전원 공급 장치

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1. 개요

전원 공급 장치는 다양한 전기 장치에 전력을 공급하는 데 사용되는 장치로, 기능적 특징, 포장 방식, 변환 방식 등에 따라 분류된다. 정전압, 가변, 절연형 등 다양한 유형이 있으며, 벤치형, 랙 마운트형, AC 어댑터 등 다양한 형태로 제공된다. 선형 및 스위칭 방식의 전력 변환 방식을 사용하며, 출력 방식, 구동 회로 방식, 제어 회로, 변조 방식 등에 따라 세부적으로 구분된다. 전원 공급 장치는 DC-DC, AC-DC, DC-AC, AC-AC 변환 회로를 포함하며, 보호 회로, 전압 안정화 회로, 디커플링 회로 등 추가적인 회로를 갖추기도 한다. 또한, 무정전 전원 장치(UPS)는 정전 시에도 전력을 공급하며, 컴퓨터 파워서플라이는 컴퓨터에 필요한 전압을 제공한다. 전원 공급 장치는 전기 자동차, 아크 용접, 항공기 아비오닉스, 자동화 시스템, 의료 기기 등 광범위한 분야에서 활용된다.

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디시디시컨버터는 직류 전압을 다른 직류 전압으로 변환하는 장치로, 스위칭 방식의 등장으로 효율성이 향상되었고, 반도체 기술 발전으로 소형화, 고효율화, 가격 경쟁력을 갖추어 다양한 분야에서 활용되며, 자기장 또는 전기장 저장 방식으로 작동하고, 스위칭 노이즈, 효율성, 안정성, 전자기 간섭 등의 기술적 고려 사항이 있다.
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전원 공급 장치
개요
종류	전력 변환 장치
기능	전기 에너지 변환 및 조절, 부하에 전력 공급
전원 회로
정의	전자 기기에 필요한 전원을 공급하는 회로
기능	외부 전원을 적절한 전압, 전류, 주파수로 변환
구성 요소	트랜스포머 정류기 평활 회로 전압 조정기
전원 공급 장치 (컴퓨터)
약자	PSU (Power Supply Unit)
역할	컴퓨터 각 부품에 필요한 전력을 공급
종류	ATX 전원 공급 장치 SFX 전원 공급 장치 TFX 전원 공급 장치 LFX 전원 공급 장치 CFX 전원 공급 장치
규격	ATX, SFX, TFX, LFX, CFX 등 컴퓨터 케이스 크기에 따라 다양한 규격 존재
출력 전력	수백 와트(W)에서 1kW 이상까지 다양
특징	효율 (80 PLUS 인증 등) 안정성 저소음

2. 분류

전원 공급 장치는 출력, 구동 회로, 제어 회로, 변조 방식 등에 따라 다양하게 분류된다.

출력 방식:
정전압 전원 장치: 부하 전류 또는 입력 전압 변화에도 일정한 출력 전압을 유지한다.
비정전압 전원 장치: 입력 전압이나 부하 전류에 따라 출력 전압이 변동한다.
가변 전원 장치: 출력 전압 또는 전류를 조절할 수 있다.
가변 정전압 전원 장치: 가변적이면서도 정전압을 유지한다.
절연형 전원 장치: 전력 출력이 전력 입력과 전기적으로 독립되어 있다.
구동 회로 방식:
전압형: 전압 제어형 반도체 소자(절연 게이트 양극성 트랜지스터) 구동 회로를 사용하며 구동 전력이 작다.^[1]
전류형: 전류 제어형 반도체 소자(파워 트랜지스터) 구동 회로를 사용하며 구동 전력이 크다.^[2]
제어 회로:
디지털 방식: 마이크로프로세서 등을 사용하여 제어 특성 조정이 용이하다.^[1]
아날로그 방식: 아날로그 회로만으로 구성되어 특성 조정이 어렵다.^[1]
변조 방식 (스위칭 전원 장치):
펄스 변조: 주로 사용되는 방식이다.^[1]

2. 1. 출력 방식

전원 공급 장치는 기능적 특징을 포함한 다양한 방식으로 분류된다. 정전압 전원 장치는 부하 전류 또는 입력 전압의 변화에도 불구하고 일정한 출력 전압을 유지하는 장치이다. 반대로, 비정전압 전원 장치의 출력은 입력 전압이나 부하 전류가 변하면 상당히 변할 수 있다. 가변 전원 장치는 기계적 제어(예: 전원 공급 장치 전면 패널의 손잡이) 또는 제어 입력, 또는 그 둘 모두를 통해 출력 전압 또는 전류를 프로그래밍할 수 있다. 가변 정전압 전원 장치는 가변적이고 동시에 정전압인 장치이다. 절연형 전원 장치는 전력 출력이 전력 입력과 전기적으로 독립적인 장치인데, 이는 전력 입력과 출력 사이에 공통 연결을 공유하는 다른 전원 공급 장치와 대조된다.

