어댑터 벌크 콘덴서가 82µF에서 22µF로 줄면 리플과 유지 시간은 얼마나 변할까

노트북 어댑터를 열어 보면 브리지 정류기 바로 뒤에 400V급 전해 콘덴서가 하나 서 있습니다. 1차측 벌크 콘덴서입니다. 겉보기에 멀쩡하고 220V에 꽂으면 19V도 잘 나오는데, 정전이 아주 짧게 스쳐도 노트북이 배터리로 넘어가거나, 해외 110V 콘센트에서는 충전이 끊겼다 붙었다 한다는 증상으로 들어오는 어댑터가 있습니다. 이런 어댑터는 출력 전압만 재서는 이상이 드러나지 않을 수 있습니다.

이 글에서는 벌크 콘덴서의 용량을 82µF, 47µF, 22µF 세 가지로 바꿔 같은 조건에서 비교합니다. 82µF는 정상 부품으로 가정한 값이고, 47µF와 22µF는 열화했거나 작은 값으로 잘못 교체된 경우를 가정한 값입니다. 자료는 두 갈래입니다. 하나는 ngspice로 돌린 정상 상태 리플과 AC가 끊긴 뒤 전압이 버티는 시간이고, 다른 하나는 TI 데이터시트의 식으로 최저 벌크 전압과 유지 시간을 직접 계산해 시뮬레이션과 맞춰 본 표입니다.

퓨즈가 끊겼거나 전원이 아예 들어오지 않는 경우는 이 글의 범위가 아닙니다. 그쪽은 브리지 정류기 다이오드 4개를 확인하는 글과 입력단 NTC 서미스터 글을 먼저 보시고, 이 글은 어댑터가 동작은 하는데 입력이 흔들릴 때 버티지 못하는 경우에 맞춰 읽으면 됩니다.

작업 전에: 벌크 콘덴서는 플러그를 뽑아도 전압이 남습니다

220V를 정류한 벌크 콘덴서에는 약 300V가 걸립니다. 직접 계산하면 82µF에 308V가 걸려 있을 때 저장 에너지는 3.89J입니다. 플러그를 뽑은 뒤에도 이 전압이 한동안 남을 수 있으므로, 케이스를 연 뒤에는 먼저 콘덴서 양단 전압을 멀티미터 DC 레인지로 확인하고 저항으로 방전한 다음 작업합니다. 방전 저항 값과 시간은 방전 저항 계산 글에 따로 정리해 두었습니다.

• 통전 중에 1차측을 잴 때는 한 손만 쓰고, 프로브를 먼저 물려 둔 뒤 플러그를 꽂습니다.
• 접지된 오실로스코프의 접지 집게를 1차측에 물리면 안 됩니다. 1차측 파형은 차동 프로브나 절연 트랜스를 거쳐서 봅니다.
• 콘덴서를 뜯어낼 때는 방전한 뒤에도 다시 한 번 전압을 재서 0V 가까이 떨어졌는지 확인합니다.

벌크 콘덴서 용량이 정하는 두 가지 숫자

벌크 콘덴서는 정류된 전압의 꼭대기에서 충전되고, 다음 꼭대기가 올 때까지 플라이백 컨버터에 전력을 대 줍니다. 그래서 용량이 줄면 두 가지 숫자가 같이 나빠집니다. 하나는 평상시 골짜기 전압, 즉 최저 벌크 전압이고, 다른 하나는 AC가 끊겼을 때 컨버터가 멈추기 전까지 버티는 시간입니다.

TI UCC28740 데이터시트(SLUSBF3D)의 설계 절차는 입력 전력, 최소 입력 RMS 전압, 최소 교류 주파수로 필요한 입력 용량을 정하고, 목표 최저 벌크 전압에서 전체 입력 용량을 구하는 식(11)을 제시합니다. TI UCC28C53 데이터시트(SLUSER8C)도 같은 형태의 식(3)을 쓰면서, 입력 용량을 최소로 해 벌크 전압을 낮게 잡으면 1차측 피크 전류가 커져 MOSFET, 변압기, 출력 콘덴서의 스트레스가 늘어난다고 설명합니다. 용량이 줄어든 콘덴서는 설계자가 정한 이 균형을 깨는 셈입니다.

