디지털 파워 IC, 어떻게 선택하는가
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디지털 파워 IC, 어떻게 선택하는가
  • 김혜진 기자
  • 승인 2015.07.08 11:59
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디지털 파워는 그 형태와 특징에 관계없이 엔지니어가 기술에 점점 더 익숙해지고 수많은 장점을 깨달아 갈수록 가속도가 붙는다. 파워 시스템과 전원 공급 장치의 설계자는 디지털 파워의 채택이 근본적으로 새로운 설계 관습으로의 혁신적인 전환일 필요는 없다는 것을 알고 있다. 설계자는 현재 이용 가능한 디지털 파워 디바이스의 종류와 범위 덕분에 특정 설계 프로젝트에 맞는 적절한 속도로 그것이 가진 이점의 상당부분을 활용할 수 있다. 그 이점들은 매우 유용하고 풍부하다.

데이브 프리먼(Dave Freeman) / 고전압 파워 솔루션 CTO

페리 리스카(Peggy Liska) / 디지털 파워&솔라 마케팅, C2000 마이크로컨트롤러

마크 Ng(Mark Ng) / 고전원 컨트롤러 솔루션 마케팅, UCD3138 디지털 파워 컨트롤러

조지 라카스(George Lakkas) / 라인 파워 솔루션, 전력 관리

짐 버드(Jim Bird) / 보호 회로, 리니어 파워

텍사스 인스트루먼트 / www.ti.com

디지털 파워의 개요

크기와 비용

디지털 파워는 혼합 신호 프로세스 개발이 진화한 결과물을 활용한 것이다. 혼합 신호 프로세스는 디지털 회로와 아날로그 회로를 둘 다 수용하고 있다. 디지털 회로는 마이크로프로세서부터 스테이트 머신, 통신 주변장치, 심플 로직까지 다양하다.

메모리 역시 이 구획에 포함된다. 아날로그 회로에는 Op 앰프와 비교기(Comparator), ADC(analog-to-digital converters), DAC (digital-to-analog converters), PWM (pulse-width modulator) 제너레이터, 레퍼런스 등을 넣을 수 있다.

이 프로세스 기술을 활용하면 디바이스가 아날로그 회로와 디지털 회로를 적정 분배하면서 하나의 칩에 이 모두를 집적시킬 수 있게 된다. 이렇게 하면 디바이스의 수가 줄어들고 인쇄회로기판의 설계가 단순해진다.

BOM(bill of materials)과 디바이스 개수가 줄어들면 시스템 비용도 함께 낮아지고 신뢰도는 상승하게 된다. 이 시스템에서 상호연결 된 컴포넌트들의 수가 줄어들기 때문이다. 하나의 컨트롤러가 여러 솔루션 역할을 할 수 있기 때문에 제조사가 추적, 비축해야 할 재고보유단위(stock keeping units, SKU)가 줄어들게 된다.

예를 들어, 다목적 마이크로컨트롤러(MCU)를 집적시키면 여러 가지 전력 관련 기능을 수행할 수 있게 되어 다른 별개 컨트롤러 칩이 필요 없어지게 된다.

집적된 MCU를 여러 가지 전력관리 기능으로, 예컨대 과전압, 미달전압, 과전류 등의 상태로 프로그래밍 할 수 있다. 디지털 MCU의 성능에 따라, 디지털 파워 디바이스에 여러 가지 전력 변환 기능을 넣어 프로그래밍할 수도 있다.

전력 변환 기능들에는 단순부터 복합까지의 토폴로지 지원, 어댑티브 루프 보정, 피크 전류 모드 컨트롤을 위한 슬로프 보정, 전류 공유, 온도 보정 등이 있다.

또 다른 예로, 역률 보정(power factor correction, PFC)을 제공하면서 외부 계측기 없이 1% 내로 정확한 전자계측 기능을 수행하는 것이 있다.

다양한 디지털 파워 디바이스가 제공됨에 따라, 설계자는 사용하지 않는 기능으로 인한 부담감 없이 자신의 용도에 가장 잘 맞는 기능을 선택할 수 있다.

파워 토폴로지 탄력성

디지털 기술에 내재된 탄력성으로 인해 집적 디지털 MCU나 구성식 스테이트 머신을 가진 디지털 파워 디바이스는 기존의 주요 파워 토폴로지 모두의 플랫폼 역할을 할 수 있고, 앞으로 등장할 모든 새롭고 정교한 토폴로지에서도 플랫폼 역할을 할 수 있다.

지원되는 토폴로지의 예로는 위상 이동 풀 브릿지, 멀티페이즈 인터리브드 PFC, 브릿지리스 PFC, 공진 LLC, 양방향 DC/DC, 양방향 DC/AC 및 PFC, 3상 인버터, MPPT(maximum power point tracking) DC/DC 등을 들 수 있다.

이러한 탄력성과 집적 주변장치로 인해, 디지털 디바이스는 고해상도 위상과 주파수, 듀티사이클 컨트롤 알고리즘을 이용해 정확한 파형 제어를 할 수 있다.

효율

고급 컨트롤 알고리즘은 디지털 파워 디바이스가 전원 공급 장치 및 시스템의 파워 효율을 향상시키고 공급 장치 및 호스트 시스템이 소모하는 전력을 줄일 수 있게 해준다. 그러면 데이터 센터나 스토리지 팜과 같은 여러 가지 애플리케이션의 운영비용에 극적인 영향을 미칠 수 있다.

