휴대형 기기의 스마트 전력 관리
단말기에서 메모리 스토리지에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 메모리-집약적인 애플리케이션은 일반적으로 이러한 콘텐츠는 고체 상태 메모리(solid state memory)에 저장된다. 디지털 스틸 카메라는 역사적으로 대규모 메모리 용량을 제공해 왔지만, 최근 수년 동안 휴대전화에서도 이러한 요구사항이 중요해지고 있다. 이 글에서는 메모리 동향과 SD 플래시 메모리에 대한 다양한 전력공급 방법에 대해 설명한다.
글: 피터 A. 카이로우모어(Peter A. Khairolomour) / 기술 마케팅 부장
페어차일드 반도체 / www.fairchildsemi.com/kr
비디오 및 이미지 콘텐츠를 캡처, 디스플레이, 공유할 수 있는 기술이 급속히 발전함에 따라 메모리에 대한 요구 역시 급속히 증가하고 있다. 캡쳐 기술은 소형화된 카메라 광학 장치, 고집적 이미지 프로세싱, 그리고 초고휘도 LED 솔루션 및 소형 제논(xenon) 솔루션의 형태의 플래시 등의 등장으로 인해 진일보하고 있다. 직감적인 사용자 인터페이스와 결합된 효율적인 박형 터치 스크린 LCD, AMOLED, 슈퍼 AMOLED 솔루션 등은 사진 및 비디오의 디스플레이를 간단하면서도 강력한 경험으로 만들어주고 있다. 마지막으로 유비쿼터스 연결, 소셜 네트워크, 수많은 다운로드 가능한 콘텐츠 소스 등으로 인해 공유 기능이 한층 활성화되고 있다.
이러한 기술들은 휴대전화 제조업체들이 8MP 또는 12MP 이미지 해상도를 지원할 수 있는 카메라를 탑재한 전화를 설계할 수 있도록 지원하고 있다. 또한 비디오의 경우, 720p@30fps로 촬영이 가능한 휴대전화를 쉽게 찾아 볼 수 있다. 이러한 것들은 모두 메모리-집약적인 애플리케이션이며, 일반적으로 이러한 콘텐츠는 고체 상태 메모리(solid state memory)에 저장된다. 디지털 스틸 카메라는 역사적으로 대규모 메모리 용량을 제공해 왔지만, 최근 수년 동안 휴대전화에서도 이러한 요구사항이 중요해지고 있다.
다행스럽게도 소비자를 위해 가격($/MB)과 공간(㎟/MB) 모두에서 대폭적인 감소로 인해
고체 상태 메모리 집적도와 생산 능력이 지속적으로 증가하고 있다. 그림 1은 2011년에 NAND 기반 플래시 메모리를 위한 공정 기술이 25nm에 도달할 것이라는 것을 설명하고 있다. 소비자용 스토리지 애플리케이션을 위한 가장 일반적인 고체 상태 메모리 형식은 SD 플래시이다. 최신 SD 플래시 메모리는 NAND 기술에 기반하고 있으며, 그림 2에 나타낸 바와 같이 SD 카드, 미니 SD 카드, 마이크로 SD 카드 등 3가지 폼 팩터로 제공되고 있다. 3가지 폼 팩터의 크기는 다르지만, 전기적 인터페이스는 동일하다.
폼 팩터와는 별도로 SD 메모리 역시 용량 범위에 따라 구분된다. 표준 SD 카드는 최대 2GB 용량을 제공하며, 고용량(SDHC) 카드는 2GB에서 32GB까지의 용량 범위를 제공하며, 확장 용량(SDXC)는 32GB에서 2TB까지의 용량 범위를 제공한다. 또한 2개의 클록 속도 범주가 제공된다. 디폴트 모드에서 메모리는 0MHZ에서 25MHz의 클록 속도 범위로 동작하여 최대 12.5MB/sec 인터페이스 속도(4개의 병렬 데이터 라인 사용)를 제공한다. 고속 모드에서 메모리는 0MHz에서 50MHz의 클록 속도로 동작하여 최대 25MB/sec의 인터페이스 속도(4개의 병렬 데이터 라인 사용)를 제공한다. 시스템 설계자들은 필요한 읽기 및 쓰기 속도에 따라 이러한 파라미터들을 최적화할 수 있다. 전력공급 고려사항에 대해 검토할 때 이러한 문제들이 중요해진다.
