에너지 효율과 보존에 대한 요구가 높아지고 있는 가운데 동기 정류기(SR)는 USB 스마트폰 배터리 충전을 위해 오프라인 AC 전원을 5V로 변환할 때 효율성을 높이는 방안이 될 수 있다. 5V로 변환되는 동안 SR 컨트롤러 IC는 SR MOSFET에 적합한 드라이브를 제공하기 위해 적절한 바이어스가 필요하다.

바이어스 전압은 USB 애플리케이션에서 통상 4V 이상이다. BC1.2 USB 배터리 충전 표준은 전원 어댑터 출력을 4.1V~6V 범위에서 지정하고 있기 때문에 그림1에서 보여지는 출력으로부터 SR 컨트롤러 IC는 바이어스 할 수 있다.

출력 전압이 UVLO보다 낮게 떨어진다면?

이러한 바이어스 방법은 간단하고 쉬우며 추가 비용도 거의 들지 않는다. 하지만 이 방법은 출력 전압이 4V 이상일 때는 적합하지만 VDD가 4V보다 낮게 떨어지면 SR 컨트롤러 IC는 미달 전압 록아웃(UVLO)으로 오프 상태가 된다.

이 경우 문제는 출력이 4V 미만으로 떨어져도 SR은 여전히 동작해야 한다는 점이다. 실제로 USB 스마트폰 애플리케이션에서는 출력이 3V까지 떨어지기 전까지 SR이 계속 동작해야 한다. 배터리 충전 동작은 동적 전력 관리(DPM)를 통해 배터리 충전과 같은 동작을 지원할 수 있도록 출력 전압이 떨어지는 동안에도 어댑터가 일정한 전류를 계속 공급하는 정전류 동작을 필요로 하기 때문이다.

[그림2]는 일반적인 5V-3A 전원 어댑터 출력 특성을 보여준다. 출력이 3V로 내려가면 3V에서 리튬 이온 배터리는 충전을 할 수 없기 때문에 동작이 멈춘다. 따라서 SR에도 더 이상 바이어스 전원은 필요하지 않다. 그러나 3V 이하에서 높은 전류가 존재할 경우 문제가 발생한다.

출력이 4V보다 아래로 내려가면 SR이 턴오프되면서 바람직하지 않은 결과가 나타난다. 첫째, SR이 턴오프되면 바디 다이오드 전도로 인한 전압 증가로 정전류 변화가 발생해 불필요한 과도 전압이 나타난다. 둘째, SR MOSFET(QSR) 채널을 흐르는 전류가 이제 바디 다이오드를 통과해 높은 전력 손실로 온도가 상승하고 이에 따라 열 폭주 및 손상이 발생한다. 그러므로 출력이 3V까지 내려가기 전에 SR을 ON 상태로 유지하는 다른 방법이 필요하다.