적응형 디지털 컨트롤은 변화하는 라인 및 로드 상태에 맞춰 파워와 시스템의 효율을 최적화할 수 있다.

예컨대, 파워 스테이지의 컨트롤 방식을 실시간으로 변경하여 전력 전송의 효율을 높일 수도 있고, 경부하 조건이나 무부하 조건에서 전력 변환을 조정해 그 전력 소비를 줄일 수도 있다.

신뢰성과 안전

디지털 파워 디바이스가 다른 디지털 및 아날로그 컴포넌트와 쉽게 상호작용을 할 수 있다는 것은, 다시 말해, 시스템 레벨의 모니터링과 장애 대처로 호스트 시스템의 신뢰성과 안전을 효과적으로 강화할 수 있다는 뜻이다.

사실, 디지털 컨트롤러가 가진 프로그래밍성은 PMBus, I2C, SCI, SPI, CAN 등 다양한 버스들을 통한 멀티프로토콜 통신을 지원할 수 있어, 시스템이 파워 서브시스템과 쉽게 통신을 할 수 있다.

시스템 전체에 걸쳐 데이터를 모니터링 하고 기록하게 함으로써 디지털 파워 기술이 시스템의 진단에 기여하게 할 수 있고, 그러면 장애나 고장을 조기에 경고하여 시스템으로 하여금 적절한 조치를 취하게 할 수 있다.

WBC(Wide Band Gap) 호환성

WBG 디바이스의 신기능을 처리할 새 아날로그 컨트롤러의 개발을 기다리지 않고도 지금 바로 일부 디지털 파워 솔루션들을 이용해볼 수 있다.

사실상 모든 파워 토폴로지를 지원하면서 초고해상 타이밍 컨트롤로 제공할 수 있는 디지털 파워의 능력을 활용한다면, GaN(gallium nitride) 같은 새 디바이스를 더 높은 스위칭 주파수와 더 낮은 스위칭 손실, 더 높은 전력 밀도, 제로 역회복 등으로 고급 토폴로지에서 사용할 수 있다.

TI의 디지털 파워 혁신

텍사스 인스트루먼트의 디지털 파워 기술 포트폴리오는 현재까지 업계에서 가장 광범위한 포트폴리오이다. 다른 벤더들은 이 산업의 한 부문이나 몇 개 부문에만 특화된 디지털 파워 솔루션을 제공하는데 반해, TI가 보유한 다양한 디지털 파워 혁신들은 사실상 떠올릴 수 있는 모든 디자인 요건들을 충족할 수 있다.

대체로 디지털 파워 기술은 비교적 단순한 기능부터 가장 복잡한 전력관리 작업까지 다양한 영역에서 사용되고 있다. 디지털 파워 시장은 보통 네 가지 타입의 디바이스로 분류되며, 각 타입들은 저마다의 강점과 솔루션을 가지고 있다. 각 타입들은 다음과 같다:

•디지털 파워 컨트롤러

•디지털 인터페이스를 가진 아날로그 파워 레귤레이터

•디지털 파워 시퀀서

•디지털 핫스왑 컨트롤러

본 백서의 나머지 부분에서는 이 카테고리 각각에 대해 설명하고, TI의 디지털 파워 포트폴리오에 속해 있는 디바이스들 일부를 언급할 것이다.

디지털 파워 컨트롤러

디지털 파워 컨트롤러는 AC/DC부터 DC/AC 공급 장치, 절연 DC/DC, POL(point-of-load) 레귤레이터, 파워 컨디셔너, 필터 등등 여러 유형의 전원 공급 장치 출력들을 조절한다.

집적 MCU와 파워 고유의 주변장치 때문에, 디지털 파워 컨트롤러는 루프 보정을 실행하면서 동시에 피드백 루프도 관리하여 적절한 출력 조정이나 컨디셔닝을 유지하는데 필요한 계산 능력을 가지고 있으며 아울러 다른 시스템 레벨의 모니터링과 조절 작업도 수행할 수 있다.

이러한 디바이스에는 전력관리 애플리케이션에 최적화된 주변장치들이 장착돼 있다.

TI의 디지털 파워 컨트롤러는 이 산업 고유의 기능들을 여러 개 가지고 있다. 예를 들어, 고주파수 및 고해상 연산은 GaN 기술과의 양립을 가능하게 해주며, 스위칭 속도가 높고 전력 손실은 낮다.

또한 TI의 모든 디지털 파워 컨트롤러들은 과도응답 및 동적 성능이 매우 뛰어나다. 이러한 기능들은 다양한 기술을 통해 나온 것이다. 어떤 경우에는 극도로 빠른 인터럽트를 목적으로 디지털 파워 컨트롤러가 설계되기도 한다. 그러면 컨트롤 루프를 위해 응답을 샘플링하고 계산하는 중간의 레이턴시가 줄어든다.

또 어떤 경우에는 주변장치를 사용해 전용 ADC 및 계산 엔진을 집적시켜 컨트롤 루프에 빠른 응답을 제공하기도 한다. 이러한 빠른 응답 기능은 파워 스테이지 컴포넌트에서 변동이 미치는 영향을 컨트롤러가 줄일 수 있게 해준다.

TI의 디지털 파워 컨트롤러에 집적된 MCU의 프로그래머빌리티는 이 MCU를 온전히 구성할 수 있도록 해주고 복잡한 토폴로지들과 연산 모드들, 예컨대 양방향, 멀티페이즈 리오더링 및 얼라인먼트, 어댑티브 데드타임 컨트롤 등을 제어할 수 있도록 해준다.

