제품군 설계고려사항 소개 는 전압이인가되었을경우, 입력필터커패시터방전저항과연관된손실을줄이기위해설계된자체구동식 IC 제품군입니다. 방전저항과직렬로연결하도록설계된각 디바이스는 SO-8 패키지의 감지기와 MOSFET 의손실을포함합니다. 입력전압이인가되었을경우, 는계속 OFF 상태로되어있어방전경로에서전류흐름을차단하고전력손실을방지합니다. 가제거되면 가 ON 이되고저항에서스위칭되어입력필터커패시턴스를방전할수있습니다. 는 라인에서공급받아자체적으로구동되는제품이며소비전력은 230V 에서 5mW 미만입니다. 패키지의크기가작기때문에, IC 를 X 커패시터의바로아래쪽, 즉 PCB( 인쇄회로기판 ) 의뒷면에배치할수있습니다. 이렇게하면 PCB 를대대적으로재설계할필요없이기존설계를이용할수있으므로소비전력이줄어드는이점이있습니다. 배경 모터드라이브, 가전제품, 일반적인산업기기, 파워서플라이등의오프라인스위칭전력전자제품애플리케이션에는 EMI( 전자파간섭 ) 를발생시키는고전압및고전류스위칭파형을가지고있습니다. 이러한 EMI( 전자파간섭 ) 를줄이기위해 입력에필터스테이지가포함되어있습니다 ( 그림 1). 디퍼렌셜모드 EMI 를줄이기위해일반적으로이러한필터의일부로써커패시터가 입력단자에직접연결, 배치됩니다. 안전기관에서승인한커패시터위치때문에일반적으로 X 클래스커패시터 (X 커패시터 ) 가선택됩니다. X 커패시터는 라인전체의서지를견딜수있는정격이어야하고특정정격전압을나타내는숫자가같이표시됩니다 (X1, X2, X3). 커패시터를입력단자의양단에사용하기때문에, 입력전압의피크전압까지 플러그의단자에나타날수있습니다. 따라서사용자가만질경우감전당하거나 플러그단자를단락시키는경우스파크가발생할수있습니다. 안전기관에서는이러한위험을방지하기위해파워서플라이의플러그를뽑은다음 100nF 보다큰커패시터는시정수 1 초이하로자동으로방전되도록의무화하고있습니다. 일반적으로이는방전저항을커패시터양단에직접배치시키면가능합니다. 저항값으로는 1 초시정수요구사항에맞는값이선택되고안전기관의단일장애점테스트를만족시키기위하여일반적으로두개의저항이직렬로연결됩니다. 저항하나가단락되면두번째저항이 입력전체에서단락회로를방지합니다. 방전저항이있으면 전류가흐르는동안정전력손실이발생합니다. 무부하및대기입력전력요구량이엄격할수록이러한전력손실이전체허용전력용량에차지하는부분이커집니다. 예를들면입력 전체에 1µF 커패시턴스를사용하는파워서플라이에는출력부하와무관하게 230V 에서 53mW 가손실되는 1MW 의최대방전저항값이필요합니다. 그림 2 는 RC 시정수가 0.75 초일때 X 커패시터값의일반적인방전저항손실을나타내고있습니다. 0.75 초는커패시터와저항의오차를고려하여시정수최대값이라도방전시간이 1 초미만이될수있도록마진을포함한값입니다. 그림 1. 350 300 250 200 150 100 50 그림 2. IN F1 C1 L1 C2 PI-5911-040810 두개의 X 클래스커패시터 (C1, C2) 및방전저항 (, ) 을사용하는스위칭전원컨버터의 EMI 필터스테이지예 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 X 커패시터방전저항과라인전압의손실비교. 0.75 초의 RC 시정수에대한데이터 2010 년 4 월
빠른시작 1 단계 올바른 디바이스크기및방전저항값선택 표 1 에서총입력단커패시턴스에따라 디바이스및방전저항을선택하십시오. 표 1 에는 0.75 초의 RC 시정수를사용하여 5% 의저항오차와 20% 의총커패시턴스오차가계산되어있습니다. 2 단계 적절한 정격전압선택 의정격전압은 825V 와 1kV 입니다. 825V 정격은디퍼렌셜라인서지요구사항이 1kV 미만인대부분의가정용제품애플리케이션에적합합니다. 디바이스에발생되는최대전압스트레스를제한하기위해 MOV( 금속산화물바리스터 ) 를함께사용하면그외나머지라인서지요구사항에 1kV 정격 디바이스가적용될수있습니다. 부품선택표 제품 BV DSS 최대합계 X- 커패시턴스 CAP002DG CAP012DG CAP003DG CAP013DG CAP004DG CAP014DG CAP005DG CAP015DG CAP006DG CAP016DG CAP007DG CAP017DG CAP008DG CAP018DG CAP009DG CAP019DG 표 1. 부품선택표 500nF 750nF 1mF 1.5mF 2mF 2.5mF 3.5mF 5mF 총직렬저항 ( + ) 1.5MW 1.02MW 780kW 480kW 360kW 300kW 200kW 150kW 표 2. 