1. 개요
Switched(또는 Switching) Mode Power Supply현대 파워 서플라이의 모든 근간을 이루는 전원시스템 구성 방법이다. 들어오는 전원을 게이트 제어 소자를 사용해 조절한 다음에 전자기 결합을 통해 전압을 변경한다. 입출력 전압의 차분을 열로 손실하는 리니어 방식과 달리, 전력을 전자기 결합을 통해 변환하므로 변환 과정에서의 손실이 적으며, 입력 전압보다 높은 전압을 출력하는 것도 가능하다. 대신 유도자[1]와 스위치 소자(트랜지스터, 다이오드 등)이 필요하므로 회로가 상대적으로 복잡해진다.
스위칭 주파수는 대부분 kHz 이상이지만, 일부 SMPS는 60Hz 등의 저주파수로 동작하기도 한다. 스위칭 주파수가 높을수록 인덕터나 트랜스포머의 크기를 줄일 수 있으나 그만큼 스위칭 소자의 스위칭 손실(Switching Loss)이 증가하므로 손익을 감안한 설계가 필요하다.[2]
2. 제어 방식
- 불연속 및 연속 전도: 스위칭 주기 중 인덕터의 에너지가 유지되는지, 완전히 소모되는지에 따라 CCM 및 DCM으로 나뉜다. 주로 부하량에 따라 달라진다
- 불연속 전도 모드(DCM): Discontinuous Conduction Mode. 스위치가 OFF일 때 인덕터의 전류가 0으로 떨어지는 구간이 있으며, 주로 파워 서플라이에 낮은 부하가 걸려 듀티 사이클이 낮을 때 DCM으로 동작한다. 다이오드의 역방향 회복 손실이 적으므로 효율이 높고 과도 응답 성능이 높지만, 출력 리플이 크고 스위치와 인덕터, 다이오드 전류가 더 크므로 경우에 따라 효율이 더 낮아질 수도 있다.
- 연속 전도 모드(CCM): Continuous Conduction Mode. 스위칭 주기 중 인덕터의 전류가 0으로 떨어지지 않으며, 파워 서플라이에 높은 부하가 걸릴 경우 CCM으로 동작한다. 리플이 적으나 전체적인 효율이 낮아지게 된다.
- 피드백 방식: 파워 서플라이의 출력 제어를 위한 피드백 방식에 따라 VMC, CMC로 나뉜다
- 전압 모드 제어(VMC): Voltage Mode Control. 출력 전압을 측정하여 전압 오차에 따라 펄스폭을 조절하는 방식이다. SMPS의 가장 기본적인 제어 방식이다.
- 전류 모드 제어(CMC): Current Mode Control. 출력 전압에 더불어 인덕터의 전류도 측정하여 피드백을 구성하는 방식이다. VMC에 비해 빠른 과도응답과 정확한 제어가 가능하다. Peak, Valley, Average 방식으로 나뉜다.
SMPS 토폴로지에 따라 제어 방식에 차이가 있을 수 있다. 예시로 LLC 컨버터는 듀티 사이클이 아닌 주파수를 제어하여 출력을 제어하며, 차지 펌프는 인덕터가 아닌 커패시터를 이용하므로 제어 방식에 차이가 있다.
3. 토폴로지 (Topology)
SMPS에 사용되는 특정한 회로구조를 토플로지(Topology)라고 하는데, 대표적인 토폴로지는 다음과 같다.- 비절연 방식 (Non-isolated)
- Buck converter
- Boost converter
- Buck-boost converter
- Boost-buck converter
- SEPIC converter
- Charge-pump
맨 아래에 Charge-pump를 제외하면 모두 인덕터의 역기전력을 이용하여 전압을 변환한다.
