스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 어떻게 작동하나요?

AC 또는 DC를 DC로 변환할 수 있는 전원 공급 장치를 찾고 계십니까? 그렇다면 스위치 모드 전원 공급 장치가 필요합니다. 작동 방식은 다음과 같습니다.
 
일반적으로 "스위처"라고 불리는 이 장치들은 초당 여러 번 전원 소스를 켜고 끕니다. 이러한 스위칭은 입력 주파수가 종종 메가헤르츠 대역에 이를 정도로 효과적인 입력 주파수를 생성합니다.

스위칭 전원 공급 장치의 "스위치"는 실제로 반도체인 MOSFET으로, 거의 저항이 없는 상태에서 전력을 전달하기 위해 포화 범위로 구동됩니다. 이것은 매초 수천 번 수행되며, 고주파 AC 중간체를 생성합니다. 반도체가 포화 상태로 구동되면 거의 저항이 나타나지 않아 높은 효율성과 매우 적은 열 발생을 제공합니다. 반면에 선형 전원 공급 장치는 그 정류기들이 선형 범위에서 작동하기 때문에 이 이름이 붙었습니다. 이는 전력을 전달할 때 저항을 통해 수행됨을 의미하며, 이러한 과정에서 발생하는 낭비 전력과 열 발생이 필연적입니다.   반도체가 켜짐과 꺼짐을 반복하는 주파수와 관계없이, 각각의 "켜짐" 펄스가 시작되는 시간 사이의 간격은 스위칭 주기로 정의됩니다. 스위칭 주기의 일부로서의 켜짐 시간은 듀티 사이클이라고 합니다. 듀티 사이클을 변경함으로써 출력 전압을 제어할 수 있습니다. 실시간으로 듀티 사이클을 변경하면 목표 전압을 유지할 수 있습니다. 

고효율 – 열 발생이 훨씬 적습니다. 저전력 장치는 종종 열 차폐가 필요하지 않아 PCB에 직접 장착할 수 있습니다.   컴팩트한 폼 팩터 – 스위처는 더 높은 주파수에서 작동하기 때문에 관련 필터링 커패시터와 인덕터의 값과 크기가 작아지고 전체 장치가 차지하는 공간이 줄어듭니다.   다재다능한 설계 – 스위처는 애플리케이션 요구에 따라 전압을 올리는 부스트(Boost) 또는 전압을 내리는 벅(Buck)으로 설계할 수 있습니다.

용어   스위처는 종종 브릭(full), 하프브릭(half-brick), 그리고 쿼터브릭(quarter-brick)으로 설명됩니다. 풀브릭의 크기는 4.6 x 2.4 x 0.5인치, 하프브릭은 2.3 x 2.4 x 0.35인치이며, 쿼터브릭은 2.3 x 1.45 x 0.35인치입니다. 이러한 정의는 널리 수용되지만 반드시 일관되게 준수되지는 않습니다. 사양에는 핀 아웃(pin-out)도 포함되어 있어서, 표준을 준수하는 스위처를 사용할 경우 설계자가 필요하거나 선택에 따라 제품을 대체하기 매우 쉽습니다. 최신 쿼터브릭 전원 공급 장치는 전기 전력을 250와트 이상 공급할 수 있습니다. 이는 기존 전원 공급을 위해 필요했던 공간 대비 큰 개선이며, 설계 중인 제품에 더 많은 기능을 포함할 수 있는 공간을 확보할 수 있게 합니다.   구조   스위처의 물리학을 설명하는 방정식은 겉보기엔 간단해 보입니다. 그러나 대부분의 전기 엔지니어가 보통 다루는 마이크로암페어 대신 암페어를 다루는 실질적인 현실은 지연, 추가 비용, 심지어는 명백한 제품 실패로 이어질 수 있습니다. 스위처 설계는 항상 전력 전문 엔지니어에게 맡기는 것이 최선이며, 이는 거의 항상 구매가 직접 제작보다 나은 경우입니다.    엔지니어는 스위칭 전원 공급 장치를 설계할 때 두 가지 주요 옵션을 가지고 있습니다. 첫 번째는 시스템에 필요한 모든 전압을 생성하는 단일 전원 공급 장치를 사용하는 것입니다. 두 번째는 외부 AC와 상호 작용하는 하나의 유닛으로, 보통 12, 24 또는 48볼트 중 하나의 DC 출력을 제공합니다. 이 경우, 주요 전원 공급 장치에서 생성된 전압은 시스템에서 필요로 하는 가장 높은 전압입니다. 시스템의 특정 부분에서 더 낮은 전압이 필요한 경우, 버크 컨버터를 사용하여 필요한 DC-to-DC 하향 변환을 수행할 수 있습니다.   버크 컨버터는 매우 효율적이며, 손실은 5퍼센트 이하로 적습니다. 때로는 스위칭 레귤레이터라고도 합니다. 모든 스위처와 유사하게, 버크 컨버터의 핵심은 소스 전압을 초당 수천 번 이상 켜고 끄는 반도체 스위치입니다.   설계상의 장점 덕분에 스위치 모드 전원 공급 장치는 가장 기술적이고 까다로운 응용 분야를 제외한 모든 분야에서 빠르게 표준이 되었습니다. 효율성, 작은 크기 및 경량화 측면에서 설계 개선은 지속적으로 이루어지고 있습니다. 더 많은 전원 공급 팁을 찾고 계십니까? 상위 스위칭 DC-to-DC 컨버터 유형에 대한 심층 분석을 확인해 보세요.