스위칭 PowerPathTM 관리 기능의 차세대 PMIC

PMIC

글: 스티브 노스(Steve Knoth) / 리니어 테크놀로지 프로덕트 마케팅 엔지니어www.linear.comUSB 기술은 전자기기의 휴대성을 증대시킨 한편, 더 많은 기능을 수용하기 위해 배터리 용량은 더욱 커져야 했다. 개인 미디어 플레이어를 예로 들어보자. 다운로드 할 수 있는 미디어 콘텐츠를 PC에서 휴대기기로 데이터를 전송하기를 원하는 사용자들이 늘어난 가운데 여기에 USB를 이용하면 이를 더욱 신속하게 처리할 수 있다.또한 동일한 USB 포트에서 기기를 충전하는 것이 편리하다. 그러나 USB가 기기의 배터리 충전에 사용될 때에는 전력 제한이 있다. 파워패스 토폴로지 IC는 이런 문제를 해결하여 최종 사용자가 다양한 입력 전원, 배터리를 자율적으로 원활히 관리하고 부하에 전력을 제공한다. 또한 충전이 신속하게 이루어질 수 있도록 함과 동시에 열 발생은 최소화 하고, ‘인스턴트온(instant-ON)’ 기능을 제공한다.최근 리니어 테크놀로지는 스위치 모드 기반 파워패스 매니저, 리튬 배터리 충전기, 트리플 벅 레귤레이터와 LDO 온보드(onboard)를 갖춘 PMIC LTC3555를 출시했다. 최종 제품에 이점을 제공할 수 있는 여러 고성능 기능을 탑재하고 있을 뿐만 아니라 소형 로우프로파일(low-profile) QFN 패키징과 몇 가지의 외부 부품은 휴대 전자기기를 위한 간단하고 콤팩트한 비용효율적인 솔루션을 구성한다.핵심 설계 난제대부분 사용자들은 USB 배터리 충전 방식을 더 편리하게 여긴다. 그러나 USB 기능은 USB 전류 제한 문제가 따른다. USB 기반 배터리 충전기는 전력집약적 애플리케이션의 팍팍한 공간과 열 제약을 충족시키기 위해 USB에서 가능한 한 효율적으로 많은 전력을 끌어낼 수 있어야 한다.제품 내 전력 플로우를 관리하는 것은 또 다른 문제이다. 오늘날의 많은 배터리 구동 휴대 전자기기는 어댑터(wall adapter), 오토모티브 어댑터(automotive adapter), USB 포트 혹은 리튬이온/폴리머 배터리와 같은 전원공급기에서 전력을 공급받을 수 있다.그러나 이러한 다양한 전원, 부하 그리고 배터리 간 전력 흐름을 자율적으로 관리하는 데에는 중요한 기술 과제가 따른다. 기존에는 설계자들이 소량의 MOSFET, OP 앰프, 기타 개별 부품을 사용해 독립적으로 이러한 기능을 처리할 수 있도록 시도했으나, 치명적인 시스템 신뢰도 문제를 야기할 수 있는 핫 플러깅(hot plugging)과 다량의 쇄도 전류와 관련된 중대한 문제에 직면하게 되었다. 최근에는 개별 IC 솔루션에도 실용적인 솔루션을 구현하기 위한 여러 칩이 요구된다.리튬이온과 리튬폴리머 배터리는 상대적으로 높은 에너지 밀도로 제한된 크기와 무게 내에서 다른 화학물보다 더 많은 용량을 제공하기 때문에 휴대용 소비자 제품에서 보편적으로 사용되고 있다. 휴대 기기들이 더 복잡해짐에 따라, 더 많은 전력을 소모하여 고용량 배터리에 대한 수요가 증가하여 고급 배터리 충전기에 대한 수요도 증가하고 있다. 고용량 배터리는 높은 충전 전류나 충분히 충전되는 데 시간이 더 필요하다. 대부분 소비자는 단시간 내에 충전할 수 있기를 원하기 때문에 충전 전류를 높이는 것이 문제 해결에 분명한 솔루션이 되겠지만, 여기에는 두 가지 단점이 있다.