엔지니어 인터뷰

포토 커플러가 필요없는 절연형 플라이백 DC-DC 컨버터：포토 커플러의 유지보수에서 해방! 소형 · 간단 설계

2019.04.11

로옴은, 2차측으로부터의 출력전압 피드백을 이용하지 않고 출력을 안정화시키는 절연형 플라이백 DC-DC 컨버터 IC를 개발하였습니다. 절연형 플라이백 컨버터는, FA 기기 및 산업기기의 전원에 자주 사용되며, 피드백 경로의 절연을 위해 포토 커플러 및 트랜스의 보조 권선을 이용합니다. 그러나, 포토 커플러는 다른 구성 부품에 비해 수명이 짧아, 유지보수에 대한 과제가 있습니다. 「BD7F 시리즈」는 포토 커플러 및 보조 권선을 사용하지 않고 출력을 안정화시킴과 동시에 소형화 및 설계 간략화, 그리고 기존의 플라이백 컨버터에서는 실현하지 못했던 안정성과 과도 응답 특성을 실현하였습니다. 이러한 「BD7F 시리즈」에 대해 자세히 알기 위해, 로옴의 어플리케이션 엔지니어인 이마무라 요우쥬씨를 인터뷰하였습니다.

－「BD7F 시리즈」는 포토 커플러를 사용하지 않는 절연형 플라이백 컨버터 IC라고 들었습니다. 우선 이 제품의 컨셉에 대해 설명해 주십시오.

「BD7F 시리즈」는, 기존의 절연형 플라이백 컨버터의 과제를 해결할 목적으로 개발하였습니다. 절연형 플라이백 컨버터의 과제에 대한 이해를 위해, 우선 기존의 절연형 플라이백 컨버터 회로 구성에 대해 설명하겠습니다.

일반적으로 절연형 플라이백 컨버터는, 출력 안정화를 위해 2차측의 출력전압을 1차측의 제어 회로로 피드백할 필요가 있습니다. 이러한 피드백 루프를 통한 출력 안정화는 컨버터의 방식 및 절연, 비절연에 관계 없이 안정화 전원에서는 기본적인 제어 방법입니다.

절연형 플라이백 컨버터는, 입력과 제어 회로가 있는 1차측과 출력의 2차측은 트랜스에 의해 절연되어 있지만, 2차측 출력을 배선을 통해 그대로 1차측으로 피드백하게 되면, 2차측과 1차측은 도통되어 절연 전원으로서 성립하지 않게 됩니다. 절연을 유지하기 위해서는, 피드백 경로를 절연할 필요가 있으며, 일반적으로 절연 소자인 포토 커플러나 트랜스의 보조 권선 (3차 권선이라고도 함)을 추가하는 방법을 사용합니다.

우측의 회로도는 위쪽이 포토 커플러, 아래쪽이 보조 권선에 의한 피드백 경로의 절연을 나타낸 모식도입니다. 앞에서 설명한 것처럼 출력 VOUT 전압이 포토 커플러를 통해 제어 IC의 FB Pin에 피드백됩니다. 이 회로에서는 포토 커플러 외에 여러개의 저항과 콘덴서, 션트 레귤레이터 (전압 레퍼런스)가 필요하며, 포토 커플러의 콜렉터 전원도 필요합니다. 이 경우, 부품수가 증가하여 회로 설계도 필요하게 됩니다.

아래쪽의 보조 권선을 사용한 예에서는, 우선 보조 권선이 있는 트랜스를 준비해야 하므로, 기본적으로 트랜스 설계가 필요합니다. 그 외에 정류용 콘덴서와 다이오드, 그리고 저항이 필요합니다. 트랜스는 권선 1개를 늘리는 것이므로, 당연히 커지게 됩니다.

－확실히 설계가 조금 까다로워 보이네요.

양쪽 모두 기존 방식은 추가 부품과 회로 설계가 필요하고, 회로 규모가 커진다는 과제가 있습니다.

그리고, 매우 큰 과제가 하나 더 있습니다. 포토 커플러는 다른 부품에 비해, 수명이 짧은 부품입니다.
실제로 발광 다이오드가 발광하는 경우도 있어, 경년열화로 인해 제기능을 다하지 못하게 됩니다. 즉, 수명이 다하게 됩니다. IC의 경우 수명이 다할 때까지 사용하는 경우는 없습니다. 내용연수 (耐用年数)를 훨씬 뛰어넘는 수명을 가지기 때문입니다. 최근의 포토 커플러는 이러한 과제를 개선하고 있다고 하지만, 메이커나 품종에 따라 제각각인 것 같습니다.

－구체적으로 수명이 어느 정도입니까?

사용 조건에 따라 다르기 때문에 일률적으로는 말씀드리기 어렵습니다. 반대로, 흐르는 전류 및 사용 온도, 가동률 등을 고려하여, 예를 들어 「동작 수명 10년」을 확보할 수 있도록 설계하는 케이스가 많을지도 모르겠습니다. 그러나 모든 설계에 이러한 고려가 반영되어 있다고 단정짓기 어렵고, 포토 커플러 자체의 수명도 비용 등의 관계에 따라 다양합니다.

－10년 동작 가능 여부는 별개로, 그 정도의 수명이라면, 내용연수가 긴 산업기기 등에서는 문제가 되지 않을까요?

그것은 중요한 포인트입니다. IC 등에 비해 수명이 짧은 것은 명백하므로 조금 극단적일지도 모르겠지만, 포토 커플러를 사용한 절연 전원의 수명은 곧, 포토 커플러의 수명과 같다고 할 수 있습니다.

－그것은 괜찮은건가요?

괜찮다고는 할 수 없습니다. 누구나 가능한 오랫동안 가동하길 원합니다. 단지 현재로서는 수명을 예상하여 유지보수를 실시하고 있습니다. 대부분의 경우 신뢰성의 배스터브 곡선 (bathtub curve)에서 말하는 마모고장 기간에 접어들기 전에 교환하게 됩니다. 포토 커플러만을 교환하는 경우는 드물며, 전원이 모듈이나 유닛이라면 그 자체를 교환하는 것입니다.

－그런 이유로 BD7F 시리즈는, 「포토 커플러 불필요」라는 점을 가장 내세우는 것이군요.

부품수가 줄어 설계가 간단해지는 것은 비용면에서도 장점이지만, 무엇보다도 전원의 수명이 늘어남으로써 유지보수의 간격을 길게 잡을 수 있어 유지보수 비용의 삭감이 가능하다는 점이 가장 큰 장점이라고 생각합니다. 이는, 내용연수가 긴 산업기기 등에서는, 내용연수가 단순히 늘어나는 것보다 중요할지도 모르겠습니다. 이러한 점을 이해하시면, 이 제품의 장점을 이해하실 수 있을 것입니다.

－BD7F 시리즈를 사용한 절연형 플라이백 컨버터의 회로는 어떻게 구성되어 있습니까?

우측 회로도를 참조하여 주십시오. 처음에 보셨던 기존 방법과 비교할 필요도 없습니다. 회로에서, FB Pin으로의 피드백은 트랜스의 1차측 권선에서 담당하고 있으며, 저항만 1개 삽입되어 있습니다. 보시는바와 같이 2차측에서의 피드백 경로가 없으므로, 기존 방법에서는 절연을 위해 반드시 필요했던 포토 커플러 및 보조 권선은 존재하지 않습니다.