[정보-컴퓨터] PSUs 101: 파워 서플라이 파헤치기 -하-

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

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스위칭 컨트롤러와 아이솔레이터

 

 

레귤레이터나 스위칭 컨트롤러의 주요 목적은 조정된 출력 전압을 유지하고 시스템에 도달하는 에너지의 양을 제어하는 것입니다. 이것은 PWM이 사용될 때 메인 스위처의 의무 사이클을 조정함으로써 달성됩니다. 의무 사이클은 0에서 100퍼센트까지 조정될 수 있는데, 보통 이 범위는 더 작습니다. 잘 추정해보자면(With great approximation) 출력 전압은 입력 전압과 의무 사이클의 곱이라고 할 수 있습니다.

 

             

 

PWM 컨트롤러의 전압은 지속적으로 비교되는 파워의 출력 전압을 이상적인 기준으로 참조합니다. PWM 집적회로에는 앞에서 서술한 기준과 출력 전압 사이를 비교해 뭐가 더 이득인지 비교하는 전압 에러 증폭기가 있습니다. 이 비교에 따르면, 에러 전압으로부터 펄스 폭 변환기까지는 전압 에러 증폭기에서의 에러 전압의 반응 수준으로 의무 사이클을 정합니다.

 

메인 스위처의 의무 사이클을 정하는 것 외에도 PWM 컨트롤러는 큰 돌입전류를 줄여 파워를 부드럽게 시동하는 소프트 스타트 회로, 파워를 과부하로부터 보호하는 과전류 증폭기와, 파워 시동 시, 제어 집적회로에 메인 스위처를 구동시키기엔 너무 작은 전압이 들어올 때 보호하기 위한 저전압 차단과 같은 것들이 있습니다.

 

             

 

LLC 공진형 컨버터와 챔피언 CM6901 컨트롤러를 쓰는 파워에서는 메인 스위처의 PWM 모드가 가벼운 부하에서만 작동되며 무거운 부하에서는 FM 모드가 사용됩니다. 인피네온 솔루션(ICE2HS01G)는 공진형 컨트롤러가 고정 기간 가변 펄스의 반복 비율(혹은 진동)과 같은 PFM에서 작동됩니다. PWM과의 차이는 일정한 주파수에서 가변 방형파의 폭이 다르다는 것입니다. 고주파 스위칭을 피하기 위해, 앞서 얘기한 컨트롤러가 가벼운 부하에서 미싱 사이클 모드로 사용되고, 부하가 없는 상태에선 버스트 모드로 사용됩니다.

 

 

스위칭 컨트롤러의 전압 에러 증폭기에 도달하는 직류 출력으로부터 전압 피드백을 하기 위한 절연된 피드백이 필요합니다. 전기 절연에는 두 가지 방법이 있는데, 광학(옵토커플러)과 자기(변압기)입니다. 현대 파워에서는 옵토커플러가 주로 쓰이며 전압 에러 증폭기가 2차 부분의 옵토커플러에 설치되어 있습니다.

 

스위칭 레귤레이터 토폴로지

 

제조사는 메인 스위처에서 통과할 피크 전류, 희망 효율 수준, 스위처에 가해질 최대 동작 전압, 그리고 비용에 따라 여러 스위칭 레귤레이터 토폴로지 중에서 하나를 고를 수 있습니다. 아래의 표는 여러 가지 스위칭 레귤레이터 토폴로지를 비교한 것입니다. 이에 대한 자세한 내용은 Marty Brown의 Power Supply Cookbook을 읽어보십시오.

 

 

많은 골드, 거의 모든 플래티넘과 당연히 모든 티타늄 등급의 장치에는 LLC 공진형 컨버터가 사용되었습니다. 이 컨버터는 인덕터와 콘덴서의 공진 조합을 활용하여 스위칭 FET 내의 전압과 전류의 파형을 소프트(영전압) 스위칭을 가능케 합니다. 이것은 결국, RFI와 EMI 감소와 스위칭 손실의 최소화로 이어지므로 상당한 효율 향상이 이루어집니다. LLC 공진형 컨버터는 더 높은 스위칭 속도와 더 높은 효율을 가능케 합니다. 높은 용량의 파워에서도 93~96%의 효율을 달성할 수 있습니다.

 

     

 

     

 

Texas Instruments는 주로 사용되는 토폴로지에 관한 매우 유익한 PDF 가이드를 제공합니다.

 

LLC 공진형 컨버터

 

이미 LLC 공진형 컨버터에 관해 얘기한 적 있지만, 이 회로가 효율을 높이기 위해 뭘 하는지는 말하지 않았습니다. 그러므로 어떻게 작동하는지 설명해보겠습니다. 우선, 공진형 토폴로지에는 직렬 공진형 컨버터(SRC | series resonant converter), 병렬 공진형 컨버터(PRC | parallel resonant converter), 직병렬 공진형 컨버터(SPRC | series parallel resonant converter)와 같은 세 가지 인기있는 모델이 있습니다. LLC 공진형 컨버터는 SRC의 한 종류입니다.

