"우리는 이미 MOSFET을 두 번 교체했습니다. 왜 여전히 작동하지 않습니까?"
유럽의 산업용 전원 공급 장치 제조업체인 당사 고객의 첫 번째 문장은 다음과 같습니다.
엔지니어링 팀은 새로 개발된 600W 스위칭 전원 공급 장치의 문제를 해결하는 데 몇 주를 보냈습니다. 모든 반도체를 점검했습니다. PCB 레이아웃이 수정되었습니다. 열 관리가 적절해 보였습니다. 그러나 장기-테스트 중에 일부 제품이 계속해서 실패했습니다.
여러 개의 고장난 장치가 우리 연구실에 도착했을 때 원인은 많은 엔지니어가 변압기를 간과한-것으로 밝혀졌습니다.
변압기는 "고장"되지 않았습니다. 이는 애플리케이션의 스위칭 주파수와 작동 조건에 맞게 적절하게 설계되지 않았습니다. 과도한 누설 인덕턴스는 전압 스파이크와 추가 열을 발생시키고 장애가 불가피해질 때까지 스위칭 장치에 점차적으로 스트레스를 가했습니다.
우리는 지난 몇 년간 Wuxi Huipu Electronics Co., Ltd.에서 비슷한 상황을 여러 번 보아왔습니다.
사람들은 종종 변압기를 PCB에 조용히 자리잡은 또 하나의 자기 부품으로 생각합니다. 실제로 전체 스위칭 전원 공급 장치에서 가장 영향력 있는 구성 요소 중 하나입니다. 이는 효율성, 전기 절연, 열 동작, EMI 성능 및 궁극적으로 제품 신뢰성을 결정합니다.
스위칭 전원 공급 장치 변압기의 작동 방식을 이해하는 것은 유용할 뿐만 아니라-필수적입니다.
기존 변압기가 최신 전원 공급 장치 요구 사항을 충족할 수 없는 이유
스위치-모드 전원 공급 장치 설계에 입문하는 많은 엔지니어들이 같은 질문을 합니다.
"변압기가 100년 이상 존재했다면 왜 다른 유형이 필요합니까?"
답은 빈도에 있습니다.
기존 변압기는 50Hz 또는 60Hz의 주전원 주파수에서 직접 작동합니다. 이러한 저주파에서 충분한 에너지를 전달하려면 대형 적층 강철 코어와 많은 권선 회전이 필요합니다. 결과는 친숙합니다. 변압기는 무겁고 부피가 크며 오늘날의 소형 전자 장비에 비해 상대적으로 비효율적입니다.
현대 전자 장치는 뭔가 다른 것을 요구합니다.
서버, 통신 장비, 산업 자동화 시스템, 의료 장비, 가전제품 내부의 전원 공급 장치는 더 적은 공간을 차지하면서 더 많은 전력을 공급해야 합니다. 이를 달성하는 것은 작동 주파수를 수십 헤르츠에서 수십 또는 수백 킬로헤르츠로 증가시킴으로써만 가능합니다.
이것이 바로 스위칭 전원 공급 장치 변압기가 들어오는 곳입니다.
그렇다면 스위칭 전원 공급 장치 변압기의 역할은 정확히 무엇입니까?
대중적인 믿음과는 달리, 이 장치의 역할은 단순히 "전압을 높이거나 낮추는 것"이 아닙니다.
SMPS 내부에서 변압기는 여러 작업을 동시에 수행합니다.
첫째, 1차 회로와 2차 회로 사이에 에너지를 전달합니다.
둘째, 갈바닉 절연을 제공하여 장비와 사용자를 모두 보호합니다.
셋째, 권선비에 따라 전압을 조정한다.
아마도 가장 중요한 것은 스위칭 회로와 함께 작동하여 높은 변환 효율을 달성한다는 것입니다.
변압기는 고주파에서 작동하기 때문에 엔지니어는 전력 출력을 유지하거나 증가시키면서 자기 코어의 크기를 크게 줄일 수 있습니다.
