SMPS
'''Switched(또는 Switching) Mode Power Supply'''
현대 파워 서플라이의 모든 근간을 이루는 전원시스템 구성 방법이다. 들어오는 전원을 게이트 제어 소자를 사용해 조절한 다음에 전자기 결합을 통해 전압을 변경한다. 입출력 전압의 차분을 열로 손실하는 리니어 방식과 달리, 전력을 전자기 결합을 통해 변환하므로 변환 과정에서의 손실이 적다. 대신 인덕터와 스위치 소자(트랜지스터, 다이오드 등)이 필요하므로 회로가 상대적으로 복잡해진다.
스위칭 주파수는 대부분 kHz 이상이지만, 일부 SMPS는 60Hz 등의 저주파수로 동작하기도 한다. 스위칭 주파수가 높을수록 인덕터나 트랜스포머의 크기를 줄일 수 있으나 그만큼 스위칭 소자의 스위칭 손실(Switching Loss)이 증가하므로 손익을 감안한 설계가 필요하다.[1]
SMPS에 사용되는 특정한 회로구조를 토플로지(Topology)라고 하는데, 대표적인 토폴로지는 다음과 같다.
각 토플로지는 어플리케이션마다 다른 특성을 가진다. 흔히 사용되는 PC용 파워 서플라이 의 경우, Half-bridge나 Full-bridge 형태으로 설계되며 이보다 크기와 다루는 전력이 작은 스마트기기용 충전기 등의 경우 Flyback converter가 흔히 사용된다.[3]
Step down[4] 계열의 비절연형 전원 변환 회로다. 입력 전원과 스위치[5], 출력 부하와 인덕터가 각각 직렬로 연결되어 있고 그 사이에 역방향 다이오드[6]가 병렬로 포함된다. 출력전압은 스위치의 Duty Ratio에 의해 결정된다.
Step up[7] 계열의 비절연형 전원 변환 회로다. 입력 전원과 인덕터, 다이오드가 각각 직렬로 연결되어 있고 그 사이에 스위치가 병렬로 포함된다. 벅 컨버터와 마찬가지로 출력전압은 스위치의 Duty Ratio에 의해 결정된다.
벅 컨버터와 부스트 컨버터를 합한 형태의 전원 회로이다. 입력 전압이 목표 전압보다 낮으면 부스트 컨버터로, 입력 전압이 목표 전압보다 높으면 벅 컨버터로 동작한다. 일정한 전압이 필요한 부하에 전원을 공급할 때 적합하다.
인덕터를 사용하지 않고 축전기만을 사용하는 전원 회로로 입력 전원을 이용해 음전압을 생성하거나 입력 전압을 배로 늘리기 위해 사용된다.
1. 개요
현대 파워 서플라이의 모든 근간을 이루는 전원시스템 구성 방법이다. 들어오는 전원을 게이트 제어 소자를 사용해 조절한 다음에 전자기 결합을 통해 전압을 변경한다. 입출력 전압의 차분을 열로 손실하는 리니어 방식과 달리, 전력을 전자기 결합을 통해 변환하므로 변환 과정에서의 손실이 적다. 대신 인덕터와 스위치 소자(트랜지스터, 다이오드 등)이 필요하므로 회로가 상대적으로 복잡해진다.
스위칭 주파수는 대부분 kHz 이상이지만, 일부 SMPS는 60Hz 등의 저주파수로 동작하기도 한다. 스위칭 주파수가 높을수록 인덕터나 트랜스포머의 크기를 줄일 수 있으나 그만큼 스위칭 소자의 스위칭 손실(Switching Loss)이 증가하므로 손익을 감안한 설계가 필요하다.[1]
2. 토폴로지 (Topology)
SMPS에 사용되는 특정한 회로구조를 토플로지(Topology)라고 하는데, 대표적인 토폴로지는 다음과 같다.
- 비절연 방식 (Non-isolated)
- Buck converter
- Boost converter
- Buck-boost converter
- Boost-buck converter
- Charge-pump
- 절연식 (Isolated)
- Flyback converter
- Half-forward converter
- Forward converter
- Push-pull converter
- Half-bridge converter
- Full-bridge converter
각 토플로지는 어플리케이션마다 다른 특성을 가진다. 흔히 사용되는 PC용 파워 서플라이 의 경우, Half-bridge나 Full-bridge 형태으로 설계되며 이보다 크기와 다루는 전력이 작은 스마트기기용 충전기 등의 경우 Flyback converter가 흔히 사용된다.[3]
3. 비절연식 토플로지 (Non-isolated Topologies)
3.1. 벅 컨버터 (Buck converter)
Step down[4] 계열의 비절연형 전원 변환 회로다. 입력 전원과 스위치[5], 출력 부하와 인덕터가 각각 직렬로 연결되어 있고 그 사이에 역방향 다이오드[6]가 병렬로 포함된다. 출력전압은 스위치의 Duty Ratio에 의해 결정된다.
3.2. 부스트 컨버터 (Boost converter)
Step up[7] 계열의 비절연형 전원 변환 회로다. 입력 전원과 인덕터, 다이오드가 각각 직렬로 연결되어 있고 그 사이에 스위치가 병렬로 포함된다. 벅 컨버터와 마찬가지로 출력전압은 스위치의 Duty Ratio에 의해 결정된다.
3.3. 벅-부스트 컨버터 (Buck-boost converter)
벅 컨버터와 부스트 컨버터를 합한 형태의 전원 회로이다. 입력 전압이 목표 전압보다 낮으면 부스트 컨버터로, 입력 전압이 목표 전압보다 높으면 벅 컨버터로 동작한다. 일정한 전압이 필요한 부하에 전원을 공급할 때 적합하다.
3.4. 전하 펌프 (Charge-pump)
인덕터를 사용하지 않고 축전기만을 사용하는 전원 회로로 입력 전원을 이용해 음전압을 생성하거나 입력 전압을 배로 늘리기 위해 사용된다.
[1] 최근의 경향은 SMPS의 전력밀도(Power Density)가 계속하여 증가하는 추세이므로, 더욱 높은 스위칭 주파수를 활용하기 위하여 일반적인 Si 반도체 소자가 아닌 SiC 또는 GaN 소자를 활용하기도 한다.[2] 입력측과 출력측이 전선이나 PCB 동박패턴으로 직접 연결되는 대신, 트랜스포머의 코어를 통해 흐르는 자속을 이용해 간접적으로 전력을 전달한다.[3] Flyback converter는 사용자의 안전을 위한 전기적 절연을 제공하는 토폴로지 중 가장 간단한 구조를 가지며 부품의 수도 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 절환 스위치 없이 110/220V 모두와 호환되는 프리볼트를 구현할 수 있다. 반면 Half-bridge나 Full-bridge를 사용하는 SMPS는 PFC 기능을 가진 경우를 제외하면 사용 전압에 맞도록 전압 선택 스위치를 맞춰주어야 한다.[4] 입력 전압보다 출력 전압이 낮다.[5] 주로 트랜지스터, 그중에서도 PNP형 트랜지스터 또는 P-채널 MOSFET이 사용된다.[6] 동기 정류 벅 컨버터의 경우 교대로 켜지는 트랜지스터가 사용된다. 이렇게 하는 이유는 트랜지스터에는 전압 강하 현상이 없어 손실을 줄일 수 있기 때문.[7] 입력 전압보다 출력 전압이 높다.