휴대용 애플리케이션을 위한 토털 파워 솔루션 - Application

휴대용 및 핸드헬드 가전기기 설계자들은 이미 풍부한 기능의 제품에 새롭고 세련된 기능들을 추가해왔다. 이를 위해 일찍이 본 적 없는 수준으로 설계가 복잡해지면서 하드웨어와 소프트웨어에 대한 토털 시스템 설계 요구가 증가하고 있다.

휴대용 애플리케이션을 위한 토털 파워 솔루션

글│Alan Elbanhawy, AnalogicTech

이들 기기는 모든 동작 조건에서 긴 배터리 수명을 구현해야 하기 때문에 전력 공급 서브시스템에 매우 많은 것을 요구하고 있으며, 전력 서브시스템은 지금까지 고도로 복잡한 첨단 기능과 전력 밀도 솔루션을 공급하면서 이 분야의 놀라운 발전을 촉진시켜 왔다.

AnalogicTech는 이와 같이 매우 까다로운 요구사항을 만족하기 위해 통합형 단일 IC 솔루션을 제공하고 있다. 이 글에서는 이러한 IC 중 하나로 다양한 애플리케이션에 토털 파워 솔루션을 제공하는 AAT2601을 자세히 살펴보기로 한다.

AnalogicTech는 특별히 가전기기에서 동작하는 휴대용 및 핸드헬드 배터리를 위해 설계된 전력 변환 솔루션의 매우 다양한 포트폴리오를 제공한다. 최근 출시된 AAT2601은 다음과 같은 휴대용 애플리케이션을 위한 토털 파워 솔루션이다.

- 디지털 카메라
- GSM 또는 CDMA 휴대전화
- 휴대용 계측기
- PDA 및 휴대용 컴퓨터
- PMP(Portable Media Player)

이 단일 IC 솔루션은 AnalogicTech의 Total Power Management ICTM (TPMICTM) 제품군 제품으로 방열 기능이 강화된 로우 프로파일 5 × 5 × 0.8mm 36핀 TQFN 패키지로 제공된다. 향상된 PMU(Power Module Unit)는 전력 공급 성능과 PCB 레이아웃 공간 최적화를 위해 다양한 내장 기능과 특징을 제공한다. 주요 특징과 기능은 다음과 같다.

- 4.5V~6V의 입력 전압 범위
- 배터리 충전기 1개
- 디지털 방식의 열 레귤레이션
- 최대 1.4A까지 프로그래밍 가능한 충전 전류
- 충전 전류 종료 프로그래밍
- 배터리 프리컨디셔닝을 위한 자동 트리클 충전
- 핵심 애플리케이션을 위한 보상 기능이 있는 완전 통합형 스텝 다운 동기식 벅 컨버터가 내장되어 있어 애플리케이션 설계 시간을 단축하고 제품을 시장에 빠르게 내놓을 수 있다. 또 1.5 MHz의 스위칭 주파수에서 동작하므로 외부 부품 크기를 최소화하는 동시에 스위칭 손실을 낮추고 93% 이상의 피크 효율을 제공한다.
- 저전압강하 LDO, 레귤레이터 5개. 모든 LDO 출력 전압은 I2C 인터페이스를 사용하여 프로그래밍 가능하다. 모든 LDO는 60dB 전원전압 제거비(PSRR)와 낮은 잡음의 동작을 제공하므로 잡음에 민감한 부하 구동에 적합하다.
- 6개의 모든 전압 레귤레이터는 낮은 무부하 전류로 동작한다. 스텝 다운 컨버터와 2개 LDO가 동작할 때 전체 무부하 전류는 단 170μA이다.

전력 시스템 요구사항

모든 컨수머 휴대용 애플리케이션은 주기적인 충전이 필요한 일정한 종류의 배터리로부터 동작한다. 배터리는 성공적인 충전과 안전한 동작을 보장할 수 있도록 매우 엄격한 충전 방법이 요구된다. 이러한 소자에 탑재되는 CPU는 우수한 과도 응답과 높은 전력 변환 효율을 제공하는 레귤레이션된 코어 전압을 필요로 한다. 또한 수많은 기능들은 관련된 모든 전자장치에 전력을 공급하기 위해 많은 저전압강하 레귤레이터, LDO를 필요로 한다.

그림 1은 AAT2601 PMU에 대한 기능 블록 다이어그램을 보여준다. 이 소자는 1개의 스텝 다운 벅 컨버터와 5개의 저전압강하(LDO) 레귤레이터와 함께 인텔리전트, 독립형 CC/CV(Constant Current/Constant Voltage), 선형 모드 단일 셀 배터리 충전기를 통합하고 있어 벽면 어댑터 또는 단일 셀 리튬 이온/폴리머 배터리로부터 전력을 공급할 수 있다. 또 내장된 부하 스위치를 통해 LDO 레귤레이터 및 동기식 벅 DC-DC 컨버터는 AC 벽면 어댑터, USB 포트 전원 또는 배터리에서 이용 가능한 최적의 전원으로 동작할 수 있다.