가정한 조건

특정 어댑터의 회로가 아니라 구조만 따온 모델입니다. 출력은 19V 65W급이고 효율은 88%로 가정했습니다. 직접 계산하면 입력 전력은 73.9W입니다. 플라이백 컨버터는 출력을 일정하게 유지하는 동안 벌크 전압과 상관없이 거의 같은 전력을 끌어간다고 보고, 부하는 73.9W를 끌어가는 정전력 전류원으로 두었습니다. 다만 벌크 전압이 80V 아래로 내려가면 전류가 무한히 커지지 않도록 그 아래에서는 정전류로 바뀌게 했습니다.

직접 시뮬레이션: 220V 60Hz에서 용량별 정상 상태 리플

맨 위 그래프입니다. 세 회로를 한 넷리스트에 나란히 넣어 같은 시간축에 겹쳤고, 기동이 끝난 150ms부터 200ms까지만 그렸습니다. 꼭대기는 셋 다 비슷하게 올라가지만 골짜기 깊이가 크게 다릅니다.

시뮬레이션 결과 82µF에서 리플은 21.7V이고, 47µF에서 37.1V, 22µF에서 77.5V입니다. 22µF의 용량은 82µF의 27% 정도인데, 시뮬레이션 결과 리플은 3.6배로 커졌습니다. 최고 전압은 거의 그대로이므로 꼭대기 전압만 재면 세 콘덴서가 구분되지 않습니다.

입력 전류도 달라집니다. 시뮬레이션 결과 입력 전류의 피크는 82µF에서 2.41A, 22µF에서 1.82A였고, RMS 전류는 82µF에서 0.685A, 22µF에서 0.597A였습니다. 용량이 작으면 한 번에 채워야 할 전하가 적어 충전 펄스가 넓고 낮아지기 때문입니다. 입력 쪽 부품에는 오히려 부담이 줄어드는 방향이라, 퓨즈나 NTC 쪽 증상으로는 드러나지 않을 수 있습니다.

* 65W 어댑터 1차측: 220V 60Hz 정류 후 벌크 콘덴서 용량별 리플 (정전력 부하 73.9W)
.model DB D(Is=1e-9 N=1.8 Rs=0.05 BV=1000)
.param P=73.9
* --- 82uF
V1 a1 b1 SIN(0 311 60)
Rn1 a1 a1r 2
D11 a1r p1 DB
D12 b1 p1 DB
D13 0 a1r DB
D14 0 b1 DB
C1 p1 c1 82u
Re1 c1 0 1
B1 p1 0 I=P/max(V(p1),80)
* --- 47uF
V2 a2 b2 SIN(0 311 60)
Rn2 a2 a2r 2
D21 a2r p2 DB
D22 b2 p2 DB
D23 0 a2r DB
D24 0 b2 DB
C2 p2 c2 47u
Re2 c2 0 1
B2 p2 0 I=P/max(V(p2),80)
* --- 22uF
V3 a3 b3 SIN(0 311 60)
Rn3 a3 a3r 2
D31 a3r p3 DB
D32 b3 p3 DB
D33 0 a3r DB
D34 0 b3 DB
C3 p3 c3 22u
Re3 c3 0 1
B3 p3 0 I=P/max(V(p3),80)
Rb1 b1 0 10Meg
Rb2 b2 0 10Meg
Rb3 b3 0 10Meg
.tran 10u 200m 150m 10u
.meas tran min82 MIN v(p1) from=150m to=200m
.meas tran max82 MAX v(p1) from=150m to=200m
.meas tran min47 MIN v(p2) from=150m to=200m
.meas tran max47 MAX v(p2) from=150m to=200m
.meas tran min22 MIN v(p3) from=150m to=200m
.meas tran max22 MAX v(p3) from=150m to=200m
.meas tran irms82 RMS i(V1) from=150m to=200m
.meas tran irms22 RMS i(V3) from=150m to=200m
.meas tran ipk82 MAX i(V1) from=150m to=200m
.meas tran ipk22 MAX i(V3) from=150m to=200m

• 멀티미터 DC 레인지로 벌크 전압을 잴 때: 표시값은 평균에 가까운 값이므로, 리플이 커지면 평균이 내려갑니다. 같은 220V에서 정상 어댑터보다 눈에 띄게 낮게 읽히면 용량 감소를 의심해 볼 만합니다.
• 차동 프로브로 파형을 볼 때: 꼭대기가 아니라 골짜기를 봅니다. 꼭대기는 용량과 거의 상관없이 정류된 입력의 피크를 따라갑니다.
• 무부하로 재지 않습니다: 리플은 부하 전력에 비례해 커지므로, 노트북을 연결해 충전 중인 상태나 전자 부하를 건 상태에서 봐야 차이가 납니다.

