텍사스인스트루먼트
자료제공: 텍사스 인스트루먼트
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휴대형 내비게이션 시스템(GPS), 모바일 인터넷 기기(mobile internet devices, MID), 스마트폰 등과 같은 휴대형 기기에서 서로 다른 기능들을 단 하나의 칩 안에 통합하는 추세이다. MID는 WLAN 접속 기능을 제공하는 핸드헬드 컴퓨터로서 울트라 모바일 PC보다 작지만 스마트폰 보다는 크다. 이런 애플리케이션의 경우, 통합이 대세인 것이 분명하지만 비용 문제가 크게 작용하는 내비게이션 시스템의 경우 솔루션 크기가 그리 큰 문제가 아닐 수도 있다. 통합이 개별 솔루션보다 반드시 저렴하다는 것은 아니며 본고에서 요약한 것처럼 어느 정도 시스템 설계를 단순화하게 될 것이다.
통합 전원공급 칩의 경우 핵심 문제는 시스템 파티셔닝이다. 즉, 전원공급 관련 기능이 아닌 다른 기능들을 어느 정도까지 전원공급 칩 안에 통합할 것인가가 문제다. 모바일폰이나 스마트폰 전용 칩에 오디오 인코더/디코더(CODEC), 오디오 증폭기, USB 트랜시버 같은 기능을 추가할 수 있는 반면, 그보다 공간이 제한적인 애플리케이션에서는 그 기능들을 유연한 개별 부품으로 추가할 수도 있다. 유연한 시스템 설계가 유리하며 보드 면적이 더 크다는 것 때문에 레이아웃도 더 쉽다.
미달전압 로크아웃(lockout), 공급전압 관리, 열 셧다운, 전원 온오프 시퀀싱 같은 일반적인 기능들은 통합 전원 디바이스에서 쉽게 처리될 수 있다. 개별 솔루션에서 이러한 기능을 외부적으로 구현하려면 막대한 노력이 들겠지만 여기에서라면 필요한 모든 신호들을 내부적으로 얻을 수 있기 때문이다. 또한 몇몇 통합 컨버터를 위한 스위칭 주파수를 하나의 마스터 클록으로 동기화할 수 있다. 반면 개별 DCDC 컨버터와 wLED 부스트 컨버터는 이러한 기능을 전혀 제공하지 않을 수도 있다.
텍사스 인스트루먼트의 TPS6507x 제품군 디바이스들은 이러한 요건에 맞추어 설계되었다. 이러한 전원관리기기(power management unit, PMU)는 위에서 말한 휴대형 기기에 프로세서 전력을 제공하는 것을 목적으로 한다.
외부 부품에 필요한 최소한의 부품 개수로 이를 달성하기 위해 그리고 오늘날의 프로세서가 작동 중 코어 전압을 변경한다는 사실을 감안하여 여러 가지 DCDC 컨버터와 LDO의 출력 전압을 프로세가 요구하는 특정 값으로 고정시킴으로써 I2C 같은 디지털 인터페이스를 통해 명령어로 조정할 수 있게 하였다. 그러나 이렇게 하려면 PMU를 특정 프로세서에 전용시켜야 하고 이 프로세서에 정확히 맞는 기본값으로 구성을 해야 한다. 그래서 일군의 PMU 가 나오게 된다. 이들은 단일 리튬이온이나 리튬폴리머 배터리로 구동되는 휴대형 기기를 목적으로 하고 있기 때문에 필요한 기능들은 다음과 같다.
- 전원 경로를 가진 리튬이온 배터리 충전 IC
- 하이 전원 레일을 위한 스텝다운 컨버터
- 저전력이나 잡음 감도 레일을 위한 LDO
- 디스플레이 백라이트(wLED)를 위한 부스트 컨버터
- 터치스크린 기능을 갖춘 ADC
- 리셋, 스타트업, 디지털 인터페이스와 같은 일반적 기능들
휴대형 시스템은 주로 일정 시간 버튼을 눌러 전원을 켠다. 이네이블 핀(enable pins)이 있는 PMU의 경우, 버튼에는 디바운스(debounce)가 필요하기 때문에 이러한 기능을 쉽게 구현할 수 없다. 애플리케이션의 전원을 켰을 때 누구나 같은 버튼을 다시 눌러 전원을 끄고 싶어할 것이다. 메인 프로세서가 살아 있지 않다면 이 기능을 하드웨어로 구현해야 하거나 이 기능을 위하여 작은 저전력 마이크로컨트롤러를 추가해야 한다. 그러나 이렇게 하면 시스템 비용이 늘어나고 공간도 더 필요하게 된다.
