점점 증가하는 48V 전원 설계의 필요성

최근의 애플리케이션 제품 설계는 아래와 같은 사항을 추가하며 진화하고 있다.

• 향상된 처리 능력
• 더 높은 통신 속도
• 더 길어진 실행 속도(run rates)
• 주변 장치 추가
• 더 높은 토크
• 더 밝은 LED

이러한 사항들을 ‘더 많이’ 제공하기 위해서는 더 많은 전력의 공급이 필요하다. 일반적으로 볼 때 한 기기에 더 많은 전력을 제공하는 것은 크기 및/또는 중량 제한으로 인해 매우 제한적이다. 따라서 기존의 12V 배전보다 높은 48V로 전환하는 산업이 증가하는 추세이다.

48V의 필요성
시스템에서 I2R 손실은 효율에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 케이블, 커넥터 및/또는 PCB 제한 등에 따라 부하에 대한 전력 흐름을 방해할 수 있다.

예를 들어, 서버의 프로세서 전력은 100W 미만에서 200W, 300W 심지어 그 이상으로 증가했다. 이러한 증가된 전력을 여러 서버 프로세서에 배전하면 (가능한 경우) 더 높은 전압을 배전하거나 더 큰 구리 부스바(copper bus bar)를 통한 완화 조치가 발생하지 않는 상황에서는 더 많은 손실이 발생하게 된다. 서버 뿐 아니라 더 많은 전력 사용을 기반하는 모든 설계는 전류의 제곱 값의 손실을 초래할 것이다.

그러나 고전압 이용하면 I2R 손실을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 48V 대 12V 전원 배전 방식은 16배의 전력 손실 감소를 가져오기도 한다. 이러한 손실의 감소 효과를 기대할 수 있는데 왜 (12V와 같은) 기존의 저 전압 배전 방식만을 사용할까?

저전압 컨버터와 비교해보면 고전압 배전 방식은 실제로 전체 효율을 저하시키고 높은 비용을 발생시키며 크기 및 중량도 증가시킨다.

그러나 컨버터에서 발견된 이러한 단점은 이미 구식이 되어버렸다. 오늘날 엔지니어들은 I2R 손실을 감소시키고 저 전압 컨버터와 동등하거나 그 이상의 효율, 비용, 크기/무게를 가능하게 하는 고전압 컨버터를 활용하고 있다.

모든 것의 시작, 전화(Telephony)

근대식 전화 및 전화 교환기는 48V를 사용한 최초의 예이다. 주지하다시피 이미 통신업계는 48V를 사용하는 것으로 표준화 되었으며 실제로 사용하고 있다.

48V를 사용하는 이유는 무엇일까? 48V는 거리에 따른 전압 손실(동작 전압의 비율로 따질 경우)이 적고 게이지 와이어에 대한 요구 사항이 적을 뿐 아니라 배터리 백업이 간단하며(이는 48V의 부정적인 평가의 원인이 되기도 함) 전압 레벨이 더 안정적이라고 판단되어 더 효율적이었다.

새로운 48V는 무엇이며, 과연 안전한가?

낙뢰나 서지에 대한 요구 사항이 없을 뿐 더러 더 넓은 30V~60V의 범위로 인해 많은 엔지니어들은 긍정적인 평가를 내리며 통신 분야 외에 48V를 사용하는 것을 “새로운 48V”로 생각한다.

60Vdc 보다 낮은 전압의 사용은 12V 사용에 대한 운용 요구 사항들을 참조하여 안전 초 저전압(SELV: safety extra low voltage)을 고려한 것이다. 따라서 48V 배전 방식은 SELV의 문제를 발생시키지 않으면서도 I2R 손실을 최소화 한다.

48V는 현재 어디에 사용되고 있나?

오늘날 48V는 데이터 센터, 자동차, LED 조명 산업, 산업 장비와 전동 공구와 같은 분야에도 사용되는 것으로 널리 입증되어 있다. 그런데 일상적인 생활에서 48V가 적용되는 부분을 일일이 살펴보거나 사용하는 것은 불가능하다. 48V는 새로운 12V이다.

“새로운 48V”에 적극적인 데이터 센터

데이터 센터 및 슈퍼 컴퓨터는 작은 국가 수준의 전력을 필요로 하는데 특히 고성능 컴퓨터 센터에서는 효율성이 매우 중요하다. 더욱이 요즘은 인공 지능에 대한 관심이 높아짐에 따라 컴퓨팅 솔루션은 증가하는 전력 요구 사항에 대응할 수 있는 프로세서를 더욱 필요로 하는 추세이다.

그러나 더 높은 프로세서 전력을 제공하면 전력 공급에 물리적인 문제가 발생하므로 전통적인 12V를 사용해 효율성을 유지하려고 한다. 따라서 엔지니어들은 보다 높은 수준의 전력 배전이 가능한 48V 배전을 채택함으로써 이러한 문제점들을 극복했다.

구글(Google)의 48V 채택

48V를 적용한 좋은 사례들 중 하나는 구글이다. 구글 엔지니어들은 APEC2017(Applied Power Electronics Conference, 2017) 및 OCP2017(Open Compute Project, 2017) 행사에서 데이터 센터에48V를 사용하는 것의 장점 및 비용 절감에 대해 공개적으로 논의한 바가 있다.

또 다른 48V 적용 사례는 Supercomputing 2017에서 최근 Green500 순위가 발표될 때 강조되었다.

