[테크월드=선연수 기자] 오늘날의 새롭고도 복잡한 비즈니스 모델들은 사내 데이터센터의 필요성을 없앰으로써, 효율성을 개선하고 자본 지출(CAPEX)과 운영 지출(OPEX)을 줄이기 위해 클라우드 기반 플랫폼을 채택하고 있다.
클라우드 스토리지와 클라우드 기반 서비스의 채택은 메가트렌드로 꼽히고 있으며, 대기업뿐 아니라 중소기업에서도 인기를 얻고 있다. 이런 트렌드는 성능, 신뢰성, 사이버 보안, 데이터 보안상의 이유로 사내 데이터 센터를 유지해야 하는 일부 업체들을 제외하고는 대부분의 업체들에게 있어 유지될 것이다.
클라우드 시장, 높아지는 과전류 보호 요건
클라우드 스토리지 시장 규모는 2022년까지 연평균 23.7%씩 성장해 889억 1000만 달러에 이를 것으로 전망된다. 한 조사에 따르면, 데이터센터와 클라우드 기반 스토리지는 오늘날 생성되는 전체 에너지의 약 3%를 소비하고 있으며, 클라우드 스토리지와 데이터센터에 대한 수요가 급속도로 증가함에 따라 가까운 미래에는 에너지 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다.
데이터 센터 설계자들은 에너지 사용으로 인한 환경적인 영향과 수백만 달러의 운영비용을 절감하기 위해, 사이즈를 축소 또는 유지하고, 고급 전력 분배·관리 솔루션을 적용하면서 에너지 효율을 향상시켜야 한다는 과제를 안고 있다. 이 분야에서는 가장 작은 부분의 효율 향상도 에너지·비용 절감에 있어 큰 효과를 낼 수 있다.
이때 중요한 것은 PUE(Power Usage Effectiveness) 비율을 줄이는 것이다. 이를 위해 더 높은 효율성, 정확성, 신뢰성을 얻기 위한 기술이 필요하다. 이는 PDU(Power Distribution Systems), 버스웨이, UPS(Uninterruptable Power Supplies)와 이들에 대한 보호 회로에도 적용된다.
데이터센터와 클라우드 기반 시스템의 전력 밀도가 계속 높아지면서, 과전류 보호에 대한 요건은 그 어느때보다도 까다로워졌으며, 모든 보호 고려사항 중 중요한 요소가 됐다. 더 나은 정확성, 신뢰성, 안전성(예를 들면 IEC 62368 표준 충족)과 고급진단을 통한 빠른 응답 시간에 대한 요구가 더 보편화되고 있다. 기존 퓨즈는 느린 응답과 진단, 고장에 대한 보고가 없기에 이런 요구사항에 대응할 수 없었다.
eFuse를 활용한 PUE 비율 개선
eFuse의 사양과 성능을 용해 퓨즈(Melting fuse)와 PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficient) 리셋테이블 퓨즈와 같은 기존 퓨즈들과 비교한 결과, eFuse는 매우 낮은 응답 시간과 돌입 전류 제어를 바탕으로 쇼트 서킷이 발생할 때 전류 스파이크를 크게 줄이는 것으로 나타났다[그림 1].
이런 이유와 함께 지난 몇 년간 등장한 신기술로 인해, 설계자들은 가능한 기존 퓨즈를 외부 FET를 포함한 핫 스왑 컨트롤러나 eFuse로 대체하기 위해 노력해왔다. eFuse는 컨트롤러, 과전압, 과전류-배터리 측 단락, 열 보호 등 내장형 보호 기능과 전원 공급 장치, 전류 모니터링의 고장·활성화와 같은 진단 기능을 갖춘 파워 MOSFET로 구성된다[그림 2]. 반면, 핫 스왑 컨트롤러는 통합된 FET 대신 외부 FET를 사용하며 비교적 더 높은 전류 애플리케이션에 사용된다.
