전원 공급 장치란 무엇입니까?
전원 공급 장치는 전기 장치로, 전원 공급 장치에서 나오는 전류를 전자 모터 또는 전자 장치와 같은 부하에 필요한 전압 값으로 변환합니다.
전원 공급 장치에는 선형 전원 공급 장치와 스위칭 전원 공급 장치의 두 가지 주요 설계가 있습니다.
선의: 선형 전원 공급 장치 설계에서는 변압기를 사용하여 입력 전압을 낮춥니다. 그런 다음 전압을 DC 전압으로 정류한 다음 필터링하여 파형 품질을 향상시킵니다.
선형 전원 공급 장치는 선형 레귤레이터를 사용하여 출력에서 일정한 전압을 유지합니다. 이러한 선형 레귤레이터는 추가 에너지를 열의 형태로 소산합니다.
전환: 스위칭 전원 공급 장치 설계는 비교적 새로운 방법으로, 변압기 크기 및 전압 조정을 포함하여 선형 전원 공급 장치 설계와 관련된 많은 문제를 해결하도록 설계되었습니다.
스위칭 전원 공급 장치 설계에서는 입력 전압이 더 이상 감소하지 않습니다. 대신 입력에서 보정 및 필터링됩니다. 그런 다음 전압은 초퍼를 통과하여 고주파 펄스 열로 변환됩니다. 전압이 출력에 도달하기 전에 다시 한 번 필터링되고 정류됩니다.
스위칭 전원 공급 장치의 토폴로지
SMPS(스위칭 전원 공급 장치)에는 AC-DC 컨버터, DC-DC 컨버터, 플라이백 컨버터, 포워드 컨버터 등 4가지 토폴로지가 있습니다.
AC-DC 변환기: 이 유형의 SMPS에서는 입력 전원이 AC이고 출력 전원이 DC입니다. 우리는 DC 전원을 얻습니다. 이 교류를 직류로 변환하기 위해 정류기와 필터가 사용됩니다.
DC-DC 변환기: 이 전원 공급 장치의 입력 전원은 고전압 DC 전원에서 직접 제공됩니다.
플라이백 변환기: 출력 전력이 100W 미만인 모든 SMPS를 플라이백 컨버터 SMPS라고 합니다. 다른 SMPS에 비해 이 SMPS의 회로는 간단하고 간단합니다. 이러한 유형의 SMPS는 저전력 소비를 위해 사용됩니다.
순방향 변환기: 이러한 유형의 SMPS의 설계는 충격 방지 변환기 SMS와 거의 동일합니다. 이 SMPS에서는 스위치가 제어를 위해 변압기 2차 권선의 출력에 연결됩니다.
플라이백 컨버터에 비해 필터링 및 수정 회로는 더 복잡합니다. DC-DC 벅 컨버터라고도 하는 이러한 SMPS는 변압기 스케일링 및 절연에도 사용됩니다.
스위칭 전원 공급 장치는 어떻게 작동합니까?
수년에 걸쳐 선형 AC/DC 전원 공급 장치는 유틸리티 그리드의 AC 전력을 DC 전압으로 변환하여 가전제품 및 조명의 에너지 요구 사항을 충족하는 데 중요한 역할을 해왔습니다. 그러나 기술이 발전함에 따라 특히 고전력 애플리케이션의 환경이 바뀌었습니다. 저잡음으로 알려진 선형 전원 공급 장치는 특정 산업 및 의료 응용 분야에서 틈새 시장을 찾았습니다. 장점에도 불구하고 스위칭 전원 공급 장치의 우위는 다음과 같은 이유로 인해 분명해졌습니다.더 작은 크기, 향상된 효율성, 높은 전력 처리 능력. 전력 변환 프로세스에는 일반적으로 입력 정류, 역률 보정(PFC), 절연의 세 단계가 포함됩니다. 그림 1은 스위칭 전원 공급 장치에서 교류(AC)에서 직류(DC)로의 일반적인 변환에 대한 개요를 제공합니다.
