[논문]열 해석을 이용한 SMPS 온도 특성 개선

나태권; 정지훈; 추종양; 권중기

열 해석을 이용한 SMPS 온도 특성 개선
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나태권 (삼성전자 디지털 프린팅 사업부 선행연구팀) , 정지훈 (삼성전자 디지털 프린팅 사업부 선행연구팀) , 추종양 (삼성전자 디지털 프린팅 사업부 선행연구팀) , 권중기 (삼성전자 디지털 프린팅 사업부 선행연구팀)

재택근무와 소규모 창업 등 사무 환경의 변화 에 따라 프린터와 복합기의 소형화가 요구 되고 있다. 이러한 소형화에 의해 프린터 내부의 발열 요소들이 제한 된 공간에 배치되어, 기기 내부의 열 유동 및 발열 개선은 제품의 수명과 안정성 확보를 위한 중요 사항이 되었다. 본 논문에서는 프린터와 복합기의 내부 요소 중 주요 발열원인 전원 공급 장치에 대하여 Computational fluid dynamics (CFD) software 인 ICEPAK을 이용하여 중요 부품의 배치 조건에 따른 대류 와 온도 특성을 확인 하고, 최적화 된 부품 배치 방법을 제안한다. 또한 제안하는 부품 배치 방법을 적용한 초박형 프린터용 50W 급 전원 공급 장치를 제작하여 실제 온도 특성이 개선됨을 확인한다.

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문제 정의

본 논문에서는 열 전달율을 고려하고, Computational fluid dynamics (CFD) software를 이용하여, 실제 프린터 배치 공간 에서 각 부품의 형태 별, 배치 영역에 따른 대류특성을 검토하여 최적화된 배치 방법을 제안한다, 열 회로망 법을 이용하여 각 부품을 모델링 하고, 부품의 소비 에너지를 측정하고 모델링에 적용한다. 이를 통해 실제 부품 배치에서 대류의 발생 상태와 온도 개선 사항을 확인하여 최적화 된 배치 안을 제안 한다. 본 결과를 이용해 초박형 프린터 용 50W급 전원 공급 장치를 제작하여 주요 부품의 온도의 결과를 측정하여 특성이 개선됨을 확인 하였다.

