디지털 파워: 애플리케이션 및 기술 과제에 대한 개관

PFC

글: 스티브 맵퍼스(Steve Mappus), 시스템 엔지니어페어차일드 세미컨덕터, 하이파워 솔루션www.fairchildsemi.com2000년대 초기에 디지털 파워가 논쟁의 주제로 처음으로 부상했을 때, 대부분의 하드 코어 전력공급기 설계자들은 아날로그 PWM 컨트롤러를 DSP 기반의 디지털 전력공급 컨트롤러로 대체한다는 생각에 대해 의문을 던졌다. 전력 엔지니어들은 디지털 파워를 Z-변환, 소프트웨어 코딩, 특정 컴퓨터 운영체계에서 때때로 나타나는 “죽음의 블루 스크린(blue screen of death)”으로 인한 전력공급기의 폭발 등을 우려했다. 뿐만 아니라, 복잡한 전력 시스템을 디지털적으로 통신 및 제어하는데 필요한 모든 기능들을 포함하는 반도체를 출시하기에 앞서 기본 개념들을 고비용의 DSP 또는 성능이 제한된 FPGA를 통해 검증했었다. 디지털 파워 기법들이 전력 시스템 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 검증했음에도 불구하고 업계는 10배 이상의 실리콘 비용을 투자하여 아날로그로 이미 진행되고 있던 것을 디지털적으로 모방하기를 꺼려했다. 하지만, 지난 수년간 보다 많은 발전이 이루어짐에 따라 향후 디지털 파워의 성장과 관련하여 재정적 투자자뿐만 아니라 시장 분석가들의 시각이 매우 긍정적으로 변화하고 있다.쮔 긍정적 시각으로 바뀌는 디지털 파워 시장오늘날의 디지털 파워 시장은 수많은 반도체 공급업체들과 OEM들 각각의 공헌적인 독창적 솔루션들로 구축되었다. 우선 디지털 파워가 의미하는 것의 차이를 구분하는 것이 중요하다. 전력 시스템 통제, 모니터링, 오류 감지, 데이터 로깅 등은 저비용의 마이크로컨트롤러, FPGA, PLD 등을 통해 구현할 수 있는 “디지털 파워 매니지먼트(DPM, digital power management)”의 한 측면이며, 타임 기반 요건들이 상대적으로 느리다. 하지만, 디지털 파워와 관련하여 보다 많은 기술적인 과제를 안고 있는 것으로는 하나 또는 그 이상의 전력 공급 제어 루프들이 고속 ADC 및 마이크로컨트롤러, 스테이트 머신 또는 DSP 기반 컨트롤러 알고리즘으로 페쇄되는 “전력의 디지털 제어(DCP, digital control of power)”를 예로 들 수 있다.반도체 시장 연구기관인 아이서플라이(iSuppli)는 전세계 디지털 파워 시장이 2008년 현재 2억 달러 시장규모에서 2011년 9억 달러 규모로 성장할 것으로 예측하고 있다. 디지털 파워 시장의 성장률을 그림 1에 요약하였으며, 향후 수년간 동안 DPM이 DCP를 크게 앞지를 것으로 나타나고 있다.현재 공급되고 있는 대다수의 전용 디지털 컨트롤러는 VRM(voltage regulator modules)과 POL(point of load) 컨버터를 포함하는 양산용 비절연 DC-DC 전력 컨버터이다. 이러한 형태의 DC-DC 컨버터는 일반적으로 전력을 본질적으로 매우 동적인 마이크로프로세서, DSP, 그리고 그 외 고속 디지털 회로 등과 같은 저전압 고전류 디지털 부하에 전달한다. 순수한 아날로그 제어 기법을 통해 200A/ns에 가까운 부하 과도전류 요건들을 충족시키면서 1V 전후의 정확한 전압 조정을 유지하는 것이 점점 힘들어지고 있다.