1.8V에서 USB에 이르는 다중 레일 전압 변환 및 관리

전력용 반도체 기술 동향

글 : 스티브 노스 / 선임 프로덕트 마케팅 엔지니어, 파워 프로덕트 그룹리니어 테크놀로지 / www.linear.com다양한 모바일 휴대기기는 주로 안전성, 편의성, 가격상의 이유를 들어, 리튬 및 니켈 배터리 이외에 재충전이 불가능하거나 재충전 가능한 2개의 AA 또는 AAA 알카라인 셀을 이용해 구동할 수 있다. 이들 AA 및 AAA 셀은 또한 NiMH나 새로운 원통형 리튬 화학물질로 제조된다. 그리고 수많은 모바일 기기는 USB나 월 어댑터를 통해 전력을 공급받기도 한다. 다중 전원 전압의 시퀀싱 요구와 최적 효율에 대한 요구, 그리고 매우 제한적인 공간 때문에 휴대기기의 다중 입력 전력 소스 플로우를 관리하는 것이 갈수록 복잡한 작업이 되고 있다. 이러한 요인들 때문에 PND(personal navigation device), 디지털 스틸 카메라(DSC), 휴대형 컴퓨터, 미디어 플레이어, 초소형 비디오 리코더, 휴대용 의료 장비 등과 같은 공간 제약적인 배터리 구동 기기를 위해서 고도로 통합적인 전력 관리 IC(PMIC)가 개발되었다.2개의 AA/AAA 셀과 5V AC 어댑터/USB 포트로 구동되는 휴대기기를 이용할 때 가장 큰 과제는 마이크로프로세서 또는 DSP 코어 전압과 메모리를 구동하기 위해서 메인 전력 레일 및 2개 저전압(1.xV) 출력을 위해 고정적인 3V 또는 3.3V 출력을 제공하는 것이다. 기기를 5V AC 어댑터/USB 포트로 구동할 때는 스텝다운 (벅)DC/DC 변환만 필요하다. 하지만 기기를 2개의 알카라인 셀을 이용해 배터리로 구동할 때는 3V 또는 3.3V 메인 전력 레일을 제공하기 위해 벅-부스트 DC/DC 컨버터가 필요하고 저전압(1.xV) 레일을 제공하기 위해서는 스텝다운 DC/DC 컨버터가 필요하다. 이는 2개 AA 셀(Ni 또는 알카라인)의 방전 프로파일이 3.25V에서 시작하고 1.8V까지 떨어지기 때문이다. 하지만 새로운 리튬 원통형 AA 및 AAA 셀은 이 범위가 0.3V 높아짐으로써(상단 측에서 3.6V로 이동) 배터리 방전 전압 범위에 걸쳐서 3.0V/3.3V 레일을 조정하기 위해 벅-부스트의 필요성이 더욱 더 높아진다.뿐만 아니라 USB, AC 어댑터, 배터리 간에 입력 전원 선택을 자동으로 관리 및 최적화하고 그러면서 휴대기기 제품의 열 발생을 최소화하기 위해서는 상당한 설계상의 과제를 제기한다. 설계자들은 전통적으로 MOSFET 및 연산 증폭기 같은 디스크리트 부품을 이용해서 이 기능을 수행했으나 핫 플러그, 과도한 열 발생, 대형 쇄도 전류, 부하로 인한 높은 전압 트랜션트 때문에 문제에 직면하고 있다. 이러한 모든 요인들이 시스템 신뢰성에 부정적으로 영향을 미친다.열 감소많은 아날로그 PMIC는 온보드 상에서 다양한 리니어 레귤레이터를 제공한다. 하지만 리니어 레귤레이터는 충분한 구리 트레이스 배선, 히트 싱크, 잘 설계된 입출력 전압 및 출력 전류 레벨을 이용해서 적절하게 관리하지 않으면 제품 내에서 국소적인 열 ‘핫 스팟’을 발생시킬 수 있다. 이의 대안으로써 스위칭 레귤레이터는 입력과 출력 전압 간의 차가 크고 출력 전류가 높을 때 전압을 스텝다운할 수 있는 좀 더 효율적인 방식을 제공한다. 온보드 상에 저전압 마이크로프로세서를 포함하는 오늘날의 다기능 기기에 스위칭 레귤레이터가 일반적으로 사용되고 있다. 