또한 PMBus 등 다양한 버스들을 통해 시스템 레벨의 모니터링, 계측, 통신 등을 지원하도록 이러한 컨트롤러들을 구성할 수도 있다.

이렇게 하면, 온라인 진단 및 보고, 디자인 최적화를 위한 현장 전력 소비 데이터 수집, 디지털 인터페이스를 통해 새로운 파라미터들을 컨트롤러에 프로그래밍 하는 등 정교한 전력관리 프로세스가 가능해진다.

그 결과, 컨트롤 루프를 모니터링 하는데 여러 가지 다양한 기법들을 채택할 수 있게 된다. 사실, 외부 컴포넌트로 컨트롤 루프를 구현하는 일은 그 컨트롤러의 디지털 보정만으로 피해갈 수 있다.

그 컨트롤러가 수행하는 모니터링과 데이터 로깅 역시 조기 장애 경고의 바탕이 될 수 있고, 그러면 시스템이 그 장애의 영향을 줄이는 조치를 취할 수 있게 된다.

C2000 마이크로컨트롤러

디자인 탄력성과 개발 용이성 덕분에 TI의 C2000 MCU는 여러 애플리케이션에서 다수 파워시스템 설계 중 단연 으뜸으로 꼽히고 있다.

하이레벨 C의 완벽한 프로그래밍성과 쉽게 변경 가능한 구성 변수들 덕분에, C2000 MCU는 대다수 플랫폼 아키텍처들의 근간이 될 수 있고, 가장 선진적인 파워 토폴로지 같은 구체적인 디자인 사례들에 맞춰 쉽게 조절도 가능하다.

고도로 구성 가능한 PWM과 ADC의 조합을 통해 C2000 MCU는 가장 정교한 파워 컨트롤 기능도 지원할 수 있다. C에서 모듈러 소프트웨어 라이브러리를 이용할 수 있다는 점도 직관적인 시스템 레벨 애플리케이션 개발을 가속시킨다.

TI의 C2000 실시간 C28x 프로세싱 코어는 프로세싱 파워 속도를 200MHz까지 높여 가장 정교한 파워 시스템까지 지원할 수 있다.

메인 프로세싱 코어 외에도, C2000 MCU는 RISC 기반 CLA (control law accelerator) 실시간 코프로세서를 가지고 있다. 이것 역시 200MHz까지 속도를 높일 수 있다.

이 두 개의 뚜렷한 프로세싱 자원 덕분에 프로세싱 로드를 효과적으로 파티셔닝 할 수 있고, 그러면 CLA가 컨트롤 루프 프로세싱과 기타 실시간 작업을 떠맡아 메인 코어의 짐을 덜어 줄 수 있다. 그러면 메인 코어에서는 통신 프로토콜 프로세싱이나 추가 컨트롤 루프 컨트롤 같은 하우스키핑 프로세싱이 일어난다. 그 결과는 전체 파워 시스템 성능에서 매우 효과적이고 즉답적이다.

고속 고해상 PWM 12 쌍이 150 ps 해상도로 이루어져 있는 리소스에 의지할 경우, C2000 MCU는 높은 스위칭 주파수와 높은 수의 페이즈 또는 파워 레일을 구동하면서 설계의 크기를 줄일 수 있다.

집적된 고속 ADC는 4MSPS와 16bit 해상도까지 가능하다. 또한 C2000 MCU는 I2C, SCI, SPI, CAN, PMBus 등 잘 알려진 실시간 통신 프로토콜들도 지원한다.

정교한 컨트롤 아키텍처에 필요한 모든 리소스를 프로그래밍과 구성이 간편한 하나의 디바이스에 집적시키고 있는 C2000 MCU는 나머지 파워 시스템의 하드웨어 복잡도를 낮추면서 크기와 비용까지 낮추고 있다.

복수의 PWM 이벤트로 동기화된 고해상도 ADC 및 DAC는 여러 가지 컨트롤 구현을 가능하게 한다.

슬로프 보정 회로 등 온칩 기능은 피크 전류 모드와 기타 정교한 컨트롤 메커니즘들을 지원한다. 비교기와 복수 출처의 트리플존 입력 같은 몇몇 집적 리소스들은 파워 스테이지에 여러 가지 보호 기능들을 가능하게 해준다.

여기에는 과전압, 미달전압, 과전류 등의 보호도 포함된다. 복수의 온칩 클록은 클록 소스의 잉여성을 통해 파워 시스템의 신뢰성을 강화하는 잉여력을 제공한다.

사실 C2000 MCU는 삼중 클록 보호 체계와 더불어, 클록 장애가 감지되었을 때 백업 클록에 자동 스위칭을 지원하는 클록을 가지고 있다.

개발 툴

C2000 MCU를 디지털 파워 시스템으로 디자인하는 개발자들은 엄선된 광범위한 소프트웨어 및 하드웨어 툴들을 활용할 수 있으며, 디지털 파워 컴포넌트에 대한 경험이 적은 엔지니어들도 이를 통해 프로세스를 간소화할 수 있다.

또한 설계자들은 controlSUITE™ 소프트웨어 패키지의 일부인 TI의 powerSUITE 그래픽 소프트웨어 툴을 활용해 개발 프로젝트를 신속하게 완수할 수 있다.