전압원(정전압 전원)
전류원(정전류 전원)

2. 2. 구동 회로 방식

전압형은 전압 제어형 반도체 소자 (절연 게이트 양극성 트랜지스터) 구동 회로로써 구동 전력이 작다.^[1] 전류형은 전류 제어형 반도체 소자 (파워 트랜지스터) 구동 회로로써 구동 전력이 크다.^[2]

2. 3. 제어 회로

디지털 방식은 마이크로프로세서 등을 사용하여 제어 특성 조정이 용이하다. 아날로그 방식은 아날로그 회로만으로 구성되어 특성 조정이 어렵다.^[1]

2. 4. 변조 방식 (스위칭 전원 장치)

스위칭 전원 장치(SMPS)에서는 주로 펄스 변조 방식이 사용된다.^[1] 교류(AC) 전원 입력은 직접 정류된 후 필터링되어 직류(DC) 전압을 얻는다. 이렇게 생성된 직류 전압은 전자 스위칭 회로에 의해 고주파수로 켜지고 꺼지며, 이로 인해 고주파 변압기나 인덕터를 통과하는 교류 전류가 생성된다. 스위칭은 매우 높은 주파수(일반적으로 10kHz – 1MHz)에서 발생하므로, 주파수 전원에서 작동하는 선형 전원 공급 장치에서 볼 수 있는 것보다 훨씬 작고 가볍고 저렴한 변압기와 필터 커패시터를 사용할 수 있다. 인덕터 또는 변압기 2차측 이후 고주파 교류는 정류되어 직류 출력 전압을 생성한다. SMPS가 적절히 절연된 고주파 변압기를 사용하는 경우 출력은 전원으로부터 전기적으로 절연되는데, 이는 안전을 위해 필수적이다.

스위칭 전원 공급 장치는 일반적으로 출력 전압을 일정하게 유지하기 위해 규제되며, 전원 공급 장치는 부하에서 소비되는 전류를 모니터링하는 피드백 컨트롤러를 사용한다. 전력 출력 요구 사항이 증가함에 따라 스위칭 듀티 사이클이 증가한다.

SMPS는 장치와 사용자를 손상으로부터 보호하기 위해 과전류 제한 또는 크로우바 회로와 같은 안전 기능을 포함하는 경우가 많다.^[1] 비정상적인 고전류 전력 소모가 감지되면 스위칭 모드 전원 공급 장치는 이것이 직접적인 단락이라고 가정하고 손상이 발생하기 전에 스스로 꺼진다. PC 전원 공급 장치는 종종 마더보드에 ''파워 굿'' 신호를 제공하는데, 이 신호가 없으면 비정상적인 전원 공급 전압이 있을 때 작동이 방지된다.

일부 SMPS는 최소 출력 전류에 대한 절대적인 제한이 있다.^[2] 특정 전력 레벨 이상만 출력할 수 있으며 그 이하에서는 작동할 수 없다. 무부하 상태에서 전력 슬라이싱 회로의 주파수가 매우 빨라져 절연 변압기가 테슬라 코일처럼 작동하여 매우 높은 전압 전력 스파이크로 인해 손상을 일으킨다. 보호 회로가 있는 스위칭 모드 전원 공급 장치는 잠시 켜졌다가 부하가 감지되지 않으면 꺼진다. 세라믹 전력 저항기 또는 10와트 전구와 같은 매우 작은 저전력 더미 부하를 전원 공급 장치에 연결하여 기본 부하가 연결되지 않은 상태에서 작동하도록 할 수 있다.

