파워 서플라이의 이해 - 부품편

'파워 서플라이의 이해 - 부품편'이라는 제목의 글입니다. 출처는 http://www.xfastest.com/viewthread.php?tid=10411&extra=&page=1

지 금까지 컴퓨터를 구입할때 파워 서플라이는 홀시하기 쉬운 부품의 하나였습니다. 하지만 그 각 전압 출력 스펙이나, 전압 안정성이나, 이상 현상 발생시 보호 기능 등이 상당하 중요한 지위를 차지하고 있는데, 왜냐하면 본체에 내장된 모든 컴퓨터 부품이 필요로 하는 전력은 전부 파워 서플라이에서 공급하는 것이며, 동시에 각 부품의 다른 상태에 따라 소모 전력에 의해 출력 부하를 조절하게 되고, 장시간 사용과 풀로드 출력의 안정성 등도 고려해야 합니다. 또한 서플라이가 고장을 내거나 이상 증상이 발생했을때 시스템 보호를 위한 조치를 즉각 취하여 과전압과 과전류로 인해 부품이 손상되는 일을 막아야 합니다. 또한 전세계 에너지 부족 현상에 따라 새로운 파워 서플라이는 위에서 설명한 특성 위에도 높은 전환 효율을 추구하게 되었는데, 80 PLUS 같은 인증이 파워 서플라이가 높은 효율을 받았다는 증거가 될 수 있을 것입니다.

자주 보이는 컴퓨터용의 파워 서플라이의 기능은 교류 전기(AC 110V/220V)를 입력받아 격리형 교환식으로 전압을 낮추는 회로를 통해 각종 장치에서 필요로 하는 저전압 직류 전기: 3.3V, 5V, 12V, -12V와 컴퓨터의 대기 모드에 필요한 5V Standby(5VSB)로 전환해주는 것입니다. 모든 파워 서플라이는 고압을 견뎌야 하고 큰 효율을 내는 부품과 저전압과 컨트롤 신호를 처리하는 작은 출력의 부품이 동시에 갖춰져 있습니다.

파워 서플라이의 전체 과정은 교류를 입력받아→EMI 필터 회로를 거쳐→정류 회로를 통과하여→역률 보상 회로(액티브 혹은 패시브 PFC)→출력 1차(고전압측) 온/오프 회로 전환 펄스→주요 변압기→출력 2차(저전압측) 정류 회로→전압 정류 회로(자성 확대 회로나 DC-DC 전환 회로)→필터(평활 수출 필터, 인덕터와 캐패시터로 구성) 회로→파워 관리 회로 모니터링 출력. 이렇게 됩니다. 그림으로 하면 다음과 같습니다.



아래는 교류 입력단 EMI 필터 회로에서 자주 보이는 부품들을 소개하도록 하겠습니다.

교류 입력 콘센트



교 류 전기를 외부에서 파워로 입력받는 제일 관문입니다. 전력선에서의 간섭을 막아, 파워 서플라이가 동작 시에 만들어내는 교환 노이즈가 전력선을 통해 외부로 흩어저 다른 전기 장치를 간섭하는 현상을 피하기 위해, 모두 교류 입력 부분에는 1~2개의 EMI 필터가 설치되어 있습니다. 그 기능은 하나의 낮은 통과 필터로서 교류 전기 중에 포함된 고클럭 노이즈 측로나 유도 그라운드이며, 60Hz 정도의 파형만 통과하게 합니다.

