[테크월드=선연수 기자]
전력 관리는 제품 개발에 있어 잘 알려진 분야지만, 전자 산업의 다른 측면과 마찬가지로 효율성에 대한 새로운 요구를 받아들이면서 계속 발전해나가야 한다.
사물 인터넷(IoT, Internet of Things) 전반에서 전자 제품의 연결성을 높이려는 움직임이 나타나고 있으며, 이는 효율적인 제어와 관련된다. 사람마다 다르게 해석할 수 있으나, IoT의 전력을 더욱 효율적으로 제어할 수 있는 방법을 기대하는 것으로 볼 수 있다. G20 에너지 효율 실행 계획(G20 Energy Efficiency Action Plan)에서도 알 수 있듯이, 일반적으로 에너지 효율이 높은 제품을 생산함으로써 에너지 절약을 실현하려는 전 세계적의 추진 방향과도 일치한다.
유럽은 이미 2020년을 목표로 이행 강제 지역법이 시행 중이며(에너지 효율 20% 향상 포함), 더 많은 법규와 규정 또한 개발 중이다. 이로 인해 OEM은 전력 효율에 대해 새로운 표준을 준수해야 하는 압력을 맞닥뜨리고 있으며, 이는 반도체 제조 기업의 혁신 추구로 이어진다.
IoT는 에너지를 효율적으로 제어함으로써 에너지 절감에 중요한 역할을 할 수 있다. 점유 감지에 기반해 대형 건물의 HVAC를 자율적으로 제어하는 건물 관리 시스템부터, 사용자가 집안에서 스마트 기기로 난방과 조명을 원격 조절하는 기능까지 다양한 역할을 수행할 수 있다. 개념적으로 동일한 원칙을 서버와 같은 장비에 적용하면, 작업을 진행하면서 가동 시간의 일부를 사용할 수 있다. 현재 자동차에 사용되는 스톱-스타트 기술과 같은 접근 방법을 전자 장치에 적용하면, 전체적으로 큰 절감 효과를 얻을 수 있다.
유럽연합의 에너지 효율 지침은 IoT 중 ‘I’를 구성하는 제품들을 포괄할 것이다. 즉, 수십 억 개의 전체 노드 간 커넥티비티를 효과적으로 제공하는 수백 만 개의 스위치와 서버를 포함한다. 아직 IoT 에지에 배치되는 실제 노드에 명시적으로 적용되는 규정은 없으나, 주 전원에서 전력을 공급받는 제품의 ‘대기’, ‘오프’ 모드 시 사용 전력량을 지정한 규정이 있다.
이는 최근 네트워크로 연결된 유사 제품을 다루는 규정으로 합쳐져(각각 에너지 효율 지침 2012/27/EU Lot 6, Lot 26), 장치가 ‘더 스마트’하게 작동하듯이 더 스마트하게 대기해야 함을 의미한다.
전력의 새로운 패러다임
21세기 초 반도체 산업을 흔들었던 전력 밀도 패러다임은 집적 소자를 설계하는 방식 중 특히, CMOS 공정에 기반한 디지털 소자 설계 방식에 큰 변화를 가져왔다. 마이크로프로세서에서 유효 전력을 낮추는 노력은 트랜지스터 접합부에서 발산되는 발열량을 중심으로 이뤄졌고, 그 결과 오늘날 모든 디바이스는 저전력 동작 모드를 갖추고 있다. 특히, 배터리로 구동되거나, 가능하다면 주변 동작 환경에서 수확한 에너지를 이용하는 기기의 IoT를 구현하는 데 유용하게 활용된다.
그러나 여전히 기기는 주 전원 네트워크로부터 직접 또는 간접적으로 전력을 공급받을 가능성이 더 높다. 전력 변환은 항상 변환 효율의 작은 개선으로 전체 가동 비용을 크게 줄이는 효과를 보였다. 에너지 규제의 도입으로, 전력 변환은 대형 장치의 운용 비용을 줄이는 대신, 가정 내 백색 가전을 포함한 일상 기기의 에너지 수요를 최소화하는 역할에 중점을 두고 있다.
고전압 AC 전원에서 일련의 저전압 DC 전원으로 전력을 변환하면 내재적 손실이 발생하지만, 소켓에서 발생하는 손실은 변환과 무관하다. 안전한 방전 경로 제공에 사용되는 전원의 수동 부품 역시 누설 경로를 제공하며, 이는 물리적인 분리가 이뤄지지 않는 한 항상 존재한다. 과거엔 이런 누설을 불가피한 손실로 여겼으나, 파워 인테그레이션스(Power Integrations)의 디바이스는 효과적으로 손실을 0으로 감소시킨다.
