글: Eddie Beville, Afshin Odabaee, Mike Stokowski
리니어 테크놀로지 / www.linear.com
매 새로운 세대의 하이엔드 프로세서, FPGA, ASIC이 등장할 때마다 더 높은 부하를 제공하기 위해서 전원장치에 대한 부담이 가중된다. 하지만 시스템 디자이너는 이러한 높아진 전력을 제공하기 위해서 귀중한 시스템 보드 공간을 추가적으로 할당하기가 거의 어렵다. 이와 같이 전원장치로 더 높은 전력이 요구됨과 동시에 문제를 더 복잡하게 하는 점으로서, 다중의 전원 레일로 POL(point-of-load) 레귤레이션을 제공하기 위해서 보드 상으로 갈수록 더 많은 숫자의 전용 전원장치를 요구하고 있다. 각각의 레일이 1V 이하의 낮은 전압으로 수십 암페어에서부터 수백 암페어를 제공할 수 있어야 하며 1퍼센트 이내의 초기 정확도와 수 퍼센트 미만의 뛰어난 부하 트랜션트 응답 성능을 요구한다. 그러므로 과제는 정확도가 높고, 낮은 전압으로 높은 부하 전류를 공급할 수 있고, 적은 시스템 보드 공간을 차지하는 전원장치 솔루션을 찾아내는 것이다.
적합하다고 판단되는 강력한 레귤레이션 솔루션을 찾아냈으면 그 다음에는 이의 전력 손실 및 열 저항을 평가해야 한다. 이 두 파라미터 때문에 시스템 열 요구를 충족하지 못한다면 다른 측면에서 아무리 우수한 레귤레이터 솔루션이라 하더라도 이용하기에 부적합하다. 이 점은 특히 시스템이 높은 주위 온도 환경으로 동작해야 하는 경우에는 더 그렇다. 당연히 전력 손실을 낮추기 위해서는 변환 효율이 높아야 하고 패키지 디자인이 내부 열 저항이 낮고 주위 환경에 대한 열 저항이 낮아야 한다. 솔루션의 크기가 갈수록 소형화됨으로써 면적에 있어서 레귤레이터와 보드 사이의 열 저항이 감소함으로써 보드를 낮은 온도로 유지하기가 갈수록 어려워지고 있다. 전원 레귤레이터는 통상적으로 대부분의 전력 손실을 시스템 보드로 소산시키며 그러므로 내부 시스템 온도를 크게 높이기 때문이다.
시급한 과제: 열 및 냉각 비용
시스템 엔지니어 및 열 엔지니어들은 열 형태의 전력 손실을 제거하기 위한 솔루션을 설계하기 위해서 이와 같은 복잡한 전자 시스템을 모델링하고 평가하는 데 많은 시간을 소비한다. 에어 플로우와 히트 싱크가 이처럼 원치 않는 열을 제거하기 위해서 통상적으로 이용되는 방법이다. 현실적으로 직면하고 있는 문제는 첨단 프로세서, FPGA, 맞춤형 ASIC은 통상적으로 내부 시스템 온도가 상승함에 따라 훨씬 더 많은 전력을 소비한다는 것이다. 그러면 전원 레귤레이터로부터 더 높은 전력을 공급해야 하며 내부 전력 손실이 증가함으로써 시스템 온도를 추가적으로 상승시킨다. 그러므로 전력 손실과 열을 낮추는 것이 무엇보다도 중요하며 고밀도 전원 솔루션을 위해서는 전력 손실을 제한하고 열을 효과적으로 제거할 수 있어야 한다. 그러므로 대부분의 컴팩트한 패키지의 전원 솔루션은 과하게 높은 전력을 소산시키거나, 아니면 열을 효과적으로 제거하지 못함으로써 상당한 디레이팅을 하지 않고는 높은 온도로 동작하지 못한다. 그러므로 이와 같은 시급한 문제를 완화할 수 있도록 합리적인 솔루션을 필요로 한다.
