전력 관리

전원공급장치

전원공급장치는 부하에 전기를 제공하는 전기 장치입니다. 넓게는 전자 시스템을 작동할 때 필요한 발전 및 조정 전압 제어를 말합니다. 전원공급장치의 주요 기능은 전원의 전류를 올바른 전압, 전류, 주파수로 변환하여 부하에 전력을 공급하는 것입니다. 전원공급장치의 요소에는 스위칭 레귤레이터, 선형 전압 레귤레이터, 스위치 커패시터 전압 컨버터, DC-DC 컨버터, AC-DC 솔루션, PMIC 전원 관리 IC, 배터리 관리, 이더넷 전원 장치(PoE), 전압 레퍼런스와 같은 IC 구성 요소가 포함될 수 있습니다.

일부 전원공급장치는 독립 실행형 유닛으로 제공되지만, 전원을 공급하는 부하 기기에 통합되어 제공되는 경우도 있습니다. 전원공급장치는 높은 안정성과 안전 보호가 필요합니다. 전원공급장치는 소비자 가전에서 산업용 유틸리티, 밀리와트에서 메가와트, 휴대용 도구에서 위성 통신에 이르기까지 광범위하게 사용됩니다. 산업용 전원공급장치의 용량은 몇 와트에서 킬로와트 단위에 이르며, 대류 냉각/팬 없음, 견고성, 컨포멀 코팅, 혹독한 환경의 IP 등급 등 복잡한 기준을 충족하도록 제작될 수 있습니다.

전원공급장치는 부하가 끌어 가는 전류를 안전한 수준으로 제한하며, 전기 결함이 발생할 경우 전류를 차단할 수 있습니다. 전원공급장치는 전력을 조정하여 전자 노이즈를 방지하거나 입력 측의 전압 서지가 부하에 도달하지 못하게 할 수 있습니다. 역률을 개선하고 에너지를 저장하여 전원이 일시적으로 중단될 경우 부하에 계속 전력을 공급할 수 있습니다. 많은 전자 장치에는 다양한 DC 전압 수준이 필요하기 때문에 개발자는 반드시 기존의 전원 전위를 부하가 지정하는 전압으로 변환하는 방법을 개발해야 합니다. 전압 변환은 반드시 유연하고 효율적이며 안정적이어야 합니다.

스위치 모드 전원공급장치는 여러 전류 애플리케이션이 요구하는 다양한 수준의 DC 출력 전력 공급에 널리 활용되며, 효율성이 높고 안정적인 DC-DC 전력 변환 시스템을 생산하는 데 중요합니다. 벅, 부스트, 벅-부스트, 인버팅, 분할 레일은 가장 많이 사용되는 장치 중 일부입니다.

이더넷 전원 장치는 IP 전화, 무선 LAN 액세스 포인트, 보안 네트워크 카메라, 기타 IP 기반 단말기와 같은 네트워크 장치가 별도의 전원공급장치 없이 기존의 CAT-5 이더넷 인프라를 통해 데이터와 병렬로 전력을 받을 수 있게 하는 널리 사용되는 기술입니다. 이 기술은 AC 전원 프로세싱과 관련된 복잡성과 리스크를 모두 최소화합니다. 최근 업데이트된 PoE 표준은 IEEE 802.3at 표준으로, 흔히 PoE+라고 합니다. 이 장치는 포트당 30와트의 최대 출력을 전달합니다.

무선 충전 기능은 휴대전화, 코드리스 가전, 기타 웨어러블 전자 기기를 케이블 없이 충전하게 해 줍니다. 무선 충전 시스템은 다양한 애플리케이션 니즈에 맞게 맞춤 제작할 수 있는 송신기 및 수신기 칩 세트로 구성되며, 무선 전력 위원회(Wireless Power Consortium, WPC)의 Qi를 포함한 주요 무선 충전 표준을 준수합니다. 배터리로 구동되는 장치 내의 배터리는 간단히 무선 전력 송신기나 인증된 충전 장치 가까이에 제품을 두는 것만으로 무선 충전기를 이용해 충전할 수 있습니다. 유도 전압에 관해 잘 알려진 패러데이의 법칙(Faraday's law)이 무선 충전에 이용되는 기본 개념입니다.