 

 

LLC 공진형 컨버터는 두 개의 인덕터(병렬)와 하나의 콘덴서로 구성됩니다. 이게 어떻게 작동하는지 이해하려면 회로의 공진 주파수가 무엇인지 알아야 합니다. 간단히 말해서, 공진 주파수는 회로의 유도 리액턴스가 용량성 리액턴스와 같을 때의 주파수입니다. 인덕터와 콘덴서 둘 모두의 임피던스는 서로 상쇄되어 서로의 에너지 손실을 최소화합니다.

 

LLC 공진형 컨버터에는 콘덴서가 서로 공진할 수 없는 두 개의 인덕터와 공진할 수 있기 때문에 두 개의 공진 주파수(Fr1, Fr2)를 가집니다. 메인 스위처의 스위칭 주파수(Fsw)는 더 가벼운 부하에서 주파수가 증가되거나 더 높은 부하에서 주파수가 감소되거나 혹은 Fr1(SRC 영역)보다 더 높아지는 것과 같이 Fr1과 Fr2(LLC 영역) 사이에서 달라질 수 있습니다. 이 모든 것들이 메인 스위처의 에너지 손실을 효과적으로 줄이는 영전압 스위칭(ZVS)을 위한 최고의 상태를 달성하기 위함입니다.

 

디지털 방식으로 제어되는 파워들

 

최근 몇몇 파워 제조사들은 그들의 제품에 아날로그 회로와 함께 디지털 제어 회로를 사용하기 시작했습니다. 디지털 제어기의 중요한 장점은 첫째로, 더 많은 요소를 고려할 능력이 있다는 것이고, 둘째로, 모든 데이터의 처리 속도가 향상됐다는 것입니다. 이것은 높은 효율과 거의 완벽한 부하 조절, 그리고 낮은 리플 노이즈와 함께 매우 높은 성능을 보여줍니다. 게다가 레일의 전압 또한 디지털 방식으로 제어됩니다.

 

디지털 회로의 또다른 중요한 이점은 소프트웨어를 이용하여 쉽게 파워를 제어하고 지켜볼 수 있다는 것입니다. 지금까지 우리의 벤치 차트에서 가장 높은 성능 점수를 받은 파워는 디지털 파워인데, 이를 말미암아 아날로그 회로를 쓰는 것보다 디지털 회로를 쓰는 것이 성능이 좋다는 것이 명백합니다. 그럼에도 불구하고, 아날로그 회로는 꽤 오랫동안 안정성을 입증해왔고 비용 또한 상당히 적게 들기 때문에 계속 쓰일 것입니다. 그리고 여태 모아온 정보들에 의하면 아날로그 회로가 아직은 디지털 방식과 동일한 수준의 높은 성능을 낼 수 있습니다.

 

   

 

현재로써는 100% 디지털 파워는 존재하지 않습니다. 가장 진보적인 제품도 몇몇 부품(5Vsb 레귤레이션 회로, APFC 단이나 작은 레일을 발전하는 DC-DC 컨버터)은 아날로그 회로로 제어됩니다. 파워 제조사들 사이에서 디지털 회로의 사용이 보편화되고 있으므로, 모든 환경에서 성능의 새로운 지평을 열을 디지털 파워를 사용할 수 있을 것입니다.

 

디지털 파워는 제조사의 소프트웨어를 통해 흥미로운 제어 옵션과 함께 파워의 성능과 기능에 관한 많은 유용한 정보를 제공합니다. 우리는 더 합리적인 가격대의 디지털 파워를 보기 위해 이 기술이 완성되고 생산 라인이 디지털 회로에 적응될 때까지 기다려야 할 것입니다.

 

저희가 이 지면을 끝내기 전에, 모든 디지털 파워를 사용하고 계속 사용하기 위해 전의 지면에서 언급된 토폴로지를 강조하고 싶습니다. 단 하나의 변경점은 아날로그 컨트롤러가 아닌 프로세서에 의해 제어될 것이라는 겁니다.

 

 

위의 도식은 커세어 AX1200i의 블록 다이어그램을 묘사합니다. 여러분도 보실 수 있듯이, 1차 디지털 신호 프로세서 외에도 두 2차 마이크로 컨트롤러(MCU)가 보이는데, 그 중 하나는 인터페이스의 통신을 다루고 다른 하나는 파워 2차 부분의 다양한 회로를 제어합니다.

