S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER

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전력 전자 부품의 핵심 분야인 S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 에 대해서
분야별로 알아보는 시간을 가지고 있습니다. 이번 시간은 NOISE FILTER 에 대해서 살펴봅시다. 

제 3 부 NOISE FILTER

1. NOISE의 개요

과학 기술의 발전 및 전기 전자기기의 사용증가와 더불어 FA화, OA화, 시스템의 대규모화등 컴퓨터화에 의해 전자 장치의 역할이 더욱 크게 되었고, 정보를 고속으로 교환하는 다양한 정보 통신망의 실현에따라 이용 주파수 스펙트럼도 확장되었다.
텔레비젼, 라디오등과 같이 전파를 수신해서 기능을 발휘하는 제품이나 컴퓨터와 같이 MHz 대의 펄스를 사용하는 제품에서는 환경 오염의 일종인 전자파가 존재하는데, 이 전자파가 공간으로 방사 또는 전원 코드를 통해서 다른 제품에 영향을 줄 때 이러한 전자파를 『노이즈』또는 EMI(Electro Magnetic Interference)라 한다.
이러한 노이즈는 전기 전자기기의 목적과 기능을 방해하는 불필요한 전기적 에너지라 할 수 있으며 이런 장해 전자파가 발생하는 이유는 반도체와 디지털 기술의 발전으로 부품이 소형화, 고밀도화, 고속도화로 짧은 시간에 전압이나 전류가 급격히 변화하기 때문이다.

2. NOISE의 종류

노이즈는 전기를 띤 구름이 뇌방전을 일으킬 때 발생되는『자연노이즈』와 사람이 장치등을 사용할 때 부수적으로 발생되는 『인공노이즈』로 크게 분류되며, 자연노이즈는 구름의 기단 사이에 기상 변화가 심할 때 낙뢰가 송전선 또는 통신 회선 등에 직접 인가 되었을 때 발생하는 직격 뇌써지와 뇌방전시에 구름과 구름 사이 또는 구름과 대지 사이에서 대전된 전하가 소멸되는 현상 즉 매우 큰 방전 전류에 의한 유도 현상으로 인하여 송전선이나 통신 회선등에 이상 전압이 발생하는 유도뇌써지등이 있다.
인공노이즈는 『방사노이즈』와 『전도노이즈』가 있으며, 방사노이즈는 방송이나 휴대 무선기등의 통신용 전파에 의한 장해는 물론 송전선의 코로나 방전, 오토바이의 점화시의 노이즈 등 공간으로 직접 피해측에 전파하는 것이고, 기기나 회로간을 연결하는 신호선이나 제어선, 전원선 등이 본래 전송해야할 신호들과는 달리 이들 도선을 통해 피해측에 유도되는 전자파를 전도노이즈라 한다.
전도노이즈는 Transient, Impulse 등과 같이 전원선을 타고 들어와 Line 간을 왕복하는 『노멀 모드 노이즈(Nomal Mode Noise)』와 전원선을 타고 들어온 뒤 Earth와 Line을 타고 나타나거나 그 반대의 경우와 같이 Line과 어스간에 전달되는 『커먼 모드 노이즈(Common Mode Noise)』로 구분되며, 노멀 모드 노이즈는 대부분 짧은 시간에 높은 전압을 주고 사라지는 것으로 기기는 예고없이 에러를 내게되고 특히 전송중에 있는 데이터는 치명적이 될 수있으며, 커먼 모드 노이즈는 Ground를 기준 전위로 채택하는 Logic회로가 내장된 전자기기나 Memory 계통에 에러를 유발 시킬 수 있다.

3 NOISE 대책

기기들이 서로 조화를 이루어 공조할 수 있는 능력을 적합성(EMC: Electro Magnetic Compati-bility)이라 하며 EMC는 EMI와 EMS로 구성되며, 노이즈 문제를 해결하기 위해서는 두가지 방법으로 접근할 수 있는데, 하나는 불요전자파의 방사를 억제하는 것이고(EMI: Electro Magnetic Interference, 전자파장해) 다른 하나는 어느 정도의 전자파 환경내에서도 그 장해를 견디며 정상적으로 동작할 수 있도록 내성(EMS: Electro Magnetic Susceptibility)를 강화시키는 방법이다.
노이즈 문제가 발생하려면 다음의 3가지 요소가 반드시 조합되어야 하며 이중 어느 하나만이라도 제거 되면 문제가 발생하지 않는다.

