휴대형 장비를 위한 소형 솔루션으로의 전환 - Technology

휴대형 장비를 위한 소형 솔루션으로의 전환

스텝다운 컨버터와 LDO, TPS6505x 제품군은 100ms의 지연 시간으로 비교기를 포함하고 있다. 이 블록은 입력 전압을 1V 임계값으로 감지할 수 있으며, 개방형 드레인 출력에 리셋 신호를 생성할 수 있다. 별도의 핀을 이용해 히스테리시스는 프로그램될 수 있다. 일단 임계값 전압이 컨버터나 LDO를 위해 인에이블 핀 중의 하나로 출력을 연결시켜 초과되면, 이 회로는 LDO나 dcdc 컨버터를 켜기 위해 사용될 수 있다.

자료제공│텍사스 인스트루먼트

PDA, 휴대형 내비게이션 시스템(GPS), 스마트 폰 등의 휴대형 장비는 하나의 칩에 여러 가지의 다른 기능을 통합하는 추세를 보인다. 몇 년 전에는 각 전력 레일에 하나의 독립적인 전력 컨버터가 필요했다. 배터리 구동형 기기의 기능이 더욱 더 복잡해지면서, 전원 공급장치의 설계도 변화하고 있다. 그 변화의 중심은 통합에 있다. 프로세서에 필요한 전력 이외에도, 블루투스 모듈, WLAN 모듈의 기능 블록 또는 디스플레이를 위해 필요한 전력 등은 프로세서와 별도로 분리된 전력 레일에서 수행하기 때문에 필요하다. 이러한 애플리케이션에서 발견될 수 있는 또 다른 전력 개념도 존재한다.

- 코덱, ADC, 오디오 증폭기, 배터리 충전기 등 추가적인 기능을 갖춘 전원 공급장치 칩

- 모든 전력 레일을 위한 하나의 전원 공급장치 칩

- 기능 블록을 위한 전용 컨버터

이 글은 위의 개념 중 마지막 2가지를 다룰 수 있는 해결책을 제시할 것이다. 전용 블록용 컨버터 설계는 몇 가지 장점을 제공한다. 첫째, 전용 블록용 컨버터 설계는 보드에서 전력을 제공하는 프로세서나 WLAN 모듈 바로 옆에 쉽게 배치할 수 있다. 둘째, 신호가 전체 보드에 라우트될 필요가 없기 때문에 레이아웃은 단순화 된다. 또한, 이러한 전력레일을 비롯해, 전력레일에서 다른 소스를 커플링하는 작업이 최소화된다. 이것은 GPS 모듈이나 PLL(Phase Locked Loop)처럼 민감한 전력레일에서 특히 중요하다.

전류 솔루션에 기반한 프로젝트

전류 솔루션에 기반한 프로젝트를 따를 경우에는 장점이 있다. 이 경우, 설계는 새로운 차원으로 변경되는데, 이 변경은 블록 레벨에 적용될 수 있다. 업그레이드되어야 하는 블록은 설계자를 통해 점검되며, 다른 블록은 있는 그대로 유지될 수 있다. 전체 애플리케이션을 위해 하나의 단일 전원 공급장치 칩을 이용하면, 새로운 조건에 대한 설계를 채택하기 위해 많은 노력이 필요하다. 짧아진 개발 주기 덕분에, 이러한 종류의 전력 방식은 분명한 장점을 제공한다.

적합한 솔루션을 제공하기 위한 전원 공급장치 칩은 여러 조건의 실현에 필요하다. 이용할 수 있는 디바이스 제품군은 필요한 레일을 정확하게 공급하면서, 보드 공간을 많이 차지하지 않도록 가능한 소형이어야 한다. 게다가, 이러한 칩은 서로 다른 요구조건에서 솔루션을 채택해야 한다. TI의 TPS6502x 제품군과 TPS6505x 제품군을 예로 들 수 있다. 이러한 디바이스는 핸드헬드 기기에서 애플리케이션 프로세서에 전원을 공급하기 위해 최적화되어 있다. 서로 다른 프로세서 제품 간의 요구조건이 변경되기 때문에, 하나의 프로세서나 프로세서 제품군 뿐만 아니라 애플리케이션 전용의 다른 칩도 존재한다. 일반적으로, 광범위한 출력 전류상의 높은 효율은 배터리 구동형 애플리케이션의 핵심이다.

낮은 무부하 전원 전류

모든 디바이스는 낮은 무부하 전원 전류를 위해 최적화되었다. 이 무부하 전류는 출력에 전류를 제공하지 않으면서 칩이 필요한 전류이며 출력 전압을 유지한다. 이 요소는 오랜 시간 동안 대기 모드에서 동작하는 애플리케이션에서 중요하다. 낮은 무부하 전원 전류는 애플리케이션이 전원 전류를 요구하지 않을 때 대기 시간을 향상시킬 뿐만 아니라 DC-DC 컨버터의 낮은 출력 전류에서 효율이 언급될 때 중요한 요소이다.

DC-DC 컨버터 즉, 스텝다운 컨버터의 효율은 3가지 요소에 의해 영향을 받는다. 높은 출력 전류에서 효율은 내부 전력 스위치 저항으로 주로 결정되므로 낮은 저항은 이러한 동작 범위에서 중요하다. 스텝다운 컨버터에서, 고정 주파수 PWM으로 동작되는 듀티 사이클은 입력 대 출력 전압 비율에 따른다.

