SMPS의 종류와 동작방식

SMPS 또는 SMPS 토폴로지 유형은 스위치 모드 전원 공급 장치의 다양한 회로 구성을 분류하는 방법입니다. 넓은 의미에서 스위치 모드 전원 공급 장치는 비절연 SMPS 및 절연 SMPS로 분류됩니다.

 

1. SMPS의 종류

SMPS 또는 SMPS 토폴로지 유형은 스위치 모드 전원 공급 장치의 다양한 회로 구성을 분류하는 방법입니다. 넓은 의미에서 스위치 모드 전원 공급 장치는 비절연 SMPS 및 절연 SMPS로 분류됩니다.

 

SMPS(Switch Mode Power Supply), 즉 스위치 모드 전원 공급 장치는 소스에서 부하로 전력을 전달하는 데 사용되는 전원 공급 장치입니다. 선형 전원 공급 장치와 달리 부하에 출력 신호를 제공하기 위해 반도체 스위칭 기술이 포함됩니다.

일반적으로 부하는 출력으로 조절된 형태의 DC 신호가 필요합니다. SMPS를 사용하여 조정되지 않은 DC 또는 AC 입력 신호를 부하에 의해 실제로 필요한 조정된 DC 신호로 변환할 수 있습니다. 여기에는 켜져 있을 때 포화 모드에 있고 꺼져 있을 때 차단 모드에 있는 스위칭 장치가 포함되어 있습니다. 따라서 이상적인 스위치 역할을 합니다.

 

 

 

 

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2. SMPS 토폴로지

아래 그림은 SMPS가 분류되는 토폴로지 입니다. 

 

 

 

비절연 SMPS는 입력 및 출력 회로가 서로 절연되지 않은 SMPS입니다. 많은 비절연 SMPS가 존재하지만 비절연 SMPS의 세 가지 주요 유형은 벅, 부스트 및 벅-부스트 SMPS입니다. 이러한 스위치 모드 전원 공급 장치에서는 스위칭 회로를 출력 회로와 분리할 수 있는 장치가 사용되지 않습니다. 여기서 인덕터는 에너지 저장 소자로 사용됩니다.

 

절연 SMPS는 입력 회로와 출력 회로 사이에 절연이 유지되는 SMPS입니다. 여러 절연 SMPS가 존재함에도 불구하고 주로 알려진 두 가지 유형은 플라이백 컨버터와 포워드 컨버터입니다. 이 스위치 모드 전원 공급 장치는 변압기를 사용하여 출력에서 스위칭을 분리합니다. 변압기의 2차 권선은 에너지 저장 소자 역할을 합니다.

 

 

 

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1) 벅 스위칭 레귤레이터

벅 스위칭 레귤레이터는 제공된 입력 신호보다 작은 값으로 DC 출력 신호를 생성하는 레귤레이터입니다. 따라서 스텝 다운 컨버터라는 또 다른 이름이 주어집니다.

 

아래 그림은 벅 스위칭 레귤레이터의 회로입니다. 

 

 

 

여기서, 2개의 스위치, 즉 트랜지스터(Q)와 다이오드(D), 그리고 에너지 저장 소자(즉, 인덕터(L)를 사용하여 구성됩니다. 커패시터 C는 평활화 목적으로 사용됩니다. 이 회로의 두 가지 작동 모드는 트랜지스터가 켜져 있는지 꺼져 있는지에 따라 다릅니다.

 

높은 입력 펄스가 제공되면 트랜지스터가 켜지고 D는 역 바이어스됩니다. 역 바이어스 조건으로 인해 다이오드를 통해 전류가 흐르지 않으며 트랜지스터의 전류는 인덕터를 통해 부하에 도달합니다.

 

패러데이의 법칙에 따르면 인덕터는 전류 변화에 반대합니다. 따라서 부하 전류는 자기장의 팽창과 함께 점진적인 상승을 보이는 반면 인덕터는 에너지를 저장합니다. 또한 이 전류는 부하를 가로질러 연결된 공급 전압까지 커패시터 C를 충전합니다.

 

 

 

낮은 입력 펄스가 제공되면 트랜지스터가 꺼지고 전류가 흐르지 않습니다. 외부 공급이 없으면 인덕터 주변의 자기장이 유지되지 않아 인덕터 양단에 역극성의 전압이 유도됩니다.

 

따라서 인덕터에 존재하는 전압은 이제 다이오드를 순방향 바이어스로 만들고 이번에는 전류가 다이오드를 통해 부하를 통해 흐릅니다. 동시에 커패시터 내의 전하도 부하에 공급됩니다. 이것은 트랜지스터가 다시 전도를 시작할 때까지 발생합니다.

 

 

 

 

트랜지스터의 오프 상태에서 인덕터와 커패시터는 트랜지스터의 스위칭 동작으로 인한 리플을 부드럽게 하는 LC 필터 역할을 합니다.

 

부하에서의 평균 출력은 듀티 사이클 D에 의해 제공됩니다.

 

 

 

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2) 부스트 스위칭 레귤레이터

SMPS의 부스트 유형은 제공된 입력 신호보다 값이 큰 DC 출력 신호를 생성합니다. 따라서 때때로 스텝 업 변환기라고도합니다. 아래 그림은 부스트 컨버터의 회로입니다. 

