Switched � Mode Power Supply by 8xpR3mg1

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									Switched – Mode Power Supply

   1.   Topology of SMPS
   2.   Feedback Network
   3.   IC 주변회로
   4.   KA3842
   5.   FAN7554 / FAN7556
                1. Topology of SMPS


•   SMPS(Switched-Mode Power Supply)는 전력용 트랜지스터등 반도체
    소자를 스위치로 사용하여 직류 입력전압을 일단 구형파 형태의 전압
    으로 변환한 후 필터를 통하여 제어된 후 직류 출력전압을 얻는 장치이
    다.
    이 때 직류 출력전압의 제어는 스위치의 ON, OFF기간을 제어함으로써
    이루어진다. SMPS의 동작은 직류(입력)에서 직류(출력)로의 변환(DC-
    DC Conversion)을 기본으로 하고 있으므로 SMPS를 DC-DC 컨버터라
    고 부르기도 한다.
              SMPS의 종류


 절연상태                종류             상태

Nonisolated    Buck Converter      Vi>Vo
              Boost Converter      Vi<Vo
                 Buck-Boost     Vi>(or <)Vo

 Isolated         Flyback          <200W
                  Forward          <300W
                 Push-pull         <500W

                Half-Bridge        <1kW

                Full-Bridge        <2kW
      Buck( Step-down ) Converter

                      iDS            +   VL   -   iL
 +     + V DS -                                             +
Vin               -                                             Vo
                                         Lo
       Q1       Vg          +
            +
                      D1        VD                     Co

                            -




            Vin > Vo            , Vo = DVin
           Boost( Step-up ) Converter

      iL    + VL -                 iD   D1
 +                                                 +
Vin                                                    Vo
              L      iDS    +
                     Q1
                            V DS              Co

                            -




              Vin < Vo     , Vo = Vin/(1-D)
      Buck - Boost( Up - Down ) Converter
        iDS                              D1
  +           + VDS   -
Vin
                          iL
              Q1                    +                       -

                               L    VL                 Co   Vo
                                    -
                                                            +




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

                                N1     N2    D1   iD    Io

 +               +         im                           +
                                                   ic
                 VT        Lm                                부하
                                                  Co    Vo

                 -                                      -
Vin
                  isw
            Q1
                  +
      +           Vce
      VB          -
 -    -



                      N2               D    Vin
          Vo =
                      N1             1-D
                2. Feedback Network
• Voltage Mode Control

 - Vo만 검출하므로 Dynamic Response가 느리다.
 - Compensation Network 복잡(Z1과 Z2가 복잡)하다.
 - Saw Tooth Wave의 frequency에 의해 switching frequency가 결정된다.
 - KA7500(OP Amp 2개)

• Current Mode Control
 - Vo 및 iL을 검출하므로 dynamic response가 빠르다.
 - Compensation Network가 간단하다.
 - OSC에 의해 switching frequency가 결정된다.
 - KA 3842
           Voltage mode control
                        iDS                 +   VL    -   iL
 +    + V DS    -                                                        +
Vin                 -                                                        Vo
                                                Lo
      Q1        Vg            +
            +
                        D1        VD                                Co
      구동 회로
                              -

                                       z1
                                                 z2
                          +             E/A
                        COM   Vc
                          -                     Vr




                                                               Vo



                                                               Vc




                                                                COM
                                                                OUTPUT
                     Current Mode Control
          iL     +   VL      -                           iD   D1
 +                                                                       +
Vin                                                                          Vo
                         L             iDS
                                       Q1         +
                     구동회로                         V DS              Co
                                                  -




                                   +               z1
               Q     R           COM                           z2
                                   -                 E/A
                                             Vc
                     S                                        Vr

                                              OSC



      OSC
      output




                             Vc



      i DS



        F/F
        output
       3. IC 주변회로


• Inrush Current
• Snubber circuits
• Optical Coupler
• Soft Start
                            Inrush Current

•   전원 스위치를 turn-on 했을 때 초기 상태에서는 평활 콘덴서의 충
    전 전하가 0이므로 단락상태와 같기 때문에 흐르는 전류이다.

