글│Tony Armstrong, 리니어 테크놀로지
2006년도는 배터리 구동식 휴대형 전자 기기가 광범위하게 보급된 주요한 한 해로 평가되었다. 2006년 한 해 동안, 소비자들은 9억 5,000만 대의 휴대전화, 2억 2,000만 대의 노트북, 1억 4,000만 대의 MP3플레이어, 9,000만 대의 DSC, 1,000만 대의 GPS 시스템을 구매했다. 그러나 여기서 언급되지 않은 또 다른 제품의 카테고리는 PMP(Portable Media Player)나 DMB(Digital Media Broadcast) 제품처럼 2가지 혹은 심지어 3가지의 제품 기능들이 혼합된 버전이다. 또한 이 카테고리들은 주요 전원으로 리튬-이온 배터리를 갖추고 있으며, 소비자 가전 영역에서 중요한 제품들로써 빠르게 자리잡고 있다.
PMP의 장점은 MP3와 MP4 포맷 모두를 재생할 수 있다는 것이다. 따라서, 하나의 기기로 DVD-CD나 웹 사이트에서 다운 받은 파일을 음악을 듣거나 영화를 감상하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 PMP는 대용량 스토리지 성능을 위해 하드 디스크 드라이브(HDD)를 포함하고 있다. 일반적으로, 이 같은 HDD의 탑재는 PMP가 150시간 이상의 영상물이나 1,200시간의 음악을 저장할 수 있게 한다. 그러나 PMP 제조업체들은 이미 제한된 폼 팩터에 이러한 모든 기능들을 통합시키면서, 동시에 더욱 장시간의 동작 시간을 확보해야 하는 시장의 압박에 시달리고 있다.
대부분의 PMP가 비디오 플레이어와 MP3플레이어 기능 모두를 가지고 있기 때문에, 내부적인 전자공학은 다양한 전력 레벨에서 여러 개의 저전압 출력 레일을 요구한다. 이에 대한 이유는 대다수의 디지털 LSI(Large Scale Integrated) IC가 1.5V 혹은 그 미만의 작동 전압을 가지고 있기 때문에 분명하다. 동시에, 메모리 및 I/O 전압 요구조건은 2.5V와 3.3V 사이에서 달라질 수 있다. 따라서, 리튬-이온 배터리에서 직접 여러 개의 POL(Point-Of-Load) DC/DC 컨버터를 사용하는 것은 비현실적이며, 따라서 시스템 설계자들은 더욱 통합된 기법을 채택하고 있다.
이와 유사하게, 휴대전화는 사람들이 서로 통화할 수 있는 기능 그 이상을 수행한다. 대부분의 스마트 휴대전화는 웹 검색, 이메일의 무선 전송, 사진촬영, 스트리밍 비디오, TV 수신 및 심지어 GPS 기능까지 가능하게 한다. 초기 단계의 동향에는 대용량 스토리지 성능을 위해 마이크로 하드-디스크 드라이버도 포함하고 있다.
이를 통해 이러한 스마트 폰은 고밀도의 스토리지 성능을 갖출 수 있다. 사용되고 있는 대부분의 HDD는 직경이 1이거나 그 미만의 플래터를 가지고 있다. 직경이 단지 1인 하나의 플래터에 10GB 마이크로 드라이버도 존재한다. 이 드라이버는 이미 검증되어 이용 가능하며, 0.8 직경의 플래터도 조만간 이용할 수 있게 될 것이다.
1 디스크 드라이브는 보통 동작의 경우 3.3V에서 약 300mA만 필요하다. 그러나 스핀-업 피크 동안 전류 요구량은 500mA 정도로 높을 수 있다. 향후 0.8 모델은 명목 전류를 덜 필요로 할 것이며 400mA 미만의 피크 전류를 가질 것이다.
그림 1의 스마트 폰 블록 다이어그램을 살펴보면, 점점 증가하는 기능들의 숫자들이 다양하게 변하는 전력 레벨에서 더욱 낮은 전압 출력의 필요성을 어떻게 만족시키는 지를 쉽게 볼 수 있다.
