안녕하세요.
기글 하드웨어에서 진행된 시소닉 A12시리즈 파워서플라이 필드테스트에 선정되어 글을 작성하게 되었습니다.
필테에 선정해주시느 기글 하드웨어 운영자님이신 '낄낄'님과 시소닉 A12 제품을 지원해주신 맥스 엘리트 관계자 분들께
감사한 마음으로 꼼꼼한 필테를 진행 하였습니다.
A12는 시소닉 최초 AC220V 전용이며 보급형 시장을 진출하기 위한 제품으로 보여집니다.
기존에 판매되던 S12iii 제품을 기반으로 AC220V전용에 맞도록 수정한 제품이라고 보시면 됩니다.
박스 구성은 보급형 답게 필요한 부속품만 포함되어 있지만 이동시 충격을 대비한 포장이 안정감을 주네요.
내부도 정갈하고 실리콘으로 흔들리는 부품을 단단히 고정시킨 모습입니다.
PC파워에는 12V, 5V, 3.3V 전압값을 검출하여 PC메인보드에 간단한 신호를 주고받는데 이 부분을 GR8313 적용하여
3가지 전압에 대한 OVP, UVP 모니터링이 됩니다.
팬 안쪽에는 공기흐름을 안쪽부터 불어주도록 유도하는 플라스틱 판이 달려있습니다.
퓨즈를 찾아보니 220V 단자에 붙어있는 EMI필터 보드에 있었습니다.
A12 내부를 보게되면 미흡한 부분이 보입니다.
출력 콘덴서와 방열판이 거의 붙어있습니다.
제작 과정에서 방열판이 옆으로 기울어서 그런 것 같은데 콘덴서는 열에 취학한 부품이기 때문에 좋지 않은 모습입니다.
바리스터 위치와 실장 방법도 안좋습니다.
바리스터는 입력에 대한 서지 대책으로 사용되는 부품이며 EMI필터 뒤에 그리고 긴 리드로 높이 떠있는 모습입니다.
바리스터는 퓨즈 바로 뒤에 있어야 EMI필터에 있는 X-cap들이 보호되며 리드가 길면 리드 임피던스로 방해가 됩니다.
다음은 시소닉 A12시리즈 제품 글에있는 부분을 하나씩 확인해 보겠습니다.
LLC라는 단어를 요즘 PC파워에서 많이 볼 수 있는데요.
LLC는 절연형 DCDC컨버터 방식 중 하나이며 자동차로 비유하면 가솔린엔진 중 MPI, GDI를 구분하는 것과 비슷합니다.
기존에는 더블포워드라는 방식으로 구성된 제품이 많았으나 ATX규격이라는 한정된 공간에서 요구하는 출력이 높아지고
이러한 요구조건을 충족시키기 위해 LLC라는 방식을 많이 사용하고 있습니다.
포워드 방식에서 사용하는 트랜스포머를 브릿지 방식으로 구동하면 이론상 2배 높은 출력을 할 수 있기 때문에
전력 밀도가 상당히 높아지며 브릿지 방식에서도 출력 인덕터가 필요 없는 LLC 회로 적용하는것 같습니다.
전자회로에서 인덕터라는 부품을 L, 콘덴서를 C라고 부릅니다. LLC는 인덕터 2개와 캐패시터 1개로 공진 회로를
구성하여 동작하는 방식입니다.
미국의 한 업체에서 오실로스코프의 브라운관 화면 기존 SMPS방식으로 구동할 때 발생하는 노이즈의 문제를
해결하기 위해 저노이즈 전원을 개발을 하게 되었고 'RESONANT CONVERTER' 라고 불렀으며 비슷한 시기에 일본에서도 구조가 유사한 방식을 LLC 지칭하였습니다.
설명을 읽어보면 '디지털 제어', 다이오드 회복특성 향상이라고 쓰여있는데 오류입니다.
A12 제품의 LLC컨트롤러는 MPS社 에서 제작된 HR1000 이라는 모델이며 아날로그로 동작하는 컨트롤러 입니다.
'아날로그 제어' 라고 하면 너무 구식 같아서 그랬던 걸까요.
'아날로그 라 안 좋겠네' 라고 생각하실 수도 있겠지만 전원제어는 아날로그가 아직 장점이 더 많습니다.
다이오드 회복특성은 다이오드 모델마다 차이가 있는 부품의 고유 특성입니다.
LLC를 적용한다고 회복특성이 좋아질 수 없습니다.
A12제품의 L,L,C를 표시 하였습니다.