스위칭 전원 공급 장치는 전자식 전원 공급 장치로서 효율적인 전기 변환을 위해 설계된 스위칭 조정기를 통합합니다. 다른 전원 공급 장치와 마찬가지로 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 DC 또는 AC 소스(일반적으로 주전원)에서 개인용 컴퓨터와 같은 DC 부하로 전력을 전송합니다. 이 과정에서 부하 요구 사항을 충족하도록 전압 및 전류 특성이 동시에 조정됩니다.
스위칭 전원 공급 장치 영역에서 패스 트랜지스터는 저전력, 완전 켜짐, 완전 꺼짐 상태 사이를 연속적으로 전환합니다. 이러한 동적 동작은 소산성이 높은 전환에 소요되는 시간을 최소화하여 에너지 낭비를 효과적으로 줄입니다. 이상적인 시나리오에서 스위치 모드 전원 공급 장치는 전력을 소비하지 않으므로 에너지 효율적인 애플리케이션에 적합한 선택입니다.
입력 정류
정류 과정에는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 과정이 포함됩니다. 스위치 모드 AC/DC 전원 공급 장치의 경우 초기 단계는 입력 신호 정류입니다. 일반적으로 DC 전압은 배터리에서 생성되는 것과 유사한 안정적이고 변하지 않는 라인과 유사하다고 인식되지만, 직류(DC)는 전하의 단방향 흐름이 특징이라는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 이는 전압이 같은 방향으로 일관되게 흐른다는 것을 의미합니다.반드시 일정하게 유지되는 것은 아닙니다.
스위치 모드 전원 공급 장치의 정류를 수행하려면 패시브 하프 브리지 정류기를 사용하여 다이오드를 통해 사인파의 음의 절반을 제거할 수 있습니다(그림 2 참조). 다이오드는 파동의 양의 절반 동안 전류 흐름을 허용하지만 흐름이 반대 방향일 때는 전류를 차단합니다. 이 선택적 흐름 제어는 전원 공급 장치 작동의 기본 단계인 AC 전압을 보다 단방향 DC 전압으로 변환합니다.
정류 과정을 거친 후 생성된 사인파는 평균 전력이 낮아 장치에 효과적으로 전력을 공급하기에는 부족합니다. 효율성을 높이기 위한 대체 방법은 음의 반파의 극성을 변경하여 이를 양의 파로 변환하는 것입니다. 전파 정류로 알려진 이 기술은 4개의 다이오드를 사용하는 브리지 구성으로 달성할 수 있습니다(그림 3 참조). 이러한 다이오드의 전략적 배열은 일관된입력 전압의 극성에 관계없이 전류 방향. 이러한 구성은 장치의 안정적인 전원 공급을 유지하는 데 도움이 됩니다.
완전히 정류된 파동은 하프 브리지 정류기의 평균 출력 전압에 비해 더 높은 평균 출력 전압을 생성하지만 여전히 전자 장비에 전력을 공급하는 데 필요한 이상적인 일정한 DC 파형과는 다릅니다. DC의 한 형태임에도 불구하고, 전압파의 값이 빠르고 빈번하게 변화하므로 기기의 전력 활용이 비효율적입니다. 리플이라고 알려진 이러한 DC 전압의 변동은 효율적인 전원 공급 장치에 문제를 야기합니다.
이 문제를 해결하기 위해 가장 간단하고 널리 사용되는 방법은 정류기 출력에 대용량 커패시터를 통합하는 것입니다. 이를 저장 커패시터 또는 평활화 필터라고도 합니다(그림 4 참조).
이 커패시터는 파동이 정점에 있는 동안 전압을 저장했다가 정류파의 상승파 아래로 전압이 떨어질 때까지 부하에 전류를 공급함으로써 전압 파형을 평활화하는 중추적인 역할을 한다. 결과 파형은 AC 구성 요소가 없는 DC 전압과 유사하여 원하는 모양에 매우 가깝습니다. 이렇게 정제된 전압 파형은 DC 장치에 전원을 공급하는 데 적합합니다.
반도체 다이오드를 비제어 스위치로 사용하는 수동 정류는 AC파를 정류하는 가장 간단한 방법이지만 효율성 측면에서 부족합니다.
