개요: 스위치 모드 전원은 많은 애플리케이션에서 널리 사용되고 있으며 어떤 경우에는 DC-DC 전력 변환을 위한 필수적인 선택이기도 하다. 이들 회로는 다른 DC 전력 변환 방법과 비교하여 뛰어난 이점과 트레이드오프를 제공한다. 본문에서는 스위치 모드 전원장치의 장점 및 트레이드오프에 대해 간략히 설명하고 그 이론과 동작을 간단히 제시한다.
수많은 전자 장치에서 여러 개의 DC 전압 레벨이 요구되므로 설계자들은 표준 전원의 전위를 부하가 요구하는 전압으로 변환하는 방법을 필요로 하게 된다. 전압 변환은 다각적이고, 효율적이면서도 신뢰성 있는 과정이어야 한다. 스위치 모드 전원장치(SMPS)는 최신 제품에 필요한 다양한 레벨의 DC 출력 전력을 공급하는 데 흔히 사용되고, 효율적이고 신뢰성 있는 DC-DC 전력 변환 시스템을 얻기 위해 필수적이다.
왜 SMPS인가?
대부분의 전자 DC 부하는 표준 전원에서 제공된다. 불행히도, 표준 전원 전압은 마이크로 프로세서, 모터, LED 또는 기타 부하에서 필요로 하는 레벨에 맞지 않을 수 있는데, 이는 소스 전압이 정전압이 아닌 경우에 특히 그렇다. 배터리로 구동되는 장치가 그 대표적인 예이다. 표준 Li+ 셀 또는 NiMH 스택의 일반 전압은 너무 높거나/낮고 또는 방전 과정에서 너무 많이 떨어져서 일반 제품에 사용하기에 부적합하다.
다양성
다행히 SMPS의 다양성 덕분에 표준 소스 전압을 가용한 특정 출력 전압으로 변환하는 문제가 해결된다. 수많은 SMPS 토폴로지가 있으며, 기본적인 카테고리로 분류할 수 있는데, 입력 전압의 스텝 업, 스텝 다운, 반전 심지어 스텝 업/다운이 그 예이다. 입력 전압을 스텝 다운할 수만 있는 선형 레귤레이터와 달리, SMPS는 거의 모든 출력 전압에 맞게 토폴로지를 선택할 수 있다는 점이 장점이다.
커스터마이제이션 (Customization)
또한 요즘 SMPS IC는 다양한 집적도로 설계되어 있어 엔지니어는 표준 SMPS 사양 이상/이하를 IC에 부여할 수 있도록 토폴로지를 선택할 수 있다. 따라서 제조업체들은 주로 사용되는 애플리케이션 지정 전원 공급 장치에 대한 설계 부담을 줄이고 엔지니어에게 커스텀 프로젝트에 맞는 기본 SMPS IC를 제공함에 따라 이들 소자의 다양성을 향상시킨다.
효율
엔지니어는 DC 전력을 효율적으로 전환하는 방법에 관한 문제에 직면하기도 한다. 예를 들어, 낮은 출력 전압을 얻기 위해 입력 전압을 스텝 다운할 필요가 종종 있다. 간단한 솔루션은 선형 레귤레이터를 사용하는 것인데, 이 소자는 불과 몇 개의 커패시터와 그에 맞는 열 관리만 해주면 되기 때문이다. 그러나 이 방법은 간편하지만 효율이 좋지 않다는 단점이 있다. 전압 차가 클 경우에는 허용할 수 없는 수준의 효율문제가 생기기도 한다.
선형 레귤레이터의 효율은 통과 트랜지스터(pass transistor)에서 강하되는 전압과 직접적인 관련이 있다. 이러한 전압 강하는 소모된 전력이 ILDO x (VIN - VOUT)와 동일하기 때문에 그 정도가 상당할 수 있다. 가령, 100mA 부하를 3.6V 배터리에서 1.8V 출력으로 스텝 다운할 경우 선형 레귤레이터 전반에 걸쳐 0.18W가 강하한다. 이러한 전력 강하 시 50%라는 낮은 효율이 나오고 배터리 수명은 50% 감소한다(이상적인 동작 조건에서).
