[디지키 테크포럼] 전원 공급 장치의 열 디레이팅…정격 550W 제품이 230W만 출력할 수 있는 이유는?

전원 공급 장치 출력은 정격값만으로 결정되지 않고 사용 조건에 따라 변동한다. 장비를 장기·안정적으로 사용하기 위해서는 실제 적용 환경의 전원 공급 장치 조건을 검토할 필요가 있다.

장비의 냉각 설계·열 관리는 전원 공급 장치 수명에 큰 영향을 미친다. 이에 따라 출력 조건과 함께 열 관리 요소를 함께 살펴볼 필요가 있다.

[그림1] 사례 제품은 XP파워 'CCR550PS12'다. 'CCR550PS12'는 최대 정격 출력 550W의 케이스형 AC-DC 컨버터로, 이번에는 이 제품을 사례로 출력에 영향을 미치는 조건을 살펴본다.

이번 분석은 XP파워가 출력·발열 관계 분석용 데이터를 충분히 제공해 적합했다. 이에 따라 분석에는 XP파워가 제공한 데이터를 활용했다.

사양을 정확히 이해하기 위해서는 참고 자료로 XP파워 '전원 공급 장치에 대한 필수 가이드(Your Essential Guide to Power Supplies)'도 활용할 수 있다. 이 가이드는 154페이지 분량이며, 전원 공급 장치 기본 개념과 냉각, 고온 환경 디레이팅 등 심화 내용을 수록하고 있다.

전원 공급 장치와 장비의 실제 성능은 명시된 정격만으로 결정되지 않는다. 실제 확보 가능 출력·장비 수명 결정 시점은 설계 단계다.

전원 공급 장치 표시 정격 출력의 유효 조건은 적절한 조건이다. 정격 출력 전량 구현 여부 변수는 운용 조건이다.

이 때문에 이상적 조건 기준 설계는 지양해야 한다. 장비의 수십 년 사용 가능성까지 고려하면 설계 단계의 판단이 더욱 중요하다.

특히 냉각 설계의 중요성이 크다. CCR550 출력 변동 요인은 냉각 방식이다.

금속 케이스만으로 충분한 냉각 성능 확보를 가정해서는 안 된다. 밀폐형 케이스 사용 시에는 고온 환경 고려 설계가 필요하다.

또한 먼지 축적·필터 관리 미흡 시 냉각 성능이 저하된다. 이 역시 출력 확보에 영향을 미치는 요소다.

히트싱크 방열 성능이 부족하면 커패시터 수명이 대폭 감소한다. 커패시터 수명 감소에 따라 장비 수명이 단축될 가능성도 있다.

결국 전원 공급 장치와 장비의 실제 성능은 설계와 운용 환경의 영향을 받는다. 밀폐 구조·고온·먼지·필터 관리 상태·히트싱크 성능에 따라 출력 확보와 부품 및 장비 수명이 달라진다.

출력 수준에 따라 요구되는 냉각 방식이 달라진다. 230 W 대응 냉각 방식은 자연 대류 냉각이며, 450 W 대응 냉각 방식은 전도 냉각이고, 550 W 대응 냉각 방식은 팬 냉각이다.

본문은 450W 출력 설명용 사례를 제시하며 필요한 히트싱크 조건을 구체화한다. 450W 출력 확보 조건은 열저항 1.0°C/W 히트싱크 사용이다.

자연 대류 조건 적용 가능 예로는 웨이크필드(Wakefield) 127684가 제시된다. 이 부품의 열저항은 1.04°C/W이며 재질은 알루미늄이다.

웨이크필드(Wakefield) 127684의 설치 면적은 108제곱인치이고 높이는 0.9인치다. 자연 대류 방식 히트싱크 설치 면적은 전원 공급 장치의 약 6배다.

이 같은 면적 차이는 중요성이 강조된다. 자연 대류로 해당 출력을 다루려면 큰 알루미늄 히트싱크가 필요하고, 그 크기는 전원 공급 장치보다 훨씬 커진다.

설계 시 장비 섀시의 히트싱크 활용 가능성도 언급된다. 다만 장비 섀시 활용 방식은 냉각 성능 확보가 어렵다.

그 이유는 대부분 케이스 열저항이 대형 1.0°C/W 히트싱크보다 높기 때문이다. 예외는 매우 견고한 금속 케이스다.

