uModule
오늘날 FPGA와 이의 지원 부품은 다중 전압 레일을 필요로 한다. 각 레일을 효율적으로 그리고 되도록 소형의 면적으로 구동하기 위해서는 평균적으로 10개 부품(인덕터, MOSFET, 커패시터, DC/DC 레귤레이터 등)을 통합한 DC/DC 레귤레이터 회로를 필요로 한다. 리니어 테크놀로지의 μModule DC/DC 솔루션은 더 작은 크기로 향상된 성능을 제공하는 새로운 세대의 FPGA 및 FPGA 기반 시스템을 가능하게 한다.
글: Afshin Odabaee
프로덕트 마케팅 매니저, uModule Products
리니어 테크놀로지 / www.linear.com
FPGA는 유연성과 구성가능성이라는 특성 때문에 시스템 디자이너들에게 매력적이기는 하나, 이들 디바이스의 내부적인 동작과 외부적인 인터페이스 프로토콜을 제어하는 복잡한 설계 규칙 때문에 집중적인 훈련, 참조 디자인 평가, 설계 시뮬레이션, 검증을 필요로 한다. 그래서 FPGA 업체들은 시스템 설계자들이 디지털 영역의 새로운 과제들을 해결할 수 있도록 상세한 하드웨어 및 펌웨어 지원을 제공한다. 하지만 애매모호하고 복잡미묘한 아날로그 영역은 특히 코어, I/O, 메모리, 클록, 기타 레일을 위해 DC/DC 레귤레이터를 이용해서 전력과 조정 전압을 제공하는 문제에 있어서 새로운 솔루션을 필요로 한다. 예를 들어서 오늘날 FPGA와 이의 지원 부품은 다중 전압 레일을 필요로 한다. 각 레일을 효율적으로 그리고 되도록 소형의 면적으로 구동하기 위해서는 평균적으로 10개 부품(인덕터, MOSFET, 커패시터, DC/DC 레귤레이터 등)을 통합한 DC/DC 레귤레이터 회로를 필요로 한다. 6레일 FPGA는 이를 구동하기 위해서 많게는 60개 부품을 필요로 할 수 있다. FPGA를 구동하기 위해 필요한 BOM의 긴 부품 목록 이외에도 부품 삽입, 신뢰성, PCB 복잡성 등에 따른 숨겨진 비용들이 존재한다. 이제는 DC/DC 업체들이 제품의 성능 기준을 끌어올려야 할 시간이다.
＊ 다중 전압 레일의 관리
이전 세대 FPGA는 2개 또는 3개 전력 레일을 필요로 했다. 지금은 일부 하이엔드 다중 코어 디바이스는 3.3V의 기존 전력 레일과 2.8V에서 최저 1.0V에 이르는 최근의 저전압 레일을 혼합해서 많게는 7개 레일을 필요로 한다. 여기에다 메모리, 네트워크 프로세서, 그래픽 프로세서, 디지털-아날로그 또는 아날로그-디지털 컨버터, 연산 증폭기와 RF IC를 비롯해서 FPGA 이외의 다른 디바이스들을 위해서 제공되는 기타 전압 레일들을 혼합한다.
이들 레일이 서로 충돌하지 않도록 하면서 다중 전압 레일을 이용해서 시스템을 매끄럽게 스타트업할 수 있도록 하는 것이 시퀀싱 및 트래킹 기능을 갖춘 DC/DC 레귤레이터의 중요한 임무이다. 각 레귤레이터가 다른 레귤레이터의 출력 전압을 트래킹할 수 있어야 한다. 다행인 점은 수년 전부터 FPGA가 레일에 대해 시퀀싱을 필요로 하지 않는다는 것이다. 하지만 전압 레일이 너무 빠르게 또는 느리게 가동될 때 발생할 수 있는 래치오프(latch-off)를 방지하기 위해서는 시스템 내의 각기 다른 부위에서 다수 전압의 순차적인 ramp-up이나 ramp-down이 여전히 필요하다.
과거에는 전력 레일을 추종하고 시퀀싱하는 일을 별도의 전력 관리 IC가 맡았다. 오늘날 디자이너들은 시퀀싱과 추종 기능을 레귤레이터 안에 통합하기를 원하고 있으며, 이들 기능을 시스템의 각기 다른 부위에 탑재해야 할 때는 특히 더 그렇다.
