첨단 SoC나 MPU용으로 크기가 작고 효율이 우수한 모노리딕 레귤레이터

[테크월드=양대규 기자] 자동차, 텔레콤, 데이터콤, 산업용 시스템으로 갈수록 더 많은 숫자의 첨단 SoC(System-on-Chip), FPGA, 마이크로프로세서(MPU) 솔루션이 사용되고 있다. SoC나 FPGA 세대가 거듭될 때마다 전력 소모적인 기능들을 추가하고 데이터 처리 속도가 높아짐에 따라서 필요로 하는 전력 양 또한 높아지고 있다. 이런 요구를 충족하기 위해서는 효율이 높고, 전력 밀도가 높고, 전자기 복사가 낮은 견고하면서 사용하기 편리한 저전압 전원장치를 필요로 한다.

SoC와 FPGA는 DDR 용으로 1.1V, 코어 용으로 0.8V, I/O 용으로 3.3V/1.8V를 비롯한 다수의 저전압 전원을 필요로 한다. 넓은 범위로 동작하는 자동차 배터리 또는 산업용 버스 전압으로부터 1V 미만을 제공하기 위해서는 12V 또는 5V로 변환하기 위한 중간 레귤레이션 스테이지와 그보다 더 낮은 전압으로 변환하기 위한 또 다른 스테이지를 필요로 한다. 자동차, 텔레콤, 데이터콤, 산업용 분야의 까다로운 요건을 충족하자면 전체적인 전원 시스템에서 각 DC-DC 변환이 효율적으로 이뤄져야 하며 EMI 시험을 통과해야 한다.

기존의 벅 레귤레이터를 사용해서는 크기, 효율, EMI 요건을 충족하기가 쉽지 않다. 1V 미만 벅 레귤레이터는 전통적으로 덩치가 크고 EMI 잡음이 심한 PWM 컨트롤러와 MOSFET을 사용해 왔다. 하지만 자동차와 산업용 시스템의 요구를 충족하기 위해서는 좀더 크기가 작고, 더 높은 전류를 제공할 수 있고, 더 높은 효율을 달성하고, 또 무엇보다도 중요한 점으로서 EMI 성능이 우수한 솔루션이 필요하다. Power by Linear의 모노리딕 Silent Switcher 2 벅 레귤레이터 제품인 LTC7150S와 LT8642S는 높은 신뢰성과 견고성으로 첨단 SoC에 필요로 하는 전력을 제공하며 EMI, 크기, 열 제약을 충족하도록 설계됐다.

Silent Switcher 2 아키텍처를 적용함으로써 뛰어난 EMI 성능

기존의 DC-DC 컨트롤러를 사용해서는 EMI 요건을 충족하기가 쉽지 않다. EMI 문제는 되도록 조기 단계에 해결하는 것이 바람직하다. 나중 단계에 가서 EMI 문제가 불거지면 문제를 해결하고 설계 변경을 하기 위해서 훨씬 더 많은 비용과 시간이 들기 때문이다. 프로젝트 일정을 지연시키고, 고객을 잃고, 기업 평판을 깎아 먹을 수 있는 문제를 운에 맡긴다는 것은 너무나 위험한 일이다. EMI 시험에 통과하기 위해서 설계 과정에서 EMI 억제를 우선시하거나 과잉 설계를 하기도 하는데, 그러려면 솔루션 풋프린트, 전반적인 효율, 신뢰성, 간소함 같은 것들을 희생해야 한다.

기존에는 스위칭 에지를 늦추거나 스위칭 주파수를 낮추는 방법으로 EMI를 제어했다. 예를 들어서 게이트 저항이나 스너버를 추가해서 스위칭 에지 턴온이나 턴오프를 늦추거나 스위칭 주파수를 낮추어서 EMI를 낮출 수 있다. 하지만 이런 방법들은 최소 온(on) 시간이 늘어나거나, 전압 변환 비율이 제한적이거나, 솔루션 크기가 늘어난다는 단점들이 따른다. 또 다른 방법으로서 대형의 EMI 필터나 금속 차폐를 사용하는 것은 보드 공간과 비용을 늘리고, 부품 수를 늘리고, 어셈블리 복잡성을 높일 뿐만 아니라 열 관리와 테스트를 복잡하게 한다. 그러므로 이런 방법들은 첨단 SoC의 크기, 높은 효율, 낮은 EMI에 대한 요구를 충족하지 못한다.

