다양한 옵션과 비용 효율성을 제공하는 오프보드 AC/DC 전원 공급 장치

제조 공학을 전공한, 원기 왕성했던 제가 처음 맡은 임무 중 하나는 고급 산업용 비례 적분 미분(PID) 컨트롤러를 위한 AC/DC 스위칭 전원 공급 장치를 설계하는 선임 엔지니어를 보조하는 것이었습니다. 제가 주로 하는 일은 커피 컵을 다시 채우고 브레드보드 부품을 조달하는 것이었죠. 그러나 제 선임은 인내심 있고 박식한 멘토였고 저는 몇 주 만에 전원 공급 장치를 처음부터 설계하는 방법에 대해 대학 전 학기 동안 배웠던 것보다 더 많이 배울 수 있었습니다.

그 후, 저는 유용한 스위칭 전원 공급 장치 설계 한두 개를 스스로 완성하기까지 했습니다. 비록 선임 엔지니어에게 받은(허락을 받고) 아키텍처를 기반으로 하기는 했지만 말이죠.

몇 년 후, 제가 근무하던 회사에서는 자체 제작보다는 상용 벤더에서 기성품으로 모듈식 AC/DC 전원 공급 장치를 구입하는 것이 더 비용 효율적이라는 것을 알게 되었습니다. 이로 인해 설계자로서의 즐거움은 줄었지만, 제품 사양에 가장 적합한 상용 솔루션을 선택하도록 보장하는 데 제 경험은 여전히 중요했습니다.

응용 분야에 맞는 전원 공급 장치

효율, 입력 유입 전류, 리플 및 잡음, 시동 오버슈트 전압과 같은 엔지니어링 파라미터에 대한 지식을 기반으로, 상용 솔루션을 테스트하고 검증함으로써 산업용 PID 컨트롤러의 전력 수요에 부합하고 적절한 조정과 연장된 평균 고장 간격(MTBF)을 제공하는지 확인할 수 있었습니다.

그러나 그 당시에는 각 제조업체의 솔루션 범위가 단 몇 가지 변형으로 제한되는 경향이 있었기 때문에 상용 솔루션을 응용 제품의 사양에 맞추는 것이 말처럼 쉽지 않았습니다. 뿐만 아니라, 예산 제약을 고려하면 변형의 범위는 훨씬 더 줄어들었습니다. 이는 종종 적당하게 잘 작동하는 전원 공급 장치를 선택한다는 것을 의미했지만, 대개 전형적인 타협이기도 했습니다.

예를 들어, 컨트롤러의 전류 및 전압 요구 사항을 적절히 충족하지만 특히 저부하에서 가장 효율적인 출력 범위를 벗어나 작동하는 상용 전원 공급 장치를 선택하는 경우가 종종 있었습니다. 결과적으로 추가적인 전력 손실과 열 관리 문제가 발생했습니다.

범위 확장

모듈식 전원 공급 장치의 세계는 제가 기초 설계를 시작한 이후 수십 년 동안 발전해 왔습니다. 현재, 상용 기성 솔루션의 범위는 놀라운 수준이며 예산이 빠듯해도 범위가 제한적이지 않습니다.

TRACO Power의 산업용 AC/DC 전원 공급 장치 라인을 예로 들어 보겠습니다. 이 회사는 기존의 광범위한 TXN 계열에 4개의 새로운 전력 수준을 추가했습니다. 이 장치는 이제 35와트, 200와트, 350와트 또는 800와트 출력을 제공하며 12볼트, 15볼트, 24볼트, 48볼트의 출력 전압으로 각 전력 수준에 대해 지정할 수 있습니다. 35와트 버전의 경우 3.3볼트 및 5볼트 옵션도 사용할 수 있습니다. 이러한 제품 범위의 예에는 TXN 35-124(35와트, 24볼트) AC/DC 전원 공급 장치, TXN 200-124(200와트 24볼트), TXN 350-115(350와트 15볼트)(그림 1), TXN 800-148(800와트 48볼트)이 있습니다.

그림 1: TXN 350-115 350와트 전원 공급 장치는 260볼트의 AC 입력에서 15볼트 DC를 출력합니다(이미지 출처: TRACO Power).

이 전원 공급 장치는 금속 프레임으로 제공되며 나사 단자대 커넥터를 사용합니다. 또한 회사에서 제공하는 케이스형 AC/DC 제품 계열 중 비용 효율성이 가장 뛰어납니다. 특징에는 3000볼트 AC(VAC) 강화 I/O 격리, 전도 및 방사 방출을 줄이기 위한 내부 EN55032 클래스 B 필터, 100와트 이상의 능동 역률 보정(PFC), IEC/EN/UL 62368-1 안전 승인, 전자기 호환성(EMC)에 대한 EN 61000-3-2 준수가 포함됩니다. 이 장치는 강제 냉각을 위한 내부 팬도 갖추고 있습니다.

경쟁력 있는 가격으로 강력한 성능 제공

그러나, TRACO Power TXN 계열의 비용 효율성이 성능 저하를 의미하지는 않습니다. 예를 들어 TXN 350-115는 90VAC ~ 260VAC의 입력 범위와 -30˚C ~ 70˚C의 작동 온도를 제공합니다. 또한 330와트의 최대 출력 전력에 대해 22암페어(A)의 최대 출력 전류(I_out(max))를 기준으로 13.5볼트와 15.5볼트 사이의 조정 가능한 공칭 출력 전압(V_out(nom))을 공급합니다.

230볼트 입력에 대해 능동 PFC는 0.95입니다. 전압 설정 정확도는 ±1%이고, 조정은 10% ~ 90% 의 부하 변동에 따라 1% 변화하며 출력 전압 리플은 최대 150밀리볼트 피크 투 피크(_mVp-p)입니다(그림 2). 이 전원 공급 장치는 110% ~ 160% I_out(max) 출력 전류 제한과 110% ~ 140% V_out(nom) 과전압 보호를 제공합니다. MTBF는 230,600시간입니다.

그림 2 : TXN 350-115는 150mVp-p의 최대 출력 전압을 제공하여 EMC 문제를 완화하는 데 도움을 줍니다(이미지 출처: TRACO Power).

TRACO Power 장치의 평평한 효율 곡선은 제가 젊은 시절 저사양 전원 공급 장치를 사용할 때 겪었던 온도 및 전력 손실 문제를 완화하는 데 도움이 되었습니다. 약 20%의 상대적으로 낮은 부하에서도 TXN 350-115는 75%가 넘는 효율성을 나타냅니다(그림 3).

그림 3 : TXN 350-115는 20% 이상의 부하에 대해 75%가 넘는 효율성을 나타냅니다. 이는 전력 손실 문제를 완화하는 데 도움을 줍니다(이미지 출처: TRACO Power).

결론

저는 오프보드 AC/DC 산업용 전원 공급 장치를 처음부터 설계하는 것을 좋아했지만, 기성 솔루션을 사용하면 프로젝트 시간을 절약하고 엔지니어링 팀이 최종 제품의 다른 측면에 집중할 수 있습니다. 또한 오늘날의 전원 공급 장치 옵션은 매우 다양하기 때문에 거의 모든 응용 제품에 최적의 성능과 효율성을 제공하는 솔루션에 매우 근접한 솔루션을 조달할 수 있습니다.