PFC, AC/DC 정류, 절연 DC/DC/ DC/DC 벅 컨버터, DC/AC 인버터 애플리케이션 등을 겨냥해 모든 테스트를 거쳐 소프트웨어 모듈들을 갖춘 TI의 디지털 파워 라이브러리를 통해, 설계자는 powerSUITE의 애플리케이션 고유 소프트웨어 모듈 중 하나를 시스템의 특정 요건에 맞출 수 있다.

처음부터 새로운 시스템을 코딩하지 않아도 된다. powerSUITE 소프트웨어 주파수 응답 분석기(Software Frequency Response Analyzer, SFRA)는 설계의 주파수 응답 분석을 자동화하는 반면, powerSUITE Compensation Designer는 여러 가지 스타일의 보정기 개발로 폐쇄 루프 성능을 최적화할 수 있다.

또한 TI의 Code Composer Studio IDE(integrated development environment)는 그 밖에 필요한 모든 소프트웨어 개발을 지원한다.

애플리케이션 고유의 평가 모듈(EVM)과 개발 보드들 역시 프로토타입핑과 실험을 가속시킨다.

이 혁신적인 EVM의 예들 중 하나가 Digital Power BoosterPack이다. 이것은 C2000 Piccolo F28069 론치패드 개발 키드의 플러그인 도터카드이다. 이 부스터팩은 그림 1에서 알 수 있듯이 디지털 벅 컨버터와 툴을 가지고 있으며, 디지털 파워 컨트롤의 개념을 알리고 디지털 파워 컨트롤 서브시스템의 실제 설계를 단순화한 것이다.

애플리케이션

C2000 MCU가 제어하는 파워 시스템은 가장 복잡한 파워 애플리케이션에 맞춰 이와 같은 탄력성과 프로세싱 기능, 온칩 리소스들을 제공하고 있다.

▲ 그림 1. C2000 Piccolo F28069 론치패드 개발 키트를 위한 플러그인 도터카드, 디지털 파워 부스터팩

이러한 애플리케이션들에는 태양광을 위한 마이크로인버터, 스트링 인버터, 센트럴 인버터 등과 스마트 그리드를 위한 전력선 통신 모뎀, 전기하이브리드차 충전시스템을 위한 자동차 애플리케이션, LED 조명, 전력 컨디셔너, 액티브 파워 필터, UPS, 디지털 발전기 등이 있다.

사용 예제

서버 시스템은 C2000 MCU의 방대한 기능들이 애플리케이션의 효율과 효과를 어떻게 강화하는지 잘 보여주는 예이다.

서버 랙에 집적되는 C2000 MCU 기반 파워 시스템은 랙 안의 서버 모두에 대한 배전을 제어하면서 그 랙 안의 서버 각각의 동작을 면밀히 감시, 보고할 수 있다. 전체 서버 공급 온타임과 효율을 C2000 MCU를 이용해 개선할 수 있다.

파워 애플리케이션의 대표 C2000 마이크로컨트롤러

•C2000 Piccolo TMS320F28035 MCU

•C2000 Delfino™ TMS320F28335 MCU

•C2000 TMS320F2812 및 TMS320F2809 MCU

UCD3138 디지털 파워 컨트롤러

UCD3138 디지털 파워 컨트롤러는 전원 공급 장치 설계를 간소화 및 강화하고 설계 탄력성을 최대화하는 것을 목표로 하고 있다.

UCD3138 컨트롤러는 복수의 하드웨어 주변장치들로 구성되어 있고, 이들은 집적된 ARM 프로세서와 조화롭게 작동한다. 기존 MCU 기반 솔루션들이 빠르고 복잡한 계산으로 컨트롤 루프를 안정시켜야 했던 것과 달리, 이 UCD3138 프로세서는 컨트롤 루프 계산에 직접 관여하지 않는다. 대신, 한번 구성되고 나면 복수의 하드웨어 주변장치들이 자율적으로 움직이며 파워 컨버터를 제어한다.

이러한 기법은 시간이 무엇보다 중요한 다른 하우스키핑 작업과 통신 작업에 UCD3138 프로세서가 집중할 수 있도록 해준다. 필요할 경우 ARM 프로세서는 컨트롤 루프와 상호작동하고 이에 맞춰 동작하는데 모든 능력을 발휘할 수 있다.

UCD3138 컨트롤러를 이용하면 MCU와 조화를 이루며 하드웨어 주변장치들을 자율적으로 동작하게 하여 간소화를 달성할 수 있다.

UCD3138 컨트롤러의 핵심은 디지털 컨트롤 루프 주변장치에 있다.

이것은 디지털 파워 주변장치(digital power Peripherals, DPP)라고도 불린다. 각각의 DPP는 고속 디지털 컨트롤 루프를 구현한다. 이것은 전용 고속 2MHz EADC(analog-to-digital converters)와 PID(proportional-integral-derivative) 기반 2폴/2제로 디지털 보정기, 디지털 PWM 출력 및 250ps 펄스폭 해상도로 이루어져 있다.

이 간소화된 구성 하에서 각각의 루프는 전용 ADC와 구성 가능한 디지털 필터로 해당 컨트롤을 계산한다. 그런 다음 이 컨트롤을 고해상도 디지털 출력으로 변환시켜 PWM, PFM(pulse frequency modulation), 위상 이동 변조 등을 지원한다.

3개 세트의 주변장치들을 이용할 수 있는데, 이것은 일단 구성되고 나면 자율적으로 동작하면서 3개의 독립 피드백 루프를 제어한다.

구성 가능한 디지털 필터는 복수의 계수 뱅크를 가지고 있는데, 여러 가지 파워 응답 필요에 맞춰 이를 선택할 수 있다.