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AC – DC

입력 전력은 교류(AC) 또는 직류(DC)일 수 있습니다. AC 전류는 주기적으로 전류의 방향을 바꾸는 반면, DC는 전류가 하나의 고정된 방향으로 흐르는 경우입니다. 전기 장치용으로는 DC가 선호됩니다. AC-DC 컨버터는 입력이 AC 전압(50Hz/60Hz 사인파)이고 이것을 DC 출력으로 변환해야 하는 많은 실제 애플리케이션에서 사용되기 때문에 전력 전자공학에서 가장 중요합니다.

AC-DC 컨버터는 출력 단자가 여러 개일 수 있으며, 과전류, 과전압, 단락 보호 등의 기능을 갖습니다. 공급되는 AC를 순수한 DC로 변환하기 위해, 전형적인 AC-DC 컨버터는 네 가지 주요 단계를 거칩니다. 네 가지 단계는 공급 전압 강압, 사인파 교정, 리플 최소화를 위한 파형 평탄화, 최종 출력 DC를 만들기 위한 전압 조정입니다.

교류를 직류로 변환하는 과정을 정류라고 합니다. 정류기는 다이오드와 같이 한 방향으로만 전류가 흐르는 반도체 장치를 사용하여 제작됩니다. 사이리스터는 더 발전된 반도체 정류기입니다. 정류기는 공급 형태, 브리지 구성, 사용되는 부품과 같은 요소를 기준으로 분류됩니다. 사용되는 다이오드 수에 따라 단상 및 삼상으로 분류될 수 있습니다. 반파장, 전파장, 브리지 정류기로 구분될 수 있으며, 또한 제어형과 무제어형으로 나눌 수도 있습니다. 무제어형 정류기는 주어진 AC 공급에 대해 고정된 DC 출력 전압을 공급합니다. 제어형 정류기는 사이리스터와 다이오드를 이용하며, 기기가 켜지는 단계를 제어함으로써 조절 가능한 DC 출력 전압을 제공합니다.

AC-DC 변환은 선형 또는 스위칭 토폴로지를 사용하여 할 수 있습니다. 선형 AC-DC 컨버터는 간편하고 저렴하지만, 부피가 크고 효율성이 낮습니다. 초과 전력이 열로 변환되어 온도에 민감한 일부 애플리케이션에 단점이 될 수 있지만, 노이즈가 낮다는 장점이 있습니다. 스위칭 타입 AC-DC 컨버터는 스위치 모드 전력 전환 기법을 사용하며, 이 컨버터는 선형 컨버터보다 더 복잡합니다. 더 복잡한 토폴로지를 활용하는 이유는 효율을 높이고 노이즈를 줄이거나 더 우수한 전력 제어 기능을 이용하기 위해서입니다.

높은 에너지 효율을 위해 AC/DC 컨버터는 종종 탁월한 스위칭 성능을 요구합니다. 이는 실리콘 카바이드(SiC), MOSFET과 같은 첨단 기법 및 기술을 사용하여 달성할 수 있습니다. 왜곡을 완화하고 역률을 높이기 위해 일부 스위치 컨버터에는 능동형 또는 수동형 역률 교정이 포함됩니다. 스위칭 레귤레이터는 완전 켜짐과 완전 꺼짐 상태를 상당히 빨리 전환하여 에너지 낭비를 최소화합니다. 스위칭 컨버터는 선형 컨버터에 비해 효율적이고 작고 가볍지만, 더 복잡합니다. 적절하게 억제되지 않을 경우 전기 노이즈 문제가 발생할 수 있으며, 또한 단순하게 설계하면 역률이 낮을 수 있습니다.

AC-DC 컨버터 전원공급장치는 다양한 패키지 형태로 제공되며, PCB 장착, 랙 장착, DIN 레일, 외장형과 같은 다양한 옵션과 함께 밀폐형 유닛 형태, 또는 오픈 프레임 형태가 될 수도 있으며, 또한 피크 전력 용량을 기준으로 제공되거나 단순한 정전류 제어 방식일 수 있습니다.