FIG-1 노이즈 문제의 3요소

효과적인 EMI 노이즈 대책이란 회로 메카니즘의 적절한 밸런스를 이루는 것으로 좁은 영역에서의 EMC를 말하는 것이라 할 수 있으며, 이와 같은 노이즈를 저감하기 위한 실제 기술로는 접지(Grounding), 필터링(Filtering), 차폐(Shielding) 등이 있다.
1) 접지기술
전자 기기 내부의 접지는 신호 그라운드(SG)와 프레임 그라운드(FG)로 나누어 볼 수 있는데, 노이즈에 의한 트러블은 이와 같은 SG계통과 FG계통의 레벨 변동이 원인인 경우가 많다. SG는 회로 전류를 귀환시키는 그라운드이므로, 전류가 흐르는 그라운드이고, FG는 전류가 흐르지 않는 그라운드로서 FG에 전류가 흐르면 외부로 노이즈 방사의 원인이 되기도 하고, 외부의 전자계에 대한 감수성을 높이기도 한다. 따라서 어스회로의 임피던스를 가능한 적게 하고, 어스회로에 전류가 흐르지 않게 하며, 또한 그라운드 루프를 형성하지 않도록 하는 것이 기본이다.
2) Lay-out
전자 부품 및 내부 와이어 같은 것들의 Lay-out이 의외의 노이즈 특성을 좌우하는 경우가 많다. 기본적으로 전기적인 성격이 다른 부분은 분리하는 것이 좋다. 예를 들어 입력↔출력, 디지털↔아날로그 고속↔저속, 고압↔저압, 저임피던스↔고임피던스을 분리하여 부품 배치와 배선 패턴을 최적화 하여 용량 결합, 유도 결합, 공통 임피던스 결합에 의한 노이즈 발생 메카니즘을 피하는 것이 좋다.
3) 전자부품 선정
IC 및 TR과 같은 능동소자, 콘덴서, 인덕터, 트랜스와 같은 수동소자 및 콘넥터, 스위치와 같은 기구품 등의 특성, 성능을 노이즈 발생 메카니즘과 관련시켜 검토하고 최적인 부품을 선정함으로써 노이즈에 대한 내력(Immunity)을 강화 시키고 노이즈 성분의 발생을 억제 시킨다.
4) 차폐기술( Shielding)
차폐는 노이즈의 영향을 받고 있는 회로나 기기의 장해 방지 수법 중 가장 기본적이고 넓게 사용되고 있는 방법으로 일반적으로 용량 성분적인 결합을 방지하는 것을 『정전쉴드』, 자계 및 전자파에 의한 결합을 방지하는 것을 『전자쉴드』라고 하며, 정전쉴드는 알루미늄이나 동등의 금속케이스나 쉴드 케이블을 사용하는 대책으로 낮은 레벨의 회로나 고주파 회로에 효과적이며, 전자쉴드는 외부로부터 자속의 영향을 받기 쉬운(또는 외부로 자속을 누설하기 쉬운) 트랜스, 인덕터와 같은 것을 니켈 등과 같이 고투자율 금속의 케이스를 사용하여 내부(또는 외부)에 대하여 자속의 침입이나 누설을 방지하는 것이다.
5) 필터기술(Filtering)
도체를 통해 전달되는 전도노이즈 및 자유공간으로 방사되는 방사노이즈에 대한 대책에서 양쪽 모두의 대표적인 방법으로 필터링 기술이 있다.
필터는 인덕턴스와 커패시턴스의 조합으로 구성되며 전원계에 사용되어지는 것과 신호계에 사용되어지는 것으로 구분된다. 전원용 필터는 고전압, 대전류에 견디도록 설계되며 일반적으로 30MHz 이하의 낮은 주파수 대역에서 주로 사용되고, 통상 30MHz 이상의 주파수 대역에서 적은 전류의 신호계에 사용되는 신호용 필터는 실제의 제품에 적용해보면서 각각의 경우에 맞는 최적의 필터를 결정하는 경우가 많다.

4. NOISE 관련 용어

A. RFI(Radio Frequency Interference) :『무선주파장해』로 무선통신의 통신장해, 혼신을 일컬음
B. EMI(Electro Magnetic Interference) : 『전자파장해』로 무선통신기기, 전자기기, 기계, 자동차 등 모든 물체에서 발생하는 직류에서 초고주파까지의 전자기 방해를 일컬음
C. EMS(Electro Magentic Susceptibility) : 『전자파감수성』으로 기기와 외부 항해의 영향을 얼마나 쉽게 받는지를 나타낸 것.
D. EMC(Electro Magnetic Compatibility) : 『전자환경적합성』으로 EMI와 EMS를 합친 것.

5. EMI 규격

미국, EU 등을 비롯한 선진 각국에서는 EMI에 대한 법적규제를 실시하고 있고 EMI문제를 해결하기 위하여 정확한 측정 방법, 대책 기술 개발등에 노력을 기울이고 있다.
이에따라 전자 전기 제품의 수출시 반드시 해당 국가의 EMI 규제에 통과하지 않으면 안되며, 주요 규격은 다음과 같다.

CISPR (IEC 국제 전자파장해 특별위원회)
FCC (미국연방통신 위원회)
VDE (독일 전기기술자 협회)
VCCI (일본정보처리장치 등 전자파장해 자주규제 협의회)

6. NOISE FITER

6-1 NOISE FITER의 개요
AC 전원 라인은 외부의 노이즈가 전자기기로 침입하기도 하고, 전자기기의 내부에서 노이즈가 외부로 유출되는 경로가 된다. 또한 AC 라인 노이즈에는 라인간에 발생하는 『노멀 모드 노이즈(Normal Mode Noise)』와 양쪽 전원 라인과 그라운드 사이에서 발생하는 『커먼 모드 노이즈(Common Mode Noise)』가 있다.

