최근 부상하고 있는 하이브리드 또는 혼합신호(mixed-signal), 전력 변환 컨트롤러 등이 시장에 진입하면서 ‘아날로그 대 디지털’이라는 사고방식에서 ‘최고의 디지털 + 최고의 아날로그’라는 실용주의 방식으로 전환되고 있다. 이 디바이스들은 아날로그와 디지털 솔루션들이 공통적으로 가지고 있는 약점을 완화하는 동시에 이 둘의 강점을 모두 활용하는 것을 목표로 하고 있다.
아날로그와 디지털을 결합함으로써 디지털 솔루션의 유연성과 함께 아날로그 솔루션이 제공하는 효율적인 성능, 과도 응답, 부하 레귤레이션 기능을 함께 활용할 수 있는 것이다.
글 : 스테판 스텔라(Stephen Stella)
마이크로칩 테크놀로지(Microchip Technology) 아날로그 및 인터페이스 제품 사업부 제품 마케팅 매니저
<자료제공 : 마이크로칩 테크놀로지 (www.microchip.com)>
사실 우리는 아날로그 세계에 살고 있기 때문에 디지털 솔루션은 불리한 상황에 놓여 있다. 디지털 솔루션을 이용하기 위해서는 우선 정보들이 아날로그-디지털 컨버터(analog-to-digital converter, ADC)를 통해 디지털화된 뒤에 고속 MCU(또는 DSP)에서 디지털 컨트롤 처리가 이뤄져야 하기 때문이다.
디지털 컨트롤 루프의 대역폭은 A/D 변환 속도뿐만 아니라 MCU/DSP의 계산 속도와 직접적인 관련이 있다.
더 큰 대역폭을 위해서는 더 빠른 속도의 A/D 및 MCU가 필요하지만 이는 훨씬 더 많은 비용이 소요된다. 아날로그 솔루션의 고유한 장점은 아날로그 영역에서 정보를 수집하고 유지하므로 고성능 MCU 또는 A/D 컨버터가 필요 없다는 것이다.
아날로그 전력 솔루션들은 매우 효율적인 컨트롤 기능을 제공하는 반면 유연성 측면에서는 뒤떨어진다. 아날로그 전원 장치 설계 시에는 애플리케이션에서의 트레이드오프(trade-off) 성능을 평가한 후 이를 근거로 전체 동작 공간과 부하 프로파일을 최적화해야 한다.
이전까지는 이러한 기술로도 충분했지만 최근 시장 및 산업 동향, 소비자 기대 및 정부 규제 등은 더 높은 효율성 관련 요건을 충족시키기 위해 아날로그 설계 기술력 그 이상의 것을 요구하고 있다.
이를 해결하기 위해서는 전력 디바이스들이 더 높은 유연성을 제공해야 하며 유연성을 높이기 위해서는 다음과 같은 방법을 적용할 수 있다.
- 전력 변환 동작 범위 전체를 최적화하기
보다는 다양한 지점에서의(multi-point)
전력 변환 최적화를 가능하게 하라.
- 시스템의 일부로서 동작하게 하라. 이것은
단순히 전력 변환에서의 효율성이 아닌,
시간에 따라 시스템 전체 효율이 최적화하
도록 설정되어야 함을 의미한다.
- 시스템 최적화가 가능하도록 시스템까지
정보를 전달하라.
디지털 전력 변환 솔루션은 위에 서술한 요건에 대해 충분한 유연성을 제공한다. 그러나 디지털 솔루션의 설계는 결코 간단하지 않으며 리소스, 개발 도구, 프로세스에 상당한 투자를 필요로 한다. 디지털 컨트롤 기술은 아날로그 컨트롤 기술과는 다르므로 디지털 컨트롤 설계 및 소프트웨어 엔지니어링을 포함한 새로운 리소스가 필요하다. 이러한 투자는 많은 회사들에게 심각한 걸림돌이 되고 있다.
이러한 기회 및 극복해야 할 문제들을 염두에 두고 아날로그 영역에서 전력 컨트롤에 대한 유지 가능성을 모색해야 한다. 이는 전문 기술과 리소스를 추가로 필요로 하지 않으며 디지털 컨트롤에 사용되는 비싼 MCU와 A/D 컨버터로 인한 제품 비용의 상승을 피할 수 있다.
최근에 출시된 마이크로칩의 MCP19111과 같은 하이브리드 아날로그 앤드 디지털(Analog AND Digital) 솔루션을 살펴보면 MCP19111은 소형 8비트 마이크로컨트롤러와 피크 전류 모드 아날로그 컨트롤러가 결합돼 있다([그림1]-블록 다이어그램 참조).
이 제품에서 전력 조절 기능은 완전히 아날로그 영역에서 동작하므로 고성능 고속 마이크로컨트롤러가 필요 없다. 또한 내장 8비트 MCU는 아날로그 컨트롤러의 성능을 감시하고 조절하기 위한 편리한 인터페이스를 제공하며 이전에는 불가능했던 ‘조절’이 가능하다.
이러한 유연성과 함께 이 내장 MCU는 작고 간단한 설계를 지원함으로써 고도의 통합을 가능하게 한다.
[그림1]은 MCP19111이 아날로그 컨트롤러와 MCU 뿐 아니라 전력 MOSFET 드라이버와 중간 전압 LDO를 내장하고 있음을 보여준다. 이 디바이스는 4.5-32 V의 매우 넓은 입력 전압 범위에서 동작하고 외부 부품을 거의 필요로 하지 않으며 아날로그 컨트롤에서 이전에는 불가능했던 유연성을 부가했다.
전력 변환 산업이 유연성 및 사용자 맞춤형 기능 등으로 인해 디지털 전력 변환 솔루션으로 계속 이동하고 있는 가운데 아날로그 전력 변환 기술은 비용 효율적인 고성능 전력 변환 솔루션을 지속적으로 제공할 것이다.
하이브리드 전력 변환이나 혼합신호 전력 변환, 혹은 아날로그+디지털 전력 변환 등 다양한 방식으로 표현할 수 있는 이들 두 솔루션의 통합은 성능과 유연성, 비용 측면에서 독특한 균형을 제공하며 이는 다양한 종류의 애플리케이션에 매력적으로 다가갈 것이다.
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