배터리 구동식 핸드헬드 제품에서 전력 관리를 최적화시키는 차세대 ASSP - Technology

배터리 구동식 핸드헬드 제품에서
전력 관리를 최적화시키는 차세대 ASSP

배터리 구동식 핸드헬드 제품 설계자들이 배터리 수명을 특정 구성에 맞춰 최적화 하기 위해 이용할 수 있는 수많은 옵션을 가지고 있다는 사실은 분명하다. 성능이 최적화된, 다기능 ASSP는 최적의 시스템 성능을 제공하는 필수 전압과 전력 레벨을 제공할 수
있으면서 정상적인 동작 기간 동안 배터리에서 전력 드레인을 최소화하는 것을 보장할 수 있다.

글│Tony Armstrong, 리니어 테크놀로지

배경

2006년 한 해 동안, 소비자들은 10억 대 이상의 휴대폰, 2억 2,000만 대의 노트북 컴퓨터, 1억 4,000만 대의 MP3 플레이어, 9,000만 대의 디지털 스틸 카메라(DSC), 1,000만 대의 PND(Personal Navigation Device)를 구매했다. 이러한 제품들 모두는 시스템 내부 구성 면에서 어느 정도 공통점을 공유한다.
첫째, 이 제품들 모두는 배터리 구동식이며, 주요 전원으로 리튬-이온(Li-Ion)을 사용하면서 대안으로써 이용할 수 있는 다른 입력 전원을 갖추고 있으며 이것 또한 배터리 충전을 위한 것이다.
둘째, 이 제품들은 스토리지 기능이 내장되는데, ROM, DRAM 혹은 NAND 플래시 또한 많은 경우에 하드 디스크 드라이브(HDD), SDIO 카드가 사용 된다. 기술 조사 기관인 IDC의 최근 조사는 전세계가 2006년에 1,610억 기가 바이트(161엑사 바이트)의 디지털 정보가 생성되었다고 발표했다. 전체적으로 살펴 보면, 이 수치는 20억 만대의 iPod에 정보를 모두 저장한 것과 동일한 양에 해당한다.
그러나, 위에서 언급되지 않은 PMP (Portable Media Player) 또는 DMB (Digital Media Broadcast) 제품처럼 또 다른 카테고리의 제품들은 2개나 심지어 3개의 제품 기능들이 혼합된 버전이다. 이러한 제품들 역시 주요 전원으로 리튬-이온 배터리를 포함하며 대용량의 메모리 저장 공간을 갖는다. 이 제품들은 컨수머 전자 제품들 영역에서 빠른 속도로 중심적인 역할을 수행하고 있다.
PMP나 DMB 제품의 핵심 장점은 이 제품들이 MP3와 MP4 포맷 모두를 재생할 수 있다는 점이다. 따라서, 하나의 기기가 DVD-CD나 웹사이트에서 다운로드 받은 파일에서 음악을 듣거나 영화를 감상하기 위해 이용될 수 있다. 일반적으로 저장 매체를 통해 하나의 기기는 150시간 이상의 비디오나 1,200시간 이상의 음악을 저장할 수 있다.
그러나, 배터리 구동식 핸드헬드 제품 제조업체들처럼, 이러한 PMP 제조업체들도 이러한 모든 기능들을 이미 공간 제약적인 폼 팩터에 탑재시키면서 동시에 더욱 오랜 동작 시간을 유지해야 하는 압박에 시달리고 있다.
대부분 PMP가 비디오 플레이어와 MP3 플레이어 모두의 기능을 갖추고 있기 때문에, 전자제품의 내부는 다양한 전력 레벨에서 여러 개의 저전압 출력 레일을 필요로 한다. 이에 대한 이유는 분명하다. 디지털 LSI(Large Scale Integrated) IC의 대부분 제품들이 1.5V보다 더 적은 동작 전압을 갖기 때문이다.
동시에, 메모리 및 I/O 전압 요구조건은 2.5V 및 3.3V 사이에서 변화될 수 있다. 따라서, 리튬-이온 배터리에서 직접 다중 POL(Point-Of-Load) DC/DC 컨버터를 사용하는 것은 비실용적이며, 따라서 시스템 설계자들은 더욱 더 통합적인 방식을 채택하고 있다.
대부분의 배터리 구동식 핸드헬드 제품들은 배터리 충전, 전력 경로 제어의 요구조건을 처리하기 위해 ASIC(App-lication Specific Integrated Circuit)을 사용하고 있으며, 다중 전원 전압뿐 만 아니라 진정한 출력 불연속 및 정확한 USB 전류 제한과 같은 보호 기능을 제공한다. 이 방식을 채택하는 이유는 다음과 같이 분명하다. 이 제품들이 전력 관리 요건을 만족할 수 있는 하나의 기기를 얻을 수 있기 때문이다.
그러나, 이 방식은 단점들도 존재한다. 무엇보다, ASIC은 특수 웨이퍼 가공 공정으로 제조되어, 각 기능에 대한 성능을 최대화하기가 어렵다. 둘째, 짧은 개발 기간이 더욱더 중요해지면서, 동적 설계 주기는 ASIC의 정의와 개발과 관련된 긴 납기 시간이다. 전력 관리 ASIC이 개념 설계에서 납품까지 가는데 1년 반이 걸린다는 것이 일반적이다. 이 기간이면 특정 제품의 설계 기간의 3배 이상이라 할 수 있다.

