[화요특집] SMPS의 종류 및 기술수준

전원공급장치는 크게 리니어 파워 서플라이와 스위칭모드 파워 서플라이(SMPS)로 구분된다.

기존에는 각종 전자기기에 리니어방식의 전원장치가 주로 채용됐으나 90년대 들어서면서부터는 리니어방식의 전원장치에 비해 소형화에 유리하고 효율이 높아 전자제품의 경량·소형화에 적합한 SMPS가 이를 본격적으로 대체하며 전자제품의 주력 전원공급장치로 빠르게 자리를 굳히고 있다.

SMPS는 외부로부터 공급되는 전기를 컴퓨터·컬러TV·VCR·엘리베이터·위성통신기기·교환기 등 각종 전자기기에 맞도록 변환시켜주는 모듈형의 전원공급장치로 반도체의 스위칭특성을 이용해 상용주파수 이상의 고주파에 단속제어를 행하고 충격을 완화시켜주는 역할을 한다.

SMPS는 주로 회로방식 및 입·출력 전원의 종류에 따라 구분하는데 회로방식에 따라서는 프라이백방식·하프브리지방식·풀브리지방식·푸시풀방식·셀프오실레이션방식·공진형방식 등 10여종이 나와 있다.

또한 입·출력 전원이 교류(AC)인가 직류(DC)인가에 따라서는 크게 4종류로 나누어지는데 교류를 교류로 변환해주는 AC/AC컨버터(교류변환장치)와 교류를 직류로 변환해주는 AC/DC컨버터(순변환장치·정류기라고도 함) 및 직류를 직류로 변환시키는 DC/DC컨버터(직류변환장치)와 직류를 교류로 변환시키는 DC/AC인버터(역변환장치) 등이 그것이다. 이 가운데 1백10나 2백20 및 그이상의 AC전원으로 공급되는 전기를 5~48의 DC전원으로 변환해주는 AC/DC컨버터와 이를 다시 3.3~48의 DC전원으로 변환해주는 DC/DC컨버터가 가장 많이쓰이고 있다.

SMPS의 성능을 높이기 위해 업체들이 주력하고 있는 부분은 재료로 사용되는 스위칭 트랜지스터 및 정류다이오드·트랜스포머·초크코일 등에서 발생하는 노이즈 및 전자파를 줄이는 것. SMPS는 경량화 및 소형화에는 유리하지만 노이즈와 전자파가 많이 발생, 원가절감과 노이즈 감쇄가 업계의 숙제가되고 있다.

그러나 전원분야는 고급인력들이 기피하고 있는 데다 아날로그기술이라 고급인력을 확보하기도 쉽지 않은 것이 국내 업체들의 어려움이다.

또 원가를 줄이면서도 노이즈를 없애고 소형화하기 위해서는 집적도를 높는 것이 필요한데 아직은 국내 시장이 IC를 채용할 수 있을 정도의 큰 규모를 형성하지 못해 현재는 완전한 IC를 사용하기 위한 전단계로 하이브리드IC(HIC)를 채용하는 등 차선책을 모색하고 있는 형편이다. 최근에는 SMPS를 채용하는 세트의 경박단소화가 진행되면서 더욱 작게, 그러면서도 신뢰성과 효율을 높이는 기술 및 절전효과를 높인 그린기능에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.

미국 등지에서는 벌써 PC를 사용하지 않을 때는 물론 워드프로세싱 등 CPU와 상관없는 작업을 하고 있을 때도 PC의 전력소모가 극소화되는 모드로 전환해주는 고도의 그린기술이 나와 있으며 효율을 극대화한 공진형 SMPS도 상용화되고 있다.

또한 최근 유럽에서 70W 이상급의 모든 전기·전자제품에 대해 80% 이상의역률을 유지해야만 판매할 수 있도록 규제하기 시작하면서 역률보상회로에대한 관심도 높아지기 시작했다.