이 디바이스 계열의 아키텍처가 낳은 간소화의 또 다른 모습을 펌웨어 개발에서 찾아볼 수 있다. DDP의 구성은 단순해서 비트 값들을 미리 정의된 특정 레지스터에 할당하는 방법으로 쉽게 완성할 수 있다.

UCD3138 컨트롤러는 연속해서 복잡한 수학적 전달 함수를 계산하는 복잡한 코드 개발이 필요 없다. 어떤 디지털 파워 디자인은 계산 리소스를 번거롭게 여러 작업에 걸쳐 나누고 할당하여 선택된 MCU가 그 애플리케이션에 충분히 강력한 힘을 발휘하는지 엔지니어에게 검증하게 할 수도 있다.

UCD3138 컨트롤러는 프로세서 오버헤드 요건을 줄임으로써 이러한 문제를 없앴고, 그 결과, 전원 공급 장치 애플리케이션에 최적화된 디바이스가 되었다.

UCD3138 디바이스는 PMBus 등과 같은 디지털 통신 인터페이스를 통해 프로그래밍을 할 수 있다.

이러한 리소스들은 고성능 전원 공급 장치 설계에 최적화된 것으로, 이 리소스의 대부분을 다양한 요건에 맞춰 고도로 구성이 가능하다. 그래서 UCD3138 제품군은 네트워크 인프라, 공업, 자동차 등 수 많은 산업 애플리케이션에 이상적이다.

고도로 집적된 디지털 파워 컨트롤러로서 UCD3138 디바이스는 전원 공급 장치 설계에서 별도의 칩들을 없애 그 공급 장치의 비용과 크기를 줄일 수 있다.

UCD3138 컨트롤러 제품군은 집적된 전력관리 및 전력변환 기능들을 이용해 시퀀싱, 소프트 스타트/스톱, 그 밖의 관리 작업 등 몇 가지 기능들을 지원하고 있다. 효과적인 전력관리 기능을 위해 PMBus의 명령들과 커스텀 명령들이 모두 지원된다. 피크 전류 모드 컨트롤은 집적된 슬로프 보정 회로로 달성된다.

UCD3138 컨트롤러 제품군은 실시간 모니터링과 응답을 제공하는 아날로그 기능 몇 가지를 집적시키고 있다. 이 파티셔닝은 디지털 컨트롤 디바이스의 속도와 전력 요건을 최적화한다.

이러한 기능들은 과전압, 미달전압, 과전류 등에 대한 보호 기능을 제공한다. 집적된 온도 폴드-백 기능은, 파워 스테이지의 온도가 안전 수준을 넘으면 공급 장치의 전원을 완전히 끄는 대신 전류를 줄인다. 다른 서비스를 제공하는데 있어 MCU의 높은 활용도를 잘 보여주는 사례가 바로 온더플라이(on-the-fly) 펌웨어 업그레이드 기능이다.

이것은 전원 공급 장치 펌웨어를 새로운 배전으로 업그레이드 및 가동하는 중에도 중단 없이 전원 공급 장치를 계속 실행시킬 수 있다는 뜻이다[1].

UCD3138064 디바이스는 듀얼-뱅크 메모리 아키텍처를 채택하고 있고, 하나의 뱅크에서 실행을 하는 동안 다른 뱅크를 프로그래밍 할 수 있다.

전용 주변장치들이 중요 전원 공급 장치 컨트롤 및 보호 기능들을 관리하기 때문에, 이 MCU는 새 펌웨어를 여분의 뱅크로 가져와 올바르게 쓰기가 일어났는지를 검증하고 이전 펌웨어 버전에서 새 펌웨어 버전으로 잘 변경이 이루어지게 하는데 대역폭을 전용할 수 있다.

개발 툴

TI의 Fusion Digital Power Designer는 직관적인 GUI로 효율적인 개발 환경을 제공한다.

이 Fusion GUI는 UCD 디바이스에 공통하는 동작 특성을 구성하고 그 실행을 감시할 수 있다. 이것은 USB 어댑터를 이용해 PMBus로 파워 컨트롤러에 연결된다.

또한, 테스트를 거친 재구성식 소프트웨어 블록을 이용해 코드 개발 속도를 크게 높일 수 있다.

▲ 그림 2. UCD3138 디지털 컨트롤러에 기반한 1/8 브릭 절연 DC/DC 텔레콤 파워 모듈

TI의 Code Composer Studio IDE는 바로 사용 가능한 프로젝트 템플릿과 함께 코드 개발에 쓰이는데, 이것은 빠른 착수를 돕기 위한 것이다.

특정 유형의 전원 공급 장치나 기능을 겨냥한 비용효율적인 여러 EVM들은 각자가 즉각적인 프로토타이핑과 실험을 도움으로써 전원 공급 장치의 개발 속도를 높여주고 있다. 이 모듈의 예들 중 하나가 그림 2에 나와 있다.

애플리케이션

UCD3138 디지털 파워 컨트롤러 제품군은 전원 공급 장치 설계에 맞게 온칩 기능을 혼합한 것으로, 프로그래머블 디지털 프로세싱과 구성식 아날로그 및 디지털 주변장치들이 조합되어 있다.

