개요: MAX5074 회로는 36V ~ 72V 소스에서 동작하는 절연된 출력을 가진 5V, 3A, DC-DC 스텝 다운 전원 컨버터를 위한 기준 설계로 많이 쓰인다. 이 애플리케이션 노트에는 상세한 회로도, 제조회사의 부품 번호가 표시된 완벽한 부품 목록, 플래너 트랜스포머(planar transformer) 설계 예제가 포함되어 있다. 변환 효율은 48V 입력과 1.5A ~ 2.5A 부하 범위에서 84.5%를 상회한다. 1A 부하 과도에 대한 응답은 20mV 미만이고 100µs 안에 안정화된다. 리플은 2.5A 부하와 60V 입력에서 8mVP-P이다. 소프트 스타트 기능이 있어 5ms 턴 온 시간을 갖는다.
일반 설명
이 기준 설계는 원래 36V ~ 72V 입력 전압 범위에서 12V와 1.2A를 제공하도록 설계된 MAX5074 EV 킷을 기반으로 한다. 단순한 비동기 구조를 유지하면서 5V에서의 효율은 대부분의 출력 전류 범위 내에 48V에서 84%를 넘는다. 위험 전압과 관련된 경고와 보드의 일반 설명에 대해서는 MAX5074 EV 킷 데이터 시트를 참조하기 바란다.
이 애플리케이션 노트에서는 5V 출력 애플리케이션을 위한 부품 목록이 포함되어 있으며 성능 데이터도 제공된다. 기본적인 5층 플래너 트랜스포머가 제작되었으며, 참고용으로 트랜스포머의 레이아웃이 제공된다.
특징
- 절연된 15W 순방향 DC-DC 컨버터
- 입력 범위: 36V ~ 72V
- 5V 출력에서 최대 3A 제공
- 48V와 2.5A에서 84.5% 효율
- 1/8 브릭 모듈 풋프린트
- 주기별로 전류 제한 보호
- 프로그래밍 가능한 오류 보호 기능 내장
- 250kHz 스위칭 주파수에 대해 프로그래밍됨
- 열 셧다운 기능 내장
- 1차 측과 2차 측 사이 절연 기능
- 소프트 스타트
부품 목록
| DESIGNATION |
QTY |
DESCRIPTION |
| C1 |
1 |
4.7µF ±10%, 16V X7R ceramic capacitor (1206) TDK C3216X7R1C475K |
| C2 |
1 |
100pF ±5%, 50V COG ceramic capacitor (0603) TDK C1608COG1H101K |
| C3, C13 |
2 |
1µF ±20%, 16V X7R ceramic capacitors (0603) TDK C1608X7R1C105M |
| C4, C6 |
2 |
220pF ±10%, 50V X7R ceramic capacitors(0603) TDK C1608X7R1H221K |
| C5, C7, C17 |
3 |
0.1µF ±10%, 50V X7R ceramic capacitors (0603) TDK C1608X7R1H104 |
| C8 |
1 |
1.0µF ±10%, 50V X7R ceramic capacitor (1206) TDK C3216X7R1H105K |
| C9 |
1 |
1.0µF ±20%, 100V X7R ceramic capacitor (1210) TDK C3225X7R2A105M |
| C10, C11 |
2 |
0.01µF ±10%, 100V X7R ceramic capacitors (0805) TDK C2012X7RZA103K or Murata GRM21 BR72A103K |
| C12 |
1 |
0.33µF ±10%, 16V X7R ceramic capacitor (0603) TDK C1608X7R1C334K |
| C14 |
1 |
2.2µF ±20%, 16V X7R ceramic capacitor (0805) TDK C2012JB1C225M |
| C15, C16 |
2 |
150µF, 6.3V ESR < 12mW Panasonic EEFUE0J151R |
| C18 |
1 |
0.0047µF ±10%, 250VAC X7R ceramic capacitor (2220) Murata GA355DR7GC472K |
| C19 |
1 |
100µF, 100V ESR < 0.15W BC Component 2222 13669101 |
| C20 (R8 position) |
1 |
1nF ±10%, 50V X7R ceramic capacitor (0603) TDK C1608X7R1H102K |
| C21 |
1 |
180pF ±5%, 50V COG ceramic capacitor (0603) TDK C1608COG1H181J |
| D1, D2 |
2 |
100V, 1A schottky diodes (SMA) SS1H10 Vishay |
| D3, D4 |
2 |
40V, 2A, schottky diodes (SMB) MBRS240LT3 ON-Semiconductor |
| L1 |
1 |
10.2µH, 4.7A inductor Panasonic ETQP6F102HFA ESR < 14mW |
| R1 |
1 |
30.9kW ±1 % resistor (0603) |
| R2 |
1 |
10.2kW ±1 % resistor (0603) |
| R3 |
1 |
182W ±1 % resistor (0805) |
| R4a, R4b |
2 |
0.15W ±1 %, 0.25W resistor (0805) CRL1220 Megitt CGS |
| R5 |
1 |
316kW ±1 % resistor (0603) |
| R6 |
1 |
14.7kW ±1 % resistor (0603) |
| R7 |
1 |
1.78kW ±1 % resistor (0603) |
| R8 |
1 |
Fitted with C20 |
| R9 |
1 |
Not installed, resistor (0603) |
| R10 |
1 |
1MW ±5 % resistor (0603) |
| R11 |
1 |
200kW ±1 % resistor (0603) |
| R12 |
1 |
100W ±1 % resistor (0603) |
| R13 |
1 |
604W ±1 % resistor (0603) |
| R14 |
1 |
15W ±5 % resistor (0603) |
| R15 |
1 |
7.5kW ±1 % resistor (0603) |
| T1 |
1 |
20W Custom Planar Transformer with ER23 ferrite core |
| U1 |
1 |
MAX5074AUP (20-pin TSSOP-EP) |
| U2 |
1 |
30V, 100% to 200% CTR optically isolated error amplifier (8-pin SO) Fairchild Semiconductor FOD2712 |
| None |
1 |
MAX5074 PC board |
MAX5074 EV 킷의 최적화
100µF 전해 커패시터(C19)가 입력에 추가된다. 커패시터의 값은 33µF까지 감소시킬 수 있지만, 입력 리플 전류가 발생하므로 손실을 낮추기 위해서는 낮은 ESR을 만족시키는 것이 중요하다. 사용된 부품(BC Component 2222 13669101)의 ESR 값은 0.15 미만이다.
