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문제 정의
- 본 논문에서는 기존의 분산제어시스템에 사용되고 있는 SMPS의 특성 및 전기적 사양을 분석하여 기존의 SMPS보다 리플과 잡음을 감소시키고 효율을 향상시킨 분산제어시스템용 SMPS를 설계하고 구현하였다.
- 본 논문에서는 기존의 분산제어시스템에 사용되고 있는 SMPS의 특성 및 전기적 사양을 분석하여 리플과 잡음을 감소시키고 보다 안정화된 SMPS를 설계 및 구현하였다. 기존 제품에서 발생하던 가청 잡음과 전류선 동박면 부족으로 인한 잡음 발생 문제를 해결하기 위해, 스위칭 주파수를 70KHz로 높였으며, 경보 회로 부분과 PWM 제어회로 부분을 하위보드로 처리함으로써 전류가 흐를 수 있는 동박면을 확보하고 잡음 문제를 해결하였다.
- 원하는 입력 신호를 고주파로 변환한 뒤 반도체 소자를 스위칭 시켜 직류로 변환하는 방법으로 전력 손실을 작게 감소시키고 출력전압을 안정화시키는데 목적이 있다. 때문에 DC-DC 컨버터에 있어서 부품의 기생 요소들에 의하여 부하가 변동하고 출력 전압의 저하가 발생하면 안정화 전원으로서의 응용은 곤란하게 되므로 출력 전압을 안정화 시켜줄 수 있는 부 궤환 제어 회로가 필요하게 된다.
제안 방법
- 그림 2에서와 같이 입력이 공급되면, 두 개의 전원필터를 거쳐 출력 전압을 유기시키는 회로 고주파변환기 T1, T2로 분리된다. T1, T2의 회로부에 출력전압의 안정화와 과전류 보호와 과전압 보호를 위해 PWM1, PWM2를 두어 이들을 제어하게 하였다. FET1, 2는 구형파 교류를 만들게 된다.
- 본 논문에서는 기존의 분산제어시스템에 사용되고 있는 SMPS의 특성 및 전기적 사양을 분석하여 리플과 잡음을 감소시키고 보다 안정화된 SMPS를 설계 및 구현하였다. 기존 제품에서 발생하던 가청 잡음과 전류선 동박면 부족으로 인한 잡음 발생 문제를 해결하기 위해, 스위칭 주파수를 70KHz로 높였으며, 경보 회로 부분과 PWM 제어회로 부분을 하위보드로 처리함으로써 전류가 흐를 수 있는 동박면을 확보하고 잡음 문제를 해결하였다.
- 하나의 트랜스포머 사용할 경우 다중 전압 출력회로의 구성으로 인해 전압 안정화율이 떨어지고 잡음의 증가도 원인이 되었다. 따라서 본 논문에서는 SMPS 설계시 많은 부하를 공급하는 +5V, +24V 두 영역으로 나누어 전체용량을 두 개의 제어부로 설계하여 출력전압을 안정화하였고, 제어회로를 하위기판으로 구성하여 잡음이 출력선로에 실리는 것을 방지하였다.
- 본 논문에서 설계하고 구현한 SMPS에 대해 GE사의 TCPS의 성능 측정시와 같은 환경에서 시험을 실시였으며, 그 측정치를 TCPS의 분석치와 비교하였다. 구현된 SMPS 사진과 시험 환경 사진을 그림 5와 6에 각각 보였다.
- 본 논문에서 설계한 분산제어시스템용 SMPS는 입력을 공급받아 스위칭 및 평활회로를 거쳐 출력을 얻게 된다. 이때 중간에 발생되는 잡음을 줄이기 위해 필터부와 제어부로 크게 나눌 수 있다.
- 기존 제품은 약 17KHz의 스위칭 주파수에서 동작하기 때문에 가청 잡음이 발생하며, 하나의 변압기에서 여러 개의 출력이 유기되고, 출력회로 동박면에 경보회로를 구성하였기 때문에 전류가 흐를 수 있는 동박면이 부족하고 이로 인하여 많은 잡음이 발생되는 것을 확인하였다. 본 논문에서는 전력소모는 약간 증가하지만 가청 잡음을 줄이기 위해 스위칭 주파수를 70KHz로 높였으며, 제어 및 보호 회로를 PWM(Pulse Width Modulation)제어회로를 적용하여 경보회로 부분과 함께 하위의 보드로 처리함으로써 출력 선로인 동박면을 충분히 확보하여 잡음 문제를 해결하였다.
