전원 시스템을 위한 전원 공급 관리의 원칙, 문제 및 부품 - Technology

전원 공급 설계자는 유연한 전원 모니터링, 시퀀싱 및 조정 회로를 사용하여 시스템을 관리한다. 전압 레일의 수가 증가하고 전원 시퀀싱이 도입되면서 모든 종류의 소자와 시스템에서 전원 설계자에 대한 요구가 증가하고 있다. 보다 엄격한 테스팅 절차, 새로운 수준의 정보 수집, 신속하고 간단한 프로그래밍은 특히 중급 및 고급형 시스템에서 관심의 대상이 되고 있다.

글│앨런 몰로니(Alan Moloney), 아나로그디바이스

증가하는 전원 전압 레일의 모니터링과 제어는 특히 마이크로프로세서를 채택하는 시스템에서 수년 간 전자 시스템의 안전과 경제성, 내구성 및 적절한 동작에 핵심적인 요소였다. 전압 레일이 임계값을 초과하거나 또는 동작 범위(Operating Window) 안에 있는지, 그리고 전압이 다른 레일과 관련하여 정확한 시퀀스에 의해 켜지고 꺼지는지 여부를 결정하는 것은 동작의 신뢰성과 안전에 핵심적이다.

이러한 문제의 다양한 측면을 해결하기 위한 많은 방법들이 존재한다. 예를 들어, 정밀 저항 분배기, 비교기(Com-parator), 기준 전압(Reference)이 있는 간단한 회로를 사용하여 레일의 전압이 특정 레벨을 초과하는지 여부를 결정할 수 있다. ADM803과 같은 리셋 제너레이터에서 이러한 부품은 지연 요소와 결합하여 파워업 동안 마이크로프로세서, ASIC, 디지털 신호 프로세서(DSP)와 같은 소자를 리셋 상태로 유지한다. 이러한 수준의 모니터링은 대부분의 애플리케이션에 적합하다.

여러 개의 레일을 모니터링을 해야 하는 경우, 여러 개의 소자(또는 멀티채널 비교기와 관련 회로)가 병렬로 사용되지만, 이 경우 간단한 임계값 비교 이상을 수행하는 모니터링 IC에 대한 필요성도 함께 증가한다.

예를 들어 전원 시퀀싱에 대한 공통적인 요건을 고려해 보자. FPGA 제조업체는 소자의 파워업 시 발생 가능한 손상을 방지하기 위해 5V I/O 전압에 도달하기 전 20ms 동안 3.3V 코어 전압을 인가해야 한다는 규정을 적용할 수 있다. 이와 같은 시퀀싱 요건을 만족하는 것은 소자의 전원 전압과 온도를 지정된 동작 제한 안에서 유지하므로 신뢰성에 핵심적이다.

또한 많은 애플리케이션에서 전원 레일의 수는 극적으로 증가하고 있다. LAN 스위치와 셀룰러 기지국과 같은 복잡한 고가 시스템은 보통 10개 이상의 전압 레일이 포함된 라인 카드를 사용한다. 그러나 플라즈마 TV와 같이 비용에 민감한 소비가전에서도 15개나 되는 개별적인 전압 레일이 사용되기도 하는데, 이들 대부분이 모니터링과 시퀀싱이 필요할 수 있다.

현재 많은 고성능 IC는 다중 전압을 필요로 한다. 일례로 대부분의 소자에서 개별적인 코어와 I/O 전압은 표준이다. 고급형 시스템에서 DSP는 소자 당 최대 4개의 개별적인 전원이 필요할 수 있다. 많은 경우 다수의 다중 전원 소자가 아날로그 부품 외에도, FPGA, ASIC, DSP, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러를 포함하는 단일 시스템에서 공존할 수 있다.

많은 소자는 표준 전압 레벨(3.3V 등)을 공유하지만 특정 전압을 요구하는 소자도 있다. 이 외에도, 특정한 표준 전압 레벨을 여러 위치에서 독립적으로 공급해야 하는 경우도 있다. 예를 들어 3.3VANALOG와 3.3VDIGITAL과 같이 별도의 아날로그 전원과 디지털 전원이 필요할 수 있다. 효율을 향상시키기 위해(수백 암페어에서 실행하는 메모리 레일 등) 또는 시퀀싱 요건(다른 소자가 다른 시간에 3.3VA와 3.3VB를 요구)을 만족시키기 위해 동일한 전압을 여러 번 발생시켜야 하는 경우도 있다. 이러한 모든 요소는 전압 소스를 증가시키는데 기여한다.

