전원 공급 장치에 따른 절연의 필요성 이해하기
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알리스테어 위닝(Allistair Winning), 마우저 일렉트로닉스
2024년 9월 18일
전원 공급 장치에 사용되는 전압과 전류, 나머지 회로에 사용되는 전압과 전류 사이에는 상당한 차이가 존재할 때가 많다. 예를 들어, 전원 공급 회로는 IC에 전원을 공급할 때 110V/220V 주전원으로부터 전압을 한 단계 이상 낮춰서 1~5V 사이로 줄일 수 있다. 이러한 전압 차이는 다단계 전원 공급 장치 내부에서도 나타난다. 일반적으로는 서로 다른 전원 도메인을 분리해야 하는데, 여기에는 고전력 회로 간섭이 저전력 신호에 영향을 미치는 것을 방지하고 회로가 오작동할 경우 고전류로부터 사용자를 보호하는 등 다양한 이유가 있다.
전원 공급 장치는 어떤 경우에 절연이 필요할까?
전원 공급 장치를 설계하는 사람들은 전원 공급 장치 회로를 물리적으로 절연해야 하는지, 절연해야 한다면 어떤 유형의 절연 장벽을 구현할지 결정해야 한다. 대부분의 경우 이러한 결정은 의료 기기에 대한 회로 보호 요구 사항을 규정하는 IEC 60601-1:2005와 같은 표준에서 이미 다루고 있다. UL(Underwriters Laboratories; 미국 보험업자 안전 시험소), IEEE(전기전자기술자협회), IEC(국제전기기술위원회) 같은 기관은 이격 거리, 절연 전압 레벨, 절연 저항과 같은 사양을 규정하는 이러한 표준을 제정한다. 또한 표준을 충족하는지 확인하기 위한 테스트 절차도 규정하고 있다.
하지만 비절연 전원 공급 장치를 사용해야 하는 몇 가지 중요한 이유가 있다. 비절연 전원 공급 장치는 많은 부품이 필요하지 않기 때문에 일반적으로 절연 공급 장치보다 부피가 작고 비용이 저렴하며, 특히 변압기나 광커플러와 같이 절연 장벽을 제공하는 부품들은 일반적으로 부피가 크기에 이와 같은 경우에는 비절연 전원 공급 장치가 더욱 합리적인 솔루션이라고 할 수 있다. 또한 비절연 공급 장치는 전력을 공급하기 위한 추가 부품이 필요 없고 변압기 손실이 발생하지 않으므로 더 효율적일 수도 있다. 하지만 설계자들은 사용자들이 시스템과 상호 작용할 때 감전 위험에 노출될 가능성이 있다는 위험을 인식하고 안전 위험을 방지하기 위한 예방 조치를 취해야 한다. 그렇기에 비절연 전원 공급 장치는 저전력 애플리케이션이나 훈련된 인력만 접근할 수 있는 전원 공급 장치에서 주로 사용된다.
절연 전원 공급 장치는 더 많은 부품이 필요하고, 부피도 더 크고, 더 많은 비용이 들지만, 이를 사용하는 데에는 몇 가지 매우 중요한 이유가 있다. 절연 전원 공급 장치는 기본적으로 안전한 방식으로 작동하기 때문에 훈련 받지 않은 사람들도 사용할 수 있다. 절연 장벽은 감지 신호를 위한 도관으로 사용되어 보다 정확한 피드백과 출력 제어를 제공할 수 있다. 또한 절연 장벽은 회로에 원치 않는 노이즈와 피드백이 유입되어 민감한 부품을 손상시킬 수 있는 접지 루프를 차단한다. 공통 접지를 제거하여 입력 및 출력 회로를 절연하면 이와 같은 위험이 제거되어 보다 안정적인 전원 공급과 깨끗한 출력을 얻을 수 있다.
전원 공급 장치의 독립 출력 회로는 부동 출력 및 레벨 시프트를 통해 유연성을 제공할 수도 있다(그림 1). 부동 출력이 있는 전원 공급 장치에서는 출력 전압이 단자 간에 고정된다. 그러나 공통 접지가 없기 때문에 해당 전압은 회로의 다른 부분엔 걸릴 수 없다. 전원 공급 장치의 출력은 시스템의 필요에 따라 양극 및 음극 전압을 제공하도록 구성할 수 있다. 부동 출력 전압은 직렬로 연결하여 더 높은 전압을 생성할 수도 있다. 간단하게 구현하는 방법은 단일 AC-DC 변환 단계가 있는 전원 공급 장치와 최종 전압을 얻기 위해 두 개 이상의 절연 DC/DC 컨버터를 사용하는 것이다. 그런 다음 DC/DC 컨버터의 출력을 결합하여 원하는 값을 생성한다.