첫째, 선형 충전기로는 증가된 전류가 열과 같은 추가 전력 소실을 일으켜 실제 일반 전력이 최대 2.1W까지 줄어들게 된다. 두 번째로, 충전기는 5V USB 버스에서 끌어온 전류를 호스트 컨트롤러가 처리하는 모드에 따라 100mA(500mW)나 500mA(2.5W)로 제한해야 한다는 점을 들 수 있다. 배터리 충전기 IC에 필요한 고난도 기능 통합과 함께 고효율 충전에 대한 수요로 보드 공간을 절약해야 하고 제품 신뢰도를 증가시켜야 해서 배터리 구동 전자기기 설계자들에게 중압감을 느끼게 한다.시스템 설계자가 겪는 주요 난제들을 요약하자면 다음과 같다:쪾 USB 포트 (2.5W)에서 제공되는 전류 최대화쪾 다중 입력 전압 소스, 배터리, 부하 간 전력 흐름 관리쪾 열 최소화쪾 충전 효율 최대화쪾 솔루션 풋프린트와 프로파일 최소화리니어 테크놀로지가 제공하는 PMIC와 같이 ‘의미 있는 통합’을 실현한 PMIC는 이런 문제들을 간단하고 쉽게 해결해 준다.간단한 솔루션: 파워패스 컨트롤파워패스 컨트롤은 USB 포트, 어댑터(wall adapter), 기타 AC 어댑터, 배터리와 같은 다양한 입력 소스 간의 전력 흐름을 자율적으로 유연하게 관리할 수 있고 충분한 전력을 부하로 제공할 수 있다.파워패스는 또한 전력이 회로에 공급되자마자 시스템에 중간 전압이 제공되어 배터리 충전 상태에 상관없이 최종 제품이 플러그 인 되자마자 동작할 수 있도록 해줌으로써 ‘인스턴트온’ 기능을 제공한다. 파워패스 컨트롤 기능은 전력을 기기 부하에 제공하며, 단일 전지 리튬이온/폴리머 배터리를 전원에서 충전한다. USB 버스에 연결될 시 완전히 충전된 배터리가 그대로 남아있도록 IC는 배터리에서 전력을 받기보다 USB 버스를 통해 부하에 전력을 공급하게 한다. 전원이 제거되면, 내부 저손실 아이디얼(ideal) 다이오드를 통해 배터리에서 부하로 전류가 흘러서 전압 하강과 전력 손실을 최소화한다. 이에 대한 자세한 내용은 단순화된 스위칭 파워패스 블록 다이어그램을 나타내는 그림 1을 참조한다. 아이디얼 다이오드의 순방향 전압 강하는 기존 혹은 쇼트키 다이오드 전압 강하보다 훨씬 낮아서 에너지 전송 효율성을 최대화하고 역전류 누설 또한 적어진다. 적은 순방향 전압강하는 전력 손실과 셀프 히팅(self-heating)을 줄여주어 배터리 수명을 늘여준다.스위칭 파워패스 시스템1세대 USB 충전 시스템 애플리케이션은 배터리가 시스템에 바로 전력을 제공하는 곳인 USB 포트와 배터리 사이에 전류제한 배터리 충전기를 구현했다. 2세대 선형기반 USB 충전 시스템은 USB 포트와 배터리 (파워패스 시스템) 사이에 중간 전압을 개발했다. 새로운 3세대 USB 충전 시스템은 스위치 모드 기반 토폴로지를 선보인다. 이 파워패스 디바이스 유형은 배터리 전압 위 고정 전압으로 조정된 USB 호환(USB-compliant) 스텝다운 (buck) 스위칭 레귤레이터로부터 중간 버스 전압을 제공한다. 그림 1을 살펴보자. 이 어댑티브 출력 제어 형태는 리니어 테크놀로지에서는 ‘뱃트랙(Bat-Track™)’이라고 부른다. 레귤레이트된 중간 전압은 선형 충전기를 통해 적절히 충전될 만큼 높다. 그러나 이런 방법으로 배터리 전압을 추적하여 선형 배터리 충전기에서 손실되는 전력을 최소화하고 효율성을 증가시키며 부하에 제공되는 전력을 최대화한다. 