         I(p)rush = Vm/ZL          Irush = (Vm - Vc)/ZL


    1) 돌입전류 제한 방법
      (1) 저항
                                          R은 보통 cement 저항 사용
                                          문제점 : 정상 동작시 R*Iin2 손실로
                Iin
                             R                            인한 R에서의 발열
                                           R을 줄이면 돌입전류가 증가한다.
                             Cin
   (2) Power Thermistor



• 저항 R자리에 NTC( Negative Temperature Coefficient ) 삽입
• NTC : 저온시에는 큰 저항값을 나타내고 온도가 상승함에 따라서
     낮은 저항이 된다.
• 문제점 : NTC의 온도변화보다 빠른 속도로 전원 스위치를 ON/OFF 시
      보호기능이 떨어진다.
(3) Thyristor

                      R1


  Iin                 R2   N1
            SCR

                R


                Cin
                           Q




         • Bridge diode     1) --> R --> Cin
                            2) --> SCR--> Cin
         • R은 비교적 큰 값( 50 W 정도)
         • 단점 : 가격이 비싸다.
              Snubber Circuits

• 스위칭 MOSFET이 turn-off한 순간의 급격한 드레인-소스간의 전압
의 상승을 방지하고 MOSFET의 드레인-소스간 전압이 안전동작영역
에 들어가도록 함과 동시에 외부로 나가는 필요없는 잡음을 감소시키
는 동작을 한다.




                   실제 VDS,peak = Vin+VLl1+(N1/N2)Vo+(N1/N2)VLl2
                           Vo'L = VLl1+(N1/N2)VLl2
                   여기서 VLl1 : 1차측 누설 인덕터 전압
                          VLl2 : 2차측 누설 인덕터 전압
(1) Voltage Clamping Snubber(Trans Snubber)



                                     • 이 회로는 콘덴서 C의 전압이 항
                                     상 높은 레벨로 충전되어 있기 때문
                                     에 스위칭 MOSFET의 드레인 전압
                                     의 상승부분에는 전혀 효과가 없고,
                                     드레인 전압이 콘덴서 C의 전압값
                                     보다도 높아진 순간에만 효과가 있
                                     다.
                                     • C가 클수록 DVc가 줄어들고 Vcp
                                     도 줄어든다.
                                     • Vc,ave조정은 저항 R로 한다.
                                      저항이 작으면 전압은 낮아지지
                                     만 저항 소비전력이 증가한다.
                                              PR = VC2 / R
(2) R. C. D Snubber(충방전형 RCD Snubber)



                                  • 스위칭 MOSFET의 turn-off한 순
                                  간, 콘덴서 C와 다이오드 D로 전류
                                  가 흘려서 MOSFET의 드레인-소
                                  스간의 전압 상승 속도를 떨어지게
                                  한다.
                                  • 스위칭 MOSFET이 turn-on한 순
                                  간 콘덴서의 C의 전하를 저항 R을
                                  통해 급속히 방전한다.
                                  • PR=1/2 C Vcp2 fs
Optical Coupler




          • Optocoupler는 다이오드의 순
          방향 전류 IF에 의해 발광하고,
          이 발광이 phototransistor의
          베이스에 인가되어 컬렉터 전류
          IC를 흘리게 한다.
• 2차측 출력전압을 일정하게 하기
위해 트랜지스터의 Q1의 duty를 가
변하는 regulation 회로이다.
• 주요 구성 회로
드라이브 회로 : Baker clamp,
         speed up 콘덴서
증폭기 A1 : 2차측 출력전압의 변동을
        검출하여 오차 증폭
Optocoupler : 출력전압 변동을 PWM
              IC로 전달
PWM IC : 트랜지스터 Q1의 duty 가변
         오차 증폭기 A2와 PWM 비교
         기 내장
                                    PWM IC

         Vo    _      VC3
                A1            _         A2,out
               +                   A2            _      COMout
                              +                  COM
                            Vref                 +




