고성능 파워 서플라이 설계가 갈수록 더 제한적인 보드 공간에서 더 많은 전력을 필요로 하고 있다. 전력 밀도 향상을 위해서는 설계자들이 새로운 문제들을 해결해야 한다. 전력 소비와 파워서플라이의 온도 상승을 제한하기 위해서는 설계 시 변환 효율이 90% 이상이어야 한다. 특히, DC/DC 전력 변환 손실과 제한적인 에어 플로우 때문에 열을 발산시킬 공간이 매우 제한적이므로 설계에 있어 열 성능은 매우 중요하다. 이러한 파워서플라이는 출력 리플 및 과도 전류 응답이 우수해야할 뿐만 아니라 전력 설계의 전반적인 크기를 줄이기 위해 필요한 외부 커패시턴스를 제한해야 한다. 기존에는 전력 설계자들이 디스크리트 파워 컨버터를 설계하거나 일반적인 전력 모듈 솔루션을 구입해야 했다. 디스크리트 전력 설계나 전형적인 전력 모듈 모두 디스크리트 부품을 이용한 PCB로 제조되기 때문에 크기에 따라서 전기 및 열 성능이 제한적이다. 그러므로 전기 및 열 성능을 향상시킬 수 있는 고도로 통합적인 회로 솔루션과 동시에 사용하기 편리한 컴팩트 솔루션을 구현해야 한다. 리니어 테크놀로지의 LTM4600 마이크로모듈(μModule)이 바로 이러한 공간 제한적 전력 설계를 위한 솔루션이다. 이 고성능 POL(point-of-load) 마이크로모듈은 열 또는 전기 성능을 저하시키지 않으면서 작은 풋프린트에 대한 요구를 충족한다. 컴팩트(POL) 레귤레이터 설계와 관련해 이 솔루션을 디스크리트 파워 컨버터 및 전통적 전력 모듈과 비교해 본다.고전력 레귤레이터 설계고전력(POL) 레귤레이터가 공간 제한적 전력 설계의 좋은 예이다. 이 파워서플라이는 대형 시스템 보드에서 마이크로프로세서, FPGA, ASIC와 가까이 배치되어 이들 장치에 필요한 전력을 공급한다. 대형 디지털 기기는 수 암페어에서 100암페어 이상의 전류를 필요로 한다. 대형 시스템 보드에는 여러 개의 POL 파워서플라이가 필요할 수도 있어 이들 전력 설계에 할당되는 공간이 문제가 될 수 있다. 또한 시스템 보드 하판에는 높이 제한이 따르기 때문에 파워서플라이 설계에 적합하지 않을 수 있다. 디스크리트 파워 컨버터는 컴팩트 설계를 위해 시스템 보드의 어느 면에 탑재할 수 있으나 일반적인 전력 모듈 설계는 높이가 있기 때문에 시스템 보드 상판에만 탑재할 수 있다. 전형적인 전력 모듈 설계는 다른 IC에 필요한 에어 플로우를 방해하지 않도록 시스템 보드에 전략적으로 배치된다.이렇게 되면 전력 레귤레이터가 부하에 대해 아주 최적의 위치에 있지 않을 수도 있어 성능 저하가 자주 발생한다. LTM4600 마이크로모듈은 시스템 보드 상판이나 하판 모두에 탑재될 수 있을 뿐만 아니라 부하에 가까이 배치될 수 있는 것이 특징이다.<그림 1>은 양면 디스크리트 POL 설계 및 IC 모듈 POL 설계의 차이를 보여준다. 디스크리트 설계는 시스템 보드에 분산해서 배치하거나 전통적 전력 모듈로 구입할 수 있는 유연성을 제공하나 IC 모듈 설계보다 훨씬 더 많은 PCB 보드 공간을 필요로 한다. 디스크리트 설계는 시스템 보드 앞면 또는 뒷면에서 보드 공간을 효율적으로 활용하지 못한다.또한 다수의 부품 및 신중한 보드 레이아웃을 필요로하므로 부품 선택 및 조달뿐만 아니라 설계 시간과 전문성을 필요로 한다. 