KR101492133B1 - 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공진형 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 두 개의 변압기와 두 개의 공진용 인덕터 및 두 개의 공진용 커패시터로 이중 공진회로를 구성하고, 변압기의 2차측을 센터탭으로 결합시키고 두 개의 정류 다이오드와 한 개의 평활용 커패시터로 정류회로를 적용한 공진형 하프브릿지 전원장치에서 두 개의 공진용 커패시터의 전압을 각각 반파 정류하며 두 개의 다이오드로 합하여 효율적인 과전류 보호회로를 구성함으로써 높은 신뢰성과 고효율의 전원장치를 구현한 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치를 제공한다.

Description

과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치{SWITCHING POWER SUPPLY WITH OVER CURRENT PROTECTION CIRCUIT}
본 발명은 스위칭 전원장치에 관한 것으로, 특히 이중 공진회로와 두 개의 병렬 변압기를 사용하는 공진형 하프브릿지 전원장치에서 두 개의 공진 커패시터의 전압을 이용한 과전류 보호회로를 구성하여 전원장치의 높은 신뢰성과 고효율 설계를 용이하게 수행할 수 있도록 하는 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치에 관한 것이다.
일반적으로 스위칭 전원장치는 안정된 전압을 공급하면서 많은 전력을 변환시키기 때문에 전력손실이 반드시 발생하게 된다. 내부에서 발생된 손실은 대부분 열로서 발산되기 때문에 발생 열에 비례하여 전력변환 효율이 낮아지게 되고, 경우에 따라서는 제품의 수명을 단축시키는 요인이 된다. 또한 서버나 고속연산, 대규모 정보처리를 수행하는 중대형 컴퓨터용 대용량 전원장치의 경우에는 전력변환 효율뿐만 아니라 전원장치의 사이즈가 제한받게 되어, 제품 개발 단계에서 체적과 부피, 무게를 줄일 수 있는 설계와 제조방법이 절실히 요구되고 있다.
전력용량을 전원장치 제품의 체적으로 나눈 것을 일반적으로 전력밀도라고 한다. 전력밀도가 높다는 것은 제품의 외형 사이즈에 비해 좀 더 많은 전력용량을 갖고 있다는 뜻이며 시스템 사이즈를 소형화시킬 수 있는 가능성이 더욱 높아진다. 일반적으로 전력밀도를 높일 수 있는 방법은 크게 세 가지가 존재한다.
먼저, 스위칭 주파수를 높이게 되면 주파수에 민감한 소자들의 사이즈가 변하게 된다. 변압기와 커패시터와 같은 전력저장 소자들은 주파수가 높아지면 에너지 저장에 대한 부담이 줄어들게 되기 때문에 사이즈를 줄일 수 있고, 따라서 제품의 사이즈를 좀 더 소형화시킬 수 있다.
다음으로는 전력변환 효율을 높이는 것이다. 전력변환 효율이 높아지면 발열량이 줄어들고, 발열량이 줄면 히트싱크나 전도체의 사이즈가 줄어들기 때문에 전원장치의 사이즈를 소형화시킬 수가 있다.
마지막으로는 제품의 구성방법과 최적 배치 기술을 이용하는 것이다. 전원장치에서 사용되고 있는 수백 개의 소자들을 최적의 상태로 배치 배열하는 것은 제품의 소형화와 신뢰성에 매우 밀접한 관계가 있으며, 특히 변압기와 인덕터와 같은 자성체 코어를 사용하는 소자의 배치와 배열은 매우 중요한 결과를 갖는다.
최근 공진형 하프브릿지 컨버터는 공진형 스위칭 기술을 이용하기 때문에 스위칭 손실을 저감시켜서 고효율 전력변환이 가능하다는 장점이 있으나 출력전력이 증가함에 따라서 대전력의 변압기를 사용하는 경우에는, 변압기를 구성하는 마그네틱 코어의 사이즈가 증가하여 전원장치의 소형화에 걸림돌이 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 두 개의 코어를 사용하여 변압기의 높이를 낮추고 출력전력을 높일 수 있는 병렬형 변압기 구성이 주목받고 있다.
