스위칭 방식이란 ?
그림 1는 스위칭 소자를 사용하는 AC/DC 변환 방식입니다.
스위칭 방식은 먼저 100VAC를 브릿지 다이오드로 정류합니다.
트랜스 방식에서는 먼저 트랜스를 통해 AC/AC 강압을 하지만, 스위칭 방식은 높은 상태의 AC 전압을 그대로 정류합니다.
따라서, 브릿지 다이오드는 고전압에 견딜 수 있는 사양의 제품이 필요합니다. 100VAC는 피크치로 140V 정도가 됩니다.
다음으로 콘덴서를 사용하여 평활합니다. 이 역시 고전압 사양의 제품을 사용합니다.
그 다음, 스위칭 소자를 ON / OFF하여 높은 DC 전압을 초핑 (chopping)하고, 고주파 트랜스를 통해 에너지를 2차측으로 전달합니다.
이 때의 ON / OFF 주파수, 즉 스위칭 주파수는 입력 AC의 주파수인 50 / 60Hz에 비해 매우 높은 수십 kHz의 주파수를 사용하여, 그림 1와 같은 방형파 AC로 변환합니다.
이 고주파 AC 전압은 2차측의 정류 다이오드로 정류된 후, 콘덴서에서 평활되어 설정된 DC 출력전압으로 변환됩니다.
그림에서는 고주파 AC의 정류 파형이 생략되어 있지만, 1개의 다이오드를 사용한 반파 정류이므로 그림 2를 참조하여 주십시오.
또한, 원하는 DC 전압으로 변환하기 위해서는 그림 1와 같이 스위칭 소자의 제어 회로가 필요합니다. (이 회로 구성은 플라이백 방식의 예입니다.)
높은 DC 전압을 나누어 AC로 변환하고, 다시 정류 – 평활을 거쳐 낮은 DC 전압으로 변환하는 방법은 통상적인 스위칭 DC/DC 변환과 동일합니다.
스위칭 DC/DC 변환의 과정을 세분화
DC에서 AC로, 그리고 DC로 변환하는 것입니다.
참고로, 3단자 레귤레이터를 사용한 리니어 방식의 DC/DC 변환은 단순히 DC를 DC로 변환하는 것입니다.
정류 – 평활 후의 스위칭 DC/DC 변환의 원리
AC를 정류하여 DC로 변환하는 원리에 대해서는 앞에서 설명하였으므로, 이후의 동작에 해당하는 스위칭 방식의 DC/DC 변환 원리에 대해서도 간단히 설명하겠습니다.
그림 3은 대표적 제어 방법인 PWM (Pulse Width Modulation : 펄스폭 변조) 방식에 의한 강압의 원리를 나타내고 있습니다.
PWM은 주기 (주파수)를 일정하게 하여 ON과 OFF의 시간비, 즉 duty cycle을 조정하는 제어 방법이며, 다양한 어플리케이션에서 사용되고 있습니다.
PWM은 DC 전압을 스위칭을 통해 필요한 duty cycle의 AC로 변환하고, 다시 정류하여 DC로 변환함으로써 원하는 DC 전압을 얻을 수 있습니다.
예를 들어, 100VDC를 스위칭을 통해 주기의 25%를 ON, 나머지를 OFF하는 25:75의 AC로 변환합니다.
이 AC를 정류 – 평활, 즉 평균화하여 DC로 변환하면 전압은 25%에 해당하는 25VDC로 변환됩니다.
실제로 DC/DC 변환은 전력 변환으로, 변환 효율을 고려하지 않으면 안되기 때문에, 그림과 같이 되지는 않지만, 이러한 원리에 기초합니다.
또한, 부하전류가 증가하면 전압이 강하하고, 제어 회로는 펄스폭을 증가시켜 전압을 설정치로 되돌리기 위해 피드백 제어를 실행하므로, 펄스폭도 일정하지 않습니다.
정리하자면, AC/DC 변환은 입력의 AC 전압을 그대로 정류 – 평활하여 DC로 변환하고, 그 DC를 다시 고주파 AC로 변환한 후 또 다시 정류 – 평활하여 원하는 DC 전압으로 변환하는 것입니다.
앞에서 설명한 트랜스 방식에 비해, AC/DC 변환을 2회나 실행하기 때문에 복잡하게 느껴질 수 있습니다. 확실히 복잡해지기는 하지만, 큰 메리트가 있으므로 최근에는 스위칭 방식을 채용하는 AC/DC 컨버터가 증가하고 있습니다. 메리트에 대해서는 뒤에서 설명하겠습니다.
스위칭 방식에 사용하는 부품과 실장 예
그림 4는 스위칭 방식의 AC/DC 변환에 필요한 부품과 회로 실장 예입니다. 기본 구성은 그림 3와 동일하며, 출력전압을 PWM 제어 회로에 피드백함으로써 안정화 제어를 실행합니다.。
부품은 트랜스 방식과 비슷하지만, 브릿지 다이오드, 1차측 전해 콘덴서, 스위칭 소자 (트랜지스터)는 모두 고전압에 대응하는 사양의 제품입니다.
트랜스는 수십 kHz의 고주파로 동작할 필요가 있으므로, 고주파 트랜스 또는 스위칭 트랜스를 사용합니다. 스위칭 트랜스의 코어는 일반적으로 페라이트를 사용합니다.
스위칭 소자는 기본적으로 트랜지스터를 사용합니다. 파워 트랜지스터나 스위칭 트랜지스터 등 여러가지 이름이 있지만, 스위칭 전원용 고전력 MOSFET가 일반적입니다.
스위칭 트랜지스터는 필요한 출력전력에 따라 선택하지만, 출력전력이 그다지 크지 않은 경우에는 스위칭 트랜지스터를 내장한 제어 IC를 이용하여 부품 수를 줄일 수 있습니다.
출력전압을 안정화하는 제어 회로는 트랜지스터 및 OP-Amp 등 개별 소자를 사용하여 구성할 수도 있습니다.
그러나, 최근에는 확실한 안정화 제어는 물론, 다양한 보호 기능도 제공하는 AC/DC 변환용 IC를 사용하는 케이스가 증가하고 있습니다.
특히, AC/DC 전원을 회로 기판 상에 실장하는 경우에는 AC/DC 컨버터용 IC를 중심으로 설계하는 것이 현실적입니다.
참고로, 이 회로의 제어 IC는 기판 뒤 하단의 중간부분에 되어 있습니다. SOP8과 같은 작은 패키지이지만, 제어 기능 이외에도 여러 개의 보호 기능을 구비하고 있습니다.
키 포인트
・트랜스 방식에 비해 복잡하지만, 최근 주류인 방법
・제어 IC를 이용함으로써 설계는 간단해짐
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