O FF C O M M A N DT O R E ST O F IC

V O N

V O F F

V O NV O F F

< 1 m A

< 17 m A

V C C

16V

10V

• UVLO 회로는 제어회로의 안정된 동작을 보장하기위해 Vcc 전압이 일정전압 이하일때는 동작을 멈추고 일정 전압 (16V) 이상일 때 제어회로가 동작을 시작하도록 한다 .

• 6V 의 Hysteresis 는 IC 의 기동을 쉽게 작용을 한다 . IC 는 동작하기 전까지는 작은 전류 (Start-Up 전류 , 1mA 이하 ) 를 소비하도록 설계되어 있다 .

• 기동저항을 통해서 1mA 이하의 작은 전류만이 흘러 들어 오도록 설계하여 Vcc 를 16V 까지 충전한 후 동작을 시작하면 Vcc 전압이 10V 까지 방전하기 전까지는 IC 가 계속 동작을 할 수 있다 . 이 시간동안에 출력전압을 상승시켜 Vcc 에 연결된 권선을 통해 IC 의 동작전류를 공급 받도록 하면 IC 는 계속해서 동작을 할 수 있다 .

4. Current Sense Circuit

E R R O RA M P

1

3

2R

RC O M P

C UR R E N TSE N SE

C U RR E N TSE N SE

C O M PA R A T O R

1V

5G N D

IS

C

R

R s

V o V fb

• Mosfet 의 전류가 Feedback 전압에 비례하여 제어회로가 동작한다 .

• Mosfet 을 turn-on 시키고 Current Sense 비교기는 Mosfet 전류가 Vfb

에 비례하는 일정한 값이 되면 다시 turn-off 시키는 동작을 반복하게 된다 .

FI

F

I

F VZZ

)ZZ

1(5.2Vo 3

1.4V3R

1.4)R(VV oo

fb

5. Oscillator

8

5

V R E F

PO W E RG RO U N D

4R T /C T

C T

R T

2 .8 V

1 .2 V

V p in 4

L a rge R TS m a ll C T

S m a ll R TL a rge C T

In te rn a l C lo c k

In te rn a l C lo c k

TToscT CR

1.8f,5KΩR 일때

V C T

C u rre n ts e n s e

C o m p e n s a tio np in 4

O u tp u t

In te rn a l C lo c k

6. Shutdown Technique

3

8

C U R R E N TSE N SE

V R E F

SH U T D O W N

1 C O M P

SH U T D O W N

• 첫번째 방법은 Pin3 을 1V 이상으로 올리는 것이고 , 두번째는 Pin1을 1V 이하로 내리는 것이다 .

• 두 방법은 PWM Comparator 의 Output 을 High 상태로 가게끔 한다 .PWM latch 는 Reset Domainant 가 되어 첫번째 Clock Pulse 가 Pin 1 또는 Pin 3 에서 Shutdown Signal 을 제거할 때까지 Output 을 Low 로 남게할 것이다 .

7. 동작 설명

6

87

4

2 1

TL431

53

F /B

O u t

C o m

V re f

R t/C t

Is e n s eG N D

V c c

K A 3 8 4 2

R 1

C 1

Q 1

d 1

V o u t

R 4

R 3

R 2

R 5

R 6

C 2

D Z 1

1) Start 동작• 기동저항 R1 --> C1 충전 (start current 1mA 이하 ) -->VC1(16V) --> Mosfet Q1 Turn-on

• KA3842 의 동작으로 소비전류는 17mA 가 되어 기동저항 R1 을 통해 공급받던 C1 의 양단전압은 점차 떨어지기 시작하며 , 이 전압이 Off Voltage 인 10V 에 도달 하기 전에 1차측의 권선 d1 의 전압이 KA3842 의 Vcc 를 공급해 준다 .

• Q1 이 On 시간 동안 , Transformer 2 차측의 모든 Diode 각 역 Bias 되고 어떤 에너지도 전달되지 못한다 .

