메인보드 CPU 전원부를 해부해 봅시다

Posted by 아스라이 Ashlie
2014.11.14 04:51 정보/리뷰/IT

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안녕하세요
메인보드 CPU의 전원부에 대해 궁금하신것 같아 이 주제를 가지고 다뤄볼까 합니다. 

그럼 시작하겠습니다. 

이 주제를 다루게 된 이유는 한대의 본체를 이루는 각각의 하드웨어 마다 
전원부는 다 들어가 있습니다. 그중에 메인보드 CPU의 전원부는 오버클럭과도 깊은 
연관이 있기 때문에 이 주제를 다루게 되었습니다. 
다소 필력이 부족하더라도 주제가 무겁고 어렵더라도 양해 부탁드리겠습니다. 


1. 메인보드 전원부의 구성 요소 





위 그럼처럼 전원부는 모스펫 + 레귤레이터 + 캐패시터(콘덴서) + 초크 코일 이 4가지가 모여 
1개의 전원부를 이룹니다. 이것을 1 Phase(페이즈) 라고 표현합니다. 
좀더 자세히 전원부의 모습을 보기위해 메인보드 CPU의 전원부를 사진으로 살펴보겠습니다.


사진은 ASUS B85M - G 마더보드의 사진을 인용했습니다.  
이 사진의 빨간 네모 박스 안에 있는 반도체 칩이 바로 레귤레이터 입니다. 
이 레귤레이터는 FDVR(Fully Digital Voltage Regulator) 즉 통합 디지털 전압 레귤레이터 입니다. 
일단은 사진으로만 보시고 레귤레이터 부분은 밑부분에 설명을 따로 해두겠습니다. 


이 사진을 보시면 주황색 박스 부분이 모스펫 소자이고 빨간색 박스부분이 바로 초크 코일 입니다. 
이것도 일단 사진만 보여 드리고 밑에서부터 차차 다루겠습니다. 


마지막으로 이 사진은 분홍색 박스 안에 캐패시터 즉 콘덴서 사진입니다. 

2. MOSFET(모스펫)

모스펫은 한마디로 표현하자면 트랜지스터이며 반도체입니다. 
모스펫이 하는 역할은 전기가 통하는 도체와 통하지 않는 부도체가 합쳐진 반도체의 특성을 담아 
전원부에 안정적인 전압공급을 위해 + - 의 전자를 통하게 하는 통로를 만들어주고 
전압이 공급되지 않을 때는 모여져 있던 전자들을 흩어지게 하여 전기가 흐르지 않게 하는 
ON / OFF 역할을 한다고 보시면 됩니다. 


- 모스펫의 종류(사진 출처 : 쿨엔조이)

위 그림 과 같이 모스펫은 4가지의 종류가 있습니다. 
각각의 종류에 대해 설명 하자면 
(1) DrMOS(Driver MOS) 
이 드라이버 모스는 1 페이즈당 칩이 하나 있습니다만 칩 1개에 드라이버 IC 1개와 3개의 모스펫이 
통합된 형태로서 정사각형 모양에 연결 다리가 40개 있습니다. 
발열 , 온도 , 효율 등등 모두 최상급이며 효율은 90% 이상 이고 온도 측면에서 보자면 
4가지 중에 가장 최고라고 할수 있습니다. 
그러나 드라이버 모스는 소재가 상대적으로 고가이기 때문에 아직까지는 일부 고가의 
하드웨어에만 적용되고 있다는 점이 아쉽습니다. 

(2) DirectFET
다이렉트펫은 가끔 보실수 있을텐데 금속캡으로 이루어져 있죠 1페이즈당 1개의 드라이버 IC 가 있고 
모스펫의 연결 다리는 4개입니다. 
고발열에서 내구성이 뛰어 나고 효율은 드라이버모스보다 약간더 좋습니다.(최대91% 정도라고 하네요)
드라이버 모스보다 효율이 비슷하거나 조금더 높지만 온도는 드라이버 모스보다 높습니다. 
그러나 고발열 상태에서의 높은 내구성을 가지고 있기 때문에 온도가 높더라도 큰 지장은 없습니다.
다이렉트펫 역시 일부 고가 하드웨어에서만 적용 되고 있습니다.