전압 모니터링과 시퀀싱은 특히 파워업 시퀀스, 파워다운 시퀀스, 그리고 동작 중 다른 지점에서 다양한 전압 레일 상의 모든 가능한 오류 상태에 대해 여러 응답을 지원하도록 설계해야 하는 경우 매우 복잡해질 수 있다. 중앙 전원 관리 컨트롤러가 이러한 문제를 해결하는 최상의 방법이다.

전원 전압의 수가 증가함에 따라 문제가 발생할 가능성도 매우 커진다. 리스크는 전원 수, 부품 수, 그리고 시스템 복잡성과 비례하여 증가한다. 외부 요인 또한 리스크를 추가한다. 예를 들어, 만약 초기 설계 시 주 ASIC이 완벽하게 특성화되지 않는다면, 전원 설계자는 이후 ASIC 사양이 개발됨에 따라 변경해야 하는 전압 모니터링 임계값과 타이밍 시퀀스를 하드와이어링 하지 않으면 안 된다.

요구조건이 변경될 경우 PC 보드를 개정할 필요가 있으며, 이 경우 일정과 비용에 영향을 미친다. 게다가, 개발 과정 중에 특정 소자에 대한 전원 전압 규격이 변경될 수 있다. 이와 같은 경우, 전원을 간단히 조정하는 방법은 중앙 전원 시스템 관리자에게 유용할 것이다. 실제로, 이러한 시스템에서 전압 레일을 모니터하고, 시퀀싱 및 조정하는 유연성은 없어서는 안 될 필수사항이다.

선택된 오류 방지 기능과 타이밍 시퀀스의 견고성 평가는 간단하지 않은 작업이므로, 이러한 과정을 간소화하는 소자는 보드 평가를 가속화하고 시장 진출 시간을 단축시킬 것이다. 오류 로깅과 디지털화된 전압 및 온도 데이터는 현장에서 뿐만 아니라 초기 PCB 개발에서부터 프로토타입 평가에 이르기까지 모든 설계 단계에 유용한 기능이다.

기본 모니터링

그림 1은 ADCMP354 비교기와 기준 IC를 사용하여 여러 개의 전압 레일을 모니터하는 간단한 방법을 보여준다. 각 레일에는 개별적인 회로가 사용된다. 전압 분배기가 전압 레일을 스케일 다운하여 각 전원에 대한 저전압 트립 포인트(Undervoltage Trip Point)를 설정한다. 모든 출력은 결합되어 공통 파워 굿(Power Good) 신호를 발생시킨다.

기본 시퀀싱

그림 2는 비교기 대신 로직 임계값을 사용하여 개별적인 부품으로 구현한 기본 시퀀싱을 보여준다. 12V와 5V 레일은 서로 다른 곳에서 발생되었다. 시스템이 정확히 동작할 수 있도록 시간 지연도 도입되야 한다. 시간 지연은 5V 전원과 직렬로 저항-커패시터(RC) 조합을 사용하여 n채널 FET 상의 게이트 전압을 천천히 램핑하여 수행된다. FET가 전압 임계값에 도달하여 턴온을 시작하기 전에 충분한 시간 지연을 보장할 수 있는 RC 값이 선택된다. ADP3330과 ADP3333 저전압강하(LDO) 레귤레이터의 경우 3.3V와 1.8V 레일이 발생된다.

또한 이러한 전압의 턴온 시간도 RC에 의해 시퀀싱된다. RC가 각 LDO의 셧다운(SD) 핀을 구동하므로 직렬 FET는 필요하지 않다. SD 핀 상의 전압이 해당 임계값을 초과하기 전에 충분한 시간 지연(t2, t3)을 보장하는 RC 값이 선택된다.

이와 같이 간단하고 저렴한 전원 시퀀싱 방법은 보드 공간을 거의 차지하지 않으므로 많은 애플리케이션에 무리없이 사용할 수 있다. 이 방법은 비용이 가장 중요하고 시퀀싱 요건이 단순하며 시퀀싱 회로의 정밀도가 그리 중요하지 않은 시스템에 적합하다.

그러나, 많은 경우 RC 지연 회로로 제공할 수 있는 수준보다 더 높은 정밀성을 요구한다. 이 밖에도, 이러한 간단한 솔루션에서는 체계적 방식으로 오류를 다룰 수 없다(가령, 5V 전원 오류는 결국 다른 레일의 오류로 이어진다).