컴퓨터에 사용되는 스위칭 모드 전원 공급 장치는 역사적으로 낮은 역률을 가지고 있으며 유도된 전력선 고조파와 과도 현상으로 인해 상당한 선 간섭의 원인이 되기도 했다. 간단한 스위칭 모드 전원 공급 장치에서 입력 단계는 선 전압 파형을 왜곡시킬 수 있는데, 이는 다른 부하에 악영향을 미칠 수 있으며(다른 유틸리티 고객에게 낮은 전력 품질을 초래할 수 있음) 와이어와 배전 장비의 불필요한 발열을 유발할 수 있다. 또한 고객은 저역률 부하를 작동할 때 전기 요금이 더 많이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일부 컴퓨터 스위칭 모드 전원 공급 장치는 역률 보정을 수행하며, 선 간섭을 줄이기 위해 입력 필터 또는 추가 스위칭 단계를 사용할 수 있다.

3. 전력 변환 회로

전원 공급 장치는 크게 선형 및 스위칭 방식으로 나눌 수 있다. 선형 전력 변환기는 입력 전력을 직접 처리하는 반면, 스위칭 전력 변환기는 입력 전력을 처리하기 전에 AC 또는 DC 펄스로 변환한다. 스위칭 변환기는 부품이 선형 영역에서 작동하는 시간이 적어 일반적으로 선형 변환기보다 효율이 높다.

스위칭 전원 공급 장치(SMPS)에서는 AC 전원 입력이 정류 및 필터링되어 DC 전압을 얻는다. 그 후 전자 스위칭 회로에 의해 고주파수로 켜지고 꺼져 고주파 변압기 또는 인덕터를 통과하는 AC 전류가 생성된다. 인덕터 또는 변압기 2차측 이후 고주파 AC는 정류되어 DC 출력 전압을 생성한다. SMPS가 적절히 절연된 고주파 변압기를 사용하는 경우 출력은 전원으로부터 전기적으로 절연되어 안전에 유리하다.

SMPS는 일반적으로 출력 전압을 일정하게 유지하기 위해 피드백 컨트롤러를 사용하며, 전력 출력 요구 사항이 증가함에 따라 스위칭 듀티 사이클이 증가한다. 또한, 과전류 제한 또는 크로우바 회로와 같은 안전 기능을 포함하여 장치와 사용자를 보호한다.^[1] PC 전원 공급 장치는 ''파워 굿'' 신호를 제공하여 비정상적인 전원 공급 전압을 방지한다.

일부 SMPS는 최소 출력 전류에 대한 제한이 있다.^[2] 무부하 상태에서는 전력 슬라이싱 회로의 주파수가 매우 빨라져 절연 변압기가 테슬라 코일처럼 작동하여 손상을 일으킬 수 있다. 따라서, 매우 작은 저전력 더미 부하를 연결하여 기본 부하 없이도 작동하도록 할 수 있다.

컴퓨터용 SMPS는 낮은 역률과 전력선 고조파로 인해 선 간섭을 유발할 수 있다. 이를 해결하기 위해 역률 보정을 수행하거나 입력 필터 또는 추가 스위칭 단계를 사용할 수 있다.

3. 1. 직류 입력 직류 출력 전원 (DC-DC 컨버터)

DC-DC 컨버터(직류·직류 변환기)는 직류 전원을 다른 직류 전원으로 변환하는 장치이다. 크게 절연형과 비절연형으로 나뉜다.

절연형: 입출력 간에 전기적 절연이 이루어져 안전성이 높다.
비절연형 (초퍼 제어 전원): 입출력 간에 절연이 없어 구조가 간단하고 효율이 높지만, 안전성이 낮다.
리니어 레귤레이터 전원:
직렬형 정전압 전원 (시리즈 레귤레이터): 입력 전압과 부하 임피던스 변동에 관계없이 출력 전압을 일정하게 유지하며, 출력 전압의 리플과 노이즈를 줄인다. 과전류 제한 기능을 제공하여 전원 공급 장치와 부하를 보호한다.
병렬형 정전압 전원 (션트 레귤레이터): 직렬형과 유사한 기능을 수행한다.

3. 2. 교류 입력 직류 출력 전원 (AC-DC 컨버터)

교류-직류 전원 공급 장치는 교류(AC) 입력 전압으로 작동하여 직류(DC) 출력 전압을 생성한다. 출력 전압에는 교류 입력 전압 주파수 및 전원 공급 장치의 작동과 관련된 리플 전압이라고 알려진, 다량 또는 무시할 만한 양의 교류 주파수 성분이 포함될 수 있다.^[1] 직류 입력 전압으로 작동하는 직류 전원 공급 장치는 DC-DC 컨버터라고 한다.

thumb 구성의 다이오드 4개, 그리고 파형을 부드럽게 하는 전해 콘덴서]]

선형 전원 공급 장치에서는 AC 입력 전압이 변압기를 거친 후 정류 및 필터링되어 DC 전압을 얻는다. 필터링은 정류기 출력에 존재하는 AC 주파수의 진폭을 줄인다. 전기 부하의 리플 허용 오차는 전원 공급 장치가 제공해야 하는 최소 필터링 양을 결정한다.

