PoL 디자인을 위한 싱글 스테이지 컨버전

작고 강하다 - PoL의 한 단계 발전

글 : 파비즈 파르토 / 시스템 애플리케이션 매니저 세실리아 콘텐티 / 마케팅 엔지니어인터내셔널 렉티파이어 / www.irf.comPoL은 여러 가지 이유로 오늘날 전원 시스템의 선택적 아키텍처가 되었다. 첫째, 현대의 소자에서 요구하는 낮은 공급 전압 때문에 디자이너들이 온 칩 전력 소모를 크게 줄일 수 있게 되었다. 그러나 시스템의 전원을 그렇게 낮은 전압에서 분배하는 경우 손실에 영향을 끼친다. 그러므로 전력을 고전압 버스를 경유해 분배하고 사용 지점 가까이에서 변환하는 것이 합리적이다.동시에 많은 칩은 물론 대다수의 시스템이 현재 다중 공급 전압을 필요로 한다. 다중 시스템을 갖춘 전원 버스 구현은 기본적으로 로컬 변환보다 좋은 옵션은 아니다. 하이 피크 전류 수요를 충족시켜야 하는 필요성 때문에 PoL 기술이 발전하게 되었다. 또한 칩과 시스템이 점차 컨트롤된 순서에 따라 이루어지는 전력의 업 다운을 요구하고 있다. 즉, 로컬 변환의 경우 필요한 곳에 지능적인 삽입이 더 용이하다.비록 PoL 아키텍처가 잘 확립되어 있다고는 하나 그럼에도 많은 상황에서 구현하기에는 해결해야 할 점이 남아 있다. 주요 난제 중의 하나가 기존의 PoL 솔루션이 좁은 범위의 입출력 전압 만을 수용한다는 점이다. 이는 곧 기본적 시스템이 2단계의 변환을 필요로 한다는 것을 의미한다. 첫 번째로 12V의 입력이 레일 전압(기본적으로 3.3V 또는 5V)으로 강하된다. 그 다음에 PoL 컨버터가 이용되어 필요한 출력 전압을 생성한다.쮔 싱글 스테이지 전력 변환그러나 두 개의 스테이지 기술은 기판 면적과 전력을 낭비하게 되는데 그 이유는 2중의 손실이 수반되기 때문이다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 인터내셔널 렉티파이어는 SupIRBuck™ 계열의 PoL 전압 레귤레이터를 개발했다. 이 소자는 2.5V에서 21V까지 어느 전압에서나 동작한다. 결국 보다 효율적인 단일 단계 전원 변환이 가능해진다.단일 단계 접근방식으로부터 기대되는 향상을 계량화하기 위해 그림 1에서 2가지 시스템의 효율을 비교했다. 2단계 아키텍처의 경우 1단계에서는 12V를 3.3V로 변환하는데 93%의 효율이 예상된다. 각 80%의 효율을 가지고 있는 3개의 PoL 컨버터가 1.2V, 1.5V, 그리고 1.8V에서 사용되어 6A를 공급한다.이러한 시스템에서 2단계의 전력 손실은 약 9.2W이며 효율은 약 74.4%이다. 반대로 동일한 단일 단계 변환의 경우 12V에서 직접 목표 출력 수준으로 변환하며 효율은 85%이다. 전력 손실은 거의 1/2 수준인 4.76W로 감소된다. 또한 하나의 전원 단계가 없어지기 때문에 기판의 면적이 여유롭고 단가가 감소한다. 최종 솔루션은 보다 신뢰도가 높은데 이는 컴포넌트의 수가 줄어들고 열 스트레스가 낮아지기 때문이다.쮔 효율 문제단순히 넓은 범위의 입력을 수용하는 능력만으로는 이러한 시스템의 요구 사항을 충족시키기에 충분하지 않다는 점에 주목할 필요가 있다. 실제 필요한 것은 전체 범위에서의 높은 효율이다. SupIRBuck의 경우 그림 3에 예시되어 있는 바와 같이 19V의 입력전압에서도 약 90%의 효율을 보인다.PoL 컨버터의 또 다른 오랜 단점은 부하의 범위에 따라 효율을 유지하지 못한다는 점이다. 이는 높은 수준이나 낮은 수준의 출력 전류에서 동일하다. 예를 들면 기존의 컨버터에서 10% 구역의 상위 및 하위 부하에서 효율이 급강하하는 경우가 흔하다. SupIRBuck 컨버터는 이 문제를 해결해 전류 조건의 범위에서 높은 효율을 유지한다.쮔 디자인 선택어떤 아키텍처가 선택되든지 PoL 시스템 디자이너들은 특정의 중요한 디자인 선택에 직면한다. 가장 근본적인 것은 개별 컴포넌트 기반의 솔루션이 제공하는 장점과 모놀리식 컨버터 사용 사이에서 균형을 잡는 것이다.개별 IC와 MOSFET를 사용하는 경우 모놀리식 방식에 비해 몇 가지 장점이 있다. 특히 적절한 MOSFET를 선택하면 전류 처리 조건에서 융통성 있는 솔루션 구현이 가능하다. 엔지니어들은 디자인 변수를 전반적으로 어느 정도 컨트롤 할 수 있다.그러나 이산형(개별 부품) 접근 방식은 필요한 기판 면적이 상대적으로 크다. 