국내에서도 지난해부터 일산전자 등이 노트북용 공진형 어댑터를 개발, 출시하고 있으며 워크스테이션 등 일부 고급제품에는 역률보상회로가 장착되고있다. 그러나 아직 국내에서는 역률보상회로에 대한 관심이 그리 높지 않아이에 대한 연구가 집중적으로 이루어져야 할 것으로 보인다.

*역률보상회로

SMPS는 저항과 용량성회로 및 유도성회로 등을 통해 교류(AC)전원을 직류(DC)전원으로, 또는 필요에 따라 다른 종류의 전원 및 전압으로 변환해 주는장치다.

전원이 순수저항을 통과하면 전압위상과 전류위상에 변화가 없지만 용량성회로를 통과하면 전류위상이 빨라지고 유도성회로를 통과하면 전압위상이 빨라져 전압위상과 전류위상이 달라지게 된다. 전압과 전류의 위상이 달라지면무효전력으로 사라지는 전력이 많아 결과적으로는 역률이 떨어지게 된다.

이같은 전력손실을 줄이기 위해 SMPS의 회로를 통과한 전력에 대한 피드백을 받아 필요한 만큼을 재입력해줌으로써 떨어진 역률을 보상해주는 회로가바로 역률보상회로다.

최근 유럽지역에서 70 이상의 용량을 사용하는 기기에 대해서는 80% 이상의 역률을 유지하도록 규제하기 시작하면서 이에 대한 관심이 높아지고 있다.

국내의 경우는 아직 역률에 대한 관심이 그리 높지 않은 상황이나 안정기등 일부제품에 대해서는 올해부터 65% 이상의 역률을 유지해야 형식승인을내주기 시작했으며 국내 세트업체들이 유럽에 수출을 하기 위해서는 이에 대한 관심을 높일 수밖에 없을 것으로 보인다.

최근에는 모토롤러 등 몇몇 반도체업체에서 역률보상 칩을 개발, 출시하고있으나 가격이 개당 1.70달러에 달해 아직 저가·범용제품에는 탑재하기가힘들고 워크스테이션 등 고가제품에만 일부 탑재되고 있는 상황이다.

*공진형 SMPS

SMPS의 회로방식 가운데 가장 최신기술로 꼽히고 있는 기술이 공진형(resonant) 방식이다.

기존방식의 SMPS들이 펄스폭변조(PWM)방식을 채택, 스위칭소자의 전압·전류값이 급격히 변동함에 따른 전력손실이 큰 데 비해 공진형 방식은 전압을컨트롤하는 인덕터(inductor)와 전류를 저장하는 커패시터(capacitor)를 공진시켜 급격한 변동을 막고 완만한 파형을 이루도록 함으로써 전력손실을 최소화하는 점이 특징이다.

공진형 SMPS는 주로 노트북PC용 어댑터로 사용되고 있는데 미국의 어댑터전문업체인 EOS社가 처음으로 개발, 특허를 보유하고 있으며 미국의 텔스라코연구소에서 이를 다른 형태로 개발했다.

국내 업체 가운데는 지난 93년 마이텍전자와 우양전자가 총 3억원을 투자해 공동개발에 나선 적이 있으나 이들 두 업체 모두 지난해 7월과 9월 부도를 내고 문을 닫았고 지난해 일산전자가 개발에 성공, 대우전자의 소형 노트북PC 「SOLO」에 채용되고 있다.

또한 최근 베스트기전이 텔스라코연구소로부터 기술을 도입해 개발, 신뢰성 및 EMI 등에 대한 테스트를 진행중인데 테스트가 끝나는 대로 개발비용을지원한 LG전자에 공급하는 한편 해외시장에도 수출할 계획이다.

이들 업체가 개발한 공진형 SMPS는 크기가 기존 노트북용 어댑터의 절반정도에 불과해 소형화가 지속되고 있는 노트북용으로 채용이 크게 늘어날 전망이다.

〈김순기기자〉