효율적인 USB PD 충전을 위한 스마트 파워 컨버터 설계디자인 ①

전력효율은 모든 새로운 분야의 개발 과정에 있어 설계상의 목표가 되고 있지만, 대부분의 소비자는 이에 대해 인지하지 못한다.

그럼에도 전력효율은 관련 법률 제정으로 중요성이 높아지고 있으며, 제품개발에 대한 책임감 있고 지속 가능한 접근방식을 제공하면서 더 중요해지고 있다. 

최신 전자 디바이스는 기존 대비 낮은 전력으로 더욱 많은 기능을 구현할 수 있음에도 불구하고 소비자들은 스마트폰, 태블릿, 노트북, 게이밍 디바이스, 헤드폰, 웨어러블 디바이스 등 더 많은 휴대용 디바이스를 사용하고 있다. 

이러한 상황은 방대한 종류의 전자 디바이스를 더 빠르고 유연하게 충전하는 새롭고 혁신적인 방법에 대한 필요성을 제시한다. 

USB 3.2 PD(Power Delivery)는 현존하는 충전 방식 중 가장 높은 전력을 제공하며 그 어느 때보다도 높은 전력을 제공하고 있다.

USB PD의 구현은 전력효율에 대한 방점을 찍는 계기가 되었다. 이는 해당 방식의 복잡성이 높을 뿐만 아니라 소형 폼팩터에 더욱 빠르게 전력을 공급함에 따라 전원 어댑터의 전력 밀도를 증가시키기 때문이다. 

전력변환은 근본적으로 손실이 발생하지만 새로운 변환 관련 기술개발을 통해 USB 3.2의 다양한 기능을 지원할 수 있으며 효율 향상까지 지원할 수 있다. 새로운 기술을 결합함으로써 엔지니어링 팀은 소비자 경험을 향상하고, 낭비를 줄이는 제품을 개발할 수 있다.

USB를 통한 충전 및 유연성 증대
최신 버전의 USB 사양에는 PD와 관련된 새로운 기능들이 포함돼 있다. USB 타입-C의 도입은 더 높은 유연성을 제공한다. 소비자들은 다양한 전자 디바이스에 오로지 한 가지의 케이블만이 필요하며 많은 전력량을 요구하는 디바이스들을 지원할 수 있다. 

이는 USB PD 표준과 타입-C 케이블이 제공하는 최대 100W 상당의 높은 전력 수준에 의해 가능하다. 주목할 만한 점은 최신 개정안이 PPS 프로토콜을 추가함에 따라 더욱 많은 제어력을 향상한다는 점이다. 

PPS는 전압 및 전류에 대한 제한을 없앰으로써 증가하는 출력 전압 레벨을 20mV라는 적은 단위로 3.3V부터 21V 사이의 범위에서 설정할 수 있고, 전류는 50mA 단위로 변경할 수 있도록 지원한다. 

이를 통해 USB 3.2는 대형 노트북, 프린터, 모니터 등의 더욱 폭넓은 전자 디바이스에 전력을 공급할 뿐만 아니라 최신 플래그십 스마트폰에 사용되는 고속 충전 프로토콜까지 지원하게 된다. 

효율적인 USB PD 파워 어댑터의 개발
플라이백 컨버터는 150W 이하의 전원 어댑터를 위한 AC-DC 전력변환 솔루션으로 사용돼 왔다. 플라이백 컨버터는 높은 효율과 합리적인 비용으로 구현될 수 있다. 

하지만 더욱 높은 전력 수요와 함께 가변 출력 전압 기능을 추가할 경우 복잡성과 효율성에 영향이 생길 수밖에 없다. 결과적으로 이는 하드웨어 설계자에게 부담이 될 수 있다.

기존의 연속모드(CCM) 또는 불연속모드(DCM)에서 작동하는 고정 주파수 플라이백 컨버터는 더 이상 적합하다고 볼 수 없다. 

예를 들자면, 전류 모드 변동주파수 플라이백 컨트롤러인 온세미컨덕터의 NCP12601 PWM 컨트롤러는 CCM 및 DCM으로 모두 작동되는 멀티모드 작동을 특징으로 한다.

높은 전력 레벨을 전달할 때는 CCM으로 작동하고, 부하에 대한 수요가 줄어들 경우 DCM으로 작동한다. 또 DCM으로 작동 시 32번째 밸리까지 밸리 스위칭을 구현하므로 ‘밸리’라고 불리는 드레인 전류 최소값에서 전원 스위치 상태가 켜지면서 스위칭 손실을 줄인다.

결과적으로 기존의 고정 주파수 플라이백 설계 대비 더욱 높은 효율을 제공하는 스마트한 컨트롤러를 사용할 수 있게 된다. 

글: 제프리 로튼(Jefferay Lawton) / 제품 마케팅 엔지니어 / 온세미컨덕터