단일 파워 서플라이를 사용하는 대형 LED TV의 대기전력 사양을 어떻게 만족시킬 것인가?
LED TV에 새로운 기능을 부여하기 위한 많은 투자와 노력이 이루어졌지만 평균 판매 가격은 계속 떨어져 TV 제조업체들은 전자 부품에 들어가는 원가를 줄여야 하는 압박을 받아 파워 서플라이 블록에 대한 관심이 증가하는 추세이다. 이는 점점 더 엄격해지는 대기전력 기준을 충족시키기 위한 대기전력 전용 파워 서플라이 사용을 중단하게 된 이유 중 하나가 되었다.
경부하에 대한 전력변환 소자의 효율이 개선됨에 따라 설계자들은 너무 큰 파워 서플라이를 설계에서 제외시켜 사이즈와 총 설계 비용을 줄이게 되었다. 또한 대기전력 모드에서의 신호 처리 시 전력 소모가 줄어들어 이러한 설계가 더욱 강화되고 있지만 인터넷 TV 등 새롭게 추가된 기능들이 이러한 효과를 반감시키고 있어 새로운 해결 과제들이 더욱 늘어나는 추세이다.
글: Jean-Paul LOUVEL, TV 시스템 어플리케이션 매니저, 온세미컨덕터(ON Semiconductor)
화면 크기 42인치까지의 TV에서 제한된 전력(< 100 W) 에 사용되는 플라이 백 변환기의 경우 이러한 개조는 비교적 쉽지만 출력이 더 높을 때 사용되는 LLC 공진형 변환기의 개조는 훨씬 더 복잡하다. SMPS 설계자들이 대기전력 요구사항에 부합하는 고유의 SMPS를 사용해 LED TV를 설계해야 할 경우 시스템 전체적으로 가능한 한 가장 우수한 성능을 얻도록 도움을 주는 것이 이 기고문의 목적이다.
대기전력 차단 모드 작동에 관하여 설명하기 전에는 우선 전반적 개념 정의를 위해 공칭 전력(ON 모드)를 살펴보는 것이 좋다. 이 SMPS는 LED TV의 아래의 두가지 주요부에 각각 에너지를 공급해야 한다:
• 신호 처리부에 5V, 3.3V 및 기타 전압을 공급하기 위한 여러 대의 DCDC buck 컨버터 및 풀브릿지 D class audio amplifier를 위해 13V를 일반적으로 사용한다.
• 현재 LED 백라이트는 드라이버단의 크기와 비용을 줄이기 위해 이전에 사용하던 24V보다 더 높은 전압을 요구한다. 80V ~ 300V 사이인 이 전압은 대부분의 LED TV에서 싱글(또는 듀얼) LED스트링의 강압 또는 승압 LED 드라이버에 공급되는 전압이다.
이 두 개의 출력간 전력비는 TV 종류에 따라 거의 일정한데 13V 신호 및 오디오의 경우 전력비는 전체의 1/3이며 고전압 백라이트의 전력비는 전체의 2/3를 차지한다. 13V는 오디오 변조 및 LED 백라이트부의 저주파 PWM dimming으로 인한 왜곡을 피하기 위해 1차측 컨트롤러에 의해 조정된다.
LED 드라이버는 80~300V의 입력전압 변동에 대처하여 LED 전류를 조정한다. 1차측 컨트롤러는 2차측으로 전달되는 총 전력을 필요 전력의 120%로 제한하여 Hiccup을 피하지만, 타이머에 의해 설정된 시간이 경과한 후에도 필요 전력이 한도를 초과하면 전력 공급을 중단할 수 있다.
설계자가 해결해야 할 첫 번째 과제는 Safety 테스트와 보호기능이다. 13V가GND(정류 다이오드 바로 뒤)로 단락되면 출력 임피던스는 너무 낮아 1차측 보호 기능이 즉시 동작시켜 안전 기준 내에서 부품의 심한 손상을 방지할 수 있다.