 

파워 냉각

 

대부분의 파워에서 매우 중요한 부품은 냉각을 다루는 팬입니다. 그러나 팬을 사용하여 능동적으로 냉각하지 않는 파워도 있습니다. 팬은 (전해 캡과 같은) 민감한 부품들을 적절한 온도로 유지시킵니다. 팬은 파워의 수명을 연장시키지만 팬의 유형과 품질은 파워의 소음에 주요한 부분을 차지합니다. 팬을 제어하는 회로는 다양한 조건에서 팬의 속도와 소음 프로파일을 제어합니다. 만약 제조사가 높은 속도의 팬을 쓴다면 높은 부하에서 전체 소음이 늘어날 수 있습니다.

 

세미 패시브 작동(제로팬)

 

요즘의 많은 고효율 파워(골드 ~ 티타늄)들은 낮은 부하나 중간 정도의 부하에서도 팬을 사용하지 않는 세미 패시브모드를 특징으로 합니다. 이런 부하 환경에서는 일정 온도가 되기 전까지 팬이 작동하지 않으므로 파워의 소음이 전혀 없습니다. 이 일정 온도는 높은 효율과 낮은 열 발산으로 인해 낮은 부하에서는 도달하기 어렵습니다.

 

효율적인 세미 패시브 모드를 위해 제조사에서는 특히 높은 용량의 파워들에 큰 방열판을 집어넣습니다. 이 방열판은 팬이 작동하는 높은 온도의 환경에서 열이 효율적으로 소산하도록 해줍니다.

 

 

많은 패시브 모드의 경우 내부 발열이 높게 형성되므로 전부는 아니더라도 최소한, 저전압 수준에서도 팬이 작동되는 파워는 별로 추천하지 않습니다. 저희는 보통 수준에서 팬이 저RPM으로 도는 것이 온도를 유지하는데 훨씬 효율적이라고 생각합니다. 더욱이, 제조사가 올바른 팬을 선택했다면 저속에서도 큰 소음을 내지 않습니다.

 

안타깝게도, 몇몇 장치(예를 들어, 강력한 팬을 장착한 고용량 파워)에서는 최상의 시나리오에서도 소음이 증가합니다. 왜냐하면 강력한 팬은 높은 시동 전압을 가지는데, 이것은 가장 느리게 회전하여도 일반적인 팬보다 빨리 회전하여 일부 사용자들이 짜증낼만큼 충분한 소음을 발생시키기 때문입니다. 이 경우, 세미 패시브 작동은 낮은 부하에서도 큰 차이를 낼 수 있습니다.

 

팬 작동과 베어링 종류

 

팬 작동과 베어링 종류

 

모든 팬의 가장 중요한 부품은 팬 날개에 부착된 베어링과 샤프트입니다. 베어링은 샤프트가 도는 고정 실린더의 내부입니다. 높은 안정성과 저소음을 위해, 샤프트와 베어링 사이의 마찰을 가능한 줄여야합니다. 대부분의 경우, 주로 기름이 윤활제로 사용되지만, 다른 방법도 쓰이긴 합니다.(테프론 코팅) 만약 기름이 베어링 내부를 적절히 감싸지 않으면 빠르게 양이 줄어들어 마찰을 늘어나게 되며 이에 팬의 속도가 줄어들고, 소음이 늘어나게 됩니다. 팬이 고장나거나 작동을 멈추기 전까지는요.

 

오늘날 대부분의 파워에는 3가지 종류의 베어링이 쓰입니다.

 

• 슬리브 베어링 팬
• 더블볼 베어링 팬
• 유체 베어링(FDB) 팬과 윤활 베어링(HDB) 팬

아래에서는 각 베어링 유형에 대한 간단한 설명과 주요 측면에 대한 참조를 제공합니다. 우리는 또한 해당 베어링 유형에 대한 여러 사진을 제공할 것입니다. 이 사진들은 감사하게도 녹투아와 Caseking.de 에서 제공해 주셨습니다.

 

 

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슬리브 베어링 팬

 

요즘 파워 팬에 가장 흔히 쓰이는 것은 다른 두 베어링과 비교해 수명이 낮은 슬리브 베어링입니다. 슬리브 베어링을 사용하는 팬은 볼 베어링과 비교해 낮은 속도에서 저소음을 자랑하며 낮은 비용이 듭니다. 윤활유(기름 또는 그리스)는 베어링 내면에서 팬의 샤프트 사이의 마찰을 줄입니다. 이 윤활제가 증발하면 팬의 수명이 끝나는 것입니다.

 

    

 

     

 

 

좋은 슬리브 팬은 50도에서 3만 시간을 버팁니다. 주요 장점은 저렴한 가격이며 이 가격으로 저가 파워에서 인기입니다. 슬리프 베어링 팬은 수평 장착으로 설계되지 않았는데, 베어링 내부의 기름이 샤프트의 한 쪽으로 쏠리기 때문입니다. 그래서 균일한 마찰 방지가 되지 않습니다.

