POWER SUPPLY에 대해서

컴퓨터의 심장 파워서플라이 1. Power의 역할 사람의 몸중에서 가장 중요한 기관중의 하나가 바로 "심장"입니다. 강력한 힘으로 쉴새없이 펌프질을 해서 인체의 구석구석으로 피를 공급해주는 생명을 유지시키는 가장 기본적인 장기이기 때문입니다. PC에서 이 "심장"에 해당하는 부품은 어떤 것인지는 짐작이 되실겁니다. 바로 "Power Supply", 우리가 흔히 파워라고 부르는 제품이 이에 해당합니다. 파워서플라이는 말그대로 전원 공급기입니다. 모든 전자제품은 전기를 이용하기 때문에 제 아무리 핵심 제품이라고 해도 이 파워가 작동하지 않고서는 그냥 비싼 장식품의 존재밖에는 되지 않습니다. 그렇기 때문에 Power는 PC를 구성하는 부품들 중에서도 가장 기본이라고 할 수 있습니다. 이러한 기본적인 전원을 공급하는 것 외에도 파워가 담당하는 역할이 몇가지 더 있습니다. PC의 전원을 공급한다는 이야기는 외부 전원인 교류(AC)전원을 받아들여 각 부품에 바로 적용될 수 있는 직류(DC)전원으로 변환시켜 주는 것을 의미합니다. 이 과정에서 서지(Surge : 불규칙하게 들어오는 충격전압)를 온몸으로 막아내어 걸러주는 역할까지 하게 됩니다. 이 역할을 어느정도 충실하게 해주느냐에 따라 내부의 부품들의 수명이 좌우된다고도 할 수 있겠습니다. - 기계 제품이 아닌 전자제품의 고장의 원인은 전원이상이 대부분을 차지한다고 보아도 과언이 아닙니다. ※ 보통의 경우 가정전압에서 충격전압(surge)이 계속해서 들어오는 것은 아니며, 1/1000 초 정도의 짧은 시간 동안 들어오는 것이기 때문에 일반적인 전기제품에는 큰 이상을 주지는 않습니다. 하지만, 정전기 한번에도 모든 것이 날아갈 수 있듯이, 민감한 전자제품들에게는 큰 타격을 줄 수도 있겠습니다. 하물며 PC부품들에게 있어서는 말할 나위도 없겠지요.. ※ Surge 에 대해서... ■ 사전적 의미 Surge [L 「일어나다」의 뜻에서] vi. 1 큰 파도, 놀(billow) 2 [보통 sing.] a (군중 등의 파도같은) 쇄도, 돌진 ((of)); 파동, 굽이치는 것   - a ~ of crowd 군중의 쇄도     b (감정의) 동요, 고조   - a ~ of energy 힘의 폭발 3 [전기] 서지 ((전압전류의 동요)) 4 (물가 등의) 급상승, 앙등 5 [기상] 서지 ((급격한 기압의 변화)); = STORM SURGE 6 로프의 느슨해짐; 기계 엔진의 불규칙한 움직임 ☞ surgy a.   ■ 전기적 의미 어느날 갑자기 PC나 각종 전자제품이 동작을 하지 않는 경우, 고장의 원인을 분석해 보면, 여러 이유가 있겠지만, 제품 자체의 불량으로 인한 것보다 각종 유해 전기의 유입으로 인한 경우를 많이 볼 수 있습니다. 이는 전원을 공급받을 때 충격전압 파형이 유입되어 내부 부품들이 파손되기 때문입니다. 이러한 충격전압을 서지라고 합니다. 순간적으로 수백볼트에서 수천볼트까지의 엄청난 전압이지만, 대개의 경우 1/1000 ~ 1/1,000,000,000 초의 사이에 발생했다 소멸하므로 그 에너지가 매우 적다 할 수 있습니다. 하지만, 정밀한 각종 반도체 회로가 서지에 직접적으로 노출이 된다면, 내부적으로 파손이 될 수 있는 "무시할 수 없는 전자제품의 적"이라고 할 수 있겠습니다. ■ 서지의 원인과 방지 널리 알려진 것과 같이 번개나 낙뢰는 수만볼트의 전압을 가지고 있습니다. 이는 엄청난 크기의 에너지이며, 전기적 특성상 전신주에 낙뢰현상이 발생한다면, 각종 전선이나 전화선을 통해 각 가정으로 그 전압이 그대로 유입이 될 것입니다. 또한, 전기장비들의 가동시에도 서지가 발생하는데, 모터에 내부에서  Inductive Load를 통해 흐르던 전류가 갑작스레 떨어지면 초과에너지가 발생해 이것을 발산 (전압스파이크)하게 되는데, 이 또한 서지의 한종류입니다. 안타깝게도 이런 서지를 원천적으로 방지하는 방법은 없다고 할 수 있습니다. 다만 피해를 최소화 할 수 있는 방법은 접지는 필수이며, 각종 서지 보호기를 장착하고, PC의 경우에는 서지 보호기능이 있는 파워를 사용하는 것이 최선이라고 할 수 있겠습니다. 