LT8642S는 18V/10A 스텝다운 모노리딕 Silent Switcher 2 레귤레이터로서, 4mm x 4mm LQFN 패키지로 제공된다. [그림 1]은 LT8642S를 기반으로 한 12V 대 1.2V/10A 솔루션으로서, EMI가 극히 낮다는 것을 알 수 있다. 입력 EMI 필터로서 페라이트 비드와 입력 커패시터만을 사용해서 자동차 분야에서 주로 사용되는 CISPR 25 클래스 5의 엄격한 복사 EMI 요건을 충분한 여유를 두고서 충족한다. 또 다른 널리 사용되는 EMI 요건은 컨슈머 전자기기에 주로 사용되는 CISPR 32이다. LT8642S는 입력 EMI 필터를 사용하지 않고서도 CISPR 32 클래스 B 복사 EMI 요건을 거뜬히 충족한다.

LTC7150S는 최초의 20A 고효율 스텝다운 레귤레이터로서, Silent Switcher 2 기술을 적용함으로써 전자기 방사를 최소화한다. 그러므로 EMI 필터 디자인과 레이아웃을 대폭적으로 간소화하므로 잡음에 민감한 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 아나로그디바이스(Analog Devices)의 특허기술인 Silent Switcher 2 아키텍처를 적용함으로써 EMI 성능이 극히 우수하며 AC 스위칭 손실을 최소화한다. 또한, IC 자체 내로 핫 루프 커패시터를 통합했다. 또한 MOSFET까지 통합함으로써 잡음이 심한 안테나 크기를 훨씬 줄이고 EMI를 최소화할 수 있다.

극히 빠른 스위치 에지로 스위칭 노드 링잉을 최소화하므로 고주파 잡음과 핫 루프로 저장되는 에너지를 줄인다. 또한, 핫 루프를 두 개로 분할하고 대칭적으로 배선함으로써 EMI를 자체적으로 제거한다. 그러므로 잡음에 민감한 자동차 애플리케이션으로 깨끗한 전원을 제공할 수 있다. 오늘날 자동차는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)이나 자율 운전 시스템에 강력한 SoC를 채택하고 있다. LTC7150S는 또한, 텔레콤, 교통, 산업용 시스템의 까다로운 요구를 충족한다. 이들 분야는 최신 SoC, CPU, MPU를 구동하기 위해서 효율이 높고 잡음이 낮은 전원장치를 필요로 한다.

LTC7150S는 [그림 2]에서 보듯이, 전위에 간단한 EMI 필터만을 사용해서 CISPR 25 복사 EMI 피크 한계 요건을 충족한다. 페라이트 비드를 사용한 간단한 필터다. [그림 3]은 복사 EMI CISPR 25 테스트 결과를 보여주는 것으로서, CISPR 25 클래스 5 피크 한계 요건을 충족한다는 것을 알 수 있다.

다중의 병렬 컨버터를 사용해서 출력 전류 확장

자율 운전이나 자동 주차 같은 첨단 기능을 위해서는 라이브 스트림 비디오와 인공 지능을 구현하기 위해서 좀더 강력한 SoC를 필요로 한다. 텔레콤이나 빅데이터 분야에 사용되는 컴퓨팅나 서버 시스템 역시도 고성능 SoC 솔루션을 사용함으로써 그 어느 때보다 더 많은 전력을 필요로 한다. 20A 이상의 전류 용량을 필요로 하는 프로세서 시스템의 경우에는 다중의 LTC7150S를 병렬로 연결하고 이위상(Out-of-Phase)으로 실행할 수 있다.

LTC7150S는 동기화 기능이 있어서 외부 클록으로 동기화할 수 있으며, 내부 PLL(phase-locked loop)을 사용해서는 다중채널 다중위상 동작을 위해서 LTC7150S를 이위상으로 동작함으로써 리플을 낮출 수 있다. CLKOUT 신호를 그 다음 LTC7150S의 MODE/SYNC 핀으로 연결해서 전체 시스템의 주파수와 위상을 정렬시킬 수 있다. 다중위상 동작은 PHMODE 핀을 사용해서 구현할 수 있다. PHMODE 핀을 INTVCC로 연결하거나, SGND로 연결하거나, 플로팅 시키는 것에 따라서 MODE/SYNC 핀과 CLKOUT으로 적용되는 클록 사이에 각각 180°, 120°, 90°의 위상 차이를 발생시킬 수 있다. 각각 2위상, 3위상, 4위상 동작에 해당된다. 각 LTC7150S의 PHMODE 핀을 각기 다른 전압 레벨로 프로그래밍함으로써 총 12개 채널을 이위상으로 동작할 수 있다.