그렇기 때문에 최신 노트북 충전기는 무게가 수 킬로그램 나가는 기존 데스크탑 변압기보다 더 많은 전력을 공급하면서도 주머니에 편안하게 들어갈 수 있습니다.
작동 원리는 많은 사람들이 생각하는 것보다 간단합니다
스위칭 전원 공급 장치는 복잡해 보이지만 변압기의 역할은 논리적 순서를 따릅니다.
들어오는 AC 전원은 먼저 DC로 변환됩니다.
전자 스위칭 장치는 이 DC 전압을{0}}1초에 수만 번 빠르게 켜고 끕니다.
변압기는 느린 사인파를 수신하는 대신 고주파수 펄스 스트림을 수신합니다.-
이러한 펄스는 페라이트 코어 내부에 변화하는 자기장을 생성합니다.
자기장은 2차 권선에 전압을 유도하며, 여기서 에너지는 정류되고 안정적인 DC 출력으로 필터링됩니다.
모든 일이 엄청나게 빠르게 일어납니다.
시스템을 효율적으로 만드는 것은 마법이 아닙니다.{0}}단순히 고주파 스위칭과 세심하게 설계된 자기 구성 요소의 조합입니다.-
모든 스위칭 변압기가 동일한 것은 아닙니다
우리가 가끔 보는 실수 중 하나는 고주파 변압기가 다른 고주파 변압기를 대체할 수 있다고 가정하는 것입니다.-
실제로 변압기 설계는 항상 전원 공급 장치 토폴로지를 따릅니다.
플라이백 변압기는 간단하고 경제적이기 때문에 인기가 높습니다. 이는 휴대폰 충전기, 어댑터, LED 드라이버 및 수많은 소비자 제품에 나타납니다.
순방향 변압기는 더 높은 효율과 지속적인 전력 공급이 필요한 산업 장비에 선택되는 경우가 많습니다.
푸시-, 하프-브리지, 풀{2}}브리지 변압기는 통신 전원 시스템, 재생 에너지 장비, 산업용 전원 공급 장치와 같은 고전력 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있습니다.{3}}
잘못된 변압기 토폴로지를 선택하면 PCB 최적화를 아무리 많이 해도 나중에 해결할 수 없는 문제가 발생하는 경우가 많습니다.
핵심 자료는 많은 사람들이 인식하는 것보다 더 중요합니다
고객이 우리 생산 작업장을 방문할 때마다 일반적으로 구리 권선을 가장 먼저 발견합니다.
그러나 숙련된 엔지니어들은 페라이트 코어에 주의를 기울이는 경우가 많습니다.
자기 코어가 효율성을 크게 결정하기 때문입니다.
실리콘 강철 적층을 사용하는 기존 변압기와 달리 스위칭 변압기는 페라이트가 고주파수에서 매우 잘 작동하기 때문에 거의 항상 페라이트 재료를 사용합니다.
올바른 페라이트 등급을 선택하는 것은 단순히 데이터시트를 읽는 문제가 아닙니다.
동작 주파수, 전력 레벨, 온도 상승, 자속 밀도, 철손 등을 모두 함께 고려해야 합니다.
두 변압기는 페라이트 재료가 다르게 선택되었기 때문에 실제 작동 조건에서는 매우 다르게 작동하지만 외부에서는 동일하게 보일 수 있습니다.
좋은 변압기가 때때로 실패하는 이유
이것은 고객이 우리에게 가장 자주 묻는 질문 중 하나입니다.
우리의 경험에 따르면 변압기 고장은 구리선 불량이나 페라이트 코어 결함으로 인해 발생하는 경우가 거의 없습니다.
대부분의 실패는 설계 초기에-발생합니다.
우리는 권선 배열로 인해 불필요한 AC 저항이 발생하여 과도한 발열을 겪는 변압기를 조사했습니다.
우리는 부적절한 연면 거리로 인해 절연 실패가 발생하는 것을 목격했습니다.
또한 개발 과정에서 누설 인덕턴스가 무시되었기 때문에 심각한 전자기 간섭을 발생시키는 변압기를 접한 적도 있습니다.
