전력관리IC

글 : 스티브 노스(Steve Knoth) / 프로덕트 마케팅 엔지니어리니어 테크놀로지 / www.linear.com오늘날의 배터리 구동식 휴대형 전자제품 설계자는 예상치 못한 문제에 직면하고 있다. 이러한 문제점들 중에서, 점점 증가하는 시스템 복잡도 및 고전력 예산을 충족시켜야 하는 고성능 전력관리 시스템에 대한 요구가 대두되고 있다. 이러한 시스템은 긴 배터리 동작시간, 다중 전력원의 호환성, 고전력 밀도, 소형 크기 및 효율적인 열 관리의 최적 균형을 추구한다. 새로운 종류의 PMIC(power management integrated circuit)는 전통적인 PMIC보다 더욱 더 작은 풋프린트와 더욱 높은 성능으로 시스템을 효율적으로 구동시키기 위해 유용하다. 이것은 제품 설계자가 시스템을 구성하고 파티션할 수 있는 방법을 변화시키고 있다.PMIC는 낮은 드롭아웃 레귤레이터, 스위칭 레귤레이터, 인터페이스 회로, 심지어 배터리 충전기와 같은 다중 디스크리트 파워 IC 기능의 고집적 통합을 통해 PC 보드 공간을 절약하기 위한 필요성에서 출발했다. 지난 5년에서 10년간, 이러한 시스템온칩(SoC) 유형의 IC 제품들은 점점 더 일반화되었다. 그러나 이러한 IC 제품들은 상당히 컸으며 설계자에게 감춰진 비용과 성능 제한이 뒤따랐다.그러나 리니어 테크놀로지가 개발한 새로운 세대의 PMIC의 등장으로 더욱 더 최적화된 솔루션이 등장했다. 리니어 테크놀로지는 전력 경로 관리, 고효율성 동기식 스위칭 레귤레이터, USB 온-더-고 (On-the-Go), 과전압 보호, 고전압 입력 성능, 완전 기능형 배터리 충전기와 같은 실행하기 어려운 기능별 회로를 통합시키면서, 동시에 전반적인 성능 제한을 향상시킨다. 이 소형 폼팩터, 로우-프로파일 QFN 패키징, 최소 외부 부품들은 핸드헬드 전기 디바이스, 특히 USB 전력을 사용하는 디바이스를 위해 간단하고 소형의 효율적인 비용의 솔루션을 실현시킨다. 그러나 다른 시장에서도 또한 사용될 수 있다.‘과집적도’에 관련된 설계하기‘구매자’를 인식시키자! 일부 PMIC는 보드 공간을 절약할 수 있으나, 수많은 PMIC는 설계자에게 숨겨진 비용, 추가적으로 요구되는 설계 시간, 성능 제한이 뒤따른다. 산업 표준 PMIC는 폼팩터에서 상대적으로 크며, 상당히 제한적인 열이 생성되며, 애플리케이션이 반드시 요구되지 않는 수많은 기능들이 포함되고 있다. 따라서 복잡도가 추가되고, 회로 주변에 설계를 해야하는 필요성이 야기된다. 수많은 설계 경우에 고집적이 절대적으로 필요하다면, 전체 칩의 기능의 일부만 사용한다고 할지라도 설계자는 추가적인 기능에 대해 비용을 지불해야해 이에 대한 선택권이 없다. 수많은 고객들은 자신들이 원하는 것보다 원하지 않는 것에 대해 설계하는 데 더욱 많은 시간을 소비한다고 말한다. 대안적인 방법은 여러 개의 IC와 디스크리트 부품을 사용해 왔으며 이것은 더욱 많은 보드 공간을 차지하고, 비용을 추가시키고, 제조 복잡도를 증가시켜 BOM이 증가된다.열 감소시키기수많은 산업 표준 PMIC는 다양한 리니어 레귤레이터 온보드가 필요하다. 그러나 충분한 동선 트레이스 라우팅, 히트 싱크, 즉 잘 설계된 입력/출력 전압 및 출력 전류 레벨이 적절하게 관리되지 않을 경우, 리니어 레귤레이터는 PC 보드에서 상당한 국부적인 열 또는 ‘핫 스팟’을 생성할 수 있다. 대안적으로 입력 및 출력 전압 간의 차이가 클 경우 혹은 출력 전류가 높을 때, 스위칭 레귤레이터는 스텝 다운하여 전압을 변경할 수 있는 더욱 효율적인 방법으로 제공된다. 이것은 저전압 uP의 온보드를 갖춘 오늘날의 기능이 다양한 디바이스에서 일반적이다. 