빨강색 원에 있는 캐패시터(C), 노랑색 원 작은것이 인덕터(L) 큰것은 메인트랜스포머의 인덕턴스(L)을 이용하여
구성합니다.
시험구성은 PCB에 직접 단자를 장착하고 시험 하였습니다.
A12시리즈는 한국 맞춤형 200-240VAC 로 제작된 제품입니다.
AC220V 전용 제품은 기존에 판매되는 Free Voltage 제품 일부를 부품 축소, 제거하여 원가를 낮춘 제품으로
생각하시면 됩니다. EMI필터와 PFC회로가 수정이 되며 그 이후 회로는 똑같습니다.
AC110V 환경에서는 동작 전류가 크기 때문에 필터의 와이어 사이즈가 굵어집니다. Free Voltage 제품에는
더 큰 필터를 사용할 것 같은 모양입니다. S12iii제품을 비교할 수 있으면 좋겠지만 없기 때문에 추측으로 넘기겠습니다.
PFC회로의 모스펫 사진입니다. 자세히 보시면 Q1부분에 부품이 빠져있습니다. PFC회로는 AC220V에서 700W를
사용한다면 AC100V에서 350W까지 출력이 보장됩니다. Free Voltage 제품 부품 일부를 제거하여 220V전용으로
만들수 있습니다. PFC인덕터와 PFC캐패시터도 용량을 줄여 원가 절감이 가능합니다.
A12제품의 문제점은 AC220V 전용임에도 불구하고 AC100V를 인가할 경우 정상 동작이 됩니다.
콘센트가 220V처럼 생겨도 110V가 나올 수 있는 환경이 아직 남아있을 수도 있기 때문에 100V에서는 동작이 안되도록
설정값 수정해야 하나 기존 Free Voltage 제품을 부품만 축소, 제거하여 출시됐다고 판단됩니다.
▲ BYPASS RELAY
※ https://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_6.html 이미지 참조
SMPS는 가정에서 사용되는 AC220V 교류 전원을 직류로 변환하여 콘덴서를 충전하게 됩니다.
A12-700W의 제품에는 390uF 콘덴서가 사용되었습니다. 이 콘덴서가 방전 상태에서는 +,- 단자가 쇼트상태와 같습니다.
이 상태에서 AC220V를 인가할 경우 순간적으로 310A(1Ω 가상저항) 라는 큰 전류가 흐르게 됩니다.
초기에 흐르는 비정상적 전류를 '돌입전류'라고 부릅니다. 돌입전류는 코드, 콘덴서 그리고 다이오드를 손상시키기
때문에 전류를 제한하는 저항이 사용됩니다. 돌입전류를 제한하고 나면 필요가 없는 부품이기 때문에 온도가
높아질수록 저항값이 떨어지는 써미스터-NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance)를 적용하지만
미세한 저항값이 남아있게 되며 이로 인해 SMPS 용량이 커질수록 써미스터에서 발생하는 손실도 커지고 발열로
써미스터가 타버립니다.
이러한 이유로 써미스터에 릴레이를 병렬로 붙여 돌입전류를 막고 파워가 동작할 때 써미스터를 우회하여 손실을
차단합니다. 하지만 릴레이도 구동전력이 필요하기 때문에 소용량에서는 오히려 써미스터보다 손실이 커져버립니다.
설명에 '대기전력을 낮추는'이라고 되어있지만 PC가 ON 될 때만 동작하기 때문에 대기전력과는 관계가 없습니다.
A12제품에는 5D-11이라는 부품이 사용되었고 지름 5파이에 초기 저항값이 11Ω의 특성을 같은 NTC 써미스터 입니다.
돌입전류 측정결과 약 30A로 제한되고 있습니다.
▲ MAGNETIC AMPLIFIER
최근 파워들이 12V 전원을 사용하여 별도의 Buck Converter라는 비절연 DCDC컨버터를 사용하여
5V, 3.3V를 출력하고 있습니다. 이러한 회로를 구성하려면 별도의 컨트롤러, 스위칭소자, 인덕터등 여러 가지 부품을
사용해야 하기 떄문에 가격이 상승할 수밖에 없습니다. A12제품은 별도의 DCDC컨버터를 사용하지 않고
MAGNTIC AMPLIFIER(이하 마그엠프) 라는 방식으로 5V, 3.3V를 출력을 하고 있습니다.
내용에 Center Tap 방식이 나오는데 이부분은 트랜스포머 2차측 권선 방식이며 마그엠프와는 관련짓기 어려운\
부분입니다.