이렇게 전력 고유의 탄력적인 리소스들이 혼합되어 있기 때문에 UCD3138 디바이스는 서버 전원 공급 장치, 텔레콤 정류기, 절연 DC/DC 파워 모듈, 산업 AC/DC 컨버터, 자동차 전원 공급 장치부터 고성능 PFC, AC/DC 컨버터, 절연 DC/DC 공급 장치 시스템, 텔레콤 시스템 공급 장치, 정류 AC/DC 공급 장치, 비디오 통신 시스템까지, 다양한 애플리케이션들을 지원할 수 있다.

AC/DC 부스트 PFC, 공진 LLC, 위상 이동, 하드 스위칭 풀 브릿지, 액티브 클램프 포워드 등의 공통 절연 파워 토폴로지를 위한 레퍼런스 솔루션들도 이용 가능하다.

사용 예제

낮은 핀 개수와 작은 풋프린트, 비용 효율성 덕분에 UCD3138 파워 컨트롤러는 무선 기지국 베이스밴드 유닛, 원격 무선 유닛, 피코 기지국 등의 텔레콤 스위칭 및 유선 통신 장비를 위한 전원 공급 장치에 널리 사용되어 왔다.

이러한 시스템에 채택되는 이른바 “브릭” 전원 공급 장치는 전력 밀도를 특히 중요하게 여기는데, 전력 밀도는 UCD3138 디지털 파워 컨트롤러의 큰 강점이다.

대표 UCD3138 디지털 파워 컨트롤러

•UCD3138 (32 kB)

•UCD3138064 (64 kB)

•UCD3138128 (128 kB)

디지털 POL 시스템 컨트롤러

이 디바이스들은 UCD92xx 제품군의 디지털 POL 컨트롤러들이다. 이것은 POL 설계자에게 매우 높은 수준의 구성 가능성을 제공한다. 이러한 극도의 탄력성을 쉽게 이용할 수 있기 때문에, 시스템 설계자는 그 설계의 고유 필요성에 맞게 POL의 출력 및 페이즈를 재빨리 구성할 수 있다.

고급 POL은 최대 4개의 출력 레일과 8개의 페이즈를 제어할 수 있다. 파워 서브시스템의 컨트롤 루프에 대한 디지털 컨트롤을 통해 입력 전압 및 부하 전류의 변동에 재빨리 응답할 수 있다.

UCD92xx 계열은 필요할 때 비선형 응답을 하도록 구성을 할 수 있다. 파워 서브시스템에서의 낮은 레이턴시는 그 시스템의 전체 성능에 긍정적인 영향을 주고, 특정 에너지 저장 커패시터 같은 별개의 추가 파워 컴포넌트가 필요 없기 때문에 비용과 컴포넌트 개수를 낮출 수 있다.

UCD92xx 디바이스의 디지털 파워 관리 기능은 파워 레일이 많은 복잡한 고전류 멀티페이즈 애플리케이션에서 보다 정교한 시퀀싱 프로세스들을 통합시킬 수 있다. 설계자는 이 시스템에서 여러 다양한 레일의 전원을 켜고 끄는데 가장 효과적인 시퀀스를 꼼꼼히 규정한 후, 손쉽게 배치할 수 있다.

개발 툴

TI의 POL 컨트롤을 이용한 빠른 프로토타입핑과 실험은 직관적인 Fusion Digital Power Designer를 갖춘 종합 파워 툴 체인을 통해 달성된다.

Fusion Digital Power Designer는 선도적인 유저 인터페이스이자 사실상 이 업계 파워 툴의 표준이다. 이 Fusion을 이용해 설계자는 전력 성능을 모니터링 하고 그때그때 파라미터들을 다시 구성함으로써 가장 효과적인 구현을 찾아낼 수 있다.

애플리케이션

UCD92xx 컨트롤러는 많은 수의 파워 레일과 복수의 페이즈를 조절해야 하는 시스템에 특히 잘 맞는다. 대부분의 경우, 이런 타입의 시스템은 고속 기업형 네트워킹 시스템과 텔레콤, 무선 기지국 스위치, 그리고 ATE(automatic test equipment) 같은 고속대량처리 테스트 및 측량 시스템에서 볼 수 있다.

일반적으로, 이런 시스템들은 FPGA나 애플리케이션 고유의 집적 회로 (ASIC), 기타 많은 수의 파워 레일이 필요한 복잡한 로직 디바이스를 가지고 있다.

사용 예제

일부 복합 기업형 네트워킹 시스템과 고속대량처리 텔레콤 스위치는 300 개의 파워 레일까지 지원할 수 있으며, 각각은 파워 컨트롤 루프에서 비선형의 낮은 레이턴시 응답을 통해 엄격한 조절을 필요로 한다.

UCD92xx 컨트롤러는 파워 동작을 모니터링하며 이상이 있을 때 재빨리 대응함으로써 높은 시스템 성능을 유지한다.

대표 디지털 POL 컨트롤러

• UCD92xx

디지털 인터페이스를 가진 아날로그 파워 레귤레이터

어떤 파워 설계들은 높은 수준의 프로그래머빌리티나 구성을 필요로 하지 않는다. 그래서 아날로그 전력 관리 디바이스로도 그 전력 변환 요건이 충족된다.

그러나 시스템 전력 관리처럼 디지털 파워 기능 일부를 활용해야 할 때가 종종 있다. 이것은 PMBus 인터페이스 통합을 통해 가능하다. 이러한 통합은 컴포넌트 개수와 BOM 비용을 줄이는데 도움이 된다.

