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민서 표
6 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 4 pp , ISSN / eissn 가전기기용직류전원모듈설계및신뢰성특성해석 모영세 1, 송한정 1,2* 1 인제대학교나노융합공학과, 2 인제대학교나노메뉴팩처링연구소 Design and Reliability Evaluation of 5-V output AC-DC Power Supply Module for Electronic Home Appliances Young-Sea Mo 1, Han-Jung Song 1,2* 1 Department of Nanoscience & Engineering, Inje University 2 Center for Nano Manufacturing, Inje University 요약본논문은소형가전기기를위한 AC DC 파워모듈설계를제시하고효율과신뢰성및안정성특성을나타낸다. 제안하는파워모듈은 PCB 테스트보드에서 PWM 제어 IC 칩, 파워모스소자, 트랜스포머, 각종수동소자 ( 저항, 커패시터, 인덕터 ) 를사용하여제작하였다. 본논문에서제시한 AC DC 파워모듈회로시뮬레이션결과를토대로측정한실험에서입력전압은상용전원전압 220 V (RMS), 주파수 60 HZ의교류전압 (VAC : Voltage alternating current) 을사용하였으며, 출력전압, OCP (over current protection), EMI(electromagnetic interference), PWM 신호펄스, 효율측정, 패키징여부에따른발열측정등을실시하였다. 또한파워모듈의온도에따른특성변화와트랜스포머기준으로 1차측의회로와 2차측회로의절연상태확인을하기위한내전압테스트등의신뢰성테스트를실시하였다. 효율및신뢰성측정결과, AC DC 파워모듈이 5 V의출력전압, 200 mv의리플, 약 73 % 의효율, 온도약 80 까지안정적으로동작함을확인하였으며, 4.2 kv의크기로 60초동안견디는내압성능을보였다. Abstract This paper presents an AC-DC power module design and evaluates its efficiency and reliability when used for electronics appliances. This power module consists of a PWM control IC, power MOSFETs, a transformer and several passive devices. The module was tested at an input voltage of 220V (RMS) (frequency 60 Hz). A test was conducted in order to evaluate the operation and power efficiency of the module, as well as the reliability of its protection functions, such as its over-current protection (OVP), overvoltage protection (OVP) and electromagnetic interference (EMI) properties. Especially, we evaluated the thermal shut-down protection (TSP) function in order to assure the operation of the module under high temperature conditions. The efficiency and reliability measurement results showed that at an output voltage of 5 V, the module had a ripple voltage of 200 mv, power efficiency of 73 % and maximum temperature of 80 and it had the ability to withstand a stimulus of high input voltage of 4.2 kv during 60 seconds. Keywords : AC-DC, Analysis, Converter, Power module, Reliability 1. 서론 최근, 산업기기및자동화설비, 자동차, 가정용기기등여러분야에서전원공급장치인파워모듈의활용도가 크게증가하고있다 [1-2]. 전기자동차와일부가정기기에적용되는파워모듈은고온및진동등의열악한환경에서동작하기때문에높은신뢰성이요구된다.[3] 또한전력변환하는 IC는장시간사용하기위해넓은부 본논문은 2016년교육부와한국연구재단의지역혁신창의인력양성사업의지원을받아수행된연구임 (NRF-2014H1C1A ) * Corresponding Author : Han Jung Song (Inje University) Tel: hjsong@inje.ac.kr Received October 31, 2016 Accepted April 7, 2017 Revised (1st February 27, 2017, 2nd April 5, 2017) Published April 30,

가전기기용직류전원모듈설계및신뢰성특성해석 하조건에서높은효율을갖는 AC-DC 컨버터가필요하다.[4] 이에따라이를구현하기위한다양한개발을하고있으며, 특히 PWM 방식의효율감소문제, 신뢰성및안정성에서큰문제로대두되고있다.[4] AC-DC 변환기는안정적인신뢰성을갖는출력및전압변화에도출력전압이안정적으로공급될수있도록설계되어야한다.