따라서 대부분의 전압 레일을 위해 스위치모드 전원공급장치를 구현하는 것은 점점 더 필수적이다. 추가적으로, 리니어 배터리 충전기는 배터리 전압 차동 및 충전 전류에 따른 입력 전압에 따라 다른 열 소스가 될 수 있다. 원칙적으로 리니어 충전기는 전력 소비 관점에서 리니어 레귤레이터와 같은 동작을 한다. 따라서 동일한 칩에서 리니어 충전기가 결합된 LDO는 문제를 일으킬 수 있으며, 실질적인 열 문제가 나타날 수 있다.리튬 배터리에서 중간급 전압 레일 생성하기최첨단 기능을 다양하게 갖춘 수많은 휴대형 전자 제품들은 예를 들어 I/O 혹은 HDD에 전력을 공급하기 위해 약 +3.3V의 전압 레일을 여전히 요구한다. LDO 단독으로는 리튬-이온 배터리 입력에서 이러한 시스템 전압을 생성하는데 분명히 충분하지 않다. 그 이유는 LDO가 전압을 스텝 다운만 할 수 있기 때문이다. 만약 이 파워레일이 리튬이온 배터리의 전원에 의해 꺼질 경우(이것은 완전 충전되었을 때 4.2V에서 일반적인 전압 범위를 가지며, 고갈되었을 때 ~3.0V로 하강한다) 벅 스위칭 레귤레이터의 사용은 어떤 입력 전원 범위 내에서는 충분하지 않다(벅의 드롭아웃은 LDO보다 우수하지 않다). 전체 리튬 배터리 범위를 이용할 수 있는 애플리케이션은 벅-부스트 레귤레이터가 필요하게 되며, 이것은 출력 이상의, 이하의, 또는 동일한 수준의 입력에서도 고정 출력 전압을 제공한다. 이것은 높은 펄스의 전류 요건을 갖는 시스템에 적당하다. 벅 또는 LDO는 VIN에서 드룹을 방지하기 위해 사용되는 아주 큰 입력 커패시터가 없다면 출력 레귤레이션을 제대로 못할 수 있다.다중 입력 전력 소스의 관리휴대형 핸드헬드 제품에서 발열을 최소화하면서 전력 흐름을 관리하는 것은 중요한 설계 과제이다. 점점 더 많은 수의 휴대형 배터리 구동식 제품들이 5V AC어댑터, USB 포트 또는 리튬-이온/폴리머 배터리와 같은 저전압 소스 및 자동차 어댑터 및 파이어와이어(Firewire) 포트와 같은 고전압 소스로부터 동력을 얻는다. 이러한 입력 소스와 배터리 간의 전력 흐름에 대한 자동 관리를 하면서 부하에 대한 전력을 효율적으로 제공하는 기능은 상당한 기술적 문제를 야기한다. 전통적으로 설계자는 소수의 MOSFET, 연산 증폭기, 기타 부품을 사용해 이 기능을 직접 실행하지만, 핫 플러그, 과도한 발열, 대규모 돌입 전류, 부하에 대한 대규모 전압 과도상태와 같은 어려운 문제에 직면한다. 이것은 시스템 신뢰성의 문제를 야기할 수 있다.USB에서 효율적으로 전력을 끌어내는 방법USB 기술은 전자 기기들의 편리성을 증대시키고 있다. 데이터 전송을 실행하는 동일한 USB 포트로부터 디바이스를 충전하는 것은 편리한 일이며, 개별적인 AC어댑터의 필요성을 제거시킨다. 그러나 USB가 디바이스의 배터리 충전을 위해 사용될 때 전력 제한(최대 2.5W)이 발생한다. 여러 경우에 USB 가능형 배터리 충전은 사용자에게 더욱 우수한 편리성을 의미하며, USB 전류 제한의 제약을 부과한다(최대 500mA). 따라서 배터리 충전기는 최종 제품의 열 한계를 초과하지 않고도 USB 포트에서 전력을 효과적으로 추출한다.시스템 설계자를 위한 중요한 과제는 다음과 같다:쪾 사용하지 않는 PMIC 기능을 설계처리하기쪾 열로써 소비되는 전력 최소화하기쪾 배터리 동작 시간 최대화하기쪾 저전압 및 중간 전압 레일 출력하기쪾 다중 입력 소스, 배터리, 부하 간의 전력 흐름 관리하기쪾 USB 포트에서 흐르는 전류 최대화하기(2.5W 이용 가능)쪾 솔루션 풋프린트 및 프로파일 최소화하기간단한 솔루션 등장전통적인 대형 PMIC의 성능 결함을 더 이상 해결할 필요가 없다. PowerPath™ 관리 및 차별화된 최상의 통합 기능 블록을 갖춘 리니어 테크놀로지의 PMIC 제품들은 이러한 문제들을 간단하고 쉽게 해결한다. 