수리방법/나머지 전부

박준상 2018. 4. 23. 21:14

파워 서플라이의 동작 원리 

파워서플라이에 대한 테스트에 앞서 먼저 파워서플라이가 
어떤 단계를 거쳐 컴퓨터에 전원을 공급하는지 그림을 통해 알아보자. 
 


그림에서 보듯 컴퓨터 파워 서플라이는 다음과 같은 네부분으로 구성되어 있다. 

- 입력 EMI 필터부 
- 교류-직류(AC-DC) 정류부 
- 직류-직류(DC-DC) 변환부 
- 출력 필터 및 출력부 

그림에서 화살표의 방향이 곧 전원의 흐름이 된다. 
이제 하나하나 그 기능에 대해 상세하게 살펴보자. 



1) 입력 EMI 필터부 

일반적으로 필터라는 것은 신호를 선택적으로 차단 및 
통과시킬 수 있는 기능을 가진 회로를 말한다. 
EMI는 Electro-Magnetic Interference의 약자로 
우리말로는 전자파장해(애)라고 번역될 수 있다. 
눈치가 빠른 사람들은 대충 눈치를 챘겠지만, 
입력부의 EMI필터는 다음과 같은 기능을 수행한다. 
- 교류 입력 라인의 잡음이 파워 내부로 흘러 들어가는 것을 막는다. 
- 반대로 파워 내부의 스위칭 잡음이 교류 입력 라인으로 유입되는 것을 막는다. 
이와 같은 필터를 앞쪽에 설치하는 이유는 
각종 전자파 규격을 만족시키기 위해서 인데, 
이 전자파 규격이라는 것은 기기에서 입력 라인으로 방출되는 
전자파의 양을 규제하는 내용을 담고 있다. 이와 같은 규제가 없다면 
파워 서플라이의 스위칭시 발생하는 잡음이 
라인을 타고 들어가 집안 내 다른 기기나 기타 장치의 
동작에 영향을 주게 될 가능성이 있다. 여기서 파워 내부의 
스위칭 잡음이 무엇인지는 잠시 후에 자세히 살펴보도록 하자. 
EMI필터는 개별 부품들을 하나로 집적시켜 모듈화한 패키지형과 
개별 부품들로 구성된 일반형 두 가지가 있는데, 
사진에서 보는 것처럼 패키지형 타입이 훨씬 심플하고 고급스럽게 보인다. 
그러나, 실제로 규제를 만족하는 한 성능상의 큰 차이점은 없다. 


 
▲ 패키지 타입의 EMI 필터 

 
▲ 개별 부품으로 구성된 EMI 필터 


2) 교류-직류(AC-DC) 정류부 



EMI 필터를 거친 교류 전원은 일단, 컴퓨터나 
주변기기에서 필요로 하는 3.3V, 5V, 12V 등의 직류 전원으로 변환되기 전에 
임시 직류 전원으로 변환되는 과정을 거친다. 
여기서 말하는 임시 직류 전원이라는 것은 우리가 가정에서 쓰고 있는 
교류 전원을 정류하여 단순히 직류 전압으로 만드는 것을 말하는 것으로, 
최종 출력인 3.3V, 5V, 12V 등을 만들어 내기 위한 직류 전압이라 할 수 있다. 
사진 중앙에 보이는 정류 다이오드를 통해 정류된 전압은 바로 옆에 보이는 
정류 콘덴서를 통해 평평한 직류 전압 파형으로 만들어진다. 
나중에 설명하겠지만 이 정류 콘덴서가 파워 서플라이의 수명에 중요한 영향을 미친다. 
우리가 일반 가정에서 사용하는 아답터의 경우가 
이 정류된 임시 직류원을 사용하는 예라 할 수 있다. 
220V 교류 전원을 정류하는 경우 311V 정도의 직류 전압이 만들어지게 된다. 
파워는 이 311V의 직류 전압을 가지고 다음에 다룰 직류-직류 스위칭 변환부에서 
3.3V, 5V, 12V등의 출력 직류 전압을 만들어 내는 것이다. 

