Switched Mode Power Supply(SMPS) 회로설계
-. 그림 1 에서 SMPS 의 블록 다이아 그램을 나타내었다.
그림 1. SMPS 의 블록 다이어그램
이 그림에서 전원 입력단은 정류하여 고주파에서 스위칭 할 수 있는 DC 전압으로 변환된다. 정류된 파형은 트랜스포머
1 차측에 인가되며 2 차 출력단의 신호는 필터 정류되어 정격 DC 전압이 인가되게 끔 한다.
출력전압은 출력단에 변화가 있지 안을 경우, 구동회로의 스위칭 파형을 제어 회로로 전송하는 역할을 한다.
DC 전압으로 변환하는 회로는 여러 종류가 있다. 이런 여러 종류의 회로를 선택할 때 트랜스포머나 인덕터도 같이 고려해야 한다.
자성재료 소자를 근거로 컨버터 회로의 종류를 살펴보면 플라이 백(Flyback) 컨버터, 포워드(Forward) 컨버터와
푸시풀(Push-pull) 컨버터가 있다.
1. 플라이 백 컨버터(Flyback converter)
그림 2 에 플라이 백 컨버터의 기본 회로를 나타내었다.
그림 2. 플라이 백 컨버터 기본회로
스위치가 폐쇄 되었을 때(트랜지스터가 도통 되었을 때) 인가된 전압은 인덕터로 전류가 흐르고 출력단 다이오드로는
전류가 흐르질 않는다. 전류가 서서히 증가하면, 스위치가 오픈 될 때까지 에너지가 축적된다.
스위치가 오픈 되면 그 동안 축적된 에너지가 출력단 커패시터와 부하측으로 전송된다.
임의의 주파수에서 트랜지스터의 도통시간이 인덕터의 에너지 축적량을 결정하며 또한 스위치가 작동상태(ON 상태)
시간을 결정짓는 요소가 된다. 이것은 SMPS 출력단의 전압을 제어 할 수 있는 요인이 된다. 제시한 기본 회로에서
그림 3 과 같이 인덕터에 두개의 와인딩 기법을 이용하는 실질적인(적용 할 수 있는) 회로로 나타낼 수 있다.
플라이백 컨버터 경우 모든 에너지는 먼저 인덕터에 축적이 되고 난후 출력단의 커패시터와 부하로 전송된다.
이러한 요건으로 1 차, 2 차측 절연이 가능하다는 장점이 있다.
플라이 백 컨버터에 또 다른 장점은 회로 출력단에 초크 코일이 필요 없다는 것이다.
이것은 그림 3 과 같이 전원공급기 회로 출력단의 수를 제어할 수 있는 장점이 있다.
그림 3. 실제 플라이백 컨버터 회로
이 컨버터에 단점은 트랜시스터가 off 되었을 동안에만 출력단의 커패시터가 충전 된다는 것이다.
따라서 다른 종류의 컨버터가 비교했을 때 출력단 커패시터의 리플 전류가 높다는 것이다.
또 다른 단점은 인덕터가 에너지를 축적하는데 영향을 미친 다는 것이다.
플라이 백 컨버터 회로에서 인덕터는 한 방향으로만 구동 된다. 즉, 이것은 다른 종류의 컨버터보다 코어 크기가 커져야
된다는 것을 의미한다.
2. 포워드 컨버터
포워드 컨버터에 기본적인 회로는 그림 4 에 나타내었다.
그림 4. 포워드 컨버터의 기본회로
스위치가 닫혔을 때(트랜지스터가 도통 되었을 때) 전류는 서서히 증가하고 인덕터를 통해 커패시터와 부하까지 흐르게 된다.
스위칭 ON 시간 동안 에너지는 출력단으로 전송되면서 인덕터에 에너지를 축적하게 된다.
스위치가 개방되면 인덕터에 저장된 에너지는 다이오드를 경유하여 출력단으로 전류가 계속 흐를 것이다.
플라이 백 컨버터처럼 인덕터에 저장된 에너지량은 스위칭 주기를 제어 하는데 사용할 것이다.