게다가 평균 스위칭 입력 전력 제한은 USB 공급의 전 2.5W 사용을 최대화한다. 외부 PFET 옵션은 적은 열 소산을 위해 아이디얼 다이오드 임피던스를 줄여준다. 이런 구조는 대형(>1.5AHr) 배터리 시스템에 ‘필수’이다.LTC3555: 스위칭 파워패스 매니저 기반 PMICLTC3555 PMIC은 소형 28핀 (4mm×5mm) QFN 패키지(그림 2 참조)에 완벽한 전원공급 솔루션을 제공하기 위해 USB 스위칭 파워패스 매니저, 리튬 배터리 충전기를 3개 싱크로너스 벅 레귤레이터와 LDO를 결합한다.정전류 정전압 리튬이온/폴리머 충전기는 배터리 충전기 효율성을 극대화하기 위해 배터리 전압을 자동으로 추적하는 입력 전압을 발생시켜 뱃트랙 기능을 활용한다. 독립형 자동 동작 방식으로 외부 마이크로프로세서 충전 터미네이션(charge termination)이 필요 없다. 전력이 보존되기 때문에 LTC3555는 VOUT 부하 전류가 USB 부하 스펙 범위 내에서 USB 포트에서 나온 전류를 초과하게 하여 빠른 충전(그림 3 참조)을 위해 USB 포트의 700mA 충전 전류를 제공할 수 있다. I2C 시리얼 인터페이스는 다양한 애플리케이션의 동작 모드를 변경하는 최대의 적응성을 위해 충전기와 벅 컨버터에 대해 완벽한 컨트롤을 할 수 있게 해준다.LTC3555의 3개 사용자 구성가능 스텝다운 DC/DC 컨버터들은 0.8V 출력 전압까지 0.4A, 0.4A, 1A 출력 전류를 제공할 수 있어서, 100% 듀티 사이클(duty cycle) 동작과 1.8V 이상 출력 전압에 대해 최대 92% 효율성을 제공한다. 버스트 모드(Burst Mode) 동작은 레귤레이터 당 35uA의 대기 전류로 경부하에서 효율성을 최적화한다. 높은 2.25MHz 스위칭 주파수로 인해 높이가 1mm 미만인 저가 커패시터와 인덕터를 함께 사용할 수 있다. 뿐만 아니라 레귤레이터는 세라믹 출력 커패시터와 안정적으로 동작하여 출력 전압 리플이 굉장히 낮다. 이 디바이스는 또한 올웨이즈온(always-on) LDO 레귤레이터 출력을 제공하여 실시간 클록이나 푸시버튼 모니터와 같은 시스템 수요에 필요한 25mA를 제공할 수 있다.결론배터리 구동 제품 설계자들은 효율적인 충전, 낮은 열 손실, USB 호환성과 함께 소형 크기와 입력 전원 편리성과 융통성에 대한 수요로 어려움에 직면한다. 동시에 설계는 보드 공간을 절약하고 제조 비용을 줄이며 제품 신뢰도를 증가시키기 위해 통합된다. 리니어 테크놀로지의 파워패스 매니저 기반 PMIC 제품군은 제품 설계자들의 일을 더욱 쉽게 해준다. 이런 IC는 USB 포트에서 더 많은 전력을 제공하고 다양한 입력 소스, 배터리, 부하 간의 전력 플로우를 원활히 관리하게 해주며 열을 줄이고 뱃트랙 적응 출력 제어를 통해 충전 효율성을 향상시킨다. 또한 낮은 출력 전압 시스템 레일을 제공하며 적은 외부 부품을 활용하여 설계를 단순화해준다.LTC3555는 USB 충전 편리성과 휴대성, 무용지물 배터리 혹은 배터리가 없는 시스템 전원 제공, 빠른 충전 시간을 포함하여 이런 휴대 배터리 구동 전자기기의 최종사용자에게 여러 혜택을 제공한다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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