디지털 전원부, 메인보드의 마지막 선택인가? Page 5:: 보드나라

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전송 2007-03-23 00:00

[테크닉]
디지털 전원부, 메인보드의 마지막 선택인가?

1. 처음	2. 디지털과 아날로그에 대한 개념정리
3. 디지탈 전원부가 등장하는 이유	4. 디지털과 아날로그의 동작 방식의 차이
5. 아날로그와 디지털 전원부의 비교	6. 디지털 전원부의 Phase 구분 방법
7. 디지털 전원부의 도입은 필연적이다!

5. 아날로그와 디지털 전원부의 비교

이번에는 디지털 전원부가 아날로그 전원부와 비교하여 어떤 소자들을 사용하여 구성되는지를 살펴보도록 하자. 이번 비교는 아날로그 전원부를 구성하고 있는 메인보드와 디지털 전원부를 가진 ABIT AB9 QuadGT를 이용하였다.

아날로그에 대응되는 디지털 전원부의 각 소자 구성

[아날로그 입력부와 디지털 출력부를 가진 ABIT QuadGT]

함께 살펴볼 ABIT QuadGT는 디지털 전원부를 가지고 있기에 주목을 받고 있는데 이 제품은 입력부는 전통적인 아날로그 방식을 취하고 있으며, 출력부는 최근 등장하는 고급형 메인보드들이 사용하기 시작하고 있는 디지털 방식을 취하고 있다.

여기에서는 디지털 전원부에 사용되는 소자가 아날로그 전원부의 각 소자에 어떻게 대응되고 있는지를 살펴볼 것이다. 소개하는 소자들이 무엇을 의미하는지를 파악하기 어렵다면, 3 Phase의 진실을 밝힌다! 메인보드 전원부에 대한 모든것에서 설명하고 있으므로 이 글을 먼저 읽어본다면 아래의 내용들을 이해하는데 도움이 될 것이다.

Switching Regulator, MOSFET Driver, MOSFET

[5개의 MOSFET Driver 및 MOSFET 기능의 통합 칩 VT1135 (노란 원)]
[VT1115M Switching Regulator (파란 원)]

[ADP3418 MOSFET Driver (파란 원)와 3개의 MOSFET (검은 원)]
[ADP3186 4Phase Switching Regulator (노란 원)]

전원부에서 Switching Regulator는 스위치 역할을 하는 트랜지스터인 MOSFET을 스위칭의 원리에 따라 껐다 켰다 하면서 안정적인 전원 공급을 가능하게 해주는 역할을 해준다. 즉, 필요한 전압이 입력 전압보다 낮으면, 전압을 낮춰 공급하여 각 부분에 맞는 전압으로 맞춰 공급해주는 장치라고 할 수 있다.

디지털 전원부도 아날로그와 마찬가지로 이 역할을 담당하는 Switching Regulator가 있으며, ABIT AB9 QuadGT에 사용되고 있는 Switching Regulator 칩셋은 Volterra VT1115M이다. 이 칩셋의 정확한 정보를 공개하지 않고 있어 스펙을 참조할 수 없지만, VT1000 시리즈 제품군이 1.3V에 100A를 공급할 수 있도록 되어 있어 여기에 사용된 칩셋 역시 비슷한 수준을 공급이 가능할 것으로 보여진다. 또한, CPU에 인가할 수 있는 전압 설정은 이 VT1115M과 같은 컨트롤 칩에 달려있다. 특히, 디지털 전원부는 디지털 방식이 적용되므로 보다 세밀하면서도 정확한 값, 그리고 빠른 반응을 통해 CPU가 필요한 전원을 공급해줄 수 있다.

