파워서플라이
1. 개요
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사진은 마이크로닉스에서 출시한 컴퓨터용 전원장치
파워서플라이는 외부에서 들어오는 전류를 필요에 맞게 변환해서 컴퓨터나 기타 전자제품에 전원을 공급해주는 장비이다.
2. 역할
이름이 전원공급장치인 만큼 컴퓨터의 전기 공급을 책임지는 중요한 부품으로, 쉽게말해 '''사람의 심장'''과 같은 역할을 한다고 보면 된다. 주로 교류를 직류로 변환하는 DC Power Supply가 대다수로, 특수한 용도로는 직류를 교류로 변환하거나, 직/교류 변환 없이 전류나 전압만 조정하는 물건도 있다.
전원공급장치는 높은 기술력이 필요한 다른 부품[1]에 비해서 비교적 간단한 지식과 기술력, 공장만 있으면 어느 회사나 만들 수 있는 부품이다. 전자공학을 배우다 보면 가장 간단한 직류 전원 장치는 '''다이오드 1개만 납땜해도''' 만들 수 있다는 것을 알게 된다. 사실 다이오드가 정류작용을 한다는 것은 중학교 기술가정교육만 들어도 알 수 있을 수준이다. 비교적 제작이 간단한 부품이니만큼 많은 회사가 많은 종류의 제품을 내놓고 있다.
3. 특성
원가 절감이나 같은 가격으로 품질을 높이는 게 많이 힘든 편이다. 각 회사들이 자기 나름대로의 연구를 통해 어느 정도는 품질을 개선시키고 있지만 큰 차이를 내는 건 어려운데 왜냐하면 기본적으로 전자소자들을 수입해 이를 회로에 조립하는 식으로 제조되기 때문이다. 즉, 축전기나 다이오드 같은 소자의 가격을 절감하거나 같은 가격으로 성능을 향상시키는 것이 거의 불가능한 관계로 결국 EMI 필터나 커패시터 같은 주요 부품을 고급 제품으로 쓸수록(=제조비를 많이 들일수록) 좋은 제품이 나오게 된다. 가격이 싼 제품은 대량생산으로 제조단가가 저렴할 수밖에 없기 때문에 PC 파워 서플라이의 경우 100와트당 5000원대 가격에서 보급형 제품이 나오고 있다.[2] 고급형 파워들은 100W당 10,000원에서 15,000원 정도는 줘야 살 수 있다. 조립 컴퓨터 견적에서 기본 이상은 투자해야 할 제품. 2010년이후 스위칭 파워 서플라이 컨트롤러와 FET소자 기술이 더욱 발전되고 있어 가격이 더 저렴해지고 있다.
전력 효율이 꽤 좋은 부품이다. 요즘에는 아무리 나쁜 전원공급장치도 대체로 70% 정도의 효율은 내며 최고급형은 90%를 넘는 효율(80Plus 문서 참조)을 자랑한다. 일반적으로 사용량이 50% 안팎일 때 최고의 효율을 내며(예외인 제품도 있다), 이 때문에 전력 소비량의 2배 정도의 정격 출력을 가진 제품이 에너지 절약에 유리하다고 생각할 수 있으나 꼭 그렇진 않다. 컴퓨터로 게임 같은 상대적으로 무거운 작업을 많이 한다면 어느 정도 맞는 말이겠지만 웹서핑 등 가벼운 작업을 많이 한다면 정격 출력이 큰 제품보다 '''소비전력이 낮을 때 효율이 좋은 파워'''가 더 유리하다. 그런데 문제는 80PLUS 인증 중 이런 저출력 영역까지 효율을 계산하는 경우는 최소로 따져도 가격 대 효율비가 20,000원대를 오락가락 하는 GOLD급 이상이라는 것.
4. 종류
4.1. 리니어
팔리는 물건중에서는 보기 힘든 구식 디자인이다. 원가를 절약하고 싶다거나[3] 매우 깨끗한 직류 전원을 얻고자 할 때 채택되는 정도다. 리니어 파워 서플라이는 보통 다음과 같은 구성으로 되어 있다.