- 절연식 (Isolated)
- Flyback converter
- Half-forward converter
- Forward converter
- Push-pull converter
- Half-bridge converter
- Full-bridge converter
절연식 토폴로지에는 반드시 트랜스포머가 포함된다. 입력측의 전력을 출력측으로 변환하여 전달하는 역할과 입력측과 출력측의 권선을 물리적으로 분리[3]함으로써 전기적인 절연을 제공하는 역할을 동시에 수행하기 위함으로, SMPS의 내부를 살펴봤을 때 절연테이프로 칭칭 감겨 있는 덩어리가 바로 이것.
절연식 토폴로지에서 1차측과 2차측 회로 사이의 신호 전달(출력전압 피드백, 1차측 트랜지스터 게이트 구동 등)이 필요할 경우 직접 연결이 불가하므로 포토커플러나 신호용 트랜스포머가 사용된다.[4] 변압기의 기생 커패시턴스로 인한 노이즈 제거를 위해 1차측과 2차측 사이에 커패시터를 이용하기도 하는데, 일반 커패시터를 사용하면 과전압 등으로 커패시터가 손상될 경우 쇼트되어 감전 위험이 생기므로 각종 안전인증을 획득한 Y1[5]등급 커패시터를 사용한다. 비접지형 충전기 사용 시 미세하게 느껴지는 전류가 Y1 커패시터로 인해 발생하는 누설 전류이다. 불쾌할 수 있지만 전류가 매우 미미하기에 아무런 해를 끼치지 못한다.
컴퓨터나 휴대폰 같은 곳에 사용되는 220v 전원을 저압 직류전원으로 바꾸어 주는 전원공급장치는 감전사고를 예방하기 위해 대부분 절연식 토플로지를 사용하고 있다. 하지만 LED 조명이나 이중절연 기기와 같이 사람의 손이 회로에 닿기 어려운 기기들은 비절연식을 사용하기도 한다.
각 토플로지는 어플리케이션마다 다른 특성을 가진다. 흔히 사용되는 PC용 전원장치의 경우 포워드, Half-bridge나 Full-bridge 형태으로 설계되며 이보다 크기와 다루는 전력이 작은 스마트기기용 충전기 등의 경우 Flyback converter가 흔히 사용된다.[6]
2020년대 이후로는 질화 갈륨, 간혹 탄화 규소로 만든 소자를 사용하고, 2차측 정류 다이오드를 동기정류 IC에 의해 제어되는 MOSFET으로 교체하는 등 여러 방면으로 효율 향상을 꾀하는 추세다.
목적 달성을 위해 여러 종류의 토폴로지를 한 회로에서 사용하는 경우도 있다. PFC 기능이 있는 파워서플라이(부스트 컨버터 + 타 절연형 토폴로지), 멀티포트 고속 충전기(플라이백/포워드 컨버터 + USB PD 기능이 있는 벅컨버터 다수) 등이 있다.
동기정류 벅컨버터/부스트 컨버터, H 브릿지 컨버터 등 일부 토폴로지는 양방향성(Bidirectional) 전력 변환이 가능하다. 양단 모두에 부하/전원이 존재할 수 있는 회로에서 사용된다. USB-C 양방향 입출력을 지원하는 보조 배터리, 일부 태양광 발전 시스템, 회생제동, 48V 전력 계통을 사용하는 차량 등에서 볼 수 있다.
4. 비절연식 토플로지 (Non-isolated Topologies)
4.1. 벅 컨버터 (Buck converter)
Step down[7] 계열의 비절연형 전원 변환 회로다. 입력 전원과 스위치[8], 출력 부하와 인덕터가 각각 직렬로 연결되어 있고 그 사이에 역방향 다이오드[9]가 병렬로 포함된다. 출력전압은 스위치의 Duty Ratio에 의해 결정된다.4.2. 부스트 컨버터 (Boost converter)
Step up[10] 계열의 비절연형 전원 변환 회로다. 입력 전원과 인덕터, 다이오드가 각각 직렬로 연결되어 있고 그 사이에 스위치가 병렬로 포함된다. 벅 컨버터와 마찬가지로 출력전압은 스위치의 Duty Ratio에 의해 결정된다.비절연형 인버터에서 H 브릿지에 전원을 공급하기 위해 사용하는 경우도 있으며, PFC나 12~24V를 모두 지원하는 차량용 인버터 등 다른 토플로지와 같이 사용하는 경우도 있다.
