국방 시스템 설계자는 제공해야 하는 성능 이득 외에도 다수의 까다로운 설계 목표에 직면하고 있으며 변화의 속도가 갈수록 빨라지는 환경 속에 놓여 있다. 예산 감축은 주요 기업의 구조조정, 사업 다각화를 통한 평행 시장 진출, 방위 산업의 세계화로 이어지고 있으며 이러한 구조적 변화는 설계 팀에게 새로운 경쟁 상대의 등장과 상업적 압력을 피할 수 없게 한다.

이러한 배경에서 전원장치, RF와 같은 일부 설계 분야의 전문가는 오히려 점점 줄어들고 있으며 제품 출시 시간 역시 더욱 짧아지고 있는 가운데 설계 그룹은 다양한 영역에서 작업하는 교차 기능팀(Cross-Function Team)과 같은 새로운 작업 환경에 적응해야 한다.

행히 설계팀을 지원하는 한 가지 사실은 새로운 반도체 제품 세대가 나올 때마다 기술 향상이 이어지고 이와 같은 혁신은 하나의 산업에서 다른 산업으로 파급된다는 것이다. 이러한 경향을 명백히 볼 수 있는 하나의 제품군이 실리콘과 패키징 기술 향상을 결합해 전원 솔루션에서 괄목할 만한 향상을 이룬 리니어테크놀로지의 ‘마이크로모듈(µModule) 레귤레이터’다.

스티브 문 리니어테크놀로지 국방·항공 마케팅 매니저
<자료제공 : 리니어테크놀로지(www.linear.com)>

효율 = 크기, 무게, 전력(Size Weight and Power, SWaP)은 일반적으로 방위 산업에서 기술적 시스템의 향상을 나타내는 데 사용된다. 이 용어를 더욱 압축해서 표현한다면 약자 SWaP는 보다 우수한 효율을 의미한다고 할 수 있다.

여기에는 상반되는 측면이 직접적으로 연관되기 때문에 효율은 핵심적이다. 작으면서 가벼운 시스템이 되기 위해서는 시스템이 낮은 온도에서 신뢰성 있게 동작해야 한다. 그러나 점점 더 복잡해지는 디지털 프로세싱으로 인해 전원 요구사항은 계속 높아지고 있다. 물론 이는 솔루션을 보다 효율적으로 만들지 않으면 프로세싱 코어와 전원장치 부품이 더욱 많은 열을 발생시키게 된다는 것을 의미한다.

리니어테크놀로지의 마이크로모듈(µModule) 레귤레이터는 전원장치 서브시스템의 효율 향상을 추구하는 솔루션을 제공한다. 이를 보여주기 위해 가장 분명한 형태의 전기적 변환 효율만이 아니라 보다 넓은 의미에서 효율에 대해 살펴보기로 한다.

물리적 크기와 PCB 풋프린트 = 리니어테크놀로지는 2008년에 초소형 6.25㎜×6.25㎜×2.32㎜의 하이 플라스틱(high plastic) LGA 패키지로 제공되는 완벽한 200㎃ 스텝다운 DC/DC 전원장치 LTM8020 마이크로모듈 레귤레이터를 출시했다. 이 제품은 EN55022 클래스 B의 방사 방출(RE) 요구사항을 만족하면서 다양한 종류의 시스템에서 표준 빌딩 블록으로 빠르게 채택됐다.

2014년에 들어서면서 3A 출력 성능과 동일한 방출 방사 성능을 갖는 LTM4623 초박막 마이크로모듈 레귤레이터가 선보였다. 부품 기술과 패키징 기술의 향상으로 제품은 같은 6.25㎜×6.25㎜ 풋프린트에 단 1.82㎜ 높이로 제공돼 일부 시스템에서는 PCB의 밑면에 장착하는 것이 가능해졌다.

▲ LTM4623 초박막 3A 스텝다운 DC-DC 마이크로모듈 레귤레이터.

