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2010 년 09월호

년 월호


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휴대기기를 위한 친환경 전력 관리 솔루션

대부분의 산업화 국가들은 제품을 AC전원 소켓에 꽂거나 배터리 구동으로 작동하건 간에 에너지를 절약해야 할 필요성을 잘 인식하고 있다. 이것은 한 국가의 인구가 증가하면 새로운 가구에 냉난방 시스템, 조명, 전기 기기 등을 구동하기 위해서 에너지 수요도 그만큼 늘어나기 때문이다. 새로운 발전 설비를 건설하기 위해서뿐만 아니라 일단 이렇게 발전된 전력을 사용자에게 공급하기 위해서 많은 비용이 소요된다. 새로운 발전 설비를 건설하는 것보다 대부분의 전기기기의 현재의 에너지 소비를 15%~20% 줄이는 것이 경제적으로 더 효과적인 것으로 밝혀지고 있다.

글/Tony Armstrong, Director of Product Marketing, LTC

4.1V/4.2V 리튬이온 배터리 이외에도, 다양한 모바일 기기들이 편의성, 가용성, 비용 상의 이유에서 여전히 일회용 및 재충전형의 2개 AA 또는 2개 AAA 셀 폼팩터 배터리(NiMH, 알카라인, 새로운 리튬 원통형)로 구동하고 있다. 하지만 제품 내 다중 전력 소스 및 다중 전원 전압, 최적 효율에 대한 요구, 제한적인 공간 때문에 휴대기기의 전력 흐름을 관리하는 것이 갈수록 복잡해지고 있다. 그러한 요인들 때문에 PND, DSC, 울트라 모바일 PC, MP3/MP4 플레이어, 초소형 비디오 리코더, 휴대 의료 기기 등과 같은 배터리 구동 애플리케이션을 위해 고도로 통합적인 PMIC(power management IC)가 개발되고 있다.
2개 AA 또는 AAA 셀과 5V AC 어댑터 또는 5V USB 포트로 구동되는 휴대기기를 이용할 때 가장 큰 장애물은 메인 전원 레일을 위한 고정 3V 또는 3.3V 출력과 마이크로프로세서나 DSP 코어 전압을 구동하기 위한 1.xV 출력을 제공할 수 있도록 하는 것이다. 기기를 5V AC 어댑터나 5V USB 포트로 구동할 때는 스텝다운 (벅) DC/DC 컨버터만 있으면 된다. 하지만 배터리로 구동할 때는, 메인 전원 레일을 위한 3V 또는 3.3V를 공급하기 위해 벅-부스트 DC/DC 컨버터가 필요하고 고밀도 디지털 프로세서 코어 전압을 위한 1.xV를 제공하기 위해 스텝다운 DC/DC 컨버터가 필요하다. 이는 2개 AA 셀(니켈 또는 알카라인)의 방전 프로파일이 3.2V에서 1.8V에 이르기 때문이다. 그런데 이 범위가 ‘새로운’ 리튬 원통형 AA 및 AAA 셀을 이용하면 대략적으로 0.4V 높게 형성되기 때문에 전체적인 배터리 방전 범위에 걸쳐서 3.0V 또는 3.3V 레일을 좀더 효율적으로 조정하기 위해서는 벅-부스트가 필요하다. 뿐만 아니라 공칭 1.8V로 메모리를 구동하기 위해 이차적인 벅 채널이 필요하다.