그림 1. TPS6507x 온/오프 기능
TPS6507x는 이러한 기능을 내부적으로 제공하므로 마이크로프로세서를 추가할 필요가 없다. TPS6507x 내부에 두 개의 입력과 간단한 상태 머신(state machine)을 가지고 있는 이네이블 회로가 이러한 기능을 하기 때문에 7μA 의 전형적인 전류만 있으면 된다.
이 상태 머신은 절대 전원이 꺼지지 않는 AVDD6라 불리는 내부 공급 레일에 의해 전력을 공급 받는다. 이네이블 버튼(ON-key)는 /PB_IN이라 불리는 입력에 연결되어 있다. /PB_IN을 ON-key로 낮게 당기면 상태 머신이 모든 필요한 블록들을 활성화시키면서 턴온 시퀀싱(turn-on-sequencing)이 시작되어 DCDC 컨버터와 LDO가 미리 정의된 시퀀스로 활성화된다. /PB_IN을 해제하면 PMU가 다시 꺼질 것이다.
따라서 /PB_IN을 해제했을 때 두 번째 입력이 시작되며 시스템을 계속 활동하게 한다. 이 핀을 가리켜 POWER_ON이라고 한다. POWER_ON의 HIGH 신호는 애플리케이션 프로세서에 의해 적용될 수도 있고 시스템의 공급전압 중 하나에 의해 적용될 수도 있다. POWER_ON을 LOW로 당겨야 그 출력 전압을 다시 램프 다운할 수 있고 프로세서의 전원을 내리고 PMU를 정지시킬 수 있다.
PB_OUT은 PB_IN의 상태를 애플리케이션 프로세서에 공급하기 위한 TPS6507x의 오픈 드레인 출력이다. 따라서 이것을 사용하여 버튼 누름을 기준으로 인터럽트를 발생시킬 수 있다.
표. TPS6507x 버전
(표 1)은 전원업 시퀀싱 및 기본 공급전압과 관련하여 TPS6507x의 여러 가지 버전을 보여주고 있다.
(그림 2)는 블록 다이어그램이다. 첫 번째 블록은 전원 경로를 가진 충전 IC다. 전원 경로는 일련의 스위치들로 이들 스위치는 배터리를 부하와 분리시켜놓고 있다가 시스템에 어떤 입력 전압도 없을 때에 배터리가 부하에 연결되도록 배열되어 있다. 핀 AC나 USB에 입력 전압이 있는 경우, 또는 그 핀 둘 다에 입력 전압이 있는 경우, AC나 USB의 전압이 부하에 연결되면서 배터리는 별도의 경로를 부하 전류와 별도로 배터리 충전이 가능해진다.
그림 2. TPS6507x의 블록 다이어그램
공급의 전류 가능출력(대개의 경우 어댑터나 USB 케이블)이 부하에 전력을 공급하고 최대 충전 전류를 공급할 만큼 충분히 높지 않은 경우, 배터리 충전에 사용되는 전류는 부하에 필요한 전류를 공급하고 SYS 핀의 전원 경로 출력에서 전압을 유지할 수 있는 만큼으로 줄어든다. 이러한 기능을 가리켜 동적 전원 경로 관리(dynamic power path manage ment, DPPM)라고 한다.
충전 IC 외에도 I/O 전압, 메모리 전압, 프로세서의 코어 전압 같이 높은 공급 전류를 필요로 하는 전원 레일에 전력을 공급하도록 고안된 세 가지 스텝다운 컨버터가 있다. 또한 2개의 프로세서 코어를 갖춘 프로세서들이 ARM 코어 및 DSP 코어를 위해 OMAP35xx 제품군에 필요한 전력을 공급받을 수 있도록 이 시스템을 구성할 수 있다.
이 3개의 스텝다운 컨버터 모두 I2C로 동적 전압 스케일링을 지원하며 따라서 출력 전압이 작동 중 변할 수 있다. DCDC1이 한 개의 사전 정의된 출력 전압을 가지고 있는 반면, 각각 DCDC2와 DCDC3는 DEFDCDC2와 DEFDCDC3라 불리는 입력의 로직 레벨을 바꾸어 2개의 사전 정의 전압 중 하나로 설정을 할 수 있다. 2.25MHz 스텝다운 컨버터 각각에서 최대 dc 출력 전류는 사용된 버전에 따라 최대 1.6A까지 가능하다.