그림 1. 기능적 블록 다이어그램

배터리만 사용할 수 있는 경우 전압 레귤레이터와 컨버터는 100mΩ 부하 스위치를 통해 배터리로부터 직접 전력을 공급받으며, 충전기는 슬립 모드로 전환하여 1μA 미만의 무부하 전류를 소비한다.

시스템이 벽면 어댑터에 연결되어 있으면 전압 컨버터는 500mΩ 부하 스위치로부터 어댑터를 통해 직접 전력을 공급받고 배터리는 전압 컨버터 입력으로부터 분리된다. 이와 같이 시스템은 배터리의 충전 상태나 배터리 탑재 여부와 상관없이 동작할 수 있다.

스텝 다운 동기식 벅 컨버터

AAT2601에는 고성능 300mA, 1.5MHz 동기식 벅 컨버터가 내장되어 있다. 이 벅 컨버터는 100mA ~300mA의 전체 부하 전류 범위에서 높은 효율의 성능을 제공하도록 설계되었으며, 93% 이상의 피크 효율을 갖는다. 소자는 단 3개의 외부 부품과 입/출력 세라믹 커패시터 및 출력 인덕터만 필요로 한다. 보상 기능이 내장된 높은 DC 이득 오차 증폭기가 출력을 제어한다. 이 증폭기는 우수한 과도 응답과 부하/라인 레귤레이션을 제공한다. 과도 응답 시간은 보통 20μs 미만이다. 컨버터는 소프트 스타트 제어 기능을 갖추고 있어 돌입 전류를 제한하고 드롭 아웃 시 100% 듀티 사이클로 전환한다. 전압 출력은 내부에서 1.8V로 고정된다. 전력 소자는 300mA 전류 성능을 제공하면서 전체 부하 시 88% 이상의 효율을 유지하도록 설계되었다.

컨버터는 피크 전류 모드 스텝 다운 컨버터이다. 내장된 넓은 대역폭 루프가 인덕터 피크 전류를 제어한다. 인덕터 전류는 P채널 MOSFET, 하이 사이드 또는 제어 스위치를 통해 감지되며, 이 제어 스위치는 단락 회로 및 과부하 보호에도 사용된다.

감지된 전류에는 고정 슬로프 보상 신호가 추가되어 50% 이상 듀티 사이클에서 안전성을 유지한다. 피크 전류 모드 루프는 출력 커패시터와 병렬로 배치된 전압으로 프로그래밍된 전류 소스처럼 나타난다. 전압 오차 증폭기의 출력은 모든 부하 및 라인 조건에 일정한 출력 전압을 제공하는 데 필요한 피크 인덕터 전류를 구현할 수 있도록 전류 모드 루프를 프로그래밍한다.

또한 전압 피드백 저항 분배기가 내장되어 있으며 오차 증폭기 기준 전압은 0.45V이다. 전압 루프는 DC 이득이 높아 우수한 DC 부하 및 라인 레귤레이션이 가능하다. 내장된 전압 루프 보상 기능은 트랜스컨덕턴스 전압 오차 증폭기의 출력에 있다.

그림 2. 100uA~400mA의 부하 전류에 대한 전력 변환 효율

그 밖에도 벅 컨버터에는 소프트 스타트 기능이 내장되어 있어 입력 전압 또는 인에이블 입력이 초기에 인가될 때 내부 기준 전압을 서서히 증가시킨다. 이 기능은 입력에 나타나는 전류 서지를 제한하고 출력 과전압 오버슛을 없애주어 안전하고 신뢰할 수 있는 성능을 보장한다. 과부하 조건을 위해 피크 입력 전류는 제한된다. 부하 임피던스가 감소하고 출력 전압이 영에 가깝게 떨어지면 내부에서 더 많은 전력이 소비되므로 소자의 온도가 올라간다. 열 보호 기능은 내부 전력 소비가 과도하면 스위칭을 완전히 정지시켜 손상으로부터 소자를 보호한다. 접합부 과열 임계값은 15℃ 히스테리시스에서 140℃이다.

I2C 인터페이스

I2C에는 충전기 프로그래밍 및 출력 전압 설정을 비롯해 많은 기능 세트가 내장되어 있다.

이 소자의 주요 기능 중 하나는 I2C 인터페이스를 통해 출력 전압을 제한 내에 조절할 수 있는 기능으로 동적 출력 전압 조정이라고 부를 수 있다. 이는 배터리가 닳았거나 과열, 배터리 노후와 같은 동작 조건에 응답하여 즉시 성능을 최적화할 수 있는 매우 중요한 기능이다.

