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컨버터 / 스위치(CONVERTOR AND SWITCH)



컨버터(CONVERTOR)


DC-DC컨버터(DC TO DC CONVERTOR)

DC-DC 컨버터 DC-DC 컨버터는 인 전자 회로 의 소스 나 전기 변환 장치 의 직류 하나 (DC)에 전압 을 다른 레벨. 그것은 전력 변환기 의 일종입니다 . 전력 수준은 매우 낮은 (소형 배터리)부터 매우 높은 (고전압 전력 전송)까지 다양합니다.
전력 반도체 및 관련 기술을 개발하기 전에 저전력 애플리케이션을 위해 DC 전원의 전압을 높은 전압으로 변환하는 방법 중 하나는 바이브레이터 를 사용하여이를 AC로 변환 한 다음 스텝 업 트랜스포머 와 정류기 .더 높은 출력을 위해 전기 모터는 원하는 전압의 발전기를 구동하는 데 사용되었습니다 (때로는 단일 "발전기"장치, 모터 및 발전기를 하나의 장치로 결합하여 모터를 구동하는 하나의 권선 및 출력 전압을 생성하는 다른 하나의 권선) . 이것은 상대적으로 비효율적이었고 비용이 많이 드는 절차는 대안이 없을 때만 사용되었으며, 카 라디오 (6 또는 12V 자동차 배터리에서 사용 가능한 것보다 훨씬 높은 전압을 필요로하는 열 이온 밸브 / 튜브를 사용)에 전원을 공급하는 데 사용되었습니다. [1]전력 반도체 및 집적 회로의 도입으로 아래에 설명 된 기술을 경제적으로 사용할 수있게되었습니다. 예를 들어 DC 전원을 고주파 AC로 변환하고, 고주파로 인해 작고 가볍고 저렴한 변압기를 사용하십시오. 전압을 변경하고 다시 DC로 교정하십시오. 1976 트랜지스터 자동차 라디오 수신기에 의해 높은 전압을 필요로하지 않았지만, 일부 아마추어 무선 사업자는 모바일 용 진동 용품 및 dynamotors를 계속 사용 트랜시버 transistorised 전원 공급 장치를 사용할 수 있었지만, 높은 전압을 필요로. 선형 전자 회로 또는 심지어 저항을 사용하여 높은 전압에서 더 낮은 전압 을 유도하는 것이 가능했지만 ,이 방법은 초과로 열을 분산 시켰습니다 . 에너지 효율적인 변환은 반도체 스위치 모드 회로에서만 가능 해졌다.

용도

주로 배터리 로부터 전력이 공급되는 휴대 전화 및 랩톱 컴퓨터 와 같은 휴대용 전자 장치에 사용 됩니다. 이러한 전자 장치는 종종 여러 하위 회로를 포함 하며 각 회로 는 배터리 또는 외부 공급 장치 (공급 전압보다 높거나 낮은 경우도 있음)와 다른 자체 전압 수준 요구 사항을 포함합니다. 또한 배터리 전압은 저장된 에너지가 소모됨에 따라 감소합니다. DC-DC 컨버터는 부분적으로 배터리 전압을 낮추어 전압을 높이는 방법을 제공하므로 동일한 배터리를 사용하지 않고 공간을 절약 할 수 있습니다. 대부분의 DC-DC 컨버터 회로는 또한 출력 전압을 조절합니다. 일부 예외로는 LED를 통해 전류를 조절하는 일종의 DC-DC 컨버터 인 고효율 LED 전원 과 출력 전압을 두 배 또는 세 배로하는 간단한 차지 펌프 가 있습니다. 광전지 시스템 과 풍력 터빈 을 위한 에너지 수확을 극대화하기 위해 개발 된 DC-DC 컨버터를 전력 옵티 마이저 라고 합니다. 주전원 주파수 50-60 Hz에서 전압 변환에 사용되는 변압기는 수 와트를 초과하는 전력에 대해 크고 무거워 야합니다. 이로 인해 비용이 많이 들며 코어에서 와류로 인해 권선에서 에너지가 손실 될 수 있습니다. 트랜스포머 또는 인덕터를 사용하는 DC-DC 기술은 훨씬 더 높은 주파수에서 작동하므로 훨씬 작고 가볍고 저렴한 권선 부품 만 필요합니다. 따라서 이러한 기술은 전원 변압기가 사용될 수있는 경우에도 사용됩니다. 예를 들어 가전 제품의 경우 DC 전압을 정류하여 스위치 모드 기술을 사용하여 원하는 전압의 고주파 AC로 변환 한 다음 DC로 정류하는 것이 바람직합니다. 복잡한 회로 전체는 동일한 출력의 간단한 메인 변압기 회로보다 저렴하고 효율적입니다.