2개의 200mA LDO는 PLL 전압 같이 잡음에 민감한 프로세서 전원 레일이나 너무 전류가 낮아 대기 전압 레일이나 실시간 클록(real time clock, RTC) 공급 전압 같은 스텝다운 컨버터를 요구할 수 없는 프로세서 전원 레일에 주로 사용된다. LDO 중 하나는 동적 전압 스케일링 기능을 지원하며 낮은 전원 모드에서 "core-alive" 전압을 요구하는 프로세서의 코어 전압을 선택적으로 추적한다.
디스플레이 백라이트용 백색 LED는 한 줄의 LED나 여러 스트링의 LED, 또는 아주 작은 디스플레이를 위한 병렬 LED로 구성될 수 있다. 3.5"나 4.3" 같이 더 큰 디스플레이는 10개 LED 1스트링으로 구성하거나 혹은 6개 LED 2스트링으로 구성하는 것이 보통이다. 이런 구성의 경우, 리튬 전지의 작은 전압을 18V부터 35V까지 훨씬 더 높은 전압으로 끌어올려야 한다. 이것을 하는 것이 인덕티브 부스트 컨버터이다.
LED 전류 감지 레지스터의 전압에 맞추어 조정된 고정 전압이 발생되도록 이 컨버터를 구성하거나 전류 싱크를 통해 이 컨버터를 구성한다. 그러면 전류가 하나의 컨트롤 루프에서 조절되고 두 번째 컨트롤 루프는 그 전류를 구동하는데 필요한 출력 전압을 조절한다. TPS6507x에서의 부스트 컨버터는 두 번째 타입이다. 이것은 두 개의 컨트롤 루프를 가지고 있으며 1스트링의 LED나 2스트링의 LED를 구동할 수 있다.
그림 3. 전류 싱크를 갖춘 백색 LED 부스트 컨버터
이 부스트 컨버터는 1스트링으로 된 최대 10개의 백색 LED(wLED)에 전력을 공급하는데 최대 37V까지 전압을 발생시킨다. 두 디스플레이 타입에 맞는 솔루션을 제공하기 위해 ISINK1과 ISINK2라는 두 개 전류 싱크가 LED 구동에 필요한 GND에 조절된 전류 경로를 제공한다. 단 1스트링 디스플레이의 경우, 양쪽 핀을 함께 묶어야 하고 양쪽 전류 싱크에서 전류를 공유한다.
1.1MHz 인덕티브 부스트 컨버터는 전류 싱크에 연결된 LED의 개수에 따라 자동으로 전압을 발생시킨다. 부스트 컨버터의 출력 위치 전압이 LED를 통해 전류 싱크까지 필요한 전류를 구동하기에 매우 낮다면 부스트 컨버터는 그 출력 전압을 증가시킬 것이다. LED에서 포워드 전압이 초과되면 전류는 전류 싱크로 흘러 들어가기 시작할 것이다.
그래야 전류를 정밀하게 조절하기 위해서 부스트 컨버트의 출력 전압은 전류 싱크에서 최소 0.4V 전압이 되도록 조절된다. 그러나 이것은 양쪽 스트링의 LED 개수가 같은 구성일 때 해당하며 대부분 이 경우에 해당한다. 스트링 중 어느 하나에서 LED 개수가 나머지 스트링과 다른 경우, 전류 싱크에서 전압 드롭이 차이가 나겠지만 조절된 전류는 디폴트 당 I2에서 GND까지 레지스터로 설정된 것 그대로이다.
I1은 두 번째 디폴트 전류를 제공하며 I2C 인터페이스를 이용해 스위칭될 수 있다. wLED의 디밍은 200Hz 고정 주파수로 전류 싱크를 온오프 하는 PWM 신호를 통해 내부적으로 할 수 있다. 듀티사이클과 PWM 감광 주파수는 둘 다 I2C 인터페이스를 통해 바뀔 수 있다. 마지막으로 핀 FB_wLED, ISINK1, ISINK2에서의 과전압 보호 기능은 wLED가 연결 해제된 경우 디바이스를 보호한다.
전원공급 관련 기능 외에도 독립형 ADC나 터치스크린 컨트롤러로 구성될 수 있는 통합 10비트 ADC가 있다. 설명한 기능들을 통해 TPS6507x는 서로 다른 여러 가지 애플리케이션들을 위해 하나의 칩으로 완벽한 전원 솔루션을 제공한다.
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