그러나 이러한 단락 시험은, 신호 처리 모듈(긴 케이블과 PCB Trace 바로 뒤) 중 임의의 위치에서 LED 백라이트를 끈 상태에서 수행해야 한다. 이 경우 1차측 컨트롤러의 보호기능이 동작하기 전에 13V는 총 120%의 전력을 공급한다. 따라서 이 순간 트랜스포머, 다이오드 및 PCB 트레이스와 같은 13V 라인의 모든 소자에 매우 높은 전류가 흐르게 될 것이다.
이 전류는 최대 ON 모드 전류의 4배 이상으로 커질 수 있으므로 과열이 발생하게 되는데, 이로 인해 13V line의 여러 부품은 파손될 수 있다. 이러한 파손이 발생하는 것을 막기 위해 보다 큰 사이즈의 부품들을 사용해야 하므로 자재 구매 비용이 높아질 것이다.
따라서, 이러한 상황을 방지 및 해결하기 위해, 2차 전류 컨트롤러를 사용하여 13V Line에 과전류가 흐르는 것을 방지하게 되며, 보다 큰 사이즈의 부품들을 사용하지 않아도 과전류에 의한 부품 파손을 방지하게 된다. 기존의 TL431을 대체하는 온세미컨덕터의 새로운 2차 전류컨트롤러인 고집적 CCCV(전류 제어 및 전압 제어) TSOP-5 패키지 IC인 NCP4328은 PCB의 총 면적을 증가시키는 커다란 다이오드를 사용하지 않아도 되며, 대형 및 슬림형 히트 싱크도 추가하지 않게 하므로 시스템 설계의 총 비용을 절감할 수 있다.
이 소자 덕분에 13V 출력에 공급되는 전류는 정해진 값을 절대로 초과하지 못하도록 영구 조정된다. 플라이백 변환기(< 100W)에 이러한 솔루션이 아직 일반적으로 사용되지는 않지만 이 방법은 중요한 safety 테스트뿐 아니라 전반적인 설계를 간소화 해주므로 시스템 총 솔루션 비용이 줄어든다.
대기전력 모드에 초점을 맞출 수 있지만, 간소화를 위하여 두 가지 점(100W이상 또는 이하)에 중점을 두도록 한다.
• 전력효율 교정(PFC)을 사용하지 않는 플라이백(< 100W)
• 전력효율 교정(PFC)을 사용하는 LLC(> 100W)
최근의 플라이백 컨버터(PWM 고정 주파수 또는 Quasi-resonant)는 주파수 폴드백 및 스킵 모드 기능을 사용하여 경부하 및 대기전력 모드를 지원하며, 출력전력이 매우 낮음에도 불구하고 효과적으로 출력 전압 제어가 가능하다. 그러나 대기전력 모드시의 소비전력 기준치(< 300mW @ 230V) 이하를 유지하면서도 새로운 고급 기능들을 지원할 충분한 전력을 공급하려면 총 효율을 기존 설계시보다 높여야 한다.
첫 번째 개선안은 TV 의 동작모드에 따라 출력 전압을 변경하는 것이다. ON 모드에서 13V 출력을 그대로 사용할 경우, 이 전압은 3.3V를 전압원으로 사용하기에는 너무 높다. 따라서, 위 13V 공칭전압의 약 50%까지 전압을 떨어뜨릴 경우 다음과 같은 여러 가지 장점이 생긴다: 강압 효율 개선, 2차 전압 조절 회로의 전력소모 감소, 낮은 Vcc로 인한 1차측 IC 전력 소모 감소, 1차측 스너버 전력 소비 감소 및 백라이트 서플라이의 누설 전류 감소.
온세미컨덕터의 고집적 CCCV TSOP-6 IC “ECO 모드” 신제품인 NCP4352(NCP4328 CCCV 위에 장착)는 자동 경부하 탐지 기능과 듀얼 전압 조정 레벨이 있어, 딥 스킵 모드 탐지를 통해 ON 모드에서 대기전력 모드에 이르기까지 출력 전압 조정이 가능하다.