FIG-2 NOISE FILTER

따라서 노이즈 필터는 이러한 두 종류의 노이즈를 제거하는 회로망이 필요하다. 노이즈 필터는 3종류의 부품으로 구성된 것이 일반적으로 각 각의 부품은 노이즈의 모드와 주파수에 따라 커먼 모드 초크 코일이 저역의 커먼 모드 노이즈를 제거하고, 어크로스 라인 콘덴서가 저역의 노먼 모드 노이즈를 제거하며, 또한 라인 바이패스 콘덴서는 고역의 커먼모드와 노멀모드 양방의 노이즈 제거 역할을 한다.

커먼모드 초크코일은 1개의 폐자로 Core에 동일한 인덕턴스의 코일을 반대방향으로 감아서 부하에 공급하는 전류에 의한 코아의 포화는 방지하고(자속을 서로 상쇄시킴) 커먼 모드 노이즈에 대해서는 인덕터로 동작하며, 라인 바이 패스 콘덴서는 라인과 프레임 그라운드간에 접속하는 콘덴서이다.

FIG-3 노멀모드노이즈에 의한 등가회로

FIG-4 커먼모드노이즈에 의한 등가회로

6-2 사용상 주의사항
1) NOISE FILTER는 기기의 입출력 단자와 가장 가깝게 접속해야 하며, NOISE FILTER의 입출력선은 서로 겹치지 않도록 하여 NOISE FILTER의 감쇄 특성이 최대한 발휘 되도록 한다.

2) NOISE FILTER를 기기에 장착할 때는 가능한 고주파 저항을 최소화 하여야 하며, 이를 위하여 금속 케이스의 NOISE FILTER를 접속할 때는 기기의 접속 부분의 도장 성분을 제거하여 전기 전도성을 좋게하며, 접지 단자가 있는 NOISE FILTER는 반드시 NO-ISE FILTER의 접지 단자와 가장 가까운 거리에 접지한다.

3) 고전압의 SURGE나 IMPULSE가 침투할 우려가 있는 경우에는 NOISE FILTER 앞단에 SURGE ABS-ORBER를 사용하는 것이 좋다.

4) NOISE FILTER의 전압, 전류 정격 이내에서 사용하여 NOISE FILTER의 성능 및 신뢰성이 떨어지지 않도록 한다.

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전력 전자 부품의 핵심 분야인 S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 에 대해서
분야별로 알아보는 시간을 가지고 있습니다. 이번 시간은 S.S.R  에 대해서 살펴보겠습니다.

제 2부 S.S.R

1. S.S.R의 개요

MAGNET RELAY가 전자력에 의한 동작으로 이루어지는 방식인 반면에 S.S.R은 기계적인 접점 구조가 없는『무접점 릴레이』로서 스위칭 반도체 소자를 사용하여 케이스에 수지 몰딩된 상태로 스위칭이 이루어 지는 방식으로 완전히 고체화된 전자 스위치이다.
S.S.R은 MAGNET RELAY에 비해 신뢰성이 높고 수명이 길며, 노이즈(EMI)와 충격에 강하고 소신호로 동작하며 응답 속도가 빠른 우수한 특성을 지니고 있어 산업기기, 사무기기 등의 광범위분야에서 정밀 제어시 적용하기에 적합하다.

2 S.S.R의 특징

1) PHOTO COUPLER로 입출력간 절연
S.S.R 입력과 출력의 전기적 절연을 위해 광소자(PHOTO COUPLER)를 사용하여 입력과 출력간을 절연시키고, 부하측의 노이즈가 입력측으로 FEED-BACK 되는 것을 차단한다.

2) 소신호동작
광소자 결합으로 입력 신호에 저전압, 저전류를 인가해도 S.S.R이 동작하므로 DTL, TTL, C-MOS 및 LINEAR IC 등으로도 직접 구동할 수 있다.

3) ZERO-CROSS 기능회로 내장
ZERO-CROSS 회로 내장형은 S.S.R 입력측에 신호가 인가되어도 부하 전원 전압의 ‘제로점’부근에서 스위칭이 이루어지기 때문에 TURN-ON시 돌입 전류 및 노이즈(EMI)를 억제시킨다.

4) 위상제어가능
MAGNET RELAY는 TURN-ON시간이 길고 채터링이 발생하여 위상 제어가 불가능한 반면 S.S.R은 스위칭이 빠르고 위상 제어가 가능하다.

5) 완전수지몰딩화
난연성 수지로 완전 몰딩되어 습기, 먼지, 가스 등에 영향 받지 않으며, 진동이나 충격 등에도 강하다.

6) 높은신뢰성
반도체 스위치 사용으로 아크, SURGE 등의 노이즈 발생 및 동작음이 없으며, MAGNET RELAY와 달리 기계적인 접점 마모가 없어 수명이 길고 신뢰성이 높다.

