설계의 초소형화 추세에 따라 향상된 아날로그 스위치 제품에 대한 요구가 증가하고 있다. 높은 집적도, 공정 기술의 향상은 설계 방법의 변화를 가져오고 있다. 페어차일드의 신형 저 ICCT 아날로그 스위치를 사용할 경우 많은 이점을 얻을 수 있다. 새로운 배터리 전원공급 초소형 설계에서 이러한 차세대 아날로그 스위치는 초소형 제품 설계자의 툴 킷에 필수적이다.

글│트래비스 윌리엄스(Travis Williams), 페어차일드 반도체

설계의 초소형화 추세에 따라 향상된 아날로그 스위치 제품에 대한 요구가 증가하고 있다. 높은 집적도, 공정 기술의 향상은 설계 방법의 변화를 가져오고 있다. 설계에는 코어 프로세서와 ASIC를 둘러싼 아날로그 칩 세트에 전력을 공급하고 제어하기 위해 점점 더 다른 전압 레일들이 사용되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 아날로그 스위치 공급업체 페어차일드 반도체가 새로운 아날로그 스위치 설계 방식을 변경하고 기존 제품을 수정한 신형 제품을 선보였다.

이 차세대 아날로그 스위치는 낮은 소비 전류와 Rail-to-Rail 시그널링을 유지하면서 확대된 제어 입력 범위를 갖는다. 여기서는 설계 방식의 변화를 가져온 근본적인 이유와 새로운 솔루션이 이러한 초소형 시스템의 요구를 어떻게 만족시키는지를 살펴볼 것이다. 또한 초소형 소자에 사용되는 배터리 수명을 연장하기 위해 특별히 설계된 차세대 저 ICCT 아날로그 스위치를 설명한다. 이 밖에도 혼합 전압 레일에 대해 이러한 향상된 성능을 얻기 위해 개발된 제품의 설계 상의 트레이드오프를 설명하고, 이러한 트레이드오프가 어떠한 방식으로 전체 시스템 성능을 향상시키는지 분석하기로 한다.

아날로그 스위치의 고려사항

휴대전화, PDA, MP3 플레이어와 같은 초소형 제품은 USB 포트 공유 및 절연에서부터 오디오 스위칭에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 아날로그 스위치를 사용한다. 모든 초소형 제품 설계자들은 구성과 애플리케이션에 따른 특정 요구사항을 바탕으로 스위치를 선택한 후 최종 애플리케이션과 상관없이 몇 가지 주요 사양을 고려해야 한다. 초소형 제품은 배터리 전원에 의존하므로, 아날로그 스위치의 선택에서 전력 소비는 언제나 주요 고려사항이다.

전원 검출

대부분의 초소형 시스템에서는 여러 개의 전원 레일이 사용되므로 설계자는 전력 관리 IC를 사용하여 어떤 전원이 존재하는지 검출한다. 그런 다음 전력 관리 IC는 배터리에서 직접 동작할지 또는 정압되어 공급되는 전원에서 동작할지를 결정한다. 상황에 따라 전원 전압은 2.7V~3.6V(벽면에서 공급되는 정압 전원의 경우), 또는 완전 충전된 배터리에서 전원이 공급되는 경우 4.3V VCC 범위가 될 수 있다.

최근까지 온보드 범용 입출력 단자(GPIO)가 아날로그 스위치에 전원을 공급하는 전원 전압에 따라 전압 레벨을 제어하였으므로 스위치는 매우 적은 전류만 소비하였다. 이러한 상태에서 표준적인 아날로그 스위치의 소비 전류는 1uA 미만이다. 초소형 제품이 배터리 전원에서 동작할 경우, 총 시스템 전력 예산 안에 머물기 위해서는 총 소비 전류가 매우 중요해진다. 표준 구성(제어=0V 또는 VCC)에서 아날로그 스위치는 소비 전류가 1uA 미만의 소비 전류를 갖는 일반적인 전력 예산 안에 충분히 들어간다.

전압 처리 능력 제한

그러나 보다 새로운 ASCI 설계가 소형 공정 기술로 이동하면서 전압 처리 능력은 제한을 받고 있다. 이에 따라 시스템 설계자는 전력 관리 IC에서 ASIC 전원 전압을 수용 가능한 수준으로 낮추지 않을 수 없게 되었다. 많은 경우 ASIC는 2.6~2.8V 전원을 요구하며, 이러한 전압 수준은 GPIO 신호를 위한 최대 출력 전압을 제한한다. GPIO 신호는 주로 아날로그 스위치의 제어 핀을 구동하는데 사용된다. 표준 아날로그 스위치가 배터리에서 직접 전원을 공급받고 GPIO 전압이 2.6~ 2.8V 범위에 있는 경우 스위치에서 과도한 전류가 소비된다.

과도한 전류는 특정 스위치의 설계에 따라 수 밀리암페어까지 높아질 수 있다. 이미 한정된 전력 예산에서 동작하는 휴대 장치의 경우 수 밀리암페어의 소비 전류는 수용 가능한 수준을 넘어선다. 대부분 표준 아날로그 스위치의 데이터시트는 입력 제어 전압이 전원 전압과 같은 전형적인 상태에 대한 ICC 소비만을 규정하고 있다. 이는 저전압 ASCI로 이동한 후 수 밀리암페어의 전류를 발견하고 놀라게 된 많은 시스템 설계자들에게 혼란을 초래했다.