Green500는 가장 효율적인 고성능 컴퓨터 시스템의 순위를 매긴다. 작년에 랭크된 상위 5위 중 4개는 컴퓨터 시스템 전체에 48V 배전을 채택한 일본 회사 PEZY가 설계한 시스템이었다.

더 높은 조도와 낮은 비용의 상용 LED 패널

하룻밤에 뉴욕의 타임스퀘어를 비추는 데에는 얼마나 비용이 발생할까? 거대한 옥외 LED 스크린의 크기와 소비 전력은 지난 10년간 급격히 증가해 왔다.

LED 패널의 성능이 지속적으로 향상됨에 따라 더 높은 LED 픽셀 밀도 및 밝기가 가능해졌다. 이러한 새로운 패널을 설계하는 엔지니어는 48V 배전을 적용하면서 전력 케이블의 크기와 무게를 줄이는 동시에 효율도 향상시키고 있다.

이러한 대규모 설비는 효율이 향상되고 있는 것 외에도 점점 경량화되어 설치가 더욱 용이해지고 있다. 오늘날에는 더 작은 패널 매트릭스들이 모여 더 밝고 오래 지속되는 디스플레이를 구동하게 되었는데 이로 인해 운송 및 설치가 더 쉬워졌다.

또한 48V 전력 배전은 소매점의 벽면 디스플레이 및 운송 허브 정보 디스플레이에 사용되는 AC 배전 방식 대신 더 저렴하고 안전한 대안을 제공한다.

더 많은 토크를 추구하는 전동 공구

개인용 및 전문 배터리 구동 도구들 역시 이와 비슷한 추세를 따라 더 많은 전력을 위한 더 높은 전압으로 전환하고 있다. 전력이 높을수록 공구 작동 시간이 길어지고 토크가 향상된다. 무선 공구용 배터리는 ~9V 부터 ~12V, ~18V, 그리고 ~20/24V 버전을 지나 이제 48V 및 60V까지 발전했다.

어떤 건축 자재점에 가도 드 왈트(DeWalt)와 같은 유명 회사의 60V 배터리 공구들을 쉽게 찾을 수 있다. Snapper의 고성능 60V 전기 톱이나 잔디 깎는 기계와 같은 경량 공구들도 예외가 아니다.

자동차의 48V 채택

마일드 하이브리드 타입의 자동차는 기존의 연소 기반 차량에 약간의 추가만으로도 차량 효율을 10%이상 향상시키고 있다.

델파이(Delphi)에 근무하는 자동차 엔지니어 같은 자동차 엔지니어들은 마일드 하이브리드에 48V 배전 방식을 채택한다. 이를 통해 시동/정지 동작의 “정지” 단계에서 액세서리에 전원을 공급함으로써 내연 기관에서 부하를 줄인다.

초기 설계에서는 12V 전용 배터리를 배치했었지만 정지 단계에서 시스템 내부 기능에 충분히 전력을 공급할 수 없었다. 그래서 이제는 48V가 가장 효율적인 대안임이 입증되었다.

로봇 및 산업 장비에 전원 공급

산업용 장비는 다양한 제품을 다루는데 48V는 같은 이유(고전력)로 점점 더 많은 영향력을 발휘하고 있다.
• 키바 시스템(Kiva System)은 대형 창고 용 로봇 처리 시스템으로 48V를 사용하여 아마존의 물류 창고를 지원하고 있다.
• 어드반테스트(Advantest)는 48V를 사용하여 ATE 제품의 배선 크기(적은 와이어를 이용하여 더 많은 전력 공급)를 최소화하고 있다.
• CAT는 48V 창고용 적재 트럭을 제공한다. 공정 제어, 생산 설비 및 공장 자동화 기기들은 48V 적용을 성공적으로 채택한 추가적인 사례이다.

새로운 12V인 48V

더 높은 전력이 필요하다면 48V를 고려해보는 것이 좋다. 엔지니어들은 12V 배전을 사용할 때 전력을 단순히 증가시키면서 발생하는 손실이 시스템을 제한하고 있음을 알게 되었다. 향상된 48V 컨버터 및 레귤레이터는 현재 12V 대응 제품에 비해 더 나은 효율, 비용 및 크기/중량 성능을 제공한다.

많은 전력 설계들은 레귤레이팅을 통해 1차적으로 12V로 정류 하는 것이 아니라 48V에서 부하 전압으로 직접 전환하는 단일 레귤레이터로 대체해서 얻을 수 있는 추가적인 이점을 활용한다.

최근 몇 년 동안 48V 솔루션을 제공하는 여러 부품 공급업체들이 출현함에 따라 48V DC/DC 사용이 늘어났다. 바이코는 48V DC/DC 레귤레이터 및 절연 컨버터를 사용한 다음의 설계를 통해 더 나은 효율, 밀도 및 비용 절감들을 가능하게 해주고 있다.

• 제로전압(zerovoltage) 스위칭과 같은 고효율 스위칭 토폴로지(topology)
• SM-ChiP 패키지와 같은 고밀도 전원 패킹을 가능하게 하는 3D 패키지 기술

48V 시스템을 설계하는 엔지니어들은 바이코가 홈페이지에서 제공하는 온라인 선택/설계 도구에 접속해 설계 시간을 단축함으로써 최적화된 솔루션을 확보할 수 있다. [제공. 바이코]