Power Supply Unit.
파워 서플라이 - 주요 규격(Form Factor)에 따른 특징과 회로 구성(Circuit)에 사용되는 기술들을 소개합니다.
PCIe 12V 고전력 커넥터
(12VHPWR)
엔트리급 서버 파워 서플라이 사양
(EPS12V)
역률 개선 회로
(PFC)
- 능동형 역률 조정 (aPFC, Active Power Factor Correction)
제어용 집적회로(IC)와 모스펫(MosFET), 다이오드, 캐패시터 등을 활용해 고조파가 포함된 교류 전력을 정현파와 유사하게끔 직접 조정하는 방식입니다. 전용기술이 접목되는만큼 개선효과는 확실해서 90~95% 이상의 역률 조정이 이루어지며, 회로의 대부분이 반도체로 구성되기 때문에 Passive PFC 같은 가청대역 노이즈 문제도 발생하지 않는 장점이 있습니다.다만 PFC를 위한 별도의 회로 구성에 포함되는 반도체뿐만 아니라, 고압의 전력을 제어하기 때문에 전자파 간섭(EMI) 필터도 필연적으로 따르는 등 제품 가격에 영향을 줄 수 있을 정도의 비용을 필요로 합니다.
- 피동형 역률 조정 (pPFC, Passive Power Factor Correction)
패시브라는 단어가 들어가 수동으로 번역되기도 하지만, 역률 조정 여부를 수동으로 제어하지는 않습니다. 입력된 교류 전력(AC)이 인덕터와 캐패시터로 구성된 회로를 거치는 동안 공진 반응을 유도하면서 범위를 벗어난 노이즈는 필터링하는 방식입니다. 전력을 직접 제어하지 않고 공진회로의 특성에 의존하기 때문에 피동적인 역률 조정으로 볼 수 있습니다.사용되는 인덕터나 캐패시터의 품질에 차이가 있을 순 있으나, 회로 구성이 단순하기 때문에 비용 부담이 적은 편입니다. 물론 그만큼 조정 효율도 크진 않고, 위상차가 큰 교류 전력이 인덕터를 거치는만큼 가청대역의 노이즈가 발생할 수 있다는 단점이 있습니다.
*전력 파형 자료는 ROHM에서 운영하는 Tech Web에서 인용하였습니다.
*역률은 기계식 계량기에서 일부만 반영되지만, 전자식 계량기는 제대로 반영됩니다.
PCIe 12V 커넥터
(PCIe12V)
에너지 효율 인증
(80 PLUS)
파워 서플라이는 PC 부품에 필요한 전력을 공급하려면 더 많은 전력을 입력받아야 합니다. 이는 110V / 220V 콘센트에서 입력되는 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하는 과정에서 열에너지로 인한 손실이 발생하기 때문입니다. 효율이 높을수록 발열로 인한 전력 낭비가 줄어들고, 열을 식히는 쿨링팬의 회전속도가 낮아져 소음도 감소하기 때문에 파워 서플라이 선택에 있어 핵심적인 요소라고 할 수 있습니다.
물론 ATX12V 규격을 준수할 경우 적어도 70~72% 정도의 효율을 내도록 가이드라인이 지정되어 있긴 하지만, 막상 소비자가 이를 확인할 방법은 마땅치 않았습니다.
이런 문제점을 인지한 미국의 전력 연구기관과 브랜드 컨설팅 업체의 협력으로 80% 이상의 효율로 테스트를 통과한 파워 서플라이 제품의 인증서 역할을 해 줄 80 PLUS가 2004년에 발표됩니다. 저부하 구간에서 효율이 가장 낮고, 최대 출력량의 50~70% 구간까지 상승한 뒤 다시 하강곡선을 그리는 파워 서플라이의 효율 특성에 따라 정격 출력량의 20% / 50% / 100% 구간 측정 값을 바탕으로 평가가 진행됩니다.
최초에는 115V 전압 기준으로 80% 이상의 효율을 지닌 제품이면 인증되었고, 이후 추가된 230V 전압 테스트는 최소 82% / 최대 85% 이상의 효율을 달성하면 80 PLUS 표준 인증(STANDARD)을 받을 수 있게 되었습니다.