설계팁 디퍼렌셜라인서지수준 <1kV 권장 정격전압 825V 1 kv 참고 일반적으로 MOV 가필요하지않음 >1kV MOV 권장 정격전압선택과디퍼렌셜서지내성요구사항비교 의권장회로배치디퍼렌셜서지가 1kV 보다높은경우, MOV 를사용하는것이좋습니다. MOV 가있으면 X 커패시터및 의전압스트레스가크게줄어듭니다. 이는그림 3 에서확인할수있습니다. 여기에는디퍼렌셜서지전압범위가 1kV~3kV 인 디바이스전체에걸친최대전압이표시되어있습니다. 1 kv (a) (b) (c) (d) (e) CX MOV 0 V PI-5901-041310 그림 3. 싱글스테이지 EMI 필터에대한권장 배치. 파형은 MOV 가있는 전체에걸친피크전압을표시. 200V/ 구간및시간기준 = 50μs/div. (a)~(e) 파형은디퍼렌셜모드입력서지전압이각각 1kV, 1.5kV, 2kV, 2.5kV, 3kV 일때 디바이스전체에걸친전압을나타냄. 사용된 MOV 는 14mm 275V 임 2
MOV 가클램핑할때큰전류가 MOV 를통해흐르므로입력단에서필터부품전체에걸쳐전압이크게떨어질수있습니다. 그러므로디퍼렌셜서지이벤트중에디바이스전체에걸친전압을최소화하기위해 가 MOV 에가까이배치되는것을권장합니다. MOV 가인덕터필터부품앞의파워서플라이입력측에배치된설계 ( 그림 3) 의경우, 를 X 커패시터바로아래에배치할수있습니다. MOV 가커먼모드초크, 디퍼렌셜초크또는다른 EMI 필터부품뒤에배치된설계 ( 그림 4) 의경우, 를 MOV 와가깝도록커먼모드초크뒤에배치하는것이좋습니다. X 커패시터가시스템입력퓨즈의 입력측에있는경우는여기에서제외됩니다. 이경우에서안전요구사항을충족하기위해 X 커패시터가 100nF 보다크면일반적으로 도시스템입력퓨즈앞의 X 커패시터와정격전압전체에바로배치해야합니다. 는이러한배치에서안전요구사항을충족하도록설계되었습니다. 아래 안전고려사항 을참조하십시오. 전압스트레스를줄이기위한외부병렬커패시터추가 MOV 를사용하는것이좋을경우에일부설계에서외부커패시터 C EXT ( 그림 5) 를 에걸치도록배치하면서지전압스트레스를충분히줄일수있습니다. 이커패시터는 입력단자에직접배치되지않으므로 X 클래스유형일필요는없으나정격값이사용중인 와같거나더높아야합니다. 그림 6 에는 MOV 를사용하지않는설계에서 디바이스에외부커패시턴스를추가연결할경우미치는영향이나와있습니다. 서지수준이 1.5kV 에서외부커패시터가없는경우, 디바이스는해당정격 BV DSS 를초과하나 C EXT 값이증가되면서전압수준은낮아지는것을볼수있습니다. 권장 C EXT 값은 22pF~47pF 이며주변온도가 85ºC 보다높은경우 47pF 커패시터는사용하지않는것이좋습니다. 또한, 47pF 이넘는크기의커패시터사용도권장하지않습니다. X Capacitor1 X Capacitor2 MOV PI-5896-041310 그림 4. 입력커먼모드초크뒤에 MOV 가배치되고두개의스테이지 EMI 필터를사용한경우의권장 배치 MOV POS1 MOV POS2 C EXT Other EMI Filter Components X Capacitor1 X Capacitor2 PI-5609-041210 그림 5. 에외부커패시터를추가하면서지이벤트중디바이스전체에걸친전압스트레스를줄일수있음 3
No C EXT ΔV = 1024 V C EXT = 22 pf ΔV = 1016 V 0 V 0 V C EXT = 33 pf ΔV = 972 V C EXT = 47 pf ΔV = 912 V 0 V 0 V PI-5902-040110 그림 6. 에추가된외부커패시터는서지이벤트중에발생되는피크전압을줄일수있음. MOV 사용안함, 1.5kV 서지. 200V/div., 시간기준 = 50μs/div 외부커패시터를사용하면, 예를들어 2 x 390kW 외부저항 (1mF X 커패시터 ) 과 47pF 의 C EXT 를사용하는경우, 의전압스트레스를최대 100V 까지줄일수있습니다. C EXT 를사용하면무부하소비전력이약간증가합니다. 디바이스전압스트레스측정디퍼렌셜라인서지테스트중에 IC 전체에걸친전압스트레스를측정하려면단자하나 ( 또는 ) 를 중성단자에연결할수있도록 를배치해야합니다. 이렇게하면커먼모드노이즈로인한영향을줄일수있습니다. 오실로스코프프로브팁과접지리드사이의공간은최소화해야합니다. 