휴대용 기기를 위한 전원관리의 새로운 물결 <2>

휴대형 기기 개발업체들이 저렴한 가격과 저전력을 구현하며, 동시에 작은크기의 휴대용 기기가 요구하는 전원용량 조건을 충족시키면서 높은 시스템 신뢰성을 얻을 수 있는 전원관리 방법을 알아보자.

글 │Thomas DeLurio, George Hall, Josh Jones, Summit Microelectronics

다양한 시스템에 적용시킬 수 있는 전원관리용 디바이스가 되기 위해서는, 각각의 채널들이 출력전압 레벨뿐만 아니라 토폴로지도 변경을 할 수 있어야 한다. 이렇게 되면 그때그때의 필요에 의해서 다양한 요구사항들에 맞추어 구성을 변경할 수 있는 표준전원 플랫폼의 설계가 가능해진다.

그림 4는 스텝-업(부스트) 채널로도 구성할 수 있는 한 개의 스텝-다운(벅)채널이다. 그림 5는 인버팅 벅-부스트 채널로도 구성할 수 있는 세 개의 스텝-업 채널이고, 그림 6은 세 개의 벅채널이다. 또한 분리된 전원입력 핀을 가지고 있으며 출력전압을 변경할 수 있는 LDO와 로그래머블 리튬이온 배터리 충전기가 있다. 프로그래머블 디바이스 입력은 파워업을 행할 컨버터들을 선택할 수 있는 푸쉬-버튼 입력으로 사용할 수 있다.

이 입력이 활성화 되었을 때 몇 개의 컨버터 채널을 켤 것인지를 프로그램 할 수 있고, 전원 온/오프 핀으로 설정할 수도 있다. 저(低) 부하 상태를 위해 선택할 수 있는 PFM 모드는 부하가 낮을 때에도 높은 효율을 보장한다. 그리고 효율과 외부 부품의 크기나 잡음 감소의 측면을 비교하여 적정 균형을 맞출 수 있도록 PWM 주파수를 500KHz,750KHz, 1MHz중에서 선택할 수 있다. 6- 또는 8-phase PLL 기반의 내장 오실레이터는 외부 클럭과 동기를 맞출 수 있다.

추가 요구사항들로는 스텝-업과 스텝-다운 채널들을 위한 전류 제한기능,Under-Voltage/Over-Voltage 모니터링, 온도 검출을 통한 회로보호 기능 등이 있다. 그 외 유용한 기능으로는 리얼 셧다운 모드(<1μA)와 소비전력 절약을 위한 자동 PFM모드, 사용자 임의로 사용할 수 있는 96바이트 용량의 비 휘발성 메모리, 프로그램 가능한 슬루율 제어, 매우 정밀한(<0.5%) 기본전압 및 출력전압을 유지하기 위한 Active DC Output Control(ADOC) 기술, 그리고 세 개의 스텝-다운 채널은 P채널 FET가 내장되어있다(그림 4).

주 시스템 배터리로부터 전원을 공급 받는 휴대용 애플리케이션에서 전원 손실이 발생하였을 때, 적절한 시스템 셧다운을 보장하려면 배터리 전압의 Under-Voltage 상태를 지속적으로 감시하여야 한다. 때때로 이 경우두 단계의 배터리 감시모드를 요구하기도 한다. 하나는 배터리의 저 전압 경고를 발생하기 위함이고 다른 하나는 전원 손실 전에 시스템 데이터를 보존하기 위함이다.

추가적으로, 중요하지 않은 채널들을 비활성화 하거나 최초 배터리 저 전압 경고용 임계전압까지 다다르면 그 채널들을 래치하는 기능들을 종종 요구한다. 이때 줄어드는 부하로 인해 소모된 배터리의 전압이 높아지지만 그렇지만 시스템이 그 전원들을 다시 켜지는 않는다.