IC를 사용하는 시퀀싱

그림 3은 유사한 시스템에서 ADM-6820 및 ADM1086 전원 시퀀싱 IC를 사용하여 전원 레일을 어떻게 정밀하고 신뢰할 수 있는 수준으로 시퀀싱할 수 있는지를 보여준다. 내부 비교기가 전압 레일이 정밀하게 설정된 레벨을 언제 초과하는지를 검출한다. 출력은 프로그래밍 가능한 턴온 지연 후에 어서트되므로, 원하는 시퀀스로 ADP3309와 ADP3335 레귤레이터를 인에이블 할 수 있다. 임계값은 저항 비에 의해 결정되고, 지연은 커패시터에 의해 결정된다.

현재는 매우 다양한 전원 시퀀싱 IC가 나와 있다. 일부 소자는 전원 모듈을 직접 인에이블하는데 사용할 수 있는 출력을 갖고 있으며, 다수의 출력 구성을 제공한다. 온보드 차지 펌프 전압 제너레이터가 포함된 IC도 있다. 이러한 제너레이터는 업스트림에서 발생되지만 n채널 FET 게이트를 구동하기에는 고전압 소스(12V 레일 등)가 부족한 레일을 시퀀싱할 필요가 있는 저전압 시스템에 특히 유용하다. 또한 이러한 소자의 대부분은 외부 신호 - 푸시버튼 스위치 또는 컨트롤러 - 에서 시퀀스를 재시작하거나, 필요한 경우 제어 레일을 끌 수 있는 인에이블 핀을 갖고 있다.

통합된 전원 시스템 관리

일부 시스템은 너무 많은 전원 레일을 갖고 있어, 많은 수의 IC를 사용하면서 저항과 커패시터를 이용하여 타이밍과 임계값 레벨을 설정하는 개별적인 방법으로는 너무 복잡할 뿐 아니라 비용이 높아지고 적절한 성능을 제공할 수 없다.

복잡한 파워업 시퀀스를 필요로 하는 8개의 전압 레일이 있는 시스템을 고려해 보자. 각 레일은 저전압과 과전압 오류에 대해 모니터링해야 한다. 오류가 발생할 경우 오류 유형에 따라 모든 전압을 턴오프하거나 또는 파워다운 시퀀스를 개시할 수 있다. 조치는 제어 신호의 상태를 기초로 결정해야 하며, 전원 상태에 따라 플래그를 발생시켜야 한다. 개별 소자와 간단한 IC를 사용하는 이와 같이 복잡한 회로를 구현하기 위해서는 수백 개의 개별 부품과 매우 큰 보드 공간과 막대한 총 비용이 필요하게 된다.

4개 이상의 전압을 사용하는 시스템의 경우 중앙 집중 방식의 소자를 사용하여 전원을 관리하는 것이 합리적이다. 이러한 방법의 예는 그림 4에서 볼 수 있다.

중앙 집중식 모니터링과 시퀀싱

ADM106x Super SequencerTM 제품군에서도 비교기를 사용하지만, 중요한 차이가 몇 가지 있다. 2개의 비교기가 각 입력에 전담되어 저전압과 과전압 검출을 수행할 수 있으므로 ADP1821 및 ADP2105 DC-DC 컨버터와 ADP-1715 LDO에 의해 생성되는 레일에 대한 범위내에서 모니터링이 제공된다. 저전압 오류는 파워업 이전에는 레일의 정상 상태이므로, 이러한 상태는 시퀀싱에 사용된다. 과전압 상태는 언제나 단락된 FET나 인덕터와 같은 중대한 오류가 있다는 것을 나타낸다. 따라서 즉각적인 조치가 필요하다.

많은 수의 전원이 사용되는 시스템은 언제나 더 복잡하며, 따라서 더 엄격한 정밀도 제한을 갖는다. 또한 저항을 이용하는 정밀한 임계값 설정은 1.0V와 0.9V와 같은 저전압에서는 어려울 수 있다. 5V 레일에서는 10% 허용오차가 인정되지만, 보통 이러한 허용오차는 1V 레일에서는 충분하지 않다. ADM-1066은 전압과 상관없이(0.6V만큼 낮아도), 그리고 소자의 전체 온도 범위에서 입력 검출기 비교기 임계치를 1% 최악의 조건 안에서 설정할 수 있다. 소자는 각 비교기에 글리치 필터링과 히스테리시스를 추가한다. 또한 로직 입력을 사용하여 파워업 시퀀스를 시작하고 모든 레일을 셧다운하거나 또는 다른 기능을 수행할 수 있다.

