전원 공급 PCB 1: 종류, 핵심 부품 및 주요 설계 고려 사항

전원 공급 장치 PCB는 단순한 계산기부터 생명을 구하는 MRI 기기에 이르기까지 모든 전자 장치의 "에너지 백본"입니다. 전력 변환, 조절 및 분배를 통해 모든 구성 요소(마이크로칩, 센서, 모터)가 필요한 정확한 전압과 전류를 얻도록 보장합니다. 전원 공급 장치 PCB가 제대로 설계되지 않으면 과열, 장치 고장 또는 안전 위험(예: 단락)이 발생할 수 있습니다. 전기 자동차 및 데이터 센터 서버와 같은 고전력 장치의 증가와 함께 전원 공급 장치 PCB 유형, 구성 요소 및 설계 규칙을 이해하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌습니다. 이 가이드는 올바른 유형 선택부터 열 관리 및 EMI 제어 최적화에 이르기까지 안정적이고 효율적인 전원 공급 장치 PCB를 구축하는 데 필요한 모든 것을 자세히 설명합니다.

주요 내용
1. 올바른 PCB 유형 선택: 강도를 위한 Rigid PCB(2024년 시장 점유율 46.5%), 웨어러블/의료 기기를 위한 Flexible PCB, 고전력 요구 사항(예: 데이터 센터)을 위한 Multi-layer PCB.
2. 전원 공급 장치 선택이 중요합니다. 선형 전원은 저소음, 저전력 응용 분야(오디오/의료 기기)에서 뛰어나며, 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 소형, 고전력 전자 장치(스마트폰, 서버)에 대해 70~95%의 효율성을 제공합니다.
3. 구성 요소 사양은 협상 불가: 고장을 방지하기 위해 ESR이 낮은 커패시터, 높은 포화 전류를 가진 인덕터, 낮은 온 저항을 가진 MOSFET을 사용합니다.
4. 안전 및 효율성을 위해 설계: IPC-2152를 따라 트레이스 폭을 사용하고, 열을 관리하기 위해 열 비아/구리 쏟기를 사용하며, 노이즈를 줄이기 위해 EMI 필터(페라이트 비드, 파이 필터)를 추가합니다.
5. 위험으로부터 보호: 전압 스파이크 또는 과열로 인한 손상을 방지하기 위해 과전압, 과전류 및 열 보호 기능을 통합합니다.

전원 공급 장치 PCB란 무엇입니까?
전원 공급 장치 PCB는 전자 장치의 전력을 관리하는 특수 인쇄 회로 기판입니다. 단순히 "전력을 공급"하는 것이 아니라 세 가지 중요한 기능을 수행합니다.

1. 전력 변환: AC(벽면 콘센트에서)를 DC(전자 장치용)로 변경하거나 DC 전압을 조정합니다(예: 마이크로칩용 12V를 5V로).
2. 조절: 민감한 구성 요소를 손상시키는 변동을 방지하기 위해 전압/전류를 안정화합니다.
3. 보호: 과전압, 과전류, 단락 또는 역극성으로부터 회로를 보호합니다.

전원 공급 장치 PCB의 핵심 구성 요소
모든 전원 공급 장치 PCB는 기능을 위해 핵심 부품에 의존하며, 각 부품은 전력 관리에 특정 역할을 합니다.

전원 공급 장치 PCB가 중요한 이유
전원 공급 장치 PCB는 모든 전자 장치의 가장 중요한 부분이며, 설계는 다음과 같은 직접적인 영향을 미칩니다.

1. 안전: 제대로 설계되지 않은 기판은 과열, 화재 또는 감전의 원인이 됩니다(예: 랩톱의 결함 있는 전원 공급 장치는 내부 구성 요소를 녹일 수 있습니다).
2. 신뢰성: 전압 변동 또는 노이즈는 민감한 칩을 충돌시킬 수 있습니다(예: 의료 모니터의 전원 공급 장치 고장은 환자를 위험에 빠뜨립니다).
3. 효율성: 비효율적인 전원 공급 장치는 에너지를 낭비합니다(예: 서버의 선형 전원은 에너지의 40~70%를 열로 낭비하여 전기 요금을 증가시킵니다).
4. 크기: SMPS 기반 PCB는 선형 PCB보다 50~70% 더 작으므로 스마트폰이나 웨어러블과 같은 소형 장치를 사용할 수 있습니다.

