이 글은 출처의 글을 번역한 것으로 전기 공학에 대한 몰이해로 인한 용어와 문장 자체의 오역이 있을 수 있습니다.

출처 : https://www.tomshardware.com/reviews/power-supplies-101,4193.html

PSUs 101: 파워 서플라이 파헤치기 -중- 바로가기

 

소개

PSU에 대해 아는 것 하나 없는 여러분들을 위해 처음부터 설명하겠습니다. 이 기사에서 PSU(파워)란, (Power Supply Unit | 전원 공급 장치)의 줄임말이며, 현대 사회에서 PC(컴퓨터)만이 SMPS를 사용하게 된 이래로 SMPS(Switching mode power supply | 스위칭 동작에 의한 전원공급 장치)라고도 합니다.

 

당신은 CPU, 그래픽카드, 하드, SSD 등 다른 부품에 전원을 공급하는 매우 중요한 부품인 파워를 컴퓨터의 심장이라 생각할 것입니다. 파워가 망가진다면, 다른 모든 부품에 영향을 끼칠 것입니다. 만약 파워의 질이 좋지 않아 파워의 보호 기능이 부족하다면, 파워가 고장일 때 다른 부품들에 손상을 일으킬 수도 있음에도, 많은 사람이 이를 무시합니다. 그들은 남는 돈을 내 컴퓨터에 적절한 파워를 고르는 것 대신, 사람들은 다른 부품들을 먼저 상향시킵니다. 만약 이런 실수를 범한 적 있다면, 이 기사를 읽고 난 후 컴퓨터 견적을 짤 때 다른 생각을 가지게 될 것입니다. 하지만, 이 기사는 초심자들을 위해 전반적인 파워에 대한 정보를 제공하는 것을 넘어 숙련자들에게도 유용한 정보를 제공해 줄 것입니다.

 

다음 부분에서는 스위칭 전원 변환에 대해 간단한 설명을 하겠습니다. 또한 파워 생산 공정뿐만 아니라 현대 전자기기 생산 전반에 쓰이는 가장 중요한 전자 부품에 대해 잠깐 언급할 것입니다. 다음 페이지에서 파워를 더 잘 이해하기 위해 인덕터, 콘덴서(캐퍼시터), 레지스터, 트랜지스터와 다이오드에 관한 간단한 개념에 대해 배울 것입니다. 그다음으로, 스위칭 전원 변환에 대한 내용이 파워가 조립될 때의 다양한 과정에 대해 간단히 설명할 것입니다. 그런 다음, 요즘 많이 쓰이는 스위칭 레귤레이터 토폴로지에 대해 간단히 설명합니다. 몇몇 분들은 신경 쓰지 않겠지만, 좋은 파워에서는 팬이 가장 먼저 작동을 멈추는 부품이므로, 쿨링 팬에 대해서도 잠깐 얘기해보겠습니다. 그러곤, 보호회로에 대해 잠깐 다루고 마지막으로 ATX, EPS와 80 PLUS 스펙에 관해 얘기할 것입니다.

 

이는 전자 제품에 관한 유익한 시간을 될 것이며 이 기사를 다 읽을 때쯤 당신이 파워의 부품에 대해 더 잘 알아볼 수 있는 가치 있는 지식을 얻게 될 것이라고 자신합니다. 게다가, 파워에 대해 스스로 판단할 수 있게 될 것입니다.

다음 부분에서, 파워에 쓰인 가장 중요한 전자 부품, 인덕터, 변압기, 콘덴서, 레지스터, 트랜지스터와 다이오드에 대해 간단히 설명하겠습니다. 이 필수 지식은 전자 제품에 대한 배경지식이 없는 분께 SMPS의 내부 부품을 분석하는 데 도움을 줄 것입니다.

 

인덕터와 변압기

인덕터 혹은 유도 코일은 자기장에 전기 에너지를 저장합니다. 인덕터는 많은 전자 제품에 쓰이지만, 파워에서는 특히 중요한 역할을 차지합니다. 인덕터는 간단하게 선을 철, 페라이트 또는 공기로 구성된 코어 주변에 감싼 것입니다. 그들의 쓰임에 따라 코일, 초크, 솔레노이드 등과 같은 여러 이름을 가지고 있습니다.

그래서 인덕터가 어떻게 일을 할까요? 전체적인 개념은 간단합니다. 전류가 인덕터를 통과할 때, 자기장이 선 주위로 생성됩니다. 모든 전류의 변화는 자기장에 영향을 주며 이는 인덕터 전체에 전압을 유도합니다. 그 전압은 초기 전류의 반대 방향으로 전류 흐름을 생성합니다. 인덕턴스(유도 용량)으로 알려진 이 속성과 이를 측정하는 헨리는 꽤 큰 단위로, 문서에서는 주로 밀리 헨리나 마이크로 헨리로 표시됩니다.
 