                                                       Vo




                                                       A2,out



                                                        COMout




Vo 상승  A1 출력 감소  optocoupler 베이스 감소  PWM IC A2의 비반
전단자 전압 감소(VC3)  A2 출력 증가  IC Comparator duty 감소  Vo 감소
                             PWM IC


      VC3              _            A2,out
                            A2               +     COMout
                       +                     COM
                                             _
                     Vref




                                                   Vo




                                                    A2,out



                                                    COMout




Vo 상승  TL431의 VREF 상승  optocoupler 베이스 증가 
PWM IC A2의 비반전단자 전압 증가(VC3)  A2 출력 감소 
IC Comparator duty 감소           Vo 감소
Soft Start
• Soft start 회로는 보통 RC network로 구성되어 있다. 전원이 막 turn-on하는
시점에서는 콘덴서 C는 0V로 되어 있어 D1을 통해 Error Amp.의 출력은 0V
로 되어 있다.
• t=0+시점에서 콘덴서 C는 Vref로부터 t=RC 시정수로 충전되어지고 C가 완전
히 충전되어지면 D1은 역바이어스 된다. 그 결과 콘덴서 C의 충전 기울기에
따라 Error Amp. 의 출력이 점점 증가함으로써 soft start를 형성할 수 있다 .
• D2는 콘덴서 C의 빠른 방전을 위함이다.
                               4. KA3842
1. 제품개요
 KA3842은 고정 주파수 방식의 Current-Mode PWM Control IC이다.
Current-Mode Control IC는 기존의 Voltage-Mode Control IC보다 Control Loop
를 설계하기가 간단하면서도 Line Regulation과 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


             VCC    7
                                      UVLO

                          34V                       5V
                                             S/R
                                                    REF
                                                                                               8
           GROUND 5
                                                                                             VREF

                                                                                 INTERNAL
                        2.50V                                                       BIAS


                                                   VREF
                                                   GOOD                                        7
                                                   LOGIC
                                                                                              VC

            RT/CT   4           OSC
                                                                                               6
                         ERROR                                               T               OUTPUT
                          AMP
                                             2R                          S
                                                                                               5
              VFB   2                                      1V           R                    POWER
                                              R                                      PWM
                                                                                    LATCH   GROUND
            COMP    1                                             CURRENT
                                                                   SENSE
          CURRENT 3                                             COMPARATOR
           SENSE
 3. Under Voltage Lockout


                                ON/OFF COMMAND
         VCC   7
                                  TO REST OF IC




                                           <17mA
                   VON    16V


                   VOFF   10V              <1mA
                                                                VCC
                                                   VOFF   VON




• UVLO회로는 제어회로의 안정된 동작을 보장하기위해 Vcc전압이 일정전압 이하일때는
동작을 멈추고 일정 전압(16V) 이상일 때 제어회로가 동작을 시작하도록 한다.
• 6V의 Hysteresis는 IC의 기동을 쉽게 작용을 한다. IC는 동작하기 전까지는 작은 전류
(Start-Up 전류, 1mA 이하)를 소비하도록 설계되어 있다.
• 기동저항을 통해서 1mA이하의 작은 전류만이 흘러 들어 오도록 설계하여 Vcc를16V까지
충전한 후 동작을 시작하면 Vcc전압이 10V까지 방전하기 전까지는 IC가 계속 동작을 할
수 있다. 이 시간동안에 출력전압을 상승시켜 Vcc에 연결된 권선을 통해 IC의 동작전류를
공급 받도록 하면 IC는 계속해서 동작을 할 수 있다.
 4. Current Sense Circuit

                                        ERROR
                                         AMP
                                            Vo      2R       Vfb

                                                         R         1V
                                 COMP
                  IS         1                                            CURRENT
                                 CURRENT
                   R                                                       SENSE
                                  SENSE
                             3                                          COMPARATOR

            Rs         C         GND
                             5




• Mosfet의 전류가 Feedback 전압에 비례하여 제어회로가 동작한다.
• Mosfet을 turn-on시키고 Current Sense 비교기는 Mosfet 전류가 Vfb에
비례하는 일정한 값이 되면 다시 turn-off시키는 동작을 반복하게 된다.


