전력전자 산업에서 몇 가지 변화들이 수렴되면서 문제가 점점 더 커지고 있다. 전력시스템의 복잡도 및 성능 요건은 계속해서 증가하고 있으며, 타임투마켓 압력은 한층 심화되고 있다. 이와 동시에 산업 내에서 능숙한 전력 시스템 설계자의 수는 차츰 줄어들고 있다.
지난 20여년 동안 대학들은 디지털 설계에 숙련된 졸업생들을 대량으로 찍어냈지만, 이들 졸업자들 중 극소수만이 복잡한 아날로그 설계를 할 수 있다. 이러한 요소들이 결합하여 전력전자 분야에서 ‘경험 격차’를 형성하고 있다. 이러한 격차 때문에 많은 시스템들은 출시가 지연되고 있을 뿐만 아니라 열악하게 설계된 전력 시스템을 포함하고 있다.
최신 휴대형 전자 제품의 설계자들은 전례가 없는 기술적 과제들에 직면하고 있다. 그 중에서도 증가하는 시스템 복잡도와 상대적으로 높은 전력 예산을 수용하기 위한 고성능 전력 시스템에 대한 요구를 들 수 있다. 이러한 시스템들은 배터리 동작시간 연장, 다양한 전원과의 호환성, 높은 전력 밀도, 크기 소형화, 효율적인 열 관리 등과 같은 상충하는 목표들 사이에서 최적의 균형을 추구한다.
새로운 리튬-기반 배터리 기술은 에너지 밀도 측면에서 잇점들이 증가하도록 보장하지만, 이제 이러한 이점은 상대적으로 낮은 충전(부동) 전압, 열 레귤레이션, 온도 인증 충전 등과 같은 충전 전략들을 추구하는 안전성 관련 문제들이 증가함에 따라 상쇄되고 있다. 새로운 배터리 화학기술은 동작시간을 연장시킬 수 있지만, 전압 방전 프로파일은 3V 이하의 배터리 전압에서도 많은 에너지를 제공할 수 있도록 확장된다. 이러한 특성은 관련 전력 변환 시스템에 영향을 미치게 되며, 3V정도의 낮은 출력을 생성하기 위해서 동기식 벅-부스트 레귤레이터가 필요하게 된다.
보다 높은 전력 시스템이 필요한 이유는 대부분 최신 첨단 휴대형 제품에서 요구되는 연산 성능의 증가 때문이다. 이와 동시에 전력공급 레일의 수 역시 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 경향으로 인해 크기 및 효율성 목표를 충족시키고 열을 제한하기 위해서 다중출력 스위칭 레귤레이터 솔루션의 사용하는 사례가 증가하고 있다. 뿐만 아니라, 넓은 범위의 부하 전류에 대해 높은 효율성과 낮은 대기(정지) 전류를 특징으로 하는 DC/DC 컨버터 가 배터리 동작시간을 관리하는 데 있어서 필수사항이 되었다.
기술적 과제
휴대형 배터리-전원 제품의 시스템 설계자들이 현재 직면하고 있는 가장 어려운 문제는 전체 성능을 최적화하면서 배터리 동작시간을 최대화시킬 수 있도록 전력관리 시스템을 설계할 수 있는 최선의 방법을 찾는 것이다. 최근까지 휴대형 전력 시스템의 설계자들은 이러한 기술적 과제들을 해결하기 위해서 2가지 기본적인 접근법들을 이용해 왔다.
한 가지 방법은 단일 기능을 위해 각각 최적화된 독립적인 컴포넌트들을 사용하여 시스템을 설계하는 것이다. 이 접근법은 각 기능에 대해 적당한 수준의 성능을 달성하면서 설계, 레이아웃, 열관리 등에서 최대의 유연성을 제공한다. 하지만, 이 방법은 주요한 단점을 가지고 있는 데 상대적으로 비용이 상당히 높고 이러한 컴포넌트들은 증가하는 기능 요건들을 처리하기 위해서 상당한 보드 공간을 필요로 하다는 것이다.
다른 한 가지 방법은 설계자들이 다양한 초고집적도의 PMIC(power management IC) 중에서 선택하는 것이다. 이들 디바이스들은 일반적으로 대부분의 애플리케이션에서 필요한 기능 상위집합을 지원하며, 터치스크린 컨트롤러, 오디오 CODEC 등과 같이 관련이 없는 혼합 신호 기능들과 함께 스위칭 DC/DC 컨트롤러, 모노리식 스위처, 많은 수의 LDO 등의 통제가 힘든 조합을 포함하고 있다. 결과적으로 사용이 번거로울 수도 있으며, 단지 온 상태로 변환시키는 데에도 펌웨어에 상당한 시간투자가 필요할 수도 있다. 이들 제품들은 성능보다 집적도를 선호하는 경향이 있으며, 일반적으로 제품 내부의 단일 ‘열점(hot spot)’에 열을 집중시킴으로써 열 관리를 복잡하게 만든다. 역설적이게도 이러한 고집적 솔루션들은 또한 상대적으로 큰 보드 공간을 필요로 한다. 그 이유는 이들 제품이 크고 핀수가 높은 패키지에 하우징되고, 모든 관련 외부 컴포넌트(MOSFET, 인덕터, 다이오드, 다양한 수동부품)들뿐만 아니라 PMIC에서부터 시스템의 다양한 부하까지 필요한 모든 라우팅을 수렴할 수 있도록 보드 레이아웃이 과대해지기 때문이다.