일부 디지털 컨트롤러들은 동일한 아날로그 IC에서 구현하는 것이 보다 어렵거나 불가능할 수 있는 비선형 제어와 같은 특정 기능들을 제공할 수 있다. 사실상 거의 모든 디지털 POL 컨트롤러들이 과도전류 응답을 향상시킬 수 있는 차별화된 제어 기법을 제공한다. 이러한 전유 제어 알고리즘의 대부분이 초기 벤처 회사들에 의해 개발되었기 때문에 우선 공급업체와 듀얼 소싱(dual sourcing) 등에 대한 OEM의 요구는 시장 수용을 얻는 데 있어서 장벽이 되었다. 즉, 이로 인해 많은 디지털 파워 신생업체들과 일정 규모를 갖춘 아날로그 반도체 공급업체들 사이에 라이선스 계약이 체결되었다. 비절연 DC-DC POL 애플리케이션들이 전력 변환 시장에 대한 디지털 파워의 진입 지점으로 생각되었다. 하지만, 결과적으로 비전용 DSP를 통해 현재 디지털 제어를 구현하고 있는 절연 DC-DC 및 AC-DC PFC(power factor correction)가 향후 몇 년 내에 보다 높은 시장 수용을 얻게 될 것으로 기대되고 있다.쮔 디지털 PFC 컨트롤러의 기능적 요건디지털 PFC 컨트롤러에 대한 기능적 요건들은 POL 컨트롤러와 비교하여 상당히 다르다. PFC 레귤레이터는 보다 낮은 부하 조정 정확도를 요구하며 양자화 오류를 일으키는 상대적으로 낮은 스위칭 주파수와 전체 제어 루프 대역폭에서 동작하며, 사이클링과 ADC 해상도를 제한하여 보다 적은 설계 문제를 일으킨다. 여전히 상당한 시스템 지식과 경험을 필요로 하는 PFC 컨트롤러와 관련된 고유한 설계 문제들이 존재한다. 부하 과도전류 요건과 데드-타임 최적화가 PFC와 관련이 없을지라도 사실상 모든 오프라인 컨버터들의 전형적인 라인 과도전류 조건들을 처리하는 데 에는 비선형 제어가 효과적일 수 있다.AC-DC 전력공급기는 고조파 왜곡과 스위칭 레귤레이터에 의해 파생되는 잡음을 감쇄시킬 수 있는 EMI 필터가 일반적으로 필요하다. AC 주전력공급기와 연결된 인덕터 및 케피시터 회로를 사용하여 EMI 필터를 설계하기 때문에 전체 효율성에 부정적인 효과를 가지지만, 특정 장비 사양을 충족시키기 위해서는 반드시 필요하다. 일부 디지털 PFC 레귤레이터는 EMI 필터 요건을 낮추기 위해 기능들을 통합할 수 있기 때문에 크기가 작으면서 보다 효율적인 EMI 필터를 사용할 수 있다. 아날로그 PFC 컨트롤러는 다양한 컨트롤러 알고리즘과 DCM(discontinuous conduction mode), CCM(continuous conduction mode), BCM(boundary conduction mode) 등과 같은 동작 모드를 통해 구분할 수 있다. 각각의 PFC 동작 모드는 다양한 전력 레벨에 대해 그 장단점이 분명하다. 디지털 POL의 다중모드와 마찬가지로 디지털 PFC 컨트롤러를 PFC 제어 모드에서 동작하도록 지정할 수 있다. PFC 또는 POL 애플리케이션의 여부에 상관 없이 많은 OEM 제품 플랫폼 상에서 구성 가능한 컨트롤러는 보다 신속한 개발 시간과 유지보수를 위한 보다 적은 부품 재고 등을 통해 가치를 제공한다.다중 절연 및 비절연 전력 회로, 복잡한 냉각 프로파일뿐만 아니라 하나 이상의 PFC 레귤레이터를 필요로 하기 때문에 보다 높은 전력의 AC-DC 애플리케이션은 디지털 파워를 위한 보다 잠재력이 우수한 분야이다. 