SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 용량 계산 및 회로 구성 – 전장설계 기초 교육 CFG4

1. SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 용량 계산 및 회로 구성

출처: weidmuller홈페이지

용량계산(Capacity Calculation) 및 구성(Configuration) 카테고리를 다룰 때에는 기본적으로 필요한 것이 있습니다.

바로 메뉴얼(Manual)이죠 메뉴얼이 아니더라도 적어도 카탈로그에 우리가 필요한 내용이 적혀 있어야 합니다.

제가 개인적으로 소지만 자료만 약 50GB 정도 되는데요. 그토록 다양한 메이커와 다양한 제품들이 있고 각 부하에 따른 특성이 있습니다.

하지만, 모든 부하들이 마찬가지지만 2가지의 용도와 3가지의 특성이 있습니다. 3가지의 특성은 앞전 “part”부분 카테고리에서도 말씀드렸지만 유도성, 용량성, 저항성 부하 이고 2가지의 용도는 동력, 제어 입니다.

• 부하의 용량 계산과 구성을 알려면, 그 부하의 메뉴얼이 필요하다.
• 부하는 2가지의 용도(동력, 제어)와 3가지의 특성(유도성, 용량성, 저항성 부하)가 있다.
• 해당 Part 는 주로 콘덴서 및 다이오드 등 전자 회로가 들어가 있으며 주로 용량성 부하(SMPS)와 저항성 부하(Sensor) 유도성 부하(Solenoid valve, Servo Motor Brake)가 포함되어 있다.

1.1. SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 용량 계산

출처: weidmuller홈페이지

SMPS는 제품에 용량이 표기되어 있어 P=VI 공식을 이용하여 간단하게 계산하시면 되겠으나, 이전 글에서 용량계산시, W말고 VA나 A로 계산하라고 말씀드린적이 있을겁니다.

출처: weidmuller홈페이지

다른 W의 SMPS 는 W * 1.5배 하면 어느정도 맞는편인데, 특이하게 120W 는 240W 의 SMPS 보다 더 많은 A를 소비 합니다. (다른메이커도 거의 동일합니다.)

제품에서 말하는W는 출력을 뜻합니다. 우리가 차단기는 선정할 때, 필요한 Spec은 제품의 입력 Spec 입니다. 제가 이러한 부분으로 인해, 때문에 W 로 계산하는 것이 아닌 메뉴얼을 보고 VA 나, A를 보고 용량을 산출하라고 말씀드린 이유입니다.

• 반복적으로 말씀드리나, 용량 산출 시, 꼭 제품의 입력Spec 을 확인하여 산출.

SMPS는 주부하원이 용량성(콘덴서)와 저항성(다이오드)이기때문에, 회로보호용 차단기를 사용합니다. [회로 보호용 차단기 설명 글]

120W SMPS 의 소비전력을 보게되면, 230VAC 시, 1.26A / 110VAC 시, 2.24A 를 소비하게 됩니다. 1.26A 차단기는 없으므로 2A 차단기를 사용하시면 됩니다.

추가적으로 DC 부하단 중에서 I/O card A 계산법에 대해서 말씀 드리겠습니다. DC Line 의 부하 종류는 주로 Sensor 나 Solenoid valve 로 이루어져 있습니다. 실제로 전장설계를 하시는 분들 대부분이 Sensor 나 Solenoid valve 부하는 계산이 아닌 이전에 했던 설계도면 아니면 직감으로 하는 경우가 대부분 입니다.

이걸 대략적으로 빠르게 계산 하는 방법이 있는데, 바로 말씀드리겠습니다.

Input: Sensor가 주 부하인데 접점당 0.02A 계산하시면 됩니다.

출처: Omron 카달로그

위 그림을 보시면 중간에 “Current consumption” 라는 단어가 보이실탠데, 소비 전류 입니다. 보통의 Sensor들은 위와 같이 0.015A 정도 소비하기 때문에 약간의 여유 Spec 을 두고 0.02A 로 계산합니다.

Output: 주로 Solenoid valve와 Relay가 주 부하인데 Solenoid, Relay, LED lamp 부하에는 0.02로 계산하시면 됩니다.

출처: SMC 카달로그

Output 도 마찬가지로 위 그림 중간에 소비전력이 있습니다. 전류(A)로 계산하면
0.35W/24V=0.014A 가 소비됩니다. 위와 동일하게 약간의 여유 Spec 을 두고 0.02A 로 계산합니다.