PCB가 검정색이라 눈이 아파 독립제어가 되는지 눈으로 확인은 못했습니다.
5V : 0A / 20A - 5.148V / 5.139V
3.3V : 0A / 20A - 3.334V / 3/323V
작은 전압 차를 확인하였습니다. 12V는 최소 부하상태로 시험하였습니다.
풀 부하때 시험은 안했습니다.
▲E-STAGE FILTER
EMI필터는 SMPS가 동작할 때 발생하는 노이즈가 콘센트로 빠져나가는 것을 막아주는 필터입니다.
콘센트에서 들어오는 전기를 필터링해준다고 표현될 때가 있는데 잘못된 설명입니다.
EMI필터는 기본적으로 CM필터 1개, X-CAP 1개, Y-CAP 2개를 사용하여 구성하며 CM필터 숫자를 기준으로
단수를 정합니다. 보통 1단으로 부르며 1-stage라고도 할 수 있겠네요. A12는 CM필터가 3개로 확인되며 총 3단
으로 볼수 있습니다. 제품을 판매하려면 전자파 시험을 통과해야 하는데 이 기준을 맞추려면 1단으로는 통과하기가
어렵기 때문에 보통 2단 필터 구성을 많이 사용합니다. '2단 설계로 한 번 더 노이즈 필터링 구현' 이라고 되어있으나
제품을 판매하기 위해 어쩔 수 없이 적용된 부분입니다. E-STAGE는 무슨 뜻인지 모르겠네요. 3 오타같습니다.
보호회로를 보겠습니다. 7개나 된다고 나와있습니다.
과전압(OVP), 저전압(UVP) 두 가지는 위에서 보여드린 GR8318 IC로 지원되며 과전력(OPP), 단락(SCP)는
LLC 컨트롤러에서 제어됩니다.
의문이 생기는 보호회로 공회전보호 NLO, 과열보호 OTP, 써지&인러쉬보호 SIP 총 3가지가 있네요.
과전력보호(OPP)와 단락보호(SCP)를 시험한 결과입니다.
단락보호 시험결과 잘 끊어졌습니다.
과전력보호(OPP)라고 표현되는 보호회로는 LLC컨트롤러와 1차 측 전류값을 측정하여 파워의 동작 이상 유무를
판단하며 이것 또한 OCP 기능입니다. 파워의 출력 전류를 직접 모니터링하여 제어하는 보호회로를 PC파워에서는
OCP라고 부르고 1차 측 전류를 모니터링하는 부분은 OPP라고 표현하더군요. 1차 측 전류를 모니터링 하기 때문에 각 제품마다 오차가 좀 더 날수 있습니다.
A12-700W는 12V 최대전류가 54A(648W)로 나와있습니다. 700W 파워라고 생각하고 마진을 고려하면
대략 800W 이전에는 OPP가 동작시키는게 일반적 입니다.
시험한 결과 12V에 부하가 79A(948W)부근에서 출력이 차단됩니다.
마진을 고려해도 900W 근처는 너무 높다고 생각됩니다.
▲ 공회전보호(NLO)
공회전보호...자동차 엔진인가요?
NLO를 풀어쓰면 No Load Operation 이네요. 무부하 상태에서 보호상태를 이야기 하는듯 합니다.
SMPS는 동작할 때 최소 부하를 충족시켜야 제대로된 출력전압이 유지됩니다.
무부하 에서 LLC회로는 주파수가 무한대로 올라가기 때문에 이부분을 제한하기 위한 Burst-Mode라는
기능이 내장되어 있습니다.
A12제품에 적용된 컨트롤러IC 데이터시트의 일부입니다.
무부하가 상태에서는 동작을 중단하여 스위칭 손실도 줄여줍니다.
A12제품의 LLC회로 전압전류 파형입니다. 중간중간 이빨빠진 모습이 보입니다.
Burst-Mode 동작시 출력전압이 잘 유지되는지 봐야합니다.
노란색 12V 전압, 빨간색 5V 전압, 파란색 3.3V 저압, 초록색 12V 전류입니다.
12V를 150mA정도 소모될 때 Burst-Mode에서 빠져나오며 Burst-Mode에서 3.3V가 많이 출렁거립니다. 2.4V까지
순간순간 내려갑니다. PC가 동작할 때 12V가 아무리 저전력이라고 해도 150mA는 소모가 되기 때문에 PC환경에서 문제점은 없을듯합니다. Burst-Mode를 보호회로라고 하기는 애매합니다. 또한 NLO라는 회로가 표현되어 있지만 실제
무부하에서는 문제가 있네요.