                           ZF ZF                         (Vo -1.4)R Vo -1.4
            Vo = 2.5(1 +     ) - VF              Vfb =             =
                           ZI ZI                             3R        3
5. Oscillator
                                  Large RT
                                  Small CT                     2.8V

    VREF    8                                                  1.2V


                  RT
                                                              Internal Clock

    RT/CT   4
                                Small RT
                                                      Vpin4
                  CT            Large CT
   POWER    5
  GROUND


                                                               Internal Clock




                                              1.8
                R T > 5K¥
                        Ø   À ¶ , f osc »
                            Ï §
                                             R T CT
         VCT




Internal Clock


 Compensation
    pin 4
    Current
     sense


   Output
6. Shutdown Technique


                        8   VREF
                                                  1   COMP


                        3   CURRENT   SHUT DOWN
                             SENSE


      SHUT DOWN




• 첫번째 방법은 Pin3을 1V 이상으로 올리는 것이고, 두번째는 Pin1을 1V
이하로 내리는 것이다.


• 두 방법은 PWM Comparator의 Output을 High 상태로 가게끔 한다.
PWM latch는 Reset Domainant가 되어 첫번째 Clock Pulse가 Pin 1 또는
Pin 3에서 Shutdown Signal을 제거할 때까지 Output을 Low로 남게할 것
이다.
7. 동작 설명




                                                                     Vout


                                                                R4
                      R1



   KA3842                                               TL431
                                   C1
                                                   d1           R5
              7        8
    R3        Vcc      Vref             Q1
         4                 Out 6
              Rt/Ct
    C2                Isense 3
              GND
         5                                   R2
               F/B     Com
              2             1

                                             DZ1




         R6
   1) Start 동작


• 기동저항 R1 --> C1 충전(start current 1mA이하) -->V C1 (16V) --> Mosfet Q1 Turn-on


• KA3842의 동작으로 소비전류는 17mA가 되어 기동저항 R1을 통해 공급받던 C1의 양단전
압은 점차 떨어지기 시작하며, 이 전압이 Off Voltage인 10V에 도달 하기 전에 1차측의 권선
d1의 전압이 KA3842의 Vcc를 공급해 준다.


   2) 정상 동작

  • Q1이 On 시간 동안, Transformer 2차측의 모든 Diode각 역 Bias되고 어떤 에
  너지도 전달되지 못한다.
  • Transformer 1차측 전류는 Sensor저항 R2에 의해서 감지되고, KA3842 내부에
  고정된 1V Reference 전압과 비교된다.
  • 감지된 전압이 이 Level에 도달할때, Q1은 Turn-off되고 Transformer 2차측
  Diode가 순방향 Bias되어 2차측으로 에너지를 전달한다.
 3) Feedback


• 출력전압 Vout이 저항 R4,R5에 의해 분배되고, 이 분배된 전압이 Error Amp인
Shunt Regulator TL431의 Reference단자에 인가되며, 이 전압과 IC 내부의
2.5V 기준전압과의 차이에 의해 Cathod로부터 Anode로 흐르는 전류를 제어한
다.
• 이 흐르는 전류가 Photo Coupler를 통해 1차측으로 전달되고 저항 R6의 전압
으로 변환되어 KA3842의 F/B단자(Pin2) Feedback 된다.
• Vout 증가 --> Photo Coupler 전류 증가 --> R6 전압 증가
 KA3842내부의 Vfb 낮아짐 --> Duty가 감소 --> Vout 감소
• 2차측 전압이 낮아질때는 이와 반대로 동작하게 되어 전체적으로 Regulation
이 이루어 지게 되는 것이다.
                                             Off-Line PWM Control IC (FAN7554)
                                         BLOCK DIAGRAM                                                                                 Description
                                                                 Rt/Ct                 Vre                Vcc           The FAN7554 is a fixed frequency current mode
                                                                                       f8
                                                                  4                                       7             PWM Control IC
                                 3.5
                                 V
                                         -
                                                     S                                                                                   Features
                                                             Q
                                                                                                                        Supply Voltage : 30V
                                        +                R

