전력용 반도체의 최신 기술 동향 및 발전 전망

전력용 반도체 기술 동향

글 : 권오경 교수 / 전자통신컴퓨터공학부한양대학교 / www.hanyang.ac.kr과거 전력용 반도체는 그림 1(a)에서 보는 바와 같이 MOSFET, SCR, IGBT 그리고 파워 컨트롤러와 같이 별도의 전력용 스위칭 소자와 제어 IC로 분리되어 발전해 왔다. 1990년 이후부터 CMOS, 바이폴라, DMOS를 하나의 칩에 내장할 수 있는 BCD 공정 기술의 발전과 휴대전화 등과 같은 휴대용 기기의 등장으로 저가격, 소면적이 가능한 단일 칩 솔루션의 요구가 증가하였고, 2000년대 들어서 MP3, 디지털 카메라, PMP 등의 휴대용 기기, 디스플레이 기기의 발달은 ASIC 또는 ASSP 형태로 개발되는 파워 매니지먼트 IC의 시장을 급격히 증가시켰다. 2005년을 기점으로 휴대용 기기의 역할이 점점 커지고, 계속되는 서브 마이크론 BCD 공정 기술의 개발로 그림 1에서 보는 바와 같이 파워 IC의 영역이 LSI 영역으로 확장됨에 따라 파워 매니지먼트 IC를 중심으로 다양한 기능들이 통합되고 있으며 그 역할이 중요해지고 있다. 따라서 이 글에서는 파워 매니지먼트 IC의 주요 기능에 대해 알아보고 주요기기별 파워 매니지먼트 IC의 기술 동향에 대하여 살펴본다.파워 매니지먼트 IC 개요전력 변환 회로란 주 전원을 받아서 시스템에서 요구하는 안정적이고 효율적인 전원으로 변환, 공급하는 역할을 하며, 이러한 전력 변환 회로들을 하나의 칩으로 구현하고 관리하는 IC를 파워 매니지먼트 IC라 한다. 그림 2는 스마트 파워 매니지먼트 IC 시장의 예를 나타내고 있으며, 모바일 기기는 그림 2에서 보는 바와 같이 기능에 따라서 휴대폰, 카메라, 노트북, 게임기, PMP, MP3, PDA, 캠코더 등과 같이 다양한 기기들이 있으며, 이들은 기능들이 지속적으로 발전하는 동시에 병합이 지속되고 있다.따라서 모바일 기기의 경우 주 전원이 배터리이기 때문에 배터리의 DC 전압을 가지고 기기에서 필요로 하는 다양한 DC 전압을 만들어 주는 기능을 수행하는 것이 전력변환기로 그림 3에 나타낸 DC-DC 컨버터이다. 그림 3에 나타낸 것과 같이 DC-DC 전력변환기에는 벅 컨버터, 부스터 컨버터, 벅-부스터 컨버터, LDO(Low Drop Out), 차지 펌프 등이 있다. DC-DC 변환기의 벅이나 부스터 변환기는 인덕터를 사용하는 것으로 효율은 매우 높으나 가격이 높고 부피가 크다는 단점이 있다. LDO와 차지 펌프는 인덕터가 필요 없는 구조로 부피가 작고 가격이 저렴한 반면에 효율이 나쁘다는 단점이 있다. 사용할 전원전압과 전원전류용량에 따라서 DC-DC 변환기의 종류를 선택하여 최적의 효율, 가격, 부피 등의 특성에 맞도록 설계해야 한다.주 전원인 배터리 관리 기능 또한 중요하다. 배터리 관리는 모바일 기기의 사용효율 뿐만 아니라 배터리의 수명 및 사용자의 안전을 위한 보호회로와 그 외에 배터리 용량 감지 회로, 배터리 인증, 배터리 셀 밸런싱 등의 기능을 포함하고 있으며 이러한 IC를 배터리 매니지먼트 IC(BMIC)라고 한다.휴대기기의 특성상 저가격, 소면적을 위해 PMIC에 BMIC 기능을 포함해 하나의 칩으로 구현하는 추세이며 이러한 IC를 스마트 파워 매니지먼트 IC(SPMIC)라고도 부른다. 최근에는 공정의 집적도 향상과 더불어 배터리 매니지먼트 기능 외의 스마트라는 이름 아래, 기기에서 요구되는 기능들이 추가되거나 다른 시스템이 하나의 칩에 임베디드 되고 있는 추세이다.