배터리 구동 휴대기기에는 친환경 전력 또한 필요

‘환경 보호’는 지난 한 해 가장 뜨거운 화제의 중심이었으며 이러한 경향은 올해도 지속될 것이다. 이러한 추세에 따라서 많은 업체와 전력 관리 및 변환 IC 제품이 넓은 부하 범위에 걸쳐서 전력 효율을 향상시키는 것에 있어서 많은 발전을 이루었다.
뿐만 아니라 대부분의 산업화 국가들은 제품을 AC전원 소켓에 꽂거나 배터리 구동으로 작동하건 간에 에너지를 절약해야 할 필요성을 잘 인식하고 있다. 이것은 한 국가의 인구가 증가하면 새로운 가구에 냉난방 시스템, 조명, 전기 기기 등을 구동하기 위해서 에너지 수요도 그만큼 늘어나기 때문이다. 새로운 발전 설비를 건설하기 위해서뿐만 아니라 일단 이렇게 발전된 전력을 사용자에게 공급하기 위해서 많은 비용이 소요된다. 새로운 발전 설비를 건설하는 것보다 대부분의 전기기기의 현재의 에너지 소비를 15%~20% 줄이는 것이 경제적으로 더 효과적인 것으로 밝혀지고 있다.
배터리로 구동되는 휴대기기 제품 역시 마찬가지의 개념을 적용할 수 있다. 하지만 다중 AA 또는 AAA 폼팩터 배터리의 경우에는 이의 유해한 화학 물질 때문에 이들 배터리의 폐기 문제가 환경에 부정적인 영향을 미치는 요인이다. 어떠한 방법으로든 최종 제품 내에서 가용 수명을 연장할 수 있다면 교체 빈도를 최소화하고 그럼으로써 재생해야 하는 유해 오염물질의 양을 줄일 수 있을 것이다.
새로운 발전 설비나 유해 물질 재생 설비를 건설하는 데 따르는 높은 비용 때문에 많은 국가들이 친환경 정책을 채택하고 업체들이 그들의 최종 제품에 에너지 절약 기법을 채택하도록 장려하고 있다. 그러므로 어떠한 유형의 에너지 절약 기기에 이용하고자 하는 전력 관리 및 변환 IC를 위해서는 내부적으로 이용되는 DC/DC 컨버터가 두 가지 중요한 특성을 갖추어야 한다. 첫째, 이들 컨버터는 넓은 부하 전류 범위에 걸쳐서 매우 높은 변환 효율을 제공해야 한다. 둘째, 대기 모드 및 셧다운 모드 시에 매우 낮은 정지 전류를 달성해야 한다. 이에 따라서 많은 유형의 배터리 구동 휴대기기 제품들이 이러한 특성을 모두 갖춘 전력 관리 및 변환 제품을 채택하고 있다.

