SMPS 동작 원리에 대한 개념적 접근 총정리

SMPS(Switching Mode Power Supply)는 스위칭 모드 전원 공급기의 약어로서 많이 언급되는 말입니다. 이 말은 실생활에서 SMPS가 널리 사용된다는 의미와 일맥상통합니다.

실제로 SMPS는 TV나 모니터, 휴대폰 충전기, 초고속 인터넷 모뎀, 셋톱박스 등 직류 전원(DC)을 이용하는 대부분의 기기에서 전원장치로 이용됩니다.

따라서 기기가 고장 나서 잘 동작하지 않을 때 첫번째로 점검해 봐야 할 곳이 SMPS이기도 합니다. 이를 위해서는 SMPS의 동작 원리에 대한 이해가 필수적입니다.

그런데 중요한 것은 세부적인 것을 알기 전에 전체적인 이해가 필요하다는 것입니다. 산 정상에서 산을 굽어보지 않고 나무만 보다가 전체를 보지 못하는 것과 같은 이치입니다.

이런 의미에서 SMPS의 동작 원리를 블록 다이어그램 형태로 이해하면 좋습니다.

다음 그림을 보시기 바랍니다.

위 그림에 보면 1차단(Primary)과 2차단(Secondary)로 나뉘어져 있습니다. 이와 같이 나누는 이유는 코일과 포토 커플러라는 부품을 통해 1차단과 2차단이 간접 연결되어 있기 때문입니다.  또한 1차단에는 300V 수준의 전압이 걸리므로 감전에 유의해야 하나 2차단은 코일에 의해 전압이 떨어져 통상 12V 이하로 유지되는 특성이 있습니다.

AC 전원이 입력되면 EMI Component(전자기파 필터)에서 불필요한 노이즈(Noise)가 제거 됩니다. 전원선을 통해 입력되는 외부의 노이즈 및 1차단 자체에서 발생되는 노이즈가 그것입니다.

Input Rectifier And Filter(1차단 정류 및 평활회로)에서는 교류 전원을 브릿지 다이오드(Bridge Diode)를 통해 직류 형태로 만들며, 여기에 대용량 콘덴서를 이용하여 이를 완벽한 직류로 만듭니다.

Energy Transfer(에너지 전달) 단의 주요한 부품은 코일입니다. PWM Control Circuit의 핵심 부품은 Power MOS FET로 코일에 공급되는 전원을 끊었다가 연결했다가를 반복하는 스위칭 역할을 합니다. 이것 때문에 Switching Mode라는 말이 생긴 것입니다. 이런 과정을 통해 전달된 전기 에너지가 코일을 통해 2차단으로 전송되며 이를 통해 12V, 5V, 3.3V, 2.5V 등의 필요한 전압을 만듭니다.

그런데 2차단의 전압은 연결된 부하의 변동에 따라서 변화될 수 있습니다. 이에 따른 전압의 불균형을 해소하고자 Signal Collection과 Photo Coupler Isolation 단을 통해 2차단의 전압 변동 수준이 1차단으로 전달됩니다.

이 피드백(Feed Back) 신호를 참고하여 1차단의 Power MOS FET가 스위칭 수준을 변경하여 2차단의 전압을 일정하게 만드는 것입니다.

이러한 SMPS의 개념적 원리를 이해하고 세부적인 회로를 보시면 훨씬 이해하기 쉬울 것입니다.

기타 궁금한 사항이 있으면 문의 주시기 바랍니다. 감사합니다.