전력이 다시 증가하고 있을 경우 IC는 해당하는 전압 조정 레벨에 따라 자동으로 시스템을 다시 ON 모드로 되돌린다. 가능한 경우 “대기전력 /ON” 제어 라인을 추가하거나 이러한 자동 탐지를 대체할 수도 있다.
1차측에 수행할 수 있는 두 번째 개선안은 1차측 컨트롤러에 고전압 기동 기능이 내장되어 있지 않을 경우 X2 커패시터 방전과 기동 저항과 관련이 있다. IEC-65(또는 이에 준하는 조정)를 충족시키기 위해서는 EMI 필터에 사용되는 X2 커패시터를 100V 이하에서 1초 이내에 방전시켜 소비자의 전기 충격을 방지해야 한다. 주어진 제한시간 내에 방전시키는 것이 더 중요하다 할지라도 총 솔루션 비용을 줄이고 더 큰 일반 모드 코일의 사용을 피하려면 전도 방출되는 EMI 문제를 해결할 더 큰 X2 커패시터를 사용하는 것이 일반적이다.
한 예로 두 개의 330nF 커패시터를 방전시키려면 44mW @ 230V를 소비하는 1.2MΩ 방전저항이 필요할 것이다. 이러한 손실은 이미 300mW 총 소비전력 예산(300mW 한도)의 15%를 차지한다. 이러한 전력소모를 없애기 위해 액티브 X2 캡 방전 솔루션(NCP4810 등)이 개발되었다. 이 소자는 입력전압이 OFF된 것을 탐지한 후에만 작동하므로 본체가 ON 상태일 경우 전력 소모를 거의 하지 않고 X2 캡을 매우 신속하게 방전시키게 된다.
하이엔드급의 어답터/충전기 애플리케이션에서는 스타트업 시간을 줄이면서도 대기 전력 소모를 피하기 위하여 고전압 기동 기능을 내장하고 있지만, 대기 전력 모드가 있는 TV 의 경우 아직 일반적이지 않은 상태이다. TV에서는 다소 중요도가 떨어지는 스타트업 시간에 대해서, 1차측 컨트롤러 기동을 위한 X2 캡 방전 저항(기동저항과 결합)을 사용해 추가 전력 소모를 피하면서도 간단한 저전압 컨트롤러를 구현할 수 있다. 이제 각 위상으로부터 Vcc로 연결된 두 개의 X2 캡 방전 저항(기동저항과 결합)은 이 두 가지 기능을 수행하게 될 것이다.
일부 하이 엔드 환경의 경우 HV 스타트업 기능과 액티브 X2 캡 방전 기능을 둘 다 갖추는 것은 매우 부가가치 있는 일이다. 온세미컨덕터의NCP1249 피크 전력 PWM 컨트롤러는 더 높은 성능과 집적을 위해 두 기능을 모두 제공한다.
간략히 요약하자면 싱글 플라이백 솔루션의 경우 2차측 ECO 모드 CCCV 컨트롤러는 더 효과적인 Safety와 더 우수한 대기 전력 차단 기능을 제공한다. 1차측은 아래와 같이 나열한 컨트롤러를 임의로 조합할 수 있다:
• 기동 저항과 X2 캡 방전 기능이 결합된 NCP1256 저전압 컨트롤러
• 패시브 또는 액티브 X2 캡 방전 기능이 있는 NCP1239 고전압 기동 컨트롤러
• HV 기동 및 액티브 X2 캡 방전 기능이 모두 있고 피크 전력 기능 및 OFF 모드 기능이 추가된 NCP1249 하이 엔드 컨트롤러
중-저 전력 플라이백 적용에 이어 이제는 대기 전력 모드를 여전히 지원하면서도 PFC와 LLC SMPS를 모두 사용하는 더 고출력의 적용 환경을 고려해보자. 앞서 보았던 플라이백 구현에서와 마찬가지로 13V 신호 처리 출력과 백라이트 서플라이간 전력비(현재 최대 ¼ 및 ¾)는 안전 문제를 해결하고 특대 사이즈의 부품들 및 대형 히트 싱크를 피하기 위해 CCCV 기능을 추가할 것을 요구하고 있다. 그러나 ECO 모드가 플라이백 SMPS에 대한 효과적 솔루션으로 보인다 할지라도 LLC 기능으로 인해 다른 솔루션이 필요할 것이다.