              Vre                                                     of                     UVL
                                                                         PW                      +
        100
              f                                                        f
                                                                          R            Vre
                                                                                             O
                                                                                                 -
                                                                                                                        Low start-up current : Typ. 0.1mA / Max. 0.2mA
        uA                                                                /            f
S/S 2                                        -                         o
                                                                       n
                                                                         SA                   15V/                      Low Off-state current : Typ. 0.2mA/ Max. 0.4mA
                                                                         VE                   9V
        0.3
                         1
                         k             1.5
                                             +
                                                                                                                        Simple Feedback structure with
               +                       V
        V
               -
                                                                 OS
                                                                 C            CL                     14                  delayed shutdown
                                                                              K                      V
                                                                                                                6 OUT   Current Mode PWM Control
                                                                                                                        Various Protection Function : OVP, OLP, OCP
                                                                                   S
                                                     MA                 PW
F   1                                                                 - M
                                                     X.
B                                      1m
                                                 2
                                                 R
                                                     1V               +            Q                                    Wide Operating Frequency up to 500kHz
                                                     R
                                                                                                                        Remote On/Off Control
                                       A                                           R
                                       Vr
                                       ef                         Offset(0.1V

                    5u
                         Vc
                         c
                                                                  )                                             3   I   8DIP, 8SOP
                    A
                             +
                                  OL
                                                                                   S
                                                                                                OC +
                                                                                                                    S                   Applications
                                  P                                                             P
                    6
                    V
                             -
                                                                                   Q
                                                                                                   -       2
                                                                                                           V.   5
                                                                                                                        General Off-line SMPS
                                                 OCP-
                                                 out
                                                                      UVLO-
                                                                      out
                                                                                   R                                G
                                                                                                                    N
                                                                                                                        SMPS for VCR, Adaptor and OA equipment
                                                                                                                    D   DC to DC converter
                                                Off-Line PWM Control IC (FAN7556)
                                                BLOCK DIAGRAM                                                                                                   Description
                                                                                                                                                 The FAN7556 is a fixed frequency voltage mode
                                                                      CT                                                      VCC                PWM Control IC
                                                                      7                                                        6


                                        Com.
                                                                                                                                                                  Features
LA    1                             +
                          2V        -                                                                    UVLO
                                                                                                                +
                                                                                                                                                 Supply Voltage : 30V
                                                                                                                                                 Low start-up current : Typ. 0.1mA / Max. 0.2mA
                                                                                      Vref /
                  Vref                                                                Bias                    -

                                                                                                                                                 Low Off-state current : Typ. 0.2mA/ Max. 0.4mA
                                                                                                         15V/9V
          100uA
                                                     PWR

                                                                                                                                                 Auto Restart Function
S/S   8                                                /
                                                     SAVE                             OSC
                  Vcc                                                                              CLK              14V


                         5uA
                                                                            +
                                                                            -
                                                                                PWM
                                                                                                                                       5   OUT   Voltage Mode PWM Control
FB    2
                                                               2.5V
                                                                            -                                                                    Various Protection Function : OLP, OCP
                                              1mA
                                                      R
                                                                                                                                                 Wide Operating Frequency up to 500kHz
                                        Vre
                                        f
                                                                                               Q
                                                                                                   R            OCP       -
                                                                                                                               0.25V
                                                                                                                                                 Remote On/Off Control
                                                                                                   S
                                                                                                                                                 8DIP, 8SOP
                                                                                                                          +
                                              OLP                                                                                      3   IS
                                        +
                               6V        -
                                                                                               S
                                                    Com.-out
                                                                           UVLO-out            R
                                                                                                   Q
                                                                                                                                       4 GND
                                                                                                                                                                 Applications
                                                                                                                                                 General Off-line SMPS
                                                                                                                                                 SMPS for VCR, Adaptor and OA equipment
                                                                                                                                                 DC to DC converter

								
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