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DC – DC

DC-DC 컨버터는 직류(DC) 전압을 다양한 DC 전압 수준으로 변환하는 전원공급장치입니다. 다양한 회로 부품에 전력을 공급하기 위해 다양한 전압이 필요한 거의 모든 전자 회로에서 대단히 중요한 요소입니다. DC-DC 컨버터에 입력되는 조정되지 않은 DC 전압은 조정된 DC 출력 전압으로 변환됩니다.

이 컨버터는 반드시 일정한 애플리케이션이 요구하는 입력 전압 범위, 출력 전압 범위, 최대 출력 전류 등 정해진 DC 파라미터 내에서 작동합니다. 효율성, 출력 리플, 부하 제어, 과도 응답, 온도 등급, 크기, 무게 등은 고려해야 할 추가적인 성능 특성입니다. 효율과 노이즈에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 스위칭 주파수입니다. 스위칭 주파수를 높이면 외부 부품의 크기를 줄이고 피크 전류를 낮추며 I2R 손실을 감소시킬 수 있지만, 코어 손실, 게이트 충전 전류, 스위칭 손실이 증가합니다.

DC-DC 컨버터는 선형 및 스위칭 타입의 두 종류로 분류할 수 있습니다. 선형 DC/DC 컨버터가 저항 전압 강하를 통해 일정한 출력 전압을 생성하고 조정하는 반면, 스위칭 모드 컨버터는 입력 에너지를 주기적으로 저장한 후 출력 단자에 가변 전압으로 내보내는 방식으로 변환합니다. 저장은 자기장 부품(인덕터, 변압기) 또는 전기장 부품(커패시터)에 할 수 있습니다. 이 변환 방식은 전압 수준을 높이거나 낮출 수 있습니다. 선형 레귤레이터는 노이즈가 더 낮고 대역폭이 더 높습니다.

스위칭 모드 DC-DC 컨버터는 절연 컨버터와 비절연 컨버터로 분류됩니다. 절연 컨버터는 변압기 및 옵토-커플러의 도움을 받아 입력-출력 절연 장벽을 제공합니다. 이를 통해 출력 전압을 플로팅 상태로 만들고 시스템 0V에 대해 양극 또는 음극으로 사용할 수 있습니다. 절연 컨버터는 접지 루프를 분리하는 데 유용하며, 그 결과 노이즈에 민감한 회로 부분을 분리하는 데 유용합니다. 안전 요건은 절연 DC-DC 전력 컨버터를 사용하는 흔한 이유입니다. 절연을 통해 입력 측의 위험 전압에서 출력을 분리하고, 감전 또는 단락되지 않게 합니다. 고속 및 고전력 애플리케이션은 절연 DC/DC 컨버터를 사용합니다.

전압 변동이 최소일 때에는 비절연 컨버터가 사용됩니다. 이 회로에서 입력 및 출력 단자는 하나의 접지를 공유합니다. 폐쇄 피드백 루프는 다양한 입력 전압 및 출력 부하에서 정전압 출력을 유지하는 데 사용됩니다.

레귤레이터라고도 하는 스위칭 DC/DC 컨버터는 전원 스위치, 인덕터, 다이오드, 커패시터를 사용하여 입력에서 출력으로 에너지를 전달하는 회로입니다. 이것은 다양한 방식으로 조합되어 벅, 부스트, 또는 벅-부스트 등을 생산할 수 있습니다. 벅 컨버터는 입력 전압보다 낮은 출력 전압을 생성하며, '강압' 컨버터라고도 합니다. 부스트 컨버터 토폴로지는 입력 전압보다 높은 전압을 생성하며, 승압 컨버터라고도 합니다. 벅-부스트 컨버터는 벅과 부스트 회로를 결합한 것으로, 컨버터 출력 전압은 입력 전압보다 높을 수도 있고 낮을 수도 있습니다.

크기가 작은 전력 용량이 높은 스위칭 컨버터는 전원공급장치, 에너지 저장 시스템, 에너지 전송 시스템, 전기 자동차, 선박 및 기차 추진 시스템, 재생 에너지 애플리케이션, DC 모터 드라이브 등 광범위한 응용 분야에 사용됩니다.