위 사진에는 중앙에 일체형 EMI 필터 전원 커넥터가 있습니다. 필터 회로가 철 케이스 안에 모두 내장되어 노이즈가 밖으로 새는것을 막기에 매우 효과적입니다. 오른쪽에는 회로 기판에 제작하는 EMI 필터 회로러서 통상적으로 메인 기판 안에 설치하기에 깊이가 부족할때 이렇게 장착합니다. 철제 케이스가 없기에 일부 노이즈가 밖으로 노출될 수도 있습니다. 왼쪽은 소켓은 Cx와 Cy 캐패시터(나중에 소개)를 장착하여 만든 것으로서 이런 종류의 설계를 사용하는 파워는 EMI 필터 회로를 일반적으로 메인 회로 기판에 장착합니다. 만약 메인 회로에 EMI 필터 자리가 비어있다믄 그것은 부품을 대대적으로 생략했다는 것을 의미합니다.

현재 120mm 팬을 사용하는 파워 서플라이의 내부 공간이 일체형 EMI 필터를 설치할만한 공간이 안나오기에 대부분의 파워들이 왼쪽이나 오른쪽에 쓰인것과 같은 방법을 많이 사용하고 있습니다.

X 캐패시터(Cx)



EMI 필터 회로에 쓰이면서 L과 N 사이에 위치한 캐패시터로 저압 리플 방지를 위해 사용됩니다. 이렇게 직사각형으로 생긴 것은 X나 X2라고 써져 있습니다.

Y 캐패시터



Y 캐패시터는 FG(퓨어 그라운드)와 L/N 사이에 있으며 고압 리플 방지를 사용합니다.

컴 퓨터 파워 서플라이의 FG점과 금속 케이스, E(그라운드)와 출력단 0V/GND와 같이 연결되며, 따라서 그라운드가 연결되지 않았을때 2개의 직렬 연결된 Cy 캐패시터가 전압을 나눠 파워의 일반 전위차(Vin/2)를 출력하면서 사람이 만졌을 경우 감전 현상을 일으킬 수 있습니다.

교류 연결 초크



이 초크는 필터 회로에서 직렬 연결되어 L과 N에 위치하며, 전력선의 저압 리플을 막고 노이즈를 줄입니다. 일부 파워의 입력단에는 마그네틱 코어를 휘감는 방식으로 설계를 하였는데 이것 역시 간단하게 Common mode 초크가 됩니다.

그 외관은 고리 형태와 변압기와 비슷한 사격형 형태가 있는데 부분적으로 밖에 돌출된 선의 묶움을 볼 수 있습니다.

모든 공통 노이즈는 L/N 선이 그라운드 E 사이에 대해 존재하는 노이즈를 가리키는 것이고, 상태 나오지는 L과 N 선 사이의 노이즈를 가리킵니다. EMI 필터의 기능은 주로 이들 두 노이즈를 없애는 것입니다.


EMI 필터 회로 뒤에는 보호 회로와 정류 회로가 있는데 자주 보이는 부품은 다음과 같습니다.

퓨즈



퓨 즈는 거기에 흘러가는 저류 값이 안정 한도를 넘었을때 불타버리는 방식으로 퓨즈가 연결된 뒤쪽의 회로를 보호합니다. 일반적으로 파워 서플라이에 사용되는 휴즈는 빠르게 용해하는 형태인데 일반적인 폭발 방지형 퓨즈보다 사용하기에 더 좋습니다. 일반적인 휴즈와의 제일 큰 차이점은 퓨즈 바깥이 하얀색 세라믹 관으로 둘러 싸여져 있으며 내부는 방화 재질로 채워져 있어 퓨즈가 끊어지면서 불이 나는 것을 막습니다.
 
회로 위에 설치되는 방식에 따라 사진 제일 위쪽의 고정식(양쪽 끝을 회로 위에 직접 납땜하는 방법)과 사진 중간의 소켓식(금속 클립으로 고정하는 방법)으로 나뉩니다. 사진 아래쪽의 직사각형은 온도 퓨즈로서 이런 종류의 퓨즈는 출력이 큰 시멘트 저항이나 출력 부품의 방열판에 고정되어 있습니다. 중요 용도는 온도가 너무 높이 올라가는 것을 막아 부품이 과열로 인해 손상되거나 불이 나는 것을 막는 것입니다. 이런 종류의 퓨즈 역시 전류 퓨즈와 같이 사용되어 전류와 온도 두가지 부분에서 이중으로 보호하게 됩니다.