솔루션
리니어 테크놀로지는 휴대형 전력관리 애플리케이션을 위해 제공하는 제품에 있어서 많은 강점들을 확보하고 있다. 이러한 강점으로는 높은 스위칭 주파수(최대 8MHz), 열 문제를 최소화할 수 있는 고효율 변환, 경부하 조건에서의 높은 효율, 대기 모드에서 매우 낮은 대기 전류(최소 9μA), 통합 MOSFET, 쇼트키 다이오드 등을 포함하는 높은 수준의 집적도 등을 들 수 있다.
뿐만 아니라, 리니어 테크놀로지는 성능 손상과 이러한 방법에서 나타날 수 있는 모든 복잡도 요소의 증가 없이 의미 있는 수준의 집적도를 제공하는 새로운 PMIC 제품군을 최근에 출시했다. 이들 제품들은 USB OTG와 같이 실행이 어려운 ‘성능 중심’ 기능, 차량-호환 전력 경로 제어, 자동 배터리 충전, 고효율 모노리식 DC/DC 전력 변환 등과 같이 휴대형 디바이스의 성패를 좌우할 수 있는 기능을 제공한다. 다른 기능들로는 높은 충전 전류, 높은 스위칭 주파수, 독립 I/O 또는 I2C 제어 등이 있다. 제품군은 전통적인 PMIC의 보드공간의 일부만을 사용하는, 즉 단지 9mm2에서 20mm2에 불과한 패키지들로 제공되며, 최소한의 외부 컴포넌트만을 필요로 하며, 탄탈륨 커패시터를 사용하지 않는다.
동기식 스텝-다운 컨버터는 변환 효율 증가로 인해 전통적인 리니어 레귤레이터 대비 배터리 동작시간이 대폭 개선되었다. 이러한 컨버터들은 90%에서 95%의 효율을 제공하며, 사실상 히트싱크가 필요하지 않다. 이러한 상대적으로 높은 효율은 각 채널에 대해 추가되는 인덕터를 위한 추가 회로 보드 공간의 비용으로부터 발생하며, 따라서 전체 솔루션의 풋프린트를 최소한으로 유지하는 것이 가장 중요하다. 동기식 스텝-다운 솔루션에서 복수의 채널을 통합함으로써 모두 단일 입력 커패시터로부터 전원을 공급 받아 동작하여 솔루션 풋프린트를 최소한으로 유지할 수 있다. 리니어 테크놀로지는 최근에 초소형 고효율 솔루션으로 제공되는 멀티-출력 동기식 벅 레귤레이터 제품군을 출시했다. 예로서 단일 셀 리튬-이온 배터리(VBATT는 4.2V에서 시작하여 2.7V까지 낮아 질 수 있다.)를 사용하면서 1.2V, 1.5V, 1.8V, 그리고 DSP 코어와 I/O 및 메모리 전력을 위한 0.8V 레일을 필요로 하는 애플리케이션을 고려해 보자. 단일 LTC3544는 4개의 단일 출력 동기식 벅 컨버터가 필요로 하는 솔루션 풋프린트의 1/3미만에 불과한 단일 3mm x 3mm QFN 패키지에서 단일 입력 커패시터와 함께 이러한 모든 전압 요건들을 수용할 수 있으며, 대기 정지 전류는 단지 70μA에 불과하다.
다른 예를 들면, UMPC(ultra-mobile PC)에 일반적으로 사용되는 마이크로프로세서는 복수의 저전압 레일을 가지고 있으며, 턴온 및 셧타운 시에 올바르게 전원이 공급되어야만 한다. 이 레일들은 일반적으로 CPU 코어 전압, I/O, 몇 가지 메모리 등으로 구성된다. 뿐만 아니라, CPU 코어 전압은 요구되는 처리 성능 수준에 따라 달라질 수 있기 때문에 전력소모 최적화를 위해 전력공급을 동적으로 조정해야 한다.