전원 공급 장치 PCB 유형: 어떤 것을 선택해야 할까요?
전원 공급 장치 PCB는 구조(Rigid, Flexible) 및 레이어 수(단면, 양면, 다층)로 분류됩니다. 각 유형은 고유한 응용 분야에 사용되며, 올바른 유형을 선택하면 과도한 설계 또는 조기 고장을 방지할 수 있습니다.

1. 구조별: Rigid, Flexible, Rigid-Flex

2. 레이어 수별: 단면, 양면, 다층

3. 2024년 시장 통찰력
 a. Rigid PCB: 저렴한 비용과 다용도로 인해 지배적입니다. 산업용 전원 공급 장치의 90%에 사용됩니다.
 b. Multi-layer PCB: 고전력 장치는 노이즈를 줄이기 위해 별도의 전원/접지 평면이 필요하기 때문에 가장 큰 수익 부문(시장의 52%)입니다.
 c. Rigid-Flex PCB: 웨어러블 및 의료 기기에 대한 수요로 인해 가장 빠르게 성장(15~20% CAGR)하고 있습니다.

전문가 팁: 50W 이상의 전원 공급 장치의 경우 전용 전원/접지 평면이 있는 다층 PCB를 사용하십시오. 이렇게 하면 임피던스와 열이 30% 감소합니다.

전원 공급 장치 유형: 선형 vs. 스위치 모드
전원 공급 장치 모듈은 PCB의 "핵심"입니다. 두 가지 주요 유형인 선형 및 스위치 모드는 효율성, 크기 및 노이즈가 다르므로 올바른 것을 선택하는 것이 중요합니다.

1. 선형 전원 공급 장치
선형 전원 공급 장치는 변압기를 사용하여 AC 전압을 낮춘 다음 정류기 및 커패시터를 사용하여 부드러운 DC로 변환합니다. 간단하지만 비효율적이므로 과도한 전압이 열로 낭비됩니다.

장점

 a. 소비자 전자 제품: 스마트폰, TV, 랩톱(작고 효율적인 전원이 필요).
 b. 의료 기기: MRI 기기, 혈압 모니터(노이즈는 측정을 방해합니다).
 c. 실험실 장비: 오실로스코프, 신호 발생기(정확한 판독을 위해 안정적인 전원이 필요합니다).
2. 스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)

SMPS는 고속 스위칭 MOSFET(10kHz~1MHz)을 사용하여 전력을 변환합니다. 인덕터/커패시터에 에너지를 저장하고 제어된 버스트로 방출합니다. 이렇게 하면 70~95%의 효율성을 얻을 수 있으며 선형 전원 공급 장치보다 훨씬 작습니다.
장점 및 단점

장점

SMPS는 특정 요구 사항에 따라 다른 회로 설계("토폴로지")를 사용합니다.
토폴로지

 a. 소비자 전자 제품: 스마트폰, TV, 랩톱(작고 효율적인 전원이 필요).
 b. 데이터 센터: 서버, 라우터(높은 효율성은 전기 요금을 절감합니다).
 c. 자동차: 전기 자동차, ADAS 시스템(센서/모터용 다중 출력).
3. 선형 vs. SMPS: 정면 비교

측면

1. 레이아웃: 노이즈 및 저항 최소화
잘못된 레이아웃은 노이즈, 과열 및 전압 강하를 유발합니다. 다음 규칙을 따르십시오.

 a. 짧고 넓은 전원 트레이스: IPC-2152를 사용하여 트레이스 폭을 계산합니다. 5A 전류의 경우 2oz 구리 트레이스는 3mm 너비가 필요합니다(1oz 구리의 경우 6mm).
 b. 별도의 전원/접지 평면: 전용 전원 평면(12V/5V용) 및 접지 평면은 임피던스를 줄입니다. 인접하게 유지(0.1mm 유전체)하여 자연스러운 정전 용량(필터 노이즈)을 생성합니다.

 c. 구성 요소 전략적으로 배치:
   AC 리플을 부드럽게 하기 위해 입력 커패시터(대형 전해 커패시터)를 전원 커넥터 근처에 배치합니다.
   고주파 노이즈를 차단하기 위해 디커플링 커패시터(0.1μF)를 IC 전원 핀에서 2mm 이내에 배치합니다.
   열 구성 요소(MOSFET, 조정기)를 함께 그룹화하여 열 발산을 개선합니다.
 d. 접지 루프 방지: 아날로그 및 디지털 회로에 단일 접지점("스타 접지")을 사용합니다. 이렇게 하면 전류가 민감한 아날로그 트레이스를 통해 흐르는 것을 방지합니다.
2. 트레이스 폭 및 구리 두께
트레이스 폭은 PCB가 과열 없이 얼마나 많은 전류를 전달할 수 있는지 결정합니다. IPC-2152 지침 또는 온라인 계산기(예: PCB Toolkit)를 사용하여 트레이스 크기를 조정합니다.