서버 전력 시스템은 디지털 제어와 전력관리가 분산 전력 아키텍처(DPA, distributed power architecture) 내에서 성능과 효율성에 대한 이점을 제공할 수 있는 하나의 예이다. 보다 많은 디지털 파워 콘텐츠들이 서버 및 컴퓨팅 파워 부문에서 사용됨에 따라 통신 및 데이터통신에서 사용되는 것과 같은 타 분야의 고전력 DPA 시스템들에서도 디지털 파워 솔루션을 채용하기 시작했다. 그림 2에 나타낸 바와 같이 모든 디지털 파워 반도체들에 대한 현재 및 미래 시장에 대한 침투력은 이러한 고전력 애플리케이션에 의해 분명히 결정될 것이다. 흥미로운 것은 디지털 컨트롤러에 대한 실리콘 비용이 낮아지면서 특정 전력 수준 이상의 PFC에 대한 정부와 규제기관의 요건들이 증가하면서 게임 시스템, 셋톱박스, 디지털 텔레비전, AC 어댑터, 배터리 충전기 등과 같은 일부 소비가전 AC-DC 전력공급기 부문에서도 디지털 파워 개발에 대한 타당성을 강화하고 있다.아날로그나 디지털의 여부에 상관없이 소비가전 시장용 애플리케이션을 위해 개발된 전력공급기들은 비용에 특히 민감하다. 기존 아날로그 솔루션과 비교되는 비용 압력이 소비가전용 애플리케이션에서 디지털 파워의 판매를 어렵게 만들었지만, 일부 산업 분석가들은 2008년 내에 기존 디지털 컨트롤러의 실리콘 비용이 유사한 아날로그 솔루션과 비교해 동등한 가격 수준에 이를 것으로 전망하고 있다. 아날로그 전력공급 솔루션과 단순 비교한다면 디지털 파워의 가치 조건이 충분한 경쟁력을 가지기는 어려울 것이다. 특히 한 전력공급기 OEM이 성능 및 전체 비용과 관련하여 기존 아날로그 솔루션을 능가하는 디지털 파워 솔루션 플랫폼을 설계했다. 하지만, 시스템 복잡성과 전유 IP 등과 같은 문제들로 인해 자사에서 자체 개발되었다는 증거들이 필요했다. 디지털 및 아날로그 전력 솔루션 사이의 비용 비교는 설계 비용, 프로세스 개발, 테스트, 인증, 제조, 제고관리, 부품 절감 등을 포함하는 전체 시스템의 관점에서 이루어져야 한다.디지털 파워의 넓은 시장 채택이 여전히 초기 단계에 있을지라도 간과할 수 없는 시장 수용을 위한 몇 가지 주요 요소들이 있다. 보다 엄격해진 국제 효율성 요건들은 다음과 같은 질문을 필요로 하고 있다: 효율성을 향상시키는 데 있어서 디지털 파워가 기여할 수 있는 것은 무엇인가? 디지털 제어가 듀티 사이클 최적화, 능동형 슛-쓰루 제어(adaptive shoot-thru control), 보다 낮은 스위칭 주파수를 통한 과도전류 요건의 충족, 동기식 정류 또는 동조 데드 타임 등과 같은 중요한 타이밍의 실시간 적응, 위상 쉐딩(phase shedding), 부하 전류에 기반 한 다양한 동작 모드 등을 통해 잠재적으로 일정한 효율성 향상을 제공하면서 정확하게 구현될 수 있는 시점은 언제인가? 디지털 제어는 시스템 전력이 부하의 수요에 따라 보다 효율적으로 관리되기 때문에 보다 향상된 전체 효율성 결과를 제공할 수 있다. 효율성 향상이 항상 바람직한 것은 사실이지만, 현실적인 기대치를 갖기 위해서 효율성은 전력단 설계에 의해 1차적으로 결정된다는 것을 강조할 필요가 있다.신뢰할 수 있고 사용이 편리한 GUI(graphical user interface)는 디지털 파워 컨트롤러의 성공을 위해 반드시 필요한 요건이다. 