80 PLUS가 성공적으로 시장 표준으로 자리잡으면서 2008년에는 더 높은 효율을 지닌 제품들을 위해 브론즈 (81~88%) / 실버 (85~90%) / 골드 (87~92%) 등급이, 2009년에는 최소 89% 부터 최대 94% 효율의 플래티넘(PLATINUM) 등급이 신설되었으며, 마지막으로 2012년에는 10% 부하 구간을 포함해서 최소 90% 최대 96%의 효율을 내야하는 티타늄(TITANIUM) 등급이 추가되어 현재까지 유지되고 있습니다.
*브론즈, 실버, 골드 등급의 괄호 안 숫자는 인증에 요구되는 (최소~최대) 효율을 뜻합니다.
물론 ATX12V 규격을 준수할 경우 적어도 70~72% 정도의 효율을 내도록 가이드라인이 지정되어 있긴 하지만, 막상 소비자가 이를 확인할 방법은 마땅치 않았습니다.
이런 문제점을 인지한 미국의 전력 연구기관과 브랜드 컨설팅 업체의 협력으로 80% 이상의 효율로 테스트를 통과한 파워 서플라이 제품의 인증서 역할을 해 줄 80 PLUS가 2004년에 발표됩니다. 저부하 구간에서 효율이 가장 낮고, 최대 출력량의 50~70% 구간까지 상승한 뒤 다시 하강곡선을 그리는 파워 서플라이의 효율 특성에 따라 정격 출력량의 20% / 50% / 100% 구간 측정 값을 바탕으로 평가가 진행됩니다.
최초에는 115V 전압 기준으로 80% 이상의 효율을 지닌 제품이면 인증되었고, 이후 추가된 230V 전압 테스트는 최소 82% / 최대 85% 이상의 효율을 달성하면 80 PLUS 표준 인증(STANDARD)을 받을 수 있게 되었습니다.
80 PLUS가 성공적으로 시장 표준으로 자리잡으면서 2008년에는 더 높은 효율을 지닌 제품들을 위해 브론즈 (81~88%) / 실버 (85~90%) / 골드 (87~92%) 등급이, 2009년에는 최소 89% 부터 최대 94% 효율의 플래티넘(PLATINUM) 등급이 신설되었으며, 마지막으로 2012년에는 10% 부하 구간을 포함해서 최소 90% 최대 96%의 효율을 내야하는 티타늄(TITANIUM) 등급이 추가되어 현재까지 유지되고 있습니다.
*브론즈, 실버, 골드 등급의 괄호 안 숫자는 인증에 요구되는 (최소~최대) 효율을 뜻합니다.
고급 기술 확장 12V
(ATX12V)
1995년 인텔이 5V 중심의 ATX 규격 표준을 제정한 이래 5년 만인 2000년, 펜티엄 4 프로세서의 등장과 함께 4핀 12V CPU 보조전원 커넥터를 추가하면서 첫 삽을 떴습니다. 12V의 사용량이 지속적으로 증가함에 따라 인텔의 주도하에 ATX12V라는 새로운 파워 서플라이 규격 표준으로 합의됩니다.
안전을 위한 설계 가이드를 제시하기도 하지만, 일반적으로 눈에 띄는 활동으로는 신규 장치의 도입, 또는 변화에 따라 기존 커넥터를 변경하거나 새로운 모양의 커넥터를 추가하기도 합니다. 메인 커넥터가 20핀에서 24핀(20+4핀)으로 변경되거나, SATA / PCI-Express 커넥터 추가 등이 모두 ATX12V 규격의 업데이트와 함께 표준으로 포함된 바 있습니다.
이러한 표준 규격화를 통해 최소한의 효율 및 일정한 수준의 품질을 기대할 수 있게 된 파워 서플라이지만, 급격한 기술의 발전 때문에 발목이 잡히는 경우도 종종 발생하곤 합니다.
대표적인 예로 안전을 도모하기 위해 개정된 12V 멀티 레일, 20A 전류 제한 지침으로 인해 알맞은 커넥터를 연결했음에도 불구하고 전력 소비량이 허용치보다 높아 안전장치가 작동, PC가 가동되지 않는 문제가 생겨 ATX12V v2.31부터 전류 제한을 완화하고 12V 싱글 레일을 다시 허용하는 사례가 있었습니다.