이 모델은 이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 실제 플라이백 컨버터는 정전력 부하처럼 깔끔하게 움직이지 않고, 스위칭 주파수 성분의 리플이 겹쳐 보입니다. 직렬 저항과 ESR도 가정한 값이라 골짜기 깊이의 절대값보다는 용량에 따라 움직이는 방향을 읽어야 합니다.

AC가 잠깐 끊길 때 몇 ms를 버티나

직접 시뮬레이션: 전압 꼭대기에서 AC를 끊은 뒤 벌크 전압

같은 세 회로에서 교류 전원을 104.17ms에 끊었습니다. 60Hz에서 이 시점은 전압이 꼭대기에 있는 때라 콘덴서가 가득 찬 상태에서 출발합니다. 그 뒤로는 콘덴서에 남은 에너지만으로 73.9W를 대야 합니다. 컨버터가 어느 전압까지 출력을 유지할지는 제어 IC와 변압기 설계에 따라 다르므로, 200V와 100V 두 지점까지 걸리는 시간을 모두 쟀습니다.

시뮬레이션 결과 82µF는 차단 뒤 100V까지 46.2ms를 버티고, 47µF는 26.8ms, 22µF는 12.6ms를 버팁니다. 200V 기준으로 보면 시뮬레이션 결과 22µF는 8.2ms 만에 내려가므로, 60Hz 한 주기인 16.7ms를 버티지 못합니다. 그래프에서 곡선이 점점 가팔라지는 것은 정전력 부하라서 전압이 낮을수록 전류가 커지기 때문입니다.

그래프에서 100V 아래로 직선처럼 떨어지는 부분은 모델에서 80V 아래를 정전류로 바꾼 결과입니다. 실제 어댑터는 그 전에 저전압 보호로 스위칭을 멈출 수 있으므로, 이 구간은 읽지 않습니다.

* 65W 어댑터 1차측: 220V 60Hz가 104.17ms(전압 꼭대기)에 끊길 때 벌크 전압 (정전력 부하 73.9W)
.model DB D(Is=1e-9 N=1.8 Rs=0.05 BV=1000)
.param P=73.9
* --- 82uF
B1s a1 b1 V=311*sin(2*pi*60*time)*(time<104.17m ? 1 : 0)
Rn1 a1 a1r 2
D11 a1r p1 DB
D12 b1 p1 DB
D13 0 a1r DB
D14 0 b1 DB
C1 p1 c1 82u
Re1 c1 0 1
B1 p1 0 I=P/max(V(p1),80)
* --- 47uF
B2s a2 b2 V=311*sin(2*pi*60*time)*(time<104.17m ? 1 : 0)
Rn2 a2 a2r 2
D21 a2r p2 DB
D22 b2 p2 DB
D23 0 a2r DB
D24 0 b2 DB
C2 p2 c2 47u
Re2 c2 0 1
B2 p2 0 I=P/max(V(p2),80)
* --- 22uF
B3s a3 b3 V=311*sin(2*pi*60*time)*(time<104.17m ? 1 : 0)
Rn3 a3 a3r 2
D31 a3r p3 DB
D32 b3 p3 DB
D33 0 a3r DB
D34 0 b3 DB
C3 p3 c3 22u
Re3 c3 0 1
B3 p3 0 I=P/max(V(p3),80)
Rb1 b1 0 10Meg
Rb2 b2 0 10Meg
Rb3 b3 0 10Meg
.tran 10u 200m 80m 10u
.meas tran t82 WHEN v(p1)=100 FALL=1 FROM=104.17m
.meas tran t47 WHEN v(p2)=100 FALL=1 FROM=104.17m
.meas tran t22 WHEN v(p3)=100 FALL=1 FROM=104.17m
.meas tran u82 WHEN v(p1)=200 FALL=1 FROM=104.17m
.meas tran u47 WHEN v(p2)=200 FALL=1 FROM=104.17m
.meas tran u22 WHEN v(p3)=200 FALL=1 FROM=104.17m
.meas tran vcut82 FIND v(p1) AT=104.17m
.meas tran vcut22 FIND v(p3) AT=104.17m

• 순간 정전에 노트북이 배터리로 넘어갈 때: 어댑터 출력 쪽보다 벌크 콘덴서의 유지 시간이 짧아진 경우를 먼저 의심해 볼 만합니다.
• 멀티탭 스위치를 껐다 바로 켜는 시험: 정상 어댑터와 같은 조건으로 비교하면 차이가 보일 수 있습니다. 단, 순간 차단 시간을 정확히 맞추기 어려우므로 결과는 참고로만 씁니다.
• 교체 부품을 고를 때: 유지 시간은 용량에 비례하므로, 원래 값보다 작은 콘덴서를 달면 그만큼 짧아진다고 보면 됩니다.