실제로 수많은 시스템에서 리니어 테크놀로지 PMIC 하나만으로 전체 시스템에 동력을 제공하는 것이 충분하다. 리니어 테크놀로지가 개발한 PMIC를 채택하는 것만으로 충분하며, 성능 저하 없이도 소형 솔루션으로 더욱 선택이 쉬운 통합 수준을 제공한다.파워패스 제어이러한 PMIC의 핵심적인 기능은 파워패스 제어이다. 자동 부하 우선순위 설정 기능은 USB 포트, AC 어댑터, 배터리와 같은 다양한 입력 소스 간의 전력 흐름을 자동으로 완벽하게 관리할 수 있는 성능을 제공하면서, 시스템 부하에 전력을 선택적으로 제공한다. 전통적인 배터리 주입식 충전 시스템에서, 사용자는 시스템 전력을 얻을 수 있는 충분한 배터리 충전과 전압 레벨이 생길 때까지 기다려야 한다. 반대로, 파워패스 제어는 보통 ‘인스턴트-온’ 동작으로 언급되는 배터리 충전 상태에도 불구하고, 플러그 되었을 때 최종 제품이 바로 동작할 수 있다. 파워패스 제어 회로는 리니어 및 스위칭 토폴로지로 구현된다. 리니어 파워패스 토폴로지의 혜택은 외부 고전압 벅을 갖춘 뱃 트랙(Bat-Track™) 어댑티브 출력 제어 기능과 시스템 부하에 흐르는 전력으로 향상된 열 성능이 포함된다. 스위치 모드 파워패스 기술은 이러한 장점들을 보존하면서 부하/시스템 및 배터리에 전력 보급 효율성을 향상시킨다. 이것은 리니어 배터리 충전 회로 부분에서의 전력 손실을 제거하며, 배터리 전압이 낮고 출력 전력이 제한적일 때(예: USB) 특히 중요하며, 뛰어난 열 특성을 제공한다. 두 번째로 큰 장점은 배터리 전압이 낮을 때 표준 USB 포트(~2.3W)에서 최고 700mA 배터리 충전 전류를 추출할 수 있는 성능이다. 표 1은 서로 다른 USB 충전 시스템 토폴로지의 정리와 비교를 보여준다.통합형 벅-부스트 및 부스트 레귤레이터 성능중간 및 높은 출력 전류를 갖춘 저전압 레일은 예를 들어 0.8V까지 낮춰서 uP 코어로 전력을 제공할 경우, 싱크로너스 벅 레귤레이터가 효율적으로 출력할 수 있다. 그러나 오늘날의 다양한 기능을 갖춘 수많은 휴대용 전자 제품들은 +3V 혹은 +3.3V의 중간 전압 레일을 요구한다. 싱크로너스 벅-부스트 스위칭 성능을 PMIC에 통합하는 것은 전체 리튬-이온/폴리머 입력 배터리 범위에 대해 3.3V 레귤레이션을 가능하게 한다(때때로 2.7V~4.2V 만큼 범위가 넓다). 높을 효율성으로 동작 마진이 확대되는 결과가 온다. 예를 들어 3.3V 벅-부스트 레귤레이터는 스텝-다운, 벅이 레귤레이션을 제대로 할 수 없는 배터리 전압 또는 부하 전류 과도상태에서도 레귤레이션을 할 수 있다. 또한 싱크로너스 부스트 레귤레이터는 >80%의 우수한 효율로 리튬이온 배터리 전압 범위 이상의 레일 전압으로 ‘스텝-업’ 변환할 수 있다. 또한, 고스위칭 주파수는 외부 부품 크기를 감소시키고, 세라믹 커패시터에서 안정성을 갖추어 출력 리플을 감소시킨다.더욱 길어진 배터리 수명 & 동작 시간리튬 이온/폴리머 배터리를 플로트(float) 전압으로 정확하게 충전하는 것은 배터리 수명에 상당한 영향을 준다. 이것은 플로트 전압 정확도와 정확한 종료 알고리즘을 갖춘 적절한 배터리 충전 IC를 선택함으로써 관리된다. 이들 가운데 모든 것은 배터리 동작을 최대화시키면서 셀을 과충전시키지 않는다. 게다가 싱크로너스 정류를 통한 시스템 낮은 대기(무부하) 전류와 고스위칭 레귤레이터 변환 효율성은 시스템의 저전류 소비를 가능하게 하며, 또한 배터리 동작 시간을 향상시킨다. 