스위칭 전원 공급 장치(SMPS)에서는 AC 전원 입력이 직접 정류된 후 필터링되어 DC 전압을 얻는다. 그 결과 생성된 DC 전압은 전자 스위칭 회로에 의해 고주파수로 켜지고 꺼지며, 고주파 변압기 또는 인덕터를 통과하는 AC 전류가 생성된다. 인덕터 또는 변압기 2차측 이후 고주파 AC는 정류되어 DC 출력 전압을 생성한다. SMPS가 적절히 절연된 고주파 변압기를 사용하는 경우, 출력은 전원으로부터 전기적으로 절연된다.

SMPS는 종종 과전류 제한 또는 크로우바 회로와 같은 안전 기능을 포함하여 장치와 사용자를 손상으로부터 보호한다.^[1] PC 전원 공급 장치는 종종 마더보드에 ''파워 굿'' 신호를 제공하여 비정상적인 전원 공급 전압이 있을 때 작동을 방지한다.

일부 SMPS는 최소 출력 전류에 대한 절대적인 제한이 있다.^[2] 무부하 상태에서 전력 슬라이싱 회로의 주파수가 매우 빨라져 절연 변압기가 테슬라 코일처럼 작동하여 매우 높은 전압 전력 스파이크로 인해 손상을 일으킨다. 보호 회로가 있는 스위칭 모드 전원 공급 장치는 잠시 켜졌다가 부하가 감지되지 않으면 꺼진다. 세라믹 전력 저항기 또는 10와트 전구와 같은 매우 작은 저전력 더미 부하를 전원 공급 장치에 연결하여 기본 부하가 연결되지 않은 상태에서 작동하도록 할 수 있다.

정전용량 전원 공급 장치(트랜스포머리스 전원 공급 장치)는 축전기의 리액턴스를 이용하여 주전원 전압을 더 낮은 AC 전압으로 낮춘다. 일반적으로 이렇게 낮춰진 AC 전압은 정류, 평활 및 조정되어 일정한 DC 출력 전압을 생성한다. 출력 전압은 주전원과 절연되지 않는다.

AC 전원 공급 장치는 일반적으로 벽면 콘센트(주전원)의 전압을 받아 트랜스포머를 사용하여 전압을 원하는 전압으로 승압 또는 강압한다. 어떤 경우에는 소스 전압이 출력 전압과 동일하며, 이는 절연 트랜스포머라고 한다.

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AC 어댑터는 AC 주전원 플러그에 내장된 전원 공급 장치이다. "플러그 팩", "플러그인 어댑터"와 같은 다양한 다른 이름으로도 알려져 있으며, "벽돌형 어댑터"와 같은 속어로도 불린다. AC 어댑터는 일반적으로 단일 AC 또는 DC 출력을 가지며, 이는 하드와이어 케이블을 통해 커넥터로 전달된다.

정류기, AC-DC 컨버터(PWM 컨버터), AC-DC 변환기, 직류 안정화 전원 등으로 불린다. AC 어댑터도 여기에 포함된다.

3. 3. 직류 입력 교류 출력 전원 (DC-AC 인버터)

인버터(역변환기)는 직류 전원을 교류 전원으로 변환하는 장치이다.

3. 4. 교류 입력 교류 출력 전원 (AC-AC 변환기)

AC-AC 전압 변환기는 변압기를 이용하여 전압을 높이거나 낮추는 장치로, 변성기, 트랜스 등으로도 불린다. 벽면 콘센트(주전원)에서 들어오는 전압을 변압기를 통해 원하는 전압으로 바꾸고, 필요에 따라 필터링을 거친다. 입력 전압과 출력 전압이 같은 경우도 있는데, 이는 절연 변압기라고 한다.