이러한 효율 손실을 고려했을 때, 담당 엔지니어는 보다 개선된 솔루션을 찾을 수밖에 없는데 바로 이 때 SMPS가 그 빛을 발한다. 잘 설계된 SMPS는 부하 및 전압 레벨에 따라 90% 또는 그 이상의 효율을 얻을 수 있다. 이전 예에서, 선형 레귤레이터 대신 그림 1의 스텝 다운 SMPS를 사용하는 경우, 90% 효율을 볼 수 있다. 이는 선형 레귤레이터에 비해 효율이 40% 개선된 것이다. 스텝 다운 SMPS의 장점은 명백하며, 기타 SMPS 토폴로지의 경우에는 비슷하거나 보다 나은 효율이 나오기도 한다.
그림 1. MAX8640Y는 단순한 스텝 다운 SMPS 회로에 사용된다.
SMPS 설계의 경우 높은 효율이 주된 장점이긴 하지만 전력 손실을 최소화함에 따른 직접적 결과로 자연스럽게 다른 장점도 얻을 수 있다. 예를 들면, SMPS는 효율이 떨어지는 다른 전원장치에 비해 열 관련 풋프린트가 더 적게 사용된다. 이러한 장점은 열 관리 요구조건을 줄여주는 것과 마찬가지다. 그리고 보다 중요한 것은 신뢰성이 향상되어 수명이 증가한다는 것인데, 이는 부품들이 다소 덜 효율적인 시스템에 있다 해도 과도한 열에 노출되지 않기 때문이다.
SMPS 토폴로지 및 변환 이론
이전 섹션에서 언급한 바와 같이, SMPS는 회로의 토폴로지에 따라 DC 입력 전압을 다양한 DC 출력 전압으로 변환할 수 있다. 엔지니어링쪽에서 사용되는 SMPS 토폴로지는 무수히 많으나 세 가지 기본적인 토폴로지가 자주 사용된다. 이 토폴로지들은 (그림 2 참조) 그 변환 기능에 따라 스텝 다운(벅), 스텝 업(부스트) 및 스텝 업/다운(벅-부스트 또는 인버터)으로 분류된다. 그림 2 다이어그램에 나타난 인덕터의 충전/방전 경로는 다음 단락에서 논의한다.
그림 2. 기본적인 SMPS 토폴로지는 벅, 부스트 및 벅-부스트로 구성된다.
세 개의 기본적인 토폴로지에는 MOSFET 스위치, 다이오드, 출력 커패시터 및 인덕터가 포함되어 있다. MOSFET은 회로의 활성 제어 부품으로, 컨트롤러와 인터페이스 한다(그림에 없음). 이 컨트롤러는 펄스 폭 변조(PWM)를 통한 구형파 신호를 MOSFET의 게이트에 인가함으로써 소자를 켜고 끈다. 컨트롤러는 일정한 출력 전압 유지를 위해 SMPS 출력 전압을 감지하고 구형파 신호의 듀티 사이클(D)을 변화시켜, 각 스위칭 시간 (TS) 동안의 MOSFET의 동작 지속 시간을 제어한다. 스위칭 시간(TON/TS)에 따른 구형파의 정시 비율인 D 값은 SMPS 출력 전압에 직접적인 영향을 미친다. 이러한 관계는 등식 4와 5에 나와 있다.
MOSFET의 온/오프 상태는 SMPS 회로를 충전 단계 및 방전 단계의 두 단계로 구분하며 두 단계 모두 인덕터의 에너지 이동을 설명한다(그림 2의 경로 루프를 참조). 충전 단계에서 인덕터에 저장된 에너지는 방전 단계에서 출력 부하 및 커패시터로 이동한다. 커패시터는 부하를 보충하는 반면 인덕터는 충전하여 출력 전압을 유지한다. 회로 구성 요소간의 이러한 주기적 에너지 이동은 자체 토폴로지에 따라 출력 전압을 적절한 값으로 유지한다.