CAPZero-2 제품군의 CAP200DG는 AC 전원에 탑재되며[그림 1], 정상 동작 중 X 커패시터 안전 방전 저항(R1, R2)에서 전류의 흐름을 차단한다. 이로 인해 전력 손실은 5mW 미만으로 감소되거나, 또는 5mW 미만의 대기 전력을 0으로 간주하는 IEC 62301 4.5 항에 따라, 230VAC에서 전력 손실을 완벽히 제거한 것으로 간주한다.
AC 전압이 제거되면 저항을 통과하는 경로가 재 생성됨에 따라, X 커패시터가 완전히 방전되며 심지어 제시된 SELV(Safety Extra Low Voltage)보다 낮은 값을 가진다. 이는 CAP200DG 제로 손실 자동 X 커패시터 방전 IC를 입력 전압이 18VAC만큼 낮은 애플리케이션에도 사용할 수 있음을 의미한다.
규정 이상을 추구
EuP Lot 6 정의에 따라 대기 모드에서 0.5W 미만을 달성하는 성능은 유수 공급 기업들의 전원 컨트롤러로 지원된다. 역률 보정(PFC)을 통합하고 다른 기능을 포함할 수 있는 전원 컨트롤러의 대표적인 예로는 NXP 반도체(NXP Semiconductors)의 TEA1716T가 있다. 이 제품은 PFC 기능을 가진 공진형 전원 컨트롤러로, 멀티칩 IC로 구현되며 하프 브리지 공진형 컨버터(HBC)를 포함한다.
디바이스는 업 컨버터에서 1개의 디스크리트 MOSFET을, 공진형 하프 브리지 구성에서 2개의 디스크리트 전력 MOSFET을 구동할 수 있다. 70~276VAC 범위의 주 전원으로부터 90~500W를 공급하는 전원을 대상으로 하는 이 디바이스는 외부 부품을 거의 필요로 하지 않으며, 독립형 모드나 외부 DC 전원과 함께 작동하도록 설계할 수 있다.
TEA1716T의 PFC와 HBC 컨트롤러는 모두 버스트 모드로 동작되도록 설계됐다. 이 모드에서 컨트롤러는 처음 한 주기 동안 ‘온’, 다음 한 주기 동안 ‘오프’됨으로써, 낮은 부하 조건에서 전원의 효율을 높인다.
HBC 회로는 PFC의 400V 부스트 전압을 하나 이상의 레귤레이트 된 DC 출력 전압으로 변환하고 외부 MOSFET을 구동한다. 누설 인덕턴스와 자화 인덕턴스를 보여주는 트랜스포머는 공진 커패시터, 출력 부하와 함께 공진 회로의 일부를 구성한다. HBC 회로에 의해 구동되는 외부 MOSFET은 하프 브리지 구성의 공진 회로에 연결된다.
디바이스는 높은 스위칭 효율을 제공하는 무중첩 첨단 적응형 타이밍 방법을 채택해, EuP Lot6 규격을 지원하고 오류 조건에서 안전한 스위칭을 보장해준다. 이외에도 분리된 트랜스포머의 영향으로부터 보호하는 고주파수 보호, 과전류 레귤레이션∙보호 기능 등 총 19가지 보호 기능이 TEA1716T에 통합돼 있다.
강력한 프로그래밍 기능
프로그래밍 기능은 최근 제어 시스템의 핵심 요소이며, 전력 관리 또한 예외가 아니다. 이에 맞춰 높은 효율성은 물론, 우수한 구성 기능을 제공하기 위해 복잡도 수준이 증가하고 있다.
스마트 전력 관리는 모든 애플리케이션에서 지배적이며, 현재 이런 요구 사항을 만족하는 디바이스들이 많이 출시됐다. 전력 관리 컨트롤러(PMC)가 어떻게 더 많은 구성 기능을 통합하는지를 보여주는 한 예로 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics)의 전력 변환을 위한 STNRG 디지털 컨트롤러 제품군을 들 수 있다.
제품군은 STNRG328A를 포함하며, 이 디바이스는 제품군 내 다른 제품과 마찬가지로 SMED(State Machine Event Driven) 기술이 탑재돼 있다. 이 기술은 하나의 디바이스에서 최대 1.3ns 분해능을 통해, 독립적 구성이 가능한 6개의 PWM 클록을 생성할 수 있다. 자율적인 상태 머신은 내부 타이머와 외부 이벤트(피크 전류, 과전류 또는 제로 크로싱 등)에 모두 응답할 수 있다. 타이머에 의해 고정 오프 타임으로 구성된 피크 전류 검출 벅 컨버터가 그 예다. 컨버터는 통합된 마이크로컨트롤러에 의해 구성되나, 추가적인 소프트웨어의 개입 없이도 동작할 수 있다.
이용 가능한 6개의 SMED 상태 머신은 각각 HOLD 상태와 함께 정상 동작하는 동안 사용되는 4가지 상태를 포함한다. 상태 변화를 트리거 하는 조건은 사용자가 구성할 수 있으며, 상태 전환 동안 PWM 출력이 업데이트된다. 구성이 완료되면 SMED는 96MHz에서 자율적으로 동작한다. 각 SMED는 독립적으로 동작하지만, 결합을 통해 더 강력한 상태 머신을 구성할 수 있다.
