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VRM 가이드, 메인보드 전원부란 무엇인가?

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크로스헤어/X370 타이치/레이싱 X370 GT7, AMD 라이젠 고급형 메인보드 3종 벤치마크 기사를 통해 소개했던 메인보드 전원부에 대한 내용이다. 



메인보드 전원부 = 사람의 심장 역할



일반적인 메인보드 전원부 (출처 : ASUS ROG 홈페이지)


메인보드의 전원부는 사람의 심장에 비유할 수 있다. 심장이 사람을 움직이고 활동할 수 있도록 해주는 중요한 역할을 해주듯이 메인보드 전원부는 PC의 두뇌인 CPU를 비롯하여 GPU와 사운드, 저장장치 등 다양한 장치를 동작할 수 있도록 만들어주는 역할을 한다.


일반적인 메인보드의 전원부는 전원부의 페이즈 (Phase) 결정과 전반적인 제어를 담당하는 PWM 컨트롤러와 모스펫 드라이버 (Mosfet Driver), 상하단 모스펫 (High Side Mosfet/ Low Side Mosfet), 초크 (Choke)와 캐패시터(Capacitor)로 구성된다. PWM 컨트롤러에 의해 제어되는 전원부는 PWM 컨트롤러에서 모스펫 드라이버와 모스펫, 초크, 캐패시터를 거치면서 CPU에 안정적인 전력을 공급하는 역할을 해준다.



디지털화된 메인보드 전원부 (출처 : ASUS ROG 홈페이지)


CPU에 전원 공급과 안정성을 책임지는 메인보드 전원부는 메인보드 제조사의 핵심 기술력이 집약되었고 이를 얼마나 잘 설계하느냐에 따라 메인보드의 안정성과도 직결된다. 


과거에는 아날로그 방식이 많이 사용되었는데 현재는 디지털 방식으로 교체가 이루어지고 있다. 디지털 처리 방식의 장점은 아날로그 방식보다 정밀한 전원 공급과 효율성을 높일 수 있고 체계적인 제어가 가능해진 것이다.



메인보드 전원부 구성 소자


전원부는 앞서 소개했듯이 PWM 컨트롤러와 모스펫 드라이버 (Mosfet Driver), 상하단 모스펫 (High Side Mosfet/ Low Side Mosfet), 초크 (Choke)와 캐패시터(Capacitor)로 구성되며 PWM 컨트롤러는 전원부를 전반적으로 제어하는 역할을 하는 중요한 소자로 아날로그에서 디지털화되고 있는 추세다. 디지털화를 통해 정밀한 제어와 효율을 높이고 있다.



(1) 모스펫 - 전류를 CPU에 공급할 때 스위치 역할을 하며 값비싼 컴포넌트 중 하나

 

 

메인보드 전원부 모스펫 (출처 : 기가바이트 홈페이지) 


모스펫은 전원부의 중요한 역할을 하는 컴포넌트 중 하나이고 전류가 CPU에 전달될 수 있도록 켜고 끄는 스위치 역할을 한다. 모스펫 드라이버와 PWM 컨트롤러에 의해 제어되며 전원부 전체 설계 중에서 값비싼 컴포넌트 중 하나다.



모스펫과 모스펫 드라이버 IC 통합 Driver MosFET (Dr.MOS, 출처 : 기가바이트 홈페이지)


전원을 공급하는 과정에서 메인보드에 적용된 모스펫과 모스펫 드라이버를 다시 거치므로 전력 낭비가 발생하고 여러 칩으로 구성된 기존 전원부 디자인에서는 공간 활용도 불리하고 발열도 그만큼 증가해 효율과 발열 특성이 불리해진다.


고효율화된 모스펫은 여러 개로 나뉘어진 모스펫과 모스펫 드라이버를 통합하고 미세한 공정을 통해 높은 전류 공급과 전류 손실 감소, 발열 제어에 유리하다. 디지털화되면서 모스펫 드라이버와 상하단 모스펫 (High Side/ Low Side Mosfet)으로 나누어진 것에서 모스펫과 모스펫 드라이버 IC를 통합한 통합형 모스펫 (정확히는 Driver FET (Dr MOS) 또는 DirectFET)이 등장했다. 


통합형 모스펫은 발열 특성을 개선하고 전력 효율을 높인 고효율 모스펫으로 전통적인 모스펫 (D-Park Mosfet) 대비 메인보드 전원부의 더 작은 공간에서도 활용이 가능하다. 전통적인 모스펫 (D-Pak MosFET), WPAK, PowerPAK로 불리는 Lower RDS(On) 모스펫, Driver FET (Dr. MOS) 또는 DirectFET 순으로 발열 특성과 효율이 높으며 대신 가격도 증가한다.