 
▲ 정류 다이오드와 정류 콘덴서로 구성된 정류부 


* 아답터와 컴퓨터 파워 서플라이의 차이점 

아답터는 일반 가정에 들어오는 220이나 
110V의 교류 전압을 직류로 바꾸어 
출력해주는 기능을 가지고 있다. 
기능만으로 놓고 볼 때 컴퓨터 
파워서플라이와 차이가 없으나 
아답터는 일반적으로 커다란 
60Hz 변압기(아답터 전체가 대부분 변압기에 해당된다)를 
사용하여 전압을 낮춘 후 정류 
다이오드라는 소자 4개로 구성된 
브리지 회로만을 사용하여 직류로 변환하고 
콘덴서로 평활하게 만든 후 이를 바로 출력으로 내어준다. 
이는 파워서플라이에서 정류부만을 거친 
임시 직류 전압을 공급하는 것과 같다고 할 수 있다. 
카세트나 전화기처럼 연결 기기의 용량이 작고(1A미만) 
필요로 하는 전압이 하나뿐인 기기의 전원으로는 
아답터가 사용될 수 있으나 컴퓨터처럼 다수의 
출력 전압과 많은 전류용량(30A 정도)을 필요로 하는 
기기의 전원으로는 아답터가 아닌 스위칭 파워 서플라이를 사용해야만 한다. 

이제 스위칭 파워 서플라이가 무엇인지 그 궁금증을 해결하기 위해 
다음 단계로 넘어가도록 하자. 



3) 직류-직류(DC-DC) 스위칭 변환부 



이 부분이 바로 파워 서플라이의 핵심이라 할 수 있는 부분이다. 
전원 회로에 대해서 잘 알지 못하는 사람들은 DC 전압을 DC전압으로 바꾸는 데 
왜 복잡한 회로가 필요한지 의아해 할 것이다. 잠시 학교에서 배웠던 
변압기라는 것에 대해서 살펴보자. 변압기란 글자 그대로 전압을 변화시키는 부품이다. 
변압기를 사용하면 100V의 전압을 50V나 10V로 변화시킬 수 있는데, 
이때의 전압은 반드시 교류이어야 한다. 직류 전압은 변압기를 통해서 
변화를 시킬 수가 없다. 바로 여기서 스위칭 회로의 필요성이 발생하게 된다. 
이 변환 과정은 개념적으로 다음과 같이 설명될 수 있다. 
수문이 있는 댐을 생각해보자. 저수지에는 많은 양의 물(전원)이 저장되어 있다. 
댐의 아래쪽에서는 시시각각 원하는 수량이 변화한다. 
댐에서는 어떻게 시시각각 변화하는 물의 수요에 맞게 물을 공급해 줄 수 있을까? 
아마도 수문을 여는 횟수와 수문을 열고 있는 시간을 수요량에 맞게 조절하면 될 것이다. 
여기서 수문에 해당하는 것이 스위치이고 
수문을 여닫는 횟수에 해당하는 것은 스위칭 주파수이며 
수문을 열고 있는 시간이 바로 통류율(Duty)이라는 것이다. 
이와 같이 출력단의 요구에 맞게 열고 닫음을 반복해주면 
직류 전압은 교류처럼 변화하고 변압기를 통과하여 출력단에서 
적절한 전압으로 변환될 수가 있는 것이다. 
변압기의 출력측에는 비교적 깨끗한 직류 신호를 얻기 위해 
저대역 통과 필터를 사용하여 스위칭 동작 과정에서 발생되는 
리플과 잡음을 제거하는 부분이 있게 된다. 이러한 과정을 거쳐 비로소 
3.3V, 5V, 12V 등의 직류 전원이 만들어지게 된다. 