다이오드는 최소한의 전력 손실로 신속한 온-오프 전환이 가능한 상대적으로 효율적인 스위치 역할을 하지만, 0.5V~1V 범위의 순방향 바이어스 전압 강하로 인해 방해를 받아 효율성이 저하됩니다.
능동 정류는 다이오드를 MOSFET 또는 BJT 트랜지스터와 같은 제어 스위치로 교체하는 다른 접근 방식을 취합니다(그림 5 참조). 이 접근 방식은 두 가지 장점을 제공합니다. 첫째, 트랜지스터 기반 정류기는 반도체 다이오드의 고정된 0.5V~1V 전압 강하 특성을 제거합니다. 저항이 임의로 작을 수 있어 전압 강하가 크게 감소하기 때문입니다.
둘째, 제어된 스위치로 작동하는 트랜지스터는 스위칭 주파수를 최적화하여 유연성을 제공합니다. 그러나 능동 정류기의 제어 회로가 복잡해지고 추가 구성 요소가 포함되어 상대적으로 가격이 높아집니다.
역률 보정
스위칭 전원 공급 장치 설계의 두 번째 단계는 역률 보정입니다.
정류기 저장 커패시터의 전류 파형(그림 6 참조)을 관찰하면 특히 커패시터의 입력 전압이 정류된 신호의 피크 전하를 초과할 때 충전 전류가 커패시터를 빠르게 통과한다는 것이 분명해집니다. 이 급속 충전 프로세스는 커패시터에 일련의 짧은 전류 스파이크를 생성하여 전원 공급 장치에 문제를 일으킬 뿐만 아니라 전체 그리드에 문제를 야기합니다. 급격한 전류 스파이크로 인해상당한 수의 고조파가 그리드에 유입되어 왜곡이 발생하여 그리드에 연결된 다른 전원 공급 장치 및 장비에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
스위칭 전원 공급 장치 설계 영역에서 역률 보정 회로는 이러한 고조파를 효과적으로 필터링하여 완화하는 것을 목표로 합니다. 이를 달성하기 위한 두 가지 주요 옵션이 있습니다: 능동 역률 보정과 수동 역률 보정.
수동 역률 보정에는 고주파 고조파를 제거하도록 설계된 수동 저역 통과 필터의 통합이 포함됩니다. 그러나 특히 고전력 애플리케이션에서 패시브 PFC에만 의존하는 전원 공급 장치는 고조파 잡음에 대한 국제 규정을 준수하는 데 어려움을 겪습니다. 대안으로 유효전력 보정이 필요하게 됩니다.
능동 역률 보정은 전압 파형에 맞춰 전류 파형을 재구성하는 방식으로 작동합니다. 이 조정을 통해 고조파를 더 높은 주파수로 재배치하여 더 쉽게 필터링할 수 있습니다. 이러한 시나리오에서는 부스트 컨버터라고도 알려진 부스트 컨버터가 효과적인 능동 역률 보정을 위해 널리 사용되는 회로로 등장합니다.
절연: 절연 및 비절연 스위칭 전원 공급 장치
입력단에서 입력 AC 파형을 정류하면 결과적으로 출력 DC 전압이 눈에 띄게 높아집니다. 역률 보정(PFC)이 없는 경우 정류기는 약 320V의 출력을 생성합니다. 그러나 능동형 PFC 회로를 도입하면 부스트 컨버터의 출력이 400V 이상의 안정적인 DC 전압으로 변환됩니다.
지나치게 높은 DC 전압을 특징으로 하는 두 시나리오 모두 상당한 위험을 초래하며 일반적으로 훨씬 낮은 전압 레벨을 요구하는 대부분의 애플리케이션에서는 비실용적임이 입증되었습니다. 표 1에는 적절한 절연 토폴로지를 선택할 때 고려해야 할 컨버터 및 애플리케이션과 관련된 다양한 측면이 요약되어 있습니다. 이 포괄적인 개요는 특정 요구 사항 및 안전 고려 사항을 기반으로 정보에 입각한 결정을 내리는 데 도움이 됩니다.
