폐쇄 루프 전압 스케일링 제어를 통한 전력 절감 방법
여러분의 다음 설계에서 회로 보드 전력 소모를 25%~30% 또는 그 이상을 절감할 수 있다면 좋지 않을까? 일부 설계에서는 이와 같은 절감 효과가 단지 좋은 것일 수도 있지만, 다른 경우에는 최신 고성능 통합 회로를 사용하여 설계의 경쟁력을 확보하는 것이 반드시 필요하다. 왜? 신형 ASIC, SoC, 프로세서 기술들을 단지 한 가지 방법으로만 기술할 수 있기 때문인 데 바로 이것들이 '뜨겁다'는 것이다! 무엇 때문에 이러한 문제가 발생하는 것인가? 정답은 IC 기술에서 증가하고 있는 전력밀도이다. 트랜지스터 크기가 작아지고 동작 전압이 낮아졌음에도 불구하고 칩 상의 트랜지스터의 수는 이들이 스위칭하는 주파수는 한층 더 높은 비율로 증가해 왔다. 결과적으로 이전보다 한층 좁은 공간에서 보다 많은 전력이 소모되고 있다.
글: 랜디 스키너(Randy Skinner) / 래티스 반도체
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통합 네트워크 어댑터의 진화
통합 네트워크 어댑터 시장의 경우, 통합 ASIC이 NIC(network interface card)의 기능을 이더넷 처리 코어와 광 채널 처리 코어를 사용하는 HBA(host bus adapter)와 함께 통합하고 있다. 그림 1은 독립적인 기능 IC에서 단일 SoC(system on chip) 상에 다양한 코어 형태를 제공하는 디바이스로, 그리고 단일 IC 코어를 통해 다수의 프로토콜들을 기본적으로 처리할 수 있는 현재의 광 어댑터 ASIC로 이행해가는 이러한 최적화된 ASIC의 발전 과정을 정리한 것이다. 이러한 성과는 이전에 가능했던 것보다 한층 더 소형화된 공정 노드와 한층 더 많은 트랜지스터 수를 통해 달성되었다. 상대적으로 높은 클록 스위칭 속도와 함께 상대적으로 낮은 복수의 동작 전압이 이전에 가능했던 것보다 작은 풋프린트에서 처리 성능을 실현시켰다.
이러한 발전은 흥미롭지만 강력한 새로운 ASIC을 포함해 모든 기술에는 한계가 존재한다. IC를 실현하는 기술을 사용하는 보드 설계자들은 이제 이전보다 더 많은 기술적 과제를 처리해야만 한다. 콤팩트한 소형 보드 공간 환경에서 상대적으로 높은 전력밀도로 인해 발생하는 설계 관련 기술적 과제는 다음과 같다:
•지정된 최대 값에 근접하는 높은 로컬 IC 온도
•히트싱크에 대한 요구 또는 다른 열 이동 수단의 사용
•인접 디바이스들의 증가된 동작 온도
그림 1. 통합 네트워크 어댑터 ASIC의 발전 과정
전압 공급 스케일링을 통한 전력 관리 전략
통합 네트워크 어댑터 카드를 예로 들면 전력소모를 낮추기 위한 새로운 기법은 문제가 되는 ASIC의 코어 동작 전압을 낮추는 것이다. 이것은 제조업체-지정 동작 조건이 유지되도록 보장하면서 이루어진다. 소모된 전력이 디바이스 동작 전압의 제곱근의 함수일 경우에 절감이 중요할 수 있다. 부하와 디지털 처리 조건들이 허용될 경우에 Ic 당 30% 이상의 전력절감을 통해 첨단 ASIC의 Vcore를 낮출 수 있다. 이러한 조건들로는 I/O 로딩, 클록 속도, 그리고 온도, 동작 특성 등과 같은 그 외 다양한 파라미터들을 들 수 있다.
그림 2. 통합 네트워크 어댑터 전압 스케일링 솔루션
적당한 시점에 ASIC의 Vcore의 설정을 제어하기 위해 설계된 회로가 해당 전압을 제공하는 공급기의 Vout을 변경할 수 있다. 그림 2에서 전용 MCU는 ASIC과 통신하고, 폐쇄-루프 조정 알고리즘을 실행하여 Vcore DC-DC 컨버터를 리얼타임으로 조정한다. MCU는 DC-DC로부터의 Vcore를 측정한 다음 외부 DAC(digital-to-analog converter)를 통해 생성된 전압을 통해 디지털 조정 신호를 DC-DC에 전송한다.
전통적인 전압 스케일링 방법들의 기술적 과제
Vcore 전력공급기를 복수의 값으로 설정할 수 있는 정상적인 솔루션을 구현하는 것과 관련된 한 가지 기술적 과제는 폐쇄 루프 제어 구성 시에 다양한 외부 컴포넌트들이 필요하다는 것이다. 전력공급기의 출력 전압 측정값은 접지 전위 편차와 단일단 전압 측정 기법들에 의해 생성된 누적 오류들에 영향을 받는다. 단일단 측정 방법의 또 다른 단점은 이것이 잡음에 대한 내성이 없다는 것이다. 전통적인 단일단 측정 방법은 차동 입력 감지 방법에 대한 좋지 않은 대안이기 때문에 결과적으로 정확도가 1.5%(최소) 이상일 수 없다. 다른 MCU-기반 솔루션의 기술적 과제로는 절대적인 프로세서가 없는 조건(hung processor condition)이 발생하지 않도록 보장하기 위해서 외부 와치독 타이머를 요구한다는 것이다.