- 때문에 DC-DC 컨버터에 있어서 부품의 기생 요소들에 의하여 부하가 변동하고 출력 전압의 저하가 발생하면 안정화 전원으로서의 응용은 곤란하게 되므로 출력 전압을 안정화 시켜줄 수 있는 부 궤환 제어 회로가 필요하게 된다. 본 논문에서는 펄스폭변조를 이용하여 부 궤환 회로를 설계하였다.
- 설계된 EMI 필터는 외부 잡음 및 T1 또는 T2의 잡음을 차단하여 출력 전압을 안정화 시킬 수 있게 설계하였다. 설계 시 고려해야 할 중요한 사항중 하나가 잡음이며, 잡음은 불요전자파로 전원선을 통해 다른 기기에 영향을 주는 전도잡음(CE)와 공기 중을 통해 다른 기기로 전달되는 방사잡음(RE)로 구분 할 수 있다.
- 본 논문에서는 PWM 제어를 위해 미쯔비시사의 M51995AFP의 IC[10]를 사용하였다. 스위칭 주파수 발진부의 잡음이 Pattern에 실리는 것을 방지하기 위하여 하위기판으로 설계하였다.
- 입력전압을 125V DC로 유지하고, 출력측 부하를 최소, 중간, 최대로 변화시키면서 그때의 전압 변동을 기록하였다. 표 2의 부하변동시험 비교 측정표를 보면 TCPS 경우 +5, +15, -15V를 제외한 나머지 전압의 전압 변동률이 10∼15%의 변동을 보이고 있는 반면, 본 논문에서 설계한 SMPS의 경우 -24V가 2%의 변동률을 보이고, 나머지 전압은 1% 이내의 변동률만을 나타내고 있다.
- 입력전압을 90, 125, 150V DC 상태에서 출력부하를 최대로 하고 이때 발생하는 리플과 잡음 최대값을 측정하였다. 표 3과 그림 7은 기존 제품과 설계한 제품의 잡음 최대값 비교를 나타내고 있다.
- 전기적 시험은 입력전압 변동에 따른 출력전압의 변화(Line Regulation), 출력 부하변동에 따른 출력전압의 변화(Load Regulation) 그리고 출력 전압별 리플(Ripple)전압 및 잡음전압의 최대값(Noise p-p)값을 측정하였다.
- 출력전류를 최대동작전류로 하고 입력전압을 DC 90～150V로 변화하면서 출력전압의 변동을 측정하였다. 표 1에서 보듯이 입력 전압 변동 시험은 서로 같은 조건으로 A는 입력 전압을 90V로, B는 125V, C는 150V로 측정하였으며, 기존 제품의 경우 발진 및 주파형의 떨림으로 최대 부하로 테스트를 할 수 없어 출력이 안정한 범위 내에서 측정을 하였으며, 본 논문에서 설계한 SMPS인 경우 설계치의 부하를 인가하여 측정하였다.
- 출력전류를 최대동작전류로 하고 입력전압을 DC 90～150V로 변화하면서 출력전압의 변동을 측정하였다. 표 1에서 보듯이 입력 전압 변동 시험은 서로 같은 조건으로 A는 입력 전압을 90V로, B는 125V, C는 150V로 측정하였으며, 기존 제품의 경우 발진 및 주파형의 떨림으로 최대 부하로 테스트를 할 수 없어 출력이 안정한 범위 내에서 측정을 하였으며, 본 논문에서 설계한 SMPS인 경우 설계치의 부하를 인가하여 측정하였다.
대상 데이터
- GE사의 분산제어 시스템인 MARK-V용 전원 공급 장치인 TCPS[9]를 분석 모델로 선정하였다. TCPS의 회로구성은 그림 1의 블록도와 같다.
- 그림 4에서 보듯이 일반적인 PWM 제어회로는 출력전압의 오차를 검출하여 증폭하는 오차 증폭기, 검출된 오차 전압과 톱니파를 비교하여 펄스를 발생시키는 비교기, DC-DC컨버터의 스위치를 구동하는 구동 회로 등으로 구성되어 있다. 본 논문에서는 PWM 제어를 위해 미쯔비시사의 M51995AFP의 IC[10]를 사용하였다. 스위칭 주파수 발진부의 잡음이 Pattern에 실리는 것을 방지하기 위하여 하위기판으로 설계하였다.
- 오실로스코프는 Agilent사의 54622D Mixed Signal이고, 전자로드는 PRODIGIT사의 3311, 3310, 3315 DC, 전압계는 KEITHLEY사의 2000, 기록 장치는 HIOKI사의 Hicorder 8855를 이용하였다.
성능/효과
- 모든 설정 조건에서 설계된 제품의 잡음은 기존제품의 잡음의 32% 이내로 감소된 것을 알 수 있다. TCPS의 경우에는 분산 제어시스템에서 요구되는 잡음 최대치에 대한 기준치인 기준전압의 2%이내를 많이 벗어나고 있는 반면, 본 논문에서 설계된 시스템의 경우 모든 출력전압에서 잡음의 최대치가 기준전압의 2%이내로서 잡음에 대한 기준치를 만족하고 있다.