그림 1: 전원 공급 장치의 절연을 통해 부동 출력을 결합하여 음의 전압을 제공할 수 있다.(출처: Analog Devices)
절연 방식 알아보기
회로에 절연이 필요한 경우 기술이나 부품에 대한 올바른 선택은 애플리케이션에 따라 전적으로 달라지며, 이 중 고려해야 할 몇 가지 중요한 매개변수가 있다. 여기에는 절연 내전압(아이솔레이터가 고장 없이 60초 동안 견딜 수 있는 전압의 양)과 회로의 실제 작동 전압이 포함된다. 데이터 무결성을 보장하기 위해 잡음이 많은 환경과 빠른 스위칭 디바이스가 있는 회로에서는 공통 모드 과도 내성(CMTI)이 필요하다. CMTI는 고전력 노이즈가 절연 장벽을 통과하여 전류 루프를 생성하는 것을 방지한다. 연면거리(최단 물리적 경로를 따른 두 도체 사이의 거리)와 공간거리(공기를 통과하는 두 도체 사이의 최단 거리)도 중요한 고려 사항이며 일부 규정에서는 각각에 대한 최소값을 의무화하고 있다. 강력한 수준의 절연과 더 높은 연면거리 및 공간거리가 필요한 애플리케이션의 경우에는 대형 패키지가 해답일 때도 있다.
설계자들은 다양한 방법을 통해 전원 공급 장치의 절연을 구현할 수 있으며, 광학적, 자기적, 정전식 절연이 가장 흔히 사용되는 방법이다.
광학적 절연
광학적 절연은 LED를 사용하여 전기 신호를 광원으로 바꾸고 반투명 물질을 통해 이를 절연 장벽의 반대편으로 보내면, 광트랜지스터가 이를 다시 전기 신호로 바꾸는 방식으로 작동한다. 광절연기라고도 불리는 광커플러는 최대 수 킬로볼트 수준에서 절연을 제공할 수 있고, 긴 수명을 제공하며, 낮은 주파수에서도 우수한 응답 시간을 보이고, 전자기 간섭(EMI) 및 기타 잡음에 강한 면모를 보여줄 수 있다(그림 2).
그림 2: 광커플러는 전기 신호를 빛으로 변환한 후 다시 이를 역으로 변환하여 서로 다른 회로를 절연한다(출처: sketch stock/stock.adobe.com)
그러나 LED가 광커플러에서 작동하려면 LED를 편향시켜야 하기 때문에 에너지 소모가 크게 일어난다. 절연 장벽은 시간이 지남에 따라 성능이 저하될 수 있으므로 설계할 때는 성능 저하를 고려하여 더 많은 공간을 확보해야 한다. 또한 광커플러는 고주파에서 응답성이 낮고 입력 및 출력 전류 변화에 대한 선형 응답성이 부족하다.
광커플러는 채널 간 빛 간섭으로 인해 각 패키지에 단일 디바이스로 제작되는 경우가 많아 부품 수나 크기, 비용이 증가하기 마련이다. 그러나 일반적으로 단일 피드백 감지 신호만 필요하고 사용되는 주파수가 다른 많은 애플리케이션보다 낮기 때문에 이러한 단점은 대부분 전력 애플리케이션에서 큰 문제가 되지 않는다. 최근에는 단일 패키지에 여러 개의 라인이 포함된 광커플러도 출시되고 있다.
자기적 절연
자기적 절연은 변압기를 사용하여 1차 권선에 전원을 공급하여 2차 권선에 전류를 유도하는 자기장을 생성하는 방식이다. 두 권선 코일은 모두 자기 코어를 감싸고 있지만 서로 절연되어 있다.
변압기는 이미 일부 전압 변환 토폴로지에서 전압을 높이고 낮추거나 다양한 출력을 제공하기 위해 사용되고 있다. 변압기 자체적으로도 절연 기능을 제공하며, 이 단일 부품을 통해 자기 절연을 달성할 수 있다. 변압기는 전류가 흐르지 않는 '오프 타임'에 있을 때 피드백을 얻을 수 있는데, 그리하면 출력 전압이 전달되는 2차 측에서 반사된 전압을 감지할 수 있다.