인덕터에 대해 기억해야 할 점은 다음과 같습니다.

• 그들은 자기장에 전기 에너지를 저장한다.
• 그들은 처음 직류가 적용될 때는 개방 회로 역할을 하지만 잠시 후에는 자유롭게 통과시킵니다.
• 그들은 전류 변화에 반대합니다.

 

 

이제, 변압기에 대해 살펴봅시다. 일반적으로 인덕터는 차폐되어 그 자기장이 다른 부품들의 같은 회로와 상호 작용하지 않지만, 두 차폐되지 않은 인덕터를 나란히 배치하고 한 쪽에 교류를 넣으면, 현재 인덕터뿐만 아니라 다른 인덕터의 자기장에서도 전압이 유도됩니다. 전압을 유도하는 과정에서 두 번째 인덕터는 상호 인덕터스라고 불립니다. 만약 당신이 전류를 한 인덕터에 통과시킨다면 근처의 다른 인덕터에서도 전압이 생성된다는 것입니다.

변압기는 최고 수준의 상호 인덕턴스를 가진 같은 코어 재질로 감긴 두 인덕터 혹은 코일에 지나지 않습니다. 전류를 통과시키는 코일을 1차 코일이라고 하고, 전압을 유도하는 코일을 2차 코일이라고 합니다. 변압기는 전격적으로 두 회로를 격리하고 전압을 승압시키거나 강압시킵니다.

 

콘덴서

콘덴서는 전압을 안정시키는 데 사용되며 그 과정은 리플 필터로도 알려져 있습니다. 이것들은 저장소로서 축전과 직류 전원을 막기 위해 쓰이기도 합니다. 콘덴서 하나는 절연체인 유전체로 분리된 두 금속판으로 구성되어 있습니다. 콘덴서의 가장 주목할 기능 중 하나는 전압의 변화에 저항한다는 것입니다. 즉 콘덴서에 인가된 전압이 갑작스럽게 바뀌어도 콘덴서는 즉각 반응하지 못하고 콘덴서에 흐르는 전압은 인가된 전압에 비해 더 천천히 변한다는 것입니다.

 

파워에서 콘덴서는 1차 부분과 2차 부분 모두에 사용됩니다. 1차 부분은 교류 전원이 들어오는 변압기 전의 부분을 뜻합니다. 2차 부분은 변압기를 거친 후 실제 직류를 생산하는 부분입니다. 이건 SMPS 부분에서 더 설명하도록 하겠습니다.

 

콘덴서는 직류를 막기 전 매우 짧은 시간 동안 통과시킵니다. 반대쪽에서는 교류가 자유롭게 흐르지만 변화하고 정류된 형태를 가집니다. 우리는 콘덴서가 저장할 수 있는 용량을 패럿이라고 부릅니다. 하지만, 패럿은 너무 큰 단위라 주로 마이크로패럿(uF)이나 피코패럿(pF)을 씁니다. 게다가, 콘덴서의 용량에서 가장 중요한 두 특징은 작동 전압과 온도 등급(그리고 극성을 가진 콘덴서의 경우 음의 리드 표시)입니다.

 

파워에서 최고의 전해 콘덴서에는 섭씨 85도보다 수명이 긴 105도의 콘덴서가 고려되는 편입니다. 물론 콘덴서 제조사가 관건인데, 여기엔 일제 콘덴서가 항상 선호됩니다.

콘덴서는 구조와 소재에 따라 여러 종류로 나뉩니다. 가장 흔한 종류는 유전체, 필름, 세라믹, 전해, 유리, 탄탈륨과 폴리머입니다. 파워에서는 전해 콘덴서와 폴리머 콘덴서를 주로 볼 수 있고, 과전류 필터나 APFC(Active Power Coreection Factor)단에서는 Y(세라믹)와 X(알루미늄 폴리머)가 쓰입니다. 그 어떤 경우에도 Y 콘덴서는 전선과 접지(혹은 샤시) 사이에 위치하며 항상 쌍을 이루지만 X 콘덴서는 전선을 가로질러(전선과 중성자 사이를 연결) 배치됩니다. X 콘덴서는 전하를 꽤 오랫동안 유지하려는 경향이 있어 교류 전압이 없어지면 블리더 저항이 그들을 빠르게 방전시키곤 합니다. Y 캡이 합선되면, 사용자가 감전될 확률이 높고, X 캡이 합선되면 화재의 위험이 있습니다.

두 콘덴서를 병렬 배치하면 정전 용량이 늘어나는 반면(밑의 1번 방정식), 직렬로 연결하면 총 정전 용량이 줄어듭니다.(밑의 2번 방정식)

완벽한 콘덴서는 전기 흐름에 방해되는 저항이 없어야 합니다. 하지만 세상은 완벽하지 않기 때문에 모든 콘덴서는 약간의 저항값을 가지며 질 좋은 콘덴서는 그 값이 약간 더 낮습니다. 캡의 저항은 등가 직렬 저항(ESR, Equivalent Series Resistance)이라고 불리며 성능에 큰 영향을 끼칠 수 있습니다.