파워 매니지먼트의 또 다른 기능으로는 그림 3에서 나타낸 바와 같이 PMIC의 한 종류로 라이트닝 매니지먼트가 있다. 라이트닝 매니지먼트의 기능으로는 LCD, AMOLED와 같은 디스플레이 및 키패드, 플래시와 같은 조명 기기에 전원을 공급하고 구동하는 역할을 한다. 디스플레이나 조명의 경우 고전압을 이용하기 때문에 저전력 시스템을 요구하는 상황에서는 효율적인 전력 관리를 필요로 하게 되며 단순한 전원 관리부터 주변광에 의한 밝기 조절과 같은 스마트한 기능을 통해 전력 관리를 하게 된다. 최근에는 고효율의 화이트 LED가 개발되면서 LCD 백라이트는 물론 기존의 조명시장을 대체할 차세대 소자로 떠오르고 있어 LED 드라이버 IC와 같은 라이트닝 매니지먼트 IC에 대한 요구가 늘고 있다.PMIC에 있어서 스마트한 기능이 추가적으로 필요하다. 그림 3에서 보는 바와 같이 일정한 온도 이상에서 회로를 보호하기 위한 온도보호기능, 마이크로컨트롤러와 통신하기 위한 I2C 인터페이스 기능, 과전압 보호기능, 과전류 보호기능, 배터리 전극이 잘못 연결되었을 때 회로를 보호하기 위한 리버스 배터리 프로텍션 기능 등 다양한 스마트 기능들이 필요하다.휴대기기용 파워 매니지먼트 IC 기술 동향휴대전화 혹은 PMP와 같은 소형기기를 중심으로 DMB, MP3, 카메라와 같은 다양한 기능이 통합되고 있는 추세로 제한된 기기 내에서 어떻게 효율적으로 구현할 것인가가 중요한 문제가 되고 있다. 이러한 문제의 해결책으로 점점 복잡해져 가는 시스템을 통합적으로 관리 할 수 있는 IC를 필요로 하게 되었고 PMIC가 휴대기기 구동 엔진의 중요한 부분으로 부각되고 있다. 현재 휴대기기용 PMIC는 그림 4와 같이 내부 시스템에서 요구하는 다양한 전압을 제공하기 위해 다수의 벅 컨버터, 부스트 컨버터, LDO가 내장됨은 물론 배터리 충전기, 백라이트 구동회로뿐만 아니라 온도나 부하 상태와 같은 각종 정보를 수집하고 상황에 따라 효율적인 전원 관리를 할 수 있도록 MCU 및 I2C 인터페이스를 내장하는 등 하나의 PMIC가 시스템 전체의 전원을 관리할 수 있는 통합 솔루션 형태로 개발되고 있다.하지만 앞으로 스마트폰과 같이 점점 더 복잡한 기능과 높은 성능을 요구하게 됨에 따라 전원과 관련된 기능뿐만 아니라 시스템 IC의 기능들을 PMIC 내에 함께 임베디드하는 추세로 가고 있다. 그림 5와 같이 두 가지 기능의 IC를 통합하게 되면 칩 사이의 PCB를 통한 연결이 없기 때문에 안정적인 전원 공급 및 신호 전달을 통한 성능 향상은 물론 외부 소자의 개수와 PCB의 면적이 줄어들기 때문에 가격적인 측면에서도 이점이 생긴다. 실제로 지속적인 BCD 공정 개발을 통한 다양한 소자의 지원과 0.18μm 이하의 공정이 상용화됨에 따라 임베디드 형태의 PMIC 개발이 활발히 진행되고 있는 추세이다.디스플레이용 파워 매니지먼트 IC 기술 동향최근 LCD용 파워 매니지먼트 IC의 개발 추세는 백라이트 구동 회로를 제외한 모든 파워 IC 및 개별 소자를 통합하고 디스플레이 패널의 화면 조정과 같이 수동으로 구현되는 기능의 자동화를 이루기 위한 IC로써 다 기능, 다 전원을 통합하는 다기능 파워 매니지먼트 IC라고 할 수 있다. 기존에 존재하는 LDO나 부스트 컨버터를 비롯한 다수의 DC-DC 컨버터들을 단일 IC에 통합하여 실장하며 외부의 소자를 사용하여 수동으로 조작되는 튜닝회로는 I2C와 같은 디지털 인터페이스를 이용하여 자동 튜닝이 가능하도록 하고 있다.