NTC



파 워 서플라이가 전원과 빠르게 연결되는 순간, 그 내부의 고압 캐패시터가 전기가 없는 상태가 되면 충전 간격 동안 지나치게 큰 전류 서지(surge)가 발생하면서 회로의 전압이 떨어져 브릿지 정류기 부품 등에 너무 큰 전류가 흐르거나 혹은 파괴됩니다. MTC는 L이나 N 선에 직렬로 연결되어 사용되며, 기동시에 내부 저항값이 충전시의 전류치를 제한하게 되며, 부하 온도 계수의 정의는 그 전기 저항의 온도에 따라 올라가거나 낮아지기에, 전류의 흐름에 따라 본체의 온도가 올라가면 저항값이 따라 줄어들어 불필요한 출력 소모를 피하게 됩니다.

그러나 그 단점은 파워가 열을 받은 상태에셔 켜질때 그 보호 효과가 줄어든다는 것인데, 저항이 온도에 따라 줄어들어 여전히 효율을 소모하기 때문입니다. 따라서 현재 고효율 파워는 대부분 더 진부된 잠재적 보호 회로를 사용합니다.

그 외관은 대부분 검은색과 어두운 녹색의 동그런 형태입니다.

MOV



가 변 저항은 퓨즈 뒤의 L과 그라운드 사이에 연결되며 그 작동 원리는 두쪽의 전압 차이가 정해진 전압 값보다 적을때 본체가 높은 저항값을 가지게 되고, 전압 차이가 정해진 값보다 지나치게 벗어날 경우 본체의 저항 값이 급속히 낮아져 L-N 사이가 단선 상태로 바뀝니다. 앞쪽의 퓨즈는 단선이 되면 높은 전류가 흐르면서 녹아 끊어지면서 뒤쪽의 회로를 보호하게 됩니다. 간혹 본체에 주어지는 출력이 지나치게 클 경우에도 자폭하면서 사용자에게 문제가 있음을 경고하게 됩니다.

통상적으로 파워 서플라이의 교류 입력 부분에 쓰이며, 교류 입력시 발생하는 과전압에 따라 퓨즈를 끊어 내부 부품을 보호하는 역할을 합니다. 그 색과 외관은 Cy 캐패시터와 매우 비슷하지만 부품 위쪽에 써져 있는 이름이 다릅니다.

브릿지 정류기



내부에 4개의 다이오드를 서로 연결시켜 만든 브릿지 정류기입니다. 그 기능은 입력받은 교류에 전체 필터 정류를 거쳐 뒤쪽의 교환 회로에서 사용할 수 있도록 공급해 주는 것입니다.

그 외관과 크기는 부품에 설정된 전압과 전류에 따라 차이가 있습니다. 일부 파워 서플라이에는 방열판이 부착되어 장시간 작동에서의 안정성을 높여줍니다.


정류 과정 후에는 출력단 1차쪽 교환 회로에 들어가게 되는데 여기의 부품이 파워 서플라이의 각 레일의 최대 출력을 결정하게 됩니다. 파워 서플라이에서 상당히 중요한 부분이라 할 수 있겠습니다.

스위칭 레귤레이터



교환 회로에서 무접점 고속 전자 스위칭을 하기 위해 컨트롤 신호에 따라 통과와 절단을 하여 전류의 흐름을 결정하게 됩니다. 액티브 PFC에서 1차측 회로에 이르기까지 중요한 역할을 합니다.

스 위칭 부품의 회로 조성 방식에 따라서 2칩 순방향식, 반 브릿지식, 풀 브릿지식, 추천식 등 출력에 따라 다른 방법이 사용되는데, 파워 서플라이의 높은 효율을 추구하기 위해서입니다. 또한 스위칭 레귤레이터를 동기화 정류 회로의 구성에서 DC-DC 강압 회로에도 사용합니다.