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교류 220V를 트랜스포머를 통해 어느 정도 낮춰준 후 정류회로를 통해 반파장 전압으로 바꾼 뒤 필터를 거쳐 맥류파로 만든다. 이 맥류파를 레귤레이터를 거치면 직류 전압이 완성된다.
정류 회로의 경우 순방향으로 흐르는 전류일 때는 저항이 작지만 역방향일 때는 매우 큰 저항으로 작용해 전류가 못 흐르는 소자를 주로 이용한다. 대표적으로 다이오드가 있다.
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어노드(Anode)를 전자가 흘러들어오는 전극으로 하며 받아들일 공간이 많은 p형 반도체, 캐소드(Cathode)를 전자를 방출하는 전극으로 하며 전자를 많이 가지고 있는 n형 반도체를 사용해 제작한다. 즉, 전압을 P에 +->N에 - 으로 걸어주면 정방향으로 전압을 건 것이다. 왼쪽(역전압) -17.1 V부분에서 전류가 확 늘어나는(전류의 크기) 것은 -17.1 V로 튜닝된 Zener 다이오드라면 정상 작동을 의미하지만, 일반적인 다이오드라면 망가졌다는 의미이다. 일반적인 다이오드는 -100V 정도에서 Breakdown Voltage를 가지며, 그림처럼 갑자기 전류가 마이너스 방향으로 확 늘어나 눈사태처럼 전자가 우르르르 생기는 현상이 이 경우에 일어난다. 전기적 원리상으로는 망가질 이유가 없으나 문제는 그놈의 열... 그래서 리니어 전원을 사용한 고급 오디오들의 본체에는 전원부 부분에 '''과장 하나 안 보태고''' 문자 그대로의 크고 아름다운 방열판이 있다. 그것도 일반적인 파워들마냥 알루미늄 방열판 같은 것도 아니고 '''구리(!) 방열판'''이라는 무지막지하게 비싼 물건을 방열판으로 쓰는 놈도 있다. 게다가 성능이 좋은 앰프라면 쿨링팬 덩치도 어마무시한 덩치를 자랑하는 경우도 있다. 보통 PC의 본체 케이스 쿨링팬도 커봐야 80mm 선에 120mm급도 헤비급 쿨링팬으로 인정되는 상황인데 앰프의 쿨링팬은 크면 400mm급(!)도 볼수 있다.
다이오드 배치에 따라 나오는 전압 신호의 질이 달라진다.
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위는 브릿지 정류회로이고 아래는 센터탭 정류회로이다.
센터탭 정류 회로의 경우 다이오드의 개수가 2개이기 때문에 출력전압강하가 브리지 정류회로보다 작지만 다이오드의 전압 스트레스가 증가함. 출력전압은 변압기의 권수비를 통해 조절 가능. 변압기에 연결되는 특성상 크기가 작아지는 것에 한계가 있음.
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'''브릿지 정류회로'''
4개의 다이오드를 통해 변압기 양단의 출력전압을 모두 얻으면서도 단방향의 전압을 얻는다. 이때 다이오드를 2개 통과하기 때문에 다이오드에서 일반적으로 0.7V 전압강하#가 일어나 입력 신호보다 1.4V 낮은 전압을 얻는다. 다만 집적 회로를 설계할 때 물리적 구조(Doping profile이라 설명하면 정확하다) 및 Doping Concentration(다이오드를 만들 때 실리콘 및 반도체에 다른 물질을 넣어 P혹은 N타입으로 만드는데, 이 물질을 얼마나 넣을 것인가에 의해 결정된다. 즉, 전기를 통하기 위한 불순물을 넣는데, 그것의 밀도를 의미)을 조절하는 방식으로 조절 가능하다.