부품의 수가 많기 때문에 높은 신뢰도 달성이 어렵고 재고 관리는 더 복잡하다. 디자이너의 작업이 상당히 더 어려워지기 때문에 디자인 사이클과 시장 출시에 필요한 시간이 길어지며 엔지니어링 비용이 높아진다. 마지막으로 시스템이 기대한 바 대로 작동하지 않거나 서비스에 실패할 경우 원인을 찾기 어렵고 책임 분배가 쉽지 않다.반면에 모놀리식 솔루션은 고밀도의 디자인 단순성을 제공하고 어떠한 문제 해결에 있어서 책임이 있는 공급자를 고객에게 제공할 수 있다. 그러나 기존의 디자인은 약점을 가지고 있다. 첫째, 기존 디자인은, 예를 들면 전류 공급을 증가시켜야 하는 경우, 융통성이 없거나 용이한 업그레이드 옵션을 제공할 수 없다. 또한 개별 부품 디자인에 비해 견고성이 상당히 부족할 수 있다. 특히 대부분의 모놀리식 소자에 배치되어 있는 지선 FET의 애벌런치 시험 또는 등급 산정이 되지 않는다.SupIRBuck 범위는 고성능 동기식 PWM 벅 컨버터 IC를 벤치마크, 트렌치 MOSFET 기술과 결합시킴으로써 이 모든 문제들을 해결하고 있다. 5mm×6mm QFN 패키지로 공급되는 이 소자는 개별 소자보다 70%의 공간을 절약할 수 있으며 기존의 모놀리식 솔루션보다 35%의 공간을 절약한다.디자인의 융통성은 광범위한 입력전압 범위를 수용할 수 있는 컨버터의 성능과 일반적인 패키징 풋프린트에서 4A, 6A, 7A, 9A, 12A 및 14A를 이용할 수 있는 성능에 의해 유지된다. 최고 부하 효율은 기존의 모놀리식 솔루션보다 8~10% 높다.다중 전류의 이용가능성은 특히 프로젝트 초반에 필요한 전류가 알려져 있지 않을 경우의 디자인에서 유용하며 이러한 경우는 디자인 과정에서 시스템이 변경될 때 빈번히 나타난다. 공통의 풋프린트를 사용하는 경우 시스템 디자이너들은 PCB 레이아웃을 변경하지 않고도 한 전류 등급에서 다른 등급으로 바꿀 수 있다. 하지만 기존의 모놀리식 또는 코-팩 (co-pack) 솔루션은 각 전류 수준에서 각기 다른 풋프린트를 가진다. 전류를 증가시키거나(성능을 높이거나 또는 보다 많은 기능이 필요한 경우) 또는 감소시킬(단가를 줄이기 위해) 경우 레이아웃의 변경이 필요하며 이로 인해 위험이 증가한다.개별 부품 솔루션은 MOSFET의 전류 등급을 변경함에 있어서, 비록 PWM 사양은 아니지만, 융통성을 허용한다. 그러나 보다 중요한 것은 개별 부품 솔루션 역시 EMI 문제가 있을 수 있는데 이는 기판 트레이스 인덕턴스 같은 기생 컴포넌트 때문이다. SupIRBuck은 기판 공간을 감소시키고 EMI 문제를 최소화하며 일차에서의 성공을 보장하는 한편 개별 부품 솔루션과 동일한 디자인 융통성을 제공한다.SupIRBuck 시리즈는 얇은 0.9mm 패키지의 열 사양까지 강화했다. 이를 통해 마더보드의 뒷면에 탑재가 가능해 공간을 추가로 절약할 수 있다. 단일 단계 전원 변환 사용이 가능해 질 경우 이렇게 낮아진 프로파일 때문에 소자는 공간이 제한되어 있고 밀도가 높은 애플리케이션에 이상적으로 적합하다.모든 소자들은 프리 바이어스 동작, 고정형 600kHz 스위칭 주파수, Hiccup 전류 리미트, 열 셧다운, 정밀 출력 전압 레귤레이션 기능 등을 포함하고 있다. 디자이너들은 DDR 트래킹, 프로그램 가능한 전원 상품, 낮아진 300kHz의 스위칭 주파수 등과 함께 옵션으로 다양하게 선택함으로써 추가적으로 2A의 출력 전류 성능을 제공받는다.쮔 요약PoL 시스템은 이미 현대의 전자 디자인에서 흔하게 사용된다. 작고 효율적이며 융통성 있는 PoL 컨버터를 이용가능하게 됨으로써 단일 단계 변환의 사용이 가능해지고 15A 이하의 공급을 필요로 하는 마더보드 레일에 공통의 소자 풋프린트를 통해 전원 공급이 가능하다. 디자이너들은 초기의 디자인을 펼치고 개발의 후반에 요구되는 정확한 전류 수준을 최적화 할 수 있다.SupIRBuck 시리즈 제품과 같은 소자들이 다음 수준의 성능, 융통성, 디자인의 용이성 등을 선도함에 따라 종국에는 PoL 아키텍처를 어느 곳에나 배치할 수 있게 될 것이다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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