마지막으로 주문형 솔루션은 특히 많은 수의 디스크리트 IC가 필요할 경우에 비용이 가장 높은 대안이다. 일반적으로 간과되는 다른 항목은 안정적인 폐쇄 루프 조정 알고리즘 자체의 위험과 복잡성이다. 절대적인 MCU가 없거나 범위를 벗어난 ADC 또는 DAC 조건으로 인해 예측 불가능한 동작이 나타날 수 있다. 너무 보수적으로 대응하거나 규격 값을 잃어 버렸을 경우에 전력 절감 효과가 낮아질 수 있다.
완벽한 전력관리 솔루션
다양한 동작 값들을 위해 Vcore를 정확하게 스케일링하는 것뿐만 아니라 완벽한 보드 관리 솔루션은 다음과 같은 모든 기능들을 제공해야만 한다:
•전압 모니터링 (모든 공급기)
•전력 공급 시퀀싱
•3.3V 및 12V의 핫 스왑을 위한 PCIe 요구사항
•SFP에 대한 전력 공급 제어
•리셋 트리(Reset Tree) 생성
•다목적 통신을 위한 I2C 링크
전력관리 통합의 이점
첨단 CNA ASIC과 같은 애플리케이션에서 공급 전압을 스케일링할 수 있는 기회가 있을 경우에 프로그래밍된 전압을 속도와 정밀도를 통해 자동적으로 조정하는 것이 중요하다. 상대적으로 낮은 동작 전압의 장점을 활용하기 위해서 조정은 시간, 온도, 공정 등의 편차에 상관 없이 안정적이여야 한다. 다양한 Vcore 값을 설정하기 위해 래티스 플랫폼 매니저(Lattice Platform Manager)와 같은 통합 단일 칩 솔루션을 사용함으로써 위에서 언급한 전체 조건에 대해 Vout 값에서 최대 10mV 미만의 에러를 보장할 수 있다. 이것의 프로그램 가능성과 시뮬레이션 성능으로 인해 플랫폼 매니저 디바이스는 간편하게 정확한 동작을 구현하고 검증할 수 있다. 접지 전압 차이로 인한 에러에 대해 내성을 가지도록 하는 차동 감지 기능이 표준 기능으로서 이러한 플랫폼 관리 제품에 통합된다.
DC-DC를 매우 정확한 값으로 설정함으로써 얻을 수 있는 주요 이점은 제조업체의 최소 설정을 위반하거나 신뢰할 수 있는 디바이스 동작을 위태롭게 하지 않으면서 최대 전력 절감 효과를 얻을 수 있다는 것이다. 다시 말해, 상대적으로 낮은 전력 설정 조건에서도 동작이 지원된다면 이를 활용하는 것이 중요한데 클록 전송속도 역시 낮출 수 있기 때문이다. 정확한 최소 허용 값보다 높은 특정 동작 전압은 최대 절감 효과를 달성하지 못하면서 이전의 성능 마진들 역시 상쇄시킬 수 있다. Vcore 공급 전압에 대한 정확한 폐쇄 루프 설정을 통해 이러한 문제를 제거하고, 정확한 ADC와 레퍼런스 조합을 통해 설정할 경우에 전압 입력, 온도, 공정 편차 등과 같은 동작 조건들에 대해 안정적인 솔루션을 얻을 수 있다.
그림 3. 전체 플랫폼 관리 통합을 통해 개선된 CAN 전압 스케일링
래티스의 PAC-Designer 등과 같은 설계 소프트웨어를 사용하여 다양한 DC-DC 컨버터들과 간편하게 인터페이스할 수 있다. 모든 DC-DC 컨버터 에러에 대한 최적의 제어를 위해 우선 모든 필요한 외부 컴포넌트(레지스터)를 계산하여 결정한다. 플랫폼 매니저 폐쇄 루프 제어 아래에 배치될 경우, 전력 공급기의 에러는 10mV 최대 에러 Vout 이하로 감소한다. 설계자들이 다양한 DC-DC 출력에 의해 달성되기를 원하는 동작 전압을 간단하게 지정하면 소프트웨어가 모든 필요한 외부 컴포넌트와 외부 디바이스 설정들을 선택하여 외부 전력 공급기에 대한 정밀도 조정을 달성한다. 다양한 공급기들이 다음 설계에 다시 사용되기 때문에 재사용을 위해 DC-DC 컴포넌트 라이브러리를 저장하여 설계 작업을 한층 더 간편화시킨다.
전유 전압 스케일링 회로와 함께 직접 인터페이스하도록 프로그래밍될 수 있는 범용 I/O(GPIO)를 포함한 유연한 I2C 인터페이스가 최신 회로 보드 전자장치에서 볼 수 있는 일부 첨단 디지털 처리 엔진 ASIC과 기타 IC에 현재 포함되고 있다. 플랫폼 매니저(Platform Manager)와 같은 디바이스는 외부 전력공급기 컨트롤러에 대한 요구를 제어하면서 첨단 ASIC으로부터의 이러한 제어 신호들을 간단하게 수용할 수 있다. 대신에 이러한 기능들이 디바이스의 완벽한 통합 솔루션의 일부가 되어야만 한다.
참고문헌
랜디 스키너(Randy Skinner)는 래티스 반도체의 인-시스템 프로그램 가능 혼합 신호 제품 담당 제품 마케팅 엔지니어이다. 래티스에 입사하기 전에 스키너는 싸이프레스 반도체(Cypress Semiconductor)와 버 브라운(Burr-Brown Corporation, TI)에서 마케팅 및 애플리케이션 관련 업무를 담당했다. 스키너는 미국 유타주 프로보시의 브리검영대학교(Brigham Young University )에서 전자공학 학사를 수여했다.
연락처는 다음과 같다: randy.skinner@latticesemi.com.
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