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충전

그리드에서 나오는 전력은 항상 교류(AC)입니다. 휴대전화와 전기차 같은 이동형 전자 장비를 충전할 때 전기는 AC에서 직류(DC)로 변환됩니다. 충전 시스템은 연결되어 있는 동안 배터리를 충전하고 전기 시스템을 작동하기 위해 정주파수, 정전압 공급망 네트워크의 에너지를 직류로 전달하는 장치입니다.

배터리 구동 시스템에서 충전 회로의 품질은 배터리의 수명과 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 좋은 배터리 충전기는 용량을 늘리고 배터리 수명을 연장하며 충전 프로세스를 추적합니다. 휴대형 전력 변환 문제를 해결하려면 많은 배터리 화학 물질을 지원하는 광범위한 배터리 관리 솔루션이 필요합니다. 배터리 충전 관리 컨트롤러는 신뢰할 수 있고 비용이 낮은 초정밀 전압 조정 시스템으로 외부 부품이 거의 필요 없으므로, 크기가 더 작고 비용이 더 낮으며 더 정교한 설계가 가능합니다.

이동형 애플리케이션은 배터리 수명을 유지하기 위해 변환 효율이 높고 대기 전력 소모가 낮아야 합니다. 배터리 이용 시 전력 수준을 일관되게 유지하려면 다중 셀 배터리 팩의 경우 강압(벅) 변환이 필요할 수 있으며, 이와 달리 단일 셀 배터리는 승압(부스트) 변환이 필요할 수 있습니다. 배터리 충전에는 정전류 또는 정전압 조정이 필요합니다. 이러한 배터리 충전 장치에는 배터리 프리컨디셔닝, 프로그램 가능 충전 전류, 충전 종료 기준점, 경과 타이머 등의 기능이 포함되며, 연료 용량을 극대화하고 충전 시간은 최소화하는 동시에, 이동형 애플리케이션에 적합한 부품 수가 적으며 공간을 작게 차지하는 회로를 통해 배터리 수명을 유지합니다.

충전은 전도/유선 충전, 유도/무선 충전, 또는 배터리 교체(교환) 방식으로 할 수 있습니다. 전도/유선 기법을 사용하는 충전 시스템은 커넥터와 충전 인렛을 직접 연결합니다. 일반 전기 소켓 또는 충전 스테이션이 코드에 전력을 공급할 수 있습니다. 비용이 상당히 낮고 효율이 높다는 점에서 전도성 충전 방식이 선호됩니다.

유도/무선 충전은 전자기장을 사용하여 두 물체 사이에 에너지를 전달합니다. 이러한 충전은 일반적으로 충전 스테이션의 지원이 필요합니다. 에너지는 유도 커플링을 통해 전기 장치로 전달되며, 그런 다음 이 에너지를 사용해 배터리를 충전하거나 장치를 구동합니다. 유도 충전기는 충전 시스템 내의 유도 코일을 사용하여 교류 전자기장을 생성하고 휴대용 기기의 2차 유도 코일은 전자기장의 전력을 다시 전류로 변환하여 배터리를 충전합니다.

전기차(EV)는 직렬로 확장된 배터리 스트링으로 구성된 거대한 배터리 뱅크로 구동됩니다. 배터리 팩은 차량의 주된 동력원 역할을 하는 개별 배터리의 모음입니다. EV 충전기는 EV 배터리를 충전하는 속도에 의해 차별화됩니다. 이러한 배터리를 최적의 상태로 안전하게 사용하려면 BMS가 필요합니다. BMS에는 배터리 모니터 및 제어 전력 저장 시스템이 포함되어 배터리 셀의 수명을 유지하면서 차량 시스템에 전력을 공급합니다. 고전압 전원을 연결하여 차량 내 배터리를 충전하는 고전압 충전기 커넥터와 함께 제공됩니다.

여러 종류의 충전 커넥터, 전력 관리 모듈, 전력 IC, 충전 컨트롤러가 있으며, 광범위한 응용 분야의 전도 및 유도 충전 방식에 사용될 수 있습니다.