3 S.S.R의 응용분야

1) 공장자동화(FA)/설비
전기로, NC M/C, SEQUANCE 제어기, 공작기, 항온기, 초음파 세척기 등

2) 교통 조명제어기
교통신호기, 철도신호기, 전광표시판, DIMMER CON-TROLLER 등

3) 사무자동화(OA)
컴퓨터 주변기기, 복사기, FAX 등

4) 가정자동화(HA)
에어콘, 냉장고, 식기세척기, 전자레인지 등

5) 기타
ELEVATOR, 의료기, 사진현상기 등

4 S.S.R의 동작원리

4-1 동작개요(AC OUTOUT 기준)

S.S.R 입력측에 동작 전압(PICK-UP VOLTAGE) 이상의 HIGH-SIGNAL이 인가되면 PHOTO COUPLER가 동작하여 TRIGGER 회로에 의해 스위칭 소자(TRIAC 또는 SCR등)가 TURN-ON 되어 출력측에 전류가 흐르고, 입력 전압이 복귀 전압(DROP-OUT VOLTAGE) 이하의 LOW-SIGNAL이 되면 스위칭 소자가 TURN-OFF된다.
여기에서, PHOTO COUPLER는 광결합 소자로서 신호 전달 및 1, 2차간 절연 유지 회로이며, CR-SNUBBER는 ON-OFF시 전압 상승률(dv/dt) 및 과도 전압을 억제하여 스위칭 소자를 보호하기 위한 회로이다.

4-2. 부하(AC기준) 및 S.S.R 종류에 따른 동작파형
1) 저항성부하(히타, 백열구 등)
A. ZERO-CROSS형 S.S.R

B. RANDOM형 S.S.R

2) 유도성 부하(모타, 솔레노이드, 트랜스 등)
A. ZERO-CROSS형 S.S.R

B. RANDOM형 S.S.R

5 S.S.R 용어설명

1) 최대부하전류(On-state Load Current)
규정의 방열 조건(방열판, 주위온도 등)에서 출력측에 흘릴 수 있는 최대 전류치

2) 부하전압범위(Load Voltage Range)
출력측에 부하와 전원을 직렬로 접속하여 연속적으로 인가할 수있는 부하 전원 전압의 범위

3) 전압강하(ON-state Voltage Drop)
출력 ON 상태에서 출력측에 정격 부하 전류 통전시 출력 단자간에 측정되는 전압치

4) 누설전류(Off-state Leakage Current)
출력 OFF 상태에서 출력측에 정격 부하 전압을 인가할 때 흐르는 전류치

5) 입력전압범위(Input Voltage Range)
규정의 온도 조건에서 연속적으로 인가할 수 있는 입력 신호 전압의 범위

6) 동작전압(Pick-up Voltage)
출력측에 부하와 전원을 직렬로 접속하고 입력 신호 전압을 서서히 증가하여 출력이 ON 할 때의 입력 전압치

7) 복귀전압(Drop-out Voltage)
출력 ON상태에서 입력 신호 전압을 서서히 감소하여 출력이 OFF 할 때의 입력 전압치

8) 동작시간(Turn-on Time)
입력측에 동작 전압 이상의 신호를 인가하고 난 후 출력이 ON 될 때 까지의 지연 시간

9) 복귀시간(Turn-off Time)
입력측에 인가되어 있는 신호가 복귀전압의 LOW-SIGNAL이 된 후 출력이 OFF 할 때까지의 지연시간

10) 절연저항(Isolation Resistance)
입/출력-CASE 간에 500VDC를 인가했을 때의 저항치

11) 절연전압(Isolation Voltage)
입/출력-CASE 간에 1분간 인가하여 견딜 수 있는 전압치

6 S.S.R 보호회로
1) 과전류로부터 보호
S.S.R 스위칭 소자의 전류자승시간( i2t ) 정격을 초과하여 과전류가 흐르면 S.S.R을 파괴할 우려가 있으므로 돌입 전류 또는 부하 쇼트 등의 돌발적으로 발생 될 수 있는 과전류로부터 S.S.R을 보호하기 위해서는 속단 FUSE를 사용하는 것이 좋으며, 속단 FUSE의 규격은 『Is(S.S.R의 i2t ) 정격 > IF(FUSE의 i2t 정격) > IL(부하의 전류)』의 조건하에서 선정한다.

2) 과전압으로부터 보호
전원측이 환경에 따른 심한 변동이나 부하측에 유기되는 역기전압의 영향으로 S.S.R에 과전압이 인가되어 스위칭 소자의 전압 정격을 초과하게 되면, 오동작 또는 파괴의 우려가 있으므로 VARISTOR를 S.S.R 출력측에 병렬로 결선하여 S.S.R을 보호한다. 부하 전원 전압 대비 VARISTOR 선정은 아래표의 내용과 같이 추천한다.

3) RC-NETWORK
유도성 부하(모타, 솔레노이드, MAGNET 등)에서는 전류와 전압의 위상차로 인하여 부하 전류가 스위칭 소자의 HOLDING 전류 이하로 떨어져 S.S.R의 접점이 닫힐때 출력측에 전압이 크게 상승하여 S.S.R이 콘트롤을 상실할 우려가 있으므로, 이 전압 상승률(dv/dt)을 제한하여 S.S.R을 보호하기 위해서는 출력측에 병렬로 CR-NETWORK 회로를 접속하나, 일반적으로 CR-NETWORK는 S.S.R에 내장되어 별도 부착이 불필요하다.