AC 전원 공급 장치는 단상 및 3상 시스템으로 나눌 수 있으며, 전압뿐만 아니라 주파수도 변경할 수 있다. 이는 다른 국가에서 제품을 사용할 때 유용하며, 항공 전자 장비 테스트 등에 사용된다. 예를 들어 230V 50Hz, 115V 60Hz, 또는 400Hz 등으로 변환하여 사용할 수 있다.^[1]

3. 4. 1. 교류 전압 제어

변압기의 탭 절환이나 사이리스터 브리지의 위상 제어가 사용된다.

3. 4. 2. 사이클로컨버터

삼상 교류(三相交流) 전력을 다른 주파수와 전압의 교류(交流) 전력으로 직접 변환한다. 사이리스터 등을 사용한 브리지 정류 회로의 위상 제어각을 조절하여 임의의 교류 출력을 실현하고 있다. 자기 소호(自己消弧)가 불가능한 사이리스터 사이클로컨버터에서는 출력 주파수의 최대값이 입력 주파수의 1/3 ~ 1/2 정도이지만, 입력 리액터를 추가하고 동기 전동기를 부하로 함으로써 소호를 가능하게 하여, 그 이상의 출력 주파수를 가능하게 한 것도 있다. 또한 역률이 나쁘고, 전압 파형이 불규칙해지는 등의 문제가 있다.

3. 4. 3. 매트릭스 컨버터

자기소호(自己消弧) 능력을 가진 고속 반도체 소자를 사용하여, 전원 전압을 직접 PWM 제어하여 임의의 전압·주파수를 출력하는 직접 변환형 전력 변환 장치이다. 입력 3상 전원과 출력 3상을, 직접 9개의 고속 스위칭이 가능한 반도체 소자를 이용한 양방향 스위치로 연결하여, 출력 측의 전압 제어와 동시에 전원 측의 입력 전류 제어를 가능하게 한다. 양방향 스위치의 구성으로는 IGBT와 다이오드를 역 병렬로 연결한 것이 일반적이지만, 그 외의 구성도 보고되고 있다. 입력측에는 PWM 스위칭의 리플 성분 제거를 위해, 소형의 LC 필터를 사용하는 구성이 일반적이다. 일반적인 PWM 인버터와 크게 다른 회로 구성과 독자적인 제어 방법에 의해, 주로 다음과 같은 특징을 가진다:

'''전원 회생이 가능''' - 에너지 절약·고효율
'''전원 고조파가 적다''' - 입력 전류를 정현파상으로 제어 가능
'''영속 제어에 강하다''' - 입력이 교류이고 직류 출력 시에도 전력 소자에 전류 집중이 없다.
'''평활 콘덴서가 불필요''' - 전해 콘덴서를 사용하지 않으므로 소형화·장수명화가 가능하다.

PWM의 변조 방법에는 다음과 같은 것이 있다:

; 직접법-삼각파 캐리어 비교 방식

: 연산에 의해 입력 전류 분배율 및 입력 전압의 최저 전압·최고 전압의 차와 중간 전압의 차를 구하고, 이러한 결과를 바탕으로 삼각파 캐리어의 진폭을 변조한다. 그리고 이 삼각파와 입력 전류 분배율을 고려한 선간 전압 지령치를 비교하여, 스위칭 패턴을 생성한다. 비교적 낮은 캐리어 주파수에서도 입출력 제어가 가능하다.

; 직접법-공간 벡터 변조법

: 매트릭스 컨버터의 출력 전압에 공간 벡터를 정의한 경우(입력이 직류 전압원인 인버터와는 다르게) 출력 전압 벡터는 시간에 따라 변화한다. 출력 전압의 공간 벡터는 27종류가 있으며, 다음 3종류로 분류할 수 있다:

:* 영벡터(3종류) - 출력의 모든 상이 입력과 같은 상에 연결

:* 방향이 고정이고 길이가 단진동하는 것(18종류) - 출력의 2상이 입력의 같은 상에 연결

:* 길이가 일정하고 회전하는 것(6종류) - 출력의 3상이 모두 다른 입력 상에 연결

: 이러한 공간 벡터를 조합하여, 출력 왜곡이 적은 매트릭스 컨버터의 스위칭 패턴을 구할 수 있다.