[그림 4]는 2개 컨버터를 병렬로 연결해서 1.2V로 40A 출력 전류를 제공하는 것을 보여준다. U1의 CLKOUT을 U2의 MODE/SYNC로 연결함으로써 마스터 유닛의 클록을 슬레이브 유닛으로 동기화한다. 마스터 PHMODE 핀은 접지로 연결하고, 슬레이브 PHMODE 핀은 플로팅시킨다. 이렇게 하면 두 채널 간에 180 위상 차이가 됨으로써 입력 전류 리플을 낮춘다. 정상 상태(steady state)일 때와 스타트업 시에 전류 공유가 더 잘 되도록 하기 위해서 ITH, FB, TRACK/SS를 서로 연결한다. 군데군데 RT 저항이 필요하며 이들 저항은 함께 연결하지 않아야 한다. 정확한 피드백과 잡음 내성을 위해서는 켈빈 배선이 권장된다. 접지 핀 주변에 아래 층으로 되도록 많은 전력 비아를 형성해서 열 성능을 향상시킬 수 있다. 입력 핫 루프의 세라믹 커패시터를 VIN 핀에 되도록 가깝게 배치한다.

인덕터 전류는 스타트업과 정상 상태 시에 [그림 6]에서 보는 것처럼 평형을 이룬다. 3.3V 입력으로 32A를 제공할 때 효율이 89%에 달한다.

높은 스위칭 주파수로 효율이 우수하고 소형화된 솔루션 달성

LT8642S 역시 Silent Switcher 2 아키텍처를 적용함으로써 극히 뛰어난 EMI 성능을 달성할 뿐만 아니라 빠르고 깨끗한 스위칭 에지를 발생시킴으로써 스위칭 손실을 줄인다. 스위칭 손실을 최소화하고 최소 온(on) 시간이 20ns에 불과하므로 높은 스위칭 주파수로 높은 효율을 달성하고 솔루션 크기를 소형화한다. LT8642S를 사용한 12V 대 1.2V 솔루션이 2MHz 스위칭 주파수로 88% 이상의 효율을 달성한다. 또한 LT8642S는 고속 피크 전류 모드 아키텍처에 의해서 과부하나 단락 회로 조건 시에 포화된 인덕터로도 안전하게 동작한다. 그러므로 출력 부하 요구량에 따라서 인덕터를 선택할 수 있다.

전원 솔루션에 있어서 컴팩트한 크기와 열 성능은 상충적인 요구다. LT8642S는 높은 효율을 달성하고 향상 열 패키지를 적용함으로써 이런 상충적인 요구를 모두 충족한다. [그림 7]은 LT8642S를 사용해서 1MHz로 스위칭하는 5V/10A 솔루션을 보여준다. 12V 입력으로 50W 출력을 제공할 때 케이스 온도 상승이 47℃ 미만이며 피크 효율은 97% 이상에 달한다.

[그림 8]은 3MHz LT8642S 솔루션을 보여준다. 고주파수 동작에 의해서 작은 인덕터와 낮은 값의 출력 커패시터를 사용할 수 있으므로 솔루션 크기를 최소화한다.

그 외에도 LT8642S는 인에이블 제어, Power Good 지시기, 소프트 스타트 기능을 포함한다. 이들 기능은 SoC와 FPGA 전원장치에 요구되는 시스템 전원 시퀀싱을 하기 위해서 필요하다.

ADI의 Power by Linear의 제품 포트폴리오는 최신 SoC, FPGA, MPU의 다양한 전원 요구를 충족하도록 다양한 유형의 벅 레귤레이터 제품을 포함한다. [표 1]은 그러한 제품과 이들 제품의 전류 용량을 요약해서 보여준다.

산업용 또는 자동차 분야로 지능화, 자동화, 센싱이 가속화함에 따라서 전자 시스템 숫자도 빠르게 늘어나고 있다. 이에 따라서 갈수록 더 높은 성능의 전원장치가 요구된다. EMI를 낮추는 것이 사후적인 문제에서 무엇보다도 가장 먼저 고려해야 할 문제가 됐으며, 솔루션 크기, 높은 효율, 열 설계, 견고성, 사용 편의성은 여전히 계속해서 중요한 요구사항이다.

ADI의 모노리딕 레귤레이터는 이런 모든 요구를 충족하는 제품으로서, 까다로운 자동차, 텔레콤, 데이터 센터, 산업용 분야에 사용하기에 적합하다. 고성능 모노리딕 레귤레이터 제품인 LTC7150S와 LT8642S는 특허기술인 Silent Switcher 기술을 적용함으로써 컴팩트한 크기로 엄격한 EMI 요건을 충족한다. 뿐만 아니라 MOSFET과 열 관리 기능들을 통합함으로써 최대 20V에 이르는 입력 범위로 수 암페어에서부터 20A 이상에 이르는 전류를 견고하고 신뢰하게 제공할 수 있다. 또한 인에이블 제어, Power Good 지시기, 소프트 스타트 기능을 포함하므로 전체적인 전원장치 디자인을 달성하기 위해서 소수의 부품만을 필요로 한다.