전류(A)
트레이스 폭(1oz 구리, 30°C 상승)

3. 열 관리: 과열 방지
열은 전원 공급 장치 고장의 주요 원인입니다. 온도가 10°C 증가할 때마다 구성 요소 수명이 절반으로 줄어듭니다. 다음 전략을 사용하십시오.

 a. 재료 선택:
   저전력(≤50W)의 경우: FR-4(저렴하고 제조가 용이).

   고전력(>50W)의 경우: FR-4보다 50~100배 높은 열 전도율을 가진 금속 코어 PCB(알루미늄/구리 코어).
   열 인터페이스 재료(TIM): 방열판과 구성 요소 사이에 위상 변화 TIM(2.23 W/m·K)을 사용합니다. 장기적인 신뢰성을 위해 열 페이스트보다 좋습니다.
 b. 방열판: 알루미늄 방열판을 MOSFET 및 조정기에 부착합니다. 전력 손실을 기준으로 크기를 조정합니다(예: 10W 구성 요소에는 50mm×50mm 방열판이 필요합니다).
 c. 기류: 뜨거운 구성 요소 사이에 2~3mm 간격을 두어 공기가 순환하도록 합니다. 밀폐된 장치(예: 서버 PSU)의 경우 팬을 추가하여 방열판 위로 공기를 밀어 넣습니다.
 d. 시뮬레이션: Ansys Icepak과 같은 도구를 사용하여 열 흐름을 모델링합니다. 이렇게 하면 프로토타입 제작 전에 핫 스폿(예: 혼잡한 MOSFET 영역)을 찾을 수 있습니다.
4. EMI 제어: 노이즈 감소
SMPS는 다른 전자 장치(예: 라우터의 전원 공급 장치는 Wi-Fi 중단을 유발할 수 있음)를 방해할 수 있는 전자기 간섭(EMI)을 생성합니다. 다음으로 해결합니다.

 a. 작은 스위칭 루프: 스위칭 회로(MOSFET + 인덕터 + 커패시터)의 영역을 가능한 한 작게 유지합니다. 이렇게 하면 방사 EMI가 40% 감소합니다.
 b. EMI 필터:

    파이 필터: 차동 모드 노이즈를 필터링하기 위해 입력(AC 또는 DC)에 배치합니다(커패시터 + 인덕터 + 커패시터 사용).
    공통 모드 초크: 공통 모드 노이즈(예: 전력망의 노이즈)를 차단하기 위해 입력/출력 케이블에 추가합니다.
    페라이트 비드: 고주파 노이즈(100kHz~1GHz)를 흡수하기 위해 IC 근처의 신호 트레이스에 배치합니다.
 c. 쉴딩: 구리 테이프 또는 금속 캔을 사용하여 민감한 영역(예: 스위칭 MOSFET)을 쉴딩합니다. 이렇게 하면 EMI를 가두는 패러데이 케이지가 생성됩니다.
 d. Y 커패시터: 1차 및 2차 접지 사이에 연결하여 공통 모드 노이즈를 접지로 전환합니다. 250V AC 정격의 커패시터를 사용합니다(안전 표준).
5. 보호 기능: 위험 방지
전압 스파이크, 단락 또는 사용자 오류로 인한 손상을 방지하기 위해 이러한 보호 기능을 추가합니다.

 a. 과전압 보호(OVP): 전압이 정격 값의 1.2배를 초과하는 경우(예: 12V 공급 장치는 14.4V에서 OVP를 트리거함) 제너 다이오드 또는 크로우바 회로를 사용하여 공급 장치를 단락시킵니다.
 b. 과전류 보호(OCP): 전류가 너무 높으면 퓨즈(최대 전류의 1.5배) 또는 eFuse(재설정 가능)를 사용하여 전원을 차단합니다. eFuse는 재사용 가능한 장치(예: 랩톱)에 더 좋습니다.

