TI, 스마트 미터용 전원공급장치 설계할 때의 해결 과제

IoT의 부상과 함께 스마트 미터에 대한 관심과 수요가 높아지고 있다.

스마트 미터(지능형 계량기)는 여전히 수십 년 전의 기술을 사용하고 있는 기존의 계량기를 대체할 차세대 계량기이다. 이 스마트 미터는 보안 접속이 보장된 네트워크를 통해 에너지 사용량, 즉 전기, 가스, 수도 등의 사용량을 자동으로 그리고 무선으로 유틸리티 기업들에게 전송한다. 이로써 유틸리티 기업들은 예상에 근거한 에너지 요금을 부과할 필요가 없으며, 고객들 또한 가정 내에 별도의 계량기를 설치할 필요가 없다.

기존의 기술은 IR(적외선)이나 IrDA(Infra-red Data Association) 인터페이스 기술을 사용하는 것과 달리, 스마트 미터는 첨단의 통신 인터페이스 기술을 사용하며, 이는 많은 메모리와 더 강력한 마이크로컨트롤러를 필요로 한다. 이러한 특징으로 전력 소모가 증가하기 때문에 정전용량 강하(capacitive-drop) 전원공급장치가 아닌 스위치 모드 전원공급장치(SMPS, switch-mode power supply)가 필요하다. 단상 에너지 계량기는 최소 100VAC부터 최대 500VAC까지 동작해야 한다. 3상 에너지 계량기는 단상일 때 최소 100VAC부터 최대는 3개 위상 각각으로 300VAC까지로 동작할 수 있어야 한다. 에너지 규격을 준수하고, 더 중요하게는 저전력 소모에 대한 요구를 충족하기 위해서는 SMPS 개발자가 많은 문제점들을 제시해야 한다. 이는 계량기로 인해 발생하는 에너지 손실에 대해서는 고객들에게 요금을 부과할 수 없기 때문이다. 또 한편 스마트 미터의 에너지 사용량은 유틸리티 기업에서 허용할 수 없는 정도의 전력 수요를 넘지 말아야 한다.

전 세계적으로 유틸리티 기업들은 에너지 계량기를 무단으로 조작하는 문제로 인한 매출의 손실을 겪고 있다. 처음 전자식 에너지 계량기가 도입되었을 때 계량기를 조작하여 요금을 내지 않고 전기를 사용하려는 비윤리적인 사람들이 생겨났다. 이들은 계량기 조작을 위해 어떻게 해서든 전원공급장치를 훼손시키려고 하기 때문에 스마트 미터 전원공급장치 개발자는 이러한 문제를 해결하기 위해 노력해야 할 것이다.

대부분의 전원공급장치는 가격이 저렴하고 효율적인 페라이트 코어(ferrite core) 기반의 변압기를 사용한다. 그러나 이 변압기는 수 센티미터 가까이로 희토류 영구 자석을 갖다 대었을 때 발생되는 강력한 자기장에 취약하다.

변압기 가까이로 자석을 갖다 대면 즉각적으로 변압기를 포화시키고 과부하 조건을 발생시킴으로써 스위치(MOSFET/바이폴라 정션 트랜지스터)를 손상시켜 전원공급장치를 망가뜨린다. 오늘날 출시되어 있는 대부분의 전원공급장치 컨트롤러는 과전류 보호 기능을 통합하고 있다. 변압기가 포화되면 전류 비교기가 빨리 스위치를 끈 뒤 전원공급장치를 보호한다.

하지만 측정 블록으로 전력을 이용할 수 없게 됨으로써 계량을 할 수 없는 단점이 있다. 그런데 이것이 에너지 계량기의 가장 우선적인 기능이다. 무단조작을 시도하더라도 계속해서 동작할 수 있게 하기 위한 한 가지 방법으로는 변압기를 자기적 차폐 소재를 사용해서 차폐하는 것이다. 하지만 이 방법은 각각의 페라이트 코어 변압기로 차폐를 필요로 하기 때문에 비용이 비싸고 어셈블리 비용을 증가시킨다.