플라이백 컨버터의 경우 시스템에 저장된 총 에너지는 2차측으로 전달되어 신호 처리에 사용된다. 스킵 모드 주파수를 줄이면 약간의 이익이 있지만 이러한 장점들은 주로 각 스킵 사이클에 사용된 소프트 기동이 미치는 영향과 관련이 있으므로 총 성능에 미치는 영향이 제한적이다.
LLC 변환기의 경우 정확한 작동을 위해 공진 커패시터를 충전해야 하는데 이 충전 에너지는 2차측으로 전달되지 않을 것이다(전력 소산으로 상실). 공진 커패시터는 스킵 모드 동안 사이클 시작 시 충전되고 사이클 종료 시 방전되어 대기 전력 차단 성능에 직접적인 영향을 미치게 된다. 공진 커패시터 에너지 손실이 미치는 영향을 최소화하기 위하여 LLC 변환기는 가능한 낮은 스킵 모드 주파수에서 작동해야 한다.
ECO 모드는 제한된 모드/전통적인 스킵 모드의 출력 커패시터 리플 전류에서 작동하므로 LLC 구성 시 대출력 커패시터에서 매우 낮은 스킵 모드 주파수를 획득해야 하지만 이로 인해 사이즈와 비용이 모두 늘어나게 된다. 대체 솔루션으로는 대기전력 모드에서 DC/DC Buck에 공급 가능한 넓은 범위로 출력 전압을 스윙시켜 보다 넓은 범위의 입력 공급 전압을 조정하는 것이다.
온세미컨덕터의 완전 집적 CCCV SOIC-8 IC “OFF 모드” NCP4354/55는 자동 경부하 탐지를 통해 두 전압 레벨간에 큰 출력 전압 스윙을 갖기 때문에 딥 스킵 모드 탐지를 통해 ON 모드에서 OFF 모드로 전압을 자동으로 조정할 수 있다. 출력이 다시 증가하고 있을 경우 IC는 상응하는 공칭 조정 전압 레벨에 따라 자동으로 변경되어 시스템을 ON 모드로 되돌릴 것이다.
OFF 모드 IC는 부하의 과도 변화를 지원하도록 설계되었지만 가능한 경우 “대기 전력 /ON” 제어 기능을 공급하여 높은 수준으로 스타트업 할 수 있다. 두 가지 방식의 “OFF 모드” IC가 있지만 “액티브 ON” 방식(NCP4355)을 사용하도록 권장하는 이유는 “액티브 ON” 방식(NCP4355) 이 “액티브 OFF” 방식 (NCP4354)에 비해 약간의 추가 비용만으로(옵토 커플러 1개 추가) 최상의 성능을 제공하기 때문이다.
OFF 모드에서 성능은 전압 스윙과 관련이 있으며 출력 커패시터에 따라 쉽게 튜닝 할 수 있다. 성능을 높이는 방법은 간단하다. 동일한 컨셉과 설계를 사용하는 용량이 더 큰 커패시터를 사용하면 된다.
OFF 모드에서 2차측 컨트롤러는 옵토 커플러를 경유하여 1차측으로 전달되는 ON/OFF 신호를 제공하여 1차측 컨트롤러를 차단함으로써 IC의 전력 소모를 최소화하기도 한다. “액티브 ON”은 OFF된 시간 동안 어떠한 신호 발생과 전력 소모도 회피하지만 “액티브 OFF” 솔루션을 사용하면 OFF 모드로 강제 전환될 것이다.