인덕터는 각 스위칭 주기 동안 소스에서 부하로의 에너지 이동에 중추적 역할을 수행한다. 인덕터가 없으면, SMPS는 MOSFET이 스위칭되었을 때 기능하지 못한다. 인덕터(L)에 저장된 에너지(E)는 전류(I)에 따라 결정된다.
따라서 인덕터의 에너지 변화는 인덕터의 전류량 변화(ΔIL)에 따라 측정되며, 이는 특정한 시간(ΔT)에 걸쳐 (VL) 전반에 인가되는 전압에 기인한다.
(ΔIL)은 일정한 전압이 각 스위칭 단계에서 인덕터에 인가되면서, 선형 램프(linear ramp)로 나타난다(그림 3). 스위칭 단계에서의 인덕터 전압은 양극성 및 VIN/VOUT 관계에 특히 주의하면서 Kirchoff의 전압 루프를 수행하여 구할 수 있다. 예를 들면, 방전 단계에서 스텝 업 컨버터의 인덕터 전압은 -(VOUT - VIN)이다. VOUT이 VIN보다 크기 때문에 인덕터 전압은 네거티브(-)이다.
그림 3. 정상 상태의 인덕터에 대한 전압 및 전류 특성이 자세히 기술되어 있다.
충전 단계에서, MOSFET은 on 상태이고, 다이오드는 역 바이어스(reverse bias)되었으며 에너지는 전압 소스에서 인덕터로 이동한다(그림 2). 인덕터의 전류는 VL이 포지티브(+)이므로 상승(ramp)한다. 또한 출력 커패시턴스는 일정한 출력 전압을 유지하기 위해 이전 사이클에서 저장했던 에너지를 부하로 이동시킨다. 방전 단계에서 MOSFET은 꺼지며 다이오드는 순방향으로 바이어스되어 전류가 흐른다. 소스가 더 이상 인덕터를 충전하지 않으므로 인덕터의 단자는 인덕터가 에너지를 부하로 방전하여 출력 커패시터를 보충함에 따라 양극을 교환한다(그림 2). 인덕터의 전류는 이전에 주어진 동일한 이동 관계에 따라 에너지를 충전하면서 하강한다.
충전/방전 사이클이 반복되고 정상 상태의 스위칭 조건이 유지된다. 회로가 정상 상태로 진행하는 동안 인덕터의 전류는 DC 전류의 중첩 지점이자 두 개 회로 단계에서 형성된 AC 전류(또는 인덕터의 리플 전류)인 최종 단계로 형성된다. DC 전류 레벨은 출력 전류와 관계가 있으나 SMPS 회로의 인덕터 위치에 따라 달라진다.
리플 전류는 출력에 진정한 DC 전류를 전달할 수 있도록 SMPS에 의해 필터링되어야 한다. 이러한 필터링 기능은 고주파수 AC 전류에 장애를 거의 발생시키지 않는 출력 커패시터에 의해 수행된다. 예상치 못한 출력 리플 전류가 출력 커패시터를 통과하고 전류가 접지를 통과하면서 커패시터의 전하를 유지한다. 따라서 출력 커패시터 또한 출력 전압을 안정화시킨다. 그러나 비이상적인 애플리케이션에서는, 출력 커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)으로 인해 출력 전압 리플이 이를 따라 흐르는 리플 전류에 비례한다.
요약하면 에너지는 소스, 인덕터 및 출력 커패시터 사이를 순환하며 일정한 출력 전압을 유지하고 부하를 공급한다. 그러나 SMPS의 에너지 이동이 어떻게 출력 전압-변환 비율을 결정하는가? 이 비율은 정상 상태를 이해하면 쉽게 산출할 수 있는데, 이것이 주기적인 파형에 적용되기 때문이다.