 

볼 베어링 팬

 

더 높은 품질의 팬은 마찰을 줄이기 위해 더블 볼 베어링을 사용합니다. 이 팬은 어떤 방향으로도 장착해도 수명에 영향이 없습니다. 보통 케이스에 장착하는 것처럼 수평으로 장착 시 심각한 영향을 받는 슬리브 베어링 팬과는 대조적입니다. 좋은 볼 베어링 팬의 수명은 상당히 높은 온도에서도 5만 시간 혹은 그 이상 갑니다. 하지만 대부분 팬이 멈추기 전에 닳아서 소음을 내기 시작할 것입니다. 이 시점에 사용자들에게 거슬리므로 고장나기 전에 바꾸려고 할 것입니다.

 

        

 

        

 

일반적으로 볼 베어링 팬은 로터 조립 균형에 영향을 받아 저속에서 슬리브 베어링과 FDB에 비해 높은 소음을 냅니다. 일부 제조사들은 모든 상황에서 샤프트 밸런스를 지키고 문제를 피하기 위해 자석을 사용합니다.

 

유체, 윤활 베어링팬

 

유체 베어링과 윤활 베어링은 베어링의 설계가 다르고, 윤활 유체가 온전히 유지되는(일부 좋은 슬리브 베어링 팬 또한 기름을 온전하게 유지시켜준다) 슬리브 베어링 팬의 고도로 변형된 버전이다. 즉, 장기간의 사용에도 마찰이 낮게 유지되니 5만시간은 물론 30만 시간까지 쓸 수 있다. FDB 팬의 윤활유는 둥그런 홈을 통해 베어링의 전체 표면에 발려 있으며 윤활유가 어떤 상황에서도 샤프트의 전체에 발려 있으므로 수평으로 장착도 가능하게 합니다.

 

          

 

          

 

이 종류가 원가가 높다는 것 외에 유일한 문제는, 시동 단계에서 윤활유가 베어링 상단까지 도달하기 전에는 마찰이 늘어나는 즉, 잦은 온오프에 적합하지 않다는 것을 뜻합니다.(제로팬 모드를 특징으로 하는 파워에서)

 

몇몇 제조사는 FDB와 동일한 원리를 활용하지만, 마쓰시타가 가진 특허권으로 인해 다른 이름을 가집니다. 예를 들어, HDB는 FDB와 비슷합니다. 하지만, 베어링 홈의 설계는 FDB에서 사용중인 것과 다릅니다.

 

 

 

 

다른 베어링 종류 : SSO, 라이플, Hysint
 

SSO 베어링

 

녹투아는 고품질의 냉각 솔루션으로 컴덕들에게 인기가 높아지고 있습니다. 이 회사 최고의 팬 모델은 자체 안정화 유압 베어링(SSO)이라 불리는 것을 활용하며 녹투아는 이 베어링이 15만 시간의 수명을 가진다고 주장합니다.

 

            

 

위의 사진들로 볼 수 있듯이, 베어링의 외면에는 제품의 맨 위로 길이 나지 않은 수직 홈이 있습니다. SSO 베어링은 유체 역학 압력 외에도 로터 축에 강화된 안정성을 공급하기 위해 추가 자석을 사용합니다. 이 자석은 샤프트를 안정시키기 위한 유체에 의한 동압이 충분치 않아 마찰이 증가할 수 있는 시동 단계에서 필수적입니다.

 

녹투아의 팬은 대부분 케이스와 쿨러에 사용되며 파워에 사용된 것은 아직 찾아볼 수 없었습니다. 그러나, 이 회사가 매우 흥미로운 베어링 설계를 사용함에 따라 여기서 녹투아에 대해 얘기하는 것이 최고라고 생각했습니다.

 

라이플, Hysint와 다른 베어링 종류

 

라이플 베어링은 슬리브 베어링의 강화판으로 FDB보다는 짧지만, 슬리브보다는 훨씬 긴 수명을 자랑합니다. 윤활유를 옮기거나, 퍼올려 베어링 전체 표면으로 보내는 베어링의 나선 홈이 마찰 및 소음을 감소시킵니다. 슬리브 베어링 팬과 비교해 라이플 베어링 팬은 수명에 큰 문제 없이 수평으로 달 수 있습니다.

 

            

 

            

 

Hysint 베어링은 Young Lin Tech가 만든 팬입니다. 이것은 샤프트를 통해 윤활유를 흐르게 하는 수직 홈을 비롯하여 라이플 베어링과 많은 유사점이 있습니다. 그럼에도, Hysint 베어링은 FDB나 HDB에 비하면 수명이 매우 짧습니다. 그렇지만, 슬리브 베어링보다는 길고, 수평 설치에 문제가 없습니다.