 

 

 

부스트 구성에서 높은 펄스가 입력에 존재하면 트랜지스터가 켜집니다. 여기서 전류는 인덕터에서 시작하여 트랜지스터를 통해 공급 입력으로 다시 흐를 수 있습니다. 이때 트랜지스터에 대한 다이오드의 역 바이어스 구성으로 인해 전류가 부하에 도달하지 않지만 인덕터는 에너지를 저장합니다.

 

 

 

 

 

음의 펄스가 입력에 존재하면 트랜지스터는 비전도성 상태가 됩니다. 스위치가 꺼진 트랜지스터 조건으로 인해 다이오드는 이제 순방향 바이어스되고 전도를 시작합니다. 이 조건에서 공급 입력은 순방향 바이어스 다이오드를 통해 부하로 전달됩니다. 또한 인덕터에 저장된 에너지도 동시에 부하에 전달됩니다.

 

 

 

따라서 이 경우 부하에 전달되는 총 에너지는 입력 공급 에너지 V의 합이 됩니다안으로 인덕터 V에 저장된 에너지L. 이 동일한 에너지에 의해 부하를 가로지르는 C가 충전됩니다.

 

다시 트랜지스터가 켜지면 이전에 충전된 커패시터가 이제 소스 역할을 하여 부하에 전력을 공급합니다.

 

 

 

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3) 벅 부스트 스위칭 레귤레이터

SMPS의 벅 부스트 구성은 조건에 따라 공급 입력보다 값이 높거나 작을 수 있는 출력을 생성합니다. 아래 그림은 벅 부스트 컨버터의 회로입니다. 

 

 

 

처음에는 입력에 높은 펄스가 존재할 때 트랜지스터가 켜지고 그 상태에서 전류는 인덕터를 통해 공급으로 다시 흐르고 따라서 인덕터에 공급 에너지를 충전합니다. 이때 다이오드의 역 바이어스 조건으로 인해 입력 전력이 부하에 전달되지 않습니다.

 

 

 

그러나 낮은 펄스가 입력에 제공되자마자 트랜지스터가 꺼지고 이로 인해 다이오드가 순방향 바이어스 상태로 인해 전도됩니다. 따라서 트랜지스터의 오프 상태에서 인덕터 내에 이전에 저장된 에너지(반대 극성)는 이제 커패시터를 동시에 충전하는 다이오드를 통해 부하로 전달됩니다.

 

 

 

이는 듀티 사이클에 따라 공급 입력보다 크거나 작을 수 있는 역 극성을 갖는 출력 전압을 제공합니다.

 

벅 부스트 컨버터의 출력 전압은 다음과 같습니다.

 

 

벅 모드 또는 부스트 모드에서 작동할 수 있기 때문에 그렇게 불립니다.

 

 

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4) 플라이백 컨버터

이 경우 스위칭 장치는 출력 회로와 완전히 절연되어 있으며 아래 그림은 플라이백 컨버터의 회로입니다. 

 

 

 

여기에 플라이백 변압기가 통합되어 권선 중 하나만 한 번에 전도됩니다. 에너지 저장 및 에너지 전달 장치 역할을 합니다. 두 변압기 권선의 극성을 표시하기 위해 두 권선의 점이 사용됩니다.

 

높은 입력 펄스 동안 트랜지스터가 켜지고 전류가 변압기의 1차 권선을 통해 흐르고 공급 입력에 도달합니다. 이러한 전류 흐름으로 인해 전압은 2차 권선에서 유도되지만 두 권선의 점이 서로 다른 방향에 있기 때문에 극성이 반대입니다.

 

2차 권선에서 이 역극성은 다이오드 D를 역 바이어스합니다. 이 상태에서 커패시터 내에 저장된 전하는 부하에 전력을 전달하는 소스 역할을 합니다.

 

 

 

그러나 낮은 입력 펄스 동안에는 트랜지스터가 꺼지고 변압기의 1차 권선을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 이때 2차 권선은 에너지를 방출하고 극성을 역전시킵니다. 이 순방향 바이어스는 다이오드와 전류가 이를 통해 흐릅니다. 따라서 이제 전력이 부하에 전달되고 동시에 커패시터가 충전됩니다.

 

 

 

 

여기서 변압기 권선의 권선비는 생성된 출력이 입력보다 높거나 작은지 여부를 결정합니다.

 

 

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5) 포워드 컨버터

순방향 컨버터는 변압기를 통합한 절연 유형의 SMPS를 기반으로 합니다. 아래 그림은 두 개의 점이 변압기의 두 권선에서 동일한 극성에 해당하는 순방향 변환기의 회로를 나타냅니다.

 

 

 

높은 입력 펄스가 제공되면 트랜지스터가 켜지고 전류가 변압기의 1차 권선을 통해 흐르기 시작합니다. 1차 권선에 이 흐르는 전류는 2차 권선에 전류를 유도합니다. 그러나 플라이백 컨버터와 달리 여기서는 두 권선의 극성이 동일합니다.

 

이것은 다이오드 D를 순방향 바이어스합니다0 그리고 전류는 인덕터를 통과하고 커패시터를 충전하여 부하에 도달합니다. 흐르는 전류는 인덕터 내에 에너지를 저장합니다.

 

 

 

그러나 낮은 입력 펄스가 주어지면 트랜지스터가 꺼지고 변압기의 1차 권선을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 따라서 전압이 2 차 권선에 더 이상 유도되지 않습니다

 

. 이 경우 인덕터에 저장된 에너지는 다이오드 D를 순방향 바이어스하고 부하에 에너지를 공급합니다. L 내의 에너지가 완전히 소진되면 커패시터는 추가로 에너지원으로 작용합니다.