통합된 STM8 마이크로컨트롤러는 각 SMED 구성에 사용될 뿐만 아니라, 동작 모니터링과 SPI나 I2C를 이용한 외부 디바이스와의 통신에도 사용된다. 이 기술은 단순 타이머가 아닌 내부와 외부 이벤트로, 향상된 프로그래밍이 가능한 PWM 발생기 신호를 구성한다.
이들 첨단 전력 소자는 중∙고급 전력 컨버터의 높은 효율, 향상된 안전 등의 특성을 지원해, 디지털로 구현하는 스위치드 모드 컨버터의 이점을 제공하도록 설계됐다.
혼합 신호 솔루션
오늘날 프로그래밍 기능은 디지털 전력 관리 컨트롤러에서 많은 것을 할 수 있도록 지원하며, 디바이스는 진정한 혼합 신호 설계의 예로 간주될 수 있다. 혼합 신호 주변장치가 포함된 범용 마이크로컨트롤러와 달리, 첨단 디지털 PMC의 모든 측면은 체계적으로 동작하도록 설계됐다. 따라서 디지털∙아날로그 영역과 인터페이스하기 위해, 소프트웨어로 구현되는 중간 단계는 그 필요성이 적거나 아예 없다. 중간 단계는 성능 한계를 가져올 수 있으나, 이 장벽을 제거함으로써 PMC는 기술의 잠재적 능력을 달성할 수 있다.
이처럼 디지털 전력 관리 컨트롤러 설계는 단일 칩 솔루션 내에서 시스템 레벨 엔지니어링을 적용하는 최고 수준을 대표한다. 현재 출시된 디바이스 제품 중엔 텍사스 인스트루먼트(TI, Texas Instruments)의 절연 전원을 위한 UCD3138064ARGCT 고집적 디지털 컨트롤러가 높은 성능을 보인다. 이 제품은 제품군의 최신 버전으로, 이전 세대보다 더 많은 메모리를 제공하며, 듀얼 뱅크 플래시 메모리가 내장돼 전원을 방해하지 않고도 하나의 코드 이미지에서 다른 코드 이미지로 매끄럽게 전환할 수 있다. 또한, 다운타임 없이 현장 업데이트에 사용할 수 있다. 이 기능은 네트워킹 장비에서 중요도가 높아지는 기술로, TI의 적용 목표 분야 중 하나이기도 하다.
디바이스의 중심에는 ARM7TDMI-S 마이크로컨트롤러가 있지만, 실제로 차별화된 특성은 3개의 첨단 디지털 전력 주변장치 블록에 존재한다. 이 블록은 전용 에러 ADC, PID 기반 2극/2제로 디지털 보상장치, 250ps 펄스 폭 분해능을 갖는 DPWM 출력으로 구성된 고속 디지털 제어 루프를 형성한다. 16개 위상 시프트 클록 신호로 이를 달성함으로써, 시스템 클록에 의해 지정되지 않는 분해능으로 파형을 생성할 수 있다.
제품은 광범위한 제어 방식과 전원 토폴로지를 지원하도록 설계됐으며, 이를 위한 여러가지 추가 기능을 포함한다.
각 DPP 내에서 최종 단은 DPWM 모듈이며, 하나의 완벽한 DPWM 채널은 2개의 독립적인 출력을 갖는다. 이들은 개별적인 전원 출력 전압 레일을 제어하거나 사용자 정의 위상 시프트와 동기화하는데 사용할 수 있다. 또한, 여러 DPWM의 결합으로 다양한 전원 토폴로지를 지원할 수 있다.
맺음말
전자장치의 전력 효율 규제 규정이 환경과 경제적 요인에 대응해 점점 더 엄격해지고 있다. 전원 설계자를 위해 적절한 지원이 갖춰진 전력 관리 컨트롤러가 지속적으로 많이 출시되고 있기 때문에, OEM에 있어 규정 준수에 부담을 가질 필요는 없다.
향후 5년간 온라인 연결 기기 수는 급격히 성장할 것으로 예측된다. 이로 인해 기존 전원의 전력 처리 방식에 큰 변화가 없다면, 해당 수요 공급에 어려움을 겪을 것으로 보인다. 다행히 앞서 살펴본 솔루션에서 알 수 있듯이, 기업은 잠들지 않는다.
IoT가 장치 개발 기업에게 엄청난 기회이듯, IoT는 더 스마트한 전력 소모 방식을 채택하는 기회가 될 수 있으며, 이는 올바른 방향으로 나아가야 할 것이다.
글: 마크 패트릭(Mark Patrick)
자료제공: 마우저 일렉트로닉스
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