전력공급 고려사항
SD 규격 버전 2.00은 2.7V에서 3.6V까지의 동작 전압 공급 범위를 요구하고 있다. 2.7V는 성능 보장을 위해 필요한 최소 전압으로 정의되어 있다. 2.7V에서부터 3.6V까지 허용되지만, 불필요하게 전력을 낭비하게 된다. 3.6V 이상의 경우, 성능이 보장되지 않을 뿐만 아니라 메모리가 손상될 수 있는 위험이 있다.
전력 공급 설계에 있어서 다른 고려사항으로 메모리의 전류 소모 특성이 있다. 전류 소모 특성은 셧다운, 대기, 읽기, 쓰기 등 메모리의 4가지 주요 상태에 따라 달라진다. 해당 메모리 카드를 위한 읽기/쓰기 전류 소모 역시 데이터가 메모리 내부 또는 외부로 전달되는 속도에 따라 달라질 수 있다. 일반적인 카드는 최대 25MHz의 클록 주파수를 지원하며, 고속 카드는 최대 50MHz를 지원한다. 용량이 증가함에 따라 소비자에게 적합한 사용 모델을 보장하기 위해서 고속 클록 속도가 필요하다.
저속으로 동작하는 소용량 SD 카드는 일반적으로 100mA 이하의 전류를 소모한다. 리튬이온 배터리가 3.7V에서 동작하고 메모리 공급 레일이 상당히 높다면, 리니어 레귤레이터가 SD 메모리를 위해 최선의 전력공급기가 될 것이다. 선택된 리니어 레귤레이터가 LDO와 함께 동작할 수 있어야만 하는 데 리튬이온 배터리가 3.2V에서 4.2V까지의 유효 전압 범위를 제공하기 때문이다.
8GB, 16GB, 32GB 고속 SD 카드가 출시됨에 따라 300mA에서 400mA까지의 전류 소모 범위가 일반화되고 있다. 이러한 전류 수준은 상대적으로 낮은 용량의 카드가 제공하는 100mA보다 상당히 높다. 이러한 새로운 증가된 전류 수준에서 LDO 전력 공급 솔루션은 상당한 양의 전력을 낭비하게 된다. 그림 3은 일반적인 2.9V 전압 조건으로 SD 카드에 전력을 공급하는 LDO를 나타낸 것이다. 어떠한 라인, 부하, 온도 조건에서도 출력이 2.7V 이하로 낮아지지 않도록 LDO가 보장할 수 있다는 가정 하에 2.9V를 선택했다.
표 1은 300mA 및 400mA의 전류 수준에서 그림 3의 LDO 시나리오에 대한 변환 효율을 계산한 것이다. LDO의 변환 효율은 78%이며, 결과적으로 240mW와 320mW의 전력을 각각 소모한다.
많은 시스템 설계자들이 허용될 수 없는 320mW에서 240mW의 전력 손실이 발생한다는 것을 알게 될 것이다. 다행스럽게도 그림 4에 나타낸 스위칭 컨버터를 사용함으로써 보다 높은 변환 효율을 달성할 수 있다.