 

우리가 파워의 고장 원인을 밝히려 할 때 캡의 정전 용량만으로 판단해서는 안 됩니다. 적절한 도구를 사용하여 ESR을 확인해봐야 합니다. 많은 경우 용량은 정상이지만 ESR이 완전히 달라 나쁜 성능을 냅니다. 또한, ESR의 증가는 캡의 작동 온도에 지대한 영향을 끼쳐 성능 저하와 수명을 매우 단축합니다. 전해 캡의 작동 온도가 10도만 올라가더라도 예상 수명이 줄어들므로 전해 캡의 온도가 최대한 낮게 유지되는 것이 중요하다고 보입니다.

콘덴서의 중요한 사양을 축약하면 다음과 같습니다.

• 작동 전압(오랫동안 초과되면 캡이 망가지며 큰 폭발음을 낼 수 있다.)
• 작동 온도
• 정전 용량
• 오차(백분율로 표현되어 캡의 정전 용량이 공칭 수준에 얼마나 가까운지 보여준다.)
• 극성(전해 캡용)
• ESR
• 리플 전류
• 누전(나쁜 절연 저항에 의해 유전체를 통해 누전)
• 크기(큰 캡은 열을 더 쉽게 방출하는 것 외에도 더 많은 유전 용량을 가진다.)

리플전류와 캡 수명 계산

리플전류는 캡의 수명을 측정할 가장 중요한 요소입니다. 아래에서, APFC 변환기에서 쓰이는 대부분의 캡에서 어떻게 리플전류를 측정하는지 예시를 보여줄 것입니다. 대부분의 캡이 5V_pp의 리플전압을 가지고, 이 캡의 ESR이 0.5Ω이라고 가정해봅시다. 계산의 편의를 위해, ESR이 일정하게 유지된다고 합시다(ESR은 주파수 의존적이기 때문입니다). 먼저 V_pp 값을 V_rms 로 변환해야 합니다. (V_rms = V_pp × 1/  √2= V_pp × 0.7071)

 

따라서 우리의 경우 다음과 같은 식이 나옵니다.

V_rms = 5V × 0.7071 = 3.5355 V_rms

 

우리가 해야할 건 이제 이미 아는 ESR과 옴의 법칙(I = V/R)을 사용하여 rms 리플전류를 구하는 것입니다.

3.5355 V_rms / 0.5Ω = 7.071A

위의 리플전류값은 꽤 높은 것으로 대부분의 캡에 높은 부하량이 가해질 것입니다. P = I² × R 의 방정식을 사용하면 25W (7.071² × 0.5Ω)를 캡이 소화해야하므로 곧 매우 뜨거워질 것입니다. 이 경우에는 캡의 온도를 적당히 유지하기 위해 매우 강력한 냉각 팬이 필요합니다.(이는 소음 수준이 올라간다는 것을 뜻합니다) 가장 리플전류를 억제할 효율적인 해결법은 리플전압을 줄이는 것과 적절한 ESR 값을 가진 콘덴서를 선택하는 것입니다.

 

캡의 수명을 간단하게 계산하는 것은 매우 중요합니다. 우리가 사용할 기본 방정식은 다음과 같습니다.

L₂ = L₁ x (V_r/V_o) x 2^x   

 

위 방정식에서

x는 (T_m-(T_a+ΔT))/10이고

T_a는 주변 온도를 나타내고

T_m은 콘덴서의 최대 가용온도

ΔT는 리플전류에 의해 증가된 콘덴서의 온도

V_r은 콘덴서의 최고 내압

V_o는 콘덴서의 작동 전압

L₁은 제조업체에 의해 제공된 기대수명

L₂은 현재 사용 조건에서의 기대수명입니다.

 

APFC는 능동 역률 조정 계수를 나타내고, APFC 변환기는 전류 파형을 전압 파형과 일치하도록 만듭니다. 이것은 파워가 다양한 전압 입력에 호환되도록 해줍니다.

이제 420v의 최대 내압을 가지고 105도의 최대 가용온도를 가진 2000시간짜리 전해 캡이 있다고 해봅시다. 이 콘덴서를 직류 버스가 약 380VDC이고 내부 온도가 50도를 유지한다고 가정하고 리플 전류에 캡의 온도가 10도 정도 상승하는 APFC 변환기 내부에서 사용할 때 기대 수명 계산 방정식은 다음과 같습니다.

L_{2 =} 2000 x (420/380) x 2^4.5 ≈ 50,019 hours

 

온도가 40도라면 다음과 같습니다.