스위치 모드 전원 공급 장치(Switched-mode power supply)


스위칭 모드 전원 공급 장치 ( 스위치 모드 전원 공급 장치 , 스위칭 - 모드 전원 장치 , 전원 스위치 , SMPS 또는 스위처 전자 인) 전원 통합 스위칭 레귤레이터 하는 전력 변환 효율을. 다른 전원 공급 장치와 마찬가지로 SMPS는 DC 및 AC 전원 (종종 주전원)의 전원 을 개인용 컴퓨터 와 같은 DC 부하로 전송 하면서 전압 및 전류 특성 을 변환 합니다. 선형 전원 공급 장치 와 달리스위칭 모드 서플라이의 패스 트랜지스터는 저 발산 , 풀 온 및 풀 오프 상태를 계속 전환 하고 높은 발산 천이에서 거의 시간을 소비하지 않아 낭비되는 에너지를 최소화한다. 이상적으로는 스위치드 모드 전원 공급 장치가 전력을 분산시키지 않습니다. 전압 조절 은 온 - 오프 (on-off) 시간 비를 변화시킴으로써 이루어진다. 대조적으로 선형 전원 공급 장치는 패스 트랜지스터의 전력을 지속적으로 소산시킴으로써 출력 전압을 조정합니다 . 이러한 높은 전력 변환 효율은 스위치드 모드 전원 공급 장치의 중요한 장점이다. 스위치 모드 전원 공급 장치는 변압기 크기와 무게가 작기 때문에 선형 전원 장치보다 훨씬 작고 가벼울 수 있습니다. 스위칭 레귤레이터는보다 높은 효율, 더 작은 크기 또는 더 가벼운 무게가 요구되는 선형 레귤레이터의 대체품으로 사용된다. 그러나 그들은 더 복잡합니다. 그들의 스위칭 전류는 신중하게 억제되지 않으면 전기 노이즈 문제를 야기 할 수 있으며, 단순한 설계는 역률 이 낮을 수 있습니다 .

특징

스위치 모드 전원 공급 장치는 인덕터 및 커패시터 와 같은 무손실 저장 요소 를 서로 다른 전기적 구성간에 이상적으로 스위칭하여 출력 전압과 전류를 변경 합니다. 이상적인 스위칭 소자 (액티브 모드에서 동작하는 트랜지스터로 근사화 됨)는 "on"일 때 저항이없고 "off"일 때 전류가 흐르지 않으므로 이상적인 소자를 갖춘 컨버터는 100 % 효율로 동작한다 (즉, 모든 입력 전력이 전달된다. 부하로, 열은 방산 된 열로 낭비되지 않는다). 예를 들어 DC 소스, 인덕터, 스위치 및 해당 전기 접지 가 직렬로 배치되고 스위치가 구형파 에 의해 구동되는 경우 스위치에서 측정 된 파형의 피크 - 피크 전압이 DC 소스로부터의 입력 전압. 이것은 인덕터가 전류의 변화에 ​​대처하기 위해 자체 전압을 유도함으로써 전류의 변화에 ​​응답하고이 전압이 스위치가 열려있는 동안 소스 전압에 추가하기 때문입니다. 스위치와 병렬로 다이오드 및 캐패시터 조합을 배치하면 피크 전압을 커패시터에 저장할 수 있으며 커패시터는 회로를 구동하는 DC 전압보다 큰 출력 전압을 갖는 DC 소스로 사용할 수있다. 이 부스트 컨버터 는DC 신호용 스텝 업 트랜스포머 . 벅 - 부스트 컨버터는 유사한 방식으로 동작하지만, 입력 전압의 극성에 반대 인 출력 전압을 산출한다. 다른 벅 회로는 전압 감소로 평균 출력 전류를 높이기 위해 존재한다. SMPS에서 출력 전류 흐름은 입력 전원 신호, 사용 된 저장 요소 및 회로 토폴로지 및 스위칭 소자를 구동하는 데 사용되는 패턴 (예 : 조정 가능한 듀티 사이클의 펄스 폭 변조) 에 따라 달라집니다 . 이러한 스위칭 파형 의 스펙트럼 밀도 는 상대적으로 높은 주파수에 집중된 에너지를 가지고 있습니다. 따라서 출력 파형에 도입 된 스위칭 과도 및 리플을 소형 LC 필터 로 필터링 할 수 있습니다 .