전통적인 모스펫/ Lower RDS(On) 모스펫/ Driver FET (Dr.MOS) (출처 : 기가바이트 홈페이지)


PC 부품은 고온과 과열이 원인이 되어 고장이 발생하는데 고품질 컴포넌트를 사용하면 가격이 높은 것은 단점이지만 전기적 특성이나 효율, 발열면에서 유리해 오랜 사용에도 안정적으로 동작할 가능성이 높다.


모스펫도 과거에 사용한 전통적인 모스펫보다는 Lower RDS(On) 모스펫, 모스펫과 모스펫 드라이버 IC를 통합한 Driver Mosfet (Dr.MOS) 또는 DirectFET이 저발열, 효율이 높아 안정적인 시스템 구성과 오버클럭 적용에서도 잠재력을 더 끌어낼 수 있고 안정성도 높일 수 있게 된다.



(2) 초크 (Choke) - 고주파를 저지할 목적, 초크 코일 (Choke Coil)로도 불림

 

 

구형 메인보드 - 원형 초크 코일 (Choke Coil, 출처 : ukgamingcomputers.co.uk) 



페라이트 코어 초크 (Ferrite Core Choke) : 바이오스타 레이싱 X370 GT7




60A 마이크로파인 알로이 초크 (60A MicroFine Alloy Choke) : ASUS Crosshair VI Hero



슈퍼 알로이 초크 (Super Alloy Choke/ 60A Power Choke), ASRock X370 Taichi


초크는 아날로그 방식으로 제작된 과거의 메인보드에서는 주로 원형의 코일 형태로 등장했고 그에 따라 초크 코일 (Choke Coil)로 불렸다. 초크 코일은 고주파를 저지하는 역할 (고주파 억제)로 캐패시터와 조합해 평활 회로나 필터를 구성하는 소자다.


전원부에서 찌르르르와 같은 귀뚜라미 울음 소리가 들리는데 이것이 흔히 말하는 고주파음이다. 초크의 진동이나 파워 서플라이/ 메인보드/ 그래픽카드 부품의 궁합에 따라 발생하기도 하는데 디지털 전원부가 적용된 고급형 메인보드나 그래픽카드 사용자들을 통해 자주 언급되곤 한다.


최근에는 메인보드 전원부가 디지털화되면서 코일을 감싸고 있는 정사각형 또는 직사각형 박스 형태로 내부에 코일을 감싸고 있는 형태의 디자인으로 고성능 고효율화를 꾀하고 있다. 주요 메인보드 제조사들은 디지털화된 전원부에 맞춰 60A의 높은 전원 공급과 발열 제어 능력을 향상한 초크를 메인보드 전원부에 탑재하는 추세다.



(3) 캐패시터 (Capacitor) - 전하 충전과 방전하며 CPU에 안정적인 전원 공급



초크 상단과 하단에 배치된 전해질 캐패시터 (출처 : ukgamingcomputers)


캐패시터는 전기를 일정량 저장하여 공급 전원의 안정화를 제공하는 소자로 전하를 충전하거나 방전하면서 초크 코일과 조합해 불안정한 리플 노이즈를 걸러 CPU에 안정적인 공급을 가능하도록 해주는 역할을 한다. 고용량일수록 많은 전하를 충전하는 것이 가능하며 방전할 수 있는 전하량도 늘어나 전압 유지 능력이 좋다.



니치콘 (Nichicon) FP10K 솔리드 캐패시터 (ASUS Crosshair VI Hero)


캐패시터는 일반적으로 쉽게 볼 수 있는 원통형에 비닐로 감싼 전해질 (Electrolytic), 솔리드 (Solid), 탄탈륨 (Tantalum), 프로들라이저 (Proadlizer) 등이 있고 후자로 갈수록 전기적 특성이 우수하고 가격도 높아진다. 과거 메인보드에는 주로 전해질 캐패시터가 사용되었으나 최근에는 메인스트림급 메인보드와 고급형 메인보드에서 솔리드 캐패시터를 탑재하는 추세다. 탄탈륨이나 프로들라이저를 탑재한 메인보드는 고급형에서 찾아볼 수 있지만 그 수가 많지 않다.