높은 전력을 필요로 하는 애플리케이션을 위한 LTM4625는 5A DC 출력 전류를 공급하면서 동일한 풋프린트에 5.01mm 높이로 제공돼 대형 인덕터와 BGA 패키지 요구를 만족한다.

2014년에 나온 향상된 통합의 또 다른 예로는 트리플 출력 5A/5A/4A 스텝다운 DC/DC µModule 레귤레이터 LTM4634가 있다. 이 제품은 단일 15mm x 15mm x 5.01mm BGA 패키지에 3개의 독립된 고효율 레귤레이터 채널을 제공한다. 대조적으로 2005년에 제품군 중 처음 선보인 LTM4600은 동일한 풋프린트를 차지하면서 단일 출력을 갖는 10A 스텝다운 DC/DC 마이크로모듈 레귤레이터였다.

전기적 성능 = 기본 레귤레이터 IC는 향상된 변환 효율과 패키지 향상을 결합함으로써 열 성능을 향상시켰으며 이를 통해 새롭게 출시되는 마이크로모듈 레귤레이터는 이제 일정한 출력 전류에서 더 높은 주변 온도로 동작하고 향상된 설계 마진을 제공할 수 있게 됐다.

예를 들면 우리는 동일한 패키지 크기를 사용하는 두 제품 LTM4608A, 8A 스텝다운 DC/DC 마이크로모듈 레귤레이터와 보다 최근 출시된 LTM4649, 10A 스텝다운 DC/DC 마이크로모듈 레귤레이터의 온도에 따른 성능감소 곡선을 비교할 수 있다.

▲ [그림2] LTM4608A 열에 의한 성능감소 곡선, 5V 입력에서 3V 출력시.

[그림2]와 [그림3]은 히트 싱크 없는 5V 입력 및 3.3V 출력을 갖는 구성을 기반으로 하며 성능감소 곡선은 출력 전류가 최대 정격 및 40°C 주변 온도에서 시작하는 것을 보여준다.

접합부는 120°C 최대 정격에서 유지되며 주변 온도가 높아짐에 따라 출력 전류는 낮아진다. 주변 온도가 높아지면서 감소된 출력 전류는 내부 모듈 손실을 낮춘다. 모니터링된 120°C의 접합부 온도에서 주변 온도를 빼면 모듈 온도 상승을 어느 정도 허용할 수 있는지 알 수 있다. 이들 곡선은 최근 출시된 LTM4649가 90°C 주변 온도에서 열에 의한 성능감소 없이 동작할 수 있으며 같은 온도에서 LTM4608A는 약 50% 의 성능이 감소된다는 것을 보여준다. 이러한 특성은 특히 주변 온도가 흔히 80°C에서 90°C에 이르지만 강제 공기 냉각을 사용하지 않는 국방 시스템에 적합하다.

설계 시간과 전문지식 = 증가되는 시스템 복잡성과 짧아지는 설계 사이클로 인해 설계 자원이 확대되면서 시스템의 핵심적인 인텔리전트 특성을 개발하는 데 초점이 맞춰지고 있다. 이것은 종종 개발 사이클의 후반부가 될 때까지 전원장치가 한쪽에 놓여 있다는 것을 의미한다. 따라서 빠듯한 시간과 제한된 전문가의 전원 설계 자원을 가지고 가능한 가장 작은 풋프린트로 고효율의 솔루션을 내놓아야 하는 압력이 존재한다.

▲ [그림3] LTM4649 열에 의한 성능감소 곡선, 5V 입력에서 3.3V 출력시.

이것이 마이크로모듈 레귤레이터가 이상적인 해답을 제공할 수 있는 영역으로 내부적으로 개념은 복잡하지만 외부적으로는 단순하다. 스위칭 레귤레이터의 효율과 선형 레귤레이터의 설계 간소화를 제공하는 것이다.

신중한 설계와 PCB 레이아웃, 부품 선택은 스위칭 레귤레이터의 설계에서 매우 중요하며 많은 숙련된 설계자는 경력 초기 시절에 실수로 회로 보드가 타는 독특한 냄새를 맡을 수 있었다.