- TCPS의 성능을 분석한 결과, 출력전압의 설정면에서 보면, +5V와 정전압 IC를 사용한 출력을 제외하고는 기준전압에서 크게는 20%가까이 많이 벗어나는 특성을 보인다. 이 전압이 제품의 동작범위 이내에 있다 하더라도 전력소비가 크며 부품에 많은 스트레스가 인가된 상태에서 동작하게 되어 부품의 수명에도 영향을 주게 된다.
- 구현된 SMPS의 성능을 기존제품과 비교하기 위하여 입력전압변동 시험, 부하변동 시험, 잡음시험 등을 수행한 결과, 모든 설정 조건하에서 출력 잡음이 기존제품 잡음의 32% 이내로 감소함을 확인하였으며, 입력전압 및 부하 변동 특성이 크게 향상되는 것을 확인하였다. 본 논문에서 설계 및 구현된 SMPS는 기존제품에 비해 저 잡음으로 안정화된 전원을 공급할 수 있기 때문에 발전소 및 분산제어시스템을 사용하는 다양한 분야에 적용이 가능하다.
- 기존 제품은 약 17KHz의 스위칭 주파수에서 동작하기 때문에 가청 잡음이 발생하며, 하나의 변압기에서 여러 개의 출력이 유기되고, 출력회로 동박면에 경보회로를 구성하였기 때문에 전류가 흐를 수 있는 동박면이 부족하고 이로 인하여 많은 잡음이 발생되는 것을 확인하였다. 본 논문에서는 전력소모는 약간 증가하지만 가청 잡음을 줄이기 위해 스위칭 주파수를 70KHz로 높였으며, 제어 및 보호 회로를 PWM(Pulse Width Modulation)제어회로를 적용하여 경보회로 부분과 함께 하위의 보드로 처리함으로써 출력 선로인 동박면을 충분히 확보하여 잡음 문제를 해결하였다.
- 수치와 그림에서 보듯이 기존 제품보다 설계한 제품의 잡음 특성이 좋은 것을 확인할 수 있다. 모든 설정 조건에서 설계된 제품의 잡음은 기존제품의 잡음의 32% 이내로 감소된 것을 알 수 있다. TCPS의 경우에는 분산 제어시스템에서 요구되는 잡음 최대치에 대한 기준치인 기준전압의 2%이내를 많이 벗어나고 있는 반면, 본 논문에서 설계된 시스템의 경우 모든 출력전압에서 잡음의 최대치가 기준전압의 2%이내로서 잡음에 대한 기준치를 만족하고 있다.
- 표 3과 그림 7은 기존 제품과 설계한 제품의 잡음 최대값 비교를 나타내고 있다. 수치와 그림에서 보듯이 기존 제품보다 설계한 제품의 잡음 특성이 좋은 것을 확인할 수 있다. 모든 설정 조건에서 설계된 제품의 잡음은 기존제품의 잡음의 32% 이내로 감소된 것을 알 수 있다.
- 이 전압이 제품의 동작범위 이내에 있다 하더라도 전력소비가 크며 부품에 많은 스트레스가 인가된 상태에서 동작하게 되어 부품의 수명에도 영향을 주게 된다. 출력부하 변동에 따른 출력전압 변동 역시 크게는 15%까지 많은 변화를 보이고 있고, 리플전압 및 잡음전압의 최대값도 기준치인 2%를 많이 넘어서고 있는 것이 측정결과 확인되었다.
- 표 2의 부하변동시험 비교 측정표를 보면 TCPS 경우 +5, +15, -15V를 제외한 나머지 전압의 전압 변동률이 10∼15%의 변동을 보이고 있는 반면, 본 논문에서 설계한 SMPS의 경우 -24V가 2%의 변동률을 보이고, 나머지 전압은 1% 이내의 변동률만을 나타내고 있다.
후속연구
- 구현된 SMPS의 성능을 기존제품과 비교하기 위하여 입력전압변동 시험, 부하변동 시험, 잡음시험 등을 수행한 결과, 모든 설정 조건하에서 출력 잡음이 기존제품 잡음의 32% 이내로 감소함을 확인하였으며, 입력전압 및 부하 변동 특성이 크게 향상되는 것을 확인하였다. 본 논문에서 설계 및 구현된 SMPS는 기존제품에 비해 저 잡음으로 안정화된 전원을 공급할 수 있기 때문에 발전소 및 분산제어시스템을 사용하는 다양한 분야에 적용이 가능하다.
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