제안 방법

이를 통해 프린터의 전원 장치의 부품 배치 조건 중에서 기류의 영향에 제약을 줄 수 있는 요소를 결정한다. 각 요소로 부품의 표면적과, 공기유입부와 배출부에서의 부품의 위치, 각 부품의 배치 조건을 고려하였다. 부품 표면적에 대해 전원 장치의 주요 부품의 형태인 prism , cylinder 형의 크기에 따른 대류 흐름 및 방열 성능을 확인 하였다.
그림 2는 초박형 전원 공급 장치와 주변부의 열 저항 모델을 나타내었다. 발열원인 부품 소자, 케이스, 기판의 요소와, 각각 전도, 대류, 방사로 구분 하였다. 전도, 대류는 각 요소의 기본 성질을 이용하였고, Fan 에 의한 강제 대류 이므로 풍속과 요소의 표면적 확대를 고려하였다.
본 논문에서는 실험 및 시뮬레이션을 통해 각 부품 요소의 크기와 위치에 따른 대류 및 온도 특성을 분석 하였다. 초박형 프린터 용 전원 공급 장치 개발을 위하여 해석 가능한 모델링 , 방열량 과 개선 방법을 제시 하였다, 이를 바탕으로 시뮬레이션 및 50W 급 준 공진형 플라이백 컨버터를 설계하고, 실험을 수행하여 기존 전원 장치와 비교 하여 열 해석을 통한 부품 배치 변경만 으로 온도 성능 향상을 확인 할 수 있었다.
본 논문에서는 열 전달율을 고려하고, Computational fluid dynamics (CFD) software를 이용하여, 실제 프린터 배치 공간 에서 각 부품의 형태 별, 배치 영역에 따른 대류특성을 검토하여 최적화된 배치 방법을 제안한다, 열 회로망 법을 이용하여 각 부품을 모델링 하고, 부품의 소비 에너지를 측정하고 모델링에 적용한다. 이를 통해 실제 부품 배치에서 대류의 발생 상태와 온도 개선 사항을 확인하여 최적화 된 배치 안을 제안 한다.
각 요소로 부품의 표면적과, 공기유입부와 배출부에서의 부품의 위치, 각 부품의 배치 조건을 고려하였다. 부품 표면적에 대해 전원 장치의 주요 부품의 형태인 prism , cylinder 형의 크기에 따른 대류 흐름 및 방열 성능을 확인 하였다. 부품의 크기에 따른 방열 성능 은 표1과 표2 와 같다.
^[3]시뮬레이션 PCB에 대하여 각 Pattern Copper의 양을 고려하여 6개의 구성 요소로 분리하였다. 부품의 각 Pin은 Mesh의 감소를 위하여 공기와 철의 평균 전도율 으로 처리하였다. 그림 4는 배치 방법 적용 전, 후 의 전원 장치의 대류 및 온도 시뮬레이션 결과이다.
단 대류의 영향이 없는 원 거리에 배치 할 경우는 내부 발열체의 방열에 영향을 주지 않았다. 이를 통해 프린팅 기기용 전원 장치에 대해 기준 크기 부품을 흡입 통풍구에서 일정거리 이상 이격하고, 대류 방향으로 각 부품 간 최소 거리로 일열 배치를 제안한다.
장치의 체적과 발열밀도를 고려 할 때 초소형 프린터는 자연대류 보다, 강제 대류 영역 존재하여 제품의 크기와 장착 위치를 고려하여 4500rpm, Fan-flow 0.459m3 /min Fan을 이용한 flow out의 강제 공랭방식을 선택하였다.
발열원인 부품 소자, 케이스, 기판의 요소와, 각각 전도, 대류, 방사로 구분 하였다. 전도, 대류는 각 요소의 기본 성질을 이용하였고, Fan 에 의한 강제 대류 이므로 풍속과 요소의 표면적 확대를 고려하였다. 부품의 발열은 표면과 PCB 기판, 케이스 등으로의 대류 전도, 방사로 외부로 방출 된다.
제안된 배치 방법인 부품의 수평 길이 5mm, 반지름 30mm, 인 기준 크기 이상의 부품을 공기 유입부에서 이격거리 50mm 이상으로 고려하여 배치하였다. 또한 대류의 방향으로 일열 배치하였다.
주요 발열원인 Mosfet은 600V 내압, 도통저항 190mΩ을 기준으로 소모 전력을 산출하여 온도 측정 오차 고려를 산정하였다 하였다.

성능/효과

표 5는 FR1 단면 PCB로 시뮬레이션 결과를 적용하여 145☓75mm 높이 15mm 크기의 5V,24V DC 출력의 50W급 준공진형 컨버터를 제작하여, 초소형 프린터에 장착 후 실측된 온도결과 이다. 동일 성능의 부품 및 Fan을 포함한 외부 구조가 고정된 상태에서 열 해석을 통한 배치구조의 변경 적용 후에 온도가 최대 9도 정도 개선됨을 확인 하였다. Linefilter의 경우 온도 특성이 양호하여 재료비 절감을 위해 소형으로 변경하여 온도 상승이 발생하였다.
이를 통해 실제 부품 배치에서 대류의 발생 상태와 온도 개선 사항을 확인하여 최적화 된 배치 안을 제안 한다. 본 결과를 이용해 초박형 프린터 용 50W급 전원 공급 장치를 제작하여 주요 부품의 온도의 결과를 측정하여 특성이 개선됨을 확인 하였다.
표 3은 일정 크기의 부품이 흡입 통풍구와의 거리에 따른 대류의 흐름 및 방열 성능을 나타낸다. 부품이 흡입 통풍구와 50mm 이내에 있을 때 장애물이 있을 때 대류 저항이 발생되고, 내부 발열체의 온도가 상승하였다. 표 4는 기준 크기 이상의 부품이 교차 될 때 그 거리에 따른 내부 부품의 온도결과 이다.
본 논문에서는 실험 및 시뮬레이션을 통해 각 부품 요소의 크기와 위치에 따른 대류 및 온도 특성을 분석 하였다. 초박형 프린터 용 전원 공급 장치 개발을 위하여 해석 가능한 모델링 , 방열량 과 개선 방법을 제시 하였다, 이를 바탕으로 시뮬레이션 및 50W 급 준 공진형 플라이백 컨버터를 설계하고, 실험을 수행하여 기존 전원 장치와 비교 하여 열 해석을 통한 부품 배치 변경만 으로 온도 성능 향상을 확인 할 수 있었다.

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