; 간접 변조법-가상 DC 링크 방식

: 매트릭스 컨버터는, 실제로는 전압형 인버터와 같은 직류 전압원은 존재하지 않는다. 하지만 DC 링크로 연결된 전류형 PWM 정류기와 전압형 PWM 인버터로 가상적으로 분리하면, 각각의 변환기의 게이트 신호를 논리 합성하여 매트릭스 컨버터의 게이트 신호를 생성할 수 있다. 이 방법에서는, 일반적인 PWM 정류기·PWM 인버터의 제어법에 사용되고 있는 삼각파 비교 방식이나 벡터 변조 방식을, 매트릭스 컨버터의 게이트 신호 생성에 사용할 수 있다. 간접 변조법은, 직접 변조법과 결과적으로 동일한 스위칭 패턴을 생성할 수 있다.

4. 추가 회로 (예시)

전원 공급 장치에는 다음과 같은 추가 회로가 사용될 수 있다.

'''보호 장치:''' 단락 회로나 과부하로부터 전원 공급 장치 자체를 보호하고 화재를 예방한다. 퓨즈와 차단기가 주로 사용된다.^[4]
'''교류 전압 안정화 (역률 개선) 회로:''' 전력선의 효율적 운용, 변압기 용량 활용, 플리커 장애 및 고조파 장애 방지를 위해 사용된다. STATCOM, 사이리스터 위상 제어 콘덴서(TSC) 및 리액터(TCR), 동기 조상기 등이 있다.
'''디커플링 회로:''' 증폭 회로에서 여러 증폭 소자를 사용할 때 발생하는 발진을 방지한다. 전원 라인에 저항기나 인덕터를 삽입하고, 각 증폭 단의 전원과 병렬로 축전기를 연결한다. 집적 회로의 전원 단자에는 적층 세라믹 콘덴서를 사용한다. CPU와 같은 고성능 장치는 전원 요구량이 엄격하므로, 다량의 디커플링용 콘덴서를 배치하고, 발열에 의한 콘덴서 손상에도 주의해야 한다.

4. 1. 보호 장치

전원 공급 장치는 전원 공급 장치 자체를 손상시키거나 화재를 유발할 수 있는 단락 회로 또는 과부하로부터 보호하는 기능을 갖추고 있다. 퓨즈와 차단기는 과부하 보호에 일반적으로 사용되는 두 가지 메커니즘이다.^[4]

퓨즈는 과도한 전류가 흐르면 녹는 짧은 길이의 전선을 포함하고 있다. 이렇게 하면 전원 공급 장치가 부하로부터 효과적으로 분리되고, 과부하의 원인이 확인되고 퓨즈가 교체될 때까지 장비의 작동이 중지된다. 일부 전원 공급 장치는 퓨즈 역할을 하는 매우 가는 와이어 링크를 납땜하여 사용한다. 전원 공급 장치의 퓨즈는 최종 사용자가 교체할 수 있지만, 가전 제품의 퓨즈는 접근하고 교체하기 위해 도구가 필요할 수 있다.

차단기는 가열, 굽힘 및 스프링을 작동시켜 회로를 차단하는 요소를 포함하고 있다. 요소가 식고 문제가 확인되면 차단기를 재설정하고 전원을 복구할 수 있다.

일부 전원 공급 장치는 퓨즈 대신 변압기에 매립된 열 차단 장치를 사용한다. 장점은 허용되는 최대 연속 전류보다 잠시 더 큰 전류를 소비할 수 있다는 것이다. 이러한 차단 장치 중 일부는 자동 재설정되고, 일부는 일회용이다. 일부 전원 공급 장치는 과부하 시 전원을 차단하는 대신 전류 제한을 사용한다. 사용되는 두 가지 유형의 전류 제한은 전자 제한과 임피던스 제한이다. 전자 제한은 실험실용 벤치 전원 공급 장치에서 일반적이며, 후자는 3와트 미만의 출력 전원 공급 장치에서 일반적이다.

폴드백 전류 제한기는 출력 전류를 최대 비고장 전류보다 훨씬 낮게 줄인다.

전원 공급 장치의 보호 기능은 다음과 같다.

단락
지락
과부하
과전압
과전류
저전압
장치 과열
스톨 방지

4. 2. 교류 전압 안정화 (역률 개선) 회로

교류 전원 시스템의 전압 안정화 및 역률 개선을 위한 회로이며, 다음과 같은 목적으로 사용된다.

전력선의 효율적인 운용
변압기 용량의 효율적인 활용
전압 변동에 의한 장애 (플리커 장애) 방지
고조파 장애 방지

전압 안정화 및 역률 개선을 위한 회로에는 다음과 같은 종류가 있다.