(3) P - PAK
P - PAK 은 Low RDS(on) 혹은 신형 모스펫이라고 불리웁니다. 메인보드나 그래픽카드 등등 가장 대중적으로
많이 쓰이는 모스펫중에 하나입니다. 이것 역시 별도의 드라이버 IC 1개가 들어가며 모스펫 연결다리는 
8개 입니다. 
효율은 최대 82% 정도 이며 내구성이 뛰어나고 발열도 그리 높지 않습니다.

(4) D - PAK
D - PAK 은 과거 메인보드와 그래픽 카드에 가장 많이 쓰였던 구형 모스펫입니다. 
최근에는 저가형 메인보드나 메모리 쪽에 이 구형모스펫을 쓰기도 합니다. 
효율은 80% 미만으로 넷중에 가장 낮습니다.


- 추가 설명(사진은 B85M - PRO4 에즈윈의 모스펫입니다.)

DrMOS > DirectFET > P-Pak > D-Pak 의 순서로 품질이 나열 되며 동일한 모스펫을 사용한
제품과 비교하실때에는 페이즈 숫자 그리고 1페이즈당 몇개의 모스펫을 박았는지를 
비교하시면 되겠습니다. 
위 사진을 보시면 B85M 의 모스펫이 보이는데 1페이즈당 2개의 모스펫을 박혀 있는 
모습입니다. 모스펫의 종류는 P - PAK 즉 신형 모스펫을 달고 있네요


한가지 팁을 드리자면 각 제조사마다 다르지만 모스펫이 서로 가까이 붙어 있는 
메인보드가 있는데 이런 메인보드는 선택하지 않는게 좋습니다. 
전원부의 모스펫은 발열을 많이 받는 부분이기 때문에 가급적 서로 떨어져 있는것이 좋고 
보급형 B85 메인보드 중에 애즈락이 모스펫 발열이 가장 낮습니다. 
위 사진을 보시면 로드시 전원부 발열온도가 아수스가 가장 높은것을 알수 있습니다. 

3. Ragulator(레귤레이터) -  
이 레귤레이터를 설명하는데 굉장히 진입장벽이 컸습니다. 한 2시간동안은
                                                                      이 레귤레이터라는 놈에 대해 서핑으로 공부한것 같습니다. 

레귤레이터는 DC - DC(직류 - 직류) 컨버터라고 하며 필요한 전압을 입력된 전압보다 낮을 경우에
전압을 낮춰 공급해야 할 경우는 쓰입니다. 
한마디로 일정하게 공급된 DC전압을 각 소자에 맞는 전압으로 맞춰서 뿌려주는 공급장치라고 
생각하시면 되겠습니다.
  

위 그림을 보시면 레귤레이터는 크게 4가지로 나뉩니다

(1) 리니어 레귤레이터(Linear Regulator)
입력을 받아 필요한 만큼의 출력전압을 내보내고 나머지 전압은 자신이 열로 방출을 합니다. 
따라서 입출력 전압차가 많을 때는 효율이 매우 나빠지고 열도 많이 발생하게 됩니다. 
이 방식을 사용한 메인보드들은 CPU 쿨러 크기의 전원부가 메인보드 전원부에 달려 있거나 
혹은 번들로 딸려 오기도 합니다. 

(2) 스위칭 레귤레이터(Switching Regulator)
스위칭 레귤레이터는 단순히 초당 엄청난 횟수의 ON / OFF 반복을 통해 전압을 만들어 냅니다. 
반복을 통해 원하는 전압을 안정적으로 출력해주고 리니어 방식보다는 효율이 높고 
열 발생률이 적기 때문에 좋은 설계를 가지고 있습니다. 
그러나 회로가 복잡하고 노이즈가 있다는게 단점입니다. 