 
▲ 직류-직류 변환의 핵심적인 부품인 변압기 


4) 출력 필터 및 출력부 



이 부분은 가장 마지막 단계로서 직류-직류 스위칭 변환부에서 변환되고 
1차 필터링된 직류 전원을 다시 추가적으로 필터링 하여 규격에 맞는 
깨끗한 전원을 얻어내기 위한 부분이다. 실제로 파워 서플라이를 분해해 보면 
컴퓨터로 들어가는 전원선이 연결되는 부분에 아주 빼곡히 인덕터와 콘덴서들이 
박혀있는 것을 볼 수 있는데, 이러한 소자들이 출력 필터의 기능을 하고 있는 것이다. 
자 이제, 전원을 콘센트에 꼽는 순간 교류 전원이 어떻게 파워 서플라이에서 
직류로 변환되는지를 대략적으로 이해하였을 것이다. 
비교적 단순한 과정으로 보일지 모르지만 여기에는 설명하지 않은 
많은 기술적 사항들이 포함되어 있음을 밝혀둔다 

 
▲ 도너츠 모양의 인덕터와 콘덴서들로 구성된 출력 필터부 ?? 옆의 두꺼운 전선을 통해 각각의 전압이 출력된다. 


파워 서플라이의 평가 요소 



- 인증마크를 많이 획득한 파워 
파워서플라이가 갖추어야 할 가장 중요한 요건은 바로 신뢰도라 할 수 있다. 
쉽게 말해 신뢰도라는 것은 전원 공급장치로서 안정적으로 부하에 
일정한 전압의 전원을 오랜 기간동안안 공급해 줄 수 있는 능력을 의미한다. 
그렇다면 사용자 입장에서는 이 신뢰도를 어떻게 가늠해 볼 수 있을까? 
가장 손쉬운 방법은 여러 항목(항목은 일일이 나열하기 어려울 정도로 많다.)에 대한 
테스트를 통해 거쳐 각 파워 서플라이가 어떤 인증 마크를 획득했는가를 확인해보는 것이다. 
쉽게 말해 많은 인증 마크를 달고 있는 파워일수록 혹독한 테스트를 거쳤기 때문에 
그 신뢰도에 있어 확신을 할 수 있다는 것이다. 테스트 제품으로 선정된 
대부분의 외산 유명 파워 서플라이들은 지역에 따른 다양한 국제 인증 마크를 획득하고 있었다. 
이에 비해 내수형 저가 국산 파워 서플라이들은 EMI 전자파 장해 검정과 
Q마크 등의 국내 규격 외에는 마땅한 국제 인증 마크를 획득하고 있지 못한 상황이었다. 

 
▲파워서플라이의앞부분에는규격을통과했음나타내는각종인증마크들이표시되어 있다. 


많은 인증 마크를 획득한 제품일수록 신뢰할 수 있는 좋은 제품임에는 틀림없다. 
그러나 가격적인 문제를 생각한다면 무조건 인증 마크가 많은 파워를 선택하는 것이 
최선의 선택이라고 볼 수는 없다. 
수출용이 아닌 국산 파워 서플라이들이 애써 성능을 입증하기 위해 
비싼 해외 인증 마크를 획득할 필요는 사실 없을 것이다. 
아울러 많은 인증마크를 획득한 파워일수록 가격이 높은 것은 당연하다고 할 수 있다. 
하지만 인증을 거친 제품과 거치지 않은 제품은 성능에 있어 약간의 차이라도 있음을 
누구나 쉽게 예상할 수 있을 것이다. 그 차이가 무엇인지 뒤이어 나올 
벤치마크 테스트 결과에서 자세히 살펴보도록 하자. 