 

     

 

샤프트를 안정화시키고 마찰을 줄이기 위해 기름과 구슬 대신 자석이 들어간 에너맥스의 트위스터 베어링과 테플론으로 표면을 코팅하고 세라믹으로 만든 Y.S Tech의 신테티코 베어링도 있습니다.

 

파워 팬의 RPM 측정

 

팬의 속도나 RPM(분당 회전수)를 재는 가장 쉬운 방법은 타코미터를 사용하는 것입니다. 그러나, 타코미터의 레이저 광선이 제대로 반사되지 않는 흰색 팬의 경우나 눈으로 직접 보이지 않는(no visual contact) 팬의 경우에는 다른 방법을 쓰게 되는데, 그것은 커뮤테이션이나 팬의 모터가 내는 스위칭 노이즈를 측정하는 것입니다. 하지만 여기엔 함정이 있습니다. 저희 경험에 따르면 이 방법은 커뮤테이션 노이즈를 증가시킨 팬에만 잘 작동하고 또, 이런 것들은 주로 더블 볼 베어링을 사용합니다. 즉, 오실로스코프가 필요하다는 것입니다.

 

팬 RPM 측정을 위한 커뮤테이션 노이즈 활용하기

 

커뮤테이션 노이즈를 사용하는 방법론에 대해 얘기하기 전에, 무엇이 이 노이즈를 만드는지 얘기해봅시다. 설명은 간단합니다. 각각의 팬은 모터 안에 여러 개의 고정자 코일(보통 4개)를 가지고 있는데, 이게 팬의 회전을 담당합니다. 위의 코일 중 하나에서 다음 라인으로의 전환마다 갑작스러운 토크 펄스가 다음 코일이 켜지는 그 때 발생합니다. 이 펄스는 오실로스코프로 쉽게 잡을 수 있는 스위칭 노이즈를 발생시킵니다. 녹투아의 자료에 따르면, 높은 커뮤테이션 노이즈 레벨은 전체 팬 구조의 미세한 변형을 야기시키며, 소음이 증가할 수 있다고 합니다. 즉, 낮은 커뮤테이션 노이즈가 팬의 코일 사이에 부드러운 전환으로 이어지며, 더 조용한 작동으로 이어질 수 있다는 것입니다.

 

       

 

오실로스코프를 이용할 때 가장 먼저 해야할 것은 도구의 프로브를 팬의 전원과 교류 신호만 통과할 수 있는 교류 커플을 병렬로 연결하는 것입니다. 그런 뒤에 팬의 모터가 만들어내는 커뮤테이션 스파이크의 명확한 측정을 위해 볼트와 시간 척도를 구성해야 합니다. 그 후, 스코프를 설정하고나면 두 스파이크 사이의 빈도를 측정하는 것만 남았습니다. 모든 스코프는 이것을 자동으로 할 수 있지만, 더 쉽게 따라할 수 있도록 수동으로 해보았습니다.

 

저희 샘플 팬의 풀스피드에서 스파이크의 빈도는 160.2hz 였습니다. 이 수치에 15를 곱하면 2403이라는 분당 회전수가 나옵니다. 참 쉽죠? 여러분들이 해야할 것은 단 하나 측정된 주파수 값에 15를 곱하는 것입니다.(60/고정자 코일의 수 = 60/4 = 15) 만약 여러분의 스코프가 수학적 기능을 제공한다면, 팬의 속도를 자동으로 측정할 것입니다.

 

 

파워 보호수단

 

이번 단락에서는 파워가 자기 자신과 시스템에 해를 끼치지 않기 위해 가지고 있는 다양한 보호수단에 대해 알아봅시다. 많은 보급형 파워들은 ATX 규격 준수에 필요한 보호수단(OCP, SCP, OVP)만 가지고 있는 반면, 고가 파워들은 훨씬 더 많은 보호수단을 가지고 있습니다.

 

Power Good, PWR_OK 신호

 

ATX 규격에서 명시된 것과 같이, 파워는 power good이나 PWR_OK와 같은 지연 신호로 +5V, +3.3V와 +12V의 출력이 규정 기준치 내에 있고, 규격 내의 지속적인 동작을 보장하기 위해 컨버터에 의해 축적된 주 전원이 최소한 최대 부하에서 17ms(16ms는 PWR_OK를 저장하는데 쓰인다)동안 동작할 수 있어야 합니다. PWR_OK 지연 기간은 ATX 규격에 따르면 무조건 500ms 미만에 가능하면 250ms 미만이여야 합니다. 어쨌든, 100ms보다는 더 나올겁니다.