저 ICCT 아날로그 스위치

저 ICCT 아날로그 스위치는 바로 이와 같은 애플리케이션에서 동작하도록 설계되었다. 그림 1은 설계자가 새로운 저 ICCT 스위치 중 사용 여부를 가늠하는 애플리케이션의 차이를 보여준다. 그림 1은 FSA4157을 사용하는 기존 시스템 설계와 FSA4157A를 사용하는 새로운 시스템 설계의 주요 차이를 보여준다. 전자의 경우 선택 핀은 하이 상태로 FSA4157에 전원을 공급하는 동일한 VCC 레일로 구동된다. 이러한 구성에서 소비 전류는 일반적으로 1uA 미만이다. 새로운 시스템 설계의 경우 선택 핀은 더 이상 FSA4157A의 VCC 레일로 구동되지 않지만, 이제 ASIC의 전원 레일에 의해 제한된다. 이러한 구성에서 표준 아날로그 스위치 소비 전류는 일반적으로 1mA보다 크다.

GPIO 전압이 아날로그 스위치 전원 레벨 미만일 때 저 ICCT 부품을 사용해야 한다.

CMOS 제어 회로 입력 버퍼는 제어 입력이 0V 또는 VCC에 있을 때 전류를 거의 소비하지 않는다. 데이터시트는 제어 신호 입력이 최소 VIH보다 크고 최대 VIL보다 작은 레벨에서 유지되는 한 스위치가 제어를 하이 또는 로우로 인식한다고 규정하고 있지만, 제어 전압이 0V 또는 VCC에 있지 않을 때 소비 전류가 얼마인지는 명시하지 않고 있다. 제어 신호가 요구되는 VIH 및 VIL 경계 안에 있을 때 제어 로직은 올바른 출력 상태를 선택하지만, 제어 전압이 레일에서 많이 벗어날수록 소비 전류는 더 커질 것이다.

앞서 언급했듯이, 아날로그 스위치는 확장된 입력 제어 범위를 허용하면서 동시에 Rail-to-Rail 시그널링을 위해 저전력 소비를 유지해야 한다. 이러한 요구를 만족시키기 위해 페어차일드 반도체는 새로운 라인의 저 ICCT 스위치를 개발했다. 이 제품은 방금 설명한 혼합 전압 레일 환경에서 사용하도록 특별히 설계되었다. 제품은 여전히 4.3V 배터리 전원에서 직접 동작할 수 있지만, 이제 더 이상 저전력 소비를 유지하기 위해 제어 입력을 VCC와 동일하게 유지할 필요가 없다. 심지어 배터리 전원이 항상 3.6V까지 낮게 정압되는 애플리케이션의 경우에도 선택이 스위치 전원 레일 미만이 되면 표준 아날로그 스위치의 소비 전류가 과도해지므로, 새로운 저 ICCT 제품이 필요하다.

그림 2는 기존 스위치와 같은 그래프 위에 그린 차세대 아날로그 스위치의 전송 곡선이다. 그림 2는 전류 스파이크가 여전히 존재하는 동안에도 곡선이 왼쪽으로 이동하였으며 최대 크기가 감소되었다는 것을 보여준다. 이러한 신형 저 ICCT 스위치에서 총 소비 전류는 VCC=4.3V 및 제어=2.6V일 때 10uA 미만이다. 이는 표준 아날로그 스위치에 비해 큰 폭의 향상을 의미한다. 제한된 GPIO 구동 능력을 갖는 혼합 전압 레일을 사용하는 휴대용 애플리케이션의 경우, 이 스위치는 유일한 저전력 솔루션이다.

이러한 성능 향상은 일부 트레이드오프를 가져온다. 먼저, 신형 스위치에서는 제어 입력 스위칭 임계값이 아래로 이동된다고 간주된다. 이것은 그림 2에서 전류 스파이크의 위치 이동에서 볼 수 있다. 더욱이, 이러한 신형 `A` 제품은 최소 VCC 전원 범위가 약간 증가하는 외에도 다소 큰 턴온(tON) 및 턴오프(tOFF) 시간을 갖는다. 좋은 소식은 전류 애플리케이션의 경우, 트레이드오프는 시스템 성능에 전혀 부정적인 영향을 미치지 않는다는 점이다.

일반적인 저 ICCT 제품의 경우, 최소 전원 전압은 1.65V에서 2.3V로 증가한다. 이것은 몇 가지 이유로 문제가 되지 않는데, 우선 아날로그 스위치에 전원을 제공하기 위해 최소 2.3V 전원을 사용하지 않는 초소형 설계는 매우 드물다. 게다가, 아날로그 스위치는 많은 전력을 소비하지 않으므로(약 1uA), 설계자들은 더 낮은 ON 저항을 얻기 위해 더 높은 전력 레일(2.3V 이상)을 선호한다. 일반적인 오디오 스위칭 또는 USB 애플리케이션의 경우, 낮은 RON은 매우 중요하다. 또한 대부분의 애플리케이션에서 증가된 스위칭 시간은 요구되는 수준보다 훨씬 낮기 때문에 애플리케이션에서 tON 및 tOFF의 증가는 거의 의미가 없다.

저 ICCT 아날로그 스위치 이점

결론적으로 신형 저 ICCT 아날로그 스위치를 사용할 경우 많은 이점을 얻을 수 있다. 새로운 배터리 전원공급 초소형 설계에서 이러한 차세대 아날로그 스위치는 초소형 제품 설계자의 툴 킷에 필수적이다. 이 신제품은 설계자가 제품의 예산 안에 머물고 배터리 수명을 연장할 수 있도록 한다.

<기사제공: 월간 반도체네트워크 2006년 05월호>