휴대기기 용의 새로운 친환경 변환 제품

LTC3101은 배터리 구동 및 배터리 백업 애플리케이션을 위한 다기능의 컴팩트한 전력 관리 솔루션의 최신 PMIC 제품군이다. 마이크로전력 LTC3101은 소형의 로우프로파일 4mm x 4mm QFN-24 패키지로 저손실 PowerPath 컨트롤러, 3개 고효율 동기 스위칭 레귤레이터(1개 벅-부스트 및 2개 벅), 전류 제한 200mA VMAX 출력(그보다 높은 전압의 입력 전원 추종), 보호형 100mA Hot Swap 출력, 푸쉬버튼 On/Off 제어, 프로그래머블 프로세서 리셋 발생기, 올웨이즈온(always-on) LDO를 모두 통합하였다.
LTC3101은 1.8V~5.5V의 넓은 입력 동작 범위를 특징으로 하며, 니켈, 리튬, 알카라인 소재의 2개 또는 3개 AA 또는 AAA 폼팩터 배터리 셀, 표준 1셀 리튬이온/폴리머 각형 배터리, USB 또는 5V AC 어댑터 입력 전원과 호환 가능하다. 뿐만 아니라 이 디바이스의 저손실 PowerPath 제어가 이러한 다중의 입력 소스 사이에 전력 플로우를 매끄럽게 자동으로 관리한다. ‘always-alive’ VMAX 및 LDO 출력은 중요 기능이나 추가적인 외부 레귤레이터를 위한 전력을 공급한다. 내부 시퀀싱 및 독립적인 작동 핀은 유연한 파워업 옵션을 제공한다.
LTC3101의 벅-부스트 레귤레이터는 3V 이상의 입력 전압을 위해 연속적으로 최고 800mA를 공급할 수 있으며 전체적인 1.8V~5.5V 입력 전압 범위에 걸쳐서 3.0V 또는 3.3V 출력을 효율적으로 조정하기에 적합하다. LTC3101의 2개 벅 레귤레이터는 100% 듀티 사이클 동작을 특징으로 하고, 각기 350mA의 출력 전류를 제공할 수 있으며 출력 전압을 최저 0.6V로 조정할 수 있다. LTC3101의 낮은 RDS(ON) 내부 스위치는 최대 95%의 벅-부스트 효율 및 93%의 벅 레귤레이터 효율을 가능하게 하므로 배터리 사용 시간을 극대화한다(그림 1참조).
또한 버스트 모드(Burst Mode) 동작에 의해서 총 IC 정지 전류가 모든 레귤레이터가 작동 상태일 때 38μA 및 대기 모드 시에 LDO 및 VMAX 출력이 작동 상태일 때 15μA로 경량 부하 시의 효율을 최적화한다. 높은 1.27MHz 스위칭 주파수를 이용함으로써 높이가 1mm 이하인 소형 저가형 커패시터 및 인덕터를 이용할 수 있다. 또한 모든 레귤레이터가 세라믹 출력 커패시터를 이용해서 안정적이므로 매우 낮은 출력 전압 리플을 달성한다. 그림 2는 LTC3101의 상세한 회로도를 볼 수 있다.
PowerPath 제어는 다중 입력 소스를 이용할 수 있는 휴대기기 제품에 이용되는 PMIC를 위해 중요한 기능이다. 이 자동 부하 우선순위 기능은 USB 포트, AC 어댑터, 배터리 등과 같은 다중의 입력 소스 사이에 전력 플로우를 자율적으로 원활하게 관리할 수 있도록 하며 어떤 경우에는(리니어 또는 스위치모드 유형) 부하 구동을 제어할 수 있다. ‘저손실’ 스위칭 PowerPath 제어는 부하에 대한 전력을 제어하지 않으나 전통적인 PMIC 제어 기법에 비해 많은 이점을 제공한다.
LTC3101은 2xAA 또는 AAA 셀 등의 배터리나 USB/AC 어댑터 전원 입력의 2개 입력 소스의 하나로 IC로 입력 전력이 공급되며 전력 경로가 자동으로 선택된다. 어느 한 입력 전압 소스로부터 고효율 스위칭 레귤레이터를 이용해서 출력 레일이 생성된다. 벅 레귤레이터는 통상적인 2개가 아니라 3개의 스위칭 FET를 이용한다. 이의 이점은 입력에서 직렬 전력 스티어링 소자(벅 레귤레이터 또는 리니어 레귤레이터)를 제거할 수 있으므로 효율을 향상시키고 열 발생을 감소시킨다는 점이다. 기본적으로 이는 제로 손실 또는 저손실 스위칭 PowerPath 제어이다.
휴대형 계량기나 의료 진단 장비 등과 같은 휴대형 장비는 많은 양의 데이터 프로세싱을 처리해야 하므로 3개 혹은 4개 AA 셀로 구동되는 것이 흔하다. 이를 위해서 리니어 테크놀로지는 최근에 2.4V~7V의 확장적인 입력 전압 범위로 조정 고정 출력으로 최고 500mA의 출력 전류를 공급할 수 있는 동기 벅-부스트 컨버터로 LTC3534를 출시하였다. 리니어 테크놀로지의 모든 단일 인덕터 벅-부스트 컨버터와 마찬가지로 입력이 출력보다 높거나, 낮거나, 동일할 수 있다. LTC3534에 채택된 토폴로지는 모든 동작 모드로 연속적 전도 모드를 제공하므로 배터리 전압이 출력보다 낮게 떨어질 때라도 일정한 출력 전압을 유지해야 하는 3개 혹은 4개 셀 알카라인/NiCad/NiMH 애플리케이션에 이용하기에 적합하다.
입력 전압 범위가 3.6V~6.4V이고 고정적 5V 출력을 구동하는 4개 셀 알카라인(AA 또는 AAA) 애플리케이션이라고 하자. 많은 경우에 LTC3534를 이용함으로써 좀더 전통적인 SEPIC 기법에 비해서 최대 25%의 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있다. LTC3534의 고정적 1MHz 스위칭 주파수는 낮은 출력 잡음을 달성하고 외부 부품의 크기를 최소화한다. 이와 같은 소형 외부 부품에다 3mm x 5mm DFN(또는 SSOP-16) 패키지를 결합함으로써 소형의 솔루션 풋프린트를 달성하므로 많은 휴대기기 제품에 이상적이다. 아래는 애플리케이션 회로도이다.
LTC3534는 2개 N채널 및 2개 P채널 MOSFET(각각 215mΩ 및 260mΩ)을 이용해서 최대 94% 효율을 달성한다. 버스트 모드 동작은 25μA의 정지 전류만을 필요로 하며 셧다운 전류는 1μA 미만이므로 배터리 사용 시간을 연장한다. 애플리케이션이 잡음에 민감하다면 PWM 핀을 강제 연속 동작을 제공하도록 구성해서 잡음과 가능한 RF 간섭을 줄일 수 있다. 기타 기능으로 소프트 스타트, 전류 제한, 열 셧다운, 출력 차단을 포함한다.

결론

AC 전원 콘센트에 꽂아서 사용할 때는 Energy Star 효율 인증을 취득하기 위해서 최종 제품에 사용되는 PMIC가 어떤 기능과 특징을 갖추어야 할지 명확하게 알 수 있다. 하지만 기기가 배터리 구동 휴대기기일 때는 그처럼 명확하지 않다. 그렇기는 하나 다중의 AA 또는 AAA 폼팩터 셀을 이용하는 휴대기기 제품을 겨냥해서 최근에 출시되는 전력 관리 및 변환 제품은 제품이 친환경 자격을 갖출 수 있도록 하는 기능과 성능 상의 이점들을 제공한다.