＊ 전압 리플 잡음과 커패시터 요구량 감소
휴대기기 이외의 애플리케이션에서는 전압 요구는 떨어지고 전류는 높아짐에 따라서 DC/DC 레귤레이터 선택에 있어서 열 발생과 동작 효율이 갈수록 더 중요한 요소가 되고 있다. 휴대기기 애플리케이션에서는 레일당 부하 전류는 낮지만 동작 효율과 대기 효율이 배터리 에너지를 절약하고 휴대기기 제품의 열 관리를 간소화하기 위해서 여전히 중요한 요소이다.
스위치모드 DC/DC 레귤레이터는 휴대기기 애플리케이션이든 휴대기기 이외의 애플리케이션이든 특히 높은 전력이 요구되는 경우에 리니어 레귤레이터보다 높은 성능의 솔루션을 제공한다. 예를 들어서 스위치모드 레귤레이터는 3.3V 입력 전원을 이용해서 90% 효율로 1.2V 5A를 제공할 때 리니어 레귤레이터는 36% 효율에 그친다. 뿐만 아니라 스위치모드 레귤레이터는 0.7W를 소비할 때 리니어 레귤레이터는 10.5W를 소비한다.
반면에 스위치모드 레귤레이터는 근본적인 스위칭 동작 때문에 스위칭 잡음과 높은 출력 리플 잡음(출력 잡음 피크-대-피크 리플)을 일으킨다. 불행히도 새로운 FPGA의 저전압 레일과 고속 I/O 신호의 엄격한 아이 다이어그램은 전원장치 "잡음"에 대해 덜 허용적이다. 리플 잡음을 완화하기 위해서는 회로에 입력 및 출력 커패시터를 추가해서 피크-대-피크 리플 전압을 감쇠시킬 수 있다. 하지만 스위칭 잡음을 감쇠시키는 것은 그보다 더 까다롭다. 한 가지 가능한 방법은 DC/DC 레귤레이터의 동작 주파수를 외부 클록으로 동기화해서 레귤레이터가 시스템의 잡음에 민감한 다른 부분에 대해 간섭을 최소화하도록 선택한 주파수 내에서 동작하도록 하는 것이다. 이 기법은 다수의 스위치모드 레귤레이터를 시스템의 나머지 부분에 대해 안전한 클록 주파수로 동기화할 때 특히 효과적이다.
이 기법은 잡음이 덜한 스위치모드 POL(point-of-load) 레귤레이터를 설계하기에 유용하다. 그런데 DC/DC 레귤레이터를 처음부터 적합한 아키텍처, 기능, 레이아웃으로 설계한다면 잡음 문제를 크게 낮출 수 있을 것이다. 이러한 레귤레이터는 커패시터, 필터링, EMI(electro-magnetic interface) 차폐의 이용을 최소화할 수 있다.
＊ 높이 감소로 에어 플로우 향상
FPGA 기반 시스템의 크기는 줄이면서 이의 기능성, 메모리 스토리지, 연산 성능은 높이도록 하는 요구 때문에 디자이너들은 부품을 냉각하기 위한 기법들을 개선하지 않을 수 없었다. 이를 위한 간단한 방법은 부품 위로 효율적인 공기 흐름이 이루어지도록 하는 것이다. 높이가 높은 부품은 FPGA나 메모리 IC 같이 높이가 낮은 패키지 위로 공기 흐름을 방해한다. 사전 조립 DC/DC POL 레귤레이터는 이러한 방해가 매우 심각하다. 이들 디바이스는 FPGA나 다른 IC에 비해서 높이가 6~10배에 달하기 때문이다.
FPGA의 얇은 BGA 패키징은 내부적으로 발생된 열을 패키지 상단면에서 효과적으로 발산시키기에 매우 유용하다. 그런데 사전 조립 DC/DC 레귤레이터 같이 두께가 두꺼운 디바이스가 옆에 있어서 공기 흐름을 방해하고 있으면 그러한 이점이 줄어들 것이다.
그림 1. 트리플 출력 LTM4615는 2개 4A 및 1개 1.5A 출력을 통합한 포괄적인 시스템으로서, 5V 또는 3.3V 입력
레일로 3개 전압을 제공하기에 적합하다.
＊ 부품 수 50% 감소:
트리플 및 듀얼 출력 μModule 레귤레이터
다중 출력 및 입력의 새로운 DC/DC μModule 레귤레이터 시스템 제품군은 부품 수를 줄일 뿐만 아니라 PCB에 부품을 삽입하기 위해 들어가는 비용을 절감하고, 레이아웃 오류를 줄이고, 사전에 조립된 완전한 솔루션을 제공함으로써 디지털 시스템 디자이너의 작업을 용이하게 한다.
