SMPS

현대 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 적다. 대신 인덕터와 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]

SMPS에 사용되는 특정한 회로구조를 토플로지(Topology)라고 하는데, 대표적인 토폴로지는 다음과 같다.

맨 아래에 Charge-pump를 제외하면 모두 인덕터의 역기전력을 이용하여 전압을 변환한다.

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.

각 토플로지는 어플리케이션마다 다른 특성을 가진다. 흔히 사용되는 PC용 파워 서플라이 의 경우, Half-bridge나 Full-bridge 형태으로 설계되며 이보다 크기와 다루는 전력이 작은 스마트기기용 충전기 등의 경우 Flyback converter가 흔히 사용된다.[4]

Step down[5] 계열의 비절연형 전원 변환 회로다. 입력 전원과 스위치[6], 출력 부하와 인덕터가 각각 직렬로 연결되어 있고 그 사이에 역방향 다이오드[7]가 병렬로 포함된다. 출력전압은 스위치의 Duty Ratio에 의해 결정된다.

Step up[8] 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.

벅 컨버터와 부스트 컨버터를 합한 형태의 전원 회로이다. 입력 전압이 목표 전압보다 낮으면 부스트 컨버터로, 입력 전압이 목표 전압보다 높으면 벅 컨버터로 동작한다. 일정한 전압이 필요한 부하에 전원을 공급할 때 적합하다.

인덕터를 사용하지 않고 축전기만을 사용하는 전원 회로로 입력 전원을 이용해 음전압을 생성하거나 입력 전압을 배로 늘리기 위해 사용된다.