사진 중에 윗줄은 자주 쓰이는 IN MOSFET(N형 금속 산화 반도체 전계효과 트랜지스터)이고, 아래는 NPN BJT(Bipolar Junction Transistor))입니다.

변압기



변 압기를 사용하여 높고 낮은 전압을 분리하고 에너지 교환을 병행하기 때문에 격리형 교환식 강압 파워 서플라이라고 부릅니다. 고/저압 회로가 고장났을때 누설 전류가 발생할 위험을 피할 수 있을 뿐만 아니라 간단하게 여러 종류의 전압 출력을 만들 수 있는 장점이 있습니다. 그 작동 클럭이 비교적 높고 변압기의 체적을 일반적인 교류 변압기보다 작게 만들 수 있습니다.

변압기의 출력 전달로가 좁기 때문에 현재 출력이 큰 파워 서플라이는 변압기를 여러개 사용하는 설계를 채택하여, 단일한 변압기에서 발생하는 포화 현상과 출력 제한을 피하고 있습니다.

사진 위쪽의 작은 변압기는 보조 전원 회로에서 신호 전달 용으로 쓰이는 펄스 변압기이고, 아래쪽의 큰 변압기들은 주요 출력 변압기에서 원형의 2차측 조정용 변압기입니다.

변압기로 각 경계를 분리시켜 2차측의 출력 전압은 1차측보다 상당히 낮습니다. 하지만 정류, 조정과 필터 평활 회로 등을 거쳐야만 컴퓨터 부품들이 필요로 하는 각종 직류 전기가 됩니다.

다이오드



파워 서플라이 내부에서 각 부분 회로의 요구에 따라 출력의 크기와 다른 종류의 규격을 사용하는데, 일반적인 실리콘 다이오드 외에도 SBD, FRD, ZD 등이 있습니다.

FRD는 주로 액티브 PFC와 출력 1차측 회로에서 쓰이며, SBD는 출력 2차측과 변압기 출력의 병행 정류에서, ZD는 전압 레퍼런스 용으로 사용합니다.

사진 중의 다이오드가 자주 쓰이는 패키지 방식입니다.

인덕터



초 크 코일 인덕터는 마그네틱 코어의 구조, 인덕터스 값, 회로에 설치되는 위치에 따라서 교환 회로의 저장 부품, 자성 확대 회로의 전압 조정 부품, 2차측 정류 끝부분의 출력 필터로 사용되며, 파워 서플라이에서 광범위하게 쓰이고 있습니다.

사진 중의 초크 코일 인덕터는 막대기 형태와 원형이 있는데 인덕터스 값과 전류 접수 능력 등에 따라 감겨진 선의 밀도가 달라집니다.

캐패시터



초 크 코일 인덕터와 마찬가지로 캐패시터도 역시 에너지를 저정하는 것부터 시작하여 연속 파형의 평활 작용을 하는 부품입니다. 정류 후의 고압 직류를 받아들이기 위해 고내압 전해 캐패시터를 파워 서플라이의 1차측 회로에 사용합니다. 출력 다음에 전해 캐패시터의 연속 충/방전시 손실을 낮추기 위해 2차측 회로에는 대량의 높은 온도에 잘 견디고 수명이 길며 저항이 낮은 전해 캐패시터를 사용합니다.

캐패시터 내부에 화학 물질(전해액)이 있는 관계로 작동 온도가 전해 캐패시터의 수명에 상당한 영향을 줍니다. 따라서 장시간 작동시에 파워 서플라이에 좋은 쿨링 환경을 유지하는것 외에도 전해 캐패시터의 메이커와 베품군이 파워 서플라이의 안정적인 작동과 수명에 영향을 줍니다.