브릿지 정류회로가 가장 좋지만 다른 정류회로도 가끔 쓰이는데, 이유는 이 쪽 업계에서는 '''다이오드가 다른 소자에 비해 비싸서'''이다. 형태를 흉내 낼 순 있겠지만, LED는 역방향 누설 전류가 비교적 크고 역방향 항복 전압과 순방향 전압강하가 크게 다르지 않아 실용적인 이용은 거의 불가능하다. 만약 망가지지 않고 정상적으로 작동하도록 설계하더라도 반복적인 역방향 전압 인가는 수명 단축을 유발하며, 손실 전력이 부하에 걸리는 전력보다 크거나 거의 실용적인 이용이 불가능할 정도로 크기 때문에 LED를 이용한 전파 정류기는 교육용이나 정말 특이한 개인적 취향을 제외하면 실용적으로 설계되지는 않는다.
필터의 경우 커패시터(Capacitor, 축전기)를 사용하여 축전기의 용량이 커질수록 맥류파의 맥류값이 작아진다. 이후 맥류파를 레귤레이터를 통해 직류 전압으로 바꾼 후 여러 부하에 연결한다. 단, 이런 선형 파워 서플라이는 노이즈는 적지만 효율이 낮은 편이며(40~55%) 손실된 에너지는 열에너지로 바뀌기 때문에 소자들의 온도가 높아지며 트랜스포머(Transformer, 변압기) 때문에 무거운 단점이 있다. 여기서 가장 무거운 물건은 변압기에 들어가는 거대한 금속 덩어리이다. 이 금속덩어리에는 코일 형태의 선이 감겨 있는데, 이 선들이 촘촘하게 말려있는 형태가 가장 이상적인 형태이며, 이 선들을 얼마만큼 감느냐에 따라 출력값이 달라지기 때문에 커질 수 밖에 없는 것이다.
4.2. SMPS
트랜지스터와 축전기, 유도코일(인덕터), 다이오드를 이용한 파워 서플라이이다. 트랜지스터는 제어신호에 따라서 전기적으로 on/off된다. 쵸퍼(chopper)라고도 한다. 현재 생산되는 거의 모든 파워 서플라이는 이 스위치 타입이다.
트랜지스터를 통해 교류 전압을 변화시키기 때문에 고주파 스위칭이 가능해 트랜스의 크기를 줄일 수 있으며[4] 선형 파워 서플라이보다 상대적으로 효율이 높다[대부분 70% 이상은 찍고 들어간다.]. 다만 고속으로 전류가 on/off되기 때문에 고주파가 꽤 많이 섞여 있고 고주파음이 나기도 한다. 이 고주파를 얼마나 제거하느냐가 제조사의 기술력을 말해준다. 참고로 앰프 설계할 때도 이 고주파 부분을 얼마나 효과적으로 제어하느냐가 관건이다. 이 부분은 첨단 기술이라기 보다는 노하우에 가까운 부분이라 후발 주자가 쉽사리 따라오기 어려운 부분이다.
자세한 내용은 SMPS항목 참고.
[1] 특히 CPU와 GPU는 '''바이러스 한 톨 크기만한 회로를 다루는지라''' 공기중에 떠다니는 입자까지 제어하는 클린룸(Fab)이 필수요소다. 디스플레이나 RAM, 플래시 메모리도 마찬가지.[2] 예전에는 100와트 당 1만 원 정도는 봐야 했으나 가격 경쟁이 심해지면서 그 이하의 가격대에서도 나름대로 쓸만하고 가성비가 좋은 제품이 많이 출시되고 있다. 물론 그럼에도 최소 제 값 하는 파워를 고르려면 못해도 100와트당 8000원 선은 계산해야 한다.[3] 주로 저가형 전자기기에서 말 그대로 원가절감을 위해. 오래된 TV나 VCR 등을 뜯어보면 트랜스를 사용한 것을 볼 수 있다. 요즘은 이쪽 분야에서도 아래에서 언급한 스위칭 파워 서플라이를 사용한다.[4] 입력 주파수가 높을수록 트랜스의 크기를 줄이는 것이 쉬워진다. 항공우주 분야에서 400Hz 전원을 이용하는 것이 이 때문이다.