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파워 필터 정류 회로

일반적인  자동차 밧데리 전압은 12V라고 알려져 있지만, 상당히 큰 편차가 있다. 엔진이 꺼져 있을 경우에는 12V정도로 안정되어 있다. 시동을 걸 경우, 엔진 시동에 부하가 많이 걸리게 되어 6-8V로 떨어진다.  엔진이 걸려 있을 경우, 밧데리를 충전하기 위해 전압은 14V 정도가 되며, 이때 얼터내이터나 모터를 포함한 전기 부하에서 부터 잡음이 생긴다. 이러한 깨끗하지 못한 전압은 컴퓨터를 연결하기에 위험하다. 웹에서 본바로는 누군가가 자동차 파워에서 직접 EPIA를 동작시키는 것을 보았다. 자동차 시가 라이터 소켓에서 부터 EPIA 에 전원을 공급하면, 잘 동작할지 몰라도, 계속 사용할 경우 고장이 날 수 있다.

따라서, 자동차 전원을 정류한 12V로 변환시키는 회로가 필요하다. 그러나 엔진을 시동하는 동안 일어나는,  낮은 전압의 상황에서는 쉬운 일이 아니다. 전압을 스텝업 시키는 스위치 모드 정류기나 별도의 밧데리가 필요하다. 여기서, 나는 자동차 엔진을 시동 시킨 이후의, 13V 이상의 전압을 12V로 변환하기 위해서 로우 드롭 아웃 전압(LDO) 타입의 3-터미널 정류 칩인 LM1084를 사용하기로 결정하였다. LM1084는 1V 드롭-아웃으로 동작하고, 최대 5A 전류를 공급가능하다. 큐피드 케이스는 4.48A 를 소모한다.

또한, PC를 안전하게 끄기 위해, 엔진이 꺼진후에 잠시동안 PC를 동작시키기로 하였다. 이 시간동안, 전원은 알터네이터가 아닌 밧데리를 사용하게 되며, 정류기가 1V 드롭이 생기므로 12V를 공급할 수 없다. LM1084를 PC와 파워브릭 사이에 연결하여 실험해 본 결과, PC는 문제없이 잘 동작하였다. 이 회로를 사용하기로 결정하고, 엔진이 꺼진 후에는 밧데리로 부터 전원을 공급받기로 하였다. DC-DC 보드는 규격에서 벋어나 동작하게 되어 스트레스를 받게 되지만, 괜찮을 거라고 결론지었다. 컴퓨터를 끄느 시간 간격은 매우 짧은 시간이고,  엔진이 꺼진 후에 밧데리 전압은 약간 높아지게 되고,  PC의 전력 소모도 DC-DC 보드 설계에 비해 반 이하에 불과 하기 때문이다.

회로 설계

정류기 입력단에, LC 필터를 구성하기 위해, 일반적인 디커플링 캐패시터에 추가로 인덕터를 삽입하여, 전압의 변경에 대비하였다. 공급되는 전압이 순간적으로 올라갈 경우, 정류기가 흡수할 수 있다. 13V 이하로 떨어지게 되면, 정류기는 단지 출력 전압을 떨어 뜨리게 된다. 인덕터가 있게 되면, 밧데리 쪽으로 캐패시터가 방전하는 것을 막게되며, 정류기의 입력을 하이로 높게 유지하게 된다. 또한 노이즈 방출을 막아, PC의 펄스파 같은 전류 소비를 유연하게 한다. 

 별도로,  정류기를 최대 입력인 30V로 부터 보호 하기 위해, 자동차 회로에 맞게 특별히 고안된 20V 서지 억제 다이오드 surge suppressor diode 를 부착하였다. 또, 고주파 노이즈를 제거하기 위하여 DC 라인 필터 DC line filter를 삽입하였다.

파워필터 정류기  회로

LM1084 출력과 입력사이에 연결된 다이오드는 전압이 갑자기 떨어져 전압차가 반대로 되는 현상이 발생할 경우 정류기를 보호하기 위한 것이다. 인덕터(L)과 캐패시터(C)를 선택할 때 L/C 값이 충분히 작게 되도록 확인하기 바란다. 만일 작지 않을 경우, 부하가 변화할 때, 커다란 오보슈트나 언더슈트가 발생하기 때문이다. 또한 고주파가 발생할때 안정화 하기 위하여, 정류기에 0.1uF 멀티 레이어 세라믹 캐패시터를 양쪽으로 붙였다.

릴레이는정류기 후단에 붙였는데, 콘트롤러 회로가 정류되고, 백업된 전원이 필요하기 때문이다. 이 때문에 정류기는 항상 밧데리에 연결되어 있다. 부하가 없을 경우 전류는 5.2mA로 관측되었다. 생각보다 높게 나와 데이터 쉬트를 확인하여 보니 보통 5mA라고 되어있었다. 밧데리에 대해 조금 의심스러워져서 다시 계산해 보니, 일주일 동안 차를 방치할 경우 1Ah보다 적었다. 차 밧데리가 보통 40Ah , 또는 55Ah 정도이므로 전혀 문제될 것이 아니었다.

발열

정류기 회로 설계에 가장 골치 아픈 문제가 발열이다. 정류기는 불 필요한 전기를 열로 변환하면서 임무를 수행한다. 이 PC의 전력은 55W 이고, 12V 파워 브릭은 4.58A라고 명시되어 있다.

최대 전력을 5A라고 설계하면, (내 자동차는 13.8V 인데), 공급 전압이 14V 라면, (14V - 12V) * 5A = 10W 를 열로 낭비하게 되어, 이 만큼 열이 발생한다. 데이터 쉬트를 참조하여 열저항을 계산해보니, 4캜/W의 히트 싱크가 필요하다.

메인보드가 EPIA 시리즈 중에 가장 전력을 적게 소비하고, 오직 하드 디스크만 장착하더라도,  전력 소비는 55W 이하여야 한다. 실지로 계측하여 보니, 하드디스크가 동작할 경우 2.1A, 리눅스가 아이들로 동작할 경우 1.2A, 하드디스크와 CPU가 최대 속도로 동작할 경우 1.2A로 측정되었다. 이 수치는 DMM으로 측정되었으며, 순간 최대 전류는 이보다 높을 것이다.

실지로 정류기를 히트 싱크에 붙여 (열저항은 명시하지는 않았지만, 10캜/W 정도라고 추측한다), 12V 전압으로 PC를 동작시키니까 약간 따뜻하게 되었는데, 이정도면 충분한 것 같다. 

샤시로 히트 싱크를 쓰는 방법도고려 하였으나, 히트싱크가 케이스 팬에 근접하여 배치되어 강제로 에어 쿨링이 되므로, 히트 싱크로 가기로 하였다.

제작

이제 회로 설계는 완료되어 제작에 들어간다. PCB를 실지로 제작하지는 않았지만, 부품을 최적으로 배치하기 위해서 CAD pcb를 사용하였다. 이 시점에서 모든 회로가 내가 가지고있는 회로보드에 들어가지 않아, 정류기 보드와 콘트롤러 보드로 분리하였다.

부품 배치, 배선

보드 외부와 연결하기 위해 코넥터를 사용하였다. 깔끄하였다. 콘트롤러 보드로가는 코넥터는  4P이나, 똑 같은 것을 구하지 못해 5P를 사용하였다. 파워 라인은 콘넥터에 굵은 선으로 단단하고 주위깊게 부착되어, 불이 나지 않게 고려하였다. 

보드의 솔더 사이드, 구리동선으로 연결.

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