I2C 명령을 통한 모든 출력 전압들의 다이내믹한 전압 가변 제어 기능은 정상 출력중인 전압으로부터 임의의 비율만큼 출력전압의 상승 및 하강을 시킬 수 있다. 세 개의 사전 정의된 전압 설정으로 만들어지는 마진기능은 각각 채널마다 I2C 명령을 통해 설정이 가능하다. 마진기능은 세 단계의 밝기 설정이 제공되므로 LED 구동회로와 같은 구성이 필요한 채널에 이상적이다. 추가적으로, 각각의 출력채널은 사용자 임의로 프로그램을 할 수 있고 아무런 외부부품도 요구되지 않는 디지털 소프트-스타트 회로에 의해서 제한되는 슬루율을 가진다.

마진기능은 또한 코어전압의 변동이 장점이 될 수 있는 프로세서를 위해 동적 전압 관리기능을 제공하는데 사용된다. 세 개의 사전 정의된 전압 설정으로 만들어지는 마진기능은 각각 채널마다

I2C 명령을 통해 설정이 가능하다. 모든 출력들은 각 출력이 도달 가능한 프로그램 가능 범위 내에서 동일한 마진기능이 이루어질 수 있다. 마진기능은 세단계의 독특한 밝기 설정(그림 8)이 제공되어 LED 구동회로(그림 9)와 같은 채널 구성으로 사용될 때 이상적이다.

LED들은 동일한 밝기를 위해 직렬로 연결하거나 개별적인 밝기제어를 위해 병렬연결로도 구성될 수 있다. 그림 8 예에서는 부스트 채널을 통해 최대 10개까지의 LED를 구동할 수 있다.

스텝-업 부스트 출력이 정 전류 LED구동회로로 구성이 되었을 때, 출력전압은 LED를 통해 흐르는 전류와 COMP1핀에 연결된 저항에 흐르는 전류가 같아지도록 자동적으로 제어된다.

그림 9의 LED 회로는 LED에 의해 제한되기는 하지만 대략 30mA의 최대전류로 10개의 백색 LED를 구동할 수 있다. 또한 각각의 출력채널은 사용자 임의로 프로그램을 할 수 있고 아무런 외부 컨덴서도 요구되지 않는 디지털 소프트-스타트 회로에 의해서 제어(제한)되는 슬루율을 가진다. 이러한 프로그램 가능한 설정들은 모두 비 휘발성 레지스터에 저장되고, 쉽게 그 내용을 읽거나 수정할 수 있다.

배터리 충전기

완벽하게 갖춰진 프로그래머블 내장형 리튬 이온 배터리 충전기는 고 집적전원 관리기의 핵심이다. 프로그램 할 수 있는 기능들에는 급속 충전 옵션과 사전-충전 옵션, 각각의 조건에 대해 프로그램 가능한 충전 전류 레벨, 충전중단 시간 설정, 충전 중 배터리 온도에 의한 제한기능, 다양한 조건에 따른재충전 이벤트, I2C 인터페이스를 통해 읽어볼 수 있는 오류 로그, 배터리의 현재 상태를 표시해주는데 사용되는 일반 출력 핀 등이 포함된다. 배터리-충전 이벤트는 전용 전압 감시용 입력을 통해 DC 전압 검출이 되면 초기화 된다. 이 입력 핀 상의 전압이 사전 정의된 최소 배터리 충전용 임계전압을 초과하면 자동적으로 충전을 시작한다. 그렇지만, I2C 명령이 발생할 때까지 배터리 충전을 금지하는 프로그램 옵션도 포함되어 있다.

리튬 이온 배터리 충전기는 최적화된 성능과 안전성을 위해 세 가지의 충전모드가 요구된다. 이들 모드는 배터리가 심하게 방전되었을 때를 위한 제한된 전류만 제공되는 사전-충전모드,높은 전류로 충전을 하는 고속 충전모드, 그리고 정 전압 미세충전 모드이다(그림 10). 리튬 이온 배터리가 거의다 방전이 되었을 때, 배터리 충전은 제한된(미세한) 배터리 충전 전류로 충전을 시작한다. 사전-충전 플로트 전압은 여러 가지 종류의 배터리에 모두 적용할 수 있도록 충전 전류를 광범위하게 프로그램 할 수 있다.