그러나 이러한 종래의 방법은 단순한 병렬구조를 갖는 변압기 구성방법이기 때문에 전원장치의 과전류 보호회로를 구성하기 위한 변압기 1차측 전류를 검출하기 어렵고 결과적으로는 이상전류 상승에서는 전원장치를 보호하기 어려운 문제점이 있다.
Reza Beiranvand, Bizhan Rashidian, Mohammad Reza Zolghadri, and Seyed Mohammad Hossein Alavi, "A Design Procedure for Optimizing the LLC Resonant Converter as a Wide Output Range Voltage Source", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 8, AUGUST 2012, pp. 3749-3763. Shih-Yu Chen, Zhu Rong Li, and Chern-Lin Chen, "Analysis and Design of Single-Stage AC/DC LLC Resonant Converter", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 59, NO. 3, MARCH 2012, pp. 1538-1544. Sihun Yang, Seiya Abe, and Masahito Shoyama, "Design Consideration of Two Flat Transformers in a Low-Profile LLC Resonant Converter", 8th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia May 30-June 3, 2011, pp. 854-859. S. De Simone, C. Adragna, C. Spini, "Design guideline for magnetic integration in LLC resonant converters", SPEEDAM 2008 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, pp. 950-957. A. Hillers, D. Christen and J. Biela, "Design of a Highly Efficient Bidirectional Isolated LLC Resonant Converter", 15th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2012 ECCE, pp. DS2b.13-1-8.
따라서 본 발명의 목적은 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 두 개의 변압기와 공진 소자의 최적 배치를 제공하여 스위칭 전원장치의 높이를 낮추고 박형화시킬 수 있는 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 스위칭 전원장치에 비해 내부전력손실을 저감시킴으로써 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율 전원장치를 제공할 수 있는 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 두 개의 공진 커패시터의 양단 전압을 각각 반파정류하고 두 전압을 분배하고 합쳐서 전파정류의 전압으로 복원하여 출력전류에 비례하는 전압검출회로를 구성하여 과전류로부터 전원장치를 보호하기 위한 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치는, 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 전원장치의 출력에서 요구하는 전력을 분배하여 구성함으로써 전원장치의 높이와 체적을 줄일 수 있어서 고효율의 공진형 스위칭 전원장치를 구성하는데 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치는, 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 스위칭 전원장치에 비해 전류의 경로를 나누어 흐르게 되고 따라서 내부전력손실을 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율의 공진형 스위칭 전원장치를 제공하는데 특징이 있다.
또한, 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치는, 입력전원과 직렬로 연결된 두 개의 스위치(Q1, Q2); 상기 두 개의 스위치(Q1, Q2) 사이의 노드에 병렬로 연결된 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2); 상기 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2)와 각각 직렬로 연결되고, 공통으로 접지에 연결되며, 2차측이 센터탭 구조로 연결된 두 개의 변압기(T1, T2); 상기 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측과 접지 사이에 각각 직렬 연결된 공진용 커패시터(CR1, CR2); 상기 두 개의 변압기의 2차측에 각각 직렬로 연결된 두 개의 다이오드(D1, D2)를 포함하는 전파정류기; 상기 2차측의 센터탭 출력과 접지 사이에 연결된 하나의 평활용 커패시터(CO); 및 상기 공진용 커패시터(CR1, CR2)의 전압을 반파정류하고, 가산한 후, 가산된 전압의 교류성분을 