표 1에서 계산된 바와 같이 FAN5362은 낭비되는 전력을 300mA 시스템에서는 55mW, 400mA 시스템에서는 101mA까지 낮출 수 있다. 이러한 효율성은 FAN5362를 사용하여 측정한 효율 곡선에 기반하고 있다. 아래의 그림 5는 AutoPFM(실선)과 ForcePWM (점선) 모두에 대한 이들 곡선을 나타내고 있다. FAN5362의 효율을 최적화하면서 3MHz를 공칭 스위칭 주파수로 선택하는 데 크기와 효율에 대한 최고의 트레이드오프를 제공하기 때문이다. 그림 1에서 확인할 수 있듯이 이러한 전력 민감 애플리케이션에 6MHz 스위처를 사용할 경우에 3MHz보다 상당히 많은 전력을 소모하게 된다.
LDO를 대체하기 위해서 벅을 선택하는 것이 사소해 보일 수도 있지만, 벅이 매우 높은 듀티 사이클 조건에서 동작해야 한다는 것을 고려해야만 한다. 벅의 출력이 2.9V로 설정되고 배터리 전압이 3.3V 이하로 낮아지면, 벅은 88%의 듀티 사이클로 동작한다. 일부 부하 및 입력 전압 조건에서 벅은 스위칭을 중단하고 100% 듀티 사이클로 동작해야만 한다. 전화가 GSM 펄스를 전송한다면 상황은 낮은 VBAT 상황에서는 한층 심각해진다. GSM 펄스는 최대 2A가 될 수 있으며, 이러한 펄스 동안 리튬이온 배터리의 출력 임피던스는 배터리가 최대 400mV까지 강하되게 만든다. LDO의 경우, 이러한 갑작스러운 VBAT 강하는 좋은 것으로 LDO가 항상 리니어 영역에서 동작하기 때문이다. 이것은 벅 컨버터에 대해서는 다른 상황이라고 할 수 있는 데 스위칭에서 100% 온 상태로 전환된 다음 배터리가 3.3V로 복구되면 다시 스위칭해야 하기 때문이다. 상측 디바이스가 완전 온 상태이고, 벅의 출력 전압은 단순히 VBAT - RDS(ON) *I - DCR*인 데 여기서 RDS(ON)은 상측 FET의 저항, DCR은 인덕터의 직렬 저항, I는 메모리 부하 전류이다.
FAN5362는 최소 오버슛 및 언더슈 성능을 통해 앞서 언급한 시나리오를 처리할 수 있도록 설계되었다. 뿐만 아니라, FET의 제어 메커니즘과 RDS(ON)을 세심하게 설계했기 때문에 심지어 라인 및 부하 과도전류를 모두 포함하는 경우에도 출력 전압이 2.7V 이하로 떨어지지 않도록 보장할 수 있다. 이것은 메모리에 있어서 중요한 데 SD 규격 버전 2.00은 2.7V에서 3.6V까지의 동작 전압 공급 범위를 요구하고 있기 때문이다. 그림 6은 전체 FAN5362 전력 솔루션의 일반적인 블록 다이어그램과 PCB 레이아웃을 나타내고 있다.
공정 기술의 발전으로 수용 가능한 가격의 초소형 SD 메모리에 대한 요구를 충족시킬 수 있게 되었지만, 결과적인 높은 메모리 용량의 디바이스는 전력소모 문제를 나타내고 있다. 이러한 문제는 이러한 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 FAN5362와 같은 벅 컨버터로 필요한 LDO를 대체함으로써 극복할 수 있다.
그림 1. NAND 플래시 메모리 기술을 위한 공정 기술 동향
그림 2. SD 카드, 미니 SD 카드, 마이크로 SD 카드의 크기 비교
그림 3. 2.9V 조건에서 SD 카드에 전력을 공급하는 LDO
표 1. LDO, 6MHz 벅, 3MHz 벅의 전력공급 비교
그림 4. 2.9V 조건으로 전력을 공급하는 FAN5362 벅 컨버터
그림 5. FAN5362 효율과 부하 전류, AutoPFM(실선), ForcePWM(점선)의 비교
그림 6. FAN5362의 일반적인 블록 다이어그램과 PCB 레이아웃
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