애플리케이션 프로세서 전용 전원공급장치

파워서플라이 설계 기술 동향

글 : 토마스 스채프너 / 시스템 엔지니어텍사스 인스트루먼트 / www.ti.com소형 사이즈의 솔루션은 스마트 폰의 통합형 회로를 개발할 때 가장 중요한 설계 요인이다. 이 밖에 고효율성, 유연성, 외부 부품 수도 중요한 요인이다. 그러나 내비게이션 시스템에서는 큰 디스플레이 및 폼팩터로 인해 공간이 단순히 핸드헬드 애플리케이션만큼 중요하지는 않다. 핸드헬드 기기처럼 내비게이션 시스템은 한 번에 몇 시간 동안만 작동되도록 설계되었다. 결국 내비게이션 시스템은 자동차의 대시보드에 고정되거나 자동차의 배터리에 연결된 12V 어댑터에 의해 동력이 공급되는 것이 더 일반적이다. 어댑터는 일반적으로 내비게이션 시스템의 입력에 5V DC를 제공하기 위한 프리-레귤레이터를 포함한다. 이것은 전용 전력 입력이나 USB 커넥터가 될 수 있다. 입력 전압은 일반적으로 리튬-이온 배터리를 충전하기 위해 사용된다. 전력 경로의 유무에 따라 배터리 충전기는 2가지의 개념이 있다.주요한 차이점은 배터리가 부하에 연결되어 있는 방법이다. 전력 경로가 없는 충전기의 경우, 배터리는 부하에 직접 연결되어 있으며 충전기로 제공되는 전류는 부하와 배터리 사이에서 나뉘어 진다. 애플리케이션이 꺼지고 부하 전류가 없는 경우, 충전기로 제공되는 전체 전류는 배터리를 충전하는데 사용된다. 애플리케이션이 켜질 때, 충전 전류는 감소되며 전류의 일부는 애플리케이션에 전력을 공급한다. 이 개념은 매우 단순하지만 배터리로 흐르는 충전 전류는 예측될 수 없다. 배터리와 애플리케이션용 충전기의 총 출력 전류만이 알려져 있다.2차 충전기 토폴로지는 전력 경로를 포함한다. 배터리는 스위치에 의해 부하에서 분리된다. 충전기에 대한 입력 전압이 없는 경우, 스위치가 폐쇄되고 배터리는 출력에 연결되며, 애플리케이션에 전력을 공급한다. 외부 전원공급장치가 연결되었을 때, 배터리에서 전력 출력에 이르는 스위치는 개방되고 충전기의 입력에서 전력 출력에 이르는 2차 스위치는 폐쇄된다. 입력 전압은 출력으로 직접 연결되거나, 배터리 전압을 초과하는 100mV 정도의 전압이나 혹은 고정 전압으로 사전에 조절된다. 2차 회로는 배터리를 독립적으로 충전시킨다. 전력 경로를 갖춘 충전기는 자동차 어댑터나 USB 버스의 입력 전류를 제한하는 옵션을 제공한다. 충전 전류는 독립적으로 설정될 수 있다. 이 개념은 여러 장점이 있다.쪾 배터리의 충전 전류는 부하에 따라 달라지지 않는다.쪾 정교한 충전 터미네이션쪾 외부로 전력이 공급될 경우, 출력 전압은 입력 전압과 동일할 수 있다.전원공급장치의 경우, 어떠한 유형의 충전기가 사용되느냐에 따라서 입력 전압 범위가 다르다. 최소 동작 전압은 일반적으로 리튬-이온 셀의 최소 전압으로 정의되며, 이것은 표준 리튬-이온 셀 기준인 3.0V 정도로 낮을 수도 있다. 최대 전압은 전력 경로가 없는 경우 충전기에 좌우되고, 최대 전압은 최대 배터리 전압과 동등하다. 이것은 일반적으로 4.2V이다. 전력 경로가 동작 중일 경우, 전압은 5V 이상으로 증가할 수 있다. 따라서 전체 입력 전압 범위에 대해 우수한 효율성을 갖춘 전원공급장치를 이용하는 것이 바람직하다. 이것은 LDO가 전원공급장치 칩에 통합될 경우 중요하다. 효율성이 주로 입력과 출력 전압의 차에 의해 정의되는 통과 요소를 거치는 전압에 따라 좌우되기 때문이다.