제거하고 전파정류의 전압으로 복원하여 출력전류에 비례하는 전압을 검출하는 전압검출회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치는, 상기 2차측의 센터탭 출력 전압을 분배하고, 기준전압과 비교하여 제어전압을 발생하는 제어회로; 상기 제어회로의 제어전압을 주파수로 변환하는 전압-주파수 변환회로; 및 상기 두 개의 스위치를 적정한 주파수에서 동작하도록 제어하는 스위치 구동회로;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의 상기 전압검출회로는, 상기 공진용 커패시터(CR1, CR2)에 각각 연결된 두 개의 저항(Rb1, Ra1)과 두 개의 커패시터(Cb1, Ca1)를 포함하는 디커플링부; 상기 디커플링부의 전압을 반파 정류하는 두 개의 다이오드(Db2, Da2)를 포함는 반파정류부; 상기 반파정류부에서 반파 정류된 전압을 합치는 두 개의 다이오드(Db1, Da1)를 포함하는 가산부; 상기 가산부의 교류성분을 제거하는 저항(R2) 및 커패시터(C2)를 포함하는 고주파필터부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 스위칭 전원장치에서 병렬형 변압기를 사용할 수 있도록 두 개의 변압기와 공진 소자의 최적 배치를 제공하여 스위칭 전원장치의 높이를 낮추고 박형화 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 두 개의 변압기를 병렬로 사용하여 한 개의 변압기를 사용하는 공진형 스위칭 전원장치에 비해 내부전력손실 저감시키고 결과적으로는 전력변환 효율을 개선하여 스위칭 전원장치의 내부 발열을 낮추고 높은 신뢰성을 갖는 고효율의 공진형 스위칭 전원장치를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 두 개의 공진 커패시터의 양단 전압을 각각 반파정류하고 두 전압을 가산회로를 거쳐서 전파정류의 전압으로 복원하여 출력전류에 비례하는 전압검출회로를 구성하여 과전류로부터 전원장치를 보호하기 위한 과전류 보호회로를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의 바람직한 실시예를 보인 회로도,
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의 주요 파형도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치를 나타낸 회로도이고, 도 2는 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의 바람직한 실시예를 보인 회로도이며, 도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의 주요 파형도이다.
이하, 도 1 내지 도 3d를 참조하여 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치는 두 개의 공진용 커패시터(CR1, CR2) 및 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2)를 갖는 병렬 변압기(T1, T2)와 전압검출회로(100)를 구비한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치는 먼저, 입력전압(Vs)이 전원장치에 공급이 되면, 제어회로(미도시함)에 의해서 두 개의 스위치(Q1, Q2)가 50%의 시비율(Duty Ratio)로 번갈아 고속으로 스위칭 되며, 그 결과 두 스위치(Q1, Q2) 중앙의 노드에는 입력전압(Vs)의 크기에 해당하는 펄스전압이 인가된다.
두 스위치(Q1, Q2) 중앙의 노드에 인가된 펄스전압은 두 개의 공진 커패시터(CR1, CR2), 두 개의 공진 인덕터(LR1, LR2) 및 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측에 존재하는 자화인덕턴스에 의해 전류와 전압이 공진함으로써 정현파 형태로 변환되며, 변압기(T1, T2)의 2차측에서는 공진 전류가 변압기 권선비(NP1 : NP2, NS1 : NS2)에 의해 크기가 변환된다.
크기가 변환된 정현파는 두 변압기(T1, T2)의 2차측 센터탭 권선구조와 두 개의 평활용 다이오드(D1, D2)에 의해 전파 정류된 전류파형으로 출력단에 공급되고, 평활용 커패시터(Co)에서 일정전압(Vo)으로 유지되면서 일정한 직류전압으로 변환되고, 최종적으로 부하저항(RL)에 공급된다. 따라서 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치는 직류-직류 변환시키는 스위칭 전원장치로서 역할을 수행하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 구비한 스위칭 전원장치에 구비되는 상기 전압검출회로(100)는, 과전류 보호를 위하여 출력전류에 비례하는 전압을 검출한다. 먼저, 본 발명에 따른 스위칭 전원장치는 LLC 공진형 하프브릿지 컨버터 중에서도 특히 공진용 인덕터를 공유결합 하는 두 개의 인덕터(LR1, LR2)를 포함한다. 이 두 개의 공진 인덕터(LR1, LR2)는 두 개의 변압기(T1, T2)와 직렬로 결합되고, 또한 변압기(T1, T2)에 두 개의 공진 커패시터(CR1, CR2)의 일측 단자가 직렬로 결합되며, 타측의 단자는 접지로 결합되는 병렬 변압기형 LLC 공진형 컨버터이다.