(3) FDVR(디지털 전압 조정)


위 사진을 보시면 ASUS B85M - G 사진인데 이전의 스위칭 레귤레이터와는 전혀 다른 방식인 
레귤레이터를 선보입니다. 다른 방식은 FIVR 과 같은 통합 전압 조정 방식이며 
이 통합 조정 방식은 이전의 스위칭 레귤레이터와는 다르게 주파수 , 전류의 흐름 , 
전력 효율성 , 위상 스위칭 및 전력 응답까지 전부 담당하게 됩니다. 
한마디로 하이브리드 소자라고 할수 있죠 

(4) FIVR(통합 전압 조정)


위 사진은 애즈락 B85M - PRO4 의 레귤레이터 입니다. 빨간색 네모가 레귤레이터인데 
레귤레이터가 제대로 나온 사진이 없네요 죄송하게 생각합니다. 
FIVR 방식은 위에 언급한 디지털 전압 조정과 비슷한 방식이라고 보시면 됩니다. 
통합 전압 레귤레이터는 인텔 하스웰부터 적용이 되었고 차기에 출시될 브로드웰에서도 
사용 될 것이라고 합니다. 기존의 DC - DC(직류 - 직류) 컨버터와 MIM 캐패시터 , 그리고 
변압 조정을 담당하는 Package trace inductor 로 이루어져 있습니다. 
CPU 전원부 레귤레이터를 완전히 통합 함으로써 더 많은 기능을 부여하고 더 많은 효율을 
얻어 낼수 있는 장점이 있습니다. 위의 B85M - PRO4 역시 이 레귤레이터를 탑재 하고 있습니다.

4. CHOKE COIL(초크 코일 혹은 초크)


(1) 코일 초크(Coil Choke)
(2) SFC(Super Ferrite Choke) 슈퍼 페라이트 초크
(3) 페라이트 초크(Ferrite Choke)
(4) 코일 초크 - 금속제 초크 

초크는 위 사진 처럼 4가지 형태로 나뉩니다. 
초크의 역할은 전원부의 고주파 노이즈를 걸러주는 필터역할을 하는 소자입니다. 
같은 원리의 제품들로는 마우스나 각종 입출력 케이블을 보시면 노이즈 필터라고 
달린것이 있는데 전선에 전류가 흐르면 자기장이 형성되서 일정 주파수 이상을 
걸러주는 역할을 하게 되는 것입니다. 


위 사진을 보시면 빨간 네모 박스로 표시한 것이 초크 코일 입니다. 
R68이라고 적혀 있는데 스위스 R68 TRIO 큐빅형 초크 입니다.(ASUS B85M - G 의 초크 코일)
이처럼 요즘에 생산되는 메인보드는 코일의 형태를 강화하고 안정성을 높인 큐빅코일 또는 
차페형 페라이트 초크를 많이 사용하는데 코일 내부의 전기장을 만들어내는 자기장에 의해
서로 불안하게 동작하거나 고주파잡음을 만들어내는 것을 방지하기 위해 
차폐 장치로 코일 주변을 고체(철)로된 큐빅형태로 감싸서 자기장을 세어나가는 것을 방지하고 
내부에서는 금속물질의 차폐장치가 스스로 자기장을 흡수하고 다시 내부의 자기장만을 
강화시킵니다. (그래서 슈퍼페라이트 초크가 많이 쓰입니다.)
슈퍼 페라이트 이외에 다른 코일들은 구형보드나 혹은 요즘 파워서플라이에도 
탑재가 되있긴 하나 자기장이 새는 것을 막기 힘들며 고주파 노이즈가 발생하는 단점이 있습니다.

5. 캐패시터(콘덴서)


캐패시터 일명 콘덴서는 위와 같은 두종류인데 왼쪽에 일반타입의 콘덴서는 사용하지 않고 
오른쪽의 고체로 된 솔리드 캐패시터를 주로 사용합니다. 
콘덴서의 역할은 기본적으로 전기를 띤 입자인 전하를 충전 그리고 방전 하는 소자입니다. 
즉 전기를 보관하고 있는 임시 창고라고 할수 있죠 쉽게 건전지로 생각하면 됩니다. 
콘덴서는 자신이 충전하고 있는 전압보다 높은 전압이 인가될 경우에는 충전을 하며 
자신이 충전하고 있는 전압보다 낮은 전압이 인가될 경우 방전을 하여 일정하게 
전기가 공급되도록 돕는 장치입니다. 