비교기 뱅크로부터 수집되는 정보는 강력하고 유연한 스테이지 머신 코어로 공급되어 다음과 같은 다양한 목적에 이용할 수 있다.

․시퀀싱: 최근 인에이블된 전원의 출력 전압이 윈도우 범위 안에 들어오는 경우, 시간 지연을 트리거하여 파워업 시퀀스의 다음 레일을 턴온 할 수 있다. 여러 개의 파워업 및 파워다운 시퀀스를 갖거나 또는 파워업과 파워다운에 대해 매우 다른 시퀀스를 갖는 복잡한 시퀀스도 구현할 수 있다.

․타임아웃: 인에이블된 레일이 예상대로 진행되지 않는 경우, 인터럽트를 발생시키거나 시스템을 셧다운하는 등 적절한 일련의 조치를 취할 수 있다. 순수한 아날로그 솔루션은 시퀀스의 해당 지점에서 멈출 것이다.

․모니터링: 각 레일의 전압이 사전에 설정된 범위를 벗어날 경우, 오류가 발생된 레일과 발생된 레일 종류, 그리고 현재 동작 모드에 기초하여 적절한 일련의 조치를 취할 수 있다. 5개 이상의 전원이 있는 시스템은 고가인 경우가 많으므로 종합적인 오류 방지 기능이 필수적이다.

온보드 차지 펌프는 사용 가능한 최고 시스템 전압이 3V 만큼 낮은 경우에도 약 12V의 게이트 드라이브를 발생시키는데 사용되므로, 출력에서 직렬 n채널 FET를 직접 구동할 수 있도록 한다. 추가 출력은 DC-DC 컨버터 또는 레귤레이터를 인에이블 또는 셧다운하므로, 출력을 입력의 하나로 또는 온보드 조정 전압의 하나로 내부에서 풀업할 수 있다. 또한 출력을 오픈 드레인으로 어서트할 수 있다. 출력은 파워 굿(Power Good) 또는 파워온(Power-On) 리셋과 같은 상태 신호로도 사용할 수 있다. 상태 LED는 필요한 경우 출력으로부터 직접 구동할 수 있다.

전원 조정

ADM1066과 같은 통합된 전원 관리 소자는 여러 개의 전압 레일을 모니터하고 복잡한 시퀀싱을 위한 솔루션을 제공하는 외에도, 개별적인 레일 전압을 일시적 또는 영구적으로 조정할 수 있는 툴을 제공한다. DC-DC 컨버터 또는 레귤레이터의 전압 출력은 해당 소자의 트림 또는 피드백 노드의 전압을 조정하여 변경할 수 있다. 일반적으로 모듈의 출력과 접지 사이의 저항 분배기가 트림/피드백 핀의 공칭 전압을 설정한다. 이렇게 설정된 공칭 전압은 공칭 출력 전압을 설정한다. 피드백 루프에서 별도의 저항을 스위칭하거나 또는 가변 저항 제어를 포함하는 간단한 구조는 트림/피드백 전압을 변경하므로, 따라서 출력 전압을 조정할 수 있다.

ADM1066는 트림/피드백 노드에 대한 직접 제어를 제공하기 위해 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 탑재하고 있다. 이러한 DAC는 최대 효율성을 위해 접지와 최대 전압 사이에서 동작하지 않은 대신 공칭 트림/피드백 레벨을 중심으로 하는 상대적으로 좁은 윈도우 범위에서 동작한다. 감쇄 저항 값은 DAC의 LSB가 변화할 때마다 전원 모듈의 출력에서 한 단계씩 변경하여 스케일한다. 이러한 개방 루프 조정은 기준 회로에서 디지털 저항 스위칭에 의해 얻을 수 있는 유사한 수준의 충분한 마진(Margin-Up) 및 부족한 마진(Margin-Down) 레벨을 제공하므로, 그와 유사한 정확성으로 출력을 조정할 수 있다.

ADM1066는 또한 전원 전압을 측정할 수 있는 12비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하고 있어 폐쇄 루프 전원 조정 구조를 구현할 수 있다. 주어진 DAC 출력 설정을 사용하여, 전원 모듈의 전압 출력은 ADC에 의해 디지털로 변경되고 소프트웨어에서 타겟 전압과 비교된다. 그런 다음 타겟 전압에 가능한 한 가장 가깝게 전압 출력을 보정하기 위해 DAC를 조정할 수 있다. 이러한 폐쇄 루프 구조는 전원 조정에 매우 정밀한 방법을 제공한다. 폐쇄 루프 방법을 이용할 경우, 외부 저항의 정밀도는 전혀 관련이 없다. 그림 4에서 DC-DC4의 출력 전압은 온칩 DAC의 하나에 의해 조정된다.

