초보자를 위한 전원 공급 장치, 5부

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초보자를 위한 전원 공급 장치, 5부

초보자와 비전자 엔지니어를 위한 전원 공급 장치에 대한 비디오 튜토리얼 시리즈 5부에서는 다양한 유형의 전원 공급 장치를 비교합니다.

초보자를 위한 전원 공급 장치, 5부

여기 전원 공급 장치 초보자를 위한 비디오 튜토리얼 시리즈 5부에서는 지금까지 살펴본 다양한 유형의 전원 공급 장치(선형 및 스위칭)를 비교하고 스위칭 및 선형 전원의 장점과 단점을 살펴보는 것으로 마무리하겠습니다. 공급.

자세한 내용은 5부 영상을 시청하세요!

 

비디오 튜토리얼의 다음 내용

시간: 0:00s 안녕하세요 저는 Chris Richardson입니다. 5부까지 시청하셨다면 지금쯤 제가 전원 공급 장치를 전문으로 하는 전자 엔지니어라는 사실을 아실 것입니다. 이것은 전원 공급 장치 매니아 또는 반드시 전자 엔지니어 교육을 받지 않은 애호가를 위한 일련의 웹 세미나 중 다섯 번째 부분입니다.

지금까지 우리는 전원 공급 장치를 테스트하기 위해 저렴한 장비를 모았습니다. 조정되지 않은 전원 공급 장치를 살펴보았습니다. 다양한 선형 레귤레이터를 테스트하고 다양한 스위칭 레귤레이터를 테스트했습니다. 이 섹션에서는 이러한 다양한 전원 공급 장치의 예를 비교하고 조사하여 다양한 애플리케이션에 가장 적합한 것이 무엇인지 알아보겠습니다.

전원 공급 장치 의제

 

시간: 0:31s 시중 에는 매우 다양한 유형의 전원 공급 장치가 있습니다. 소위 "에너지 수확" 분야와 같은 분야에서 밀리와트(mW) 또는 심지어 마이크로와트(uW)를 사용하는 소형 시스템부터 발전 및 배전 분야에서 메가와트(MW)까지. 따라서 애플리케이션에 가장 적합한 장치를 선택하는 것은 전원 공급 장치 사용 및 설계에 있어 중요한 단계입니다.

전원 공급 장치 효율성 비교

시간: 0:48s 테스트 중인 전원 공급 장치 유형에 관계없이 정확한 전력 효율성 테스트를 위해서는 공급 장치에 대한 입력에 대해 하나의 전류계와 전압계가 필요하고 각 출력에 대해 또 다른 전류계와 또 다른 전압계가 필요합니다. 일반적으로 1/10와트(1/10W 또는 0.1W) 미만의 매우 낮은 전력 회로의 경우 전류계와 전압계가 항상 일부 전력을 소비하고 측정값을 왜곡하므로 특수 장비가 필요합니다.

적어도 1와트 이상의 출력 전력을 제공하는 전원 공급 장치에 초점을 맞추겠습니다. 왜냐하면 해당 특수 장비는 제가 1부에서 이야기한 저렴한 장치 목록에 확실히 포함되어 있지 않기 때문입니다.

 전력제품

Analog Devices, Texas Instruments, ON Semiconductor, Fairchild, ST Microelectronics, Linear Technology, Molex, Bourns 등을 포함한 주요 제조업체의 Arrow.com 에서 다양한 전력 제품 및 액세서리를 쇼핑하세요 . 배터리, 전력선 필터, 전원 관리 구성 요소, 전원 공급 장치 및 기타 액세서리를 온라인으로 쇼핑하세요. 귀하의 설계에 딱 맞는 전력 제품을 찾으려면 카테고리, 제조업체 및 ROHS 규정을 기준으로 필터링하세요.

시간: 1:18초 켈빈 감지는 전원 공급 장치의 입력 및 출력에서 ​​직접 입력 전압 및 출력 전압을 측정하는 것을 의미합니다. 제가 사용해 온 데모 보드에는 항상 입력 커패시터 바로 옆에 테스트 포인트가 포함되어 있으며 이러한 목적을 위한 출력 커패시터도 포함되어 있습니다.

실험실 전원 공급 장치의 전압 판독값을 사용하거나 ATX 상자를 신뢰하여 정확히 12V 또는 5V를 제공하는 경우 연결 케이블의 저항 강하로 인해 전압이 손실되므로 측정이 잘못됩니다. 전류계 자체도 직렬 저항기를 사용하며 여기서도 일부 전압이 손실됩니다.