4.3. 벅-부스트 컨버터 (Buck-boost converter)
반전형과 비반전형이 있다. 반전형 벅-부스트 컨버터는 양전압을 음전압으로 변환하는 목적으로 사용되며, 비반전형 벅-부스트 컨버터는 벅 컨버터와 부스트 컨버터를 결합한 형태로 입력 전압이 목표 전압보다 낮으면 부스트 컨버터로, 높으면 벅 컨버터로 동작한다.벅 또는 부스트 컨버터와 같이 동기정류 방식으로 구현되기도 한다. 윗부분이 끊겨 입력과 출력이 구분된 H 브릿지 회로 사이에 인덕터가 껴있는 형태이다. 실생활에서는 차량용 USB-PD 충전기에 사용된다. 12~24V를 받아서 5~20V를 출력한다.
4.4. SEPIC 컨버터 (SEPIC converter)
Single Ended Primary Inductor Converter의 약자로 부스트 컨버터 회로의 인덕터와 다이오드 사이에 직렬로 연결된 커패시터와 병렬로 연결된 두번째 인덕터를 추가한 형태를 가진다. 입력 전압이 목표 전압보다 낮으면 부스트 컨버터로, 입력 전압이 목표 전압보다 높으면 벅 컨버터로 동작한다. 효율을 올리기 위해 두 인덕터를 1:1 권선비를 가진 변압기 하나로 대체하는 경우도 있다.4.5. 전하 펌프 (Charge-pump)
인덕터를 사용하지 않고 축전기만을 사용하는 전원 회로로 입력 전원을 이용해 음전압을 생성하거나 입력 전압을 배로 늘리기 위해 사용된다. 다른 토플로지에서 사용하는 하이사이드 MOSFET에 게이트 구동 전원을 공급하기 위해 사용하는 일도 있다.[11]5. 절연식 토플로지 (Isolated Topologies)
5.1. 플라이백 컨버터 (Flyback converter)
변압기 1차측과 스위치가 직렬로 연결되어 있고, 변압기 1, 2차측의 도트 방향(감기는 방향)이 서로 반대인 형태의 회로. 다른 토폴로지와 달리 트랜스의 역할이 단순히 1차측에서 2차측으로 변압시켜주는 것이 아닌, 스위치on시 인덕터(자기장)의 형태로 에너지를 저장하였다가 off시 2차측으로 넘겨주는 역할을 겸한다. 따라서 다른 토폴로지와 비교해 동작 원리와 구조가 간단한데다 별도의 절환 스위치나 PFC 부스트 컨버터의 도움 없이도 프리볼트를 구현 가능하다는 큰 장점이 있다. 그러나 회로 특성상 트랜스가 에너지를 머금어야한다는 점 때문에, 고용량으로 갈수록 트랜스의 부담이 크게 늘어나게되어 150W 이상으로 설계하기가 현실적으로 어렵다는 치명적인 단점이 있다.[12] 따라서 저용량 스위칭 전원이나 보조전력 공급회로에 절찬리에 활용되는 토폴로지이다. 에너지를 변압기에 저장한다는 점 때문에 변압기의 코어에 에어갭이 있다. 대표적으로 크기가 작아야 하는 휴대폰 충전기가 플라이백 컨버터가 많이 이용된다.플라이백 컨버터 중 의사공진(Quasi-resonant) 플라이백 컨버터는 회로의 기생 성분으로 인해 발생하는 공진을 이용하여 스위치 전압이 최저점일 때 스위칭을 하므로써 저전압 스위칭을 구현하므로써 스위칭 효율을 높이고 노이즈를 저감시킬 수 있다. 별도의 공진 뱅크를 추가하는 경우도 있다.