위 사진은 애즈락 B85M - PRO4 의 고체로 된 고급형 솔리드 캐패시터 입니다. 
고체로 된 솔리드 캐패시터는 일반형 캐패시터보다 안정적인 전원공급을 하고 
발열에도 강합니다.
콘덴서는 전하를 얼마나 잘 충전할 수 있느냐에 따라 용량이 정해지는데 
그단위가 바로 F(패럿)입니다. 
이 단위가 실제적인 디지털 단위로는 너무 큰단위라서 보통 uF(마이크로 패럿)을 사용합니다.
1마이크로 패럿은 1패럿의 100만 분의 1입니다. 
콘덴서에 표시된 용량이 더 크면 클수록 더 많은 전하를 충전할수 있으며 전압유지 능력이 
더 뛰어 나다고 보시면 됩니다. 

끝으로 ... 

내용이 좀 다소 길었는데 
메인보드 전원부중 CPU의 전원부를 한번 다뤄 봤습니다. 
메인보드를 고르실때 물론 확장성도 중요하지만 그만큼 전원부가 충실해야 
더 안정적으로 오래 사용할수 있고 오버클럭 또한 안정적으로 할수 있는 기준이 됩니다.
설사 보급형 보드라고 해도 각 제조사마다 CPU의 전원부를 보시면 
전원부가 충실하게 달려 있는지 아닌지가 극명하게 갈립니다. 
CPU 만큼이나 메인보드 또한 우리가 PC를 구매하는데 있어서 가장 중요한 기준이 되는 
하드웨어 이며 중심축이 되는 부분이기 때문에 확장성과 전원부를 잘 따져서 
고르시면 더 오래 PC를 사용할수 있을거라고 봅니다. 
다른 하드웨어도 마찬가지 겠죠 

긴글 읽어 주셔서 감사합니다. 

수정 사항 (사진 자료 와 설명 자료 인용 및 출처 기록)

http://7club.ithome.com.tw/article/10037978/1
http://gigglehd.com/zbxe/11162098
http://review.auction.co.kr/ShoppingGuide/GuideView.aspx?noGuide=497675&category=55390500&itemNo=
http://www.nowpug.com/review/301012
http://www.thetechrevolutionist.com/2013/06/asus-b85m-g-haswell-motherboard-cheap.html
애즈락 공식홈페이지 
쿨엔조이 사진 발췌 
http://hothardware.com/News/Haswell-Takes-A-Major-Step-Forward-Integrates-Voltage-Regulator/
http://www.terms.co.kr/VRM.htm
http://www.anandtech.com/show/7003/the-haswell-review-intel-core-i74770k-i54560k-tested/2
이토 : 알프레도 0709님 글


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    • Ronaldma
    • 2015.01.09 07:06
    이용약관위배로 관리자 삭제된 댓글입니다.
    • 감사감사
    • 2015.07.18 14:23 신고
    고생하셨습니다. 공부 잘 하고 갑니다.
    • 나그네65535
    • 2015.09.05 19:39 신고
    늘 다나와나 다른 하드웨어 사이트를 봐도 확장성 얘기만 나오고 겉만 핥는다는 느낌이었는데 좀 더 디테일한 것까지 해 주셔서 정말로 감사드립니다^-^
    • ㅇㅇ
    • 2016.01.09 23:02 신고
    아주 좋습니다.
    • ㅁㅂㅁ
    • 2016.12.31 21:00 신고
    죄다 잘못된 지식 투성이..

    모스펫 + PWM드라이버 = 스위칭 레귤레이터
    전원부에서 초크는 노이즈를 걸러주는게 아니라 전류를 저장하는 겁니다
    반대로 콘덴서가 리플전류와 같은 노이즈를 걸러줍니다

    알고 씁시다
      • 눼눼
      • 2017.08.25 12:42 신고
      전원부에서 초크 코일은 필터로서의 역할도 있습니다.
      님이 말한 전류 저장은 reactor를 얘기하는 것 같은데 같은 inductor라도 reactor는 위치에 따라 구분을 해야합니다.
    • ㄴㄴ
    • 2018.10.26 12:33 신고
    인텔과 기가보드가 좋지 에즈락은 젤 꼴은보드