탄탈륨 캐패시터 탑재한 MSI Z170 Xpower Gaming Titanium Edition (출처 : msi.com)



ASUS MAXIMUS IV EXTREME : NEC/Tokin Proadlizer 탑재 (출처 : asus.com)


고급형 메인보드에는 주로 솔리드 캐패시터가 사용되며 현재는 찾아보기 쉽지 않으나 과거 고급형 메인보드나 그래픽카드 중에는 탄탈륨 캐패시터나 프로들라이저를 사용한 제품들이 있다. ASUS MAXIMS IV EXTREME은 프로들라이저를 탑재한 메인보드로 CPU 소켓과 초크 사이에 그래픽 메모리와 유사한 직사각형 디자인의 프로들라이저가 위치한다.



좋은 전원부는 안정적인 설계와 양질의 컴포넌트가 좌우한다


일반적으로 전원부는 페이즈 구성이 높으면 동작 중 발생하는 발열을 효과적으로 제어할 수 있는 장점이 있으며 PWM 컨트롤러에 따라 페이즈가 결정된다. 다만 PWM 컨트롤러는 무한정 전원부 페이즈 (Phase)를 늘릴 수 있는 것은 아니므로 최근의 고급형 메인보드는 더블러 모드를 지원하는 소자를 이용해 더블 (배수) 페이즈로 전원부를 구성한다. 더블러 형태는 분산하는 방식으로 보면 되기 때문에 리얼 페이즈 구성보다 유리하다고 볼 수 없으나 페이즈를 분산해 모스펫에서 발생하는 발열 개선 등에서 유리하다.


PWM 컨트롤러는 디지털과 아날로그, 하이브리드 디지털 방식이 있으며 아날로그 방식보다는 디지털 방식이 정밀한 전압 공급이나 컨트롤, 효율이 높은 것으로 알려졌다. 다만 디지털 전원부에서 귀뚜라미 우는 소리와 같은 고주파음 발생 빈도는 더 자주 언급되고 있어 고주파음은 디지털 전원부의 단점으로 지적되기도 한다.


모스펫은 과거에 많이 사용된 전통적인 모스펫 (D-Pak MosFET)보다는 Lower RDS(On) 모스펫 (W-Pak/ PowerPak Mosfet), 이보다는 Driver Mosfet (Dr.MOS) 또는 DirectFET의 효율과 높은 전류를 감당할 수 있다. IR PowIRstage (Dr.MOS)나 NexFET (Low RDS(On))은 고급형으로 알려졌다.


캐패시터는 용량이 클수록 많은 전하를 충전하는 것이 가능하며 방전할 수 있는 전하량도 늘어나 전압 유지 능력이 좋다. 전해질 (Electrolytic), 솔리드 (Solid), 탄탈륨 (Tantalum), 프로들라이저 (Proadlizer) 순으로 고급 캐패시터다. 초크 코일도 코일 형태의 과거 제품보다는 최근에 등장한 페라이트 코어 초크나 ASUS 마이크로파인 알로이 초크, ASRock의 슈퍼 알로이 초크 (Super Alloy Chocke)가 전력 공급과 효율이 향상됐다.



ASUS Crosshair VI Hero 메인보드 전원부


지금까지 메인보드 전원부가 어떻게 구성되고 동작하는지에 대해서 살펴봤다. 메인보드 전원부는 대체로 보급형보다 고급형의 전원부 페이즈 (Phase)가 더 높고 양질의 컴포넌트를 구성해 좋은 전원부의 요건을 갖추고 있다.


양질의 컴포넌트를 기반으로 제작된 메인보드는 발열 특성과 전력 효율 등이 유리해 일반 환경이나 오버클럭 상황에서도 보다 안정적으로 동작할 수 있게 된다. 하지만 같은 페이즈의 전원부 구성이라도 메인보드 제조사의 설계 기술이나 사용되는 컴포넌트 등에 따라 달라지므로 페이즈가 높다고 무조건 좋은 전원부라고 판단하는 것은 금물이다.


여기에서 소개한 메인보드 전원부 관련 내용을 바탕으로 필요로 하는 확장성이나 지원 기능도 꼼꼼하게 살펴보고 메인보드를 선택하면 될 것이다.

 

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Lv.26 권경욱 기자 운영진
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2 개의 댓글이 있습니다.
9 마린  
전원부에 대해서 더 많은 부분을 알 수 있었네요. 전원부는 CPU와 GPU 모두 기본이 되는 부분이고 최근에는 기술이 상향 평준화 되었다고는 하지만 고급형과 보급형의 차이는 여전히 있더군요.
5 오리진  
전원부는 메인보드와 그래픽카드가 기본적으로 유사하기 때문에 본문의 내용을 참고하면 좋은 전원부를 선택할 수 있지 않나 싶습니다.