최적화된 전력 관리를 위한 ASSP

대부분의 배터리 구동식 핸드헬드 제품들은 AC 어댑터, USB(Universal Serial Bus) 케이블, 리튬-이온/폴리머 배터리에서 전력을 공급받는다. 그러나, 이러한 전원 간의 전력 경로 제어를 관리하는 것은 상당한 기술적 문제를 낳는다.
가장 최근까지도, 설계자들은 MOS-FET, 연산 증폭기 등을 사용함으로써 개별적으로 이 기능을 수행하려고 노력해 왔으나, 중대한 시스템 문제를 야기시키는 핫 플러깅 및 큰 인러쉬 전류로 인해 엄청난 문제에 직면하고 있다.
대부분의 배터리 구동식 핸드헬드 제품들에서 공통적인 특징 및 기능들이 존재한다. 이러한 이유로 ASSP(Appli-cation Specific Standard Product)는 단일 웨이퍼 가공 처리에서 IC를 제조하는 것과 관련된 일반적인 성능 저하 없이 사용될 수 있다. 리니어 테크놀로지는 이 카테고리에서 차세대 제품인 LTC3555를 최근 출시했다. 이 제품은 이러한 애플리케이션에 적합한 새로운 수준의 성능과 기능성을 보여준다.
LTC3555는 AC 어댑터, USB 케이블, 리튬-이온 배터리 간의 전력을 완벽하게 관리하면서 4mm x 5mm QFN 패키지에서 USB 전력 표준을 준수한다. 이 정도 특징으로는 충분치 않아 보이지만, 이 제품은 최대 1.2A의 충전 전류를 제공할 수 있는 완벽한 기능의 리튬-이온/폴리머 배터리 충전기를 갖추고 있으며 대부분의 USB 주변기기들이 필요로 하는 저전압 레일을 생성할 수 있는 3개의 효율적 동기식 벅 컨버터를 갖추고 있다.
게다가, LTC3555는 25mA 로우 드롭 아웃 리니어 레귤레이터에서 일정하게 제공되어 RTC(Real-Time Clock) 및 저전력 로직 회로에 전원을 공급한다. 전체 제품은 간단한 I2C 인터페이스나 간단한 I/O를 통해 제어될 수 있다.
그림 1에서 보는 것처럼, LTC3555의 애플리케이션 회로도는 이 제품이 얼마나 많은 기능을 수행하는 지를 보여준다. LTC3555의 쓰리-온-칩 벅 컨버터는 전류 모드 제어 하에서 동작하며 I2C 나 핀으로 선택 가능한 버스트 모드 즉 자동 버스트 모드 동작으로 95%만큼 높게 효율을 달성한다.

이러한 DC/DC 컨버터는 매우 작은 외부 커패시터 및 인덕터를 사용할 수 있는 고정 2.25MHz 스위칭 주파수에서 동작한다. 이러한 벅 컨버터의 연속형 출력 전류 레벨은 각각 1A, 400mA, 400mA으로 0.8V 및 3.6V 사이에서 프로그램 가능한 출력 전압을 갖는다.
LTC3555의 전력 분배 기법은 충전기 공급(Charger-Fed) 시스템인 기존의 배터리 및 전력 관리 IC들과 다르다. 이러한 시스템에서, 외부 전원은 부하에 직접 전력을 공급하지 않는다. 대신, AC 어댑터나 USB 포트는 배터리를 충전하기 위해 사용될 것이며, 그 다음 부하에 전력을 공급할 것이다.
배터리가 거의 방전되었거나 심지어 소실된 경우, 부하에 전력을 공급하는데 지연될 것이다. 이것은 필수적인 충전 최소량을 얻을 때까지 전력이 배터리에서 공급될 수 없기 때문이다. LTC3555를 사용하게 되면, 이러한 지연을 제거할 수 있다. 따라서 핸드헬드 디바이스는 월 어댑터나 USB 전원이 접속되자 마자 전원이 공급될 수 있다. 또한, 이 칩은 부하로 사용되지 않는 여분의 전력을 이용하여 배터리를 충전을 할 것이다.
이러한 2가지 장점(충전 지연의 제거와 배터리 충전 및 부하 전력 공급이 동시에 이루어짐)들은 애플리케이션의 효과적인 동작시간을 연장시키고 USB 케이블이 부착되었을 때 충전을 가속화시킨다. 이 전력 관리 기법의 또 다른 장점은 AC 나 USB 전원 사용시 효율을 극대화한다. 이러한 예에서, 전력 변환의 불필요한 단계(즉, 배터리 충전)는 제거된다.