전압을 검출하기 위한 전압검출회로(100)는 각각 직렬로 연결된 두 개의 변압기(T1, T2)와 두 개의 공진 커패시터(CR1, CR2) 사이에 병렬로, 저항(Rb1, Ra1)과 커패시터(Cb1, Ca1)를 각각 직렬로 연결한 디커플링부를 구성한다. 따라서 두 개의 공진용 커패시터(CR1, CR2)의 양단전압이 두 개의 반도체스위치(Q1, Q2)의 교번동작에 의해 전압 및 전류공진할 때, 이 공진용 커패시터 전압은 디커플링부에서 각각 직류전압이 제거되고 교류전압만 선택된다. 이어, 디커플링부에서 선택된 교류성분 전압은 디커플링부에 연결된 두 개의 다이오드(Db2, Da2)로 구성되는 반파정류부에 의하여 각각 반파정류되고, 반파 정류된 전압은 두 개의 다이오드(Db1, Da1)로 구성된 가산부에 의하여 합쳐친다.
이때, 가산부에서 합쳐진 전압에서 고주파 스위칭 리플성분을 제거하기 위하여, 저항(R2) 및 커패시터(C2)로 구성된 고주파필터부를 가산부에 각각 병렬로 연결하여 구성한다.
도 2는 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의 바람직한 실시예를 보인 회로도로서, 도 1의 회로에 출력전압을 일정하게 제어하기 위한 제어회로(200) 및 전압-주파수 변환회로와 스위치 구동회로를 포함하는 전압제어발진기(300, Voltage Controlled Oscillator; VCO)를 더 구비한다. 제어회로(200)는 병렬 변압기(T1, T2) 2차측 센터탭의 출력전압을 분배하고 기준전압과 비교하여 적정한 제어전압을 발생하며, 전압제어발진기(300)는 제어회로(200)의 제어전압을 주파수로 변환하여 두 개의 스위치(Q1, Q2)를 적정한 주파수에서 동작하도록 제어한다.
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하면, 제어회로(200)는 출력전압을 두 개의 저항(Rd1, Rd2)으로 분배하고, 비교기(IC2)를 통해 기준전압(VREF)과 분배된 전압을 비교하여 적정한 제어전압을 발생시킨다. 상기 제어회로(200)의 제어전압은 전압제어발진기(300)로 인가된다.
전압제어발진기(130)는 전압-주파수 변환회로와 스위치 구동회로를 포함하여 구성되는데, 두 개의 스위치(Q1, Q2)가 적정한 주파수에서 동작하도록 제어함으로써 결과적으로 본 발명에 따른 스위칭 전원장치가 안정된 출력전압을 얻을 수 있도록 한다. 한편, 전압검출회로(100)에서 얻어진 전압(CS)은 전원장치의 출력전류(iO)에 비례하는 전압으로서, 전압제어발진기(300)에 인가되어 출력전류(iO)가 정상적인 동작범위 내에서 동작하는 경우 전압제어발진기(300)가 정상적인 전압제어 발진 및 스위칭 구동동작을 수행하도록 하고, 출력전류(iO)가 정상적인 출력전류를 초과하게 되면 전압검출회로(100)에서 얻어진 전압(CS)이 상승하게 되어 전압제어발진 동작을 멈추게 되도록 하여, 공진형 하프브릿지 컨버터의 비정상적으로 높아진 출력전류에 대한 보호회로로서 동작한다.
도 3a 내지 도 3d은 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치의 주요 파형도로서, 도 1의 회로도에서 얻어진 이상적인 동작파형을 나타낸 것이다.