통합형 회로의 경우, 충전기를 통합할 것이냐 말 것이냐에 관한 문제가 항상 존재한다. 소형 디바이스로 애플리케이션에 전력을 공급하기 위해 요구되는 수많은 회로를 포함하는 것이 바람직하지만, 솔루션의 절충안과 비유연성의 단점이 있다. 레이아웃 관점에서 뿐만 아니라 전력 소비의 관점에서도 PMU(power management unit)에 통합된 배터리 충전기 없이 솔루션을 제공하는 것이 적절하다. 충전기는 이용할 수 있는 입력 소스와 더욱 유연하게 사용되는 배터리에 사용될 수 있다. 충전기는 배터리나 입력 커넥터에 가깝게 배치될 수 있는 반면, PMU는 프로세서가 전력을 공급받을 수 있도록 가깝게 배치될 수 있다.오디오 증폭기 및 오디오 코덱과 같은 블록뿐 아니라 디스플레이 및 디스플레이 백라이트를 위해 전력을 통합하는 방법들이 있다. 충전기의 경우와 같은 동일한 문제들이 이러한 추가 블록에서도 존재한다. 여러 개의 다른 블록을 통합하는 디바이스는 수많은 다른 애플리케이션을 위한 유연한 솔루션에서부터 고객의 특정 디바이스까지 이동한다. 이것은 특정 파라미터에 절충하지 못하면 다른 애플리케이션에 적용하기 어렵다. 제한된 특징을 갖춘 디바이스들은 결국 더욱 높은 유연성을 제공한다.다음의 예에 나오는 디바이스는 일정 애플리케이션 혹은 일정 프로세서 전용 디바이스이다. 텍사스 인스트루먼트의 TPS65024x 제품군의 PMU는 출력 전류 성능 및 출력 전압과 관련된 프로세서에 최적화되어 있다. 이것은 디바이스가 기타 다른 장치에 전력을 공급하도록 사용될 수 없음을 의미하는 것이 아니라, 디바이스를 전용 프로세서에 사용함으로써 더 적은 외부 부품을 필요로 함을 의미한다.TPS65024x 제품군의 PMU는 I/O 전용 스텝-다운 컨버터 3종, 메모리, 핸드헬드 디바이스의 핵심 전압을 포함한다. 추가로 매우 낮은 리플 혹은 저전류를 갖춘 공급 전압을 요구하는 전압 레일을 위한 3개의 LDO가 있다. LDO1 및 LDO2로 불리는 2개의 LDO는 200mA의 출력 전류를 제공할 수 있는 반면, 세 번째 LDO(LDO3)는 애플리케이션 프로세서가 대기 모드일 때에도 켜져 있어야 하는 전압 레일(Vdd_alive) 전용이다. 배터리의 전류를 가능한 한 작게 대기 상태로 유지시켜서 출력 전류 성능은 30mA이고 LDO3용 공급 전류는 고작 10uA에 지나지 않는다.일반적으로 광범위한 출력 전류에 대한 고효율성은 배터리 구동형 애플리케이션의 핵심이다. 따라서 모든 디바이스들은 낮은 대기 공급 전류에 최적화되었다. 이 전류는 전류를 출력에 제공하지 않고 칩에서 필요로 하지만, 출력 전압을 여전히 유지시키는 전류를 말한다.이 파라미터는 오랜 기간 동안 대기 모드로 동작되는 애플리케이션에서 중요하다. 낮은 대기 공급 전류는 애플리케이션이 공급 전류를 요구하지 않을 때 대기 시간을 향상시킬 뿐만 아니라 DC/DC 컨버터의 매우 낮은 출력 전류에서 효율성을 얘기할 때 중요한 파라미터가 되기도 한다.DC/DC 컨버터, 예를 들어 스텝-다운 컨버터의 효율성은 3가지 요인의 영향을 받는다. 고출력 전류에서 효율성은 주로 내부 전력 스위치의 저항에 의해 결정된다. 따라서 낮은 저항은 이 동작 범위에서 중요하다. 고정 주파수 PWM(pulse width modulation) 모드로 동작되는 스텝-다운 컨버터에서 듀티 사이클은 입력 대 출력 전압 비율에 따라 다르다. 