1. 개요
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| 교류(AC) 혹은 AC+DC 출력을 지원하는 스위칭 인버터 전원 공급장치 KIKUSUI PCR500MA | 직류(DC) 방식의 프로그램이 가능한 전원 공급장치(PPS) Keithley 2200 시리즈 |
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| 무정전 전원 장치(UPS) CyberPower CP900AVR | 주변에서 흔하게 볼 수 있는 AC to DC 방식의 어댑터 Delta MDS-030AAC |
사용 목적에 따라 별도의 독립된(Standalone) 장비이자 하나의 시스템으로 존재하거나, 가전제품에 내장된 형태 혹은 데스크톱 컴퓨터에 사용되는 것 처럼 외부에서 전원을 공급받아야만 동작하는 부품의 형태로 존재한다. 부품 형태의 경우, 전력 공급이 일시적으로 중단되었을 경우에도 잠깐동안 전원을 유지할 수 있는 무정전 전원 장치의 경우도 있다.
모든 전원 공급 장치는 외부 에너지로부터 전력을 얻어내는 입력부(input connection, inputs)와 얻은 전력을 전달하거나 출력하는 레일, 혹은 출력부(output connection, outputs)의 구조를 갖는다. 외부 에너지 원천은 일반적으로 콘센트와 같은 전력 인프라, 배터리나 연료전지 등의 에너지 저장용 장치, 다양한 형태의 대체에너지나 발전기 등을 꼽을 수 있다. 일반적으로 입력과 출력은 유선으로 연결되지만, 무선 충전 등의 무선 연결이 가능한 경우도 존재한다. 일부 장치는 모니터링 및 제어를 위한 별도의 입출력부를 지니기도 한다.
2. 종류
보통 흔하게 볼 수 있는 파워서플라이는 대부분 AC-DC 변환기이다. 그리고 차량용 충전기같이 직류전원의 전압을 바꾸어주는 기기에서는 DC-DC 변환기도 쉽게 볼 수 있다. AC-AC 변환기나 DC-AC 변환기는 DC를 AC로 변환하거나 AC전원의 위상, 진동수, 전압을 변경하는데 주로 사용된다. 전기자동차, 에어컨, 세탁기 등의 전동기 구동용 혹은 태양광 패널 등에서 전력용으로 사용되는 인버터나 고품질 AC 전력을 얻기 위한 리제너레이터와 전동발전기 따위가 있다.3. 역할
이름부터가 전원공급장치인 만큼 전기 기구들의 전기 공급을 책임지는 중요한 부품으로, 쉽게 말해 사람의 심장과 같은 역할을 한다고 보면 된다. 주로 교류를 직류로 변환하는(AC to DC) 방식이 대다수로, 특수한 용도로는 직류를 교류(DC to AC)로 변환하거나, 직류전원의 전압을 변경하거나(DC to DC), 교류 전압만 조정하는 물건도 있다.전원공급장치는 높은 기술력이 필요한 다른 반도체[1], 디스플레이, 하다못해 정교한 절삭, 가공 등을 요구하는 엔진이나 베어링같은 기계적인 부속품에 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 있으며, 그만큼 신뢰도가 낮은 제품도 많이 있다.
단 생각보다 간단한 구조와 제작방법과는 별개로 고용량의 출력과 높은 효율을 동시에 달성하는 파워서플라이는 만들기 매우 까다로운 물건이다. 정격 출력이 수십kw 단위로 노는 SMPS들은 가격이 몇억원부터 시작하는 경우가 많다. 이 분야의 경우 HVDC나 에너지 저장 체계 등 신기술 보급으로 수요가 증가하였다. SMPS 이외에도 전력전자기기들의 수요가 증가하는 추세라서 관련 기술 개발이 이루어지고 있다.
4. 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 못해도 10,000원에서 15,000원 정도는 줘야 살 수 있다. 조립 컴퓨터 견적에서 기본 이상은 투자해야 할 제품. 2010년대 이후 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.
컴퓨터 부품 중 무거운 편에 속한다. 겉도 기본적으로 철판이고, 일단 회로를 구성하는 소자들(코일, 커패시터 등)들의 성능이 질량에 비례하는지라 고성능이 될수록 필연적으로 묵직한 쇳덩어리가 될 가능성이 크다. 1000W 골드급 파워들은 크기는 일반 파워와 같아도 들어만 봐도 매우 묵직한 질량을 자랑한다.
5. 종류
5.1. 리니어
팔리는 물건중에서는 보기 힘든 구식 디자인이다. 원가를 절약하고 싶다거나[5] 매우 깨끗한 직류 전원을 얻고자 할 때 채택되는 정도다[6]. 그래서 초저가와 초고가 시장 모두에서 사용되는 극단적인 가격 분포를 가진다. 저출력 제품들은 스위칭 파워보다 저렴할 수 있으나 고출력으로 갈수록 스위칭 파워의 가격은 떨어지고 효율은 크게 상승하는 반면 리니어 파워의 가격은 천정부지로 치솟고 효율은 크게 떨어진다.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.
