1 높은 전력 밀도로 솔루션 크기를 줄이는 동시에 EMI 요구 사항을 충족하는 방법

절연 바이어스 전원의 설계에는 보드 공간, 열 성능 및 전기 절연과 같은 여러 제약 조건의 균형을 맞춰야 하는 경우가 많습니다. 전기 자동차 트랙션 시스템 또는 데이터 센터 전원 아키텍처와 같은 애플리케이션에서는 고전압 도메인(≥800V인 경우가 많음)과 저전압 제어 회로 간에 절연을 제공해야 합니다.

기존의 설계는 개별 플라이백 컨버터 토폴로지를 사용하여 절연 바이어스 전원을 구현합니다. 이러한 구현에서는 일반적으로 변압기가 PCB(인쇄 회로 보드)에서 가장 큰 부품이며, 달성 가능한 전력 밀도가 제한되고 솔루션 높이가 증가합니다.

IsoShield 기술을 적용한 절연 바이어스 전원 모듈은 패키지 내부에 직접 평면 변압기를 통합하고(그림 1에 나타나 있음) 독점적인 본딩 연결을 사용하는 다중 칩 솔루션을 통해 매우 작은 절연 모듈을 구현함으로써 시스템 설계에서 최적화된 크기 요구 사항을 충족하는 고전력 밀도를 실현합니다.

중간 전압용 UCC34141-Q1과 저전압용 UCC33420-Q1은 약 1.5W의 절연 출력 전력을 제공합니다. 전자는 5.85mm x 7.50mm x 2.65mm SOIC(소형 아웃라인 집적 회로) 패키지로 제공되며 후자는 4mm x 5mm x 1mm의 WSON(초소형 무리드 아웃라인) 패키지로 제공됩니다.

이러한 전원 모듈은 변압기와 스위칭 부품을 통합함으로써 개별 플라이백 구현 대비 바이어스 전원 솔루션 면적을 약 70%, 기존 통합 변압기 솔루션 대비 35% 이상 줄일 수 있습니다. 이러한 감소는 300% 이상의 전력 밀도 개선으로 이어집니다.

풋프린트 감소 외에도 수직 프로파일이 크게 줄어듭니다. 기존 설계에서 가장 높은 부품인 개별 변압기를 제거하면 모듈 높이를 1mm까지 낮출 수 있고, 이는 공간이 제약된 애플리케이션에 특히 유용합니다. 그림 2은(는) 개별 플라이백 컨버터 구현(좌측)에서 완전 통합 솔루션(우측)으로 전환할 때의 솔루션 면적 감소를 보여줍니다.

열 성능과 EMI(전자기 간섭)은 고밀도 솔루션과 관련된 경우가 많습니다. 그러나 최적화된 패키징 및 내부 레이아웃은 최소 필터링만 사용하여 CISPR(Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) 25 및 CISPR 32를 준수하면서 열 소실을 기존 모듈 대비 30%까지 개선할 수 있습니다(그림 3).

표준 절연 바이어스 전원을 위한 EMI 솔루션을 설계하는 것은 간단하지 않은 작업입니다. 비용이 많이 드는 필터링 부품과 개별 구현 방식 고유의 필터링 요건 사이에서 균형을 맞추려면 경험, 시간 및 테스트가 필요합니다. 통합 솔루션의 특성상 필터링 요건이 훨씬 더 표준화되어 있습니다. TI는 이 점을 활용하여 CISPR 표준을 통과하는 EMI 솔루션 구현 방법을 설명하는 애플리케이션 노트를 개발했습니다.

그림 4에 나타난 레이아웃은 작은 솔루션과 필터 크기로 CISPR 25 클래스 5 요건을 충족합니다. 몇 가지 레이아웃 기법과 결합하면 CISPR 25 클래스 5를 통과하는 데 필요한 추가 BOM 부품이 매우 적습니다. 이 예에서는 강조 표시된 커패시터, 인덕터, 페라이트 비드를 사용합니다.

여러 레이아웃 기술로 필터링 부품 수를 더욱 줄일 수 있습니다. 고주파 필터링 커패시터 C1 및 C7을 IC에 매우 가깝게 배치하면 고주파 잡음을 최소화할 수 있습니다. 필터링 인덕터와 페라이트 비드 아래의 구리를 제거하면 기생을 통한 누설이 최소화되고, 인쇄 회로 보드의 하단 레이어에서 접지면을 확장하면 패러데이 케이지가 생성됩니다.