거의 모든 경우에 변압기는 설계상 허용된 작업을 정확하게 수행했습니다.
문제는 디자인이 애플리케이션의 운영 환경과 완전히 일치하지 않는다는 것이었습니다.
올바른 변압기를 선택하는 것은 전력 등급을 일치시키는 것 이상입니다
일반적인 구매 실수는 전력량만 사용하여 변압기를 비교하는 것입니다.
서로 다른 두 제조업체의 150W 변압기는 매우 다르게 작동할 수 있습니다.
고객이 맞춤형 변환기를 개발하도록 도울 때 일반적으로 다음과 같은 질문에 대해 논의하는 것으로 시작합니다.
전원 공급 장치는 어떤 스위칭 주파수를 사용합니까?
얼마나 많은 절연 전압이 필요합니까?
장비는 어떤 주변 온도에서 작동합니까?
EMI가 중요한 설계 문제입니까?
PCB에 얼마나 많은 설치 공간을 사용할 수 있습니까?
전체 애플리케이션을 이해한 후에만 자기 설계 최적화를 시작합니다.
이러한 엔지니어링-첫 번째 접근 방식은 나중에 비용이 많이 드는 재설계를 방지하는 경우가 많습니다.
제조 일관성은 디자인만큼 중요합니다.
잘 설계된 변압기라도 제조 품질이 일관되지 않으면 여전히 불안정해질 수 있습니다.{0}}
Wuxi Huipu Electronics Co., Ltd.에서는 모든 변압기가 여러 생산 및 검사 단계를 거칩니다.
페라이트 코어는 조립 전에 검사됩니다.
자동 와인딩 장비는 와인딩 일관성을 유지합니다.
절연재는 국제 안전 요구 사항에 따라 선택됩니다.
각 생산 배치는 선적 전 권선비 검증, 인덕턴스 측정, Hi-Pot 테스트 및 기능 검사를 포함한 전기 테스트를 거칩니다.
많은 OEM 고객에게 생산 배치 간의 일관성은 변압기 성능 자체만큼이나 중요합니다.
더 많은 장비 제조업체가 맞춤형 자기 솔루션으로 전환하는 이유
전원 공급 장치가 더 작아지고 효율성이 높아지면서 표준 카탈로그 변압기로는 항상 충분하지 않습니다.
점점 더 많은 장비 제조업체에서 자체 회로 설계에 맞는 변압기를 요구하고 있습니다.
맞춤형 자기 부품을 사용하면 EMI 감소, 효율성 향상, 작동 온도 감소, PCB 레이아웃 단순화, 제조 비용 최적화가 동시에 가능합니다.
이제 많은 엔지니어들은 전원 공급 장치를 표준 변압기에 맞추는 대신 전원 공급 장치에 맞게 변압기를 최적화합니다.
생각의 작은 변화는 종종 가장 큰 개선을 가져옵니다.
스위칭 전원 공급 장치 변압기는 전압 변환 장치 그 이상입니다.
이는 전원 공급 장치가 수년간 안정적으로 작동할지 아니면 또 다른 비용이 많이 드는 재설계가 될지를 결정하는 핵심 구성 요소 중 하나입니다.{0}}
변압기 설계를 이해한다는 것은 자성 재료, 권선 기술, 스위칭 토폴로지, 열 관리 및 제조 품질을 하나의 완전한 시스템으로 이해하는 것을 의미합니다.
Wuxi Huipu Electronics Co., Ltd.에서는 단순히 카탈로그 사양을 충족하는 것이 아니라 실제 엔지니어링 과제를 해결하는 맞춤형 스위칭 전원 공급 장치 변압기를 개발하기 위해 전원 공급 장치 제조업체, 산업 장비 제조업체 및 전자 회사와 협력하여 수년을 보냈습니다.
현대 전력 전자 장치에서 안정적인 변압기는 PCB의 가장 저렴한 구성 요소가 아니기 때문입니다.
이것이 전체 제품이 성공하는 이유인 경우가 많습니다.