일반적인 상용전원용 SMPS와는 반대로 저전압 직류를 고전압으로 승압하는 목적으로도 이용 가능하다. CRT 디스플레이의 플라이백 변압기 구동부나 프리볼트(12~24V)를 지원하는 차량용 인버터에서 사용된다.
5.2. 포워드 컨버터 (Forward converter)
변압기 1차측 한쪽에는 입력 전원에 다이오드가, 그라운드에는 스위치가 연결되어 있고 변압기 1차측의 다른 한 쪽에는 반대로 입력 전원에 스위치가, 그라운드에는 다이오드가 연결되어 있는 형태로 구성된다. 변압기 1차측은 플라이백 컨버터와 비슷하게 스위치 1개만 연결하고 변압기 내에 그라운드와 연결된 보조 코일을 만들어 거기에 다이오드를 입력 전원을 향하는 형태로 설계하기도 한다. 포워드 컨버터는 플라이백 컨버터와 달리 변압기가 아닌 외부 인덕터에 에너지를 저장한다는 차이점이 있다. 플라이백 컨버터와 같이 변압기 1차측에 펄스화된 직류가 가해진다는 공통점을 가지지만 보다 높은 전력을 변환할 수 있다. 고전력 포워드 컨버터는 듀얼 스위치 방식으로 설계되기도 한다.5.3. 푸시-풀 컨버터 (Push-pull converter)
변압기 1차측에 센터탭이 있고 센터탭은 입력 전원으로, 변압기 1차측 양단은 각각 두 스위치로, 두 스위치는 그라운드로 연결되어 있는 회로이다. 상용전원용 SMPS보다는 차량용 인버터 등 저전압 대전력을 승압해야 할 필요가 있을 때 주로 사용되는 토플로지이다. 작동시 각 스위치에는 입력 전압보다 2배 이상의 전압이 가해지며, 기생 인덕턴스로 인한 전압 스파이크가 발생하는 일도 있으므로 입력 전압보다 적어도 3~4배 이상의 내압을 가진 스위칭 소자를 사용해야 한다. 수백 W~수 kW 단위의 대전력을 변환하는 인버터에서는 푸시-풀 컨버터 여러개를 병렬로 사용한다.5.4. 하프 브릿지 컨버터 (Half-bridge converter)
변압기 1차측 한쪽에는 입력 전원(하이사이드)과 그라운드(로우사이드)로 이어지는 스위치 2개가 연결되어 있고 다른 한쪽에는 입력 전원과 그라운드로 이어지는 커패시터 2개가 직렬로 연결되어 있으며 변압기의 1차 측이 커패시터와 스위치의 가운데에 연결되어 있는 회로이다. 하이 사이드와 로우 사이드 스위치가 번갈아 가며 스위칭 되며 작동한다. 풀 브릿지 컨버터에 비해 간단하고 저렴하지만 풀 브릿지에 비해 전력량이 낮다는 단점이 있다. 또한 변압기에 걸리는 전압은 입력 전압의 절반이 된다. 커패시터로 인해 전압이 분배되기 때문이다. 포워드 컨버터와 함께 컴퓨터용 파워 같은 중부하용 SMPS에 많이 이용된다.5.5. 풀 브릿지 컨버터 (Full-bridge converter)
변압기 1차측 양쪽에 입력 전원과 그라운드로 이어지는 스위치 2개가 연결되어 있는 회로이다. 회로의 배치가 H자 모양을 닮았기 때문에 H 브릿지 컨버터로 불리기도 한다. 킬로와트 단위의 고전력을 다룰 수 있지만 회로설계 난이도와 비용이 상승하는 단점이 있다.5.6. LLC 공진형 컨버터 (LLC resonant converter)
스위칭 소자를 ON, OFF 시킬 때 발생되는 스위칭 손실(Switching loss)을 없애기 위해 고안된 토폴로지로, L- C 공진을 활용해 ZCS(Zero Current Swiching), ZVS(Zero Voltage Switching)를 구현하게 된다.스위칭 손실이 줄어든 만큼 다른 토폴로지와 비교해 효율이 뛰어나나, 듀티비를 조정하는 방식이 아닌 주파수를 조정하는 방식이며 이 때문에 부하 변동에 따라 특성이 크게 달라지므로 정부하에만 적합하다는 단점이 있다. 130W 내외의 출력을 가지는 USB 충전기에 자주 사용된다.