7 S.S.R & MAGNET RELAY비교

8. S.S.R 응용회로
1) 백열구의 점멸제어
백열구는 스위칭시 큰 SURGE 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 정격 이내에서 사용한다.

2) 히타의 온도제어

3) 솔레노이드밸브의 구동
SOLENOID VALVE는 수 CYCLE 동안 돌입 전류가 흐른 뒤 정상 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 정격 이내에서 사용한다.

4) 단상 유도전동기의 ON/OFF 제어
초기 동작시 큰 돌입 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 전류 정격 이내에서 사용한다.

5) 단상유도 전동기의 정.역제어
두개의 S.S.R중 OFF 하고 있는 쪽의 출력 단자에 전동기의 LC특성에 의해 부하 전원의 2배의 전압 걸리므로 부하 전원의 2배에 전압 정격의 S.S.R를 사용한다.

6) 단상 S.S.R로 삼상부하제어
부하 전원이 항상 연결되어 있어 전동기의 절연 약화와 감전에 주의해야 하며, 안전상 사용치 않을 시 전원 차단을 위해 NFB를 OFF 하는 것이 좋다

7) 삼상히타 온도제어

8) 삼상 유도전동기의 ON/OFF 제어
초기 동작시 큰 돌입 전류가 흐르므로 S.S.R의 SURGE 전류 정격 이내에서 사용한다.

9. HEATSINK 선정

S.S.R은 반도체 스위칭 소자의 사용으로 P,N 접합부 사이의 접촉 저항에 의해 전류 도통시 전력 손실이 발생하여 열에너지로 변환되어 발열을 하므로, 이로인해 S.S.R 스위칭 소자의 접합부 온도 정격을 초과하면 오동작, 파손 등의 불량을 초래할 우려가 있으므로 S.S.R에 적정 방열판을 부착하여 충분히 방열 시키므로서 S.S.R을 보호 할 필요가 있다.
S.S.R 스위칭 소자의 접합부에서 전력 손실에 의해 발생된 열이 주위공간으로 방열되는 흐름은,

와 같으며, 스위칭 소자의 접합부 온도(Tj)는 다음공식에 의해 계산한다.

10. STANDARD HEATSINK

1) UHS118 Series

MODEL Length(mm) UHS118-1-45 45 UHS118-1-60 60 UHS118-1-80 80 UHS118-1-120 120 UHS118-1-150 150

2) UTHS11 Series

MODEL Length(mm) UHS11-1-80 80 UHS11-1-105 105 UHS11-3-80 80 UHS11-3-105 105 UHS11-3-150 150

3) UHS120V80-3-110

4) UHS124V128-3-105

11. 방열판선정가이드

S.S.R 모델별로 차이는 있으나 주위온도 상온에서 부하 전류가 S.S.R 출력 전류 정격의 60% 이하 조건하에 선정된 방열판으로 주위온도가 높거나 부하전류가 큰 경우에는 S.S.R 또는 방열판을 변경하여 적용해야한다.

다음호에는 NOISE FILTER에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER

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전력 전자 부품의 핵심 분야인 S.M.P.S / S.S.R / NOISE FILTER 에 대해서
분야별로 알아보는 시간을 가지고 있습니다. 이번 시간은 S.S.R 에 대해서 살펴보겠습니다.

제 1부 S.M.P.S

1. S.M.P.S의 개요

스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply: S.M.P.S)는 전력용 MOSFET등 반도체 소자를 스위치로 사용하여 직류 입력 전압을 일단 구형파 형태의 전압으로 변환한 후, 필터를 통하여 제어된 직류 출력 전압을 얻는 장치로서 반도체 소자의 스위칭 프로세서를 이용하여 전력의 흐름을 제어함으로 종래의 리니어 방식의 전원 공급 장치에 비해 효율이 높고 내구성이 강하여, 소형, 경량화에 유리한 안정화 전원 장치이다.

S.M.P.S는 스위칭 주파수를 높여 에너지 축적용 소자를 소형화 함으로써 소형, 경량화를 이룰 수 있고, 이를 위해서는 고속 반도체 소자의 개발이 필요하다. 그러나 스위칭 주파수를 고주파화하면 스위칭 손실, 인덕터 손실등 전력 손실이 증대하게 되는 점과 스위칭에 의해 발생하는 써지, 노이즈 문제를 고려해야 한다. S.M.P.S의 용도는 통신용과 산업용 및 PC, OA기기, 가전기기 등의 민수용으로 분류된다.

2. S.M.P.S의 기본 구성
S.M.P.S의 기본구성은 교류 입력 전원으로부터 입력 정류 평활 회로를 통해 얻은 직류 입력 전압을 직류 출력 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터, 출력 전압을 안정화 시키는 궤환 제어 회로, 과전압, 과전류 보호 회로 등으로 되어있다. 궤환 제어 회로는 다시 출력전압의 오차를 증폭하는 오차 증폭기, 증폭된 오차와 삼각파를 비교하여 구동 펄스를 생성하는 비교기, DC-DC 컨버터의 주 스위치를 구동하는 구동회로 등으로 구성되어 있고, DC-DC 컨버터는 주 스위치와 환류 다이오드, 2차의 저역 통과 필터인 LC필터 등으로 구성되어 있다.