두 기술의 주요 차이점은 eFuse가 내장 MOSFET 다이 온도와 전류를 실시간으로 추적하고, 수정 작업은 매우 신속하게 수행할 수 있다는 점이다. 그럼에도 불구하고 메인 MOSFET을 스케일업해 전류를 스케일업할 수 있는 핫 스왑 컨트롤러는 100A를 초과하는 고전류 애플리케이션에서 여전히 널리 쓰일 것으로 보인다[그림 3]. 그러나 1A에서 50A까지(Rds(on), 패키지·경계 조건에 따라 다름)의 연속 전류 전달 능력을 갖춘 eFuse는 서버·클라우드 스토리지 애플리케이션에서 널리 쓰일 것으로 예상된다.
eFuse는 스토리지 디바이스로 활용되는 엔터프라이즈 HDD와 SSD, 스토리지 시스템의 백플레인 보호, 서버·플러그형 팬을 포함한 다양한 클라우드 애플리케이션에서 사용된다[그림 4]. 이때 각 애플리케이션은 서로 다른 문제를 유발한다. 유도 부하와 용량성 부하를 주행하는 동안 발생하는 전기적 스트레스, 핫 플러그, 쇼트 서킷으로 인한 스트레스는 SOA(Safe Operating Area) 내에서 작동을 보장하기 힘들며, 엄격한 에너지 효율 요건을 충족시키는 데 어려움이 있다. 일부 주요 애플리케이션과 이들이 당면한 과제를 하나씩 소개한다.
모든 애플리케이션에 대한 빠르고 정확한 과전류 보호
용융 퓨즈, PPTC와 같은 기존 솔루션은 매우 낮은 허용 오차를 가지며, 쇼트 서킷 현상 유형에 따라 반응 시간과 트립까지 걸리는 시간이 수백 밀리초에서 심지어는 몇 초까지 다양하다. 대부분의 eFuse는 프로그래밍된 전류 한계값을 기준으로 몇 마이크로초(<5µs) 이내에 쇼트 서킷 현상에 반응한다. 또한, 다이 온도가 열 차단 임계값을 초과할 때까지 프로그래밍된 값으로 전류를 유지한다.
핫 플러그형 팬과 스토리지 시스템
이런 애플리케이션과 관련된 모터나 대형 출력 커패시터로 인해, 시동 중에 큰 돌입 전류가 발생할 것을 예상할 수 있다. 그러나 출력에서 제어·프로그래밍할 수 있는 슬루 레이트를 가진 eFuse는 큰 돌입 전류를 줄이고 시스템을 보호한다. 특히 팬의 경우, eFuse의 사용 여부가 돌입 전류에 큰 차이를 준다. eFuse를 사용할 경우 돌입 전류는 크게 줄어들고 하부 회로가 보호받는다.
전원 공급 장치에 대한 과전압 보호
전원 공급 장치가 고장나거나 과전류 보호 입력장치에 연결된 DC-DC 컨버터가 고장남으로 인해, 과전압 스트레스가 고전압 정격이 아닌 모든 하부 회로들에 가해질 수 있다. 다행히 eFuse에는 입력 전압이 동작 전압보다 훨씬 높더라도 디바이스의 출력을 안전 전압 레벨로 고정시키는 과전압 보호 기능이 내장돼 있다.
하부 회로는 이런 방식으로 과전압 스트레스로부터 보호된다. 많은 경우 보호되는 회로들은 과전압 스트레스에 대해 매우 낮은 내성을 갖고 있다. 따라서 과전압 보호는 신뢰성이 높아야 할 뿐만 아니라 응답 속도가 매우 빨라야 한다. eFuse의 경우 감지한 뒤 내부 클램프를 활성화하는데까지 걸리는 시간을 약 <5µs로 할 수 있다.
온세미컨덕터는 1A부터 12A까지의 연속전류를 지원하는 3~12V의 광범위한 eFuse를 개발해냈다. 신제품들은 12V eFuse 제품군인 NIS5232, NIS5820, NIS5020, NIS5021로 각각 4A, 8A, 10A, 12A를 지원한다. 이는 과전류, 과열, 과전압, 돌입 전류에 대한 보호와 함께 GPIO(General-purpose Input/Output)를 통해 결함보고를 하고 출력을 비활성화할 수 있는 기능이 요구되는 분야에 적합하다.
결론
전력 사용 효율성(PUE) 비율 개선에 대해 높아지는 압력, 데이터 센터와 클라우드 서버의 전력 밀도 증가, 안전 표준 채택으로 인한 과전류 보호 디바이스에 대한 요구사항은 더 복잡해지고 있다. 이런 상황 속에서 높은 정확도, 빠른 반응 시간, 신뢰성, 결함보고 기능, 진단 기능을 갖춘 eFuse는 클라우드 애플리케이션뿐만 아니라 산업, 자동차, 통신 장비의 과전류 보호 문제 해결에 유용할 것이다.
글: 프라밋 낸디(Pramit Nandy) 제품 마케팅 매니저,
수다마 샤스트리(Sudhama Shastri) 제품 마케팅 디렉터
자료제공: 온세미컨덕터
그래도 삭제하시겠습니까?