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배터리 관리

충전식 배터리 산업은 배터리로 구동되는 휴대용 장치, 전기 차량, 에너지 저장, 산업용 애플리케이션이 증가하면서 성장했습니다. 다양한 배터리 화학 물질에는 납산, 니켈 카드뮴, 니켈 금속 수소화물, 리튬 이온이 포함되며, 이러한 물질은 표준을 충족하기 위해 매우 정확한 충전 전류 및 출력 전압이 필요합니다. 배터리 팩에서 이러한 셀의 수명을 유지하고 필요한 전력을 전달하려면 배터리 관리 시스템(BMS)이 필요합니다. 배터리 관리 포트폴리오에는 배터리 인증 IC, 배터리 충전기 IC, 배터리 잔량 게이지 IC, 배터리 보호기 IC, 배터리 수퍼바이저 및 모니터 IC가 포함되며, 광범위한 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.

BMS는 충전, 방전 제어를 관리하고, 셀 보호, 셀 모니터링 및 밸런싱, 배터리 수명 계산, 환경 제어 등 기타 고급 기능을 제공합니다. BMS의 주된 기능은 배터리를 보호하고 배터리의 안전 한계를 초과하는 모든 작동을 방지하는 것입니다. BMS는 차단 FET, 배터리 잔량 모니터, 셀 전압 모니터, 셀 전압 밸런스, 실시간 클럭, 온도 모니터, 상태 기계와 같은 기능 블록을 갖습니다.

여러 형태의 배터리 관리 IC 회로가 제공됩니다. 기능적 구성요소들은 시스템에 밸런싱 및 모니터링을 제공하는 간단한 아날로그 프런트 엔드(AFE)부터 액티브 컨트롤러가 필요한 시스템(즉, 자율적으로 작동하는 고도로 통합된 시스템)에 이르기까지 다양한 방식으로 구성됩니다. BMS에 사용되는 마이크로컨트롤러는 실시간으로 셀 전압과 전류를 측정하고 그에 따라 MOSFET를 전환합니다.

하드웨어 구조 측면에서, 중앙집중형, 분산형, 모듈형 아키텍처는 BMS에서 구현되는 세 가지 형태의 토폴로지입니다. 몇 가지 센서가 배터리 팩에 설치되어 모니터링 계층에서 데이터를 수집합니다. 실시간으로 수집한 데이터는 시스템의 안정성을 보장하고 배터리 상태를 평가하는 데 활용됩니다.

셀 보호에는 셀 전압, 온도, 전류에 관한 데이터 수집이 포함됩니다. 데이터 분석은 배터리 팩의 잔존용량(SoC) 및 성능상태(SoH)를 판단합니다. 이를 통해 외부 부품을 제어하여 제조업체가 권장한 조건 내에서 셀을 유지하고(예: 팬, 히터), 부품을 제어하여 셀 고장이 발생할 경우 배터리 팩을 분리할 수 있습니다(접촉기).

셀 밸런싱은 배터리 수명을 연장하기 위해 배터리 팩 안의 모든 셀에 대한 충전을 균일하게 하여 더 약한 셀을 보상하는 방법입니다. 수동 셀 밸런싱과 능동 셀 밸런싱이라는 두 가지 방식의 셀 밸런싱이 자주 사용됩니다. 수동 셀 밸런싱의 경우 초과 전압을 방전하고 다른 셀과 균등하게 만드는 데 바이패스 저항기가 사용됩니다. 능동 셀 밸런싱의 경우 하나의 셀이 초과 충전되는 경우 충전 수준이 낮은 다른 셀로 전기를 이동시킵니다. 이 장치는 충전 저장 커패시터와 인덕터를 사용합니다.

전기차는 직렬로 연결된 긴 배터리 열로 구성된 거대한 배터리 뱅크로 구동됩니다. 이러한 배터리를 최적의 상태로 안전하게 사용하려면 전력 저장 시스템을 모니터링하고 제어하는 기능을 갖추고 배터리 셀의 성능을 보장하며 차량 시스템에 전력을 공급하는 BMS를 사용해야 합니다.