추가적으로 Relay 도 0.015A 정도 소비하기 때문에 0.02A 로 계산하시면 됩니다.

예를 들어보겠습니다. Input card(16ch * 2ea) 2개와 Output(16ch * 2ea) 카드 2개가 있다고 가정하겠습니다.

Input: 0.02 * 32ea=0.64A
Outpur: 0.02 * 32ea=0.64A
Total: 1.28A 이므로, 1.28A 보다 큰 SMPS인 3A(24V 기준 72W) SMPS 를 사용하면 됩니다.

보통 고객사의 사양서기준, I/O 접접은 60%, SMPS 의 용량도 60~70% 만 쓰도록 되어있습니다. 그래서 Spare 접점 까지 포함하여 계산하면 자연스럽게 SMPS 용량의 60~70%를 사용합니다.
또한, 기본적으로 소비전류의 1.5배하여 계산하였기 때문에 충분히 여유롭습니다.

그 외, 나머지 DC 전류는 AC 전류 구하는 방식과 동일합니다.
(단순히 전압이 AC, DC 차이 입니다.)

• DC Line 의 부하 종류는 주로 Sensor 나 Solenoid valve 로 이루어져 있다.
• Input, Output 부하 대부분은 접점당 0.02A 로 계산한다.
• 계산한 값보다 큰 SMPS를 선정한다.

1.2. SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 회로 구성

출처: Omron 홈페이지

DC 를 구성한다는것은 SMPS에 전원을 넣는다는 것과 같습니다. 장비의 전기메인은 AC 로 공급받기 때문인데요, 결론적으로 SMPS 의 용량과 맞춰 회로 구성을 해야 합니다.

DC 30V 이하는 안전전기 이기 때문에[SMPS 설명 글] SMPS2차측은 부하별로 차단기를 달아줄 필요는 없습니다. (예를들어 Sensor 개별로 차단기를 다는 것을 뜻합니다.)
고객사의 사양 및 여러가지 사유에 의해서 SMPS 를 용도별로 구성하는데요, 예를들어 Safety용, Input, Outpur Card 용 SMPS, FAN SMPS 등 용도별로 SMPS 를 설치하시면 됩니다.

하지만 무조건 단독으로 분리해야하는 경우가 있는데요, Safety용도로 사용하는 경우는 SMPS를 단독으로 써야 합니다. 해당 경우는 보통 고객사의 사양서에 적혀있긴하지만 이유를 말씀드리면, Safety PLC 및 Controller 는 장비 구동과 관계없이 인명사고를 방치하고자 위험상황 시, 공급원 차단 목적으로 설치되어 있는 장치입니다. 해당 SMPS가 문제가 있을 시, 인명사고에 직접적인 원인이 될 수 있으므로 단독으로 설치하여 신뢰성을 높히기 위함 입니다.

그럼 SMPS(DC Line) 은 어떻게 회로 구성하는지 아래 그림으로 설명 드리겠습니다.

출처: Nalayang

1. CP: SMPS 전원 개폐목적 [회로 보호용 차단기 설명 글]
2. SMPS: AC전원을 DC전원으로 변환하는 장치[SMPS 설명 글]

해당 DC Line 은 Safety, 통신, Digital Sensor, Analog Sensor 입니다. Safety DC line 을 제외한 모든것은 합쳐도 크게 관계가 없습니다만, 혹여라도 영향을 줄수가 있어 나눴습니다.

요즘 Samsung 측에 납품하시는 분들은 Safety DC line 에 2중화 SMPS 에 다이오드모듈을 설치하여 사용하는 것으로 알고 있습니다. 이와 같이 Safety DC line 은 그 무엇보다 중요한 Line 이므로 꼭 분리하여 사용 바랍니다.

• DC line 은 안전전기로 구분되기 때문에, 부하별로 차단기를 설치하지 않는다.
• 다른 DC line 은 괜찮지만 Safety DC line 만큼은 꼭 분리한다.
  • 인명사고와 크게 관련히 있어 신뢰성 확보 목적
• Safety DC line 의 등전위접지의 목적은 AC -> DC은 SMPS 내부에서 고주파 변압기로 절연되어 있지만 절연이 파괴 될 경우, 1차측의 AC 전압이 2차측의 접지로 흐르기 때문에 2차측의 Controller 와 같은 부하단의 손상을 막기위함.