일반적인 전력 모듈 역시 디스크리트 설계와 같은 단점을 가지고 있는데, 일반 전력 모듈은 소형 PCB에서 디스크리트 부품을 이용해 제조된다는 것이 차이점이다. 이들 제품은 업체들이 조달과 사용 편의성을 강조하고 있지만, 히트싱크나 상당한 에어 플로우를 필요로 한다는 것이 단점이다. 반면에 IC 모듈은 매우 간편하고 적은 수의 외부 부품을 필요로 한다.그리고 표준적인 IC처럼 PCB에 배치하고 솔더링 할 수 있으며 또한 IC 모듈 설계 시 작은 풋프린트와 우수한 열 속성으로 다중의 전력 레일 애플리케이션을 위해 매우 간편하게 복사하고 배치할 수 있다.고효율을 달성하라어떠한 방식의 설계든 양쪽 모두 전력 소비를 제한하기 위해서는 높은 효율을 달성해야 한다. <그림 2>는 12V~3.3V 설계의 일반 효율을 나타낸 그래프이다. 대부분의 출력 전류 범위에 있어 효율이 90% 이상임을 알 수 있다. 대부분의 고성능 POL 레귤레이터에는 효율과 크기 간의 트레이드오프 문제가 따르기 마련이다. POL 레귤레이터의 전력 변환 효율은 크기에 비례하고, 스위칭 주파수에 반비례한다. 부품이 작을수록 내부 저항이 높아 더 작은 인덕터, 더 낮은 커패시턴스, 더 작은 전력 MOSFET, 더 적은 PCB 구리 레이아웃을 이용한 더 작은 전력 설계가 전력 손실이 더 높고 효율이 낮다. 스위칭 주파수가 높으면, 저항을 높이지 않으면서 설계에 필요한 인덕터 및 커패시터의 크기와 값을 줄일 수 있다. 반면 전력 MOSFET이 기생 커패시턴스 때문에 스위칭 주파수가 높을 경우 손실이 더 크게 된다. 그러므로 전력 설계자들이 디스크리트 컨버터를 설계할 때 필요한 절충을 이해하기 위해 일련의 계산을 실시하고 스위칭 주파수, 효율, 크기를 적절하게 절충해야 한다.IC 업체들이 혁신적인 패키징 기술을 이용해서 기생 커패시턴스와 인덕턴스를 낮추고 있다. 이러한 패키지 기술과 발전된 전력 제어, 전력 MOSFET, 인덕터 기술을 결합해서 고밀도 전력 설계를 제공할 수 있다.그러므로 이제 효율 손실의 주된 요인인 기생 문제를 일으키지 않으면서 더 높은 스위칭 주파수를 달성할 수 있다. 고주파 동작은 특정 전압 리플 및 과도 응답에 대해 외부 커패시턴스를 현저히 감소시킨다. <그림 3>은 POL 모듈의 간략한 배선도이다. 향상된 전력 제어 아키텍처와 최적화된 전력 경로 및 패키징을 결합해 공간 제한적인 POL 설계를 위한 우수한 솔루션을 달성할 수 있다. 전력 제어 아키텍처는 부하 과도일 때 출력 전압 안정화를 유지하기 위해 고주파 스위칭, 과전류 방지, 과전압 방지, 전류 공유, 정밀한 전압 안정화, 고속 제어 루프가 가능해야 한다. 디스크리트 전력 레귤레이터 및 전통적 전력 모듈은 성능과 크기가 제한적일 뿐만 아니라 이러한 첨단 기능을 제공하지 못한다. LTM4600 마이크로모듈이 통합적인 전력 솔루션으로 이러한 모든 첨단 기술을 제공한다.POL 레귤레이터의 높은 전력 밀도가 대다수 시스템 설계에서 중요한 열 문제를 야기할 수 있다. 더 중요한 문제는 50℃ 이상의 온도를 포함해서 확장 온도범위로 동작해야 하는 시스템 인클로저에서 레귤레이터로부터 열을 제거하는 것이다. <그림 4>와 <그림 5>는 33W 디스크리트 또는 일반 모듈 POL 레귤레이터의 양면의 열을 나타낸 이미지이다. <그림 4>는 보드 대비 20℃ 온도 상승의 보드 상판에 위치한 인덕터의 열 이미지를 나타낸 것이다. 