자여자 무효전력 보상 장치 (STATCOM)
사이리스터 위상 제어 콘덴서 (TSC)
사이리스터 위상 제어 리액터 (TCR)
동기 조상기 - 기계적으로 무부하인 전자석 동기 전동기를 계통에 연결하여, 계자 전류에 의해 무효 전력의 크기 및 지상/진상을 제어한다.

4. 3. 디커플링 회로

여러 개의 증폭 소자를 가진 증폭 회로에서는, 최종단 증폭 소자의 소비 전류(출력) 변화에 따라 전원 라인에 전압 강하가 발생하고, 그것이 앞 단 증폭 소자에 전달되어 발진을 일으키는 경우가 있다. 이것을 방지하기 위해, 전원 라인에 저항기 또는 인덕터를 삽입하고, 각 증폭 단의 전원과 병렬로 최단 거리에 축전기를 연결한다. 이것을 '''디커플링 회로'''라고 한다. 디지털 회로에서는 각 집적 회로의 전원 단자(핀)와 병렬로 적층 세라믹 콘덴서 등 주파수 특성이 좋은 콘덴서를 연결하여 사용하는 것이 원칙이다.

디지털 회로는 리셋 순간, 모든 게이트가 동시에 상태 천이를 하여 큰 전류가 흐른다. 디커플링 회로가 없거나 충분하지 않은 경우, 이때 전압 강하가 발생한다. 바이폴라 소자를 사용한 회로에서 입력 신호가 전원 전압을 상회하면 래치업이라고 불리는 단락이 발생하여 소자를 파괴할 우려가 있다. 절연층을 가진 CMOS 회로에서는 기생 트랜지스터가 없으므로 래치업은 발생하지 않지만, 입력 단을 보호하고 있는 다이오드가 내압을 초과하여 단락될 수 있다.

최근의 고성능 CPU는 전원 요구량이 엄격하며, 리셋 순간에 100A를 초과하는 큰 전류가 흐르는 제품도 적지 않다. 기판에는 다량의 디커플링용 콘덴서를 배치하고, CPU 패키지에도 수십 개의 적층 세라믹 콘덴서를 장착하고 있다. CPU는 많은 열을 발생하지만, 이 열이 쌓여 디커플링용 콘덴서를 가열하여 수명을 단축시키고, 나아가 정전용량 저하에 의해 설계 외의 장소에 큰 전류가 흘러 장치를 파괴할 수 있다. 대책으로는 마더보드의 콘덴서가 에어플로우 상 적절한 위치에 배치된 제품을 선택하거나, 장치 내부에 열이 쌓이지 않도록 설계된 케이스를 선택하는 것이다.

5. 무정전 전원 장치 (UPS)

무정전 전원 장치(UPS)는 전기 공급 중단 따위의 장애가 발생할 때, 자동으로 안정적ㆍ지속적으로 전기를 공급하는 장치이다. 발전기나 대용량 배터리가 그 대안이다. 그러나 실질적인 무정전 전원을 인가하도록 설계하기 위해서는 정교하고 안정된 전력연계시스템이 보장되어야 한다. 예를 들어 컴퓨터 서버의 경우처럼 1초 미만의 전력 중단으로도 휘발성 메모리 데이터가 유실되므로 이를 방지하기 위해서 안정적인 연동 설계가 필요하다. 그러나 건물 전등같이 수초 내에 임시 전력 공급으로도 응급 복구 효과가 기대된다면 보다 다양한 방안이 모색될 수 있다.

무정전 전원 공급 장치(UPS, Uninterruptible Power Supply)는 두 개 이상의 전원에서 동시에 전력을 공급받는다. 일반적으로는 AC 전원에 직접 연결되어 있으며, 동시에 저장 배터리를 충전한다. 전원이 차단되거나 고장 나면 배터리가 즉시 전원을 공급하여 부하에 전원 공급 중단이 발생하지 않는다. 여기서 "즉시"는 전도체 내 전기의 속도, 즉 빛의 속도에 가까운 속도를 의미한다. 고속 데이터 전송 및 통신 서비스는 연속성/무중단 서비스를 유지해야 하므로 이 정의가 중요하다. 일부 제조업체는 4밀리초라는 준표준을 사용하지만, 고속 데이터의 경우 전원 전환에 4밀리초의 시간도 충분히 빠르지 않다. 전환은 브레이크 비포 메이크(break before make) 방식으로 이루어져야 한다. 이러한 요구 사항을 충족하는 UPS는 트루 UPS 또는 하이브리드 UPS라고 한다. UPS가 전원을 공급하는 시간은 대부분 배터리와 발전기에 따라 달라지며, 최소 5~15분에서 수 시간 또는 수일에 이를 수 있다. 많은 컴퓨터 시스템에서는 운영자가 시스템을 정상적으로 종료할 수 있을 만큼의 배터리 시간만 제공된다. 다른 UPS 방식은 내연 기관이나 터빈을 사용하여 정전 시 전력을 공급할 수 있으며, 배터리 작동 시간은 발전기가 온라인 상태가 되는 데 걸리는 시간과 공급되는 장비의 중요도에 따라 달라진다. 이러한 방식은 병원, 데이터 센터, 콜센터, 기지국 및 전화 교환국에서 사용된다.