이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 실제로는 차단 시점이 꼭대기가 아니면 콘덴서가 덜 찬 상태에서 출발하므로 유지 시간이 더 짧아질 수 있고, 컨버터 효율도 벌크 전압에 따라 달라집니다.

계산으로 맞춰 보기

직접 계산: 에너지식과 TI 식(11)로 구한 유지 시간과 최저 전압

유지 시간은 콘덴서에 남은 에너지를 부하 전력으로 나누면 됩니다. 시작 전압을 V1, 컨버터가 멈추는 전압을 V2라고 하면 t = C × (V1² − V2²) ÷ (2 × P)입니다. 시작 전압은 시뮬레이션의 꼭대기에 가까운 308V로 두고, P는 73.9W를 넣었습니다.

직접 계산하면 82µF는 100V까지 47.1ms, 47µF는 27.0ms, 22µF는 12.6ms입니다. 직접 계산한 값과 시뮬레이션의 차이는 가장 큰 82µF에서도 0.9ms입니다. 82µF에서 계산이 조금 더 긴 것은 시뮬레이션의 차단 순간 전압이 308V보다 약간 낮고 다이오드와 저항 손실이 들어가 있기 때문으로 보입니다. 차이가 작으므로 현장에서는 이 식 하나로 교체 부품의 유지 시간을 가늠해도 됩니다.

최저 벌크 전압은 TI UCC28740 데이터시트의 식(11)로 구했습니다. 식(11)은 원래 목표 최저 전압에서 필요한 용량을 구하는 식이라, 용량을 넣고 최저 전압을 거꾸로 풀었습니다.

직접 계산하면 220V 60Hz에서 82µF의 최저 전압은 289V, 47µF는 273V, 22µF는 232V로 시뮬레이션과 몇 V 차이입니다. 식(11)은 직렬 저항과 다이오드 손실을 넣지 않으므로 시뮬레이션보다 조금 높게 나옵니다.

100V 50Hz에서는 그림이 달라집니다. 직접 계산하면 82µF에서도 최저 전압이 85V까지 내려가고, 47µF는 39V입니다. 22µF는 식(11)이 해를 갖지 못합니다. 직접 계산하면 100V 50Hz에서 이 식이 해를 가지려면 최소 37.0µF가 필요하고, 최저 전압을 100V로 지키려면 110.9µF가 필요합니다. 반대로 220V 60Hz에서 최저 250V를 지키는 데는 직접 계산하면 28.6µF면 됩니다. 같은 어댑터라도 낮은 입력 전압에서 용량 부족이 훨씬 먼저 드러나는 이유가 이 숫자 차이입니다.

• 교체용 콘덴서를 고를 때: 원래 용량 이상, 같은 정격 전압 이상을 기본으로 합니다. 용량을 줄이면 표의 유지 시간과 최저 전압이 같이 나빠집니다.
• 해외 사용에서만 증상이 날 때: 100V대 입력에서 최저 전압이 컨버터의 동작 하한 아래로 내려갈 수 있으므로, 220V에서 멀쩡해도 벌크 용량을 재 봅니다.
• 계산 입력값은 바꿔 넣습니다: 실제 어댑터의 출력 전력과 효율로 입력 전력을 다시 구해 넣어야 합니다. 73.9W는 이 글에서 가정한 값입니다.

계산의 한계도 밝혀 둡니다. 두 식 모두 부하를 일정한 전력으로 보고, 다이오드 전압 강하와 직렬 저항을 넣지 않습니다. 그리고 컨버터가 실제로 몇 V에서 멈추는지는 제어 IC마다 다르므로, 100V와 200V는 비교를 위해 정한 기준선일 뿐 특정 제품의 규격이 아닙니다.