이 외에도 파워는 내부의 팬을 이용하여 PC의 공기 순환에 도움을 줍니다. 내부의 더운 공기를 흡입하여 외부로 배출을 하면서 공기의 흐름을 만들며, 이를 통해 파워 자체의 냉각도 해결하면서, PC의 냉각에도 도움을 주는 일석이조의 효과를 내고 있습니다. 최근에는 대부분의 케이스에는 자체에 팬이 장착 되어있어, 파워에 의한 냉각의 효과가 많이 빛을 바래긴 했지만, 유용한 기능중의 하나임에는 틀림 없습니다.   2. Power의 구분 2-1. 리니어/스위칭파워 파워의 종류는 크게 분류하자면, 리니어 파워와 스위칭 파워로 나눌 수 있습니다. 리니어 파워는 Ripple 과 Noise가 적은 반면에 부피와 무게가 많이 나가는 특징이 있으며, 스위칭 파워는 효율이 상당히 좋은 반면 Noise가 큰 특징을 보이고 있습니다. 초기에는 회로구성이 간단하고 안정성이 좋은 리니어 파워가 많이 선호되었지만, 최근에는 기술의 발전으로 인해 스위칭 파워의 가장 큰 단점인 Noise를 크게 감소시켜 오히려 리니어 파워보다 더 낮은 수준을 보이고 있는데 힘입어, 효율이 뛰어나고 소형으로 제작이 가능한 스위칭 파워가 표준적인 파워의 형태로 자리를 잡았습니다. 위와 같은 이유로 대부분의 PC용 파워는 SMPS(Switching Mode Power Supply)방식을 채택하고 있습니다. 구   분 리니어 파워 스위칭 파워 효     율 20∼50%로 낮음 65%∼90%로 상당히 높음 안  정 도 높다 보통 ripple & noise 10mv 이하로 적음 10∼200mv로 상당히 많음 응 답 속 도 10㎲∼1ms로 빠름 0.5∼10ms로 평이 입력전압 범위 입력 범위를 넓히면 효율떨어짐 넓은 입력 범위 가능 회로의 구성 부품수가 적어 간단 부품수가 많아 복잡 외형 / 무게 크고 무거움 작고 가벼움 스위칭 파워의 작동의 예를 들어보면, 스위칭 파워에서 출력 전압은 평균적으로는 12V이지만, 입력을 받는 순간은 12V보다 조금 높고, 바로 출력부로 넘기기 때문에 시간이지나면 12V보다 내려갑니다. 그럼 다시 입력을 받아 12V보다 다시 약간 높아지게됩니다. 이런식으로 연속적인 동작을 반복하게 되는데, 이 속도는 초당 수십만번 이상이며, 이를 통해 평균적으로 12V의 출력을 내게 됩니다. 2-2. AT/ATX 메인보드의 전원 입력방식은 AT/ATX로 구분됩니다. AT와 ATX를 구분하는 가장 독특한 특징은 전원의 ON/OFF에 있습니다. AT 방식에서는 전원입력을 조절하는 능력이 없는 반면, ATX 방식에서는 소프트웨어적으로 전원을 인가하고 차단할 수 있습니다. - 이런 기능을 이용하여 키보드를 이용한 PC의 기동도 가능합니다. - 메인보드가 이러한 기능을 구현하기 위해서는 당연히 파워서플라이가 그 역할을 담당해 주어야 합니다. 전원 스위치를 파워 자체에 내장하여 전원의 입력과 차단을 파워에서 담당하는 것을 AT 파워라고 하며, 메인보드에 미세 전류를 흘려주고 있다가 전원스위치를 에서 신호를 받아 실제 전원을 인가하고 차단하는 것을 ATX 파워라고 합니다. AT 파워의 전원부 ATX 파워의 전원부 2-3. 미니파워 위에서 구분한 것 외에 크기별로 구분해서 특별히 소형 PC나 서버에 내장되도록 작은 크기로 설계된 파워를 미니파워라고 부릅니다. 크기가 일반적인 파워에 비해 작다는 것 외에, 특별한 차이점은 없습니다. 미니파워의 종류 일반파워와의 크기 비교 ※ 관련기사 보기 : 1. 2. 2-4. Redundant Power 또 다른 파워중에 또 다른 형태를 보이는 것이 바로 Redundant Power 입니다. 여러 개의 모듈(유닛)을 동시에 가동시켜 도중에 한곳에 이상이 발생하더라도 나머지 유닛이 정상적인 작동을 하도록 설계된 제품입니다. 주로 서버나 워크스테이션 같이 안정성이 중요시 되는 곳에 쓰이는 고가 장비입니다. Redundant 파워의 외형 유닛이 분리된 모습 ※ 관련기사 보기 : 3. 2-5. UPS (Uninterruptible Power Supply) UPS는 Uninterruptible Power Supply 의 약어로 무정전 전원공급장치라고도 불리웁니다. 