6. 컴퓨터 파워서플라이

최신 컴퓨터 전원 공급 장치는 교류(AC) 전원을 여러 직류(DC) 전압으로 변환하는 스위칭 모드 전원 공급 장치이다. 스위칭 모드 전원 공급 장치는 비용, 무게, 효율 및 크기 개선으로 인해 선형 전원 공급 장치를 대체했다. 다양한 출력 전압은 전류 소모 요구 사항도 매우 다르다.^[6]^[7] 컴퓨터의 경우 출력값은 일반적(PC,ATX)으로 DC|디씨^영어 3.3V, 5V, 12V의 3종류 모두를 지원한다.

7. 응용 분야

전원 공급 장치는 많은 전자 기기의 기본 구성 요소이며, 다양한 분야에 사용된다.

'''컴퓨터:''' 최신 컴퓨터 전원 공급 장치는 교류(AC) 전원을 여러 직류(DC) 전압으로 변환하는 스위칭 모드 전원 공급 장치이다. 스위칭 모드 전원 공급 장치는 비용, 무게, 효율 및 크기 개선으로 인해 선형 전원 공급 장치를 대체했다. 다양한 출력 전압은 전류 소모 요구 사항도 매우 다양하다.
'''전기 자동차:''' 전기 생산을 통해 생성된 에너지에 의존하는 자동차이다. 전원 공급 장치는 고전압 차량 배터리 전력을 변환하기 위한 필수 설계의 일부이다.
'''아크 용접:''' 금속을 녹여 접합하는 데 전기를 사용한다. 전기는 ''용접 전원 공급 장치''에서 공급되며, AC 또는 DC일 수 있다. 아크 용접에는 일반적으로 100A~350A의 높은 전류가 필요하다. 일부 용접 유형은 10A만 사용할 수도 있지만, 저항 용접의 일부 응용 분야에서는 매우 짧은 시간 동안 최대 60000A의 전류를 사용한다. 용접 전원 공급 장치는 변압기 또는 엔진을 구동하는 발전기로 구성되었다. 최신 용접 장비는 반도체를 사용하며 마이크로프로세서 제어 기능을 포함할 수 있다.
'''항공기:''' 민항기 및 군용 항공기 아비오닉스 시스템은 모두 에너지를 사용 가능한 전압으로 변환하기 위해 DC-DC 또는 AC/DC 전원 공급 장치가 필요하다. 이러한 전원 공급 장치는 무게 절감을 위해 400Hz에서 작동하는 경우가 많다.
'''자동화:''' 컨베이어, 조립 라인, 바코드 리더, 카메라, 모터, 펌프, 반제품 제조 등을 가리킨다.
'''의료:''' 인공호흡기, 수액 주입기, 외과 및 치과 기구, 영상 장비와 병상이 포함된다.

참조

_[1] 웹사이트 High efficiency direct coupled switched mode power supply - US Patent 4937722 Description http://www.patentsto[...] 2008-05-08
_[2] 웹사이트 Switching power supply operating at little or no load - US Patent 5402059 Description http://www.patentsto[...] 2008-05-08
_[3] 뉴스 Bipolar Power Supplies Run The Voltage Gamut https://www.electron[...] 2012-10-19
_[4] 서적 Electronics and Instrumentation for Scientists The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. 1981
_[5] 문서 전원 공급 장치
_[6] 상품 PC파워 ATX보드용-마이크로닉스 Classic II 600W +12V Single Rail 85+ 파워서플라이 다나와
_[7] 상품 PC파워 ATX보드용-잘만 EcoMax 500W 83+ 파워서플라이 다나와

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