이러한 우여곡절에도 불구하고 빠른 대처와 지속적인 변화를 거듭하여 거의 모든 파워 서플라이 제조사들이 준수하는 규격입니다.
*EPS12V는 엔트리급 서버의 Server System Infrastructure (SSI) 표준 규격입니다. 대부분의 경우 ATX12V 규격 파워 서플라이와 혼용 가능하며, 상대적으로 더 엄격한 품질 규정을 지니고 있어 고급 파워 서플라이 제조사에서 EPS12V 제품을 일반 데스크탑 PC용으로 출시하기도 합니다.
안전을 위한 설계 가이드를 제시하기도 하지만, 일반적으로 눈에 띄는 활동으로는 신규 장치의 도입, 또는 변화에 따라 기존 커넥터를 변경하거나 새로운 모양의 커넥터를 추가하기도 합니다. 메인 커넥터가 20핀에서 24핀(20+4핀)으로 변경되거나, SATA / PCI-Express 커넥터 추가 등이 모두 ATX12V 규격의 업데이트와 함께 표준으로 포함된 바 있습니다.
이러한 표준 규격화를 통해 최소한의 효율 및 일정한 수준의 품질을 기대할 수 있게 된 파워 서플라이지만, 급격한 기술의 발전 때문에 발목이 잡히는 경우도 종종 발생하곤 합니다.
대표적인 예로 안전을 도모하기 위해 개정된 12V 멀티 레일, 20A 전류 제한 지침으로 인해 알맞은 커넥터를 연결했음에도 불구하고 전력 소비량이 허용치보다 높아 안전장치가 작동, PC가 가동되지 않는 문제가 생겨 ATX12V v2.31부터 전류 제한을 완화하고 12V 싱글 레일을 다시 허용하는 사례가 있었습니다.
이러한 우여곡절에도 불구하고 빠른 대처와 지속적인 변화를 거듭하여 거의 모든 파워 서플라이 제조사들이 준수하는 규격입니다.
*EPS12V는 엔트리급 서버의 Server System Infrastructure (SSI) 표준 규격입니다. 대부분의 경우 ATX12V 규격 파워 서플라이와 혼용 가능하며, 상대적으로 더 엄격한 품질 규정을 지니고 있어 고급 파워 서플라이 제조사에서 EPS12V 제품을 일반 데스크탑 PC용으로 출시하기도 합니다.
표준 규격 사이즈
(ATX)
- ATX (가로 150mm x 세로 86mm x 깊이 140mm)
일반적인 데스크탑 PC에 쓰이는 가장 대표적인 규격입니다. 내부공간이 넉넉하기 때문에 대형 캐패시터등을 활용해 높은 정격 출력량을 자랑하며, 120~140mm 쿨링팬을 장착할 수 있어 효과적으로 발열을 제어하는 등, 안정성 측면에서도 우수한 편입니다. 일반적인 ATX 규격 파워가 장착되는 케이스들은 빅-타워, 미들-타워, 미니-타워 등 타워형이라는 명칭으로 분류되는 경우가 많습니다. 또한 슬림형 케이스 중 일부는 ATX 규격 파워 서플라이를 전면에 세워서 장착하는 경우도 있습니다.- SFX / microATX (가로 125mm x 세로 63.5mm x 깊이 100mm)
스몰 폼 팩터(Small Form Factor)용 규격으로 미니 ITX 규격의 완제품 또는 베어본 시스템에 주로 사용됩니다. 과거에는 microATX 규격과 짝을 이뤄 슬림형 케이스에 사용되는 경우도 많았지만, 그래픽 카드의 전력 소비량이나 발열량의 증가로 인해 쿨링 솔루션의 크기가 대형화되면서 microATX 규격 메인보드도 일반 ATX 파워 서플라이와 함께 사용하는 미니-타워 케이스의 비중이 더 높아졌습니다. 이에 따라 평범한 케이스보다 소형 규격 부품들을 활용하는 특별한 설계의 베어본이나 완제품에 크기는 작으면서 ATX 규격과 비슷한 출력량을 갖춘 SFX 파워가 채택되기 시작했습니다.- TFX (가로 85mm x 세로 64mm x 깊이 175mm)
씬 폼 팩터(Thin Form Factor) 흔히 LP 타입이라고 부르는 초슬림 PC에 주로 사용됩니다. 협소한 공간에 부품을 배치하기 때문에 깊이를 늘려 길쭉한 외형을 가지고 있습니다. 출력량도 최신 ATX나 SFX 규격에 비해 상당히 적은 편이지만, TFX 규격에 사용되는 LP(Low Profile) 타입은 꼭 필요한 경우에만 크기를 절반가량 줄인 확장카드를 사용하기 때문에 성능이나 전력 소비량도 크지 않은 편 입니다. SFX와 비슷하게 완제품이나 베어본에 주로 채택되지만, 비교적 저렴한 가격으로 책상에서 차지하는 자리를 줄이기 위한 목적인 경우가 많습니다.*일부 파워 서플라이는 대형 쿨링팬 장착등의 이유로 깊이를 늘리기도 합니다.