낮은 입력에서 용량 차이가 드러나는 모습

직접 시뮬레이션: 같은 회로를 100V 50Hz에 꽂았을 때

계산에서 22µF가 해를 갖지 못한 조건을 시뮬레이션으로 확인했습니다. 회로와 부하는 첫 번째 시뮬레이션과 같고 교류 전원만 꼭대기 141.4V, 50Hz로 바꿨습니다.

시뮬레이션 결과 100V 50Hz에서 82µF의 최저 전압은 83.7V로 식(11)의 85V와 가깝습니다. 47µF는 시뮬레이션 결과 48.5V로 계산값 39V보다 높은데, 모델이 80V 아래에서 정전력 대신 정전류로 바뀌어 전류를 덜 끌어가기 때문입니다. 22µF는 매 반주기마다 0V 근처까지 떨어져 콘덴서가 사실상 평활을 하지 못합니다.

실제 어댑터에서 이 상황이 오면 컨버터는 골짜기마다 저전압 보호에 걸려 스위칭을 멈췄다 다시 시작할 수 있습니다. 출력이 끊겼다 붙었다 하거나 변압기에서 소리가 나는 증상이 이런 조건에서 나올 수 있습니다.

* 65W 어댑터 1차측: 100V 50Hz 정류 후 벌크 콘덴서 용량별 리플 (정전력 부하 73.9W)
.model DB D(Is=1e-9 N=1.8 Rs=0.05 BV=1000)
.param P=73.9
* --- 82uF
V1 a1 b1 SIN(0 141.4 50)
Rn1 a1 a1r 2
D11 a1r p1 DB
D12 b1 p1 DB
D13 0 a1r DB
D14 0 b1 DB
C1 p1 c1 82u
Re1 c1 0 1
B1 p1 0 I=P/max(V(p1),80)
* --- 47uF
V2 a2 b2 SIN(0 141.4 50)
Rn2 a2 a2r 2
D21 a2r p2 DB
D22 b2 p2 DB
D23 0 a2r DB
D24 0 b2 DB
C2 p2 c2 47u
Re2 c2 0 1
B2 p2 0 I=P/max(V(p2),80)
* --- 22uF
V3 a3 b3 SIN(0 141.4 50)
Rn3 a3 a3r 2
D31 a3r p3 DB
D32 b3 p3 DB
D33 0 a3r DB
D34 0 b3 DB
C3 p3 c3 22u
Re3 c3 0 1
B3 p3 0 I=P/max(V(p3),80)
Rb1 b1 0 10Meg
Rb2 b2 0 10Meg
Rb3 b3 0 10Meg
.tran 10u 200m 150m 10u
.meas tran min82 MIN v(p1) from=150m to=200m
.meas tran max82 MAX v(p1) from=150m to=200m
.meas tran min47 MIN v(p2) from=150m to=200m
.meas tran max47 MAX v(p2) from=150m to=200m
.meas tran min22 MIN v(p3) from=150m to=200m
.meas tran max22 MAX v(p3) from=150m to=200m
.meas tran irms82 RMS i(V1) from=150m to=200m
.meas tran irms22 RMS i(V3) from=150m to=200m
.meas tran ipk82 MAX i(V1) from=150m to=200m
.meas tran ipk22 MAX i(V3) from=150m to=200m

여기서도 이상적인 부품 모델이라 실제 측정값과 다를 수 있습니다. 특히 80V 아래의 모양은 모델에서 정한 부하 특성에 따라 달라지므로 읽지 않는 것이 맞습니다.

현장에서 확인하는 순서

위 자료를 측정 순서로 옮기면 아래와 같습니다. 1차측 측정은 앞의 안전 주의사항을 지킨 상태에서만 합니다.

외관 점검과 교체 요령은 전해 커패시터 팽창·누액 글에 정리해 두었습니다. 4번에서 용량은 정상인데 2번과 3번이 나쁘다면 ESR 증가나 브리지 다이오드 한 개의 단선도 의심해 볼 만합니다. 다이오드 하나가 끊기면 반파 정류가 되어 같은 용량에서도 골짜기가 깊어집니다.

교체할 때는 정격 전압과 용량을 원래 부품과 같거나 높게 맞추고, 높이와 지름이 케이스에 들어가는지도 확인합니다. 이 글의 계산대로라면 용량을 원래보다 줄이는 쪽으로 타협하면 유지 시간과 낮은 입력에서의 여유가 용량 비율만큼 줄어듭니다.