LCC의 1차측은 이러한 저전력/OFF 모드를 지원하도록 특별히 설계되어야 한다. 온세미컨덕터의 NCP1399 LLC 신제품의 경우2차 제어 라인과 REM 핀을 통해 컨트롤러는 Vcc에 매우 낮은 전력이 소모 및 OFF 모드로 전환될 것이며 스킵 모드 주파수가 낮음에도 불구하고 대형 Vcc 커패시터 또는 고전압 기동 서플라이 전력 소모를 피하게 된다. 커패시터의 낮은 Vcc 값은 출력 전압 hiccup을 피하면서도 고속 LLC 재가동을 확보하는 열쇠이기도 하다.
일부 LLC를 대기전력 차단 모드에서 PFC의 필요성을 억제하는 광대역 기능을 포함하도록 설계한 경우 본체에 낮은 전압이 공급되는 동안 2차측에 충분한 에너지를 공급하도록 권수비가 변경된 트랜스포머 설계에 미치는 영향은 ON 모드/완전 부하 효율에 영향을 미칠 것이다. PFC 모드 출력 기능을 가진 NCP1399는 LLC 스킵 모드의 액티브 위상에서만 PFC가 ON되게 PFC Vcc 공급을 직접 제어할 수 있다. 소형 Vcc PFC 커패시터를 사용하여 기동 지연을 방지해도 좋다.
이 핀을 사용하면 ~ 390V 공급까지 PFC 조정이 가능하며 LLC 전력 소모와 PFC IC 전력 소모를 모두 최대로 많이 제한할 수 있다. 그뿐 아니라 이 출력(PFC Vcc가 떨어질 때)은 또한 소형 파워 고전압 MOSFET들을 제어함으로써 PFC 피드백과 PFC 전압 저하 감소를 모두 차단해 필요 시 전체 전력 소모량을 더 줄이기도 한다.
요약
앞서 언급한 경부하 성능의 향상 덕분에 전용 대기 전력 스위치 모드 파워 서플라이(SMPS)를 사용하지 않고도 정확한 대기 전력 성능을 얻을 수 있게 되었다. 2차측 CCCV 컨트롤러는 Safety 문제를 유연하게 해결하며 탁월한 대기전력 차단 기능에 필요한 “ECO 모드” 또는 “OFF 모드”를 제공한다.
플라이백 컨버터가 기존의 “ECO 모드”를 계속 사용할 수 있을 경우 LCC 토폴로지는 출력 전압 스윙이 큰 새로운 “OFF 모드”를 충분히 활용해 매우 낮은 주파수 스킵 모드를 계속 유지할 것이다.
추가된 OFF 모드 전용 제어 라인을 사용하면 스킵 모드의 비활성 단계에서 전체 컨트롤러(CCCV + LLC + PFC)를 차단하여 전력 소모를 가능한 많이 줄이게 된다.
OFF 모드를 지원하도록 설계된 신제품 LLC NCP1399는 추가 부품 없이 2차측의 정보를 제공하는 옵토 커플러에 직접 연결되어 이러한 문제를 해소한다. 본체에 HV 스타트업 기능을 연결하면 IC는 본체가 OFF된 뒤 신속하게 차단되어서 3.3V의 대기 전력과 적색 LED가 장시간 ON 상태를 유지하는 것을 방지한다.
NCP1602 PFC, NCP1399 LLC 및 NCP4355 CCCV OFF 모드를 포함한 종합 시스템을 “콤보 솔루션”으로 설계하면 어떠한 최신 TV 플랫폼에도 대처할 수 있는 매우 효과적으로 제어되는 위상 전이, 고수준의 집적도 및 높은 유연성을 제공하게 된다.
이 솔루션을 150W 환경에서 구현하여 테스트할 경우 300mW @ 230V Ac 미만의 출력에 최대 150mW를 제공할 수 있다.
또한 NCP4810 액티브 X2 커패시터 방전 기능을 추가하면 대기 전력 소모를 추가로 줄일 수 있으며 용량이 더 큰 X2 커패시터를 사용하면 설계의 유연성이 더 높아진다.
[온세미컨덕터, www.onsemi.com]