보호 회로
(Protection)
기본적인 보호회로에는 과전압(OVP, Over-Voltage), 과전류(OCP, Over-Current), 과전력(OPP, Over-Power) 보호가 있습니다. 전압이 높아지면 스위칭과 필터링을 담당하는 전원부에 많은 부담이 발생하고 이를 공급받는 부품의 수명에도 영향을 미칩니다. 전류량이 많아지면 줄의 법칙에 따라 과열이 발생해 폭발이나 화재가 날 수 있습니다.
다만 오늘날 PC는 3.3V / 5V에 비해 12V의 사용량이 높을 뿐 더러, 전류량도 압도적이기 때문에 개별 전압 채널을 감시하는 과전류 보호회로(OCP)와 모든 채널을 감시하는 과전력 보호회로(OPP)의 효용성이 겹치는 경우가 많습니다. 따라서 더 저렴한 가격을 원하는 경우에는 OCP 또는 OPP 중 하나와 과전압 보호회로(OVP)를 함께 사용한 제품이 권장됩니다.
흔히 쇼트로 부르는 단락 상태는 OCP의 감지시간보다 더 짧은 시간에 대량의 과전류가 흐르게 됩니다. 특히 12V 채널은 허용 전류량조차 어마어마하기 때문에 잠깐의 과전류도 치명적일 수 있습니다. 따라서 대용량 파워 서플라이를 사용해야 한다면 단락 보호회로(SCP) 여부를 따져볼 수 있습니다.
저전압 보호회로(UVP)는 정격 출력량보다 높은 전력을 소비하는 과부하 상태나 내부 부품 불량으로 인한 전압강하가 감지되면 PC가 오동작 하기 전에 차단해줍니다. 저전압의 원인 중 과부하 상태가 지속되면 과열이 발생하면서 파워 서플라이의 수명이 급격하게 단축되기 때문에 고가의 제품에서 자주 볼 수 있습니다.
과열 보호회로(OTP) 역시 파워 서플라이의 과부하나 쿨링팬 고장 등으로 인해 허용범위 이상의 발열이 감지되면 즉시 전원을 차단하는 기능입니다. 다른 증상들과 달리 고장난 쿨링팬 교체는 크게 어렵지 않아 보증기간이 지난 제품을 유지보수 하는데 도움이 됩니다.
다만 오늘날 PC는 3.3V / 5V에 비해 12V의 사용량이 높을 뿐 더러, 전류량도 압도적이기 때문에 개별 전압 채널을 감시하는 과전류 보호회로(OCP)와 모든 채널을 감시하는 과전력 보호회로(OPP)의 효용성이 겹치는 경우가 많습니다. 따라서 더 저렴한 가격을 원하는 경우에는 OCP 또는 OPP 중 하나와 과전압 보호회로(OVP)를 함께 사용한 제품이 권장됩니다.
흔히 쇼트로 부르는 단락 상태는 OCP의 감지시간보다 더 짧은 시간에 대량의 과전류가 흐르게 됩니다. 특히 12V 채널은 허용 전류량조차 어마어마하기 때문에 잠깐의 과전류도 치명적일 수 있습니다. 따라서 대용량 파워 서플라이를 사용해야 한다면 단락 보호회로(SCP) 여부를 따져볼 수 있습니다.
저전압 보호회로(UVP)는 정격 출력량보다 높은 전력을 소비하는 과부하 상태나 내부 부품 불량으로 인한 전압강하가 감지되면 PC가 오동작 하기 전에 차단해줍니다. 저전압의 원인 중 과부하 상태가 지속되면 과열이 발생하면서 파워 서플라이의 수명이 급격하게 단축되기 때문에 고가의 제품에서 자주 볼 수 있습니다.
