전원 공급 장치는 하나 이상의 전기 부하에 전력을 공급하는 전기 장치입니다. 주요 기능은 전원에서 나오는 에너지를 부하가 필요로 하는 해당 전류, 전압, 주파수로 변환하여 전기 에너지를 부하에 맞게 조정하는 것입니다. 전원 공급 장치는 또한 부하 전류를 제한하고 결함 발생 시 이를 차단함으로써 공급되는 부하를 보호하는 역할도 합니다. 이러한 장치는 전자 노이즈를 방지하고 역률 보정을 제공하기 위해 출력 전력을 조정하기도 합니다.

이 글에서는 다양한 유형의 전원 공급 장치에 대해 설명하고, 왜 팬리스 전원 공급 장치가 최고의 성능을 제공할 수 있는지 살펴보겠습니다.

리니어 레귤레이터와 SMPS

전원 공급 장치는 크게 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다. 바로 리니어 레귤레이션 방식과 스위칭 모드 전원 공급 장치(SMPS)입니다.

리니어 레귤레이터는 교류(AC)를 안정적인 직류(DC)로 변환합니다. 이들은 변압기를 사용하여 고전압 AC 입력과 저전압 DC 출력 사이에 갈바닉 절연을 제공하고, 입력에서 노이즈를 필터링하며, 정류되어 DC 출력 전압이 될 입력 AC 전압을 낮춥니다. 리니어 레귤레이션 전원 공급 장치는 효율이 낮으며(30~60%), 이는 더 많은 전력 손실과 방열해야 할 열이 발생함을 의미합니다.

스위칭 모드 전원 공급 장치는 높은 효율(80% 이상)과 우수한 성능을 갖추고 있습니다. SMPS는 입력되는 상용 전원 주파수 전압을 고주파 AC 전압으로 변환한 다음, 소형 변압기를 사용하여 이를 더 낮은 전압으로 강하시킵니다. 이후 전압은 정류, 필터링, 조정되어 안정적인 DC 전압으로 출력됩니다.

SMPS는 리니어 레귤레이터에 비해 설계가 더 복잡하고 비용이 더 높습니다. 그러나 소형 케이스와 과도한 열을 방출하지 않으면서도 매우 높은 효율을 제공하는 등 리니어 레귤레이터에 비해 다양한 장점을 지니고 있습니다.

전원 공급 장치 효율의 중요성

전원 공급 장치 효율은 일반적으로 풀 로드 및 정격 입력 전압에서 규정되는, 총 출력 전력 대비 입력 전력의 백분율 비율입니다:

예를 들어, 전원 공급 장치의 효율이 50%이고 요구되는 부하 전력이 100W라면, 총 입력 전력은 200W가 되어야 합니다. 나머지 50%의 입력 전력은 대부분 열의 형태로 낭비되며, 장치 손상을 방지하기 위해 적절히 방열되어야 합니다. 이는 고효율 전원 공급 장치가 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 고효율 전원 공급 장치는 손실이 현저히 적어, 더 낮은 온도를 유지하면서도 동일한 출력 전력을 공급하는 데 계통으로부터 더 적은 전력을 사용합니다.

전원 공급 장치는 환경 및 부하 조건에 따라 효율이 달라지므로 일정한 효율을 유지하지 않습니다. 일반적으로 전원 공급 장치는 정격 부하의 50%로 작동할 때 최대 효율을 나타냅니다. 전원 공급 장치는 110V AC보다 230V로 공급될 때 더 높은 효율을 보입니다. 오늘날 시장에는 정격 부하의 50~100% 범위에서도 지속적으로 높은 효율로 작동할 수 있는 첨단 모델이 출시되어 있습니다. 예를 들어, 그림 1의 다이어그램은 공급 전압 및 부하에 따른 MEAN WELL UHP-2500 시리즈 의 효율 곡선을 보여줍니다. 

전원 공급 장치의 효율이 100%에 도달하는 것은 불가능합니다. 그러나 첨단 설계와 적절한 부품을 사용하면 높은 효율을 달성할 수 있습니다(예를 들어, 그림 1의 MEAN WELL UHP-2500 은 최대 96%의 효율을 나타냅니다). 전원 공급 장치의 손실은 수동 및 능동 소자에 의해 발생하며, SMPS보다 리니어 전원 공급 장치에서 더 많이 발생합니다. SMPS의 전력 손실은 주로 스위칭 소자(MOSFET 및 다이오드)에서 발생합니다. 그 외의 손실은 커패시터와 인덕터로 인해 발생합니다(이는 일반적으로 비용이 많이 드는 고급 저저항 부품을 사용하면 줄일 수 있습니다). 수동 소자 손실에는 저항 손실(I2R), 커패시터 손실, 코어 및 권선 유도로 인한 인덕터 손실이 포함됩니다. 능동 소자 손실은 주로 MOSFET과 다이오드의 전도 및 스위칭 손실로 인해 발생합니다.