전력 변환 효율

스텝 다운 벅 컨버터는 관심있는 모든 부하 전류에서 항상 높은 효율로 동작한다. 피크 효율은 2.7V 입력 전압에서 93% 이상이며, 4.2V 전압에서는 90% 이상이다. 이와 같이 높은 효율은 배터리 수명을 연장시켜주고 배터리 용량의 효율을 높여준다. 높은 효율과 낮은 손실은 발열이 적은 동작을 가능하게 함으로써 설계의 열 관리 요구를 줄여주고 직접적으로 높은 신뢰성을 구현한다.

과도 응답

CPU 코어 전원은 코어 전압과 전류에 매우 빠른 과도 응답이라는 추가적인 요구사항을 제공한다. 과도 응답은 출력 필터 인덕턴스와 커패시턴스, 그리고 가장 중요한 요인으로 컨버터의 루프 대역폭과 같은 여러 요소에 의해 결정된다. 루프 대역폭은 제어 구조와 스위칭 주파수에 의해 결정된다. 일반적으로 스위칭 주파수의 4/1~1/10 대역폭은 구현이 용이하지만 스위칭 주파수의 절반보다 더 높은 루프 대역폭은 현실적으로 구현이 어렵다.

그림 3은 -70mmV/ 58mV의 과도 전압을 갖는 AAT2601에서 달성 가능한 우수한 과도 응답을 보여준다. 과도 응답 시간은 약20μs로 탁월하다.

그림 3. 부하 과도 응답. 10mA~100mA; V_bat = 3.6V ; V_OUT = 1.8v;C_OUT = 4.7uF에서의 부하 과도 응답

스텝 다운 동기식 벅 컨버터는 우수한 라인 과도 응답을 제공한다. 그림 4는 3.5V~4.2V의 입력 전압에서 스텝에 대한 라인 과도 응답을 보여준다. 전압 스윙은 65mV/-70mV이다. 이러한 특징은 라인 전압 변화로 인한 코어 전압 변동을 규격 내에 유지하여 동작 신뢰성을 보장한다.

그림 4. V_bat = 3.5V~4.2V ; I_OUT = 300mA ; V_OUT = 1.8V ; C_OUT = 4.7uF에서 동기식 벅 컨버터 라인 과도 응답

일반적인 파워 업 및 파워 다운 시퀀스

파워 업/다운 시퀀싱은 최근의 스마트 솔루션의 핵심 요구사항이다. 이 소자는 뛰어난 유연성으로 이러한 기능을 구현한다. 첫째 독립적인 인에이블 기능을 사용하며, 둘째 I2C 인터페이스를 사용한다. 이 밖에도 호스트 셀프 테스팅, 슬립 모드 시 사용되는 일련의 인에이블 입력 세트가 있어 사용자가 솔루션을 최적화하도록 도와준다.

배터리 충전기

배터리 충전기는 휴대용 애플리케이션을 위한 PMU의 핵심 기능 블록이다. 배터리 충전 프로파일은 다음 3단계로 구성된다.

- 프리컨디셔닝 트리클 충전

배터리 충전은 안전한 충전 환경을 유지하기 위해 AAT2601 배터리 충전기가 일련의 조건을 검사한 후에만 시작된다. 입력 전원은 최소 동작 전압 UVLO를 넘어야 하며, 인에이블 핀 ENBAT는 로우 상태가 되어야 한다. 배터리가 BAT 핀에 연결되어 있으면 배터리 충전기가 배터리 상태를 검사하여 인가할 충전 모드를 결정한다.

배터리 전압이 프리컨디셔닝 전압 임계값 VMIN으로 내려가면 배터리 충전기는 프리컨디셔닝 트리클 충전 모드를 시작하고 프로그래밍된 정전류 크기의 12%에서 배터리를 충전한다.

트리클 충전은 배터리가 거의 방전되지 않도록 방지하는 안전 장치이다. 또한 트리클 충전은 입출력 전압 차가 최고값에 도달할 때 내부 직렬 패스 MOSFET에서의 전력 소비를 줄여준다.

- 정전류 모드 충전 전류

트리클 충전은 배터리 전압이 VMIN에 도달할 때까지 계속된다. 이 지점에서 배터리 충전기는 정전류 충전을 시작한다. 이 모드의 전류 레벨 디폴트는 ISET 핀에서 접지까지의 저항을 사용하여 프로그래밍된다. 디폴트 충전 전류에 대한 저항이 선택되면 프로그래밍된 디폴트 충전 전류의 40%~180% 범위에서 I2C를 통해 전류를 조정할 수 있다. 프로그래밍된 전류는 최소 100mA에서 최대 1A까지 설정할 수 있다.
ADPP 신호가 하이로 구동되면 디폴트 I2C 설정 100%가 리셋된다. 리셋이 발생할 때 USE_USB 신호가 하이이면 충전 전류는 마이크로컨트롤러에서 충전 전류를 변경하는 또 다른 I2C 신호를 전송할 때까지 내부에서 설정된 100mA 전류로 리셋된다.