스위칭 전원 공급 장치의 장점
어떤 기술을 사용하든 여러 가지 장점과 단점을 신중하게 균형 있게 사용하는 경우가 많습니다. 이는 몇 가지 뚜렷한 장점을 제공하지만 단점도 있는 스위치 모드 전원 공급 장치의 경우에 해당됩니다.
SMPS의 장점
고효율: 스위치 동작은 직렬 조정기 요소가 켜져 있거나 꺼져 있음을 의미합니다. 따라서 열로 방출되는 에너지는 거의 없으며 매우 높은 수준의 효율성을 달성할 수 있습니다.
콤팩트: 높은 효율과 낮은 방열 수준으로 인해 스위칭 모드 전원 공급 장치를 더욱 컴팩트하게 만들 수 있습니다.
소송 비용: 스위칭 전력을 매우 매력적으로 만드는 것 중 하나는 비용입니다. 설계의 더 높은 효율과 스위칭 특성은 선형 전원 공급 장치보다 필요한 열이 적다는 것을 의미하므로 비용이 절감됩니다. 시간이 지남에 따라 전원 공급 장치의 스위칭 특성으로 인해 많은 구성 요소의 비용이 저렴해집니다.
유연한 기술: 스위칭 전원 공급 장치 기술을 사용하면 전압 승압 또는 “부스트” 애플리케이션 또는 강압 “벅” 애플리케이션에서 고효율 전압 변환을 제공할 수 있습니다.
균형적으로 스위칭 전원 공급 장치는 컴퓨터에서 충전기, 실험실 장비, 가정용 전자 기기의 다양한 품목에 이르기까지 다양한 응용 분야에 이상적입니다. 비용, 크기 및 효율성은 많은 애플리케이션의 주요 기술이 되도록 보장하는 핵심 요소입니다.
SMPS의 응용:
수년 동안 선형 AC/DC 전원 공급 장치는 유틸리티 그리드의 교류 전류를 DC 전압으로 변환해 왔으며, 핏은 가전 제품이나 조명을 작동하는 데 사용됩니다. 고전력 애플리케이션에는 더 작은 전원 공급 장치가 필요합니다.
이는 선형 전원 공급 장치가 특정 산업 및 의료 용도로 분류되었음을 의미합니다. 소음이 적기 때문에 이러한 용도에는 여전히 필요합니다. 그러나 스위칭 전원 공급 장치는 더 작고, 더 효율적이며, 높은 전력을 처리할 수 있기 때문에 그 자리를 대신했습니다.
스위칭 전원 공급 장치에는 가장 일반적으로 사용되는 컴퓨터, 보안 시스템, 철도 시스템, 배터리 충전기 및 공작 기계 산업과 같은 다양한 응용 분야가 있습니다.
스위칭 전원 공급 장치는 다운스트림으로 널리 사용됩니다. 최근 LED 산업, 의료기기, 휴대폰 충전기, 자동차, 가전제품 등 다양한 분야에서 스위칭 전원 공급 장치의 중요성이 더욱 커지고 있습니다.
전 세계적으로 스위칭 전원 공급 장치 시장은 주로 SWITCHING 전원 공급 장치의 총 다운스트림 소비량 중 약 52%를 차지하는 가전 제품에 대한 수요 증가에 의해 주도됩니다.
요약
스위칭 전원 공급 장치를 설계할 때 특히 안전, 성능, 크기, 무게 등과 관련하여 고려해야 할 다양한 측면이 있습니다. 또한 스위칭 전원 공급 장치에는 선형 전원 공급 장치보다 더 복잡한 제어 회로가 있으므로 많은 설계자가 전원 공급 장치에 통합 모듈을 구현하는 것이 유용하다고 생각합니다.
WEHO는 NDR EDR Din-rail 전원 공급 장치, LRS 슬림형 전원 공급 장치, LPV IP67 방수 LED 드라이브, DC-DC 컨버터 등과 같이 스위칭 전원 공급 장치 설계를 단순화할 수 있는 다양한 모듈을 제공합니다.