이 인덕터가 보드로 열을 잘 전달하지 못함으로써 열 저항(θJA)이 최적 상태가 아니다. <그림 5>는 보드 뒷면의 2개 전력 MOSFET의 열 이미지를 보여주고 있다. 이들 전력 소자는 온도가 100℃에 육박해 보드보다 40℃가 높다. 전력 MOSFET의 8개 외부 핀은 불량한 열 전도체로서 열 저항이 높다. 이것이 제한적인 에어 플로우 때문에 보드 뒷면에 심각한 열 문제를 야기한다.또한 부품들의 높이가 균일하지 않으므로 디스크리트 설계를 히트싱크(heat sink)하는 것이 어렵다. 몇몇 산업표준 전력 모듈은 디스크리트 컨버터와 유사한 구조로 동일한 단점을 가지고 있다. 이들 모듈이 디스크리트 부품 및 표준 PCB 소재를 이용해서 열 저항이 비교적 불량하며 부품 높이의 불균일성 때문에 히트싱크가 어렵다. 그러므로 이상적인 전력 모듈은 상단 및 하단 모두가 최적의 열 설계여야 한다.<그림 6>은 디스크리트 설계와 동일하게 33W로 동작하는 LTM4600 마이크로모듈의 열 영상이다. 전력 소비가 디스크리트 설계와 거의 같지만 풋프린트가 훨씬 작다. 균일한 온도 상승은 이 마이크로모듈의 최적화 열 패키징 때문이다. 전력 소자가 매우 낮은 열 저항으로 마이크로모듈 내부의 최적화 기판으로 연결된다. 이 마이크로모듈의 핀아웃은 전력 공급뿐만 아니라 열 저항이 낮도록 최적화 되었다. 상단 성형 화합물은 열 저항이 낮고 온도가 균일하도록 합성되었다. 이 마이크로모듈 온도가 33W 애플리케이션의 경우 보드 온도보다 13℃밖에 높지 않다.LTM4600 상단에 소형 BGA 히트싱크를 탑재해서 온도 상승을 대폭적으로 낮출 수 있다. 이 히트싱크에 에어 플로우를 이용해 온도 상승을 추가적으로 낮춤으로써 더 높은 주위 온도 환경으로 최대 전력으로 동작할 수 있다. LTM4600 마이크로모듈은 로우프로파일 폼팩터와 우수한 열 성능을 제공하므로 보드 하단에 탑재될 수 있으며, 선택적으로 열 패드를 이용해서 새시 또는 보드 캐리어로 히트싱크할 수 있다.LTM4600 마이크로모듈 설계LTM4600은 공간 제한적인 전력 설계에 고유의 이점을 제공한다. 이 마이크로모듈은 고성능 파워 서플라이에 필요한 모든 부품을 매우 작은 폼팩터로 통합한 유일한 전력 모듈이다. 이 마이크로모듈은 여느 다른 표면실장 IC처럼 솔더링이 가능하며, 매우 적은 수의 외부 부품만을 필요로 한다. 또한, 15mm×15mm×2.8mm LGA 패키지로 최대 40W의 전력을 공급하고, 최대 94%의 효율을 달성한다. 뿐만 아니라 2개의 마이크로모듈을 병렬로 연결해 출력 전력을 두 배로 높일 수도 있다. 제품 설계 주기가 갈수록 짧아지고 있으므로 간편한 LTM4600을 이용하면 제품 출시 시간을 단축할 수 있다.혁신적인 IC 및 패키징 기술을 이용해 고밀도 전력 설계 문제들을 효과적으로 해결할 수 있다. LTM4600 마이크로모듈은 혁신적인 기술들이 적용되어 고밀도 전력 설계 문제를 해결할 수 있다. 이러한 모듈 방식은 첨단 전력 설계의 공간 제약 및 열 문제를 해결하기에 효과적인 솔루션이므로 앞으로도 그 사용이 더욱 늘어갈 것으로 기대된다.마이크로모듈(μModule)은 리니어 테크놀로지의 상표이다.
이 기사를 공유합니다
저작권자 © 테크월드뉴스 무단전재 및 재배포 금지