2 가전기기용직류전원모듈설계및신뢰성특성해석 하조건에서높은효율을갖는 AC-DC 컨버터가필요하다.[4] 이에따라이를구현하기위한다양한개발을하고있으며, 특히 PWM 방식의효율감소문제, 신뢰성및안정성에서큰문제로대두되고있다.[4] AC-DC 변환기는안정적인신뢰성을갖는출력및전압변화에도출력전압이안정적으로공급될수있도록설계되어야한다. 그러므로고신뢰성, 고효율의컨버터설계를위해서는온도, 내구성등의신뢰성평가, 효율, 보호회로에대한정확한분석이필요하다. 파워모듈의보호기능은크게과전류보호, 저전압감지, 과열보호세가지가있다. 본논문에서는가전기기에활용되는 5 V 출력의 AC-DC 변환기를트랜스포머와 PWM 제어칩및 power MOS 소자를사용하여설계하고, 온도및내전압에따른신뢰성특성평가를실시하였다. 2장에서는파워모듈의회로설계와시뮬레이션을진행하였고, 3장에서는테스트용 PCB보드에구현한파워모듈의측정하였다. 4장에서는온도에따른전압특성, 내전압테스트등의신뢰성특성을나타낸다. 이는차후가전기기파워모듈응용에활용될것으로사료된다. Fig. 2. Proposed AC-DC converter block diagram 표 1. 에제안하는컨버터의목표스펙을나타내었다. 입력전압은상용전압 (AC) 220V 이며, 출력전압은 5V 를목표로하였다. 스위칭주파수는 200kHz 로동작한다. 출력전류는 500~1200mA로하였으며, Over current protection(ocp) 는 1.4A로기준을하였다. 효율은 70% 이상으로제안하였다. Table 1. Key Spec. of proposed converter Spec. Value Units Supply voltage 220(AC) V Output voltage 5 V Load current 0.5~1.2 A Switching frequency 200k Hz OCP 1.4 A Efficiency 73 % 그림 3은 SPICE 회로시뮬레이션을위한시뮬레이션회로와모의실험결과를나타내었다. 입력전압은 AC 220V 이며시뮬레이션결과로출력값 5V로나타난다. Fig. 1. DC power module range of application [5] 2. 가전용직류전원모듈설계 그림 2은제안하는가정용전자기기컨버터의블록도를나타내었다. 제안하는블록도는 EMI 필터, 브릿지다이오드, 트랜스포머, 컨트롤 IC, 각종다이오드, 능동소자및수동소자로구성되어있다. 컨트롤 IC는피드백을통해 PWM 파형을생성한다. Fig. 3. The proposed power module Spice simulation result 3. 전원모듈구현및측정 그림 4 는제안하는컨버터측정을하기위해서 PCB 505

한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 테스트보드를제작하고각종수동소자및파워모스를구성하고 PWM은상용

제안하는모듈은 220V의상용 AC전압이인가될때, 대기전력및효율을측정하였다. 측정결과표 2.

Output voltage of proposed converter 상용전압 (AC)220 V 의입력을통해서출력전압 5V

3 한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 테스트보드를제작하고각종수동소자및파워모스를구성하고 PWM은상용 IC칩을이용하였다. 3.2 모듈의효율및대기전력측정효율은모듈의중요한부분중하나이다. 제안하는모듈은 220V의상용 AC전압이인가될때, 대기전력및효율을측정하였다. 측정결과표 2. 와같이 220V의상용 AC전압을사용하고부하에는 500mA의전류가흐르면, 그때의효율은 73.3% 가되고무부하시대기전력은 0.08W가측정되었다. Fig. 4. Test board of proposed converter 제안하는컨버터는출력전압, OCP, EMI, PWM 펄스, 효율등을측정하였다. 그림 5은제안하는컨버터의출력전압을나타낸다. Fig. 5. Output voltage of proposed converter 상용전압 (AC)220 V 의입력을통해서출력전압 5V 를측정하였고리플은 200 mv 정도측정이되었다. 3.1 스위칭주파수측정상용 IC칩에서 PWM의펄스신호가파워모스의게이트에인가된다. 이주파수를 200kHz로제안하는모듈에서설정을하였다. 측정결과 PWM 출력단의펄스주파수는 190~200kHz로측정되는모습을확인하였다. Fig. 7. Efficiency measurement results of proposed converter No load, Load Fig. 6. Frequency measurement result of proposed converter 506

가전기기용직류전원모듈설계및신뢰성특성해석 Table 2. Measurement results of converter (220V conditions) Input stage Output stage Efficiency No load load No load load 73.3% 0.08 W 3.56 W 5.

8. Reliability test configuration EMI OCP (c) withstanding voltage EMI OCP -Spectrum Analyzer : NEX Future, NS-30A -Network Equipment: EMCO, 3816/2 -Power Supply :

264V, 100mA ~ maximum current 4.2 EMI 측정입력전압상용전압 220V가인가될시잡음신호도함께인가가된다. 이때, EMI 필터를사용하여, 입력잡음신호를제거하여효율을높인다.