 

 

OCP (과전류 보호)

 

과전류 보호는 다수의 +12V 레일을 쓰는 모든 파워에서 발견되는 인기 있는 보호 장치로써 대부분의 경우에는 다른 레일들도 같이 보호해줍니다. ATX 2.2 규격에서는 각 레일에 240VA 이상의 부하가 가해진다면 OCP가 간섭해야한다고 명시되어 있습니다.(3.4.4 단락) 그러나, ATX 2.31 규격에서는 이 한계를 뛰어넘습니다. 위의 과정을 우회하기 위해, 일부 제조사들이 240VA로 평가된 많은 가상 +12V 레일을 심습니다. 그러나, 대부분의 경우에는 일부 시스템 장치(그래픽카드)가 전류를 더 쓸 수 있게 하기 위해서 OCP가 훨씬 높은 지점에서 발동하도록 설정합니다.

 

파워에 OCP를 구현하기 위해서는 션트 레지스터와 OCP를 지원하는 슈퍼바이저 IC가 필요합니다. 션트 레지스터는 낮은 저항값을 가지는 고정밀 레지스터로써 전압 강하와 레지스터에 흐르는 전류를 활용하여 파워의 출력 전류를 측정하는데 쓰입니다. +12V 와이어가 납땜된 곳의 션트 숫자를 측정함으로써, +12V 가상 레일의 숫자를 가늠할 수 있습니다. 제조사가 파워를 +12V 멀티 레일로 설계했다가 나중에 +12V 싱글 레일로 변환한 일부 경우에는 션트 레지스터 또한 같이 짧고 간단해집니다.

 

 

OVP/UVP (과전압/저전압 보호)

 

ATX 규격에 따르면, 과전압 보호 회로와 참조(circuitry and reference)는 제어 레귤레이터 회로와 참조와 별개로 구별되는 패키지에 있어야 한다고 명시하고 있습니다. 그러므로, 단 하나의 결함점도 출력에 지속적인 과전압 상태를 일으킬 수 없습니다. 즉, 모든 파워는 독립된 보호 회로를 가져야하며, PWM 제어기 단독으로 출력 전압을 관찰할 수 없습니다. UVP는 ATX 규격에 언급되지 않으므로 선택 사항이라고 하고 싶습니다.

 

여러분들이 이미 짐작했겠지만, OVP와 UVP는 각 레일의 전압을 지속적으로 체크하면서 전압이 발동점을 넘어서거나 내려가면 끊는겁니다. ATX 규격에서는 OVP를 발동시키는 최소, 일반, 최대값을 표로써 제공하고 있습니다. 규격에서는 5VSB 레일을 OVP로 보호하는 것을 추천하지만 필수는 아니라고 설명합니다. 아래에서 해당 표를 찾아볼 수 있습니다.

 

 

보시다시피, 발동점이 매우 높습니다. 제조사들은 +12V레일에 OVP를 15.6의 값으로 설정해도 여전히 규격 내라는 것입니다. 15.6V가 내 시스템에 흐른다고 생각해보세요!

 

그에 반해 UVP는 ATX 규격에 의해 제한받지 않으므로, 모든 제조사들은 IC 보호 회로를 자유롭게 설정할 수 있습니다.

 

OPP (과출력보호)

 

과출력 보호는 파워가 최대 정격 용량 이상의 전력을 낼 때 끊는 장치입니다. 일반적으로 제조사들은 파워의 과출력에 약간의 여유를 주므로 OPP의 임계값은 파워의 최대 전력에서 50~100W(더 높을 수 있음) 더한 값입니다. +12V 싱글 레일 파워에서는 OCP가 거의 의미 없으므로 OPP가 그 역할을 하여 +12V 레일이 과부하되면 파워를 끄게 됩니다.

 

OTP (과열 보호)

 

파워에 과열 보호가 있다면, 출력단의 방열판에 붙은 서미스터를 찾을 수 있을겁니다.(팬 제어 장치는 주로 같은 방열판의 서미스터를 사용한다) 서미스터는 방열판의 온도를 보호 장치에 알리고, 지정된 임계값을 초과하면 파워가 종료되게끔 합니다. 과부하나 냉각 실패의 결과로 높은 온도가 형성되므로 OTP는 파워의 더 심각한 손상을 방지합니다.

 

때로는 OTP가 요즘 대부분의 슈퍼바이저 IC에 의해 지원되지 않기 때문에 다른 방법을 통해 구현됩니다.(예를 들어 한계 온도 초과가 한번 감지되면 다른 보호장치를 건드린다던가하는) 저희는 OTP를 구현하는 많은 방식들이 결함이 있음에도 불구하고 파워에서 가장 중요한 보호장치라고 생각합니다.

