전원 공급 장치는 두 가지 유형이 있습니다. 출력 전압 유형에 따라 DC 전원 공급 장치 또는 AC 전원 공급 장치로 분류할 수 있습니다. 이러한 유형은 시스템의 궁극적인 요구 사항과 프로젝트 사양에 필요한 복잡성에 따라 변경됩니다. 때로는 일반 컨버터가 충분히 안전하지 않은 경우가 있는데, 특히 산업 및 의료 분야에서는 안전 요소를 의심할 여지 없이 준수해야 합니다. 따라서 DC 전원 공급 장치는 매우 엄격한 작동 기준을 준수해야 하며 정확한 작동 매개변수를 충족해야 합니다.
DC 전원 공급 장치
산업 및 의료 환경에서 사용되는 전원 공급 장치는 여러 가지 요구 사항을 충족해야 합니다. 단일 단계 컨버터는 대부분을 충족하지 못합니다. 사실, 단일 단계 컨버터는 장치의 입력과 출력 사이에 적절한 전기적 절연을 제공하지 못하는데, 이는 운영자와 장치 자체에 중대한 안전 위험을 초래할 수 있는 문제입니다. 이 때문에 설계자는 확실히 더 복잡하지만 최적의 안전 계수를 제공하는 다단계 변환 기술(DC/AC 및 AC/DC)을 사용하는 것을 선호합니다.
전기적 절연 은 또 다른 중요한 요소로, 단계 사이에 변압기가 있어야 보장됩니다. 다양한 유형의 변환을 통해 DC 전원 공급 장치를 다양한 범주로 나눌 수 있습니다. 따라서 DC 전원 공급 장치를 설계할 때 설계자는 다양한 파형의 높은 전력 밀도, 매우 높은 효율 및 낮은 고조파 왜곡을 준수해야 합니다. 전원 공급 장치의 크기와 무게는 가능한 한 작아야 합니다. 소스와 부하 사이의 전기적 절연은 최적이어야 하며 흐름 방향과 역률 제어가 가능해야 합니다.
따라서 입력에서 분리되는 동안 출력 신호의 고조파 문제를 제거하기 위해 2단계 전원 공급 장치가 사용됩니다. 가장 중요한 것 중 하나는 플라이백 컨버터 로 , 그 원리 다이어그램은 그림 1 에 나와 있습니다 . 그것은 부하로부터 전기적으로 분리됩니다. 플라이백 컨버터의 작동은 두 단계로 발생합니다.
- 첫 번째 단계에서는 전자 스위치 Q1이 닫히면 에너지가 Np 인덕터에 저장됩니다.
- 두 번째 단계에서는 전자 스위치 Q1이 열리면 에너지가 Ns를 통해 부하로 전달되므로 입력과 출력이 직접 연결되는 것을 방지합니다.
2차 전도 중에 Ns가 완전히 방전되면 전원 공급 장치는 불연속 전도 모드로 작동합니다. 그렇지 않으면 연속 전도 모드로 작동합니다.
전자 시뮬레이션 내에서도 항상 비이상적인 전자 부품을 채택하는 것을 고려하는 것이 좋습니다. 이상적인 부품은 시뮬레이션 프로세스를 가속화하고 수학적 계산을 단순화하지만, 실제 부품을 사용하면 정확도가 더 높아지고 실제 회로의 동작과 더 밀접하게 일치합니다. 실제로 실제 전자 부품은 내부 저항, 기생 커패시턴스, 포화 및 온도 효과, 노이즈 및 기타 비선형성을 포함한 몇 가지 고유한 불완전성이 특징입니다.
시뮬레이션 내에서 이러한 효과를 예측하면 설계 문제를 방지하고 회로 신뢰성과 성능을 보다 정확하게 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 전자 시뮬레이션은 설계 및 분석 도구이지만 실험적 테스트를 완전히 대체할 수는 없다는 점을 항상 기억하는 것이 중요합니다. 따라서 실제 전자 부품을 채택하면 시뮬레이션이 현실에 최대한 가깝도록 보장하여 설계 개발을 더 쉽고 빠르게 만들고 모든 문제를 해결할 수 있습니다. 이 예에서 일부 전자 부품은 추가 비이상적 요소로 특성화되었습니다. 다음과 같습니다.
- 배터리 의 내부 저항은 0.3Ω입니다.
- 스위칭 신호는 완벽한 직사각형이 아니며 약 2ms 동안 지속되는 상승 및 하강 기울기를 포함합니다.
- 전자 스위치의 크기는 온 저항이 0.2Ω, 오프 저항이 1MΩ이 되도록 조정되었습니다.
- 두 개의 인덕터(1차 및 2차)는 0.1Ω의 직렬 저항과 수 피코패럿의 병렬 커패시턴스를 갖습니다.
- 두 인덕터의 유도 결합은 이상적이지 않지만 90%로 고정되었습니다.
이러한 모든 비이상적 특성은 상당히 신뢰할 수 있는 시뮬레이션을 얻는 것을 가능하게 합니다. 회로의 첫 번째 작동 단계에서 Np는 선형적으로 충전되는 반면, 두 번째 단계에서 Np는 전압이 반전되면서 전류를 일정하게 유지하는 경향이 있습니다. 이제 2차 인덕터의 전압은 전류가 흐를 수 있도록 합니다. 커패시터는 필수적인 역할을 하며, 값이 충분히 높으면 출력 전압이 매우 일정합니다. 인덕터 권선은 정확한 규칙을 따라야 하며, 방향도 특정 기준을 충족해야 시스템이 작동하지 않습니다. 인덕터는 분극된 구성 요소이지만 이러한 경우 올바른 방향은 회로의 성공에 중요합니다. 그림 2 에 표시된 회로의 동적 신호를 주목하는 것은 흥미롭습니다 . 다음과 같습니다.