2block + ~ - short, 5kV/10mA, 60sec 그림8 는신뢰성특성시험구성을나타내며제안하는파워모듈을패키징상태에서신뢰성특성분석을실시하였다. Fig. 9. EMI measurement result of proposed converter 그림 9는 EMI 측정결과이다.

4 가전기기용직류전원모듈설계및신뢰성특성해석 Table 2. Measurement results of converter (220V conditions) Input stage Output stage Efficiency No load load No load load 73.3% 0.08 W 3.56 W 5.22 V 5 V (0.5 A) 4. 실험결과및검토 4.1 신뢰성특성실험방법아래표 3. 는신뢰성특성측정을위한사용장비와측정환경을나타낸다. Table. 3. Environment for reliability test of the power module item equipment environment (c) Fig. 8. Reliability test configuration EMI OCP (c) withstanding voltage EMI OCP -Spectrum Analyzer : NEX Future, NS-30A -Network Equipment: EMCO, 3816/2 -Power Supply : KIKUSUI, PCR-500M -Electronic Load: KIKUSUI, PLZ164W -start frequency:150 khz -stop frequency:30 MHz -Input voltage:vac 220V -Normal temperature and humidity, AC 85V ~ 264V, 100mA ~ maximum current 4.2 EMI 측정입력전압상용전압 220V가인가될시잡음신호도함께인가가된다. 이때, EMI 필터를사용하여, 입력잡음신호를제거하여효율을높인다. Temper ature Thermal imaging equipment FLUKE, Ti25 -AC 220V, Full Load 1Hr withsta nding voltage Insulation Pressure Tester: KIKUSUI, TOS block + ~ - short & 2block + ~ - short, 5kV/10mA, 60sec 그림8 는신뢰성특성시험구성을나타내며제안하는파워모듈을패키징상태에서신뢰성특성분석을실시하였다. Fig. 9. EMI measurement result of proposed converter 그림 9는 EMI 측정결과이다. 일반적으로기준선보다아래로노란색의피크가나타나고있다. 이는 EMI 필터가잘작동되고그에따른입력전압의잡음이제거된다고볼수있다. 4.3 Over current protection(ocp) 측정다음은출력단에과전류가흘러부하에영향을감소하기위해서 Over Current Protection(OCP) 회로를측정하였다. OCP 측정을위해서부하단에인위적인전류를생성하여허용전류및과전류의상태를통해서부하전압의변화를관찰하여결과를그림 10에나타내었다. 0.5 A와 507

한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 1 A 의부하에서는출력전압 5 V 가측정이되었고 1.4 A 에서 4.

전원모듈의패키징은모듈이동작할때발생하는온도를줄여모듈의안전성및신뢰성을높여준다. 또한외부환경에의해서모듈에피해를받는경우에보호하는역할을한다.

Temperature measurement results of proposed converter Un-package, Package

2 가측정되었다. 그리고그림 10 에서볼수있듯이, 패키징시에는 49.2 와 47.8 가측정되었다.

OCP measurement results of proposed converter Output current 0.

5 한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, A 의부하에서는출력전압 5 V 가측정이되었고 1.4 A 에서 4.88 V 의낮은출력전압을보이고, 1.5 A 에서는 0.73V 의회로 off 상태가되는것을확인하였다. 전원모듈의패키징은모듈이동작할때발생하는온도를줄여모듈의안전성및신뢰성을높여준다. 또한외부환경에의해서모듈에피해를받는경우에보호하는역할을한다. 본측정은모듈의프로토타입의패키징유무에따라작동시발생하는온도변화를측정하였다. Fig. 11. Temperature measurement results of proposed converter Un-package, Package (c) 그림 11에서볼수있듯이, 그림11 는패키징없이모듈이작동하였을때발생하는온도를측정하였다. 측정결과왼쪽측면에 60 와중앙하단에 59.2 가측정되었다. 그리고그림 10 에서볼수있듯이, 패키징시에는 49.2 와 47.8 가측정되었다. 결과로패키징을통해서모듈이오랜시간동작하여도안전하게유지될것으로사료된다. (d) Fig. 10. OCP measurement results of proposed converter Output current 0.5A, Output current 1A (c) Output current 1.4A, (d) Output current 1.5A 4.4 전원모듈의온도신뢰성해석전원모듈을챔버에넣어 -10 에서 80 까지온도를서서히증가시켰을때부하저항의전압을측정하였다. -10 에서 79 까지거의변화하지않고 80 에서전압이급격히감소하였다. 508

가전기기용직류전원모듈설계및신뢰성특성해석 Fig. 13. withstanding voltage test tester test 5. 결론 (c) (d) Fig. 12.