[1] 파워 서플라이의 통풍구를 들여다보면 아래처럼 커다란 고리에 코일 같은 게 둘러져 있는 것이 보이는데 이게 유도자이다.
![파일:external/forum.falinux.com/Toroidal-Coil-Inductor.jpg]()
[2] 최근의 경향은 SMPS의 전력밀도(Power Density)가 계속하여 증가하는 추세이므로, 더욱 높은 스위칭 주파수를 활용하기 위하여 일반적인 Si 반도체 소자가 아닌 SiC 또는 GaN 소자를 활용하기도 한다.[3] 입력측과 출력측이 전선이나 PCB 동박패턴으로 직접 연결되는 대신, 트랜스포머의 코어를 통해 흐르는 자속을 이용해 간접적으로 전력을 전달한다.[4] 간혹 플라이백 컨버터같은 소출력 SMPS는 2차측 피드백 없이 1차측 권선을 이용하여 피드백을 구성하기도 한다. 이를 일차측 제어(PSR; Primary Side Regulation)이라 하며, 주로 1차측 제어 회로에 전원을 공급하는 보조권선의 전압을 측정하여 2차측 전압을 추정하지만 보조 권선이 없는 Auxless 방식도 있다.[5] Y 커패시터 중 가장 높은 등급으로, 500V/피크 8000V의 전압을 버틴다. 간혹 Y2를 쓰는 경우도 있다.[6] Flyback converter는 사용자의 안전을 위한 전기적 절연을 제공하는 토폴로지 중 가장 간단한 구조를 가지며 부품의 수도 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 절환 스위치 없이 110/220V 모두와 호환되는 프리볼트를 구현할 수 있다. 반면 Half-bridge나 Full-bridge를 사용하는 SMPS는 PFC 기능을 가진 경우를 제외하면 사용 전압에 맞도록 전압 선택 스위치를 맞춰주어야 한다.[7] 입력 전압보다 출력 전압이 낮다.[8] 주로 트랜지스터, 그중에서도 PNP형 트랜지스터 또는 P-채널 MOSFET이 사용된다.[9] 동기 정류 벅 컨버터의 경우 교대로 켜지는 트랜지스터가 사용된다. 이렇게 하는 이유는 트랜지스터에는 순방향 전압 강하 현상이 없어 손실을 줄일 수 있기 때문.[10] 입력 전압보다 출력 전압이 높다.[11] FET의 통전 상태는 게이트-소스 전압(Vgs)에 따라서 바뀌는데, N 채널 FET를 하이사이드에 이용할 경우 소스 전압이 회로 동작에 따라 계속 바뀌는 플로팅 상태가 되므로 소스 전압 변동에 대응하여 Vgs를 일정하게 유지하기 위해 차지 펌프를 이용한 게이트 드라이버를 이용한다. 간혹 하이사이드에 P채널 FET를 이용하거나 게이트 구동 변압기(GDT)를 이용하는 경우에는 차지 펌프가 필요하지 않다.[12] 사실 150W도 구색은 맞출 수 있을 뿐, 100W를 넘어가면 다른 토폴로지를 사용하는게 더 효율적이기에 보통 포워드나 하프 브릿지, LLC등으로 넘어간다.