트랜스포머는 여러 제조회사에서 출시되고 있는 ER23 ferrite 세트를 기반으로 한다. ferrite 재질은 3F3, N49 또는 이와 등가의 값을 가지며, 250KHz 이상에서 낮은 코어 손실을 가진다.
권선(winding)은 70µm 구리의 5층으로 형성되는데, 각 층은 80µm 절연층으로 분리된다. 5층만 사용되며, 보조 권선 되감기(핀 6)는 최상층에서 에나멜 와이어 스트랩에 의해 연결된다(그림 3 참조).
차 권선은 11회 권수(turns)와 225m의 ESR 측정값을 가지며, 2차 권선은 4회 권수와 25m ESR을 갖는다. 보조 권선은 4회의 권수와 1 미만의 ESR을 갖는다.
1차 권선의 인덕턴스는 340µH인 반면에 1차 권선의 누설 인덕턴스는 430nH에 불과하다. 이것이 바로 플래너 구성의 직접적인 장점이다. 1차 권선과 2차 권선 사이의 기생 커패시턴스는 110pF이다.
출력 필터는 낮은 출력 전압에서 최적화된다. 이제 인덕터 L1은 10.2µH이고, 총 출력 커패시턴스는 300µF이다.
내장된 오류 보호 지연을 증가시킨다. 이제 C3은 1µF이다.
클램핑 다이오드 D1과 D2는 SSH10(또는 동등한) 100V 1A 소자로 대체되므로, 비정상 부하 또는 트랜스포머 결함으로 발생시 순방향 순간 전압이 감소된다.
출력 전압은 R1 = 30.9K 및 R2 = 10.2K에 의해 5V로 설정된다.
180pF 커패시터(C21)는 폐쇄 루프 회로의 신속한 반응을 위해 R1에 병렬로 연결된다.
고주파 오류 증폭기 이득을 1로 설정하기 위해 C13에서 7.5K 저항(R15)이 연결된다.
고주파 잔여현상을 제거하기 위해 C20, 1nF가 R8을 대체한다.
최대 광커플러 LED 전류를 21mA로 설정하기 위해 R3를 180W로 낮춘다.
이러한 수정이 가능하도록 보상 폴(compensation pole)을 이동한다. 따라서 C3, C13, C14는 각각 1µF, 1µF 및 2.2µF가 된다.
출력 정류기 D3과 D4는 SMB의 경우 고전류 40V 쇼트키 소자로 대체된다.
높은 기생 인덕턴스를 갖는 트랜스포머가 사용되는 경우, 출력 정류기는 전압 오버슛에 대해 보호되어야 한다.
72V 최대 입력 전압의 경우, 정류기에서는 오직 26V의 반사 전압만 볼 수 있다. 이것은 33V ±5% 제너 다이오드를 극성에 맞게 연결하여 정류기를 보호할 수 있게 한다.
원래의 EV 킷은 고출력 전류를 처리하기 위해 설계된 것이 아니므로, 열 전도되는 접착제(glue)를 사용하여 U1의 윗면에 히트싱크를 붙인다. 이렇게 하면 히트싱크가 없는 경우에 비해 효율이 0.6% 증가한다.
U1은 노출 패드형 20리드 TSSOP 패키지로 제공된다. 따라서 넓은 전원 플레인과 다수의 비아를 통해 열을 분산시킬 수 있도록 신중하게 설계된 PCB 레이아웃에서는 히트싱크를 사용하지 않아도 된다.
효율 측정
그림 1. 다양한 입력 전압값에서 출력 전류의 효율 함수
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그림 2. MAX5074 5V, 3A 전원 회로도
그림 3. 플래너 기법을 사용한 트랜스포머 구현의 예
그림 4. 1A peak-to-peak 과도전압에 대한 응답
그림 5. I = 2.5A, VIN = 60V, BW = 20MHz에서 50W를 채택했을 때의 출력 전압 리플
그림 6. VIN = 48V, 1.8W 저항 부하 시 턴 온 파형
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