PMP 혹은 스마트 폰에서 HDD 사용
PMP나 스마트 폰 내부에 HDD 채택을 위한 핵심적인 드라이버는 대용량 및 쉽게 읽고/쓸 수 있는 소형 스토리지를 필요로 했다. PMP의 경우를 살펴보자. 이 경우는 AC 어댑터, USB(Universal Serial Bus) 케이블, 또는 리튬-이온 배터리에서 전원을 공급 받을 수 있다. 그러나 이러한 전원 사이에서 전력 경로 제어는 상당한 기술적 과제를 던져준다.
흔하게 발생하는 DC/DC 컨버터의 또 다른 문제는 광범위한 입력 전압 사이에서 어디든지 존재하는 레귤레이트된 출력 전압이 생성된다는 것이다. 더욱 분명한 관점에서 이 문제를 해결하기 위해, 3.3V 전력 레일을 갖춘 단일 셀 리튬-이온 배터리 PMP를 고려하는 것이 좋다. 기존의 리튬-코발트 산화 캐소드 셀을 이용하는 것은 이것의 방전 프로파일이 4.2V의 하이(High)에서 3.0V까지 하강하는 것을 의미한다.
그럼에도 불구하고 이 시스템의 전력 레일은 고정 3.3V 출력을 요구한다. 여기서 살펴볼 수 있듯이, 출력 전압은 리튬-이온 배터리의 경우 때때로 입력 전압 범위 이상이거나, 이하이거나 또는 동일하다.
이러한 유형의 문제를 해결하기 위해 채택되는 기존의 방식은 SEPIC(Single-Ended Primary Inductance Converter)나 벅/부스트 컨버터를 사용해 왔다. 이러한 유형의 컨버터들은 입력 전압이 출력 전압 이상이거나, 이하이거나 혹은 동일하던지 간에 고정 출력 전압을 제공할 것이다. 그러나, SEPIC 컨버터를 사용할 때 다음과 같은 상당한 결함들이 발생한다.
다중 인덕터나 거대한 트랜스포머가 요구되기 때문에 설계가 복잡해진다
제어 루프는 리튬-이온 배터리 애플리케이션으로 폭넓은 입력 전압 범위에서 안정화시키기에 복잡하고 어렵다.
솔루션 풋프린트는 대형이며 또한 프로파일의 높이가 높다.
변환 효율성은 낮다 - 보통 70% 중반에서 80%
온도 문제는 더 높은 출력 전력 레벨에서 발생할 수 있다
더욱 효율적인 접근방식은 스텝-다운, 스텝-업 및 100% 듀티 싸이클 모드를 수행하는 4개의 내부 스위치를 조절할 수 있는 단일 인덕터 기반의 컨버터를 사용하는 것이다. 이 같은 유형의 4개 스위치 벅 부스트 컨버터는 설계를 쉽게 해 주는 장점을 가지며, 고전력 밀도를 갖추게 될 것이며 또한 동기식 드라이브 성능으로 인해 고효율성의 동작도 제공한다.
HDD 스핀-업을 위해 500mA에서 3.3V 공급하기
PMP 설계자들은 배터리 수명을 특정 구성에 최적화시키는 것을 보장하기 위해 이용할 수 있는 수많은 옵션을 보유하고 있다. 다기능 ASSP의 결합은 필수적인 전압과 전력 레벨을 제공할 수 있어 최상의 시스템 성능을 실현하면서 배터리 상의 전력 드레인이 일반 동작 기간 동안 최소화되는 것을 보장한다.
그러나, ASSP는 소니의 Nexelion 제품군처럼 더욱 새로운 음극 화학 리튬이온 배터리의 전체 에너지 밀도를 활용할 수 없을 수 있다. 그 이유로, 일단 배터리 전압이 요구되는 3.3V 출력 레벨 이하이면, ASSP는 이 배터리 전압을 요구되는 출력 레벨까지 상승시킬 수 없기 때문이다. Nexelion 배터리 범위는 4.2V에서 2.5V까지 하강하기 때문에, 이것은 사용되지 않은 배터리 에너지의 30% 이상을 남길 것이다.