- 위에서부터 첫 번째 그래프는 전자 스위치의 구동 신호(Vpulse)를 설명합니다. 제안된 예에서 주파수는 25kHz이고 이론적으로는 직사각형 신호입니다.
- 두 번째 그래프는 2차 인덕터의 출력에서 바로 나오는 신호(Vs)를 보여줍니다. 여기에는 물론 인덕터의 존재로 인해 매우 높은 주파수가 다수 포함되어 있습니다. 이는 원치 않는 신호로, 여러 가지 기술을 사용하여 최대한 제거하거나 줄여야 합니다.
- 세 번째 그래프는 1차 인덕터(Il1)의 전류 추세를 보여줍니다.
- 네 번째 그래프는 2차 인덕터(Il2)의 전류 추세를 보여줍니다.
- 마지막으로, 다섯 번째 그래프는 컨버터의 출력 전압을 보여줍니다. 그것은 매우 안정적이고 연속적이지만 여전히 스위칭 신호의 일부 잔여물을 포함합니다. 이 사실은 출력 신호의 FFT 분석을 보여주는 아래의 스펙트로그램에 의해 확인됩니다. 스위칭 주파수(25kHz)의 기본 구성 요소 외에도 메가헤르츠 주파수까지의 더 높은 주파수의 다른 피크를 볼 수 있습니다.
표시된 예에서는 50% 또는 가변 듀티 사이클을 갖는 일반적인 온-오프 전자 스위치 구동 신호를 사용하지만, 보다 정교한 일부 장치에서는 다양한 듀티 사이클 및 전압 비율을 갖는 다소 다양한 단계로 구성된 보다 복잡한 신호를 사용합니다.
우수한 측정 장비를 사용하여 2차 인덕터의 전류 신호를 검사하면 회로의 유도성 구성 요소와 다른 기생 유도성 및 용량성 요소(PCB, 전선, 금속 부품의 기하학적 배열 등) 사이에 공진이 형성되어 고주파 발진 신호( 그림 3 참조 )가 존재한다는 것을 확인할 수 있습니다.
이 예에서 신호는 크기는 작지만 모든 의도와 목적에 따라 회로에 존재하며 주파수는 약 4MHz입니다. 이는 시스템 작동 중에 지속적으로 반복될 수 있는 상당히 사인파 신호이며, 이로 인해 추가적인 교란 주파수가 형성될 수 있습니다. 적절한 저역 통과 필터를 채택하여 이러한 주파수를 감쇠시킬 수 있습니다. 스위칭 장치에서는 기생 및 원치 않는 현상으로 인해 발생할 수 있는 고주파 사인(및 비사인) 신호가 있는 것이 매우 일반적입니다. 이러한 현상은 전기 신호 왜곡, 전자기 간섭 및 노이즈를 발생시켜 스위칭 장치의 작동과 신뢰성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 효과를 최소화하기 위해 회로 설계자는 최적화된 PCB 레이아웃, 고품질 구성 요소 선택 및 적절한 회로 절연과 같은 설계 기술을 사용합니다.
1차 인덕터의 전류는 선형적으로 증가하며 다음 관계를 통해 계산할 수 있습니다.
여기서 i p 는 1차 인덕터의 전류이고, V s 는 2차 인덕터의 전압이며, L p 는 1차 인덕터의 인덕턴스입니다.
이러한 유형의 전원 공급 장치는 구조적으로 매우 간단하고 저렴하며, 그다지 견고하지 않은 부하에 대해 매우 높은 전력이 필요하지 않을 때 종종 사용됩니다. 그러나 출력 전압은 높을 수 있습니다. 이 구성에서 사용되는 스위칭 장치는 특히 인가된 전기 전압과 관련하여 종종 극한 조건에서 작동한다는 점을 기억해야 합니다. 또한 설계자는 역분극 중에 BJT를 파괴할 수 있는 주 전원 펄스의 교란을 억제하는 데 많은 주의를 기울여야 합니다. 이러한 유형의 회로 설계는 시스템의 특정 작동 매개변수를 변경하여 얻을 수 있는 값인 전력 및 전압을 양호하게 조절할 수 있습니다.
결론
플라이백 컨버터는 기존 전원 공급 장치보다 많은 이점을 제공하는 스위칭 전원 공급 장치 유형입니다. 높은 출력 전압을 생성할 수 있는 능력으로 인해 효율적이고 안정적으로 전력을 공급할 수 있습니다. 또한 폐쇄 루프 아키텍처로 인해 조절되고 격리된 출력 전압을 제공하여 사용자와 회로를 전압 서지로부터 보호할 수 있습니다.
많은 애플리케이션에 매력적인 옵션이지만 플라이백 컨버터는 전자기 노이즈와 과부하파가 회로 성능에 미치는 영향과 같은 해결해야 할 몇 가지 과제도 제시합니다. 그러나 올바른 설계와 예방 조치를 통해 이러한 문제를 최소화하거나 해결할 수 있습니다.
플라이백 컨버터는 다양한 전자 애플리케이션에 유연하고 효율적이며 높은 사용자 정의가 가능한 솔루션을 제공하므로 장치의 성능과 안정성을 극대화하고 낮은 시스템 비용을 달성하려는 회로 설계자에게 이상적인 선택입니다.