그러면 시스템 컨트롤러는 여기서의 피드백을 통해 필요한 경우 출력을 변경할 수 있다. 시스템에 사용되는 마이크로컨트롤러나 맞춤형 컨트롤러는 출력 신호의 안정성을 보장하는 역할을 한다. 시스템의 실제 출력 값에 대한 실시간 정보를 통해 이를 보다 정확하게 수행할 수 있다. 이러한 유형의 회로는 필요한 부품 수가 적기 때문에 작고 비용 효율적인 솔루션을 제작할 수 있게 해준다(그림 3). 하지만 전류가 흐르고 감지 기능을 작동하려면 최소한의 부하가 필요하며, 일반적으로 레귤레이션이 허용되지만 전용 절연 피드백 경로가 있는 회로만큼의 효과는 내지 못하는 등 몇 가지 단점이 따른다.
그림 3: 이 간단한 플라이백 컨버터는 Analog Devices LT830X 컨트롤러를 사용하여 시스템 변압기를 통해 출력 전압을 감지한다.(출처: Analog Devices)
다른 애플리케이션에서는 더욱 엄격한 규제를 요하거나 일정 시간 동안 부하 없이 작동해야 할 수 있다. 이 같은 유형의 애플리케이션에서는 별도의 변압기를 사용하여 원치 않는 신호를 차단하면서 동시에 출력에서 피드백을 제공할 수 있다. 이러한 자기 아이솔레이터(그림 4)는 일반적으로 단일 패키지로 제공되며, 비용과 보드 공간을 절약하기 위해 시스템의 다른 부품을 동일한 패키지에 통합할 수 있는 경우가 많다. 이는 플라이백 및 액티브 클램프 포워드 컨트롤러 등 가장 일반적으로 사용되는 전력 토폴로지에 적합한 구성으로 제공된다. 통합 솔루션에는 과전류 및 단락 감지와 같은 다양한 보호 기능도 포함될 수 있다.
그림 4: 자기적 절연은 변압기를 사용하여 회로의 다양한 영역을 절연하는 방식이다.(출처: Analog Devices)
자기 아이솔레이터는 최대 1kV까지 절연할 수 있으며, 빠르고 매우 견고하고 대역폭이 넓으며 시간이 지나도 성능이 저하되지 않는 것이 특징이다. 그러나 모터 구동과 같이 EMI가 심한 애플리케이션에서는 몇 가지 문제가 발생할 수 있다.
정전식 절연
이름에서 알 수 있듯이 정전식 절연은 유전체 소재로 분리된 두 개의 도체 플레이트를 사용하는 방식이다. 이 기술은 높은 절연 수치, 빠른 응답, 낮은 전력 소비, 우수한 EMI 내성 등 여러 가지 이점을 제공한다.
자기 아이솔레이터와 마찬가지로 정전식 아이솔레이터는 단일 패키지로 제공되거나 다른 부품과 함께 패키징될 수 있다. 일부 기업들은 이산화 규소를 유전체로 사용하는 통합 장치를 개발했다. 이 소재는 일반적으로 IC 생산에서 절연에 사용되므로 IC 제조 공정 중에 정전식 절연을 직접적으로 구현할 수 있다. 일반적인 제조 공정을 사용하여 아이솔레이터를 만들면 절연 제공 외에도 충격 보호 기능이 뛰어난 견고한 부품을 생산할 수 있다.
맺음말
전원 공급 장치 설계에서 절연을 구현할지 여부는 안전, 성능 및 규제 요건과 같은 요소에 따라 결정된다. 절연은 사용자의 안전 확보, 간섭의 감소, 전원 공급 장치 출력의 안정성 향상 등 상당한 이점을 제공한다. 특수한 저전력 애플리케이션의 경우에는 비절연 전원 공급 장치가 비용적으로 이점을 제공하고 효율성도 높을 수 있지만, 높은 신뢰성과 안전성이 요구되는 애플리케이션에는 절연의 이점이 필수적이다. 설계자들은 특정 애플리케이션에 대한 요구 사항을 신중하게 평가하여 적절한 절연 방법을 결정하고 관련 표준을 준수해야 한다.