Switching Mode Power Supply (SMPS)

SMPS의 개요

 

스위칭 주파수를 높여 에너지 축적용 소자를 소형화함으로써
소형, 경량화를 이룰 수 있고, 이를 위해서는 고속 반도체 소자의 개발이 필요하다.
그러나, 스위칭 주파수를 고주파화하면
스위칭 손실, 인덕터 손실 등 전력 손실이 커지는 점과
스위칭에 의해 발생하는 써지, 노이즈 문제를 고려해야 한다.

 

SMPS의 기본 구성

 

입력 -> 노이즈 필터 -> 돌입 전류 방지 회로 -> 입력 정류 평활 회로 ->
DC-DC 컨버터 (스위치, 환류 다이오드, LC 필터)  -> 출력 정류 평활 회로 -> 출력.
출력 -> 궤환 제어 회로 (오차 증폭기, 비교기, 스위치 구동 회로)
출력 -> 보호 회로.

 

SMPS의 회로 방식

 

1-1. 비절연형 (non-isolation type) -> Buck (step-down, 강압형) 방식

주 스위치 Q가 on이 되면, 입력으로부터 전류가 L을 통하여 출력으로 흐름과 동시에 L에 축적되고,
Q가 OFF되면, L에 축적된 에너지가 환류 다이오드 D를 통하여 출력 측으로 방출된다.

 

1-2. Boost (step-up, 승압형) 방식

스위치 Q가 도통일 때 인덕터 전류에 의해서 L에 에너지가 축적되고,
다음에 Q가 차단되면 L에 축적된 에너지가 환류 다이오드 D를 통하여 출력 측으로 방출된다.

 

1-3. Buck-boost (step-up/down, 극성역전형) 방식

승강압형의 특징과 극성역전형 특징을 함께 갖고 있다.

 

2-1. 절연형 (isolation type) -> Flyback 방식

절연형은 고주파 트랜스포머가 삽입되어 있다는 점을 제외하고는 비절연형과 그 기본 특성이 동일하다.
Flyback 방식은 buck-boost 방식과 기본 동작이 동일하다.
Flyback 방식은 50W 이하의 낮은 출력에 적용하기 적합하며, 회로가 간단하고 경제적이다.

 

2-2. Forward 방식

Forward 방식은 출력 용량 500W급 정도까지의 중전력용으로 많이 응용되고 있으며,
buck 방식과 기본 동작이 동일하며 안정성이 뛰어나다.

 

2.3. Push-pull 방식

Push-pull 방식은 스위치 Q1, Q2가 교대로 on, OFF하는 방식으로
1 kW 이하의 대용량에 적용 가능하며 구동 회로가 간단하나 트랜스포머의 편자 현상이 발생할 가능성이 있다.

 

2.4. Half-bridge 방식

Half-bridge 방식은 500W - 수 kW의 대용량에 많이 응용되고 구동 회로가 복잡하다.
 

2.5. Full-bridge 방식

Full-bridge 방식은 half-bridge 방식에 스위치 두 개를 더 추가한 형태로,
한 쌍의 스위치가 교대로 도통, 차단을 반복하면서
half-bridge 방식과 동일하게 동작하고, 구동 회로가 매우 복잡하며 수 kW 이상의 대용량에 응용된다.

 

SMPS와 리니어 전원 공급 장치

 

리니어 전원 공급 장치
효율: 낮음 (30% ~ 60%)
크기: 대형 (변압기, 방열판 등)
회로 구조: 간단 (변압, 정류, 안정화 회로 등)
안정도: 높음 (0.001% ~ 0.1%)
리플: 작음 (0.1mV ~ 10mV)
과도 응답: 빠름 (50us ~ 1ms)
입력 전압의 대응: 입력 전압폭이 크면 효율 저하
원가: 낮음
신뢰성: 보통 (부품 수가 적지만 온도 상승)
용도: 고밀도 전원으로 소용량

 

SMPS
효율: 높음 (70% ~ 85%)
크기: 소형 (리니어의 1/4 ~ 1/10)
회로 구조: 복잡 (정류, 스위칭, 펄스 제어, 변압, 정류 회도 등)
안정도: 보통 (0.1% ~ 3%)
리플: 큼 (10mV ~ 200mV)
과도 응답: 보통 (500us ~ 10ms)
입력 전압의 대응: 직류 및 110V/220V 겸용
원가: 보통
신뢰성: 보통 (부품수는 많고 온도 낮음)
용도: 소형 고효율을 요구하는 전원으로 대용량

 

출처: http://unionelecom.co.kr/