5 전원모듈의내전압신뢰성해석내전압테스트는 1차단회로와 2차단회로사이에트랜스퍼를기점으로완전한절연상태를확인하기위한신뢰성테스트이다. 내전압테스트실험조건은 1차단에교류 220V, 2차단을단락시키고테스트전압 3kV~5kV, 5mA일때 60초간실험을실시하였다.

Test board PCB를제작하여각종측정항목을측정하였다. 측정결과 73% 의효율및 1.4 A OCP 허용전류를확인하였다. 본모듈은가전제품을위한소형전원모듈 AC-DC 변환기에적합하게사용될것이라고사료된다.

5% efficiency, 400-mA current-mode dc-dc buck converter with watchdog functions. In: SoC Design Conference (ISOCC), 2009 International.

A study on Design of PMIC of SEPIC/BOOST Topology with Integrated current sensing circuit. Inha University Master degree, 2011. [3] B. W.

6 가전기기용직류전원모듈설계및신뢰성특성해석 Fig. 13. withstanding voltage test tester test 5. 결론 (c) (d) Fig. 12. Measurement results of Power module according to temperature change -10, 10, (c) 50, (d) 전원모듈의내전압신뢰성해석내전압테스트는 1차단회로와 2차단회로사이에트랜스퍼를기점으로완전한절연상태를확인하기위한신뢰성테스트이다. 내전압테스트실험조건은 1차단에교류 220V, 2차단을단락시키고테스트전압 3kV~5kV, 5mA일때 60초간실험을실시하였다. 테스트전압 4.5 kv부터파워모듈의오작동이발생하였다. 본논문은가전제품을위한소형전원모듈 AC-DC 변환기를설계및측정을하였다. 제안하는모듈은 PWM 방식으로상용전압 (220 V) 입력전압과 5 V의출력전압, 200kHz의스위칭주파수를갖는다. Test board PCB를제작하여각종측정항목을측정하였다. 측정결과 73% 의효율및 1.4 A OCP 허용전류를확인하였다. 본모듈은가전제품을위한소형전원모듈 AC-DC 변환기에적합하게사용될것이라고사료된다. References [1] AHN, Youngkook; NAM, Hyunseok; ROH, Jeongjin. A 93.5% efficiency, 400-mA current-mode dc-dc buck converter with watchdog functions. In: SoC Design Conference (ISOCC), 2009 International. IEEE, pp , DOI: [2] PIAO, L. M. A study on Design of PMIC of SEPIC/BOOST Topology with Integrated current sensing circuit. Inha University Master degree, [3] B. W. Kim and J. Hur, Technology trend of green car power module, Communications of the Korea Information Science Society, vol. 28 no. 7, pp [4] ZHANG, Xin, et al. A 0.6-V input 94% peak efficiency CCM/DCM digital buck converter in 40-nm CMOS with dual-mode-body-biased zero-crossing detector. In: Solid-State Circuits Conference (A-SSCC), 2013 IEEE Asian. IEEE, pp , DOI: [5] YOON, Jeong-Won, et al. Power Module Packaging Technology with Extended Reliability for Electric Vehicle Applications. Journal of the Microelectronics and Packaging Society, vol. 21, no. 4, pp. 1-13, DOI: 509

Song) [ 정회원 ] 1986 년 2 월 : 한양대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1988 년 2 월 : 한양대학교전자공학과 ( 공학석사 )

7 한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 모영세 (Young-Sea Mo) [ 준회원 ] 2017 년 2 월 : 인제대학교나노융합공학부 ( 공학사 ) 2017 년 2 월 ~ 현재 : 인제대학교나노융합공학과재학중 < 관심분야 > 반도체, 회로설계, 소자 송한정 (Han-Jung Song) [ 정회원 ] 1986 년 2 월 : 한양대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1988 년 2 월 : 한양대학교전자공학과 ( 공학석사 ) 2000 년 2 월 : 한양대학교전자공학과 ( 공학박사 ) 2004 년 3 월 ~ 현재 : 인제대학교나노공학과정교수 < 관심분야 > 반도체소자신뢰성및회로설계 510

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<35335FBCDBC7D1C1A42DB8E2B8AEBDBAC5CDC0C720C0FCB1E2C0FB20C6AFBCBA20BAD0BCAE2E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 2 pp. 1051-1058, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.2.1051 멤리스터의 전기적 특성 분석을 위한 PSPICE 회로 해석 김부강 1, 박호종 2, 박용수 3, 송한정 1*