또한 단순히 게이트 드라이버의 구동 전압을 생성하는 것에 그치지 않고 패널에 내장되는 게이트 드라이버를 구동하기 위한 펄스 신호로 변환해 주는 레벨 쉬프트 회로를 포함하는 IC도 출시되고 있다. 현재 개발되는 LCD용 파워 매니지먼트 IC는 LCD 구동을 위한 시스템의 일부로 통합 솔루션을 지향하는 휴대기기용 파워 매니지먼트 IC와 달리 특정 디스플레이 시스템에서 요구하는 기능 중심으로 파워 매니지먼트 IC가 구성되기 때문에 LCD용 파워 매니지먼트 IC를 개발하는 경우 패널 제작 업체와 IC 설계 업체 간의 긴밀한 협조가 특히 중요하다. 또한 LCD 디스플레이 시스템 역시 패널 단가를 낮추기 위해 TCON(Timing Controller)과 PMIC를 중심으로 다양한 주변회로들을 하나의 칩에 통합하는 임베디드 형태의 개발이 주로 이루어지고 있다.LCD 패널과는 별도로 백라이트의 구동을 위한 추가적인 파워 매니지먼트 IC가 사용되고 있는데 현재 LCD용 백라이트로는 CCFL을 대체하는 LED 백라이트가 주목받고 있으며 고성능 LCD와 휴대기기를 위한 LCD를 중심으로 LED 백라이트의 비중은 계속해서 확대되는 추세에 있다.일반적으로 현재 개발되는 LCD용 LED 백라이트 드라이버는 그림 7과 같은 구조를 가진다. 직렬로 연결된 LED를 구동하기 위한 고전압을 생성하는 부스트 컨버터, LED 백라이트의 밝기를 조정하기 위한 전류원, LED 백라이트의 로컬 디밍, 또는 글로벌 디밍을 제어하기 위한 디밍 제어기가 있고 LED의 단락 또는 개방을 감지하는 기능이 포함되고 있다. LED는 온도에 따라서 출력하는 빛의 색 온도가 변화하며 사용 시간, 사용 환경에 따른 열화가 발생해 빛의 세기와 색 온도의 변화를 수반하기 때문에 향후에는 LED의 온도, 열화를 보상하는 회로가 추가적으로 개발될 것으로 생각된다. 또한 현재까지는 이동기기와 노트북, 모니터에서 사용되는 LED 백라이트를 위한 드라이버 위주로 개발되어져 왔지만 향후에는 대화면 TV용 LED 백라이트 드라이버 IC 역시 활발하게 진행될 것으로 보인다.맺음말전력용 반도체는 과거 개별 소자 또는 제어 IC를 중심으로 개발되어 왔으나 휴대용 기기, 디스플레이 기기와 같은 다양한 멀티미디어 기기의 성장에 따라서 ASIC 또는 ASSP 형태의 파워 매니지먼트 IC를 중심으로 개발되고 있으며 시스템 내에서 그 역할이 계속 커지고 있다.파워 매니지먼트 IC의 기술 개발 방향은 적용하는 시스템에 따라 조금씩 다르나 전반적인 추세는 서브 마이크론 BCD 공정 개발을 통한 고집적화 및 유사 기능을 중심으로 다양한 기능을 통합해 가는 임베디드 방식으로 발전하고 있다. 임베디드 형태의 파워 매니지먼트 IC 구현을 위해서는 지속적인 서브 마이크론 BCD 공정 개발이 우선되어야겠지만 회로의 복잡도가 높아지기 때문에 신호 무결성과 열 관리를 고려한 다양한 아날로그 설계 경험이 필요하며 이는 기술 장벽을 높이고 고부가가치의 창출을 가능하게 할 것이다.

회원가입 후 이용바랍니다.

개의 댓글

회원로그인

작성자 비밀번호

댓글 내용입력

댓글 정렬

최신순 추천순 답글순

BEST댓글

BEST 댓글 답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다. 닫기

더보기

김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

기자의 다른기사 보기

저작권자 © 테크월드뉴스 무단전재 및 재배포 금지