이런 엔지니어를 위해 디지털 인터페이스를 가진 아날로그 파워 레귤레이터는 익숙한 솔루션을 제공함으로써 빠른 디자인 사이클이 가능하게 한다. 디지털 인터페이스를 가진 아날로그 파워 레귤레이터는 디지털 전원 공급 장치 설계로 가는 첫걸음이 될 수 있다.

설계자는 자신이 기존에 배치했던 아날로그 파워 아키텍처를 그대로 보존하면서 디지털 전력관리가 가진 이점 일부를 활용할 수 있다.

TI의 SWIFT™ TPS 컨버터는 이 산업에서 유일무이하다. 최대 30A의 높은 컨버터 성능을 지원하는 이것은 디지털 PMBus 인터페이스와 집적 아날로그 금속산화물 반도체 필드-이펙트 트랜지스터(MOSFET)을 가지고 있는 유일한 컨버터이다.

디지털 회로와 아날로그 회로를 결합시킨 SWIFT 디바이스는 외부 파워 스테이지에 광범위한 보호 기능들을 제공할 수 있다. 이러한 제품의 파티셔닝은 특유의 전력 변환 요건을 충족하면서도 추가로 구성식 전력관리 기능들을 제공한다.

예를 들어 이러한 통합은 과전압, 미달전압, 과전류 등의 보호 기능을 가능하게 해준다. 온도가 특정 수준을 넘어가면 파워 스테이지를 완전히 끄는 대신 전류를 축소하는 온도 소프트-페일 같은 그 밖의 전력관리 기능들도 집적돼 있다.

온칩 리소스는 노이즈 내성과 과도응답을 위해 디자이너가 토폴로지를 미세 조정할 수 있게 해준다.

PMBus 인터페이스를 SWIFT 컨버터에 넣으면, 전압과 전류 등 주요 출력 파라미터들을 시스템이 면밀히 모니터링하며 이에 재빨리 대응할 수 있다. 또한 옵션형 외부 온도 센싱 기능을 PMBus 인터페이스를 통해 링크 시킬 수도 있다.

개발 툴

TI의 Fusion Digital Power Designer 툴이 SWIFT 컨버터에 직관적인 프로그래밍 인터페이스를 제공한다면, WEBENCH 툴은 개발자가 하나의 툴에서 디자이너들을 흉내, 수정할 수 있도록 해준다.

EVM과 개발 보드들이 Fusion 및 WEBENCH 툴과 함께 프로토타입핑과 실험을 가속시킴에 따라, 전체 개발 시간이 크게 단축된다.

애플리케이션

SWIFT 디바이스의 고성능 아날로그 전력변환 및 디지털 전력관리 기능들은 통신 및 네트워킹, 개인 및 기업 컴퓨팅, 산업 자동화, 프로세스 컨트롤, 고체저장시스템 등 여러 애플리케이션에 잘 맞는다.

디지털 인터페이스를 가진 대표 아날로그 파워 레귤레이터

•TPS53915

•TPS544B20 및 TPS544C20

•TPS4042x

사용 예제

높은 집적과 높은 성능, 낮은 Rds(on), NexFETs 기술, PowerStack™ 싱글-GND 패드 패키지, 작은 풋프린트, 높은 스위칭 주파수, 확장된 온도 범위에 대한 엄격한 로드 조절 덕분에, PMBus SWIFT DC/DC 컨버터는 기지국 베이스밴드 유닛, 원격 무선 유닛, 피코 기지국, 10 Gb/40 Gb 이더넷 스위치, 기업 스토리지 시스템 등 유무선 통신 장비에 널리 사용되고 있다.

이 경우, 전력 밀도와 열 성능이 핵심적인 설계 우선순위이다. 새로운 애플리케이션으로는 고급 프로그래머블 로직 컨트롤러와 소프트웨어 정의 무선 같은 산업 애플리케이션과 우주/국방 애플리케이션이 있다.

 

디지털 파워 시퀀서

디지털 파워 시퀀서의 프로그래밍성과 높은 집적성은 복잡한 멀티레일 시스템에서 간편하고 비용효과적인 솔루션 요소들이다. 이 경우 많은 수의 레일을 시퀀싱하고 모니터링 하는 일이 과제일 수 있다.

집적된 ADC와 PMBus, I2C, SMBus 등을 위한 디지털 통신 인터페이스를 이용해 디지털 파워 시퀀서는 하드웨어 아키텍처를 간소화하고 산업 표준 인터페이스 PMBus를 최적화된 파워 시퀀서에 제공할 수 있다. 그러면, 시스템의 크기가 줄어들 뿐만 아니라 그 비용도 줄어들게 된다.

24개 레일까지 모니터링과 시퀀싱을 할 수 있는 TI의 UCD9xxx 디지털 시퀀서는 업계에서 가장 유능한 시퀀서 중 하나이다. 이것은 과전압, 미달전압, 과전류 등 여러 개의 파워 스테이지 보호 기능을 구현하고 있다.

파워 스테이지에서 내부 온도 센서가 지나치게 높은 온도를 감지하면, UCD9xxx 시퀀서는 컨버터를 완전히 차단하는 대신 전류를 축소할 수 있다. 또한 스페어 채널을 프로그래밍하여 PWM 컨트롤을 통한 팬처럼 시스템 주변장치를 제어할 수도 있다.

▲ 그림 3. 고성능 기업 스위치 PMBus 파워 솔루션

개발 툴

Fusion Digital Power Designer는 개발자에게 직관적인 구성 인터페이스를 제공하고 있다.