장단점

스위칭 전원 공급 장치의 주요 장점은 선형 레귤레이터보다 효율이 높기 때문에 스위칭 트랜지스터는 스위치 역할을 할 때 전력 소모가 적기 때문입니다. 다른 장점으로는 무거운 라인 - 주파수 변압기의 제거로 인한 더 작은 크기와 더 가벼운 무게 및 동등한 발열이 있습니다. 대기 전력 손실은 종종 변압기보다 훨씬 적습니다. 단점은 전자기 간섭 (EMI), 스위칭 주파수에서의 리플 전압 및 고조파 주파수 를 피하기 위해 저역 통과 필터 가 차단해야하는 고 진폭 고주파 에너지의 생성, 복잡성의 증가 이다. 초저가 SMPS는 전기 스위칭 잡음을 주전 원선에 다시 결합시켜 동일한 위상에 연결된 A / V 장비에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 비 역률 보정 SMPS는 또한 고조파 왜곡을 일으 킵니다

선형 전원 공급 장치와 스위치 모드 전원 공급 장치의 비교
선형 전원 공급 장치 스위칭 전원 공급 장치 노트
크기와 무게 고출력 선형 레귤레이터의 히트 싱크는 크기와 무게를 추가합니다. 변압기는 사용하는 경우 작동 주파수가 낮기 때문에 커집니다 (주전원 주파수는 50 또는 60 Hz입니다). 그렇지 않으면 구성 요소 수가 적기 때문에 콤팩트 할 수 있습니다. 더 높은 동작 주파수 (일반적으로 50 kHz - 1 MHz) 로 인해 더 작은 변압기 (사용되는 경우 인덕터 ). 적절한 RF차폐 의 크기와 무게 가 중요 할 수 있습니다. 히스테리시스 손실을 억제 할 수 있다면 변압기의 주어진 크기와 무게의 전력 처리 용량이 주파수에 따라 증가 합니다. 따라서 동작 주파수가 높을수록 용량이 크거나 변압기가 작아집니다.
출력 전압 변압기를 사용하면 모든 전압을 사용할 수 있습니다. 변압기가없는 경우 전압 더블 러를 사용하여 달성 할 수있는 것으로 제한됩니다 . 조정되지 않으면 전압이 부하에 따라 크게 달라집니다. 사용 가능한 모든 전압 은 많은 회로의 트랜지스터 항복 전압에 의해서만 제한됩니다 . 전압은 부하에 따라 거의 변하지 않습니다. SMPS는 일반적으로 출력 전압이 변경되기 전에 더 넓은 입력 변동에 대처할 수 있습니다.
효율, 열 및 전력 손실 조정할 경우 : 효율은 입력과 출력 간의 전압 차에 크게 좌우됩니다. 출력 전압은 과도한 전력을 열로 소산시켜 30-40 %의 일반적인 효율을 달성함으로써 조절됩니다. 규제가 없다면 변압기 철 및 구리 손실 만이 비효율의 중요한 원천이 될 수 있습니다. 출력은듀티 사이클제어를 사용하여 조절됩니다 . 트랜지스터는 완전히 켜지거나 완전히 꺼 지므로 입력과 부하 사이의 저항 손실은 거의 없습니다. 생성 된 유일한 열은 구성 요소의 이상적인 측면과 제어 회로의 무부하 전류에 있습니다. 트랜지스터의 스위칭 손실 (특히 소자가 부분적으로 온 상태 일 때 각 사이클의 짧은 부분), 스위칭 트랜지스터의 온 저항 , 인덕터 및 커패시터의 등가 직렬 저항 , 인덕터의코어 손실 및 정류기 전압 강하 60-70 %의 전형적인 효율에 기여합니다. 그러나 최적의 스위칭 주파수 선택, 인덕터 포화 방지 및 능동형 정류 와 같은 SMPS 설계를 최적화함으로써 전력 손실 및 열량을 최소화 할 수있다. 좋은 디자인은 95 %의 효율성을 가질 수 있습니다.