고전력 디자인의 온도를 적정한 수준으로 유지하기 위해서는 냉각 기법에 대해서 주의 깊게 고려해야 한다. 팬, 냉각판(cold plate), 히트 싱크를 설치하거나 시스템을 특수한 액체로 감싸는 방법은 디자이너들이 시행하고 있는 여러 방법 중의 일부에 불과한 것이다. 이 모든 방법들이 비용이 많이 들어가고 그러면서도 반드시 필요하다. 그런데 고전력 POL(point-of-load) 레귤레이터가 꼭 필요한 전력을 공급하면서 열을 골고루 효과적으로 소산시킬 수 있다면 회로 상의 해당 부분에 필요한 냉각을 줄일 수 있을 것이며 그럼으로써 냉각 크기, 무게, 유지보수, 비용을 줄일 수 있을 것이다.
전력 밀도에 관한 오해
고 전력 밀도 DC/DC 레귤레이터는 온도 동작을 해결하지 못하고 있다는 점에서 현혹하는 점이 있다. 시스템 디자이너들은 DC/DC 레귤레이터로 이용하기 위해서 시스템의 전기적, 물리적, 전력 요구를 충족하는 제품을 찾아냈으면 이 디바이스의 데이터 시트에서 더 상세한 정보들을 알아보아야 한다. 예를 들어서 2cm×1cm 크기의 DC/DC 레귤레이터가 부하로 54W를 공급한다면 이 디바이스의 전력 밀도 정격은 평방센티미터당 27W이다. 이 수치이면 몇몇 디자이너들에게는 인상적인 수준으로 보일 것이며 원하는 전력, 원하는 크기, 원하는 가격대를 충족하는 것으로 보일 것이다. 하지만 여기서 간과하고 있는 것은 최종적으로 온도 상승으로 이어지는 열 문제이다. 가장 중요하게 살펴보아야 할 정보는 DC/DC 레귤레이터의 열 임피던스를 알아보는 것으로서 패키지의 접합부-대-케이스, 접합부-대-공기, 접합부-대-PCB 값을 살펴보아야 한다.
계속해서 위 디바이스를 예로 들어서 이 디바이스는 또 다른 매력적인 특성을 제공한다. 이 디바이스는 90퍼센트라고 하는 인상적인 수준의 효율로 동작한다. 이 디바이스는 20℃/W 접합부-대-공기 열 임피던스의 패키지를 이용해서 54W 출력을 공급하면서 6W를 소산시킨다. 6W를 20℃/W와 곱하면 주위 온도 대비 120℃ 상승된다 는 결과가 나온다. 그러면 45℃ 주위 온도일 때 이처럼 뛰어나 보이는 DC/DC 레귤레이터의 패키지 접합부 온도가 165℃가 된다. 165℃는 두 가지 이유에서 결코 좋을 수 없다. a) 이 온도는 대략 120℃인 대다수 실리콘 IC의 최대 온도를 넘는 것이며, b) 접합부 온도를 120℃ 아래의 안전한 값으로 유지하기 위해서 특별한 주의를 기울여야 하기 때문이다.
이와 같이 간단한 계산이 때때로 무시되고 있다. 그러므로 모든 전기적 및 전력 상의 요구를 충족하는 것으로 보이는 DC/DC 레귤레이터가 시스템의 열 가이드라인을 충족하지 못하거나, 아니면 안전한 온도 환경으로 동작하기 위해서 추가적인 조치들을 필요로 함으로써 비용이 너무 높게 되는 것이다. 그러므로 DC/DC 레귤레이터에 대해서 볼트, 암페어, 센티미터 등의 특성들을 평가할 때 이의 열 성능 또한 살펴보는 것을 잊지 않아야 한다.
이 글에서는 리니어 테크놀로지의 새로운 고밀도 확장가능 LTM4620 μModule짋 레귤레이터에 대해서 설명한다. 확장가능 전원 디자인을 이용해서 이 디바이스의 전기적, 기계적/패키지, 열 성능에 대해서 설명한다. 이 글에서는 이 새로운 고밀도 확장가능 전원 레귤레이터가 뛰어난 전기적 성능, 낮은 전력 손실, 고유의 열 향상 패키지 디자인을 특징으로 함으로써 높은 전력 밀도에 대한 요구를 충족한다는 것을 알 수 있다.
LTM4620 듀얼 13A 또는 단일 26A μModule 레귤레이터
그림 1. LTM4620 패키지 (15mm x 15mm x 4.41mm LGA)
그림 1은 LTM4620 μModule 레귤레이터 사진이다. 이 SIP(system-in-package)는 15mm×15mm×4.41mm LGA 디바이스이다. 이 디바이스는 13A로 2개의 독립적인 출력을 제공하거나, 26A로 단일 출력을 제공할 수 있다. 이 패키지는 상단 및 하단 히트 싱크를 적용함으로써 뛰어난 열 관리를 가능하게 한다.
