스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS)
스위칭 모드 전원 공급 장치(Switching Mode Power Supply, SMPS)는 전력을 효율적으로 변환하는 데 사용되는 전자 장치입니다. SMPS는 전통적인 선형 전원 공급 장치에 비해 높은 효율성과 작은 크기를 자랑하며, 다양한 전자 기기와 시스템에서 널리 사용됩니다. 컴퓨터, 통신 장비, 산업용 장비, 가전 제품 등에서 중요한 역할을 합니다.
SMPS 의 개요 및 특징
- 고효율 : SMPS는 높은 전력 변환 효율을 제공합니다. 일반적으로 70%에서 90% 이상의 효율을 보여, 에너지 손실을 최소화합니다.
- 작은 크기와 경량 : 스위칭 방식으로 전력 변환을 수행하기 때문에, 변압기 및 기타 부품의 크기를 줄일 수 있어 전체적인 장치의 크기와 무게가 감소합니다.
- 넓은 입력 전압 범위 : 다양한 입력 전압을 수용할 수 있어, 전 세계적으로 다양한 전원 환경에서도 사용이 가능합니다.
- 열 관리: 높은 효율성으로 인해 열 발생이 적어, 추가적인 냉각 장치가 불필요한 경우가 많습니다.
- 다양한 출력 전압 제공 : 여러 출력 전압을 동시에 제공할 수 있어, 복합적인 전력 요구를 만족시킬 수 있습니다.
SMPS 의 원리
SMPS의 기본 작동 원리는 고주파 스위칭을 통해 입력 전력을 변환하는 것입니다.
- 정류 및 필터랑 : 입력 AC 전압을 다이오드 브릿지를 통해 정류하여 DC 전압으로 변환합니다. 이 DC 전압은 커패시터를 통해 평활화됩니다.
- 스위칭 : 이 DC 전압은 고주파 스위칭 트랜지스터를 통해 빠르게 온/오프 스위칭됩니다. 이는 고주파 변압기를 통해 전달됩니다.
- 변압 및 정류 : 고주파 변압기에서 전압이 변환되고, 다시 다이오드 브릿지와 커패시터를 통해 DC로 변환됩니다.
- 출력 조정 : 출력 전압은 피드백 회로를 통해 모니터링되고 조정됩니다. 이를 통해 출력 전압의 안정성을 유지합니다.
SMPS 사용시 주의사항
- 노이즈 : 고주파 스위칭으로 인해 전자기 간섭(EMI)이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 적절한 필터링과 쉴딩이 필요합니다.
- 발열 관리 : 고효율에도 불구하고 일정량의 열이 발생합니다. 따라서 충분한 열 방출을 위한 설계가 필요합니다.
- 안전성 : 고전압을 다루기 때문에 적절한 절연과 보호 회로가 필수적입니다.
- 컴포넌트 선택 : 각 부품의 특성에 맞는 적절한 부품 선택이 중요합니다. 특히, 스위칭 트랜지스터와 변압기의 사양이 매우 중요합니다.
SMPS 선정 방법
- 출력 전력 : 필요한 출력 전력을 기준으로 SMPS의 용량을 선택합니다. 일반적으로 출력 전력보다 약간 높은 용량을 선택하여 여유를 두는 것이 좋습니다.
- 출력 전압과 전류 : 필요한 출력 전압과 전류를 정확히 계산하여 이에 맞는 SMPS를 선택합니다.
- 효율 : 에너지 절약과 열 관리를 위해 높은 효율의 SMPS를 선택합니다.
- 입력 전압 범위 : 사용 환경의 입력 전압 범위를 고려하여 적절한 입력 전압 범위를 지원하는 SMPS를 선택합니다.
- 신뢰성 : 브랜드와 제품 리뷰를 통해 신뢰성 있는 제품을 선택합니다. MTBF(평균 고장 간격 시간)와 같은 신뢰성 지표를 참고합니다.
- 크기와 형태 : 설치 공간에 맞는 크기와 형태의 SMPS를 선택합니다. 공간이 제한된 경우 컴팩트한 디자인을 고려해야 합니다.
SMPS 용량 선정 의 예시
스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS)의 용량을 구하는 방법은 주로 출력 전력 요구 사항을 기준으로 합니다. 정확한 용량 계산을 위해 몇 가지 중요한 요소를 고려해야 합니다.
1. 총 출력 전력 계산
SMPS의 용량은 총 출력 전력 요구 사항을 기준으로 결정됩니다. 이를 위해 각 출력의 전압과 전류를 곱하여 필요한 총 출력 전력을 계산합니다.
옴 의 법칙 P=VI 를 기억하고 대입하여 계산을 해보면 됩니다.
보다 자세한 이해를 돕기 위해 아래 내용을 참고해 주세요.
각 출력의 전압과 전류가 다음과 같다고 가정해 봅시다
- 출력 1: 12V, 2A
-
출력 2: 5V, 3A
총 출력 전력(P_total)은 다음과 같이 계산됩니다:
2. 효율 고려
SMPS의 효율은 전력 손실을 감안해야 합니다. 보통 SMPS의 효율은 70%에서 90% 사이입니다. 효율을 고려한 총 전력 요구 사항을 구하기 위해 다음 공식을 사용합니다
3. 안전 마진 추가
SMPS 용량 선택 시에는 안전 마진을 두는 것이 좋습니다. 일반적으로 총 전력 요구 사항에 20~30%의 여유를 추가합니다.
안전 마진을 30% 추가한다면
따라서, 이 예시에서 필요한 SMPS의 용량은 약 60W입니다.
4. 기타 고려 사항
- 입력 전압 범위 : 사용하는 환경의 전압 변동을 고려하여 넓은 입력 전압 범위를 지원하는지 확인합니다.
- 출력 전압과 전류의 안정성 : 각 출력의 전압 및 전류가 변동 없이 안정적으로 공급되는지 확인합니다.
- 열 관리 : SMPS의 열 방출 능력을 고려하여, 방열판이나 팬이 필요한지 검토합니다.
- 인증 및 신뢰성 : 필요한 안전 인증을 받은 제품인지, 신뢰성 있는 브랜드인지 확인합니다.
5. SMPS 선정시 참고 자료
아래 사진은 오토닉스 SMPS 의 카달로그 일부 입니다.
위에서 우리가 선정한 60w 의 용량을 구하여 SMPS 의 용량을 구하였다면 출력 전압 을 얼마를 사용할지 를 꼭 확인 하시어 SMPS 를 선정 하셔야 하며, 이에 따른 소비전류 를 잘 확인하시고 CP 를 선정할때 고려 해주셔야 합니다.
보통 SMPS 는 단독 CP 를 사용하여 회로 분리를 시켜 줍니다.
아래 링크 는 오토닉스 의 메뉴얼 을 볼수 있는 링크 입니다. 필요 하신분은 다운 받아서 확인 해 보세요.
https://www.autonics.com/common/download/457368
결론
SMPS의 용량을 계산하는 방법은 총 출력 전력 요구 사항을 효율과 안전 마진을 고려하여 계산하는 것입니다. 이를 통해 적절한 용량의 SMPS를 선택하면, 안정적이고 효율적인 전력 공급을 보장할 수 있습니다.
스위칭 모드 전원 공급 장치는 다양한 장점과 유용성을 제공하지만, 정확한 이해와 선택이 필수적입니다. 적절한 제품을 선택하고 안전하게 사용하면 전자 기기의 성능과 수명을 크게 향상시킬 수 있습니다.