- 정전압 모드 충전

정전류 충전은 배터리 전압이 출력 충전 전압 포인트 VBAT_REG에 도달할 때까지 계속된다. 배터리 전압이 레귤레이션 전압(VBAT_REG)에 도달하면 배터리 충전기는 정전압 모드로 전환된다. VBAT_REG는 4.2V(공칭)로 공장에서 프로그래밍된다. 정전압 모드 충전은 충전 전류가 I2C 인터페이스를 사용하여 프로그래밍된 충전 종료 전류의 끝까지 감소될 때까지 계속된다.

충전 안전 타이머(CT)

충전 전류를 모니터링하는 동안 AAT2601은 충전 안전 타이머를 사용하여 손상된 셀을 간편하게 식별하고 셀이 안전하게 충전되도록 보장한다. 동작은 다음과 같다. 충전 사이클을 시작하면 AAT2601은 VBAT가 2.8V를 넘을 때까지 프로그래밍된 최대 충전의 12%에서 셀을 충전한다. 안전 타이머가 만료되기 전까지 셀 전압이 2.8V(일반)의 프리컨디셔닝 임계값에 도달하지 못하면 셀은 손상된 것으로 간주되고 충전 사이클은 종료된다. 셀 전압이 타이머가 만료되기 전 2.8V를 초과하면 충전 사이클은 고속 충전으로 전환된다. 타임아웃 시간은 트리클 충전 모드를 위한 1시간, 정전류 모드를 위한 3시간, 정전압 모드를 위한 3시간의 세 가지 종류가 있다.

CT 핀은 정전류 소스에 의해 구동되며 타이밍 커패시터 값의 증가에 선형 응답을 제공한다. 따라서 만약 타이밍 커패시터가 공칭 0.1μF 값으로부터 두 배가 되면 타임아웃 시간도 두 배가 된다. 프로그래머블 워치독 타이머 기능이 필요하지 않을 경우 CT 핀을 접지로 종단하면 기능을 디스에이블할 수 있다. 타이밍 커패시터는 물리적으로 PCB 레이아웃에서 CT 핀에 가능한 가깝게 배치한다. X7R 및 X5R과 같은 세라믹 커패시터 재료는 이 애플리케이션에 적합한 선택이다. 그림 5는 마이크로컨트롤러 인터페이스뿐 아니라 PMU의 적절한 동작을 위해 필요한 모든 외부 부품이 표시된 일반 애플리케이션 다이어그램을 보여준다.

그림 5. 애플리케이션 다이어그램

레이아웃 가이드라인

PC 보드를 레이아웃할 때에는 AAT2601의 적절한 동작을 보장할 수 있도록 다음의 레이아웃 가이드라인을 준수해야 한다.

- 접지 면은 우수한 열 소산을 위해 모든 보드 레이어 비아와 함께 패키지 아래 대형 노출형 구리 패드를 포함해야 한다.
- 큰 전류 흐름을 허용하고 기생 인덕턴스와 저항을 낮추려면 GND 트레이스를 포함하여 전원 트레이스, LX 트레이스 및 VIN 트레이스는 직접적으로 길이는 짧게, 폭은 넓게 한다. LX 핀에 이어지는 필터 인덕터 연결은 가능한 짧게 유지해야 한다. 레이어 사이에 라우팅 할 때는 여러 개의 비아 패드를 사용한다.
- 우수한 전원 필터링을 위해 입력 커패시터는 CHGIN 및 PGND에 가능한 가깝게 배치해야 한다.
- 스위칭 노드는 민감한 피드백 노드에서 떨어지게 배치한다.
- 피드백 트레이스는 모든 전원 트레이스로부터 분리시키고 부하 지점에 가능한 가깝게 연결한다. 대전류 부하 트레이스와 함께 감지할 경우 DC 부하 레귤레이션 성능이 나빠진다.
- 출력 커패시터와 출력 인덕터는 가능한 가깝게 연결해야 하며 인덕터 아래에는 신호 라인이 있어서는 안 된다.
- 부하 리턴부터 전원 접지에 이르는 트레이스를 가능한 짧게 하여 여기에 흐르는 저항을 최소로 한다. 이렇게 하면 내부 신호 접지와 전원 접지의 전위 차로 인한 DC 레귤레이션의 오차를 최소화하는 데 도움이 된다.