또, 스위치 역할을 하는 트랜지스터인 MOSFET과 Swithcing Regulator를 동작할 수 있게 해주는 드라이버 칩이 통합된 Volterra VT1135를 사용하고 있다. 드라이버 칩은 컨트롤 칩 (레귤레이터 칩)에 통합되어 외부 드라이버가 필요 없는 경우도 있고 MOSFET, 드라이버 칩, 컨트롤 칩까지 포함된 경우, ABIT AB9 QuadGT의 디지털 전원부에서 처럼 MOSFET과 드라이버 칩의 역할을 동시에 하는 경우도 있는데 일반적인 경우 세 가지 모두 통합된 것은 출력이 약해 잘 사용되지 않는다.

디지털 전원부에만 있는 오실레이터 (Oscillator)

[오실레이터 (Oscillator) : 25.0MHz (노란 원)]

클럭 제너레이터 (Clock Generator)에 대해 알려주마!에서 크리스탈에 회로를 넣어 클럭을 발생시킬 수 있는 장치가 오실레이터 (Oscillator)라고 언급하였다. 크리스탈 결정이 극성 (+/-)가 변하는 전기를 가하면 진동이 발생하는 특성을 갖고 있고 이런 성질을 이용한 것이 오실레이터라고 할 수 있다. 오실레이터는 쉽게 말하면 해당 장치들이 필요한 클럭을 일정한 주기에 맞추어 형성해주는 역할을 담당하는 부분이다.

여기에 사용된 오실레이터는 보통 PCI나 메모리, AGP 등에 맞는 클럭을 공급하기 위해 사용되는 오실레이터는 보통 14.318MHz @ 3.3V를 사용하는데 반해 디지털 전원부에는 이보다 높은 25.0MHz를 갖는 오실레이터를 사용하고 있다.

디지털 전원부에 오실레이터를 사용하는 이유는 아날로그와 다르게 디지털의 특징인 정확한 값을 이용하여 동작하는 방식을 갖기 때문이다. 예를 들면, CPU가 안정적으로 동작하기 위해서 아날로그 방식에서는 필요할 때의 상황에 맞추어 전원을 공급한다고 본다면, 디지털 방식은 일정 주기에 맞추어 지속적으로 아날로그보다 정확하게 전원을 공급할 수 있게 되는 것이다. 이때 지속적으로 일정 주기에 맞추어 전원을 공급하기 위해서 오실레이터가 필요하며, 이것은 앞서도 언급하였던 신속한 반응 및 처리 부분에서 디지털 방식이 유리하기 때문이다.

또한, 아날로그 변환 과정은 복잡한 회로 구성에 따라 불필요한 전력을 낭비하고 복잡한 회로 구성을 가지게 되지만, 디지털은 이 회로 구성을 단순화할 수 있어 전력 낭비 등을 줄여 효율성을 높일 수 있다.

인덕터 (Inductor), 캐패시터 (Capacitor, Condensor)

[Pulse PA1315NL 5Phase Coupled Inductor (노란 원)]
[작은 크기의 적층 칩 세라믹 캐패시터 (MLCC) (파란 원 두 개)]

[쵸크 코일 (Cholk Coil, Inductor) (노란 원)]
[전해 캐패시터 (Capacitor, 파란 원)]

디지털과 아날로그 전원부의 쵸크 코일과 캐패시터를 살펴보기 전에 캐패시터와 쵸크 코일, 인덕터가 어떤 기능을 담당하는지 잠깐 살펴보자.

캐패시터의 역할은 일반적으로 전기를 모아두고 필요할 때 공급해주며, 직류 전류를 차단하고 CPU 등이 사용할 수 있는 교류 전류를 통과할 수 있게 해주는 역할을 담당한다. 이때, CPU에 전원을 공급하기 위해 사용하는 캐패시터는 총 용량이 클 수록 전압을 보다 안정화할 수 있게 된다. 단위는 uF (마이크로패럿)을 사용하며, 캐패시터가 많을수록 충실한 전원부를 구성할 수 있게 된다. 일반 전해 캐패시터보다 고주파 특성과 저항수치가 적은 LOW-ESR 캐패시터는 주로 고급형 메인보드에 사용되고 있으며, 일반 전해 캐패시터보다 좋은 전원을 얻을 수 있다.