여기서 DC-DC 컨버터는 전력의 변환을 담당하는 주요 부분으로서 입출력 변환비의 크기 및 회로 구성에 따라 많은 종류의 컨버터로 분류된다.
S.M.P.S의 회로 방식은 고주파 트랜스포머의 유무에 따라 크게 비절연형과 절연형으로 나눌수 있는데, 비절연형으로서는 Buck 방식, Boost 방식, Buck-boost 방식, C’uk 방식등이 있고, 절연형으로서는 Flyback 방식, Forward방식, Full-bridge 방식, Half-bridge 방식등이 있다.

3.  S.M.P.S의 회로 방식

3-1 비절전형(Non-isolation Type)
1) Buck(Step-down) 방식
주 스위치 Q가 ON이 되면 입력으로부터 전류가 L를 통하여 출력으로 흐름과 동시에 L에 축적되고 Q가 OFF되면 L에 축적된 에너지가 환류 다이오드 D를 통하여 출력측으로 방출하게 된다. 스위칭 주기 Ts를 한 주기로 하여 이 동작이 반복되면서 입력 전력을 원하는 출력 전력으로 변환하게 된다.
Buck 방식은 출력 전압이 입력 전압보다 낮은 범위에서 나타나며, 이러한 이유로 “강압형 컨버터”라고도 한다.

2) Boost(Step-up) 방식
스위치Q가 도통일 때 인덕터 전류에 의해서 L에 에너지가 축적되고, 다음에 Q가 차단되면 L에 축적된 에너지가 환류 다이오드 D를 통하여 출력측으로 방출된다. Boost방식은 출력 전압이 항상 입력 전압보다 높은 값으로“승압형 컨버터”라고도 한다.

3) Buck-boost(Step-up/down) 방식
Buck-boost방식은 출력 전압이 입력 전압보다 높거나 낮게되는 승강압형의 특징과 출력의 극성이 입력과 반전되는 특징도 함께 갖고 있어 “극성역전형 컨버터” 라고도 한다.

3-2 절연형(Isolation Type)

실제 S.M.P.S의 응용에 있어서 많은 경우에 고전압 또는 누설 전류로 인한 사고 위험으로부터 사용자를 보호하기 위하여 입력과 출력사이에 전기적 절연이 요구된다. 이때 절연에는 고주파 트랜스포머가 이용되며, 고주파 트랜스포머는 절연의 목적외에 1,2차 권선비에 의해 출력 전압의 크기를 조절하는 역할도 한다. 절연형은 고주파 트랜스포머가 삽입되어 있다는 점을 제외하고는 비절연형과 그 기본 특성이 동일하다.

1) Flyback 방식
Flyback방식은 Buck-boost방식과 기본 동작이 동일하다.
스위치Q가 도통하면 트랜스의 2차 권선에는 1차와 반대 극성의 전압이 유도되므로, 다이오드 D는 역 바이어스되어 차단되고, 따라서 2차 권선에는 전류가 흐르지 않고 1차 권선으로만 전류가 흘러 자화 인덕턴스에 의해 에너지가 축적된다.
다음 스위기가 차단되면 2차 권선에는 전상태와 반대 극성의 전압이 유도되어 다이오드를 도통 시킴으로써 트랜스의 자화 인덕턴스에 축적된 에너지를 부하에 공급한다. Fly back방식은 500W이하의 낮은 출력에 적용하기에 적합하며, 회로가 간단하고 경제적인 반면, 출력 커패시턴스의 리플 전류가 크다.

2) Forward 방식
Forward방식은 출력 용량이 500W급 정도까지의 중전력용으로 많이 응용되고 있으며, Buck방식과 기본 동작이 동일하며 안전성이 뛰어난 특징을 가지고 있어서 고신뢰성이 요구되는 통신용의 전원에 폭넓게 이용되고 있다. 동작 원리는 주스위치 Q가 도통하면 D1은 도통, D2는 차단되어 입력측으로 부터의 전류는 트랜스포머를 통하여 출력 측으로 전달됨과 동시에 인덕터 L에는 에너지가 축적된다. 다음에 Q가 차단되면 D1은 차단, D2는 도통되면서 L에 축적된 에너지를 출력측으로 공급한다.

3) Push-pull 방식
Push-pull방식은 스위치가 Q1, Q2 가 교대로 ON, OFF하는 방식으로 1KW이하의 대용량에 적용 가능하며 구동 회로가 간단하나 트랜스포머의 편자 현상이 발생할 가능성이 있다.