정상 상태에 있으려면 시간 TS로 반복하는 변수가 각 시간의 처음과 마지막에서 동일해야 한다. 인덕터의 전류는 이전에 설명한 충전 및 방전 단계로 인해 주기적이므로 PWM 주기 초기의 인덕터 전류는 마지막에도 동일한 인덕터 전류여야 한다. 이는 충전 단계에서의 인덕터 전류 변화(ΔICHARGE)는 방전 단계의 인덕터 전류 변화(ΔIDISCHARGE)와 동일해야 한다는 의미이다. 충전 및 방전 단계에서 인덕터 전류 변화를 등식화하면 다음과 같은 흥미로운 결과가 도출되는데 이를 전압-초 법칙(volt-second rule)이라고 지칭하기도 한다.
간단히 말하면, 각 회로 단계에서 인덕터 전압과 시간의 곱은 동일하다. 이는 그림 2의 SMPS 회로를 관찰함으로써 이상적인 정상 상태의 전압/전류 변환 비를 쉽게 확인할 수 있다는 의미이다. 스텝 다운 회로의 경우, 충전 단계의 회로에서 Kirchoff의 전압 루프에 따르면 인덕터의 전압은 VIN과 VOUT간 차이라는 것이다. 마찬가지로, 방전 단계 회로에서 인덕터의 전압은 -VOUT이다. 등식 3에서 전압-초 법칙을 통해, 다음의 전압-변환 비를 산출할 수 있다.
아울러, 입력 전력(PIN)은 이상적인 회로에서 출력 전력(POUT)과 동일하다. 따라서 전류-변환 비는 다음과 같다.
이러한 결과에 따라, 스텝 다운 컨버터는 VIN을 D 계수만큼 감소시키는 반면 입력 전류는 부하 전류의 D배임을 알 수 있다. 표 1은 그림 2에서 설명한 토폴로지에 대한 변환 비를 열거한 것이다. 복잡한 토폴로지가 분석이 더 어려울 수는 있지만 일반적으로, 모든 SMPS 변환 비는 등식 3과 5를 풀 때 사용했던 방법으로 산출 가능하다.
표 1. SMPS 변환 비
토폴로지
전압 변환 비
전류 변환 비
스텝 다운
VOUT/VIN = D
IIN/IOUT = D
스텝 업
VOUT/VIN = 1/(1 - D)
IIN/IOUT = 1/(1 - D)
스텝 업/다운
VOUT/VIN = D/(1 - D)
IIN/IOUT = D/(1 - D)
SMPS의 단점 및 효용 가치
물론, SMPS에서 제공되는 높은 효율은 그에 따른 단점이 있다. 스위치 모드 컨버터와 관련하여 가장 자주 언급되는 문제는 전자파 장애(EMI)와 전도성 잡음이 발생된다는 특성일 것이다. 전자파 방사는 SMPS 회로에 존재하는 전류 및 전압 스위칭 파형의 빠른 이동으로 인해 발생된다. 인덕터 노드에서 급변하는 전압은 방사성 전기장을 유발하는 반면 충전/방전 루프의 빠른 스위칭 전류는 자기장을 발생시킨다. 그러나 전도성 잡음은 SMPS 입력/출력 커패시턴스 및 PCB 기생 소자가 스위칭 전류에 높은 임피던스를 제공할 경우 입력 및 출력 회로에 전달된다. 다행히 좋은 부품 배치와 PCB 레이아웃 기법으로 EMI 문제를 해결하고 소음을 줄일 수 있다.
SMPS는 매우 복잡하기도 하고 추가적인 외부 부품이 필요할 수도 있다. 이 두 가지 요소는 전체 전원 공급 장치의 비용 상승으로 해석할 수 있다. 다행히 대부분의 SMPS IC 제조업체가 소자의 동작뿐 아니라 올바른 외부 부품 선택 방법에 대한 상세한 안내서를 제공하고 있다. 또한 SMPS IC의 높은 집적도 덕분에 필요한 외부 부품의 수를 줄일 수 있다.
이러한 문제에도 불구하고, SMPS는 많은 애플리케이션에 널리 사용되고 있다. 단점은 충분히 극복할 수 있고, SMPS를 사용함으로써 얻을 수 있는 효율과 다양성이 높이 평가받고 있다.
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