시간: 1:48s 첫 번째 효율성 실험을 위해 여기서는 조정되지 않은 전원 공급 장치로 돌아가겠습니다. 500mA를 소비하도록 설정된 선형 전류 소스와 함께 사용됩니다. 파란색 멀티미터는 입력 전류(I IN )를 측정하고 주황색 멀티미터는 입력 전압(V IN )을 측정합니다.

"ON"으로 전환하면 입력은 226V rms에서 30.8mA를 소비합니다. 이제 상황을 전환하여 출력 전류(I OUT )와 출력 전압(V OUT ) 을 살펴보겠습니다 .

시간: 2:16s 동일한 회로이지만 이제 "ON"으로 전환하면 510mA의 출력 전류와 6.2mA의 출력 전압을 측정하겠습니다. 이것은 반조절 회로라는 점을 기억하십시오. 실제로 많은 효율성 포인트를 계산하려면 부하를 변경해야 합니다. 그러나 이 선형 전류 소스는 실제로 이 전위차계를 사용하여 조정하는 방식에서 대수적이므로 조금 더 어렵습니다.

이제 실험을 반복하고 있지만 조정되지 않은 전원 공급 장치를 사용하는 대신 조정된 스위칭 전원 공급 장치를 사용하고 있습니다. 이것은 출력 전류 및 출력 전압이며, 이를 "ON"으로 설정하면 다시 510mA가 됩니다. 하지만 실제로는 6.5V이기 때문에 예상했던 것만큼 잘 조절되지 않으며 여기서는 실제로 7.07V가 있습니다. 그럼에도 불구하고 우리는 이 두 가지 데이터 포인트를 사용하여 효율성 플롯을 만들 수 있습니다.

이제 스위칭 DC-DC 전원 공급 장치에 대한 입력 전류와 입력 전압을 테스트하고 있는데 입력 전류가 훨씬 낮은 반면 입력 전압은 거의 동일하다는 것을 이미 확인할 수 있습니다. 따라서 우리는 효율성이 훨씬 더 좋아질 것이라는 것을 알고 있으며 이제 두 개의 데이터 포인트가 더 있으므로 계산해 보겠습니다.

 

소산 및 온도 상승 비교

시간: 3:26s 이전 슬라이드와 비디오에서 우리는 대부분의 경우 스위칭 조정기가 선형 조정기보다 훨씬 더 효율적이라는 것을 확인했습니다. 따라서 V IN , V OUT 및 I OUT 의 동일한 조건에서 사용되는 선형 조정기가 훨씬 더 많은 전력을 소비하고 해당 구성 요소가 동등한 스위칭 조정기보다 훨씬 더 뜨거워지는 것은 그리 놀랄 일이 아닙니다 .

NPN 조정기와 LDO(저드롭아웃 조정기)는 여전히 낮은 전기적 잡음, 단순성 및 저렴한 비용으로 인해 합리적으로 사용할 수 있을 때마다 선호하는 선택이 됩니다. 내 기준은 다음과 같습니다.

• 1번 – V OUT  < V IN(min) (최소 입력 전압)
• 2번 - V OUT은 V IN 에 비해 음수가 아닙니다.
• 3번 – V OUT은 안전 또는 소음 감소를 위해 V IN 과 절연되지 않습니다.
• 4번 – (V IN(최대)  – V OUT )*I OUT(최대) 는 1와트 미만입니다.

이는 방열판을 위한 공간이나 예산이 없다고 가정하며, 제 경험상 실제로 방열판을 위한 공간이나 돈이 있습니다. 1와트 이상을 소비할 수 있는 많은 방열판의 가격이 전원 공급 장치 제어 칩보다 더 비싸다는 사실은 여러분에게 놀라운 사실일 수 있습니다.

시간: 4:29s 열에 대해 이야기하기 위해 여기에 동기식 벅 컨버터가 있습니다. 이는 아마도 모든 스위칭 전력 변환기 중에서 가장 효율적이며 약 27~28와트를 제공합니다. 여기 ATX 전원 공급 장치의 12V에서 전원을 공급하고 있습니다. 출력 전압은 거의 정확히 5V, 출력 전류는 약 5.5A입니다. 이는 총 저항이 1Ω 미만인 전력 저항기 그룹 덕분입니다.

대략적으로 말하면, 방의 주변 온도는 27~28oC 사이입니다. 전력 저항기 중 하나는 50oC 에 가깝게 매우 뜨겁습니다. 저는 항상 50oC 가 넘으면 기기에 불편하다고 생각합니다. 만지다.