낮은 출력 전압의 경우, 내부 로우 사이드 스위치(NMOS)는 하이 사이드 스위치(PMOS)보다 훨씬 더 오래 켜진다. 고출력 전압의 경우, 하이 사이드 스위치는 대부분의 시간에 켜져 있다. 따라서 크기 및 그 대상 컨버터의 출력 전압에 대한 스위치의 저항을 개조하는 것이 중요하다. 물론, 입력 전압이 모든 컨버터, 일반적으로 리튬-이온 셀 혹은 월 어댑터의 고정 전압에서 동일하다고 가정할 경우이다.10mA~200mA 범위의 출력 전류의 경우, 스위치 저항은 더 이상 대부분의 손실을 야기하지 않는다. 대신, 전원 스위치와 인덕터 손실을 위한 게이트 충전은 효율성을 결정한다. 출력 전류에 스위칭 주파수를 적용하는 것은 소위 ‘PFM(pulse frequency mode)’으로 불리는 동작 범위에서 고효율성을 유지하는 핵심 기술이다. PFM은 출력에 대한 에너지의 일정한 부분을 단순히 제공한다. 이것은 고출력 전류 및 낮은 스위칭 주파수에서 더 높은 스위칭 주파수를 야기한다. 따라서 낮은 출력 전류에서 스위칭 손실이 적다. 컨버터의 매우 낮은 출력 전류에서, 대기 공급 전류로 야기되는 일정한 손실은 위에서 언급한 것처럼 효율성을 결정한다. TPS65024x 제품군은 손실이 최소화되는 방식으로 설계되며, 광범위한 전압 및 전류 범위에서 최상의 효율성을 낳는다. 표 1은 그림 3에 나타난 것과 같이 TPS5024x 제품군의 개요 및 블록 다이어그램을 보여준다.그림 3의 디바이스는 삼성 애플리케이션 프로세서를 위해 최적화된 것으로, 이것은 저전력 모드 시 1.0V의 코어 전압을 요구하고 정상 작동 모드 시 1.3V를 요구한다. 외부 부품 수를 최소화하기 위해, 스텝-다운 컨버터 1은 고정 3.3V 혹은 I/O 전압 전용의 2.8V 출력을 갖는다. 컨버터 2는 2.5V 나 1.8V의 메모리 전압을 위한 것이다. 컨버터 3에서 출력 전압은 DEFDCDC3으로 불리는 디지털 입력의 상태에 따라, 1.0V 및 1.3V 사이에서 켜질 수 있다. 따라서 스텝-다운 컨버터 1과 2를 위해 전압을 설정해야 하기 위해 외부 부품이 필요하지 않다. 유연성을 유지하기 위해, 외부 전압 디바이더는 0.6V 범위 내의 출력 전압을 설정하기 위해 컨버터 1과 컨버터 2용 입력전압(Vbat)에 연결될 수 있다. 그림 4는 컨버터 1과 컨버터 2용 출력 전압 설정을 위한 옵션을 보여준다.3가지의 LDO 중 2개는 개별적인 입력 전압 핀 다음에 오며, 1.5V~6.5V의 범위에서 LDO가 어떤 입력 전압에 의해서도 구동될 수 있도록 한다. LDO3은 입력 전압 핀 Vcc에서 내부적으로 전력이 공급된다. 또한, 전압 비교기가 있어 배터리에서 전압이 일정 임계값 미만으로 떨어지는지 감지하고 애플리케이션 프로세서에 경고하는데 사용될 수 있다.<<저자소개토마스 스채프너(Thomas Schaeffner)는 8년간 텍사스 인스트루먼트에서 시스템 엔지니어로 활동했으며, PMU 그룹에서 신제품 정의를 담당했다.참고문헌>>쪾 TPS650240 데이터시트는 www.ti.com/sc/device/TPS650240에서 다운받을 수 있다.쪾 기타 이용 가능한 전력 솔루션에 대한 정보는 www.power.ti.com을 이용한다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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