히트싱크 크기 축소 수단으로 냉각 팬 사용 가능하다.

다만 장기간 고온 지속 시 부품 열화·고장이 가속된다.

고온 환경에서 특히 큰 영향 대상은 전해 커패시터다.

[그림3]의 전원 공급 장치 구조는 부분 포팅(semi-potted)이다.

부분 포팅(semi-potted) 구조 결과 내부 부품 온도 수준은 유사하며, 커패시터 온도는 전원 공급 장치 금속 베이스와 거의 동일 수준까지 상승한다.

이와 관련해 XP파워 가이드 설명 대상은 커패시터 관련 내용이다.

데이터시트에는 통상 주요 전해 커패시터 온도 기준 예상 수명 곡선도가 포함되며, 전해 커패시터는 전원 공급 장치 내부에서 사용에 따라 수명 감소하는 대표적 부품이다. XP파워 가이드에 추가 관련 내용도 수록됐다.

모든 전해 커패시터의 수명 계산 기준에는 아레니우스 방정식이 사용된다. 일반적으로는 온도 10°C 상승마다 반응 속도가 2배가 되고, 온도 10°C 상승마다 수명은 1/2 감소하는 관계가 적용된다. 이 때문에 온도는 최종 시스템 수명과 유지보수 주기를 결정하는 핵심 요소다.

아레니우스 방정식의 상세 설명은 별도 글에서 다룬다. 이 글에서는 10도 법칙(Rule of 10)을 소개하며, 이 법칙은 온도 10°C 상승마다 장비 수명이 약 1/2 감소한다는 내용이다.

또한 리플 전류도 커패시터 수명에 영향을 주는 요소다. 이에 따라 출력 커패시터에 10도 법칙을 적용하는 내용을 제시한다.

[그림3]에서는 젬콘(Gemcon0의 출력 커패시터를 확인 대상으로 제시한다. 해당 출력 커패시터 제품군은 GPH 시리즈이며, 전도성 고분자 알루미늄 고체 커패시터다. 최대 동작 온도는 125°C이고, 내구성은 125°C에서 2000시간이다.

온도와 수명 관계를 10도 법칙으로 단순 적용한 기준의 전원 공급 장치 수명이 제시됐다.

125°C에서는 2000시간(83일)이다.

115°C에서는 4000시간(167일)이다.

105°C에서는 8000시간(0.9년)이다.

95°C에서는 1만6000시간(1.8년)이다.

85°C에서는 3만2000시간(3.7년)이다.

75°C에서는 6만4000시간(7.3년)이다.

65°C에서는 12만8000시간(14.6년)이며, 약 30년 수명을 확보하려면 온도를 55°C 이하로 유지해야 하고 55°C에서는 25만6000시간(29년)으로 제시됐다.

다만 이 단순 계산에는 리플 전류 영향이 반영되지 않았고, 스위칭 모드 전원 공급 장치의 고주파 성분에 따른 자체 발열도 반영되지 않았다.

55°C는 사람이 상당히 뜨겁게 느끼는 수준이며, 화상 가능 수준이고, 뜨거운 물과 비슷한 수준이다.

기술 팁으로는 시스템 수명 판단 기준이 개별 부품 수명의 종합이라는 점과, 전체 수명을 결정하는 요소는 가장 수명이 짧은 부품이라는 점이 제시됐다.

또 [그림3]의 고분자 커패시터 실제 수명은 앞선 단순 계산치보다 훨씬 길 가능성이 있으며, 뷔르트일렉트로닉(Würth Elektronik) 애플리케이션 노트 ANP701에서는 이와 관련한 설명을 제시했다.

커패시터 종류에 따라 온도 저하에 따른 수명 증가 폭은 다르다. 액체 전해 커패시터는 부품 온도 10°C 하락마다 예상 수명 2배 증가하며, 고분자 전해 커패시터는 부품 온도 20°C 하락마다 수명 10배 증가한다.

뷔르트일렉트로닉 애플리케이션 노트의 대상 부품은 디지키 공급 커패시터와 유사 제품이다. 이들 부품의 운용 조건을 볼 때 온도는 수명과 성능을 가르는 핵심 변수로 제시된다.

장시간 사용 시 수명에 최대 영향을 주는 요소는 커패시터 노화다. 또 50°C 초과 환경 사용은 바람직하지 않으며, 50°C 넘는 환경 사용은 비권장된다는 설명도 제시됐다.