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 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(!) 방열판이라는 무지막지하게 비싼 물건을 방열판으로 쓰는 놈도 있다. 게다가 성능이 좋은 앰프라면 쿨링팬 덩치도 어마무시한 덩치를 자랑하는 경우도 있다. 보통 PC의 본체 케이스 쿨링팬도 커봐야 140mm 선에 200mm급도 헤비급 쿨링팬으로 인정되는 상황인데 앰프의 쿨링팬은 크면 400mm급(!)[7]도 볼수 있다.
다이오드 배치에 따라 나오는 전압 신호의 질이 달라진다.
위는 브릿지 정류회로이고 아래는 센터탭 정류회로이다.
센터탭 정류 회로의 경우 다이오드의 개수가 2개이기 때문에 출력전압 강하가 브리지 정류회로보다 작지만 다이오드의 전압 스트레스가 증가한다. 출력전압은 변압기의 권수비를 통해 조절 가능하고 변압기에 연결되는 특성상 크기가 작아지는 것에 한계가 있다.
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(반도체에 전기를 조금 더 잘 통하게 하기 위해 불순물을 넣는데[8], 그것의 밀도를 의미)을 조절하는 방식으로 조절 가능하다.
브릿지 정류회로가 가장 좋지만 다른 정류회로도 가끔 쓰이는데, 이유는 이 쪽 업계에서는 다이오드가 다른 소자에 비해 비싸서이다. 가끔 이 다이오드 자리에 LED[9]를 넣어 튜닝하는 용자도 있다. 그러나 기본 형태는 동일하게 나오더라도 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 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.
평활회로로도 사라지지 않은 리플은 정전압 회로를 사용하여 제거한다. 정전압 회로는 제너 다이오드가 부하와 병렬로 연결되어 있는 구조인데 제너 다이오드에 걸리는 역방향 전압이 전류에 상관없이 거의 정전압인 것을 사용하여 전압을 일정하게 유지한다.
5.2. SMPS
Switching Mode Power Supply. 트랜지스터와 축전기, 유도자, 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[10] 당연히 선형 파워 서플라이보다 상대적으로 효율이 높다.[11]. 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.
[1] 반도체는 바이러스 한 톨 크기만한 회로를 다뤄야 하기 때문에, 공기중에 떠다니는 입자까지 제어하는 클린룸이 필수요소다. CPU, GPU, 메모리 등.[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 제값을 하는 파워를 고르려면 못해도 100와트당 8000원 선은 계산하는 것이 좋다.[3] 정격 출력에 비해 부하가 현저히 적을 때 효율이 좋은[4] 누진세 등으로 인해 무슨 소리냐 할 수 있지만 영국, 미국 캘리포니아 등의 지역은 기본적인 전기요금이 한국보다 훨씬 높다.[5] 구조가 매우 단순하기 때문에 주로 저가형 전자기기에서 말 그대로 원가절감을 위해 사용된다. SMPS가 아무리 출력 대비 저렴하더라도 기본적으로 스위칭 관련 부품과 기술이 필요하기 때문에 초저출력, 초저가 제품에서는 오히려 리니어가 더 저렴하다. 오래된 TV나 VCR 등을 뜯어보면 리니어 전원을 사용하는 것을 볼 수 있다. 요즘은 기술의 발달로 초저가형 파워 서플라이에서도 아래에서 언급한 스위칭 파워 서플라이를 사용하는 경우가 늘어나고 있다.[6] 후자의 경우 Hi-Fi 오디오나 실험용 장비에서 그나마 수요가 있는 편인데, 이쪽도 어지간하면 스위칭 파워 서플라이를 사용하며 아예 극도로 민감한 경우에는 배터리로 구동하고 파워서플라이는 배터리 충전에만 쓰는 방식도 있어서 그쪽과도 경쟁해야 한다.[7] 이게 어느 정도냐면, 가정에서 흔히 쓰는 대부분의 스탠드형 선풍기보다도 큰 크기(가정용 중형 선풍기들은 대개 팬 지름이 250 ~ 280mm 정도 된다. 커봐야 가정용 대형에서 350mm 수준.)고, 거의 중소형 업소용 선풍기의 크기에 육박한다.[8] 다이오드 등 반도체를 만들 때 실리콘에 다른 물질(불순물)을 넣어 P혹은 N타입으로 만든다.[9] 애초에 LED가 다이오드와 다른 무언가가 아니라 다이오드의 한 종류다. 이름 자체가 Light Emitting Diode, 발광 다이오드의 약자다.[10] 입력 주파수가 높을수록 트랜스의 크기를 줄이는 것이 쉬워진다. 항공우주 분야에서 400Hz 전원을 이용하는 것이 이 때문이다.[11] 대부분 70% 이상은 찍고 들어간다.