4) Half-bridge 방식
Half-bridge방식은 500W-수KW의 대용량에 많이 응용되고 구동 회로가 복잡하다. 동작 원리는 스위치 Q1이 도통하면 입력 전류는 Q1과 트랜스포머 1차 권선을 통하여 흐름과 동시에 2차 측으로 전달되고, 다이오드 D1을 도통시켜 출력 필터 인덕터 L을 통하여 출력측으로 흐르게 된다. 이때 L에는 에너지가 축적되며 다음 스위치 Q1, Q2 모두가 차단되면 L에 축적된 에너지는 다이오드 D1, D2를 환류 패스로 하여 출력측으로 방출되며 트랜스포머의 전압은 “0”이 된다. 스위치 Q2가 도통하면 D2를 도통시켜 L을 통하여 출력측으로 흐르게 된다. 이때 L에는 다시 에너지가 축적되며 다음 스위치 Q1, Q2 모두가 차단되면 L에 축적된 에너지는 D1, D2를 환류 패스로 하여 출력측으로 방출되며, 트랜스 포머의 전압은 “0”이 된다.
이 과정을 한 주기로 하여 반복하면서 동작한다.

5) Full-bridge 방식
Full-bridge방식은 Half-bridge방식에 스위치 2개를 더 추가한 형태로 4개의 스위치를 사용하므로서 한 쌍의 스위치 (Q1, Q4 또는 Q2, Q3)가 교대로 도통, 차단을 반복하면서 Half-bridge 방식과 동일하게 동작하고, 구동 회로가 매우 복잡하며 수 KW이상의 대용량에 응용된다.

4. S.M.P.S와 리니어전원공급장치

4-1 리니어 전원 공급장치

1) 효율 : 낮음 (30%~60%)
2) SIZE : 대형 (변압기 & 방열판 등)
3) 중량 : 무거움 (변압기 & 방열판 등)
4) 회로구조 : 간단 (변압, 정류, 안정화회로 등)
5) 안정도 : 높음 (0.001%~0.1%)
6) 리플 : 작음 (0.1mV-10mV)
7) 과도응답 : 빠름 (50us~1ms)
8) 입력전압의 대응 : 입력 전압폭이 크면 효율 저하
9) COST : 낮음
10) 신뢰성 : 보통 (부품수가 적지만 온도 상승)
11) 용도 : 고밀도 전원으로 소용량

4-2 S.M.P.S
1) 효율 : 높음 (70%~85%)
2) SIZE : 소형 (리니어의 1/4~1/10)
3) 중량 : 가벼움 (리니어의 1/4~1/10)
4) 회로구조 : 복잡 (정류, 스위칭, 펄스제어, 변압, 정류회로 등)
5) 안정도 : 보통 (0.1%~3%)
6) 리플 : 큼 (10mV-200mV)
7) 과도응답 : 보통 (500us~10ms)
8) 입력전압의 대응 : 직류 및 110V/220V 겸용
9) COST : 보통
10) 신뢰성 : 보통 (부품수가 많고 온도 낮음)
11) 용도 : 소형 고효율을 요구하는 전원으로 대용량

5. 용어설명

1) 입력전압(Input Voltage Range)
규격을 보장할 수 있는 입력 전압의 범위로서 교류 입력은 실효치 이고 직류 입력은 순시치이다.

2) 효율(Efficiency)
출력 전력과 입력 유효 전력의 비로서 효율 =(출력전력/ 입력유효전력)×100(%)로 표시

3) 돌입전류(Inrush Current)
전원에 입력 전압을 인가하는 순간에 흐르는 전류의 파고치

4) 정격출력전압(Output Voltage)
출력단에서 나오는 직류 전압의 공칭값

5) 정격출력전류(Output Current)
전원에서 부하로 연속적으로 공급할 수 있는 전류치

6) 정적입력변동(Line Regulation)
입력 전압을 규격 범위내에서 서서히 변화 시켰을 때의 출력 전압의 변동 최대치

7) 정적부하변동(Load Regulation)
출력 전류를 규격 범위내에서 서서히 변화 시켰을 때의 출력 전압 의 변동 최대치

8) 리플(Ripple)
출력 전압에 중첩되는 입력 주파수 및 스위칭 주파수와 동기된 성분으로 Peak-to-Peak로 표시

9) 리플노이즈(Ripple Noise)
출력 전압에 중첩되는 리플 이외의 노이즈 성분으로 Peak-to-Peak로 표시

10) 주위온도변동(Temperature Drift)
규격의 주의 온도 범위 내에서의 출력 전압의 변동치

11) 기동시간(Rise Time)
입력을 인가한 후 출력 전압이 90%에 도달할 때까지의 시간

12) 유지시간(Holding Time)
입력을 차단한 후 출력 전압이 규정의 전압 범위를 유지하여 순간
정전에도 안정된 출력 전압을 공급 할 수 있는 시간

13) 절연전압(Isolation Voltage)
지정된 단자 간에 규정의 교류전압을 인가시 스파크 방전하지 않고 전원이 파괴되지 않는 전압

14) 절연저항(Isolation Resistance)
지정된 단자간에 규정의 직류 전압을 인가시의 저항치

15) 사용온습도(Operating Temp. & Humid.)
동작 중에 전원의 규격을 보증할 수 있는 주위 온도와 습도

16) 저장온습도(Storage Temp. & Humid.)
동작하지 않은 상태로 성능의 열화없이 보관할 수 있는 주위 온도와 습도

17) 내진동(Vibration)
규정의 시험 조건으로 전원의 손상을 주지 않는 진동의 가속도

18) 내충격(Impact)
규정의 시험 조건으로 전원의 손상을 주지 않는 충격의 가속도로 가속도와 가해지는 시간으로 표시

19) 과전류 보호(O.C.P : Over Current Protection)
출력 전류가 규격 이상으로 흐르지 않도록 하여 전원 또는 부하를 보호하는 기능으로 과전류 상태를 해소하면 출력 전압은 원상태로 자동복귀