과열 보호회로(OTP) 역시 파워 서플라이의 과부하나 쿨링팬 고장 등으로 인해 허용범위 이상의 발열이 감지되면 즉시 전원을 차단하는 기능입니다. 다른 증상들과 달리 고장난 쿨링팬 교체는 크게 어렵지 않아 보증기간이 지난 제품을 유지보수 하는데 도움이 됩니다.
커패시터
(Capacitor)
파워 서플라이 내부는 일반적으로 쉽게 구별하기 힘든 전기/전자 부품들로 구성되어 있지만, 그나마 비교적 쉽게 발견할 수 있고 상품정보 등을 통해서 자주 언급되는 부품으로 캐패시터를 꼽을 수 있습니다. 파워 서플라이 내 캐패시터는 변환된 직류에 남은 교류성분을 없애는 평활(Smoothing) 작업을 담당합니다.
흔히 리플 노이즈(Ripple Noise)라고 불리는 교류성분은 직류를 사용하는 장치의 동작 정밀도부터 수명까지 영향을 미치기 때문에 PC의 경우 규격 전압의 약 1% 이내로 평활화되게끔 규정하고 있습니다. 파워 서플라이 내부는 주된 역할에 따라 입력(AC) / 정류 / 변압 / 출력(DC)으로 구역을 나눌 수 있는데, 그 중 정류단과 출력단에서 캐패시터가 사용됩니다.
과거 600W급 이하의 출력에서는 200V 내압 캐패시터 2개를 직렬로 연결하는 설계가 주를 이뤘지만, 최근에는 프로세서나 그래픽 카드의 전력 소비량이 증가하면서 400V 이상의 캐패시터를 사용하는 경우가 많아졌습니다. 캐패시터는 직렬로 연결할 경우 내압은 증가하고 용량은 감소하는 특징이 있어, 200V 680㎌ 2개를 직렬로 연결할 경우 400V 340㎌ 캐패시터 1개와 동등한 역할을 합니다.
2차 캐패시터는 최종 출력단(Output)에서 사용됩니다. ATX 규격 전압 3.3V / 5V / 12V로 감압된 전력이 PC 부품에 공급되기 전, 마지막으로 남아있는 리플 노이즈를 제거하는 평활작업을 수행합니다. 요약하자면 정류단 캐패시터는 파워 서플라이의 주요 성능(변압)과 수명에 영향을, 출력단 캐패시터는 전력을 공급받는 각종 PC 주요부품들의 전원부(VRM)에 주로 영향을 줍니다.
흔히 리플 노이즈(Ripple Noise)라고 불리는 교류성분은 직류를 사용하는 장치의 동작 정밀도부터 수명까지 영향을 미치기 때문에 PC의 경우 규격 전압의 약 1% 이내로 평활화되게끔 규정하고 있습니다. 파워 서플라이 내부는 주된 역할에 따라 입력(AC) / 정류 / 변압 / 출력(DC)으로 구역을 나눌 수 있는데, 그 중 정류단과 출력단에서 캐패시터가 사용됩니다.
과거 600W급 이하의 출력에서는 200V 내압 캐패시터 2개를 직렬로 연결하는 설계가 주를 이뤘지만, 최근에는 프로세서나 그래픽 카드의 전력 소비량이 증가하면서 400V 이상의 캐패시터를 사용하는 경우가 많아졌습니다. 캐패시터는 직렬로 연결할 경우 내압은 증가하고 용량은 감소하는 특징이 있어, 200V 680㎌ 2개를 직렬로 연결할 경우 400V 340㎌ 캐패시터 1개와 동등한 역할을 합니다.
2차 캐패시터는 최종 출력단(Output)에서 사용됩니다. ATX 규격 전압 3.3V / 5V / 12V로 감압된 전력이 PC 부품에 공급되기 전, 마지막으로 남아있는 리플 노이즈를 제거하는 평활작업을 수행합니다. 요약하자면 정류단 캐패시터는 파워 서플라이의 주요 성능(변압)과 수명에 영향을, 출력단 캐패시터는 전력을 공급받는 각종 PC 주요부품들의 전원부(VRM)에 주로 영향을 줍니다.