 

SCP (합선 보호)

 

합선 보호는 출력 레일을 지속적으로 관찰하다가 0.1옴 미만의 임피던스가 발견된다면 즉시 파워를 종료하는 장치입니다. 그러니까, 출력 레일이 어떻게든 단선되면 이 장치가 발동하여 파워의 손상이나 화재를 막습니다. ATX 2.31 규격에 따르면, 각각의 +12V 레일에 하나씩 달려있어야합니다. 요즘에는 정상적인 파워라면 거의 다 달려나오는 장치입니다.

 

모니터링 집적 회로

 

아래 표에는 현대의 파워 출력단에 사용되는 모든 인기있는 모니터링 집적 회로을 포함합니다. 이 집적 회로는 위에서 설명한 모든 보호 기능을 다룹니다.

 

 

위의 표에서 볼 수 있듯이, 가장 중요한 보호 기능 중 하나(OTP)는 SITI의 PS223과 Weltrend의 WT7507이라는 2개의 모니터링 집적 회로에서만 지원합니다. 그렇지만, 위에서 말했듯 다른 방법으로도 이 기능을 구현할 수 있습니다.

 

ATX, EPS, And 80 PLUS 스펙

 

파워에서는 거의 모든 제조사가 특정 표준을 따릅니다. 다음 지면에서는 가장 인정받는 3가지의 규격인 ATX, EPS와 80 PLUS의 최신 버전에 대해 간단히 설명하겠습니다.

 

ATX 규격

 

ATX로 알려진 Advanced Techlonogy Extended는 인텔이 1995년에 개발한 메인보드 폼 팩터 규격입니다. 일반적으로 이 규격에 따라 컴퓨터 케이스와 메인보드, 파워를 설계합니다. 첫 ATX 규격은 1995년 하반기에 발표됐으며, 3가지 유형의 전원 커넥터를 정의했습니다.

 

1. 4핀 몰렉스
2. 4핀 FDD 커넥터
3. 20핀 몰렉스 메인보드 커넥터

 

이 규격은 대부분의 파워에서 +5V와 +3.3V 레일을 제공해야한다고 명시했습니다. 이것이 옛날 이 두 레일이 모든 전자 부품에 동력을 공급한 이유이며 +12V 레일은 팬이나 주변 기기의 모터에만 사용됐었습니다. 이 ATX 규격은 2000년까지 거의 바뀌지 않고 유지됐었습니다.

 

 

데스크탑 플랫폼 폼 팩터를 위한 모든 인텔 전원 공급 설계 가이드는 개정 명명 체계를 사용합니다. 하지만, 일부 개인과 많은 회사들은 ATX 명명 체계를 사용합니다. 예를 들어, ATX 2.31은 사실 개정 1.1이며 ATX 2.4는 개정 1.31입니다. 더 정확하게 말하자면, 인텔 파워 공급 설계 가이드 개정안은 ATX 지침을 포함하는 것입니다. 이것들은 주로 크기와 파워 설계와 같은 물리적 치수를 다루며 어쩔 땐 여기에 사용될 팬에 대한 구체적인 지침을 포함하기도 합니다. 개정안의 나머지는 파워의 성능, 효율, 내구성, 신뢰성 등과 같은 더 중요한 문제에 대해 다룹니다.

 

2000년부터 오늘날까지, 많은 개정안이 발표되었고 이 중 가장 최신인 ATX 2.4(개정 1.31)은 2013년 4월에 발표되었습니다. 이전 버전(개정 1.30)과 가장 큰 차이점은 5VSB 레일에 대한 최소 효율 권고가 느슨해진 것입니다. 새 규격에서 효율과 관련해서 더 느슨한 요구 사항을 제안하는 것은 아마 처음일 것입니다. 1.30 버전에서는 5VSB가 2.75W의 부하가 이루어졌을 때 최소한 69%의 효율을 보일 것을 권고했는데, 새 버전에서는 55% 이상의 효율만을 요구합니다. 더 정확히 말하자면, 개정 1.30 규격은 2013년 유럽 에너지 관련 제품 규정(ErP) Lot 6와 2014년, 2016년 ErP Lot 26 훈령의 요건을 고려했고, 1.31은 2013 ErP Lot 6와 2014년 ErP Lot 3만 고려하고 ErP Lot 26은 무시한 것입니다. 라이즈타임에도 약간의 변화가 있었습니다. 이전 규격에서 라이즈타임은 펄스 진폭이 10%에서 90%까지 이르기까지의 시간을 뜻하는 것이었지만, 새 규격에서는 95%까지 이르는 시간을 뜻합니다. 2차 +12V 레일의 최소 부하 조건도 1.30 버전에서는 권고만 하던 것이 필요 사항으로 추가되었습니다. 마지막으로, CFX12V, LFX12V, ATX12V, SFX12V, TFX12V와 Flex ATX 지침이 2.4 규격에서 업데이트 되었습니다.