반면 매우 높은 온도에서의 단시간 사용에서는 제약 요인이 다르다. 이 경우 주요 제약은 반도체 온도 한계이며, 고온 단시간 사용 시에는 반도체에 일반적으로 적용되는 선형 디레이팅 특성이 나타난다.

이와 관련해 [그림4]는 50°C~80°C 구간에서 출력이 점진적으로 감소하는 모습을 보여준다. 즉 장시간 운용에서는 커패시터 노화와 50°C 초과 환경이 문제라면, 매우 높은 온도에서의 단시간 운용에서는 [그림4]의 출력 저하처럼 반도체 온도 한계와 선형 디레이팅이 핵심 제약으로 작용한다.

일반적 반도체 다수는 25°C 초과 시 1°C 상승마다 반도체가 정해진 전력량 디레이팅한다. 반면 XP파워 전원 공급 장치는 50°C부터 디레이팅 시작하는데, 이는 XP파워 전원 공급 장치의 설계 여유가 큼을 보여준다.

이 같은 차이는 열저항 영향과도 연결된다. 전원 공급 장치에서는 열저항 영향으로 전원 공급 장치 섀시 온도가 반도체 접합부 온도보다 낮다.

자연 대류 냉각 상태에서 파란색 곡선 조건은 110VAC이고, 보라색 곡선 조건은 220VAC다. 두 조건의 전원 공급 장치 정격 출력은 각각 230W·260W다.

이 두 곡선 차이 원인은 정류 후 직류 전압 차이다. 또한 입력 전압이 낮을수록 더 큰 전류가 흐르는 것으로 볼 수 있다.

전류 증가 시 손실·발열이 증가하고, 낮은 입력 전압에서 효율 저하 특성도 반영된다. 이 같은 요인들이 자연 대류 냉각 상태에서 110VAC와 220VAC 입력 조건의 정격 출력 차이로 이어진다.

전원 공급 장치 운용 체크리스트는 장비 설계 참고용 실무 지침의 성격으로, 전원 공급 장치 운용과 관련해 설계 단계에서 점검할 항목들을 정리한 내용이다.

팬 소음 문제가 빈발하는 분야로는 AV 장비, 의료 장비가 있다. 이 경우 소음을 줄이는 방법으로는 전원 공급 장치 출력을 낮추는 방안이 있다.

또 다른 소음 저감 방법으로는 더 큰 방열판 적용과 저속 팬 적용이 있다. 소음은 출력 조정과 방열·팬 구성 변경으로 줄일 수 있다는 점을 설계 단계에서 함께 검토해야 한다.

먼지·오염물질이 축적되면 냉각 효율이 저하된다. [그림5]는 오래된 팬 냉각식 전원 공급 장치의 심한 먼지 축적 사례를 보여주며, 그 결과 냉각 성능 저하가 나타난다. 따라서 설계에서는 먼지 축적 가능성을 반영해야 한다.

장기간 안정적으로 사용하려면 온도를 50°C보다 충분히 낮게 유지해야 한다. 이를 위해서는 온도를 50°C보다 충분히 낮게 유지하면서 장기간 안정적 사용을 가능하게 하도록 장비 수명, 크기, 팬 냉각 성능, 방열판 크기 사이에서 균형을 맞춰야 한다.

사용 조건 사례로는 매우 높은 온도에서의 간헐적 운용 가능성이 있다. 다만 고온 사용의 장시간 지속은 피해야 하며, 80°C에 가까운 환경에서 장시간 사용하면 장비 수명이 대폭 단축될 수 있다. 수명 변화의 예로는 수십 년에서 수년으로 줄어드는 경우가 있다.

장비 온도 감지 기능 추가가 제안됐다. 장비 설치 환경 문제 사례로는 좁은 공간 설치와 통풍구 차단이 제시됐으며, 이 경우 냉각 불량 발생 가능이 있는 것으로 정리됐다.

장비가 좁은 공간에 놓이거나 통풍구가 막히면 냉각이 원활하지 않아 과열로 이어질 수 있으며, 이런 상황을 온도 감지로 파악해 사용자에게 과열 상태를 알리면 장비 보호와 수명 연장에 도움이 되는 것으로 제시됐다.

출처: 테크월드뉴스 · 이광재 기자
원문: https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=406566

참고자료

• https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=406566