▲ 과열보호(OTP)
A12제품 홍보물에는 OTP가 있다고 표현이 되어있습니다.
OTP를 하려면 NTC나 바이메탈 이라는 부품이 있어야 하는데 A12제품은 제가 찾지 못했습니다.
SMD부품도 있기 때문에 제가 놓쳤을 수도 있습니다.
하지만 A12 데이터시트에도 나와있지 않으며 포장 박스에도 표현되어 있지 않아 혼동이 됩니다.
LLC 컨트롤러 IC내부에는 IC를 과열될 경우 동작을 정지시키는 OTP기능이 내장되어 있는데 이 부분은
파워에서 실제 발열 소자를 모니터링하지 못하기 때문에 파워서플라이 전체를 보호할 수 있는 OTP라고
보기 어렵습니다. A12제품의 모체인 S12iii 제품의 데이터 시트에도 OTP는 빠져있습니다.
▲ 써지&인러쉬보호(SIP)
파워서플라이를 설계할 때는 써지와 돌입전류 보호가 필수로 적용됩니다.
돌입전류는 제외하고 써지에 대해서 대책이 없으면 인증을 받을 수 없기 때문에 판매가 불가하기 때문입니다.
그런데 A12제품은 특별하게 보호회로라고 표현하고 있습니다. 이 부분을 보호회로라고 한다면 퓨즈도 '입력과전류' 보호회로라고 표현할 수 있겠네요.
12V 출력 상태입니다.
AC리플을 포함하여 확인한 결과 대략 140mVpp정도 보여집니다. 출력전류는 50A입니다.
스위칭주파수 리플도 확인한 결과 대략 120mVpp가 측정됩니다.
스위칭 리플이 약 6~7uS(160KHz) 주기로 발생하는데 모양이 한번 건너 한 번씩 날카롭게 떨어지는 부분이 있습니다.
1차측 파형을 확인하여 그 이유를 찾아봤습니다.
12V를 대략 57A 부하 시 1차 측 LLC 스위칭 전압(노란색)과 전류(빨간색)입니다. 동작 주파수는 80KHz 측정됩니다.
전압 파형에 빨간 원으로 표시한 부분을 보시면 스파이크 전압이 발생하고 있으며 파형의 듀티비도 4%정도 어긋나고
있습니다. LLC가 제대로 동작할 경우 전류파형이 가로축 중심을 기준으로 위아래 파형이 같아야 하는데 다르네요.
제대로 동작하지 않으면 출력품질이 떨어지고 OCP설정도 맞지 않게되며 전자파와 발열이 많아집니다.
당연히 효율이 떨어집니다. LLC가 정상적으로 공진하지 못하고 있는 상태입니다.
이 부분은 PCB 패턴과도 관계가 있을정도로 민감하고 복합적인 이유로 발생하기 때문에 다른제품도 마찬가지라고
생각 됩니다.
예전에 측정했던 시소닉 600TL 제품의 전압파형과 비교 해보시면 모서리에 스파이크도 없고 듀티비도 50%정도로
확인됩니다. LLC회로의 고효율을 달성하려면 무조건 잡고가야 하는 부분입니다.
시소닉 홈페이지에서 S12iii와 A12 제품을 비교해본 결과 보호회로를 포함한 거의 모든 부분이 똑같으며
인증, AC Input, Warranty(한국은 무상2년이 추가라고 하네요.) 에서 차이점이 보여집니다.
국내에 판매되는 가격을 비교해보면 차이점 만큼 가격차가 난다고 보기 어렵습니다.
S12iii-650W제품과 A12-700W을 비교해보면 50W 출력 차이로 A12-700W가 높아 보이나 12V 출력전류는 똑같이 54A로
표기되어 있고 내부 부품값, 인증비 등을 따져보면 비슷한 가격대로 형성되있는 부분이 조금 의아하게 생각됩니다.
측정할게 아직 많이 남았지만 정해진 기간 안에 글을 써야 하기 때문에 업무와 병행하며 측정하기 어려운 환경을
이해 부탁드리며 글을 마치도록 하겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다.
글 쓰시는데도 엄청난 시간 투자를 하셨을꺼 같아서 제가 쓴 600w 제품 리뷰는 민망할 정도네요...
teledyne lecroy 오실로스코프를 갖고 계신건가요?
아니면 pc에서 사용할 수있는 프로그램이 있을까요?