- 정류 콘덴서의 사이즈 및 품질 

앞에서 정류 콘덴서의 역할에 대해서 언급하였다. 
전해 콘덴서라는 타입으로 만들어지는 이 콘덴서는 파워 서플라이의 
수명에 가장 큰 영향을 미치는 요소이다. 그 이유는 다른 부품들은 어느정도 
영구적으로 동작한다고 볼 수 있으나 이 전해 콘덴서는 시간이 지남에 따라 
내부의 전해액이 점차 증발하면서 성능이 나빠지는 특징을 가지고 있기 때문이다. 
그렇기 때문에 다른 부품들과는 달리 사진에서 보이듯 콘덴서 부품 자체에 
품질 인증마크가 달려 있는 부품이 사용되게 된다. 품질 인증 마크가 없다면 
좋은 성능의 콘덴서를 사용하지 않은 것이므로 좋은 파워라 할 수 없을 것이다. 
일반적으로 파워 서플라이의 용량에 따라서 콘덴서의 용량도 달라지는데, 
파워 용량별로 다음과 같은 용량의 콘덴서가 쓰여야 한다. 

200W = 330uF최소 
250W =470uF최대 
300W = 680uF 

 
▲ 250W~275W의 파워 서플라이에는 470uF의 정류 콘덴서가 쓰인다. 
파워 서플라이의 수명과 직결되는 아주 중요한 부품이다. 


- 퓨즈 장착 방식 

퓨즈는 파워 서플라이의 이상으로 입력 라인에서 정상치 이상의 전류가 흘러 들어갈 때 
이를 차단시켜주는 안전장치에 해당하는 부품이다. 
사진 중앙의 투명한 원형의 유리관이 바로 과전류로부터 회로를 보호해주는 퓨즈이다. 
항상은 아니지만 파워 서플라이가 고장났을 경우 이 퓨즈를 갈아주면 
정상 동작하는 경우가 있는데, 일부 저가형 파워에서는 원가를 절감하기 위해 
홀더를 사용하지 않고 납땜 처리를 해버리기도 한다. 
이 경우 사용자는 어쩔 수 없이 고장난 파워를 버리고 새로운 파워를 구입해야만 한다. 
홀더로 처리되어 있다면 간편하게 퓨즈만 교환하여 파워 서플라이를 살릴 수도 있는데 말이다. 
파워 서플라이의 선택시 퓨즈가 교환이 용이하도록 홀더로 처리되어 있는지 
살펴보는 것도 빼놓지 말아야 할 것이다. 


 
▲ 중앙 아래 원형의 투명 유리관으로 이루어진 것이 바로 회로 보호를 위한 퓨즈이다. 
사진은 홀더를 사용한 모습이나 교환이 상당히 어려운 고정식의 홀더를 사용하고 있다. 


- 주파수와 변압기 사이즈 및 제어 방식 

앞에서 직류-직류 변환을 위해 스위칭 회로와 변압기가 사용된다고 언급하였다. 
사실 파워 서플라이에서 가장 중요한 부품은 바로 이 변압기이다. 
변입기를 통해서 거의 모든 동작이 이루어진다해도 과언이 아니기 때문이다. 
넉넉하고 정확하게 제작된 변압기 일수록 큰 출력 전류에도 문제가 발생하지 않으며 
정확한 전압의 출력이 가능하기 때문이다. 또한, 변압기는 수작업으로 만들어지므로 
제품간 편차가 발생하는 요인이 되기도 한다. 그렇기 때문에 파워 서플라이 제작 업체에서는 
변압기에 대한 검사를 철저하게 수행한다. 
일반적으로 변압기는 사이즈가 클수록 성능이 좋다고 할 수 있는데, 
같은 회사의 250W급의 파워와 300W급의 파워를 비교해보면 
회로 기판에서부터 대부분의 부품이 동일하나 변압기와 정류 콘덴서에 있어서만 
그러나, 테스트 제품들은 250W에서 330W까지 모두 동일한 사이즈의 변압기를 사용하고 있었다. 
변압기 사이즈만을 고려하면 큰 사이즈의 변압기가 좋으나, 
이 또한 수문을 열고 닫는 주기로 앞에서 설명한 스위칭 주파수와 연관이 있기 때문에 
이 두가지를 종합하여 나중에 다룰 제품별 리뷰에서 자세히 살펴보도록 하자. 
제어 방식에는 크게 전압제어 방식과 전류제어 방식의 두가지가 있는데, 
이에 관해서는 과전류 보호 측면에서 전류 제어 방식이 유리하다는 것 정도만 
언급하고 넘어가도록 하겠다. 

