SMPS(Switching Mode Power Supply) + Regulator 반전

대부분의 전자기기를 구동시키기 위해서는 해당 전자기기의 조건에 맞는 안정적인 전원을 공급해야 한다.

일반적으로 배터리나 상용 AC전원으로부터 안정적인 전원을 변환하여 공급하는 방식에는 성형제어 방식과 스위칭 모드 방식이 있다. 

 

1. SMPS란? 

SMPS는 Switching Mode Power Supply의 약자로서, 스위칭 동작에 의한 전원공급장치를 의미하며, 수십~수백 kHz의 스위칭 주파수로 인해 에너지 축정용 부품 등의 소형, 경량화가 가능하다.

또한, 스위칭 동작(On, Off)으로 인해 불필요한 손실을 최소화 하여 고효율 및 넓은 입력 범위에 대응이 가능하다. 

이러한 장점

- 소형, 경량화

- 고효율 (고효율이란 손실이 거의 없어 입력과 출력의 비가 1에 가까울수록 좋다.)

- 넓은 입력범위 

으로 인해 대부분의 전자기기 장비 등에 널리 사용된다. 하지만 고주파 스위칭에 의한 출력 리플노이즈와 전자파 발생이라는 단점도 있다. 그래서 정밀함을 요구하는 기기에 SMPS가 설치될 경우 노이즈를 제거할 필터 등이 필요하다. 

 

 

방식항목	선형제어 방식 전원	스위칭모드 방식 전원
효율	낮다 (20 ~ 50%)	높다 (65 ~ 95%)
안정도	높다	보통
NOISE & RIPPLE	작다 (10mv 이하)	크다 (10~200mv)
응답속도	빠름 (10us ~ 10ms)	보통 (0.5 ~ 10ms)
입력전압	입력 범위를 넓히면 효율이 저하	넓은 입력 범위 가능 (Free Voltage)
회로	간단, 소수 부품 적용	복잡, 다수 부품 적용
외형치수	크다	작다
중량	무겁다	가볍다

                                                Fig 1. 선형제어 방식 전원과 스위칭모드 방식 전원의 비교

 

SMPS는 크게 교류를 직류로 변환하는 AC-DC 컨버터와 직류를 직류로 변환하는 DC-DC 컨버터로 구분 할 수 있다.

SMPS의 전력 변환 과정은 다음 그림에 도안하였으며, 'A' 부분의 스위칭부가 존재하는 점이 가장 큰 특징이다.

 

Fig 2. 컨버터의 변환 과정

 

Fig 3. SMPS 실물

 

스위칭 레귤레이터*가 포함된 전자식 전원 공급 장치의 패스 트랜지스터(pass transistor)는 끊임없이 온과 오프를 반복하면서 낮은 손실 지점과 높은 손실 지점(매우 짧은 시간동안만 유지되므로 전력 손실을 최소화함)사이를 진동한다.

전압 레귤레이터는 온오프 시간 비율에 의해 동작한다.

반면에 선형 파워 서플라이는 패스 트랜지스터에서 지속적으로 손실되는 전력에 의해 출력 전압을 정류하는 형태로 동작한다. 스위칭 레귤레이터는 효율이 높을 때 선형 레귤레이터 대신 쓰일 수 있다. 

 

+ 전자회로에 자주 등장하는 부품 레귤레이터를 간략하게 알아보자.

정전압 레귤레이터(Voltage Regulator)

 

Fig 4. 레귤레이터 

1) 레귤레이터란?

Regulator는 어떤 것을 맞게 조정 하거나 통제 한다는 의미를 갖고있다. 이때 조정의 대상은 전압이다.

일정 전압을 잡아주는 역할을 한다. 예를 들면 5V에서 동작하는 보드에 2.5V ~ 3.5V를 필요로하는 CPU를 장착해야 한다면, 레귤레이터를 이용한 CPU로 입력되는 전압을 조정해준다. 레귤레이터는 어떠한 전압이 들어오더라도 미리 점퍼나 스위칭에 의해 정해진 전압만을 출력한다.  

 

레귤레이터의 대표적인 예는 직류 12V를 입력으로 받아 직류 5V로 변환하는 것이다. 

자동차에 있는 시가잭의 12V전원에서 5V로 전압을 낮추어 스마트폰의 충전기 전원으로 사용하는 것이 이에 해당된다. 

 

Fig 5. 레귤레이터 동작 요약

 

2) 레귤레이터의 종류

레귤레이터는 흔히 리니어(Linear Regulator)방식의 레귤레이터와 스위칭(Switching Regulator : SMPS)방식의 레귤레이터로 분류된다. 

 

리니어 방식의 레귤레이터는 직접적으로 전압을 떨어뜨리는 방식으로, 변환과정에서 발열이 심하며, 이러한 열은 전기 에너지가 열로 소모되는 것이기 때문에 전력 효율이 낮다. 리니어 레귤레이터는 통상 전류 요구량이 낮은 회로에 이용하며, 전류를 높여 이용하려면 레귤레이터에 방열판을 달아 열을 식혀줘야 한다.

 

리니어 레귤레이터의 대표적인 제품은 78xx시리즈와 79xx시리즈가 있다. 78시리즈는 입력 전압을 + 변환하여 출력해주고, 79시리즈는 출력 전압에 대한 - 전압으로 변환해준다.

7805와 7905에서 뒤에오는 두자리수"05"는 전압을 의미한다.

 

Positive Linear Regulator 

7808 : 입력전압을 +8V로 변환시켜 출력함.

 

Negative Linear Regulator

7908 : 입력전압을 -8V로 변환시켜 출력함.

                                                            

Fig 6. Positive Linear Regulator 입력전압을 +12V로 변환시켜 출력.

스위칭 방식의 레귤레이터는 출력단으로 흘려주는 펄스의 양을 조절해 전압을 정밀하게 조정하는 전압 변환기이다. 발열이 적고, 큰 전력을 흘릴 수 있지만 회로가 복잡하고 부품이 많이 필요해 가격이 비싸다는 단점이 있다.

스위칭 레귤레이터는 SMPS라고도 불리며, PC나 TV등 가전기기의 주 전원 용도로 이용되는 경우가 많다.

 

통상적으로 레귤레이터는 자체적으로 전압강하가 1.5V 가량 일어나기 때문에 레귤레이터의 입력전압을 출력전압보다 1.5V 이상 입력되어야만 정상 작동한다. 

Fig 7. Regulator의 주의점

이렇게 Regulator를 정리하고 보니 스위칭레귤레이터=SMPS 라는 것을 깨닫고 피식 했다. 이런 간단한? 깨달음도 한시간 이상을 투자한 노력 끝에 얻었다. 어렵게 얻은 것은 잃기도 어렵다고 하는데, 평생 가져가야겠다. 

 

 

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SMPS, DCDC컨버터 오디피

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스위치 모드 파워 서플라이 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

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전압변환을 하는 레귤레이터(Regulator)의 정체