SMPS는 비용이 더 많이 들 수 있지만, 높은 효율 덕분에 전기 요금을 절감할 수 있습니다. 또한 신뢰성이 더 높고, 소음이 적으며, 냉각이 덜 필요합니다. 스위칭 소자, 견고한 커패시터, 우수한 특성을 지닌 초크와 같은 고품질 부품을 사용합니다. 리플이 낮고 소음과 발열이 적은 더 나은 출력 전압을 생성하며, 더 우수한 전압 조정 기능을 제공합니다.

전원 공급 장치 냉각 방식

전원 공급 장치는 회로 내 부품을 손상시킬 수 있는 열을 발생시킵니다. 이 때문에 전원 공급 장치는 과도한 열을 방출하기 위한 냉각 시스템을 갖추어야 합니다. 다음은 가장 일반적으로 사용되는 열전도 또는 냉각 방식입니다.

1. 자연 통풍은 공기가 자연스럽게 흐르며 장치로부터 열을 이동시키는 단순한 대류 냉각 방식입니다. 자연 통풍은 추가 기계 부품이 필요 없는 단순하고 저비용의 냉각 옵션입니다. 이 냉각 방식은 방열 능력이 낮기 때문에, 이를 사용하는 전원 공급 장치는 안전한 작동 온도 범위에 제한이 있습니다.
2. 강제 공랭은 하나 이상의 팬을 사용하여 자연 통풍을 개선함으로써 더 높은 작동 온도를 가능하게 합니다. 팬은 추가 전력을 소비하므로 전원 공급 장치의 효율을 저하시킵니다. 또한 정기적인 유지보수와 교체가 필요합니다. 이 냉각 방식은 공간이 제한된 응용 분야에는 실용적이지 않습니다.
3. 히트싱크는 더 차가운 부품과의 직접 접촉을 통해 열을 전달하며, 이는 핀이 있는 히트싱크와 핀이 없는 콜드 플레이트로 나뉠 수 있습니다. 핀이 있는 히트싱크는 공기와 접촉하는 표면적이 더 넓어 더 빠른 방열이 가능합니다. 이는 더 나은 방열을 위해 강제 공랭과 결합되는 경우가 많습니다. 그러나 히트싱크는 더 많은 공간을 필요로 하기 때문에 일부 응용 분야에서는 사용이 제한됩니다. 콜드 플레이트는 장치로부터 열을 전도하는 데 사용되는 두꺼운 금속판입니다. 단순함과 공간이 중요한 매개변수인 응용 분야에서 사용됩니다.
4. 액체 냉각은 폐회로 형태로 냉각액을 순환시키는 내장 튜브가 있는 콜드 플레이트로 구성됩니다. 냉각액은 베이스 플레이트가 매우 안정적인 온도를 유지하도록 도와 열 전달을 최대한 효율적으로 만듭니다. 팬이 필요 없기 때문에 액체 냉각은 공간을 많이 차지하지 않습니다. 액체 냉각은 뛰어난 방열 성능을 지니며, 소음과 진동을 발생시키지 않고, 전원 공급 장치의 수명을 늘립니다. 그러나 더 복잡한 설계가 필요하기 때문에 액체 냉각은 비용이 더 많이 듭니다. 액체 냉각은 산업용 레이저나 충전 스테이션과 같이 높은 열을 발생시키는 응용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

액체 냉각식 전원 공급 장치는 매우 높은 출력 전력으로 설계할 수 있습니다. 예를 들어, MEAN WELL의 액체 냉각식 전원 공급 장치인 PHP-3500 시리즈는최대 3,500W까지 출력할 수 있습니다. 또한 능동 전류 분담 기능을 갖추고 있어 최대 4대의 병렬 유닛으로 최대 14,000W까지 공급할 수 있습니다.