그림 2. LTM4620 블록 다이어그램
그림 2는 LTM4620 μModule 레귤레이터의 블록 다이어그램이다. LTM4620은 2개의 고성능 동기 벅 레귤레이터를 제공한다. 입력 전압 범위는 4.5V~16V이고, 출력 전압 범위는 0.6V~2.5V 및 0.6V~5.5V(LTM4620A)이다. LTM4620의 전기적 특징으로는 ±1.5퍼센트 총 출력 정확도, 100퍼센트 테스트를 거친 정밀한 전류 공유, 고속 트랜션트 응답, 셀프 클로킹 및 프로그래머블 위상 편이를 이용한 다중위상 병렬 동작, 주파수 동기화, 정밀한 원격 검출 증폭기를 포함한다.
보호 기능으로는 출력 과전압 보호 피드백 참조, 폴드백 과전류 보호, 내부 온도 다이오드 모니터링을 포함한다.
LTM4620의 혁신적인 패키지 디자인
그림 3. LTM4620의 측면 모습과 몰딩하지 않은 상태의 LTM4620
그림 3은 측면에서 본 내부 모습과 몰딩하지 않은 상태의 LTM4620의 상단면 모습이다. 이 패키지 디자인은 열 전도성이 뛰어난 BT 기판을 이용하고 전류 전달 용량과 시스템 보드에 대해 낮은 열 저항을 달성하기에 적절한 구리 층을 이용하고 있다. 고유기술의 리드 프레임 전력 MOSFET 스택을 이용해서 높은 전력 밀도, 낮은 인터커넥트 저항, 디바이스 상단 및 하단에 대한 높은 열 전도성을 제공한다. 또한 전력 MOSFET 스택과 전력 인덕터로 고유기술 히트 싱크 디자인을 부착해서 효과적인 상단면 히트 싱크를 제공한다. 상단면의 노출 금속으로 추가적인 히트 싱크를 부착하고 에어 플로우를 이용해서 열을 제거할 수 있다. 히트 싱크 구조와 몰드 캡슐화 덕택에 외부 히트 싱크를 이용하지 않고 에어플로우만으로도 상단면으로부터 열을 제거할 수 있다.
그림 4. LTM4620의 열 영상 및 디레이팅 곡선
그림 4는 12V 입력 1V 26A 출력디자인의 LTM4620의 열 영상 및 디레이팅 곡선을 보여준다. 온도 상승은 200LFM 에어 플로우 조건에서 주위 온도보다 35℃만 높아질 뿐이며, 디레이팅 곡선을 보면 최대 부하 전류가 80℃에 이르기까지 디레이팅을 필요로 하지 않는다는 것을 알 수 있다. 그림 4의 열 데이터에서는 열 향상 고밀도 전원 레귤레이터 솔루션이 어떠한 이점을 제공하는지 잘 알 수 있다. 이 혁신적인 패키지 디자인은 소형의 크기로 전력 손실을 최대한 낮출 수 있도록 하며 전력 손실로 인해 발생하는 열을 효과적으로 제거할 수 있도록 한다.
LTM4620의 전기적 성능
그림 5. LTM4620을 이용한 2위상 1.5V 26A 병렬 출력 구성
그림 5는 LTM4620을 듀얼 출력 전류 공유 동작으로 구성한 것을 보여준다. 이 구성은 매우 밀도가 높은 1.5V 26A 솔루션을 제공한다. RUN, TRACK, COMP, VFB, PGOOD, VOUT 핀을 연결함으로써 병렬 동작을 구현할 수 있다. 이 디자인에서는 LTC2997 온도 센서 모니터 디바이스를 이용해서 LTM4620의 내부 온도 다이오드를 모니터링 하는 방법을 보여주고 있다. 이 온도 검출 다이오드는 다이오드 연결 트랜지스터를 모니터링 할 수 있는 다른 디바이스들을 이용해서 모니터링 할 수 있다.
