심사숙고 할 때가 온 DrMOS 개념

이 글에서는 이러한 모듈들이 전류 형태로 재현할 수 있도록 길을 열어준 반도체 및 패키지 기술의 발전된 모습에 대해 자세하게 다룰 예정이다. 반도체 및 패키지 기술의 발전을 통해 경쟁력 있는 가격과 성능을 달성할 수 있으며 성공을 위한 다양한 요소들이 존재한다.

                                                        글│Alan Elbanhawy, 페어차일드 반도체}

개요

DrMOS 스펙은 몇 해동안 우리 주변에 잠재해온 개념이다. 이 스펙은 인텔에 의해 최신 CPU DC-DC 컨버터의 강력한 요구조건을 충족시키면서 경쟁력 있는 가격을 제시할 수 있는 제품을 제공할 목적으로 도입되었다. 다른 반도체 업체들은 이 스펙에 맞는 제품을 생산할 수 있도록 노력해왔다.
업체들의 노력에도 불구하고 2004년 후반 가장 최신 개정판 1이 출시될 때까지 폭넓게 채택되지 못했었다. 채택 되지 못한 주요 이유는 성능, 가격을 비롯한 여러 가지 원인들이 복합적으로 작용한다. 성능은 대개 보통이었으며 주류 시장을 비롯해 매우 매력적인 데스크톱 PC 시장에서 조차도 DrMOS 스펙을 배제시킬 정도로 꽤 높은 가격에서 제공되었다. PC 시장에서 가격은 이러한 모듈들의 채택 여부를 결정짓는 대한 가장 중요한 요소이다.
이 글에서는 이러한 모듈들이 전류 형태로 재현할 수 있도록 길을 열어준 반도체 및 패키지 기술의 발전된 모습에 대해 자세하게 다룰 예정이다. 반도체 및 패키지 기술의 발전을 통해 경쟁력 있는 가격과 성능을 달성할 수 있으며 성공을 위한 다양한 요소들이 존재한다.
또한 스펙을 준수하고 데스크톱 시장에서 적절한 가격 대비 성능에 대한 월등한 가치(Value Proposition)를 제공하는 DrMOS 모듈을 설계하기 위해 페어차일드가 채택한 절차에 대해 설명할 예정이다. 또한 극복해야만 하는 과제들에 대해 논의하고 마지막으로 성능 매트릭스와 그래프를 살펴볼 것이다.

도입

동기식 벅 컨버터는 개인용 컴퓨터에서 CPU 전원 공급장치용으로 매우 성공적으로 사용되어 왔다. 그림 1은 단일 위상 구현의 단순화된 회로도를 보여주는 반면 그림 2는 실제 전압 레귤레이터 모듈인 VRM을 보여준다. 이 구현에서 MOSFET과 게이트 드라이버는 SO8 패키지로 모두 제공된다.
PCB 공간이 수많은 디바이스를 수용해야 하기 때문에 필요한 PCB 공간이 꽤 크다라는 사실이 그림 1에서 분명히 볼 수 있다. SO8과 DPAK와 같은 패키지는 기생 인덕턴스를 갖는다는 것을 언급할 필요가 있다. 이 기생 인덕턴스는 항상 링잉(Ringing)을 발생시키고 어떤 경우엔 더욱 낮은 전력 효율을 주도한다.
CPU는 1.5V-1.3V의 비교적은 낮은 전압에서 매우 높은 전류(65QAmp-120Amp)를 요구해 회로 설계를 복잡하게 하며 PCB 레이아웃을 더 복잡하게 만든다. 그 이유는 우수한 레이아웃은 회로에서 높은 스위칭 전류를 고려해 PCB 및 관련된 eff3ect에서 전류 경로 및 관련 기생에 대한 통찰력을 요구하기 때문이다.
고전력 고주파수 애플리케이션을 위한 회로 인터커넥션을 최적화시키기 위해, DrMOS이 제안되었다. 그림 3은 각 모듈의 부품에 대한 블록 다이어그램을 나타낸다.

모듈

모듈은 제어 MOSFET, 동기식 정류기, 게이트 드라이버를 포함한다. 이 같은 결합의 장점은 다음과 같이 정리될 수 있다.(그림 4)
*모든 부품들 간의 인터커넥션의 최소 길이는 소형 기생을 주도한다.
*모듈은 패키지 디스크리트 부품으로 차지되는 공간의 일부를 차지하기 때문에 더욱 효과적인 공간 활용이 이루어진다.
*패키지된 디스크리트 부품보다 더욱 비용 효과적인 솔루션
*MOSFET과 드라이버는 크기 및 성능의 완벽한 조화를 위해 설계된 맞춤이 가능하다.
*EMI가 더 적게 발생한다

애플리케이션 PCB

위에서 언급되었듯이, 고전류 고주파수 설계의 성공 여부는 PCB 레이아웃이 얼마나 우수한가에 따라 정해진다.
다음은 레이아웃에서 준수되는 몇 가지 사항이다.

*접지 판, 전력, Vcc 판의 사용은 필수적이다.
*스위칭 전류를 이동시키는 모든 트레이스의 루프 면적 최소화 시키기. 이것은 기생 인덕턴스, 링잉, EMI를 최소화시킨다.
*트레이스 이동 스위칭 전류는 기생 인덕턴스 및 구리 기생 저항 모두를 최소화 할 수 있도록 가능한 많은 레이어에서 동작할 수 있도록 설계되어야 한다.
*세라믹 바이패스 커패시터는 입력 전압과 접지 판 사이의 모듈로 가능한 가깝게 위치시켜야 한다.

결론

페어차일드의 DrMOS 모듈은 지속적으로 발전하는 컴퓨팅 시장 요건을 충족시킬 수 있는 가격 및 성능에 대해 합리적인 결합을 제시한다. 소형 8mm x 8 mm 모듈은 서버나 표준 4 레이어 마더 보드 설계를 위해 그림 5에서처럼 우수한 VRM 설계를 가능하게 하는 25Amp를 실현할 수 있다.


<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 07월호>