 
▲ 중요한 부품중의 하나인 변압기 
앞쪽의 작은 변압기는 대기 모드 전원 공급용으로 사용되는 보조 파워의 변압기 이다. 


- 회로 방식 

앞서 직류-직류 스위칭 변환 회로에 대해 언급하였다. 
이 회로를 구현하는 방법에는 여러가지가 있다. 그러나, 컴퓨터용 파워 서플라이의 경우 
대부분 포워드 방식의 변환 회로를 사용한다. 테스트에 사용된 제품 모두 
이 변환 방식을 사용하고 있었다. 가끔씩 값싼 플라이백 방식을 사용하는 파워도 있으나 
250W급 이상에서는 대부분 포워드 방식을 사용한다. 
모든 파워가 동일한 방식을 사용하고 있으므로 
이 부분에 대해서는 큰 신경을 쓰지 않아도 될 것이다. 



- 팬 컨트롤 

일반적으로 대부분의 파워 서플라이는 온도에 따른 냉각팬 속도 제어 기능이 있다. 
내부 온도를 측정하여 온도가 낮으면 팬을 천천히 돌려 소음을 줄이다가 
온도가 상승하면 팬 속도를 높여 열의 방출을 빨리하는 방식이다. 
대부분의 파워 서플라이가 이러한 기능을 가지고 있으므로 
파워를 평가하는 주요 항목으로는 부적절할 것이다. 
다만 각 파워 서플라이마다 다른 점은 온도를 측정하는 지점이 어디냐 하는 것이다. 
가장 일반적인 곳은 내부의 커다란 알루미늄 방열판에 온도 측정 센서를 다는 것이다. 
파워 서플라이에서 주로 열이 방출되는 곳은 스위치(MOSFET)와 
출력측의 다이오드(정류 다이오드가 아님)이므로 이 부품들과 연결된 방열판의 온도를 
측정하므로써 정확한 시스템의 온도를 측정하여 팬 속도를 조절할 수 있다. 
그러나 방열판이 아닌 출력측의 인덕터에 센서를 연결한 경우도 있다. 
열이 발생하는 직접적인 원인은 전류에 의한 것이므로 
전류가 흐르는 인덕터에 센서를 연결하여 팬 속도를 조절하는 방식이다. 
열의 발생은 두 지점이 서로 연관이 있기 때문에 
두 경우 어느 방식이 낫다고 잘라 말하기는 어렵다 

 
▲커다란 방열판에 온도 측정 센서가 달려 있다 

 
▲ 동그란 인덕터 위에 온도 측정 센서가 달려 있다 


- 출력 전압의 파형 및 정확도 

사실 파워 서플라이의 주요 임무가 정확한 전압을 안정적으로 공급하는 것이기 때문에 
'전압 레귤레이션'이라하는 이 부분이 가장 중요한 평가 요소라 할 수 있을 것이다. 
먼저, 출력 전압에 관하여 인텔에서는 ATX/ATX12V 규약에서 다음과 같은 기준을 제시하고 있다 

 