이것으로 포워드 컨버터 출력단의 전압을 제어하게 된다. 보다 실제적인(적용 가능한) 절연 포워드 컨버터 회로는
그림 5 에 나타내었다.
그림 5. 절연 포워드 컨버터
3. 푸시풀 컨버터
푸시풀 컨버터에 대한 기본적인 회로는 그림 6 에 나타내었다.
그림 6-1
그림 6-2
그림 6-3
그림 6 푸시풀 컨버터 기본회로
푸시풀 컨버터는 반대위상으로 동작하도록 두개의 포워드 컨버터를 배열한 것이다.
스위치 S1 이 단락 되었을 때 다이오드 D2 는 도통 되고 에너지는 인덕터에 축적이 되면서 부하로 공급된다.
(그림 6-1) 스위치 S1 와 S2 가 개방 되었을 경우 인덕터에 축적된 에너지가 부하측으로 병렬로 연결된 다이오드
D1 과 D2 를 통하여 흐르게 된다.(그림 6-2) 스위치 S2 가 단락 되었을 때 다이오드 D1 이 도통 되며 다이오드 D2 는 오픈 된다.
(그림 6-3) 푸시풀 회로는 출력단에서 리플전류에 대하여 필터링을 하므로 출력 리플 전압이 감소된다.
또 다른 푸시풀 컨버터에 장점은 포워드나 플라이 백 컨버터와는 달리 양 방향성을 지니고 있다.
따라서 사용상 동일한 사양이라면(같은 조건, 전력을 소비한다면) 푸시풀 컨버터가 보다 적은 크기의 코어를 사용하여
회로를 구현 할수 있다. 다중 출력일 경우 2 차측 연결회로 각각마다 다이오드, 인덕터 및 커패시터를 사용하여 구현할 수 있다.
4. 컨버터 선택법
세 종류의 컨버터 설계마다 몇가지 회로응용이 가능하다. 플라이 백 포워드 컨버터 회로의 경우 두개이상의 트랜지스터를
이용하여 설계할 수 있고 이런 회로 형태는 스위칭이 동시에 동작 되게끔 구현 할 수 있다.
이 회로에서 장점은 트랜지스터의 콜렉터 전류나 콜렉터-에미터 전압의 선택을 쉽게 결정 할 수 있도록 한다.
푸시풀 컨버터 회로 경우, 트랜스포머 1 차측 연결하는 방법이 그림 7 과 같이 여러가지가 있다.
그림 7-1 Single-ended 푸시풀 컨버터 회로
그림 7-2 Push-pull 푸시풀 컨버터 회로
그림 7-3 Full-bridge 푸시풀 컨버터 회로
이것은 트랜스포머 1 차측을 어떤 방법으로 구동시키느냐에 따라서 singleended,(그림 7-1) push-pull,(그림 7-2) full-bridge
(그림 7-3)로 구별할 수 있으며, 트랜지스터의 용량에 따라 어떤 회로를 적용 할 것인지 결정 할 수 있다.
실제 컨버터를 설계할 경우 먼저 어떤 컨버터 종류를 사용할 것인지 고려해야 한다. 즉, 처음 컨버터 회로를 설계할 때
출력 전압과 전력량을 고려해야 하며 구체적으로 기술하면, 절연여부, 리플전압 및 전류, 전체효율, 출력단의 경우 등을
고려해야 한다.
예를 들자면, 고성능, 고전력, 단일 출력에 리플이 1%이하로 설계한다면 푸시풀 컨버터 회로로 설계해야 되고
위와 같은 조건에서 저전력으로 설계한다면 푸시풀 컨버터나 포워드 컨버터중에 선택해야 할 것이다.
고전압용으로 설계할 경우는 플라이 백 컨버터가 가장 적당하며 출력단이 여러 개일 경우는 플라이 백 컨버터는 제외하는
것이 바람직하다. 이유는 출력단의 개수 만큼 인덕터와 다이오드 및 커패시터가 필요하기 때문이다.