리니어 테크놀로지의 LTC3562는 쿼드 채널 고효율 2.25MHz 동기식 벅 레귤레이터로 3mm x 3mm QFN 패키지에서 듀얼 600mA 및 듀얼 400mA 연속 출력을 제공할 수 있다. 각 채널이 온보드 I2C 인터페이스(2개의 채널은 I2C를 통해, 2개의 채널은 RUN 핀을 통해)를 통해 독립적으로 제어될 수 있기(출력 전압 포함) 때문에 마이크로프로세서와 같이 동적인 출력 전압 변화를 필요로 하는 애플리케이션에 이상적이다. 뿐만 아니라, 대기 정지 전류가 100μA에 불과하기 때문에 배터리 동작시간을 연장시킬 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 넓은 부하 범위에 대한 낮은 IC 정지 및 동작 전류는 높은 스위칭 레귤레이터 변환 효율과 결합하여 휴대형 전자장치의 배터리 동작시간을 보존할 수 있도록 해준다. PowerPathTM 제어 기능, 초저 정지 및 대기 전류, 최상의 통합 프로그래머블 동기식 벅 스위칭 레귤레이터 등을 포함하고 있는 리니어 테크놀로지의 PMIC는 이러한 설계 기술과제를 간편하게 해결해준다.
이 제품군에서 최근에 출시된 제품은 휴대형 리튬이온/폴리머 배터리-기반 애플리케이션을 위한 LTC3554 마이크로파워 다기능 PMIC 솔루션이다. LTC3554는 USB-호환 리니어 PowerPathTM 관리자, 독립형 배터리 충전기, 2개의 고효율 동기식 벅 레귤레이터, 푸쉬버튼 제어 기능 등을 초박형(0.55mm) 3mm x 3mm QFN 패키지에 통합하고 있다. 핀-선택 가능한 대기 모드를 통해 모든 출력이 켜진 상태에서도 배터리 드레인 전류를 단지10uA까지 낮춰준다. LTC3554은 PND(personal navigation device), 소형 피트니스 휴대형 전자 기기, 미디어 플레이어, 휴대형 의료 및 산업 기기 등과 같은 저전력 휴대형 기기 애플리케이션에 적합하다.
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자동 부하 우선처리 기능을 가진 LTC3554의 Power-Path 관리자는 부하에 전력을 공급하기 위해서 복수의 입력 소스 사이에서의 전환을 완벽하게 관리하면서, 최대 400mA의 배터리 충전 전류를 USB 포트 또는 5V AC 어댑터 공급으로부터 제공한다. 입력 전류 제한 기능은 핀-선택 및 내부 설정이 가능하다(외부 레지스터 불필요). LTC3554는 최대 5.5V의 입력과 호환된다(강건성 추가를 위한 7V 절대 최대 과도전류). 디바이스의 ‘인스턴트-온’ 동작은 배터리 완전 방전 시에도 시스템 부하 전력을 보장한다. 자동 동작은 설계를 단순화시켜 충전 단말을 위한 외부 마이크로프로세서에 대한 요구를 제거한다. 내부 240mΩ 아이디얼 다이오드는 입력 전류가 제한되거나 제공되지 않을 경우에 부하에 저손실 전력 경로를 제공한다. NTC 기능이 온도-인증 충전을 위해 탑재되었다(그림 1참조).
LTC3554의 2개의 통합 동기식 벅 레귤레이터는 100% 듀티 사이클 동작을 특징으로 하며, 0.8V 이하로 조정 가능한 출력 전압으로 각각 200mA의 출력 전류를 제공할 수 있다. 유연성을 위해 레귤레이터들을 독립적으로 활성/비활성화시킬 수 있다. 오실레이터 주파수와 상응하는 특허등록 슬루율 회로는 핀-선택 가능하기(1.125MHz 또는 2.25MHz) 때문에 애플리케이션 회로가 효율과 EMI 성능을 동적으로 절충할 수 있다. 높은 스위칭 주파수를 통해 초저가 커패시터와 높이 1mm 이하의 인덕터를 사용할 수 있다. 낮은 내부 RDS(ON) 스위치는 최대 95%의 효율을 제공할 뿐만 아니라 배터리 동작시간을 극대화시킬 수 있다. 뿐만 아니라, Burst Mode짋 동작은 레귤레이터 당 단지 25μA의 정지 정류(셧다운 시 <1μA)를 통해 경부하 조건에서 효율을 최적화시킨다. 뿐만 아니라, 레귤레이터는 세라믹 출력 커패시터를 통해 안정화될 수 있기 때문에 매우 낮은 출력 전압 리플을 달성한다. 통합 푸쉬버튼 컨트롤러는 벅 레귤레이터 시퀀싱과 하드웨어 리셋상태에서 초저 전류 (<1μA)를 소모하여 배터리 동작시간을 절감하여 준다.
결론적으로 위에서 설명한 모든 제품들은 휴대형 전력 시스템 설계자들이 직면하고 있는 가장 어려운 전력관리 기술과제에 대해 청정하고 콤팩트한 솔루션을 제공한다.
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기자 : 뉴스관리자 기자 
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