버스트 모드 동작은 경부하에서 스위칭 레귤레이터 무부하 전류(Iq)를 감소시켜, 디바이스 전류 소비 감소를 도와준다.LTC3586 PMICLTC3586 PMIC는 스위칭 파워패스 매니저, 독립형 배터리 충전기, 4개의 고효율 싱크로너스 스위칭 레귤레이터(1개의 벅-부스트, 1개의 부스트, 2개의 벅 레귤레이터), 올웨이즈-온 LDO를 소형의 로우-프로파일 38pin 4mm×6mm QFN 패키지에 모두 통합된다. 그림 1에서 자세하게 살펴보자.고속 충전을 위해 LTC3586의 스위칭 입력단은 USB 포트에서 사용할 수 있는 충전 전류를 2.5W의 거의 모든 것을 변환시켜, 500mA로 전류 제한된 USB 전원에서 최고 700mA까지, 혹은 AC 어댑터에서 1.5A까지 충전가능하게 한다. LTC3586의 벅-부스트 레귤레이터는 최고 1A를 지속적으로 제공할 수 있으며 전체 리튬이온 배터리 전압 범위에 대해 3.3V 출력을 효율적으로 출력하는데 이상적이며, 2.75V 입력까지 다운 시에도 가능하다. LTC3586의 2개 벅 레귤레이터는 100% 듀티 사이클 동작이 가능하며 400mA의 출력 전류를 각각 제공할 수 있으며, 최소 0.8V까지 출력 전압을 조절할 수 있다.부스트 레귤레이터는 적어도 800mA 출력 전류를 가능하게 하며 최고 5V 출력까지 프로그램할 수 있다. LTC3586의 내부 낮은 RDS(ON) 스위치가 스위칭 벅 및 벅-부스트로 하여금 94% 정도의 높은 효율을 가능하게 만든다. 또한, 버스트 모드 동작은 벅-부스트 레귤레이터의 경우 25uA만으로 무부하 전류와 각각의 벅 레귤레이터(모든 경우 셧다운에서 각각 < 1uA)를 위해 겨우 35uA만 소모하여 경부하에서 효율성을 최대화시킨다. 높은 2.25MHz 스위칭 주파수는 최저가의 커패시터와 높이가 1mm도 안되는 인덕터를 사용할 수 있게 하면서 매우 적은 출력 전압 리플을 달성시킨다. 또한, 모든 레귤레이터는 열 문제없이 작은 풋프린트를 실현하며 세라믹 출력 커패시터에서도 안정화된다.LTC3576 PMIC, USB OTG 지원LTC3576은 입력 과전압 보호 및 USB(OTG: On-The-Go) 기능, 독립형 배터리 충전기, 3개의 고효율 싱크로너스 벅 레귤레이터, 이상적인 다이오드, I2C 제어 및 올웨이즈-온 LDO 모두가 소형의 로우-프로파일 38핀 4mm×6mm QFN 패키지에 통합된 양방향 스위칭 전력 매니저의 특징이 있다 (그림 2 참조)LTC3576의 USB-호환형 양방향 스위칭 레귤레이터는 100mA 및 500mA의 프로그램 가능형 입력 전류 제한 특징이 있을 뿐만 아니라 1A AC 어댑터 입력 전류 제한 기능을 제공한다. 이 IC는 추가적인 부품없이 USB OTG 애플리케이션에서 요구되는 5V에서 500mA의 전력을 배터리로부터 출력할 수 있으며, 이를 통해 이 디바이스가 호스트 역할을 할 수 있게 한다. 고속 충전의 경우, LTC3576은 USB 포트에서 충전 전류로 이용할 수 있는 2.5W의 거의 모두를 변환시켜, 500mA 제한된 USB 전원에서 최고 700mA까지 실현시킨다. 전류 충전은 2차 외부 소스 AC 어댑터에서 최대 1.5A 만큼 높을 수 있다. IC는 66V 만큼 높은 애플리케이션 전압으로부터 입력에 대한 손상을 방지하는 OVP(overvoltage protection) 제어 회로를 제공한다. OVP 회로는 IC가 USB OTG를 위한 전력을 공급할 때도 USB 포트를 보호할 수 있다. LTC3576은 고전압 입력에서 효율적인 충전을 위한 리니어 테크놀로지의 고전압 스위칭 레귤레이터의 뱃 트랙 제어를 제공하면서 열 손실을 최소화하고 USB 및 고전압 전력원 간의 완벽한 전환을 제공한다.LTC3576의 3가지 통합형 싱크로너스 벅 레귤레이터는 세라믹 커패시터와 안정적이며 100% 듀티 사이클 동작의 특징이 있으며 0.8V까지 다운시킬 수 있는 조정 가능한 출력 전압으로 각각 1A/400mA/400mA의 출력 전류를 제공할 수 있다. 