이 다중 출력 DC/DC μModule 레귤레이터 제품군은 디스크리트 기법과 비교해서 FPGA 및 FPGA 기반 시스템의 DC/DC 레귤레이터 회로 BOM을 최고 50%까지 줄이고 PCB 면적을 10%까지 절약할 뿐만 아니라 다음과 같은 이점들을 가능하게 한다:
1. 전류 모드 아키텍처로 매우 정밀한 펄스 단위 출력 부하 전류 제공
2. 출력 전류 공유 기능으로 단일 μModule 레귤레이터의 출력 전력 증가
3. μModule-대-μModule 디바이스 출력 전류 공유 기능으로 출력 전력 추가적으로 증가
4. 입력 전력 공유. 만약에 하나의 입력 소스로 전력이 충분하지 않다면 듀얼 8A LTM4616을 3.3V와 5V 레일로 동시에 구동함으로써 2개 입력 전원 소스의 전력을 공유할 수 있다(이에 관한 자세한 내용을 위해서는 데이터 시트 참조).
뿐만 아니라 이들 듀얼 및 트리플 출력 DC/DC μModule 레귤레이터 제품군은 위에서 언급한 문제들을 해결할 수 있도록 한다:
표 1. 트리플(H듀얼 DC/DC μModule 레귤레이터 제품군
1. 다중의 FPGA 또는 시스템 레일 관리
이들 DC/DC μModule 디바이스는 트래킹 및 시퀀싱 기능을 제공하므로 전력 시퀀싱 제한을 이용해서 시스템을 적절하게 스타트업 및 셧다운할 수 있다.
2. 전압 리플 잡음과 커패시터 요구량 감소
각 μModule 디바이스는 내부 출력 및 입력 바이패스 커패시터를 포함한다. 또한 각 디바이스는 매우 낮은 ESR 출력 커패시터를 이용해서 안정적이므로 사용자가 출력 커패시터의 타입과 값을 조절해서 출력 리플("잡음")을 최적화할 수 있다.
3. 두께 높이 감소로 공기 흐름 향상
이들 듀얼 및 트리플 출력 μModule 레귤레이터 제품군은 높이가 2.8mm에 불과하므로 매끄러운 공기 흐름을 가능하게 하고 레귤레이터뿐만 아니라 주변 부품의 열을 더 잘 제거할 수 있도록 한다.
그림 2. 듀얼 출력 LT(H9는 최고 26.5V에 이르는 입력 전원으로 4A를
공급한다. (15mm×15mm×2.8mm LGA)
이 제품군의 한 제품으로서 LTM4615는 소형의 15mm×15mm×2.8mm 표면실장 패키지로 2개의 4A 스위치모드 레귤레이터와 하나의 1.5A VLDO(very low dropout) 레귤레이터를 통합한 포괄적인 트리플 출력 DC/DC μModule 레귤레이터 시스템이다. 2개 스위칭 레귤레이터 각각의 출력 전압은 0.8V~5V로 조절 가능하며, 세 번째 출력은 0.4V~2.6V로 조절 가능하므로 새로운 세대의 저전압 다중 레일 극미세 기술 디지털 IC를 구동하기에 적합하다. 또 다른 제품은 LTM4619로서, 이 제품은 최고 26.5V에 이르는 입력 전원으로 동작할 수 있다. 표 1은 이 듀얼 및 트리플 μModule 레귤레이터 제품군의 모든 제품들을 보여준다.
＊ 결론
Linear Technology는 DC/DC 레귤레이터 아키텍처와 패키징을 혁신함으로써 FPGA 기반 시스템의 엄격한 요구를 충족하는 새로운 세대의 POL(point-of-load) 솔루션을 가능하게 하였다. 이들 μModule DC/DC 레귤레이터 제품군(표 1)은 다양한 전력 수준과 기능으로 다중 출력 제품들을 포함한다(www.linear.com/micromodule 참조).
또한 이들 디바이스의 신뢰성은 멀티 칩 패키징에 있어서 새로운 기준을 제시하고 있으며 Linear Technology의 엄격한 검증과 테스트를 거쳤다. 이들 μModule DC/DC 솔루션은 더 작은 크기로 향상된 성능을 제공하는 새로운 세대의 FPGA 및 FPGA 기반 시스템을 가능하게 한다.
참고문헌
- Custom Approach Can Stem Leakage in SoCs for Portables, Brendan Farley
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