전원 조정 구조에는 두 가지 주요 용도가 있다. 첫째는 전원 마진에 대한 개념이다. 즉, 장치의 지정된 전원 전압 범위의 여유도에서 전원 동작에 대한 시스템 응답을 테스트하는 데 있다. 데이터콤, 텔레콤, 셀룰러 인프라, 서버, 스토리지 분야 네트워크 장치 제조업체는 최종 소비자에게 출하하기 전 제품을 엄격히 테스트해야 한다. 시스템에 포함되는 모든 전원은 특정 허용오차(5%, 10% 등)로 동작하도록 규정된다. 여유도를 사용하여 보드의 모든 전원을 허용오차 범위의 상한(High-End)과 하한(Low-End)으로 조정할 수 있으므로, 정확한 동작을 위한 테스트를 수행할 수 있다. 전원 조정 기능을 갖춘 중앙 집중식 전원 관리 소자는 이러한 여유도 테스트를 수행하는데 사용할 수 있으며, 동시에 제조업체의 테스트 사이트에서 여유도 테스트 수행에 오직 한번만 사용되는 기능을 수행하는데 필요한 외부 부품과 PCB 영역에 대한 필요를 최소화한다.

종종 Four-Corners 테스팅, 즉 장치의 동작 전압과 온도 범위 전반에 걸친 테스트가 필요하므로, ADM1062는 폐쇄 루프 전원 여유도 회로 외에도 온도 감지 및 리드백(Readback)을 통합하고 있다.

전원 조정 구조의 두 번째 용도는 현장에서의 시스템 전원 변동을 보상하는 것이다. 이러한 변동에는 많은 원인이 있다. 단기적으로, 온도의 변화에 따라 전압이 조금씩 달라지는 것은 매우 일반적이다. 장기적으로 부품 전압의 일부는 제품의 수명 기간 동안 약간 드리프트 할 수 있다. 이것은 전압 드리프트를 발생시킬 수 있다. 전압을 원래 의도대로 일정하게 유지하기 위해 소프트웨어 보정 루프를 이용하여 ADC 및 DAC 루프를 정기적으로(예: 10초, 30초 또는 60초마다) 활성화할 수 있다.

유연성

ADM1066은 온보드 비휘발성(Non-volatile) 메모리를 포함하고 있으므로 필요할 때마다 언제나 다시 프로그래밍할 수 있으며, 시스템 시퀀싱과 모니터링 필요는 개발 과정 동안 진행된다. 이것은 하드웨어 설계를 프로토타입 과정 초기에 완료할 수 있으며 프로젝트를 진행하면서 모니터링과 시퀀싱의 최적화를 수행할 수 있다는 것을 의미한다.

디지털 온도 및 전압 측정과 같은 기능은 평가 과정을 간소화하고 가속화한다. 여유도 툴은 개발 사이클 동안 전압 레일을 조정할 수 있도록 한다. 따라서, 핵심적인 ASIC, FPGA 또는 프로세서를 개발하고 있는 경우, 그리고 새로운 실리콘 제품의 변경에 따라 전원 전압 레벨 또는 시퀀싱 요건이 유동적인 상태에 있는 경우, 소프트웨어 GUI를 사용하여 간단한 조정을 수행할 수 있다. 이와 같이 보드의 부품을 물리적으로 변경하거나 하드웨어를 재설계할 필요 없이 변경을 고려하여 전원 관리 소자를 몇 분만에 재프로그래밍 할 수 있다.

결론

전압 레일의 수가 증가하고 전원 시퀀싱이 도입되면서 모든 종류의 소자와 시스템 - 노트북PC, 셋톱박스, 자동차 시스템에서부터 서버와 스토리지, 셀룰러 기지국, 인터넷 라우팅 및 스위칭 시스템에 이르기까지 모든 것 - 에서 전원 설계자에 대한 요구가 증가하고 있다. 보다 엄격한 테스팅 절차, 새로운 수준의 정보 수집, 신속하고 간단한 프로그래밍은 특히 중급 및 고급형 시스템에서 관심의 대상이 되고 있다. 이러한 문제를 안전하게 효율적으로 최소의 보드 공간을 이용하여 해결하면서 시장 진출 기간을 단축시키기 위해, 견고성과 신뢰성을 증가시키고 이와 같은 핵심적인 기능을 추가한 많은 새로운 전원 관리 집적 회로가 출시되고 있다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 1112월호>