사전-충전 전류 또한 프로그램 가능하다. 사전-충전 플로트 전압 값을 초과하면, 배터리 충전 전류는 사전-충전 전류 값에서 급속 충전 전류 값으로 증가한다. 급속 충전 전류는 프로그램 가능해야 하고, 마지막 플로트 전압은 새로운 더욱더 큰 플로트 전압을 가지고 있는 대용량 리튬-이온 배터리들에도 적용할 수 있어야 한다.

일단 마지막 플로트 전압을 초과하면, 배터리 충전기는 배터리 전압을 일정하게 유지하도록 정 전압 모드로 들어 가는데, 이를 위해 충전 전류는 서서히 줄어든다. 정 전압-충전 모드는 충전 전류가 충전 중단 전류 값 이하로떨어질 때까지 계속 유지된다.

온도 검출 입력은 충전하는 동안 배터리 온도가 과도하게 올라가는 것을 방지하기 위해 필요하다. 온도 감시 회로는 모두 다른 내부저항에 대해서도 적용할 수 있어야 하며, 안전한 동작범위 내에서 배터리 전압이 떨어질 때까지 충전을 중지할 수도 있어야 한다.휴대 가전 기기에서 전력 소비량만이 유일한 고려사항은 아니다. 특히 지속적으로 줄어드는 보드 공간에 새로운 기능들까지 구현하기 위한 시도가 무모한 도전처럼 보이지만, 소비자들의 요구사항은 절충이 되지 않는다. 전원 관리 IC들은 DC/DC 컨버팅 채널이나 전원 제어 기능 측면에서 점점 더 많은 기능들을 점점 더 작은 크기의 패키지 내에 내장하려 하고 있다(그림 12).단일 패키지 내에 점점 더 많은 전원 컨버젼 채널들의 통합은 더 높은 전원 소모로 나타나므로 자연적으로 설계 시 좀더 많은 고려사항이 대두된다. 리드없는 QFN 처럼 최신의 패키징 기술은 특히 바닥 면이 보드상에 땜질 되었을때, 커다란 크기의 다이를 제공함과 동시에 매우 효율적으로 전원을 분산 소비한다.

결론

디지털적으로 프로그램이 가능한 새로운 개념의 전원 공급기는 I2C를 통해 프로그램이 가능한 출력 전압, 파워 온/오프 순서제어, 각각 개별적인 전원 인가 제어, 배터리 전압 검출 및 충전,PWM 출력 측의 UV(Under-Voltage)와 OV(Over-Voltage) 검출,마진기능/LED 백라이트, 슬루율 제어와 프로그램 가능한 파워 온/오프 순서 등을 제공한다. ±0.5% 미만의 범위 내에서 능동적으로 제어되는 DC출력 전압 레벨은 한층 더 엄격해진 허용오차 조건들을 갖는 고성능 전자부품들이 좀더 신뢰할 수 있는 동작을 할 수 있도록 해준다. 마진 기능은 밝기나 볼륨등의 조정 필요할 때 쉬운 방법을 제공해줄 뿐만 아니라 시스템의 목표 성능을 실험하는데도 쓰인다.

능동적인 정밀도 제어, 프로그램 가능한 여러 기능들의 통합과, 이에 따른 유연성은 주 하드웨어의 변경 없이 소프트웨어를 통해 쉽게 수정할 수 있어서 시스템 설계자가‘플랫폼 솔루션’을 만들 수 있도록 도와준다. 마지막으로 재-프로그램을 할 수 있는 점과의 결함은 빠른 설계 주기 및 기본 설계를 기반으로 차세대 제품으로 빠르게 확산을 할 수 있는 촉진제 역할을 한다.S N

<자료제공: 월간 반도체네트워크 06년 04월호>