마지막으로, 서지테스트를수행하는동안오실로스코프를플로팅하거나배터리구동식오실로스코프를사용해야합니다. 스코프섀시는높은접지전위특성을보이므로스코프를플로팅할때주의해야합니다. 디바이스양단에서측정한서지전압이해당정격 BV DSS 보다낮은지확인하십시오. 서지강도서지신호의강도는 IEC( 국제전기표준위원회 ) 에서발표한 IEC61000-4-5 표준에정의되어있습니다. 파워서플라이의작동환경에따른서지전압수준이표 3 에나와있습니다. 특정애플리케이션의경우, 서지수준이클래스 4 에나온수치보다더높아야할수있습니다. 서지전압이 3kV 보다높은경우, 양단에외부커패시터를사용하면각단자의전압스트레스를위에나온것처럼몇백볼트만큼줄일수있습니다. 서지전압이높은경우, 관련에너지가매우높으며이러한과도한에너지를처리할수있는적절한 MOV 를선택해야합니다. 바리스터의정격에너지는 MOV 에서에너지를안전하게흡수할수있도록시스템에전가된에너지보다높아야합니다. 4
클래스 디퍼렌셜모드서지 Z OUT = 2W 커먼모드서지설명 Z OUT = 12W UPS( 무정전파워서플라이 ) 와함께사용 UPS 시스템에서는구형파출력파형이나오는데이는특성상 이지만사인파는아닙니다. 는이러한입력파형을받아들일수있습니다. 표 3. 1 요구사항없음 0.5kV 보호된환경 2 0.5kV 1kV 3 1kV 2kV 4 2kV 4kV 5 >2kV >4kV 서지전압레벨 케이블이잘구분되어있는전기적환경 케이블 ( 전력및전자 ) 이병렬로연결된전기적환경 ( 주거환경 ) 케이블 ( 전력및전자 ) 이병렬로연결된전기적환경 ( 산업환경 ) 열악한서지환경 ( 교외 / 인구가드문지역 ) DC 입력환경에서의사용 는입력에서감지되는 전압에영향을받으므로 DC 입력하에서 는항상 ON 상태로되어있습니다. 이렇게하면 사용으로인해에너지를절약할수없지만 는충분히동작가능한모드입니다. 안전고려사항및단일장애점테스트모든오프라인파워서플라이처럼 를사용하는경우에도모든안전요구사항을충족해야합니다. 따라서 에는 과 단자에각각전용핀이있어단일장애점테스트 ( 핀단락 / 핀개방테스트 ) 중에예비성을제공합니다. 그러므로핀하나가디바이스또는 PCB 와연결이끊어지더라도 IC 가계속정상작동할수있습니다. 핀단락시에도테스트결과는 를사용하지않을때와같으며직렬연결된방전저항이계속안전한상태를유지하게됩니다. 표 4 에는단일장애점테스트결과가요약되어있습니다. 무부하입력전력의정확한측정 X 커패시터는실제전력을소비하지않지만이로인해상당한무효전류가 소스로부터흐르게됩니다. 그림 7 에서처럼이러한무효전류는 소스와전력측정기에파워서플라이를연결하는케이블에서실제전력손실을발생시킵니다. 이러한케이블손실은무부하및저부하입력전력에서측정값이부정확하게나오는원인이됩니다. 일반적으로이러한손실과비교하면방전저항의소비전력은훨씬더높습니다. 그러나 를사용하면이러한손실이방지되므로케이블손실이무부하손실의대부분을차지하게됩니다. 테스트기존시스템테스트 등가회로설명 오픈회로 : 디바이스의핀하나의연결을끊고시스템에미치는영향확인 CX 디바이스핀하나를제거해도드레인단자두곳에핀이각각연결되어있으므로아무변화가없습니다. 오픈회로를만드는유일한방법은방전저항리드중하나를제거하는것입니다. 따라서이는 를사용하지않는기존의시스템의상태와같습니다. PI-5907-041310 PI-5905-041310 단락회로 : 인접한핀두개를단락시키고시스템에미치는영향확인 CX X Capacitor 및 핀을단락시키면 를사용하지않는기존시스템의상태와동일한상태가됩니다. PI-5908-041310 PI-5906-041310 표 4. 의장애모드와관련된 SPOF( 단일장애점 ) 테스트. 는두가지테스트를모두통과함 5
또한입력전력이낮을경우, MOV 의누설전류도고려해야합니다. 일반적으로이러한누설전류는약 10mA 이며, 265V 일때무부하소비전력이 1mW~2mW 까지증가할수있습니다. P MEAS = P CABLE + P PS P CABLE P PS 따라서 IC 의소비전력을측정하려면회로에서 X 커패시터및 MOV( 사용할경우 ) 와의연결을끊어야합니다. Power Meter R LINE Power Supply 또한전력측정기를구성할때전압센싱요소에서공급받는전류는측정에서제외하도록해야합니다. R NEUTRAL PI-5913-041310 그림 7. 측정한전력은많은량의 RMS 전류로인해값이잘못나와케이블에측정가능한전력손실이발생할수있음 6
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