그림 중에 아래쪽의 큰 캐패시터는 1차측의 고내압 전해 캐패시터이고 위쪽은 2차측과 주변 컨트롤 회로에 쓰이는 작은 캐패시터들입니다.

저항



저항은 회로에 지나친 전류가 흐르는 것을 막아주는 용도로 쓰이며, 파워 서플라이가 꺼진 후에 캐패시터 내부에 축적됐전 전하를 해방하면서 전기 충격 사고가 일어나는 것을 막아줍니다.

사진 왼쪽에는 효율이 큰 시멘트 캐패시터로 큰 출력을 감당할 수 있으며, 오른쪽에는 일반적으로 사용되는 저항으로 줄의 색에 따라 저항값과 오차가 달라집니다.


상술한 부품들로 회로를 구성해도 컨트롤 회로가 없다면 그 기능을 발휘할 수 없습니다. 각 출력에도 모니터링 관리가 필요하며, 어떤 이상이 발생했을때 출력을 차단하여 컴퓨터 부품을 보호할 수 있습니다.

각종 컨트롤 IC



파 워 서플라이 내부의 IC는 장착 위치와 그 용도에 따라 나뉩니다. PFC 회로에 쓰이건, 출력 1차측 PWM 회로에 쓰이거나, PFC/PWM 혼합 컨트롤러로 쓰이거나, 보조 전원 회로용 통합 부품이거나, 전원 모니터링 IC 등등.

PFC 회로용: 액티브 역률 보상 회로의 컨트롤에 사용합니다. 파워 서플라이가 일정한 출력을 유지하도록 합니다.

출 렬 레벨 1차측 PWM 회로용: 출력 레벨 1차측 스위칭 래귤레이터 드라이버가 PWM 신호를 만들때 파워 출력 상태와 그 Duty Cycle을 조절합니다. 일반적으로 UC3842/3843 시리즈의 PWM 컨트롤 IC가 자주 쓰입니다.

PFC/PWM 혼합 컨트롤러: 상슬한 2가지 컨트롤러를 하나의 IC에 모두 내장하여 회로를 간단하게 만들고 부품의 수를 줄였으며 크기를 늘려 고장률을 낮춥니다. 자주 사용되는 CM680X 시리즈가 PFC/PWM 혼합 컨트롤 IC입니다.

보조 전원 회로용 혼합 내장 부품: 파워가 꺼진 후에도 보조 줜원 회로는 계속하여 출력할 경우가 있기에 반드시 독립적인 시스템으로 만들어 줘야 합니다. 그 출력 W가 그리 큰건 필요없기 때문에 업계에서는 작은 출력의 내장형 부품을 그 핵심 부품으로 사용하는데, PI의 TOPSwitch 시리즈가 있습니다.

전원 관리용 IC: 각 출력의 UVP(저전압 보호), OVP(과전압 보호), OCP(과전류 보호), SCP(단락 보호), OTP(과열 보호) 모니터링과 보호 기능을 병행하며, 설정된 값을 넘어선다면 설정된 컨트롤 회로를 꺼버림으로서 파워 서플라이의 출력을 정지시키고 고장 인소가 사라진 후에 다시 작동시킵니다.

그 밖에도 제조사들이 자신에게 필요한 것에 따라 IC를 장착하는데, 팬 스피드 컨트롤 IC 등이 있습니다.

optic coupler



optic coupler의 주요 용도는 고압 회로와 저압 회로 사이에서 신호를 전달하는 것으로서 기타 부품과의 격리를 유지하여 고장이 났을때 고/저압 회로 사이에 이상 전류가 흐르는 것을 막아 저압 부품의 파손을 피하게 됩니다. 그 원리는 발광 다이오드와 optic coupler를 사용하여 광 신호를 전달하며 이들 사이에 전기 회로의 연결이 없기에 두 회로 사이의 격리를 유지하게 됩니다.

출처 : 기글하드웨어 - http://gigglehd.com/zbxe/special/1072361