결과적으로 대부분의 전압 레일을 위해 스위치모드 기반 전원장치를 구현하는 것이 필수적이다. 리니어 배터리 충전기는 열을 발생시키는 소스이므로 또한 열 문제를 제기한다.다중셀 AA/AAA 배터리 구동 전자기기의 시스템 설계자는 다음과 같은 주요 과제들을 해결해야 한다:쪾 2개 또는 3개 AA/AAA 폼팩터 셀(일회용 배터리 타입)로 IC 구동쪾 배터리 방전 전압 범위에 걸쳐서 3V 또는 3.3V 조정쪾 효율적으로 추가적인 시스템 레일 제공쪾 열로 소산되는 전력 최소화쪾 다중의 입력 소스 간에 전원 선택 관리쪾 다중 레일을 위해 적합한 파워업 시퀀스 제공쪾 배터리로부터 대기 또는 무부하 전류 소비 최소화쪾 솔루션 풋프린트 및 프로파일 최소화간단한 솔루션 저손실 파워패스 제어를 이용한 PMIC리니어 테크놀로지의 PMIC는 파워패스(PowerPath) 제어를 채택하고 효율적인 프로그래머블 벅-부스트 및 벅 스위칭 레귤레이터 등의 기타 우수한 기능 블록을 통합함으로써 그와 같은 설계상의 과제를 간단하고 편리하게 해결할 수 있게 한다. 이는 리니어 테크놀로지가 PMIC 개발 시에 고유의 접근법을 취하고 성능상의 저하를 일으키지 않으면서 콤팩트한 솔루션을 제공하는 향상된 통합 수준을 이용해서 가능한 것이다.리니어 PMIC의 가장 큰 특징은 파워패스 제어다. 자동 부하 우선순위 기법은 USB 포트, AC 어댑터, 배터리 등의 다중 입력 소스 간에 전력 플로우를 자율적으로 매끄럽게 관리할 수 있도록 하며, 그리고 경우에 따라서는(리니어 및 스위치모드 타입) 부하 구동을 제어할 수 있다. 저손실 스위칭 파워패스 제어는 부하에 대한 전력을 제어하지 않으나 기존의 PMIC 제어 기법에 비해서 많은 이점을 제공한다. 2xAA 또는 AAA 셀이나 USB/AC 어댑터 전원 입력의 2개 입력 소스 중의 하나로 입력 전력이 IC로 전력을 공급하면 전력 경로가 자동으로 선택된다. 둘 중 하나의 입력 전압 소스로부터 고효율 스위칭 레귤레이터를 이용해서 출력 레일이 발생된다. 벅 레귤레이터는 통상적인 2개가 아니라 3개의 스위칭 FET를 이용한다. 이의 이점은 입력 상에서 직렬 전력 스티어링 부품(벅 레귤레이터 또는 리니어 레귤레이터)을 제거할 수 있다는 것이며, 그럼으로써 효율을 높이고 열 발생을 줄일 수 있다. 기본적으로 이는 무손실 또는 저손실 스위칭 파워패스이다.뿐만 아니라 기존의 배터리 구동 충전 시스템에서는 사용자가 시스템 전력을 위해서 충분한 배터리 충전 및 전압 레벨을 이용할 수 있을 때까지 기다려야 한다.그러므로 저손실(및 기타 유형의) 파워패스 제어의 또 다른 이점은 배터리 충전 상태에 상관없이 즉각적인 온 작동이 가능하다는 것이다. 그러므로 USB 입력이 인가되었을 때 모든 출력을 곧바로 이용할 수 있다.LTC3101 소개LTC3101은 배터리 구동식 애플리케이션을 위한 다기능 콤팩트 전력 관리 솔루션 제품군으로 가장 최근 출시된 PMIC 제품이다. LTC3101은 저손실 파워패스 제어, 3개 고효율 동기 스위칭 레귤레이터(1개 벅-부스트 및 2개 벅), 전류 제한 200mA MAX 출력, 보호 기능 100mA 핫 스왑 출력, 푸시버튼 온/오프 제어, 프로그래머블 uP 리셋 발생기, 올웨이즈-온(always-on) LDO를 콤팩트 로우프로파일 4mm×4mm QFN24 패키지에 모두 통합했다.LTC3101은 1.8V~5.5V의 넓은 입력 동작 범위를 특징으로 하므로 니켈, 리튬, 알카라인 화학물질의 2개 또는 3개 AA 또는 AAA 폼팩터 배터리 셀, 표준적인 1셀 리튬이온/폴리머 각형(4.1V 또는 4.2V) 배터리, USB 또는 AC 어댑터 입력 전력과 호환이 가능하다. 