 테스트 및 측정

Arrow.com은 Rigol Technologies, Mueller Electric, Pomona, TDK, SKS 및 B&K Precision을 포함한 업계 최고의 제조업체의 다양한 테스트 및 측정 제품과 액세서리를 제공합니다. 벤치 전원 공급 장치, 오실로스코프, 신호 발생기, 테스트 클립, 리드 및 프로브를 포함한 모든 전기 테스트 장비 및 측정 액세서리를 온라인으로 쇼핑하세요. 제조업체, 제품 카테고리, 세부 사양별로 필터링하여 프로젝트에 가장 적합한 테스트 및 측정 도구를 찾으세요.

일부 전력 부품의 온도를 측정하기 시작하면 스위칭 MOSFET 이 가장 뜨거워지는 부품으로 30oC를 거의 넘지 않습니다. 이것은 동기식 전력 MOSFET으로 29oC로 약간 더 시원합니다 .

파워 인덕터 역시 30oC를 거의 넘기지 않고 많이 가열될 수 있는 요소입니다. 마지막 으로 측정할 것은 거의 가열되지 않는 알루미늄 전해 입력 커패시터입니다. 즉, 수명이 길어야 한다는 의미입니다.

시간: 5:57s 선형 조정기에 대한 섹션을 시청했다면 이 개별 선형 조정기(회로 기판 표시)에는 크고 큰 방열판이 있고 제어 칩과 개별 전력 트랜지스터가 있다는 것을 기억할 것입니다. 따라서 이것을 방금 수행한 벅 컨버터와 비교해보겠습니다.

파란색 멀티미터는 출력 전류(I OUT )이고 주황색 멀티미터는 출력 전압(V OUT )입니다. 따라서 실제로 여기서 모두 1Ω인 부하는 너무 많은 전류를 끌어오고 있어 실제로 출력 전압으로 약간 붕괴됩니다. 여기. 그러나 이것은 주변 온도가 약 27oC 인 경우 여전히 좋은 열 테스트입니다. 선형 레귤레이터에서 실제로 중요한 유일한 것은 칩 자체이며, 이 경우에는 이산 패스 요소입니다.

온도 탐침을 올려놓으면 꽤 뜨겁습니다. 아마도 100oC 이상일 것입니다. 열전대 의 끝 부분이 방열판의 접합부와 개별 전력 MOSFET의 탭 바로 옆에 있습니다. 큰 차이가 있지만 벅 레귤레이터의 어떤 구성 요소도 31oC 또는 32oC 정도를 넘지 않았다는 점을 기억 하십시오 . 과열되었으므로 "OFF"로 설정하겠습니다.

입력 및 출력 리플 비교

시간: 7분 16초 선형 레귤레이터는 낮은 전도 노이즈 측면에서 의심의 여지 없이 스위칭 레귤레이터를 능가합니다. 이는 여기 화면 상단에 보이는 입력과 법적 제한이 적용될 수 있는 입력 및 종종 소음에 민감한 출력에 적용됩니다. 예를 들어 대부분의 디지털 회로는 특정 주파수의 잡음에 민감합니다.

전력 소모 또는 전압 변환으로 인해 스위처를 사용해야 하는 경우 전압 리플을 줄이는 세 가지 방법은 다음과 같습니다.

• 1번 - 스위칭 조정기의 토폴로지를 신중하게 선택하십시오. 벅 레귤레이터는 출력보다 입력에서 잡음이 더 크지만 부스트 레귤레이터는 그 반대라는 점을 기억하십시오. 반전 벅-부스트 조정기와 플라이백 조정기는 양쪽 끝에서 잡음이 발생합니다. 그러나 이는 출력 전압을 높이거나 낮추기 위해 지불해야 하는 대가입니다.
• 2번 - 저역 통과 출력 필터를 추가합니다. 일반적으로 필터는 인덕터와 커패시터(LC 필터)로 구성됩니다. 순수한 DC를 원하고 잡음은 본질적으로 AC이기 때문에 필터는 항상 저역 통과입니다.
• 3번 - 스위칭 조정기를 사용하여 원하는 V OUT 바로 위에 매우 근접하게 한 다음 LDO를 소위 "포스트 조정기"로 사용합니다. 이는 LDO의 전력 소모를 최소화하고 출력 전압을 매우 부드럽게 만듭니다.