그림 6. 2위상 1.5V 효율 및 전류 공유 그래프
그림 6에서는 2위상 병렬 출력 및 2개 채널 전류 공유 동작의 1.5V 효율을 보여주고 있다. 86퍼센트 효율은 이와 같은 높은 밀도 솔루션으로서 상당히 훌륭한 것이며, 그림 4의 열 데이터에서 보았듯이 보드 탑재 후에 θJA 열 저항이 낮으므로 온도 상승이 잘 제어된다. 효과적인 상단 및 하단 히트 싱크를 적용함으로써 LTM4620은 낮은 온도 상승으로 최대 전력으로 동작할 수 있다. 그림 6에서는 VOUT1 및 VOUT2 전류 공유 성능을 보여주고 있다. LTM4620의 내부 컨트롤러는 출력 전류 공유가 가능하도록 정밀하게 트리밍 되었고 테스트를 거쳤다. 그러므로 LTM4620은 고밀도 확장가능 전원 솔루션에 이용할 수 있는 훌륭한 솔루션을 제공한다. 높은 효율 및 신속한 트랜션트 응답의 전류 모드 아키텍처는 고성능 프로세서, FPGA, 맞춤형 ASIC에 요구되는 저전압 코어 전원장치로서 이용하기에 매우 적합하다. 뛰어난 출력 전압 초기 정확도 및 차동 원격 검출 기능은 부하 지점에서 적절한 DC 전압 레귤레이션을 제공할 수 있다. 고유의 열 성능 및 뛰어난 전류 공유 기능은 최대 100암페어 이상으로까지 출력 전류 용량을 확장할 수 있도록 한다. 다중위상 동작을 구현하기 위해서 각각의 레귤레이터 채널로 외부적인 위상 편이 클록 소스를 필요로 하지 않는다. LTM4620은 병렬 채널 클로킹에 이용할 수 있도록 위상 편이를 내부적으로 프로그램 할 수 있는 Clock In 핀 및 Clock Out 핀을 제공한다. 외부적인 주파수 동기화나 내부적인 온보드 클로킹을 선택할 수 있다. 이와 같은 클로킹 특성을 제공하므로 전력 확장을 더욱 더 용이하게 한다.
그림 7. 8위상 4개 μModule 레귤레이터를 이용한 확장 100A 디자인
그림 7은 8위상 4개 μModule 레귤레이터 100A 디자인과 이 4개 레귤레이터의 전류 공유 그래프를 보여주고 있다. 모든 8개 위상을 결합함으로써 전류 공유 확장 100A 디자인을 달성할 수 있다. 그림 7에서 보듯이 이 μModule 레귤레이터 보드는 1.95 평방인치의 공간만을 차지하면서 100A 출력 솔루션을 제공한다. 그럼으로써 이와 같은 높은 전류로 높은 전력 밀도의 전원 솔루션을 제공한다. 4개 모듈 모두에 히트 싱크를 적용해서 에어 플로우를 이용해서 전력 손실로 인한 열을 제거할 수 있다. 그럼으로써 상당한 양의 전력 손실이 시스템 보드로 소산되는 것을 막을 수 있다.
관련 비디오 제공
LTM4620의 성능을 확인할 수 있도록 셋업 및 측정 결과에 대해서 설명하는 4개의 TechClip 비디오를 제공하고 있다. 이들 TechClip 비디오에서는 단락회로 보호, 열 동작, 26A 및 100A일 때 온도 상승, 히트 싱크 부착, 스타트업/안정상태/셧다운 시의 정밀한 전류 공유 등에 대해서 설명한다. 이들 비디오는 http://video.linear.com/p4634-126에서 볼 수 있다.
결론
LTM4620 μModule 레귤레이터는 고밀도 전원 솔루션의 새로운 기준을 제시한다. 혁신적인 열 설계 패키지를 이용해서 하우징된 이 고성능 레귤레이터를 이용함으로써 매우 소형의 폼팩터로 높은 전력을 공급하는 디자인을 달성할 수 있다. 또한 다중위상 클로킹 기능과 정밀한 전류 공유 기능을 결합함으로써 25암페어, 50암페어, 100암페어 이상으로 디자인을 확장할 수 있다. 또한 LTM4620의 뛰어난 열 성능은 상승된 주위 온도로 최대 전력 동작을 가능하게 한다. 그러므로 전력 손실과 온도를 허용 가능한 수준으로 제어하면서 고전류 디자인을 구현할 수 있다.
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