고효율의 스위칭 파워패쓰 컨트롤러

이전 제품과 다르게, LTC3455는 리니어 파워패쓰(PowerPathTM) 컨트롤러를 갖추고 있으며 LTC3555는 고효율 스위치 모드 파워패쓰 컨트롤러를 갖추고 있다. USB 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 LTC3555의 파워패쓰 컨트롤러는 정밀 평균 입력 전류 스텝-다운 스위칭 레귤레이터를 통합하고 있어 허용 가능한 USB 전력을 최대로 사용할 수 있다.
전력이 보존되기 때문에, LTC3555는 VOUT에서 부하 전류가 USB 부하 스펙을 상회하지 않고 USB 포트로 소모되는 전류를 초과할 수 있게 한다. 파워패쓰 스위칭 레귤레이터 및 배터리 충전기는 입력 전류가 USB 스펙을 침해하지 않도록 보장하기 위해 통신한다. 게다가 BAT에서 VOUT에 이르는 이상적인 다이오드는 VBUS에서 전력이 불충분하거나 결여되었을 지라도 충분한 전력을 VOUT에서 이용할 수 있도록 보장한다.
VBUS를 이용할 때마다 그리고 파워패쓰 스위칭 레귤레이터가 구현되었을 때, 전력은 SW를 통해 VBUS에서 VOUT로 전달된다(그림 2참조). VOUT는 외부 부하(그림 1에서 스위칭 레귤레이터 1, 2, 3) 및 배터리 충전기의 구동 전압이다. 결합된 부하가 파워패쓰 스위칭 레귤레이터의 프로그램된 입력 전류 제한을 초과하지 않는다면, VOUT은 배터리보다 0.3V 높게 쫓아 갈 것이다.

배터리 충전기에 대해 전압을 낮게 유지함으로써, 효율은 최적화 된다. 그 이유는 리니어 배터리 충전기에 대한 전력 손실이 최소화 되기 때문이다. 그 결과, 부하에서 이용할 수 있는 전력은 최적화된다.
VOUT에서 연결된 부하는 스위칭 전원 공급장치가 프로그램된 입력 전류 제한으로 도달되도록 충분히 크다면, 배터리 충전기는 외부 부하가 만족될 수 있도록 필요한 양까지 충전 전류를 감소시킬 것이다. 배터리 전류가 허용할 수 있는 USB 전류를 초과하도록 설정된다고 하더라도, USB 스펙은 위배되지 않을 것이다.
그 이유는 스위칭 레귤레이터가 이 같은 경우를 보장하기 위해 평균 입력 전류를 항상 제한할 것이기 때문이다. 게다가, VOUT에서 부하 전류는 항상 우선순위 될 것이며 초과되어 사용할 수 있는 전력은 배터리를 충전하도록 사용될 것이다.
BAT에서 전압이 3.3V 미만이거나, 배터리가 존재하지 않고, 그리고 부하 조건이 스위칭 레귤레이터가 USB 스펙을 초과하지 않게 한다면, VOUT는 3.6V에서 조절될 것이다. 부하가 이용할 수 있는 전력을 초과할 경우, VOUT는 3.6V와 배터리 전압 간의 전압까지 하강할 것이다. 부하가 이용할 수 있는 USB 전력을 초과할 때 배터리가 존재하지 않을 경우, VOUT은 떨어져 접지 전압까지 내려 갈 것이다.
LTC3555는 내부의 이상적인 다이오드(그림 2의 우측 참조)뿐 만 아니라 선택적인 외부 이상적인 다이오드를 위한 컨트롤러를 갖추고 있다. 이상적인 다이오드 컨트롤러는 항상 진행 중이며 VOUT이 BAT이하일 때마다 빠르게 반응할 것이다. 부하 전류가 스위칭 레귤레이터에서 허용되는 전력 이상으로 증가할 경우, 추가적인 전력은 이상적인 다이오드를 통해 배터리에서 얻게 될 것이다.
게다가, VBUS(USB 혹은 벽 어댑터)에 대한 전력이 제거되면, 이 때 모든 애플리케이션 전력은 이상적인 다이오드를 통해 배터리로 제공될 것이다. VOUT에서 입력 전력으로부터 배터리 전력으로의 전환은 단지 3uF 커패시터가 VOUT를 약하게 만들지 않을 정도로 고속으로 진행될 것이다.
이상적인 다이오드는 VOUT에서 전압이 BAT 전압 대략 15mV(VFWD) 미만 일 때마다 큰 온칩 P채널 MOSFET 트랜지스터를 구동하게 하는 정밀 증폭기로 구성되어 있기 때문에 가능하다. 내부 이상적인 다이오드의 저항은 대략 180mΩ으로 선택적인 레지스터를 이용해 50mΩ 미만으로 감소될 수 있다.

결론

배터리 구동식 핸드헬드 제품 설계자들이 배터리 수명을 특정 구성에 맞춰 최적화 하기 위해 이용할 수 있는 수많은 옵션을 가지고 있다는 사실은 분명하다. 성능이 최적화된, 다기능 ASSP는 최적의 시스템 성능을 제공하는 필수 전압과 전력 레벨을 제공할 수 있으면서 정상적인 동작 기간 동안 배터리에서 전력 드레인을 최소화하는 것을 보장할 수 있다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 06월호>