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회로 보호

회로 보호는 회로 내에서 과도하거나 안전하지 않은 전력 부하(과전류 또는 과전압 상태)가 감지되면 전기 회로를 중단시키는 페일 세이프(fail-safe) 장치를 의도적으로 사용하는 것을 말합니다. 과부하 상태란 장비가 정상적인 정격 전부하 이상으로 또는 정격 용량을 초과하여 작동하는 상태를 말합니다. 단락 전류(고장 전류)는 주로 전도체 절연 고장으로 인해 비정상적으로 높은 전류가 흐를 때 발생합니다.

퓨즈는 전류 흐름이 너무 높을 때 쉽게 녹아 회로를 차단하는 와이어를 이용해 설계한 전류에 민감한 장치입니다. 퓨즈의 종류에는 리셋 가능 퓨즈, 카트리지 퓨즈, 고차단용량 퓨즈 등이 있습니다.

퓨즈는 회로 보호 장치로, 매우 다양한 선택할 수 있습니다. 이 제품군은 다양한 형태의 회로 보호 기기와 관련 제품으로 구성됩니다. 퓨즈, 퓨즈 클립, 퓨즈 홀더, 퓨즈 블록, 회로 차단기, 정온도 계수(PTC) 리셋 가능 기기는 과전류 제품의 예입니다. 금속 산화물 배리스터(MOV), 개별 과도 전압 억제 다이오드(TVS 다이오드), 사이리스터, 정전기 방전 억제기(ESD), 가스 방전관(GDT)이 과전압 제품의 예입니다.

제너 다이오드는 가장 일반적으로 사용되는 회로 보호 장치 중 하나입니다. 순방향 바이어스 모드에서 사용되는 경우, 다른 실리콘 다이오드처럼 약 0.6V로 전압을 클램핑합니다. 그러나 역방향 바이어스 모드에서 사용되는 경우에는 전압을 특정 값으로 클램핑합니다.

배리스터는 과도 전압 급등으로부터 회로를 보호하는 데 사용되는, 전압에 민감한 기기입니다. 다층 배리스터(MLV)는 주로 세라믹 다층 구조의 표면 장착 기기로, 정전기 방전(ESD), 유도 부하, 스위칭, 낙뢰 서지 과도 전압으로 인해 발생하는 과도 전압으로부터 소형 전자 기기의 회로 기판을 보호하기 위한 것입니다. MOV는 에폭시로 둘러싸인 산화아연 디스크이며 방사형 또는 축 방향 리드가 있을 수 있습니다. MOV는 소형 기계, 전원공급장치, 부품을 보호하기 위해 사용되는 미드레인지 장치입니다.

과도 서지란 전력 흐름의 갑작스러운(1밀리초 미만) 상승을 말합니다. 과도 서지는 많은 소스에서 발생하며, 가장 흔한 경우는 부하 스위칭, 심지어 정상적인 장비 작동과 같은 내부적인 것입니다. 이러한 과도 현상으로 전자 장비가 손상, 저하, 파괴될 수 있습니다. 서지 보호기(SPD)는 시스템으로 흘러 들어가는 유해 에너지의 양을 줄이는 부품입니다. SPD는 가장 일반적이며 잘 구성된 형태의 과전압 보호 장치입니다. 전원공급장치 회로에서 SPD 기기는 일반적으로 전력 레일과 병렬로 배치되며 전원공급장치의 모든 단계에서 활용할 수 있습니다. SPD는 주로 스파크 갭 또는 가스 방전관, MOV, 제너 다이오드, 실리콘 애벌랜치 다이오드 등의 기술 중 1가지 이상을 사용하여 제작됩니다.

MCB라고도 하는 회로 차단기는 주로 기계적이며, 과도한 전류가 회로를 가로질러 흐를 때 개방되는 전기 스위치 역할을 합니다. 손상 없이 리셋이 가능하며 잠금 메커니즘은 주요 연결 부분을 닫힌 상태로 유지합니다. 이 장치는 일상에서 전기를 더욱 안전하게 사용할 수 있게 합니다.

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