아래 동영상은 MOSFET과 커패시터의 액체 냉각과 강제 공랭 간 온도 차이를 비교한 것입니다. 액체 냉각 시 온도는 강제 공랭에 비해 6~18°C 더 낮습니다.

비용이 많이 들기는 하지만, 액체 냉각식 전원 공급 장치는 강제 공랭이 적합하지 않은 응용 분야에서 가장 효과적인 솔루션입니다. 많은 응용 분야에서, 전원 공급 장치에 팬을 추가하면 신뢰성이 저하되고, 비용이 증가하며, 소음이 발생하고, 유지보수 문제가 생기기 때문에 강제 공랭은 피해야 합니다.

팬리스 전원 공급 장치(아래 그림 2의 MEAN WELL UHP-2500 등)는 팬 고장과 관련된 문제를 방지하고 유지보수 비용을 절감합니다. 팬리스 전원 공급 장치는 완전한 정숙성이 요구되는 환경에도 적합합니다.

전원 공급 장치와 전력 관리

전력 관리는 시스템에 DC 전력을 제어, 조정, 분배하기 때문에 모든 전자 시스템에서 중요한 기능입니다. 전력 관리는 신뢰성, 성능, 비용에 영향을 미칩니다.

첨단 전원 공급 장치에는 프로그래머블 전압 및 전류(PV/PC) 기능이 탑재되어 있어, 외부 DC 제어 신호를 통해 출력 전압을 50~120% 범위에서, 전류를 20~100% 범위에서 조정할 수 있습니다. 또한, 지능형 전원 공급 장치를 구현하기 위해 통신 프로토콜(예: PMBus 또는 CANBus)을 탑재할 수도 있습니다. 일반적으로 전원 공급 장치 출력 조정에는 외부 아날로그 신호 인터페이스와 디지털 제어 인터페이스라는 두 가지 유형이 있습니다.

외부 아날로그 신호 인터페이스 제어 기술은 외부 전압을 사용하여 전원 공급 장치의 출력 전압을 제어합니다. 아날로그 전원 공급 장치는 안정적이고 신뢰할 수 있지만 유연성이 제한적입니다. 상태를 모니터링할 수는 있지만, 제어는 일반적으로 매개변수당 하나의 가능한 반응으로 제한됩니다. 외부 아날로그 전압 입력은 일반적으로 1~5V 범위입니다. 외부 전압을 인가함으로써 출력 전류를 정격 전류의 20~100%로 조정할 수 있습니다. 그림 3은 외부 DC 전압을 사용한 출력 전류 조정 다이어그램을 보여줍니다.

디지털 제어는 높은 수준의 정보에 대한 접근을 제공하며 더 유연한 출력을 가능하게 합니다. 아래 표는 디지털화된 전원 공급 장치 설계의 장점을 보여줍니다:

전원 공급 장치의 디지털 제어에 가장 널리 사용되는 통신 프로토콜은 PMBus(Power Management Bus)입니다. PMBus는 더 간단한 설계를 제공하고 디지털 제어 전원 시스템의 복잡성을 줄여주는 개방형 표준 전력 관리 프로토콜입니다. CANBus(Controller Area Network)는 또 다른 통신 프로토콜입니다. PMBus 프로토콜의 대부분의 명령과 기능을 구현할 수 있으며, 이 둘 사이의 주요 차이점은 신호 전달 방식입니다. CANBus와 PMBus 중 어느 것을 선택할지는 응용 분야의 구체적인 요구 사항에 따라 달라집니다. MEAN WELL은 이미 PMBus가 통합된 제품에 대해 선택적으로 CANBus 모델을 제공합니다.

내장형 PMBus 프로토콜을 갖춘 전원 공급 장치를 사용하면 최종 시스템에서 전압, 전류, 온도와 같은 전원 공급 장치의 다양한 작동 매개변수를 모니터링하고 제어할 수 있습니다. 팬리스 전원 공급 장치와 PMBus 프로토콜을 결합하면 수명 신뢰성과 설치 유연성이 크게 향상되어 더욱 컴팩트하고 지능적인 최종 시스템을 구현할 수 있습니다. 예를 들어 PHP-3500은 최대 100kHz의 버스 속도로 PMBus를 지원하여 정보 읽기, 상태 모니터링, 출력 조정이 가능합니다.

팬리스 전원 공급 장치와 전력 관리의 장점에 대해 자세히 알아보려면 MEAN WELL UHP 및 PHP 전원 공급 장치를확인해 보세요.

 

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