 c. 역극성 보호: 입력과 직렬로 MOSFET을 추가합니다. 사용자가 전원을 거꾸로 연결하면 MOSFET이 꺼져 손상을 방지합니다.
 d. 열 차단: 온도가 85°C를 초과하면 온도 센서(예: NTC 서미스터)를 사용하여 공급 장치를 차단합니다. 밀폐된 장치(예: 스마트 홈 허브)에 중요합니다.
 e. ESD 보호: ESD 스파이크(예: 사용자 터치)를 안전한 수준으로 고정하기 위해 입력/출력 핀에 TVS 다이오드(과도 전압 억제기)를 추가합니다.
전원 공급 장치 PCB에 대한 IPC 표준
안전, 신뢰성 및 제조 가능성을 보장하기 위해 다음 IPC 표준을 따르십시오.

IPC 표준
목적

1. 선형 전원 공급 장치를 SMPS 대신 언제 사용해야 합니까?

저전력(<50W), 노이즈에 민감한 응용 분야(예: 오디오 앰프, 의료 모니터)에 선형 공급 장치를 사용합니다. SMPS는 효율성과 크기가 중요한 고전력, 소형 장치(예: 스마트폰, 서버)에 더 적합합니다.
2. 전원 공급 장치에 적합한 트레이스 폭을 어떻게 계산합니까?
IPC-2152 지침 또는 온라인 계산기(예: PCB Toolkit)를 사용합니다. 입력 전류, 구리 두께 및 최대 온도 상승(30°C가 표준)을 입력하면 도구에서 필요한 트레이스 폭을 제공합니다. 예를 들어, 2oz 구리의 5A는 1.6mm 너비의 트레이스가 필요합니다.3. SMPS PCB에서 EMI를 줄이는 가장 좋은 방법은 무엇입니까?

a. 스위칭 루프를 작게 유지합니다(MOSFET + 인덕터 + 커패시터).
b. 입력에 파이 필터를 추가하고 케이블에 공통 모드 초크를 추가합니다.

c. 스위칭 구성 요소 주위에 금속 쉴드를 사용합니다.
d. 1차 및 2차 접지 사이에 Y 커패시터를 배치합니다.
4. 전원 공급 장치 PCB에 열 비아가 필요한 이유는 무엇입니까?
열 비아는 뜨거운 구성 요소(예: MOSFET)에서 접지 평면으로 열을 전달하며, 접지 평면은 방열판 역할을 합니다. 이렇게 하면 구성 요소 온도가 20~30°C 낮아져 수명이 두 배로 늘어납니다.
5. 전원 공급 장치 PCB에 협상 불가능한 보호 기능은 무엇입니까?

 a. 과전압 보호(OVP): 전압 스파이크로 인해 구성 요소가 손상되는 것을 방지합니다.
 b. 과전류 보호(OCP): 단락으로 인해 화재가 발생하는 것을 방지합니다.

 c. 열 차단: 밀폐된 장치에서 과열을 방지합니다.
 d. 역극성 보호: 잘못된 전원 연결로 인한 손상을 방지합니다.
결론
전원 공급 장치 PCB는 전자 제품의 숨겨진 영웅입니다. 장치를 안전하고 효율적이며 안정적으로 유지합니다. 성공의 핵심은 올바른 유형(안정성을 위한 Rigid, 웨어러블을 위한 Flexible), 전원 공급 장치(저소음용 선형, 효율성용 SMPS)를 선택하고 엄격한 설계 규칙(트레이스 폭, 열 관리, EMI 제어)을 따르는 것입니다.
IPC 표준을 우선시하고, 고품질 구성 요소(낮은 ESR 커패시터, 높은 포화 인덕터)를 사용하고, 보호 기능을 추가하면 수년 동안 지속되는 전원 공급 장치 PCB를 구축할 수 있습니다. 5W 전화 충전기 또는 500W 서버 PSU를 설계하든 이 가이드의 원칙이 적용됩니다. 안전, 효율성 및 제조 가능성에 집중하십시오.

전자 제품이 더 강력해짐에 따라(예: 전기 자동차, AI 서버), 전원 공급 장치 PCB의 중요성은 더욱 커질 것입니다. 지금 적절한 설계에 시간을 투자하면 나중에 비용이 많이 드는 리콜, 고장 및 에너지 낭비를 방지할 수 있습니다. 기억하십시오. 훌륭한 전원 공급 장치 PCB는 전력을 제공하는 것뿐만 아니라 마음의 평화를 제공합니다.