복잡성 규제되지 않은 것은 단순히 다이오드 및 커패시터 일 수 있습니다. 전압 조절 회로와 노이즈 필터링 커패시터를 가지고있다. 일반적으로 스위치 모드 회로보다 간단한 회로 (및보다 간단한 피드백 루프 안정성 기준). 컨트롤러 IC, 하나 또는 여러 개의 파워 트랜지스터 및 다이오드, 전원 트랜스포머, 인덕터 및필터 커패시터로 구성된다 . 리니어 레귤레이터 회로에는없는 설계 복잡성 (노이즈 / 간섭 감소, 높은 스위칭 속도에서 트랜지스터의 최대 정격에 대한 추가 제한)이 존재합니다. 스위치 모드 메인 (AC-DC) 공급 장치에서 하나의 변압기 코어로 여러 전압을 생성 할 수 있지만 설계 / 사용상의 문제가 발생할 수 있습니다. 예를 들어 한 출력에 최소 출력 전류 제한이 있을 수 있습니다 . 이 SMPS의 경우 듀티 사이클 제어를 사용해야합니다. 출력들 중 하나 (일반적으로 전압 조정 피드백 루프를 공급하기 위해 선택되어야하는 3.3 V 또는 부하는보다 자신의 전원 전압에 대한보다 까다로운있는 12 V 부하 때문에 피드백 루프에 공급되는 이것은 결정을 구동한다.을 다른 산출물은 규제 된 것을 잘 추적합니다). 둘 다 변압기를 신중하게 선택해야합니다. SMPS의 높은 동작 주파수로 인하여 부스트 인덕턴스 및 인쇄 회로 기판 트레이스가 중요해진다.
무선 주파수 간섭 과전류 부하 하에서는 AC 정류 다이오드에 의해 약한 고주파 간섭이 발생할 수 있지만 대부분의 다른 전원 유형에서는 고주파 간섭이 발생하지 않습니다. 일부 메인 쉴드는 쉴드되지 않은 케이블로 윙윙 거리며 낮은 신호 오디오에 문제가 있습니다. EMI / RFI는 전류가 급격히 켜지거나 꺼져 있기 때문에 발생합니다. 따라서 방해파 간섭을 줄이기 위해서는 EMI 필터 와 RF 차폐가 필요합니다. 구성 요소들 사이의 긴 전선은 입구 및 출구에서 캐패시터가 제공하는 고주파 필터 효율을 감소시킬 수 있습니다. 안정적인 스위칭 주파수가 중요 할 수 있습니다.
출력 단자에서의 전자 노이즈 조정되지 않은 PSU는 2 배의 주 주파수 ( 100-120 Hz ) 에서 DC 성분에 겹쳐지는 작은 AC 리플을 가질 수 있습니다 . 아날로그 보안 카메라의 오디오 장비, 밝기 잔물결 또는 줄무늬 왜곡에서 가청 주 전원이 윙윙 거리는 원인이 될 수 있습니다 . SMPS의 스위칭 주파수 때문에 잡음이 많다. 필터링되지 않은 출력은 디지털 회로의 결함이나 오디오 회로의 잡음을 유발할 수 있습니다. 이것은 출력 단계에서 커패시터 및 기타 필터링 회로로 억제 할 수 있습니다. 스위칭 모드 PSU를 사용하면 스위칭 주파수를 선택하여 작동 주파수 대역 회로에서 잡음을 제거 할 수 있습니다 (예 : 사람의 청력 범위를 초과하는 오디오 시스템의 경우)
입력 단자에서 전자 노이즈 입력 AC에 고조파 왜곡을 일으키지 만 상대적으로 고주파 노이즈는 거의 또는 전혀 발생하지 않습니다. 매우 저렴한 SMPS는 전기 스위칭 잡음을 주전 원선에 다시 결합시켜 동일한 위상에 연결된 A / V 장비에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 역률 보정이 적용되지 않은 SMPS도 고조파 왜곡을 일으 킵니다. 이것은 (적절히 접지 된) EMI / RFI 필터가 입력 단자와 브리지 정류기 사이에 연결되면 방지 할 수 있습니다.
소음 변압기 또는 자기 변형의 권선의 진동으로 인해 희미한, 보통 들리지 않는 전원 콧노래 . 팬이 있거나 언로드되거나 오작동하지 않거나 오디오 범위 내에서 스위칭 주파수를 사용하지 않거나 코일의 라미네이션 이 작동 주파수 의 음압으로 진동하지 않는 한 대부분의 사람에게는 보통 들리지 않습니다 . 언로드 된 SMPS의 작동 주파수는 가청 인간 범위에있는 경우가 많으며 청력이 해당 주파수 범위에 매우 민감한 사람들에게는 주관적으로 크게 들릴 수 있습니다.