먼저, 도 3a에 도시한 그래프는 공진 커패시터 전류(iLR)의 파형도로서 입력전압(Vs)의 크기에 해당하는 펄스전압이며, 도 3b의 청색 그래프 및 적색 그래프는 각각 두 개의 공진용 커패시터(CR1, CR2) 또는 두 개의 공진 인덕터(LR1, LR2)의 전류(iCR1, iCR2)를 나타낸 것이고, 도 3c의 적색 그래프 및 청색 그래프는 변압기(T1)의 1차측 및 2차측 전압(VP1, VS1)을 나타낸 것으로서, 두 개의 공진 커패시터(CR1, CR2), 두 개의 공진 인덕터(LR1, LR2) 및 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측에 존재하는 자화인덕턴스에 의해 전류와 전압이 공진함으로써 2차측 전압이 정현파 형태로 변환됨을 나타낸다.
도 3d의 그래프(IO)는 변압기(T1, T2)의 2차측 센터탭 권선구조와 두 개의 평활용 다이오드(D1, D2)에 의해 전파 정류된 전류(iO)의 파형으로서, 도 3a 내지 도 3d의 이론적인 파형으로부터 본 발명에 따라 병렬로 구성된 두 개의 변압기(T1, T2)가 모두 정상적인 동작을 수행하고 있음을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 과전류 보호회로를 구비한 스위칭 전원장치는 두 개의 공진 커패시터의 양단 전압을 각각 반파정류하고, 두 전압을 가산회로를 거쳐서 전파정류의 전압으로 복원하여 출력전류에 비례하는 전압검출회로를 구성하여 과전류로부터 전원장치를 보호하기 위한 과전류 보호회로를 제공한다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 입력전원과 직렬로 연결된 두 개의 스위치(Q1, Q2);
    상기 두 개의 스위치(Q1, Q2) 사이의 노드에 병렬로 연결된 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2);
    상기 두 개의 공진용 인덕터(LR1, LR2)와 각각 직렬로 연결되고, 공통으로 접지에 연결되며, 2차측이 센터탭 구조로 연결된 두 개의 변압기(T1, T2);
    상기 두 개의 변압기(T1, T2)의 1차측과 접지 사이에 각각 직렬 연결된 공진용 커패시터(CR1, CR2);
    상기 두 개의 변압기의 2차측에 각각 직렬로 연결된 두 개의 다이오드(D1, D2)를 포함하는 전파정류기;
    상기 2차측의 센터탭 출력과 접지 사이에 연결된 하나의 평활용 커패시터(CO); 및
    상기 공진용 커패시터(CR1, CR2)에 각각 연결된 두 개의 저항(Rb1, Ra1)과 두 개의 커패시터(Cb1, Ca1)를 포함하는 디커플링부와, 상기 디커플링부의 전압을 반파 정류하는 두 개의 다이오드(Db2, Da2)를 포함는 반파정류부와, 상기 반파정류부에서 반파 정류된 전압을 합치는 두 개의 다이오드(Db1, Da1)를 포함하는 가산부 및 상기 가산부의 교류성분을 제거하는 저항(R2) 및 커패시터(C2)를 포함하는 고주파필터부로 구성되어, 상기 공진용 커패시터(CR1, CR2)의 전압을 반파정류하고, 가산한 후, 가산된 전압의 교류성분을 제거하고 전파정류의 전압으로 복원하여 출력전류에 비례하는 전압을 검출하는 전압검출회로;를 포함하는 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 2차측의 센터탭 출력 전압을 분배하고, 기준전압과 비교하여 제어전압을 발생하는 제어회로;
    상기 제어회로의 제어전압을 주파수로 변환하는 전압-주파수 변환회로; 및
    상기 두 개의 스위치를 적정한 주파수에서 동작하도록 제어하는 스위치 구동회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과전류 보호회로를 갖는 스위칭 전원장치.
  3. 삭제
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