인텔이 제시한 규약에서는 +3.3VDC의 경우 5%의 허용 범위를 제시하고 있으나 
3.3VDC에 한하여 3%의 허용 범위를 제시하는 경우도 있다. 차후 업로드 될 벤치마크에서는 
보다 엄밀한 비교를 위하여 3% 기준을 적용할 예정이다. 
출력 전압을 측정할 때는 반드시 파워 서플라이가 제시하는 최대 부하에서 측정을 하여야 한다. 
300W 파워 서플라이라면 반드시 300W 부하에서 측정해야만 그 의미가 있다고 할 수 있다. 
일반적으로 전압 레귤레이션이 가장 나쁠 때가 최대 부하가 걸려 있을 때이기 때문이다. 
이러한 사실을 미처 알지 못하고 멀티미터 등으로 무부하 상태에서 
전압을 측정하는 오류를 범하기도 하는데, 이 값은 아무런 의미가 없는 값임을 밝혀둔다. 
일반적으로 5V에 아무것도 연결하지 않았을 때 파워 서플라이는 
정상적인 5V와 12V 전압을 내지 못하는 경우가 있다. 부하가 없는 경우는 
레귤레이션을 할 수 있는 값이 없기 때문인데, 이 경우 파워 서플라이가 비정상이라고 
생각해서는 안된다. 또한, 5V출력이 없는 상황에서는 12V 전압이 나오지 않는 이유는 
5V 전압으로 12V를 레귤레이션 하기 때문이다. 
위 표에서 제시하는 레귤레이션 범위 안에 들어가는 출력을 내주는 상황이라면 
이 값이 정상값인 +3.3V, +5V, +12V에 얼마나 가깝냐 하는 것은 의미가 없다. 
일부 벤치마크에서 이를 중요하게 다루기도 하는데, 3.2V가 3.3V보다 
나쁜값이라는 식의 생각은 잘못된 것임을 밝혀둔다. 또한 3.3V가 들어가야 하는데 
3.4V가 들어간다고 해서 기기에 치명적인 악영향이 있는 것은 절대 아니라는 것을 밝혀둔다. 
최대 부하에서 레귤레이션 범위 안에 드는 출력을 내주는 파워라면 
그 값이 얼마냐 하는 것은 중요치 않다고 하겠다. 



- 효율 

효율이란 입력에 대한 출력의 비율이다. 즉 들어간 전력이 얼마만큼 효율적으로 
출력측에서 일을 하는데 쓰이느냐 하는 것이다. 일하는데 쓰이지 않은 전력은 
열로서 방출된다. 파워 서플라이에 냉각팬이 있는 이유가 바로 이 열을 식혀주기 위해서이다. 
이론적인 파워 서플라이의 효율은 100%일 것이다. 그러나 실제는 그렇지 못하다. 
내부에 스위치라는 것이 닫혀 있을 때도 거기에는 저항 성분이 있기 때문에 
여기서 손실(이것이 바로 열이다.)이 발생하여 효율은 절대 100%가 나올 수 없다. 
인텔 규약에 의하면 파워 서플라이의 효율을 최대 부하에서 68% 이상으로 규정하고 있다. 
300W급의 경우 효율 1%는 3W의 전력을 의미한다. 
효율이 5%정도 차이날 경우는 15W의 전력을 더 소모한다는 계산이 나오므로 
셀러론 CPU하나 정도를 더 달게 된다고 생각하면 된다. 겨울이야 상관없겠지만 
여름에는 15W 때문에 컴퓨터가 무척 뜨거워질 것이다.. 



- 보호 기능 

파워 서플라이는 감전이나 사고의 위험이 있는 전압을 입력으로 하고 있기 때문에 
유사시를 대비하기 위한 보호 기능이 필수적이다. 모든 파워 서플라이는 
전압 보호기능과 과전류 보호 기능을 가지고 있다. 테스트 결과를 미리 밝히면 
모든 파워 서플라이가 출력의 (+)와 (-)를 연결하였을 때, 
보호회로가 동작하여 파워가 셧다운 되었다. 즉, (+)와 (-)를 사용자가 실수로 단락했다 
하더라도 보호회로가 동작하여 파워에는 이상이 없으니 안심해도 된다. 
그러나 많이 사용하지 않는 ??5V, -12V에서 국산 파워의 한종류는 
보호 기능이 불충분한 것으로 나타났다. 또한, 정격의 150%를 인가하였을 때, 
대부분의 300W급 파워들이 심하게 타는 냄새와 이상 증세를 보였다. 
급격한 전류의 증가나 이상 전압 입력에 대해서는 보호기능을 가지고 있으나 
과전력에 대해서는 보호기능이 미흡한 것으로 판단할 수 있다. 


[참고사진]