L_{2 =} 2000 x (420/380) x 2^5.5 ≈ 100,037 hours

위 예시들은 10도의 차이가 전해 캡의 수명에 2배 차이를 낸다는 것을 보여줍니다. 게다가 105도의 최대 가용온도를 가지는 콘덴서가 85도의 최대 가용온도를 가지는 콘덴서보다 4배 더 긴 수명을 가집니다.

 

콘덴서 제조업체 티어 리스트

폴리머 캡의 경우, 모든 종류가 전해 캡보다 높은 가용온도로 인해 파워의 사용에는 좋다고 판단됩니다. 전해 캡에서는 파워 내부의 열 축적으로 인한 온도 상승(그러나 대부분 리플 전류에 의해)에 크게 영향을 받기 때문에 일본산 캡이 가장 안전하고 좋은 질을 자랑합니다. 이게 일본 캡이 항상 선호되는 이유입니다.

 

하지만, 일본산 콘덴서를 사용하기엔 두 가지 문제가 있는데, 가격이 높다는 것과 가끔 유용성에 문제가 있다는 것입니다. 대부분의 파워 공장은 중국에 위치해서 일본으로부터 콘덴서를 수입하려면 추가적인 시간과 배송료가 필요합니다. 하지만, 우리는 일본 기업들이 중국에 제조 시설을 갖추고 있다고 믿습니다(대만 제조업체들과 함께). 그러므로, 어쩌면 이는 그리 심각한 문제가 아닐 것입니다. 물론, 그래도 중국 파워 회사들이 중국 공장에서 생산된 캡을 가지는게 더 쉬울겁니다. 대부분의 고급 파워들이 일본산 캡만 사용한다는 것을 고려하면, 일본산 캡에 유용성 문제가 생길 확률이 높습니다, 이에 반해 중국산 캡은 더 많은 수량을 제공할 수 있습니다.

일본산 캡을 쟁여놓고 오랫동안 쓰는 것이 캡의 성능에 심대한 영향을 끼치기 때문에 많은 양을 주문할 수 없다는 것을 고려하면 상황은 더 심각해집니다. 전해 캡은 특정한 조건 아래 보관되어야 하며 특히 SMPS에 들어가는 부품의 경우 저장 기간이 특정 임계 값을 초과하면 안 됩니다. 만약 권장 저장 기간이 초과하면 콘덴서는 (ESR과 용량 측정도 포함해서) 하나하나 체크해야 할 필요가 있습니다. 많은 경우, 그들은 운영상의 문제를 피하고자 개선해야 할 필요가 있습니다. 그리고 개선 과정에 돈과 장비가 필요하기 때문에 생산 비용은 더 커집니다.

 

 

다양한 파워 제조업체와 엔지니어들로부터 정보를 수집하고 정독한 후에 우리는 캡의 출신 부분 외에도 당신이 염두에 두고 있는 작업에 적합한 캡을 쓰는 것도 중요하다고 하고 싶습니다. 예를 들어, APFC 단에 380V의 캡을 설치한다면, 이 캡이 좋은 캡이래도, 변환기의 직류 버스의 최대 전압과 큰 차이가 없기 때문에 더 빨리 망가질 것입니다. 게다가, 대부분의 제품이 그러하듯, 모든 캡 제조사들은 다른 성능과 기대 수명을 가지는 제품의 포트폴리오를 가지고 있습니다. 따라서 좋은 제조사 외에 당신도 돌리고자 하는 프로그램에 걸맞는 기술적 사양을 가진 제품군을 선택해야 합니다. 물론, 이건, 캡뿐만 아니라 모든 전자제품에 들어가는 부품에도 적용됩니다. 하지만 파워 내부의 좋지 않은 부품을 선택하면 누구도 원치 않는 결과가 더 빨리 나타나게 될 것입니다.

 

 

다양한 파워 제조사와 RMA 통계에 지식이 있는 관계자들과 우리의 경험에 따르면 이 3티어 콘덴서는 최선의 선택은 아닐 수 있지만, 이 밑에 나올 것들보다는 나은 선택입니다.

• Jamicon
• CapXon

위에서 언급되지 않은 나머지 콘덴서 브랜드를 이 그룹에 다 넣었습니다. 만약 현재 파워에서 이들 중 하나의 브랜드가 보인다면, 제조사가 품질보다 원가 절감을 최선의 목표로 두었다는 것을 알아두면 됩니다. 주로 저가 파워에서 자주 볼 수 있는 브랜드들만 언급하였지만 다른 많은 저가 캡 브랜드가 존재하며 이름 없는 파워, 어쩌면 알만한 브랜드에서도 그것들을 찾아볼 수 있을 겁니다.

• G-Luxon
• Su'scon
• Lelon
• Ltec
• Jun Fu
• Fuhjyyu
• Evercon