항상 작동 상태인 MAX 및 LDO 출력은 고전압 입력 전력을 추적하고 주요 기능 또는 추가적인 외부 레귤레이터로 전력을 공급한다. 내부 시퀀싱 및 독립적인 인에이블 핀은 유연한 파워업 및 파워다운 옵션을 제공한다. 뿐만 아니라 이 IC의 파워패스 제어는 이들 다중 입력 소스 간에 전력 플로우를 매끄럽게 자율적으로 관리한다. 저손실 파워패스 제어를 이용해 토폴로지를 인식할 수 있으며 스위치의 입력 상에 추가적인 스위칭 MOSFET을 포함한다. 하나의 FET는 VBATT 입력으로 연결되고 다른 하나의 FET는 USB 입력으로 연결된다. 이 둘이 다 연결되어 있으면 IC가 이용할 입력을 자동으로 선택한다.LTC3101의 벅-부스트 레귤레이터는 3V 이상의 입력 전압에 대해 최고 800mA를 연속적으로 공급할 수 있으며 전체적인 1.8V~5.5V 입력 전압 범위에 걸쳐서 3.0V 또는 3.3V 출력을 효율적으로 조정하기 위해 이상적이다. LTC3101의 2개 벅 레귤레이터는 100퍼센트 듀티 사이클 동작을 특징으로 하며 최저 0.6V에 이르는 가변적 출력 전압을 위해서 각기 350mA의 출력 전류를 공급할 수 있다. LTC3101의 내부적인 낮은 RDS(ON) 스위치는 최대 95퍼센트의 벅-부스트 효율 및 최대 93퍼센트의 벅 레귤레이터 효율을 가능하게 하므로 배터리 사용 시간을 극대화한다. 뿐만 아니라 버스트 모드 동작은 38A에 불과한 총 정지 전류(모든 레귤레이터 작동)와 LDO 및 MAX 출력이 작동할 때 15A에 불과한 대기 전류로 경량 부하 시에 효율을 최적화한다. 높은 1.27MHz 스위칭 주파수는 높이가 1mm 미만인 소형의 저가 커패시터 및 인덕터를 이용할 수 있도록 한다.뿐만 아니라 모든 레귤레이터가 세라믹 출력 커패시터를 이용해 안정적이므로 매우 낮은 출력 전압 리플을 달성할 수 있다.고효율 스위칭 레귤레이터모든 3개 스위칭 DC/DC 컨버터는 공통의 1.27MHz 발진기로 작동하며 단일 핀을 이용해서 3개 DC/DC 컨버터를 버스트 모드 동작으로 전환시킨다. 이렇게 함으로써 모든 6개 출력 전압 레일이 작동하는 상태에서 총 무부하 정지 전류를 38A(정격)로 낮출 수 있다. 대기 모드일 때는 LDO와 MAX 출력만 작동하면서 입력 전류가 15A(정격)로 감소한다. 5 스위치 벅-부스트 DC/DC 컨버터는 입력 전력 소스의 전압 범위 내의 사용자 프로그래머블 출력 전압 레일을 발생시킨다. 벅-부스트 컨버터는 고유의 스위칭 알고리즘을 이용해서 요구되는 출력 레일보다 높거나, 낮거나, 동일한 입력 전압을 이용해 고효율 및 저잡음 동작을 유지한다. 벅-부스트가 조정된 상태에 도달하면 벅-부스트 출력 전압 레일이 보호 기능 핫 스왑 출력을 제공한다. 이는 일차 벅-부스트 출력에 영향을 미치지 않으면서 단락시킬 수 있는 전류 제한 출력을 제공한다. 핫 스왑 출력을 이용하는 한 예가 일차 벅-부스트 출력 레일을 방해하지 않으면서 핫 플러그 해야 하는 외부 플래시 메모리 카드로 전력을 공급하는 것이다. 