국제테크노정보연구소 기술자료 출판부


       SMPS·DC-DC 강압/승압형 컨버터·트랜스의 설계
     
스위칭 전원장치의 설계실무

스위칭 전원은 스위칭 소자가 스위칭 모드로 동작하므로 전력손실이 적고, 트랜스도 고주파 트랜스를 사용하기 때문에 소형경량으로 손실이 적으며, 효율이 높다고 하는 점 이외에, 넓은 입력전압 범위에 대응하기 때문에 탭이나 회로정수의 변경없이 입력전압이 다른 나라의 지역에서도 사용할 수 있다고 하는 특징이 있다. 또, 직류전원을 이용해야 할 곳이 많은 통신장치의 전원이나 배터리, 축전지 등의 직류전원을 사용하는 이동체나 휴대형 장치의 DC-DC 컨버터로서 스위칭 전원은 불가피한 전원으로, 에너지 절약이라는 시대의 요구에 부응하여 급속히 그 응용이 확산되어 왔다.
그러나, 스위칭 레귤레이터는 스위칭 소자나, 정류 다이오드, 트랜스, 초크코일 등에서 노이즈를 발생시키므로 이 노이즈가 다른 회로에 방해를 준다고 하는 큰 결점이 있다. 특히 미약한 입력신호를 다루는 아날로그 회로에서는 노이즈나 리플이 안정도에 영향을 주기 때문에, 고안정화하기 위해서는 회로방식의 개량과 필터, 실드 등으로 이러한 영향을 저지해야 하는 연구도 필요하다.
그리고, 스위칭 전원은 회로 부품수의 증가로 신뢰성이 떨어진다고 알려져 있으며, 전해콘덴서와 같은 부품의 온도상승 등도 신뢰성을 떨어뜨린다. 동일 크기의 전원모듈에서는 효율이 좋은 스위칭 전원이 온도상승이 적어 신뢰성을 높일 수 있다. 그러나, 스위칭 레귤레이터는 부품이 소형이므로 적합한 크기보다 작으면 내부손실이 커져 온도상승이 커지며, 트랜스의 중량이나 치수도 신뢰성과 효율을 저하시키는 요인이 된다.
스위칭 전원은 DC-DC 컨버터의 회로구성이나 제어방식에 따라 많은 종류가 있다. 이들의 방식은 다시 조합되어 많은 다른 방식을 창출한다. 따라서 스위칭 전원을 설계할 때는 각각의 특징을 잘 파악하여 효과적인 조합으로 설계할 필요가 있다.

본서는 가장 널리 사용되는 방식으로, 비교적 중소형의 출력전력용에서 많이 볼 수 있는 RCC(Ringing Choke Converter) 방식인 플라이백 컨버터(fly-back converter)와, 비교적 규모가 큰 컴퓨팅 머신 등의 중대형 전원에 이용하는 FFC(Forward Coupled Converter) 방식을 중심으로, 앞서 언급한 문제점과 스위칭 전원의 해결 과제인 소형경량, 고안정도, 고효율, 고신뢰성을 가진 스위칭 전원 설계를 목표로 그 설계방향과 세부적인 회로정수를 구하는 방법에 대해 많은 사례를 들어 실무 위주로 해설한다.
제1부에서는 스위칭 전원의 전반적인 기본 설계법을 알고자 하는 엔지니어와, 스위칭 전원모듈을 활용하는 엔지니어들을 대상으로 폭넓게 해설하고 있으며, 제2부에서는 전문 설계자를 위하여, 강압형과 승압형, 그리고 다출력형과 극성반전형 DC-DC 컨버터의 구성방법과 PWM IC 사용법, 배터리와 같은 저전압 전원회로에서 고효율의 승압형 DC-DC 컨버터를 설계하기 위한 파워 MOSFET의 사용법 등, 여러 종류의 전원회로에 대응 설계가 가능하도록 회로정수 산출법 등을 해설한다. 제3부에서는 설계 제작된 많은 사례를 소개하고 있으며, 이들을 활용함으로써 어떤 전원 설계에도 대응할 수 있도록 완전한 회로 공개와 구체적인 회로정수를 구하는 방법을 제시하고 있다. 특히, 스위칭 전원에서는 트랜스와 코어가 들어있는 초크(인덕터)가 많이 사용되고 있지만, 코어가 있는 인덕터의 설계 방법은 그리 간단하지 않다. 고주파용 인덕터를 설계하는 경우도 동손과 철손, 코어의 포화, 그리고, 출력필터용의 인덕터는 직류성분과 교류성분 손실의 양자를 생각할 필요가 있으며, 공극(갭) 길이와 권수, 인덕턴스, 중첩전류 등의 사이에 서로 모순이 있어, 최적한 값을 결정하기가 어려운 것이 현실이다. 그래서 본서에서는 이 부분에도 많은 페이지를 할당하여 코일을 감는 법까지 실무 위주로 가급적 명쾌하게 파헤치고 있다.

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주요 내용

제1부: 스위칭 전원 설계의 기본지식

■ 스위칭 전원을 이해하기 위한 기초지식

■ 스위칭 전원회로의 구성과 특징

■ 스위칭 전원장치의 기본 설계법

■ 펄스폭 제어회로와 보호회로

제2부: 스위칭 전원의 구체적인 설계 실무

■ RCC 방식(플라이백 컨버터) 전원 설계

■ FCC 방식(포워드 컨버터) 전원 설계

■ DC-DC 컨버터의 설계법과 응용

■ 스위칭 전원용 PWM IC의 사용법

■ 파워 MOSFET의 저전압 배터리 구동법

제3부: 스위칭 전원의 구체적 설계 사례

■ RCC 방식 스위칭 전원회로의 설계

■ RCC 방식 전원의 회로정수 산출법

■ 90V∼270V의 프리볼트 입력방식 와이드 입력형 RCC 전원회로의 설계

■ 전용 IC를 사용한 RCC 전원회로 설계

■ 자기증폭기(Magnet Amp)를 응용한 FCC 방식 스위칭 전원회로의 설계

■ 자기증폭기(Magnet Amp)의 동작과 FCC 방식 전원의 회로정수 산출법

■ 전용 IC를 사용한 FCC 전원회로 설계

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