Switched(또는 Switching) Mode Power Supply
1 개요
현대 파워 서플라이의 모든 근간을 이루는 전원시스템 구성 방법이다. 들어오는 전원을 게이트 제어 소자를 사용해 Modulation 한 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 소자가 필수적으로 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 Trade-off를 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
맨 아래에 Charge-pump를 제외하면 모두 인덕터의 역기전력을 이용하여 전압을 변환한다.
- 절연식 (Isolated)
- Flyback converter
- Half-forward converter
- Forward converter
- Push-pull converter
- Half-bridge converter
- Full-bridge converter
절연식 토폴로지에는 반드시 트랜스포머가 포함된다. 입력측의 전력을 출력측으로 변환하여 전달하는 역할과 입력측과 출력측의 권선을 분리[2]함으로써 전기적인 절연을 제공하는 역할을 동시에 수행하기 위함으로, SMPS의 내부를 살펴봤을 때 절연테이프로 칭칭 감겨있는 덩어리가 바로 이것.
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]
2.1 비절연식 토플로지 (Non-isolated Topologies)
2.1.1 벅 컨버터 (Buck converter)
Step down[4] 계열의 비절연형 전원 변환 회로다. 입력 전원과 스위치, 출력 부하와 인덕터가 각각 직렬로 연결되어 있고 그 사이에 역방향 다이오드가 병렬로 포함된다. 출력전압은 스위치의 Duty Ratio에 의해 결정된다.- ↑ 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.
- ↑ 입력측과 출력측이 전선이나 PCB 동박패턴으로 직접 연결되는 대신, 트랜스포머의 코어를 통해 흐르는 자속을 이용해 간접적으로 전력을 전달한다.
- ↑ Flyback converter는 사용자의 안전을 위한 전기적 절연을 제공하는 토폴로지 중 가장 간단한 구조를 가지며 부품의 수도 줄일 수 있는 장점이 있다.
- ↑ 입력 전압보다 출력 전압이 낮다.