통상적으로 동기 벅 컨버터를 이용해서 2개의 고효율 저전압 레일을 제공하고 배터리 시간을 연장하기 위해 100퍼센트 듀티 사이클 동작을 지원한다. 각 벅 컨버터의 출력 전압은 독립적으로 사용자가 프로그램 가능하며 최저 0.6V로 설정할 수 있다. 효율은 동작 조건에 따라서 벅-부스트의 경우에는 최고 95퍼센트에 달하고 벅 레귤레이터는 최고 93퍼센트까지 달할 수 있다(그림 2 참조). 이 그림 2의 경우 효율의 차이는 출력 전압의 차이 때문이다(벅 2는 1.8V 및 벅 1은 1.5V). Vout이 높을수록 효율이 높아진다. 손실이 출력 전력에 있어 더 적은 비율을 차지하기 때문이다. 동일한 출력 전압이면 두 벅이 효율이 동일하다.추가적인 기능항상 작동 상태인 LDO는 50mA로 고정적인 1.8V 출력으로서 이를 이용해 실시간 클록 등의 주요 기능을 구동할 수 있다. 역류 차단 기능은 LDO를 이용해서 전력 소스가 모두 제거되었을 때 메모리 유지를 위한 수퍼커패시터를 충전할 수 있도록 한다. MAX 출력은 이차적인 상시 작동 상태의 전류 제한 출력 레일을 발생시키며 이는 고전압 입력 전력 소스(배터리 또는 USB)를 추적하며 넓은 입력 전압 범위로 직접적으로 작동하는 추가적인 외부 LDO 및 회로를 구동하기에 편리하다. 푸시버튼 인터페이스 및 내부 전원 시퀀싱은 LTC3101을 포괄적인 전원장치 솔루션이 될 수 있도록 하며 소수의 지원 외부 부품만 필요하도록 한다. 푸시버튼 제어를 위해서 내부 마이크로프로세서 리셋 발생기를 통합하고 있으며 이의 리셋 지속시간을 단일 외부 커패시터를 이용해서 편리하게 프로그램할 수 있으므로 각각의 애플리케이션에 따라서 인터페이스를 맞춤화할 수 있다. LTC3101은 다수의 기능 및 유연성과 소형의 크기 및 높은 효율을 결합함으로써 다양한 유형의 저전력 휴대용 전자기기 제품을 위한 탁월한 전력 솔루션을 제공한다.결론모든 휴대 전자기기가 재충전가능 리튬이온 또는 니켈 배터리를 이용하는 것은 아니다. 많은 경우에 안전성, 가격, 편의성 측면에서 이들 기기들은 예를 들면 일회용 AA 또는 AAA 알카라인을 이용해 구동할 수 있다.또한 이들 전자기기의 기능 밀도가 갈수록 높아짐으로써 시스템 내에 더 많은 전압 레일을 필요로 하고 있다. 리니어 테크놀로지는 새로운 성능과 더욱 작고 더욱 간단한 솔루션에 적합한 주요 전력 관리 기능을 통합시킨 콤팩트한 PMIC 제품군을 지속적으로 확장하고 있다. 그럼으로써 시스템 설계자에게 디스크리트 전력 IC 부품이나 기존의 대형 PMIC 대신에 자신의 휴대기기 전력 요구를 충족하는 새로운 선택을 가능하게 하고 있다. LTC3101은 저전압(알카라인 2xAA 셀 등) 입력 레벨을 수용하며, USB, AC 어댑터, 배터리 등의 입력 소스 간에 전력 플로우를 매끄럽게 관리한다. 또한 전체적인 배터리 입력 범위에 걸쳐 고효율 스위처를 이용해 낮은 전류 소비로 저전압, 중간 전압, 고전압 레일을 제공하며, 더 적은 수의, 더 소형의 외부 부품을 이용해서 디자인을 간소화한다. 마지막으로 이들 PMIC는 USB 충전 편의성, 높은 신뢰성, 데드 배터리일 때 즉각적인 시스템 구동, 더 긴 배터리 사용 시간 등의 측면에서 소비자/최종 제품에 유리한 이점을 제공한다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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