 

EPS 규격

 

ATX 규격을 본 떠 만든 보급형 파워 규격(EPS)는 하이엔드 PC와 보급형 서버용으로 발표되었습니다. Server System Infrastructure 포럼에 의해 개발되고 발표되었습니다. 파워가 EPS 규격을 만족하려면 24핀 메인보드 커넥터와 EPS(8핀) 커넥터가 있어야합니다. 그리고 700~800W 파워의 경우 4핀 12V 커넥터를 하나 이상 가지고 있어야하며, 850W 이상은 2개 이상 가지고 있어야 합니다. EPS 규격의 최신 버전은 2.92입니다.(PDF 다운로드)

 

80 PLUS 사양

 

80 PLUS는 파워의 최대 용량의 10%, 20%, 50%, 100%가 부하되는 환경에서 최소 80% 이상의 효율을 가지고 100% 부하에서 90%이상의 역률을 가진 파워를 인증하는 단체입니다. 브론즈, 실버와 골드 인증의 경우 3가지의 부하 환경에서 역률이 90% 이상이어야합니다. 추가적으로, 서버를 위해 새로 신설된 플래티넘 수준에서는 95% 이상의 역률을 가져야합니다.

 

최초로 인증을 받고 소매 시장에 판매된 파워는 2005년 2월에 시소닉이 만든 파워입니다. 처음에는 80 PLUS 인증밖에 없었으나 2008년 첫 분기에 기준이 개정되어 브론즈, 실버, 골드 효율등급이 추가됐습니다. 요즘 새로 추가된 플래티넘과 티타늄 등급은 각각 2010년과 2011년에 추가되었습니다. 만약 더 높은 등급이 추가된다면 그 이름이 무엇일지 참 기대가 됩니다. 티타늄 등급은 거의 현대 디자인의 한계에 다다른 수준이므로 완전히 디지털화된 파워만이 더 높은 수준으로 갈 수 있다고 생각합니다.

 

저희는 80 PLUS가 처음에는 데스크탑용 파워는 115VAC만, 서버용 파워는 230VAC에만 인증을 해주던 때가 있었다고 말하고 싶습니다. 이는 2014년 4월에 변경되었으며 80PLUS는 230V 입력에 대한 인증도 추가하였습니다. 입력 전압이 높을수록 효율에 좋으므로 80 PLUS 230V는 115V보다 더 엄격한 조건을 요구합니다. 아래의 두 표에서 앞서 언급한 효율 인증 등급의 조건에 대해 찾아볼 수 있습니다.

 

 

파워 문건

 

흥미로운 파워 문건

 

이 기사는 현대 파워의 수박겉핥기 수준이기 때문에 SMPS 설계를 더 배우길 원하신다면 아래의 책 목록에서 찾아보시기 바랍니다. 이 책들을 이해하려면 전기에 대한 배경지식이 있어야하겠지만, 배움을 시작하는데 늦은건 절대 없습니다.

 

Gordon McComb and Earl Boysen: "Electronics for Dummies." Wiley Publishing, 2005 (ISBN 0-7645-7660-7).
Keith H. Billings: "Switchmode Power Supply Handbook." McGraw-Hill, 1989 (ISBN 0-07-005330-8).
Marty Brown: "Power Supply Cookbook." Newnes, 2001. (ISBN 0-7506-7329-X).
Marty Brown: "Practical Switching Supply Design." Academic Press, 1990. (ISBN 0-12-137030-5).
"Switch-Mode Power Supply Reference Manual," On Semiconductor, Rev.4, 2014
Sanjaya Maniktala: "Switching Power Supplies from A to Z." Newnes, 2006. (ISBN 0-7506-7970-0).
Sanjaya Maniktala: "Switching Power Supplies A-Z, Second Edition." Newnes, 2012. (ISBN 978-0-12-386533-5).
ATX specifications 2.31 and 2.4 (Revision 1.31).
"EPS12V Power Supply Design Guide Version 2.92."

 

결론

 

이 기사에서 모든 사람에게, 전기 공학에 배경 지식이 없는 사람에게도 유용한 정보와 함께 복잡한 부품인 파워에 대해 분석해보았습니다. 가능하다면 전자기기 설계를 비롯한 모든 주요한 부분들을 다루며 이 기사 하나로 그 복잡한 개념들을 쉽게 풀어쓰려고 했지만 여전히 너무 어려웠습니다. 그럼에도 불구하고, 다른 부품들에게 전력을 공급하는, PC에서 가장 중요한 부품인 파워의 내부에서 무슨 일이 일어나는지에 대해 저희가 여러분께 좋은 아이디어를 드렸기를 기원합니다.