이는 전원공급이 순간적으로 차단되거나 정전이 되었을 때 전원공급이 끊기지 않도록 전력을 자동으로 공급하는 장치를 뜻합니다. UPS는 무정전 전원공급 이외에 또 한가지의 중요한 역할을 하는데, 전압이 규정치보다 높거나 낮아지지 않도록 항상 정전압으로 전원을 공급해주는 역할이 바로 그것입니다. 이는 전원이 불안정하면 PC의 정상적인 동작을 보장할 수 없어 고가의 장비의 수명을 단축시키거나, 중요한 데이터의 손상을 가져올 수도 있는데, 이것을 원천적으로 방지하는 기능이라고 할 수 있습니다. 입력전원에 따라 단상식과 3상식으로 분리하며, 또, 출력 방식에 따라 온라인(On-Line) 방식과 스탠바이 (Stand-By) 방식으로 분류됩니다. 온라인방식은 시스템에 입력전원을 정류해 재출력해서 계속적으로 공급하는 방식으로, 서버나 대형 컴퓨터등에 주로 사용되며, 스탠 바이방식은 평소에는 일반 전원으로 공급받지만, 정전이나 전원의 불안정시에는 내장축전지에서 전원을 공급하는 방식으로, 웍스테이션이나 PC등 비교적 소형 컴퓨터용으로 사용됩니다. 일반적인 UPS의 모습  - UPS Plaza 이미지 -   3. Power의 구성과 원리 최근 출시되고 있는 대부분의 PC 파워서플라이는 스위칭파워입니다. 스위칭 파워 (SMPS)의 원리는 교류전원을 직류로 평활시킨 다음 PWM을 통해 제어하여 변압기에 인가시켜 다시 평활회로를 거치는 과정을 통해 원하는 직류전원을 얻게되는 것입니다. 3-1. SMPS의 구성 대부분의 PC파워가 채택하고 있는 방식인 SMPS의 구성은 위의 블록다이어그램에서도 볼 수 있듯이 여러 가지 장치가 사용되지만 크게 AC-DC 정류부와 DC-DC 변환부의 두가지로 나누어 생각할 수 있습니다.    - AC-DC 정류부는 일단 교류(AC)전원을 원하는 출력전원을 얻기위해 브릿지다이오드를 이용하여 임시적으로 직류(DC)로 정류해서 콘덴서를 통해 평활시켜주는 역할을 맡고 있습니다. 이 회로를 통해서 얼마나 평활된 파형을 얻는지가 파워의 내구성에 직접적인 영향을 미친다고 할 수 있습니다.    - DC-DC 변환부는 전압을 변경하기 위해 트랜스포머를 사용하기 때문에 필요한 장치입니다. 흔히 트랜스라고 부르는 변압기는 교류만을 받아들일 수 있기 때문에 직류(DC)전원을 교류(AC)로 바꾸어 트랜스포머를 통해 전압을 변경한 후, 다시 교류를 직류로 바꾸어 주는 복잡한 과정을 거칩니다. 이는 SMPS를 이해하는데 있어 가장 중요한 부분이라고 하겠습니다.  이 외에 추가적으로 입력부와 출력부에 필터가 추가되어 각종 ripple이나 noise를 방지하는 역할을 합니다. 3-2. SMPS의 원리 AC 입력전원의 안정화를 위하여 필터를 통과합니다. (Input Filter) → 브릿지다이오드를 통하여 AC전원을 고압의 DC전원으로 변환합니다. (Bridge Rectifier) 이 때, 고압의 DC전원은 콘덴서를 통해 평활됩니다. → 출력 전원에 대한 변화폭이 들어오면 내부 비교기를 통해 비교를 하여 신호를 보내게 됩니다. (Control IC(PWM)) → PWM 신호를 감지하여 고압의 DC전원을 스위칭합니다. (Switching Converter) → 1차측의 교류전원을 2차측 교류전원으로 받은뒤 다이오드를 통한 정류를 하여 DC를 출력합니다. → 정류된 DC전원의 평활과 각종 노이즈를 감소시키기 위해 다시 한번 필터를 통과합니다. (Output Rectifier / Filter) → 출력 DC전원을 1차측의 IC에 OPTO Isolator를 통해 전달하여 (Error AMP) 전압변화율을 안정화합니다. (Current Sense) → 출력전원이 목표한 일정전압 이상인 과전압일 때, 파워의 동작을 방지합니다. (Back Current Protection) 위와 같은 기본적인 원리를 바탕으로 대부분의 파워가 설계가 됩니다. 말은 너무나 복잡하지만 다시 알기 쉽게 풀어서 이야기 하면 AC(교류)전원의 입력을 받아들여 임시적으로 파형이 고른 DC(직류)로 변환하고 이를 다시 교류로 변환해 트랜스를 통해 전압을 바꾼 후, 다이오드를 이용하여 최종적으로 원하는 DC(직류)로 변환하여 주는 방식입니다.  다음은 250W의 출력을 가지는 PC용 ATX Power Supply의 모습입니다.