이 예에서, 더욱 간단한 빌딩 블록 접근은 리튬-이온 배터리의 새로운 유형의 자연스런 방전 주기 동안 필수적인 전력을 HDD에 공급하는 좋은 대안이다. 이 경우, 입력 전압이 출력 전압 이상이거나 이하, 또는 동일한가에 관계없이 3.3V 고정 출력을 제공할 수 있는 모놀리식 동기식 벅 부스트 컨버터는 이상적인 솔루션이 될 것이다. 다행히, 리니어 테크놀로지는 최근 이 같은 특정 요구를 만족시키는 새로운 벅-부스트 컨버터를 새로 출시했다. 이 제품은 LTC3532이다.
LTC3532는 출력 전압을 단일 인덕터를 갖춘 입력 소스 전압보다 높게, 혹은 낮게 또는 동일하게 조절할 수 있는 고효율의 고정 주파수 벅-부스트 DC/DC 컨버터이다. 입력 전압 범위는 2.4V~5.5V이며 출력 전압 범위는 2.4V~5.25V이다. 피크 출력 전류 용량은 3.3V 출력 전압에서 500mA이다. LTC3532의 아키텍처는 모든 동작 모드, 즉 스텝 다운, 패스 쓰루, 스텝-업 모드를 통해 연속적인 전송 기능을 제공한다. 이 기능을 통해 LTC3532는 배터리가 방전될 때 입력 전압이 감소되는 단일 셀 리튬 이온, 다중 셀 알카라인 또는 NiMH 애플리케이션에서 배터리 동작 시간을 연장시키는데 이상적이다. LTC3532의 회로도는 그림 2를 참조하자.
따라서, 단일 셀 리튬-이온의 배터리 구동식 PMP에서, 1 소형 HDD는 500mA 피크 전류로 명목상 300mA에서 일정한 3.3V가 필요하다. 소니의 Nexelion 배터리에서 출력 전압은 4.2V에서 하강해 2.5V 만큼 낮게 변화한다. LTC3532는 스텝 다운 모드에서 작동하는 반면 배터리 전압은 4.2V에서 명목 3.3V까지 감소한다.
3.3V에서 LTC3532는 4개의 스위치 벅 부스트 모드에서 동작할 것이다. 이 4개의 스위치 작동은 벅 모드 및 부스트 모드 사이에서 유연한 스위치오버를 보장하며, 지터, 리플 또는 이상한 잡음 생성 등을 제공하지 않는다. 일단 배터리 전압이 3.3V 미만으로 하강해 2.5V까지 계속 하강하면, LTC3532는 스텝 업 모드로 동작한다. 기존의 스텝 다운 컨버터와 비교해 LTC3532를 사용하면 30% 이상까지 배터리 수명을 연장할 수 있다.
4개의 저전력 레일을 위한 다중 출력 DC/DC 출력
위의 토론에서 적정 전류 레벨에서 고효율성 작동으로 다중 출력을 공급할 수 있는 통합형 스위칭 DC/DC 컨버터의 수요가 증가하고 있다는 사실은 분명하다. 이러한 컨버터는 PMP나 스마트 폰에서 쉽게 근거지를 찾을 것이다.
리니어 테크놀로지는 이러한 용도에 적합한 최적화된 소형 솔루션을 제공하기 위해 LTC3544를 최근 출시했다. LTC-3544는 쿼드 동기식 스텝 다운 DC/DC 컨버터로 2.25MHz에서 동작하며 각각 300mA, 2배의 200mA, 100mA이 연속 전류 출력 성능을 갖춘 4개의 독립형 출력을 갖추고 있다. 2.25V~5.5V 입력 전압 범위는 리튬-이온/폴리머 배터리 구동식 기기에 매우 적합하다. 3mm x 3mm 표면 실장 패키지가 결합된 높은 스위칭 주파수 동작은 소형 표면 실장 인덕터 및 커패시터의 사용을 가능하게 하면서 소형 솔루션의 풋프린트를 제공한다. 마지막으로, 내부 동기식 스위치는 효율성을 증가시키고 외장형의 쇼트키 다이오드의 필요성을 없애준다.
결론
배터리 구동식 휴대형 기기 설계자들은 자신들의 제품 내에서 HDD 채택용으로 공급하거나 저전력 레일에 적합한 소형 DC/DC 컨버터를 공급하기 위해 이용할 수 있는 수많은 옵션을 가지고 있다. 다행히, 리니어 테크놀로지와 같은 제조업체들은 설계자의 작업을 단순화시킬 수 있는 영역에서 다양한 제품을 공급하고 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 02월호>