• Transformer 1 차측 전류는 Sensor 저항 R2 에 의해서 감지되고 , KA3842 내부에 고정된 1V Reference 전압과 비교된다 .

• 감지된 전압이 이 Level 에 도달할때 , Q1 은 Turn-off 되고 Transformer 2차측

Diode 가 순방향 Bias 되어 2 차측으로 에너지를 전달한다 .

2) 정상 동작

3) Feedback

• 출력전압 Vout 이 저항 R4,R5 에 의해 분배되고 , 이 분배된 전압이 Error Amp 인 Shunt Regulator TL431 의 Reference 단자에 인가되며 , 이 전압과 IC 내부의 2.5V 기준전압과의 차이에 의해 Cathod 로부터 Anode 로 흐르는 전류를 제어한다 .

• 이 흐르는 전류가 Photo Coupler 를 통해 1 차측으로 전달되고 저항 R6

의 전압으로 변환되어 KA3842 의 F/B 단자 (Pin2) Feedback 된다 .

• Vout 증가 --> Photo Coupler 전류 증가 --> R6 전압 증가

KA3842 내부의 Vfb 낮아짐 --> Duty 가 감소 --> Vout 감소

• 2 차측 전압이 낮아질때는 이와 반대로 동작하게 되어 전체적으로 Regulation 이 이루어 지게 되는 것이다 .

Off-Line PWM Control IC (FAN7554)BLOCK DIAGRAMBLOCK DIAGRAM

The FAN7554 is a fixed frequency current mode PWM Control IC

DescriptionDescription

FeaturesFeaturesSupply Voltage : 30VLow start-up current : Typ. 0.1mA / Max. 0.2mALow Off-state current : Typ. 0.2mA/ Max. 0.4mASimple Feedback structure with delayed shutdownCurrent Mode PWM ControlVarious Protection Function : OVP, OLP, OCPWide Operating Frequency up to 500kHzRemote On/Off Control8DIP, 8SOP

ApplicationsApplicationsGeneral Off-line SMPSSMPS for VCR, Adaptor and OA equipment DC to DC converter

OSC

6

7

1

5

4

3

8

FB

Rt/Ct Vref

Vcc

OUT

GND

I S

2S/S -

+1.5V

-

+

3.5V

+－

0.3V

14V

-

+

15V/9V

UVLO

-

+OCP

2V.

OLP

-

+6V

OCP-out

5uA

Vcc

R Q

-

+

Offset(0.1V)

PWM

R

MAX. 1V2

R

UVLO-out

S

QR

CLK

PWR/

SAVE

on

off

Vref

S QR

1k

Vref

100uA

Vref

1mA

S

The FAN7556 is a fixed frequency voltage mode PWM Control IC

DescriptionDescription

FeaturesFeaturesSupply Voltage : 30VLow start-up current : Typ. 0.1mA / Max. 0.2mALow Off-state current : Typ. 0.2mA/ Max. 0.4mAAuto Restart Function Voltage Mode PWM ControlVarious Protection Function : OLP, OCPWide Operating Frequency up to 500kHzRemote On/Off Control8DIP, 8SOP

ApplicationsApplicationsGeneral Off-line SMPSSMPS for VCR, Adaptor and OA equipment DC to DC converter

Off-Line PWM Control IC (FAN7556)BLOCK DIAGRAMBLOCK DIAGRAM

LA

OSC

5

6

2

4

7

3

1

FB

CT VCC

OUT

GND

I S

8S/S

-

+

15V/9V

UVLO

OLP

-+

6V

UVLO-out

R Q S

CLK

PWR/

SAVE

Vref /Bias

S QR

Vref

100uA

Vref

1mA

-+

Com.-out

OCP

14V

R

-+

2V

Com.

+ PWM

-

0.25V

Vcc

5uA2.5V

-