이를 통해 UCD9xxx 디바이스의 대다수 리소스들을 신속하게 배치할 수 있다. 또한 EVM들과 그림 3의 개발 보드들도 개발자가 설계 프로젝트의 초기 단계부터 프로토타이핑과 실험에 빨리 착수할 수 있도록 해준다.

대표 디지털 파워 시퀀서

•UCD90240 (24 채널)

•UCD901x

•UCD909x

애플리케이션

디지털 시퀀서는 복수의 전압 레일이 필요한 대다수 애플리케이션들에서 길을 찾고 있다.

일반적인 애플리케이션들로는 텔레콤 및 네트워크 장비, 산업 통신 및 공장 자동화 시스템, ATE 같은 시험계측 시스템, 서버, 기타 스토리지 시스템 등이 있다.

디지털 핫스왑 컨트롤러

디지털 리소스는 매우 높은 수준의 지능적인 전력관리 기능을 발휘한다. 그 예가 고성능 시스템에서 볼 수 있는 핫스왑 컨트롤러의 역할이다.

핫스왑 컨트롤러는 주로 아날로그 회로였고, 회로를 제거하고 회로를 파워 소스로 삽입할 때 전력 관리를 했다. 위의 아날로그 POL 디바이스와 유사하게, 디지털 인터페이스가 추가되면서 전압, 전류, 전력, 에너지, 온도 같은 시스템 레벨의 작동조건들을 실시간으로 정확히 모니터링 및 보고를 할 수 있게 되었다.

그 때문에 디지털 핫스왑 컨트롤러가 쇼트나 기타 시스템을 손상시킬 수 있는 하드웨어 장애로부터 시스템을 보호하는데 중요한 역할을 할 수 있다. 시스템 전력 지표들을 모니터링 및 보고함으로써 핫스왑 컨트롤러는 효율적인 전력 사용과 지능적인 전력관리 체계를 뒷받침한다.

TI 디지털 핫스왑 컨트롤러는 전류 계측을 목적으로 정교하게 조정되며, 2%보다 더 나은 정확도를 달성하기도 한다.

여기에는 PMBus나 I2C 등을 지원하는 디지털 통신 인터페이스가 들어 있다. 핫스왑 컨트롤러가 제공하는 전력 모니터링 정보를 바탕으로, 호스트 시스템의 중앙 전력관리 컨트롤러는 전력 부하, 쓰로틀 다운 또는 업 프로세싱 구성요소 등의 균형을 맞추며 전력을 보존하고 시스템 효율을 높이고 장애를 예측하여 더 높은 신뢰도를 달성할 수 있다.

특정 TI 디지털 핫스왑 컨트롤러는 Intel Node Manager와 함께 사용 가능하며, 부품 번호 끝에 “i”가 표기된다. 그러면 이러한 핫스왑 컨트롤러는 자신의 에너지 모니터링 정보를 Intel Node Manager로 보낼 수 있게 된다.

Intel Node Manager는 이것을 이용해 복수의 서버 블레이드에서 전체 시스템 동작과 에너지 소비, 랙 레벨의 성능을 최적화할 수 있다.

개발 툴

고출력 고성능 시스템에 대한 요구를 에너지 고효율과 균형을 이루게 하려면, 설계에 디지털 핫스왑 컨트롤러를 구현하려는 개발자들에게 복잡한 문제들이 발생하게 된다.

다행히도 Hot Swap Design Calculator 같은 TI의 툴들은 새 설계를 생성하든, 현재 설계를 평가하든, 불량 설계의 문제를 해결하든 상관 없이, 반드시 고려해야 할 많은 변수들을 자동으로 계산, 비교할 수 있다.

TI의 Power Interface (PI) Commander 툴은 직관적인 GUI를 제공한다. 이것을 통해 설계자는 TI의 디지털 핫스왑 컨트롤러가 수집한 에너지 모니터링 정보를 관찰할 수 있다. 또한 PI Commander는 핫스왑 컨트롤러 소프트웨어의 장애는 물론 테스트 베드로서의 기능까지 파악할 수 있다.

애플리케이션

TI 디지털 핫스왑 컨트롤러의 주된 애플리케이션은 에너지 효율 및 전력소비가 주요 문제로 대두되는 애플리케이션들과 핫스왑 관리가 필요한 애플리케이션들이다.

데이터센터와 기업 서버 시스템, 비디오 통신 시스템, 그리고 무선 기지국, 베이스밴드 유닛, 타워 원격 무선 유닛 등의 텔레콤 시스템이 디지털 핫스왑 컨트롤러가 널리 쓰이고 있는 분야들이다.

대표 디지털 핫스왑 컨트롤러

•LM250xx

•LM506x

•TPS248x

사용 예제

고급 데이터센터나 기업 서버 시스템에서는 디지털 핫스왑 컨트롤러가 전체 시설의 에너지 관리 및 운영 제어에 필수적인 링크이다.

대형 서버 농장에서 각 서버 블레이드의 전력소비 정보는 그 시설의 에너지 예산을 유지해야 할 경우 필수적이다. 또한 장애를 알아내거나 앞으로 장애가 일어날 수 있는 곳을 예측할 수 있어야 가동시간을 극대화할 수 있다.

이러한 정보의 이용이 예상치 못한 장애로 야기된 손상 때문에 전체 서버 랙을 차단해야 하는 상황과 고객의 만족을 유지하는 상황을 결정지을 수 있다.

이에 대한 정보와 기타 TI 디지털 파워 솔루션에 대한 정보는 www.ti.com/digitalpower에서 확인할 수 있다.



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