시간: 8:26s 전원 공급 장치 전압 리플을 비교하기 위해 왼쪽에는 벅 레귤레이터가 있고 오른쪽에는 개별 전력 트랜지스터가 있는 LDO가 있습니다. 각각은 ATX 전원 공급 장치에서 +12V를 사용합니다. 각각은 동일한 부하를 가지며, 두 개의 8Ω 전력 저항이 병렬로 연결되어 총 4Ω 부하를 생성하며, 이전 슬라이드에서는 입력 전압 리플을 확인했습니다.

레귤레이터 출력 리플 비교

시간: 8:47s 이제 오실로스코프를 사용하여 두 개의 출력 전압 리플을 측정합니다. 다시 말하지만, LDO의 경우 5V 출력이고 벅 레귤레이터의 경우 5V 출력입니다. 오실로스코프를 보면 벅 레귤레이터 리플은 노란색으로, LDO 리플은 파란색으로 표시됩니다.

처음에는 거의 똑같아 보인다고 말할 수 있지만 파란색으로 보이는 잔물결의 대부분은 벅에서 발생하는 노이즈 커플링의 결과입니다. 프로브를 꺼내면 LDO 노이즈가 훨씬 낮다는 것을 알 수 있습니다.

방사 소음 비교

시간: 9:20초 선형 조정기는 스위칭 조정기보다 훨씬 적은 소음을 방출하며 심지어 스위처에서도 훨씬 적은 전력을 처리합니다. 전원 공급 장치를 설계할 때 일반적으로 필터와 전자기 노이즈 감소 회로를 설계하는 데는 스위처 자체를 설계하는 것만큼 오랜 시간이 걸립니다.

미국의 UL 실험실 테스트 또는 유럽의 CE 테스트를 위해 제품을 가져간 사람을 알고 있다면 한계를 초과하는 전도성 노이즈 또는 보다 일반적으로 방사되는 노이즈에 대한 시행 착오 수정에 며칠을 보낸 이야기가 있을 수 있습니다. 이것이 제가 가능할 때마다 선형 레귤레이터를 사용하는 또 다른 이유입니다.

시간: 9:52s 전자기 간섭(EMI)을 보여주기 위해 여기에 이 ​​벅 레귤레이터의 스위칭 주파수 범위에 있는 약 600kHz로 조정된 AM(진폭 변조) 라디오가 있습니다. 지금은 "ON" 상태가 아니며 여기 스페인어 토크 라디오를 들을 수 있습니다. 회로를 "ON"으로 설정하면 소음이 충분히 발생합니다. 라디오를 스위칭 노드와 인덕터인 소스에 더 가까이 가져갈수록 더 많은 간섭이 들립니다.

EMI 테스트를 위해 다시 한 번 AM 라디오를 약 600kHz 정도로 조정했으며 앞서 벅 레귤레이터를 "ON"으로 설정하자마자 정적 잡음만 발생하는 것을 보았습니다. 리니어 레귤레이터를 ON으로 하면 거의 같은 출력이 나오네요. 약간의 간섭은 있지만 전원에 가까이 다가가도 AM 라디오는 잘 들립니다. 선형 레귤레이터의 장점은 방사 노이즈가 거의 없다는 것입니다.

시간: 10:59초 한 번 더 테스트합니다. 나는 지금 같은 라디오를 가지고 있지만 이제는 FM(Frequency Modulated) 92MHz에 맞춰져 있고 소리가 좋습니다. 안테나(공중파)를 닫으면 간섭이 다시 시작됩니다. 이는 스위칭 인버터가 400kHz ~ 1MHz에서 작동할 뿐만 아니라 고조파가 많고 고주파 잡음도 있기 때문에 발생합니다. 이는 FM 대역을 확장하고 방해합니다.

이제 선형 레귤레이터를 테스트해 보겠습니다. 여기에 FM 라디오가 있고 안테나를 닫은 상태에서 "ON"으로 전환하겠습니다. 보시다시피 여기에 많은 전류와 전압이 흐르고 있기 때문에 매우 뜨거워지기 때문에 빨리 해야 합니다. 스페인 라디오를 계속 들을 수 있어요.

이상으로 비EE용 전원 공급 장치 5부를 마치겠습니다. 이것은 현재 시리즈의 마지막 비디오 튜토리얼이며 이 비디오를 만드는 것이 즐거웠습니다. 저와 electronic-tutorials.ws를 대신하여 여러분이 뭔가를 배웠기를 진심으로 바라며 시청해 주셔서 다시 한번 감사드립니다.

전사가 종료됩니다.

스위치 모드 전원 공급 장치 에 대한 링크를 따라가면 다양한 유형의 전원 공급 장치에 대한 자세한 정보와 훌륭한 튜토리얼을 찾을 수 있습니다 .