메인보드에 사용되는 코일은 주로 원형으로 쵸크 코일이라고 부른다. 중앙의 원형 부분에 구리나 알루미늄 등의 도선을 이용하여 감아 놓은 형태를 띄고 있으며, 쉽게 말해 도선을 감아 놓고 있는 코일을 인덕터라고 부른다. 메인보드에 사용되는 쵸크 코일은는 교류 (AC)로부터 직류 (DC)로 변환하는 평활 회로에 주로 사용되고 있다. 평활 회로에서 캐패시터와 코일을 조합하면 코일이 전류 변화를 저지하고, 캐패시터는 축적한 전기를 배출하여 안정적인 직류를 얻을 수 있게 된다. 안정적인 직류를 얻기 위해 동작하는 과정에서 발생하는 불필요한 고주파 노이즈를 줄여 깨끗한 전원을 공급할 수 있게 해주는 역할을 쵸크 코일 혹은 인덕터가 해주는 것이다.

이제 쵸크 코일 그리고 캐패시터가 어떠한 역할을 담당하는지 알았을 것이므로 디지털과 아날로그에 각각 사용되고 있는 쵸크 코일과 캐패시터를 알아보도록 하자.

일반적인 아날로그 방식의 전원부는 하단 이미지처럼 전해 캐패시터와 쵸크 코일을 사용하고 있는 것을 볼 수 있다. 그러나, 디지털 전원부를 가진 경우 적층 칩 세라믹 캐패시터와 쵸크 코일의 기능을 담당하는 SMD (표면 실장 장치, 기판 위에 부품을 올려놓는 공정이나 시스템을 의미하는 SMT 방식을 적용하는 것으로 자동화 설비로 인해 기존보다 적은 비용이 드는 것으로 알려지고 있다.) 방식의 Power Inductor를 사용한다. 보통 이 인덕터는 (Inductor)은 Phase를 결정하는 Switching Regulator과 밀접하게 연관되어 있는데 ABIT AB9 QuadGT는 Pulse의 PA1315NL Coupled Inductor를 사용하는데 이 인덕터는 최대 5Phase를 구성할 수 있다.

사용되는 캐패시터는 아날로그 방식에서 사용되는 일반 전해 캐패시터와 다른 SMD 타입의 적층 칩 세라믹 캐패시터 (MLCC, Multilayer Chip Capacitor)를 사용하고 있다. 적층 칩 세라믹 캐패시터는 오랜 수명과 높은 안정성, 높은 전압 유지, 캐패시터 자체에서 발생하는 고주파를 줄이고 전기적 노이즈를 줄일 수 있는 능력이 일반 전해 캐패시터보다 높다.

대부분의 디지털 전원부에는 아날로그에 사용되는 전해 캐패시터의 범위에도 적용이 가능하고 최근 고주파를 요구하는 큰 소비전력이 발생하는 회로 (CPU 등)에 사용되어 부하 변동에 필요한 전하를 공급하고 전원전압을 안정하게 해줄 수 있는 작은 크기의 적층 칩 세라믹 캐패시터를 적용하고 있다. 일반적인 전해 캐패시터들은 정격전압 100 ~ 5000V 사이의 영역에서 많이 사용하는데 중, 고압용 적층 칩 세라믹 캐패시터로 이를 대체하여 사용할 수도 있다.

디지털 전원부의 특성상 적층 칩 세라믹 캐패시터로도 충분히 아날로그의 많은 전하를 저장할 수 있는 전해 캐패시터를 대체할 수 있는 장점이 있다. 추가로 적층 칩 세라믹 캐패시터를 사용하면 일반 전해 캐패시터 사용에 의한 CPU 주변부의 공기 흐름 방해 등의 단점들도 해결되어 주변부 온도에서도 더 유리하다.

지금까지 아날로그 전원부와 비교하여 디지털 전원부가 어떤 차이를 보이고 있고 각 부분이 어떻게 달라졌는지를 살펴보았다. 다음은 메인보드를 통해 Phase를 구분하는 방법을 살펴보자.