30. SMPS

1. SMPS란?
스위칭 전원 SMPS(Switch Mode Power Supply)는 스위칭 소자를 이용하여 전력을 효율적으로 변환하는 전원 장치입니다. 기존의 선형 전압 컨트롤러와 달리 SMPS는 고속 스위칭 MOSFET 또는 기타 스위칭 소자를 사용하여 입력 전압을 원하는 전압으로 변환합니다. 이 과정에서 에너지의 일부는 인덕터와 콘덴서와 같은 필터 회로를 통해 부드러운 DC 전압을 재구성하여 전력 손실이 적고 효율이 높습니다.

 

2. SMPS의 작동 원리와 특징
SMPS의 기본 원리는 입력 전압을 고속으로 전환한 다음 인덕터와 커패시터로 구성된 필터 회로를 통해 출력 전압을 안정화시키는 것입니다. 스위칭 소자의 온/오프 주기를 조정하여 필요한 평균 전압을 얻을 수 있습니다. 이 방식은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

(1) 고효율 전력 변환
SMPS의 전력 손실은 매우 적고 효율은 80%에서 95% 이상입니다. 이로 인해 배터리 수명이 연장되어 발열 문제를 크게 줄일 수 있습니다.

(2) 소형화 및 경량화
고출력 밀도와 소형 패키지로 설계할 수 있으며 휴대용 전자 기기 또는 임베디드 시스템에 적합합니다.

(3) 다양한 출력 전압 제공
입력 전압에 따라 승압, 강압 또는 강압-승압 방법을 사용하여 다양한 출력 전압을 제공하여 시스템 설계의 유연성을 향상시킬 수 있습니다.

(4) 전기절연 및 안전성
일부 SMPS에는 고전압과 저전압 회로 간의 안전한 전력 전송을 보장하고 전기적 간섭과 소음을 줄일 수 있는 절연 변압기가 포함됩니다.

(5) 다중 애플리케이션 적합성
소비자 전자 제품, 산업 장비, 의료 기기, 전기차 등 여러 분야에 적용되며, 다양한 요구에 맞춰 맞춤형 설계를 할 수 있습니다.

3. SMPS의 응용 분야
SMPS는 그 효율성과 안정성 때문에 여러 분야에 없어서는 안 될 전원 공급 장치가 되었습니다.

(1) 소비자가전 설비
스마트폰, 노트북, 태블릿 등 휴대용 기기에서는 배터리 전압이 안정 전압으로 변환되어 내부 회로에 공급됩니다. 

고속 충전기도 SMPS를 사용하여 에너지 효율을 극대화합니다.

(2) 전기자동차 및 에너지저장시스템
전기차에서 SMPS는 고전압 배터리의 전력을 다양한 전자 부품에 적합한 전압으로 변환하는 데 중요한 역할을 합니다. 

또한, 태양광 발전 시스템과 ESS(에너지 저장 시스템)도 전압 안정화에 사용됩니다.

(3) 공업 및 통신 설비
공장 자동화, 서버, 데이터 센터 등에서 SMPS는 효율적인 전력 공급을 통해 에너지 손실을 최소화하고 열 관리 및 시스템 신뢰성을 향상시킵니다.

(4) 의료 기계
의료 장비에서는 정확하고 안정적인 전원 공급이 필수적이므로 SMPS를 사용하여 기기의 정확성과 안전성을 보장합니다.

4. SMPS 모듈과 공급자
최근 몇 년 동안 SMPS는 회로 설계의 복잡성을 줄이고 개발 주기를 단축하기 위해 모듈 형태로 자주 제공되었습다.

이 같은 모듈형 SMPS는 최적화된 회로와 부품이 집적돼 있어 별도 설계 없이 빠르게 제품에 적용할 수 있다는 장점이 있습니다.

Mean Well: 세계적으로 유명한 전원 공급 업체로, 다양한 출력 전압과 출력 범위의 SMPS 모듈을 공급합니다. MeanWell의 제품은 고효율과 안정성을 가지고 있으며 산업, 의료, 소비자 전자제품 등 여러 응용 분야에 적합합니다.
델타 일렉트로닉스 : 델타는 고효율 전원 솔루션을 제공하는 대표적인 기업으로 SMPS 모듈을 통해 에너지 절약 및 신뢰성 확보를 위한 제품을 생산하고 있습니다. 특히 데이터 센터와 산업 시스템에서 많이 사용됩니다.
TDK-Lambda : TDK-Lambda는 소형화된 SMPS 모듈과 맞춤형 전원 솔루션을 제공하는 전원 변환 기술의 강점을 가진 기업입니다. 의료 기기 및 통신 장비에 자주 사용됩니다.
Recom Power : Recom은 다양한 전압과 전력 레벨의 SMPS 모듈을 제공하며, 소비자 전자 제품, 산업 장비, LED 조명 등에 널리 사용됩니다.

이들 제조업체는 SMPS 모듈을 통해 설계 복잡성을 줄이고 개발 비용과 시간을 단축하며 효율적이고 안정적인 제품을 제공합니다. SMPS 모듈은 사용자에게 표준화된 인터페이스와 다양한 출력 옵션을 제공하여 사용자가 제품에 쉽게 통합되고 회로 설계자와 엔지니어가 크게 편리해집니다.

5. SMPS 설계 시 고려 사항
SMPS의 설계 및 선택은 다음 요소를 고려해야 합니다.

(1) 입출력 전압 범위 : 시스템에 필요한 전압과 전류를 정확하게 파악하고 적절한 변환 비율의 SMPS를 선택합니다.
(2) 효율성 : 전력 손실을 최소화하고 배터리 수명과 에너지 소비를 개선하기 위해 효율이 높은 제품을 선택합니다.
(3) 발열 관리 : 고출력 SMPS는 열을 많이 발생하므로 적절한 방열기 또는 PCB 설계를 사용하여 열을 방출해야 합니다.
(4) 크기와 무게 : 휴대용 기기나 소형 시스템의 경우 소형화된 제품이 필수적이며, 공간 제약과 무게를 고려해야 합니다.
(5) 안정성과 내구성 : 특히 산업, 의료, 전기차 등 장기적이고 안정적인 운영이 가능한 제품을 선택하고 인증 및 품질 등급을 확인해야 합니다.

 

6. 결론
AC/DC 컨버터 중 하나인 SMPS는 교류 전원을 안정적인 직류 전원으로 변환하여 다양한 전자 기기에 전원을 공급하는 핵심 구성 요소입니다. 고효율, 소형화, 전기 절연 및 다중 출력 옵션 등 다양한 장점을 바탕으로 스마트폰, 전기차, 산업 장비, 의료 기기 등에서 필수적입니다.
또한 최근 몇 년 동안 SMPS 모듈 형태로 제공되는 제품이 증가하여 회로 설계의 복잡성을 크게 줄이고 개발 비용과 시간을 절약했습니다. Mianwell, Delt Electronics, TDK-Lambda, Recom Power 등은 효율적이고 신뢰성이 높은 SMPS 모듈을 통해 전자 및 전력 시스템의 안정성을 향상시키는 데 기여했습니다.