많은 전력 설계자들이 디지털 컨트롤러가 제공할 수 있는 모든 유연성을 원한다는 생각에 대해 동의할 것이다. 수백 개의 프로그램 가능한 커맨드들을 통해 유연성을 지원하기 위해서는 소프트웨어 레이어, 파티셔닝, 보호 기능, 커맨드 그룹핑 등과 관련하여 상당한 주의가 필요하다. GUI는 직관적이고 자연스러운 느낌을 제공해야 하지만 언제나 100% 동작하는 것이 무엇보다 중요하다. 전력공급 설계는 컨트롤러가 프로그램밍된 방식으로 동작하는지에 대한 의심을 추가하지 않더라도 충분히 어렵다. 디지털 컨트롤러는 또한 자체 구성 가능해야 하며, 이는 최종 사용자가 측정을 할 필요가 없다는 것을 의미한다. 일부 전력공급기의 경우, 각기 다른 공급업체가 컨트롤러 모듈과 전력단을 제공하며 최종 어셈블리 공정까지 이들이 통합되지 않는 환경 하에서 제조된다. 이러한 경우에는 공급 시점까지 전력단이 제공되지 않기 때문에 컨트롤러를 측정할 수 있는 기회가 없다.쮔 피할 수 없는 디지털 파워모든 디지털 제어 전력 컨버터들은 일정 정도의 아날로그 회로를 반드시 필요로 한다. 외부에 있거나 동일 패키지 내에 통합 여부에 상관없이 게이트 드라이버는 아날로그와 디지털 영역을 위한 인터페이스의 한 예이다. ADC, 전압 레퍼런스, 레귤레이터, 비교기 등도 디지털 컨트롤러 내에서 또는 주변에서 완벽하게 동작해야 하는 필수 아날로그 기능들이다. 디지털과 아날로그 기능들을 분할하는 다양한 방법들이 있기 때문에 시스템 엔지니어들은 실리콘 성능, 효율성, 지능성, 비용, 공정 생산능력, 다이 영역 등에서 최적의 균형을 확보하는 데 있어서 지속적으로 어려운 기술적 과제를 갖게 된다. 되돌아보면, 디지털 파워의 개념이 실제로는 새롭거나 혁신적인 것은 아니다. DSP와 마이크로컨트롤러가 산업용 모터 제어 애플리케이션을 위해 수년간 폭넓게 사용되어 왔다. 전력공급기 업계는 디지털 파워 채택을 위해 서서히 이동하고 있었지만, 필요 표준들과 전용 반도체들이 현재까지 제공되고 있지 않았을 뿐이다.혼합 로직, 클록, 카운터, 타이머 등과 같은 디지털 콘텐츠들이 아날로그 컨트롤러 내에 항상 존재해 왔다. 혼합 신호 설계 프로세스는 지속적으로 향상되어 왔으며, 디지털과 아날로그 컴포넌트 사이의 관계가 한층 높은 수준으로 최적화될 수 있을 것으로 기대되어 왔다. 목표 애플리케이션의 복잡성에 따라 일부 기능들은 디지털 프로세스로부터 최고의 이점을 얻을 수 있고, 반면에 다른 기능들은 여전히 아날로그 영역으로 남아야 한다. 적어도 단기적으로는 디지털 전력 시스템이 얼마나 “디지털화”되었는지에 상관없이 가장 비용 효율적이고 최적화된 솔루션은 혼합 신호 접근법이 될 것이다. 디지털 파워의 전망을 형성하는데 반드시 필요한 기본적인 토대들은 적절하게 이루어졌지만, 디지털 파워가 전통적인 아날로그 솔루션들을 어떠한 방법으로 보완하고 경쟁할 것인지에 대해서는 여전히 의문이 남아 있다. 디지털 파워의 가치를 인식하고 있는 대다수의 숙련된 전력공급기 설계자들이 그들의 설계 기술을 향상시켜 나갈 것이며, 채택 속도에 대한 각기 다른 관점은 별개로 하더라도 한 가지 분명한 것은 디지털 파워는 피할 수 없다는 것이다.

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