내부 저측 스위치

낮은 출력 전압용 내부 저측 스위치(NMOS)는 높은 출력 전압용 고측 스위치(PMOS)에 비해 더 오랜 시간으로 조정된다. 고측 스위치는 대부분의 시간에 켜진다. 따라서, 크기 및 이에 따른 출력 전압에 대한 스위치 저항을 채택하는 것이 합리적이다. 입력 전압이 모든 컨버터를 위해 동일하게 가정된 경우, 컨버터는 4.2V에서 하강해 3.0V까지의 전압 범위를 갖춘 휴대형 애플리케이션에서 리튬이온 셀을 타깃으로 한다. 향후 전압은 2.5V까지 더 낮아질 것으로 예측된다.

10mA~200mA의 범위에서 출력 전류의 경우, 스위치 저항은 더 이상 대부분의 손실의 대부분을차지하지 않지만 전력 스위치 및 인덕터 손실에 대한 게이트 충전은 동작 범위의 효율을 결정한다. 스위칭 주파수를 출력 전류에 채택하는 것은 󰡐PFM(Pulse Frequency Mode)󰡑으로 불리는 동작 범위에서 높은 효율을 유지하기 위한 핵심적인 기법이다. PFM은 출력에 대한 일정한 부분의 에너지를 제공하며, 그 결과 높은 출력 전류에서 더 높은 스위칭 주파수와 낮은 스위칭 주파수의 결과를 가져온다. 따라서 낮은 출력 전류에서 낮은 스위칭 손실이 된다. 컨버터에서의 낮은 출력 전류에서 무부하 전원 전류에 의해 발생되는 일정한 손실은 언급된 바처럼 효율을 결정한다.

TPS6502x와 TPS6505x

TPS6502x와 TPS6505x의 모든 제품군은 손실을 최소화하여, 다양한 전압과 전류 범위에서 최상의 효율을 가져오는 방식으로 설계되었다. 표 1은 TPS6502x 제품군에 대한 개요를 보여준다. 이 디바이스는 시스템 전압, 메모리 전압, 프로세서 코어를 위한 3개의 스텝다운 컨버터 뿐만 아니라 PLL 및 SRAM을 위한 2개의 LDO 또는 프로세서 내 기능 블록을 포함하고 있다. 또한 이 표에 나타나 있지 않은 백업 배터리 지원, I2C 인터페이스, 리셋 등의 기능도 있다.

더욱 많은 전력레일이 필요한 애플리케이션 프로세서를 지원하기 위해, TPS-6505x 제품군을 이용할 수 있다. 이러한 디바이스는 2개의 스텝다운 컨버터와 높은 PSRR(Power Supply Rejection Ratio)을 갖춘 4개의 LDO를 포함하고 있다. LDO 제품은 PLL, GPS 모듈이나 WLAN 모듈처럼 잡음에 민감한 블록을 구동한다. TPS6505x 제품군은 소형의 외부 부품과 소형 패키지를 특성으로 하고 있으며, 최소형의 전원 공급장치 솔루션을 설계할 수 있다. TPS6505x 제품군은 소형 4mm x 4mm QFN 패키지로 공급된다. 0.4mm의 피치는 32핀을 가능하게 한다. 전력 패드 즉, QFN 패키지 하단의 온도 패드와 함께 높은 핀 수는 뛰어난 온도 성능을 통해 고집적 솔루션을 가능하게 한다.

그림 1은 TPS65052의 블록 다이어그램이다. 이 디바이스는 저전력 모드에서 1.0V의 코어 전압과 정상 동작 모드에서 1.3V가 필요한 삼성 애플리케이션 프로세서에 최적화된 제품이다. 외부 부품 수를 최소화 하기 위해, 스텝다운 컨버터 1은 I/O 전압 전용의 고정 3.3V 출력을 가진다. 컨버터 2는 코어 전압의 특징이 있으며, DEFDCDC2로 불리는 디지털 입력의 상태에 따라 1.0V 또는 1.3V의 출력 전압으로 설정될 수 있다. 따라서, 스텝다운 컨버터를 위해 전압을 설정해야 할 외부 부품은 없다.

동일한 방식은 LDO에도 적용된다. DEFLDO1에서 DEFLDO4에 이르는 4개의 디지털 입력 핀은 표에 제시된 대로 출력 전압을 설정하며, LDO를 위한 전압을 설정하기 위해 내부적으로 디코드 된다. 4개의 LDO 중 3개는 별도의 입력 전압 핀을 갖추고 있으며, 1.5V~6.5V에 이르는 범위에서 입력 전압에서 3개의 LDO에 전원을 공급할 수 있게 한다.

하나의 LDO는 배터리에서 전원 공급을 받을 수 있으며, 또 다른 LDO는 스텝다운 컨버터 1의 출력이나 시스템에서 이용할 수 있는 다른 전원 전압 레일에서 전원을 공급 받을 수 있다. LDO에 대해 가장 낮은 입력 전압을 선택하는 것은 고효율 설계를 최적화시킬 수 있다. 더 높은 유연성을 위해, 제품군의 다른 제품은 외부 레지스터 디바이더로 출력 전압을 설정할 수 있다. 표 2는 TPS6505x 제품군으로 이용할 수 있는 옵션을 제공한다.

결론

스텝다운 컨버터와 LDO, TPS6505x 제품군은 100ms의 지연 시간으로 비교기를 포함하고 있다. 이 블록은 입력 전압을 1V 임계값으로 감지할 수 있으며, 개방형 드레인 출력에 리셋 신호를 생성할 수 있다. 별도의 핀을 이용해 히스테리시스는 프로그램될 수 있다. 일단 임계값 전압이 컨버터나 LDO를 위해 인에이블 핀 중의 하나로 출력을 연결시켜 초과되면, 이 회로는 LDO나 DC-DC 컨버터를 켜기 위해 사용될 수 있다. TPS6505x를 이용하면, 6개의 다른 전력 레일을 생성하는 것이 가능하며, 소형 칩만으로 프로세서에 대한 리셋을 생성할 수 있다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 03월호>