또 다른 방법은 변압기로 페라이트 코어가 아니라 자기저항(reluctance)이 높은 분말 철 코어를 사용하는 것이다. 페라이트 코어의 자속 밀도가 0.4~0.5 테슬라인 반면, 분말 철 코어는 자속 밀도가 1.2~1.4 테슬라로 훨씬 높다. 이 방법은 트랜스포머 주위로 자기적 차폐를 사용하는 것보다 비용이 적게 든다. 하지만 코어 손실이 더 높기 때문에 전원공급장치의 효율을 크게 떨어뜨린다는 단점이 있다. 하지만 스마트 미터 전원공급장치에서는 이 단점이 그렇게 중요하지 않을 수 있다.

스마트 미터의 피크 전력 소모는 사용하는 무선 통신 프로토콜에 따라서 1W~10W 수준이다.

1GHz 미만의 피크 전력 소모는 대략 0.5W이고, ZigBee는 약 1W, GSM(Global System for Mobile) 통신은 약 10W이다.

하지만 계량기는 통상적으로 대부분의 사용 가능한 수명 시간 동안 1W 미만을 소모한다. 그러므로 계량기의 전체 전력 소모를 결정하는데 있어서 낮은 경부하 시의 전원공급장치 효율이 중요한 역할을 한다. 이는 다시 말해서 전원공급장치 개발자가 높은 경부하 효율을 달성해야 한다는 뜻이다. 스위칭 컨트롤러의 정지 전류를 낮추거나, 고전압 스타트업 IC를 내장한 일차측(primary-side) 컨트롤러를 사용하거나, 주파수 및 진폭 변조를 혼합한 스위칭 컨트롤러를 사용하는 것 같은 다양한 방법을 통해 경부하 시의 효율을 향상시킬 수 있다. 스위칭 주파수를 낮춰서 부하 전류를 낮춤으로써 코어 손실을 줄일 수 있기 때문에 분말 철 코어 기반의 변압기를 사용하는 것이 적합하다고 볼 수 있다.

스마트 미터는 단상 계량기가 예기치 않게 3상 계량기의 2상(500VAC)이나 각각 300VAC의 3상으로 연결되는 것을 막기 위해 높은 동작 전압이 필수적이다. 그러나 이러한 높은 전압은 복잡성, 부품 수 및 비용을 증가시킨다.

플라이백 토폴로지는 스마트 미터 전원공급장치에 사용하기 가장 간편하면서 저렴한 토폴로지이다. 플라이백 토폴로지의 스위칭 소자는 최대 1000V를 견뎌야 한다. 730VDC(300VAC *√3 *√2)에다 220VDC 클램프 전압을 더하고 스너버 다이오드 전도 지연으로 인한 50VDC 오버슈트를 더한 것이다. 여기에다 15% 디레이팅까지 감안하면 스위칭 소자의 전압 정격은 1200V여야 하며, 이러한 1200V 요구를 충족하기 위해서 스위칭 컨버터(내부적으로 700V/800V MOSFET 통합)에다 캐스코드 구성으로 또 다른 500V MOSFET을 사용할 수 있다. 비용이 적게 드는 또 다른 방법으로는 스위칭 컨트롤러를 탑재한 단일 1200V BJT를 사용해서 고전압 보호를 처리하는 것이다. BJT는 동일한 전압 및 전류 정격일 때 MOSFET의 1/3 가격이다.

분말 철 코어 기반의 변압기, 경부하 효율을 향상시키기 위한 스위칭 컨버터 제어, 높은 입력 전압을 처리하기 위한 캐스코드 구성을 통해 최적의 SMPS 설계가 가능하다.

UCC28722를 사용하여 스마트 미터용 전원 공급 장치를 보다 빠르게 개발할 수 있다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - TI, 스마트 미터용 전원공급장치 설계할 때의 해결 과제