내부의 낮은 RDS(ON) 스위치는 94% 정도의 높은 효율을 가능하게 하며, 배터리 동작 시간을 최대화 한다. 또한, 버스트 모드 동작은 레귤레이터 당 단지 20uA의 무부하 전류를 갖추어 경부하에서 효율을 최대화시킨다(셧다운에서 <1uA). 3가지의 모든 스텝다운 스위칭 레귤레이터는 전압 마지닝을 위해 I²C 를 통해 전압이 ‘온-더-플라이’로 조정되거나 마이크로프로세서에서 성능/ 파워 트레이드오프를 최적화시킨다. 마지막으로, 높은 2.25MHz 스위칭 주파수는 초저가의 커패시터를 사용할 수 있게 하며 작게는 1mm 미만 높이의 인덕터를 사용할 수 있다.다양한 최종 애플리케이션리니어 테크놀로지의 PMIC 제품군은 PMP, PND, 전자 북 리더, 스마트 폰과 같은 소비자용 핸드헬드 USB 구동식 제품에 가장 적합하다. 그러나 새로운 기능 블록, 더욱 높은 전압, 전력 성능의 추가는 이러한 새로운 PMIC가 다른 시장도 공략할 수 있는 기회를 제공한다. 예를 들어, 태블릿 및 러기드(rugged) PC와 같은 산업용 휴대 제품이나 휴대형 데이터 입력 단말기는 고입력 전압 성능의 혜택을 보며 산업용 시스템 버스 전압의 라인 과도상태에서 과전압 보호의 혜택을 받는다. 의료 기기들은 다양한 레일 조합과 낮은 무부한 전류의 혜택을 받게 된다. 휴대형 자동차 진단 및 PND 장치들은 USB 이외에, 자동차 어댑터와 같은 고전압 소스로부터 장치에 효율적으로 전력을 공급받을 수 있는 고-전압 입력 성능의 혜택이 있다. 비전 시스템 및 전쟁터 컨디션 센서 시스템과 같은 군사용 애플리케이션들도 PMIC의 강력한 설계 및 고전압 성능의 혜택을 받는다.표 2는 리니어 테크놀로지의 고성능 PMIC를 정리한 것으로, 더욱 낮은 레벨의 통합형 배터리 구동식 토폴로지 IC에서 리니어 파워패스 기반의 IC로, 그리고 더욱 정교하고 더욱 높은 고집적 스위치모드 파워패스 기반의 PMIC 범위까지 광범위하다.결론시스템 설계자는 자신들의 휴대형 제품 요건을 위해 새로운 선택의 기회를 맞고 있다. 디스크리트 파워 IC 부품이나 전통적인 대형 PMIC를 사용하는 대신, 리니어 테크놀로지는 새로운 세대의 소형 PMIC를 제공하고, 새로운 수준의 성능, 더욱 작고 간단한 솔루션을 위해 핵심적인 전력관리 성능을 통합했다. 소형의 배터리 구동식, 리니어 또는 스위칭 파워패스 PMIC의 제품군은 제품 설계자의 작업을 훨씬 더 쉽게 해 준다. 이러한 IC 제품들은 USB 포트에서 더욱 더 많은 전력을 추출할 수 있는 성능의 특징이 있으며, 입력 소스 사이에서 전력 흐름을 완벽하게 관리하고, 효율적인 열 관리를 제공하면서, 뱃 트랙 어댑티브 출력 제어를 통해 효율성을 증대시키고, 전체 리튬이온 배터리 입력 범위에 걸쳐 저전압 레일, 중간 전압레일, 그리고, 고전압 레일을 제공하고, 더욱 더 작고 소형의 외부 부품을 활용함으로써 설계를 단순화시킨다. 마지막으로, 이러한 IC들은 USB 충전, USB 온-더-고 편의성, 고신뢰성, 데드 배터리에서도 시스템 동작, 장시간의 동작 시간, 고속 충전 시간을 포함해 제품의 최종 디바이스에 대한 혜택을 실현시킨다.참고>>owerPath, Burst Mode, Bat-Track은 리니어 테크놀로지의 트레이드마크입니다.
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