역률 초크 입력 또는 저항 입력 회로가 정류기 (지금은 드물다)를 따르지 않는 한 전압의 최고점에서 전류가 전원으로부터 인출되기 때문에 안정화 된 전원에 대해서는 낮습니다 . PFC가없는 단순한 SMPS가 AC 사인 곡선의 피크에서 전류 스파이크를 끌어내는 이후 매우 낮은 것에서 중간 범위에 이릅니다. SMPS의 액티브 / 패시브 역률 보정 은이 문제를 상쇄 할 수 있으며 특히 EU의 일부 전기 규제 당국에서 필요합니다. 선형 전원 공급 장치의 저전력 변압기의 내부 저항은 대개 각 사이클의 피크 전류를 제한하므로 적은 직렬 저항으로 도선을 직접 정류하는 많은 스위치 모드 전원 공급 장치보다 우수한 역률을 제공합니다.
돌입 전류 저속 시동 회로가 사용되지 않는 한, 변압기의 자속이 안정화되고 커패시터가 완전히 충전 될 때까지 주 전원 선형 전원 공급 장치를 켤 때 큰 전류가 흐릅니다. 매우 큰 피크 "돌입 전류"서지 전류는 입력 전원의 임피던스와 필터 캐패시터에 대한 직렬 저항에 의해서만 제한됩니다. 빈 필터 커패시터는 처음에는 많은 양의 전류를 끌어 당기며, 큰 커패시터는 더 많은 피크 전류를 끌어 낸다. 정상 작동 전류보다 몇 배 이상 빠르면 서지의 영향을 많이받는 구성 요소에 큰 스트레스를 가하고 불필요한 퓨즈 선택을 복잡하게하며 무정전 전원 공급 장치와 같은 과전류 보호 기능을 사용하는 장비에 문제를 일으킬 수 있습니다 . 적합한 소프트 스타트 회로 또는 직렬 저항을 사용하여 완화.
위험 감전 변압기가있는 전원 공급 장치는 전원 공급 장치에서 들어오는 전원 공급 장치를 격리하므로 인클로저의 금속 작업을 안전하게 접지 할 수 있습니다. 1 차 / 2 차 절연이 파괴되는 경우 위험하므로 합리적인 설계로는되지 않습니다. 변압기가없는 전원 공급 장치는 위험합니다. 선형 및 스위치 모드 모두에서 전원 및 가능한 출력 전압은 위험하므로 잘 격리되어야합니다. 커먼 레일 (케이싱 포함)은 주전원 전압의 절반으로 전력이 공급되지만 장비가 접지 / 접지되거나 입력 단자에서 EMI / RFI 필터링을 포함하지 않는 한 고 임피던스 상태로 통전됩니다. EMI / RFI 방사에 관한 규정으로 인해 많은 SMPS는 브리지 정류기 전에 커패시터 및 인덕터로 구성된 입력 단계에서 EMI / RFI 필터링을 포함한다. 2 개의 커패시터는 두 개의 커패시터 사이에 접지 연결이있는 Live 및 Neutral 레일과 직렬로 연결됩니다. 이것은 용량 성 분배기를 형성하여 커먼 레일에 전원 전압을 공급합니다. 높은 임피던스 전류 소스는 운전자에게 따끔 거리거나 '물린'소리를 내거나 지구 결함 LED를 켜기 위해 악용 될 수 있습니다. 그러나이 전류는 가장 민감한잔류 전류 장치 에서 불쾌감을 유발할 수 있습니다 . 접지 핀이없는 전원 공급 장치 (예 : USB 충전기)에는 1 차측과 2 차측 사이에 EMI / RFI 커패시터가 있습니다. 아주 가볍게 따끔 따끔 느낌을 줄 수도 있지만 사용자에게 안전합니다 .
장비 손상 위험 1 차 권선과 2 차 권선 사이에 단락이 발생하지 않거나 내부적으로 단락되어 레귤레이터가 고장 나지 않는 한 매우 낮습니다. 출력 전압이 매우 높아지도록 실패 할 수 있습니다. 커패시터에 응력이 가해지면 폭발 할 수 있습니다. 부동 전압이 트랜지스터베이스 이미 터의 항복 전압을 초과하면 트랜지스터의 이득이 떨어지고 잡음 레벨이 증가하는 경우 증폭기의 입력 단계가 파괴 될 수있다. 좋은 무장애 설계로 인해 완화되었습니다 . SMPS 자체의 구성 요소에 장애가 발생하면 다른 PSU 구성 요소가 손상 될 수 있습니다. 문제를 해결하기 어려울 수 있습니다. 부동 전압은 전원 공급 장치의 1 차측과 2 차측을 연결하는 커패시터로 인해 발생합니다. 접지 된 장비에 연결하면 콘덴서의 2 차측 전압이 접지 전위와 같아 지므로 커넥터에 일시적인 (잠재적으로 파괴적인) 스파이크가 발생할 수 있습니다.