스위칭 전원: 열을 버리지 않고 전압을 바꾼다
변환비를 바꿔 두 방식이 버리는 열을 비교하라
두 막대는 같은 입력 전압을 같은 출력 전압으로 바꿀 때 각 방식이 쓰는 전력을 나눈 것이다. 금색은 출력으로 나가는 유효 전력, 붉은색은 열로 버려지는 손실이다. 변환비, 곧 출력 대 입력의 비를 쓸어 보라. 선형 방식은 변환비가 작아질수록 붉은 띠가 늘지만, 스위칭은 변환비와 무관하게 금색이 거의 그대로다.
선형 방식은 차이를 열로 태운다
선형 레귤레이터는 트랜지스터를 가변 저항처럼 써서 남는 전압을 떨어뜨린다. 같은 전류 I가 입력에서 출력으로 흐르므로, 트랜지스터에는 입출력 차 (Vin - Vout)가 걸리고 그만큼 전력 (Vin - Vout)·I가 고스란히 열이 된다. 출력으로 나가는 유효 전력은 Vout·I이니, 효율은 η = Vout / Vin으로 변환비 그 자체다. 12 V를 5 V로 낮추면 절반 넘게 열로 사라지고, 3.3 V로 낮추면 4분의 3이 사라진다. 강압이 클수록 더 뜨거워지고 더 낭비한다.
이상적 스위치는 손실이 없다, 토막 내어 평균을 낸다
스위치는 두 상태뿐이다. 켜지면 양단 전압이 0이라 V·I = 0이고, 꺼지면 전류가 0이라 다시 V·I = 0이다. 어느 쪽이든 이상적 스위치는 전력을 거의 소비하지 않는다. 그래서 전압을 가변 저항으로 떨어뜨리는 대신, 스위치를 빠르게 켰다 껐다 해서 입력을 잘게 토막 낸다. 한 주기에서 켜져 있는 시간의 비율을 듀티비 D라 하면, 토막 난 전압의 평균은 D·Vin이다. 이 토막을 인덕터와 커패시터로 된 LC 필터가 매끄럽게 평균 내면, 출력은 Vout = D·Vin이 된다. 듀티비만 바꾸면 출력 전압이 정해지고, 그 사이 어디서도 전력을 태우지 않는다.
효율은 변환비를 가리지 않는다
선형 방식의 효율은 변환비 그 자체였다. 그래서 12 V에서 1.2 V를 만들면 효율이 10퍼센트로 주저앉는다. 스위칭은 다르다. 손실의 원인이 입출력 차가 아니라 스위치와 인덕터의 비이상성뿐이라, 변환비를 아무리 크게 잡아도 효율이 흔들리지 않고 흔히 90퍼센트를 웃돈다. 바로 이 때문에 휴대폰 충전기부터 노트북 어댑터, 데이터센터 전원까지 거의 모든 전원이 스위칭 방식이다. 다만 빠르게 켜고 끄는 대가로 스위칭 잡음이 생기고 인덕터와 커패시터가 필요해, 회로는 선형보다 복잡하다. 그럼에도 강압이 클수록 스위칭의 이점은 압도적이다.
첫 화면으로 돌아가서
변환비가 작을 때 선형 막대는 붉은 열이 대부분을 차지했고, 변환비를 1에 가깝게 올리자 금색 유효 전력이 막대를 채웠다. 선형 효율이 변환비 그 자체, η = Vout / Vin이었기 때문이다. 스위칭 막대는 내내 금색이 거의 그대로였다. 켜지면 전압이 0, 꺼지면 전류가 0인 이상적 스위치가 전력을 태우지 않고, 토막 낸 입력을 LC가 평균 내어 Vout = D·Vin을 만들기 때문이다. 한 방향 밸브인 다이오드의 정류에서 한 걸음 나아가, 소자를 켜고 끄는 것만으로 전압을 효율 좋게 바꾸는 전력전자의 문턱에 섰다.
이어지는 흐름
여기서는 스위치를 이상적이라고 보았다. 마지막 유닛에서는 그 스위치의 정체를 연다. 전력 MOSFET이 바로 그 스위치이며, 현실의 스위치는 켜져 있을 때 작은 온저항으로, 켜고 끄는 찰나에 전압과 전류가 겹치며 손실을 낸다. 이 도통 손실과 스위칭 손실이 효율의 천장을 정하고, 왜 더 빠르고 더 낮은 저항의 소자를 좇는지를 본다.