시간이 촉박하거나 전원장치 설계 경험이 제한된 경우 기성 마이크로모듈 레귤레이터는 시간을 절약하고 프로그램에 대한 리스크를 줄여준다. 새로운 다중 출력 제품의 개발은 추가적인 매력을 제공한다.

[그림4]는 9㎜×15㎜×5.01㎜ BGA 패키지로 제공되고 필요한 경우 병렬 채널로 구성할 수 있는 LTM4644에 기반한 4채널 솔루션의 간소화된 구현을 보여준다. 외부 부품은 벌크 입력 및 출력 커패시터와 함께 각 출력 전압을 설정하는데 각각 하나의 저항만 필요하다.

▲ [그림4] 구성 가능한 출력 어레이를 갖는 LTM4644 쿼드 4A 마이크로모듈 레귤레이터.

유연한 출력 구성의 또 다른 이점은 회사의 선호하는 부품 리스트에 들어가는 부품 종류의 수를 줄일 수 있어 부품 엔지니어링 자원을 절약하고 구매 수량을 늘릴 수 있다는 것이다.

안전 및 신뢰성 특징 = BTC(Bottom Termination Components)의 인터커넥트 신뢰성은 업계에서 오랫동안 염려스러운 것이었다. 따라서 주요 방위 산업체에서는 다양한 BTC 패키지 유형의 환경적 적합성을 결정하기 위해 자체적인 많은 연구를 수행했다.

리니어테크놀로지에서도 솔더 인터커넥트 신뢰성을 결정하기 위해 데이지 체인 방식으로 연결된 제품에 대해 수천 시간을 훨씬 상회하여 온도 사이클링을 실시했다.
금 도금 스퀘어 패드를 갖는 LGA 패키지로 제공되는 첫 번째 마이크로모듈 레귤레이터 LTM4600을 출시한 이후 패드의 물리적 레이아웃과 내부 설계 특징을 향상시키기 위한 많은 작업이 수행됐다.

그 결과 BGA 패키징을 선보이게 됐으며 고객에게 SAC305 또는 SnPb 볼 구성 옵션을 제공하고 있다. SnPb 옵션은 많은 국방 시스템에 핵심적이며 매우 거친 환경에서 특히 BTC용으로 SnPb 부품의 이용이 여전히 선호되고 있다.

또 안전에 핵심적인 애플리케이션을 위한 설계가 최근 출시된 제품에 제공되는 기능 세트에 의해 지원되고 있다. 앞서 언급된 LTM4644 쿼드 4A 마이크로모듈 레귤레이터의 경우 다음과 같은 기능이 제공된다.

내부 온도 감지 = 약 2㎷/°C의 온도 계수를 갖는 다이오드 연결 PNP 트랜지스터에 의해 제공되며 이를 외부 ADC에 연결하면 제어 시스템에 데이터를 제공할 수 있다.

과열 보호 = 모듈의 접합부 온도를 모니터링한다. 접합부 온도가 약 160°C에 도달하면 온도가 약 15°C 떨어질 때까지 출력이 턴-오프(Turn-off)된다.

과열 및 과전압 오류 조건 = 내부 회로에 의해 보호된다. 회로는 폴드백 전류 제한을 수행하고 레귤레이션 지점을 중심으로 ±10% 윈도우 이내 출력 피드백 전압을 모니터링한다.

제품 범위 전체에 걸친 기타 안전 기능에는 가변 입·출력 평균 전류 제한, 입·출력 전류 모니터 및 디지털 인터페이스, 오류 로깅을 위한 온보드 EEPROM 제어 등이 있다.

결론 = 반도체 및 패키지 기술 향상은 제품의 지속적인 향상으로 이어져 왔다. 이 글에서는 특히 마이크로모듈 레귤레이터 솔루션에 초점을 맞추고 어떻게 이들 제품이 설계자가 다음과 관련해 새로운 설계 목표를 만족하는 데 도움을 줄 수 있는지 살펴봤다.

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