20) 과전압보호(O.V.P : Over Voltage Protection)
부하에 과전압이 인가되지 않도록 규격 이상의 전압이 출력되지 않게 하는 보호기능으로 보호회로가 동작하면 전원은 차단되며, 입력을 차단하고 수분 동안 방치 후 입력을 재투입하면 출력 전압은 원상태로 복귀

21) 리모트센싱(Remote Sensing)
전원과 부하 간에 거리가 있어 배선의 전압 강하가 무시될 수 없는 경우에 사용하는 것으로 센싱선은 접속한 점의 전압을 설정치로 유지

22) 리모트 컨트롤(Remote Control)
복수의 전원을 사용할 때에 각각의 전원 상승시간과 하강시간의 차를 설정할 때 사용하는 것으로 외부 신호로 전원을 ON/ OFF 하는 기능

6. 사용상 주의사항

1) 입력전압

정현파 교류는 실효치이고 구형파는 파고치로 표현되며, 스위칭전원은 입력 전압을 정류해서 파고치에 가까운 직류 전압을 만들어 인버터를 동작시킴으로 구형파를 인가할 시는 입력 전압 규격치의 약 1. 4배의 수치를 인가해야한다. 교류 입력의 경우에는 사용지역에 따라 전압, 주파수 등에 차이가 있음으로 확인이 필요하다. 입력측에 인덕턴스가 큰 Line Filter나 Choke Coil이 삽입된 경우에는 입력 ON/OFF시 역기전력의 발생으로 전원의 파괴 또는 스트레스를 주게 되므로 주의해야 한다.
전압 선택형(Dual InputVoltage형)의 경우 입력전압 (AC 110V 또는 AC 220V)에 따라 110/220V SELECTOR를 맞춰 사용한다.

2) 직렬운전
복수의 전원을 직렬로 접속할 경우 두가지 회로 방식이 있고, Fig-10은 문제가 없으나, Fig-11은 PS1과 PS2의 기동 시간과 하강 시간의 차이로 한쪽 전원의 전류가 다른쪽 전원으로 유입되어 기동되지 않을수도 있다.
이 경우 Fig-12와 같이 출력 다이오드 D1, D2를 삽입하면 직렬 운전이 가능해진다.

3) 병렬운전

A. 병렬 운전기능이 없는 전원

Fig-13의 PS1과 PS2의 출력 전압의 차로 우선 전압이 높은 쪽 전원에서 전류가 흘러 O.C.P가 동작하여 전압이 떨어지면, 다른쪽 전원에서 전류가 흘러 한쪽 전원은 과전류 상태로 되어 전원의 고장율을 높이거나 수명을 단축시키는 문제가 있다.
Fig-14의 경우 출력에 저항을 삽입하여 PS2의 출력 전류 밸런스를 맞추는 방법이며, 저항치는 밸런스와 저항의 전력 손실을 어느 정도로 할것인가에 따라 결정된다.
Fig-15는 다이오드의 전류-순방향 전압 특성의 경사를 이용해 PS1과 PS2의 출력 전류 밸런스를 맞추는 방법으로 다이오드의 내압, 손실전력, 방열등을 고려해야한다.

B. 병렬기능이 있는 전원

병렬 운전용 전류 밸런스(CB) 단자가 있는 전원은 출력을 그대로 병렬 접속하여 사용할 수 있으며, 전원 내부의 병렬 운전 회로가 동작해서 자동으로 각 전원의 출력 전류 밸런스를 맞춘다.

4) 전원의 출력이 뜨지 않는 부하
Lamp나 정전류 부하의 경우 『ㄱ』자 형의 과전류 보호 회로를 갖고 있는 전원에서는 출력이 뜨지 않는 경우가 있는데, 이것은 부하에 전압이 인가된 후 안정점에 도달할 때 까지 부하의 V-1 특성 궤적이 과전류 보호 특성 선상에서 발생하는 현상으로 설계 시점부터 부하 특성을 고려할 필요가 있다. 대부분 역L형의 과전류 보호 회로를 갖는 전원으로 하면 해결된다.

5) 방열
전원의 입력 유효 전력과 출력 전력의 차이는 전부 열로 바뀌므로 반드시 방열이 필요하다. 자유공간에 전원을 동작시키면 복사 또는 대류로 방열되며, CASE에 들어 있는 경우에는 외부에 공기의 입출구를 만들되 출구를 입구보다 크게하는 것이 방열 효율이 더 높다. FAN이 내장된 전원은 자체로 강제 공냉되므로 주위 온도만 관리하면 된다. 전도 냉각은 전원의 발열 부품을 Aluminum기판 등의 금속판에 취부하여 외부로 열을 방출시키는 방식이다.
다음호에는 S.S.R에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.