전력 관리 시스템의 디지털 제어가 시장에서 느린 속도로 수용되고 있다. 어떻게 하면 이 기술이 시장에서 수용될 수 있을 것인가?
글│Francesco Carobolante, Fairchild Semiconductor
한동안은 전력 시스템이 디지털 제어로 전환하는 것이 전력 관리의 대세가 될 것으로 얘기되었지만 이의 구현은 심각하게 지체되었으며 이것은 이 분야의 많은 전문가들에게는 놀라운 일이 아니었다. 이 기술의 전망이 상당히 예측 가능했기 때문이다. 이 기술에 대해 진술되는 이점들은 매우 다양하며 매력적인 것으로 들린다. 그렇다면 이제 우리는 이 기술을 수용할 준비가 된 것인가?
가치 제안
디지털로 전환함으로써 다음과 같은 많은 이점들이 가능하다.
- 비선형 시스템 제어로 안정 상태뿐만 아니라 트랜션트 응답 최적화
- 각기 다른 동작 조건에 대응할 수 있는 시스템 구성가능성
- 아날로그 부품의 확산 및 노화를 보정하는 시스템의 적응성
- 전력 트레인과의 지능적인 상호작용 능력으로 효율 및 기타 성능 파라미터의 복합적인 최적화 달성
- 프로그램 가능성 및 자가 교정
- 시스템 신뢰성 향상
- 통신, 모니터링, 진단 기능
그렇다면 왜 아직 이 기술로 전환하지 않고 있는가? 여기에는 근본적으로 세 가지 이유가 가능하다.
- 고객들에게 가장 중요한 것은 여전히 부하로 제공되는 전력의 품질 및 효율로서, 이는 상당 부분이 전력 트레인에 의해 결정되며 제어 루프의 구현에 의한 것은 그 정도가 더 낮다.
- 디지털 구현의 가격대 성능비 수치가 특별히 매력적이지 않다.
- 리거시 시스템 구현과 시스템 엔지니어들이 익숙하지 않다는 점 때문에 사용자들이 디지털 세계로 인터페이스하는 것에 어려움을 겪고 있다.
디지털 시스템의 정의
순수하게 통신 프로토콜인 디지털 인터페이스 이외에도 이 시스템의 성능 속성을 적절히 분석하기 위해서는 디지털 제어 루프의 특성을 정의해야 한다. 아날로그로 정의된 것이든 디지털로 정의된 것이든 모든 시스템은 어느 정도 두 영역을 모두 포함한다. 다시 말해서 아날로그인 것과 디지털인 것의 경계(다시 말해서 A에서 D 및 D에서 A로의 변환)는 단순히 제어 루프 상의 다른 위치로 전환하는 것일 뿐이다. 그러므로 루프 내에서 그러한 변환이 일어나는 위치에 따라서 그리고 디지털 부분이 어떻게 구현되느냐에 따라서 몇 가지 아키텍처 범주를 정의할 수 있다. 대부분의 구현의 경우에 오류 검출, 보정기, 변조기의 3개 메인 블록을 식별할 수 있다. 어떤 것들이 아날로그 또는 디지털 수단으로 구현되었느냐에 따라서 각각의 솔루션의 범주를 구분할 수 있을 것이다.
아키텍처적으로 디지털 제어는 다음의 구조를 이용할 수 있다.
- Z 영역의 선형 루프(PID 컨트롤러)
- 디지털 제어 비선형 트랜션트 응답을 추가한 선형 루프
- 비선형 구현: 슬라이딩 모드, 뱅뱅 또는 히스터리시스(하나 이상의 입력을 이용해서 트립 포인트 결정), 시그마-델타(오차 증폭기 및 변환 블록이나 아니면 변조기로 이용), 멀티 레벨(테이블 룩업, `퍼지`, 최적 표면 등)
- 선형 및 비선형 구현에 예측/적응 루프 추가
모든 경우에 아날로그 또는 디지털 회로를 이용해서 시스템을 동일하게 구현할 수 있으나 디지털 구현에는 매우 복잡한 회로들이 적합하다. 특히 상당한 양의 메모리를 필요로 하거나 의사결정의 복잡성이 증가할 때 그러하다(비선형 시스템).
고객이 지불해야 하는 대가
아날로그 및 디지털 지지자들로부터 이 주제에 관해 우리가 듣고 있는 일부 열렬한 진술은 각자의 부품이 경쟁적인 비용으로 더 높은 성능의 솔루션을 달성하기 위해 제공하는 유용성과 관련해서 양 진영의 관점의 차이에 기인한 것이다. 완전한 세상이라고 했을 때 기술은 사용자에게 어느 정도 투명해야 하며 이의 사용을 이용해 최소의 노력을 필요로 해야 한다. 다시 말해서 고객들은 믿을 수 있는 전원장치를 원하며 자신들의 전통적 주력 분야를 벗어나는 일련의 새로운 기술을 채택해야 한다는 것을 좋아하지 않는다. 이는 단기적인 품질 격차를 발생시키고 그럼으로써 자신들의 이미지에 치명타가 될 수 있기 때문이다.
불행히도 고객들에게 정말로 무엇을 원하는지 묻는 것이 아니라 가설적인 가치를 주장하기 위한 선전들이 난무했다. 완벽한 전원장치는 효율이 100%이고, 0의 공간을 차지하고, 비용이 전혀 들지 않아야 할 것이다.
적절한 예로서 그림 1을 들 수 있다. 이 그림은 전적으로 아날로그 부품과 교체가 가능하면서 구현은 `전적으로` 디지털로 이루어져서(다시 말해서 루프가 비교기, 로직 게이트, 카운터, 레지스터만을 포함) 일반적인 효율 최적화 부스트 레귤레이터의 모든 표준적 PWM 및 PFM 동작을 수행하는 제품 애플리케이션 다이어그램을 보여준다.
이 가치 제안의 경우에는 `하드` 파라미터와 `소프트` 파라미터를 구분할 수 있다. 하드 파라미터는 수량화할 수 있는 것이고 고객이 자신의 목적을 달성하는 능력과 직접적으로 연관되는 것이다.
- 비용(또는 더 정확하게는 비용/기능)
- 성능(다시 말해 정밀도×대역폭)
- 효율(다시 말해서 기능/에너지)
또한 많은 소프트 또는 마케팅 파라미터가 존재하는데 이는 유용한 차별화 요인이기는 하지만 가치를 수량화하기가 어려운 것들이다. 디지털 지지자들에게는 불행하게도 II절에서 열거하고 있는 대부분의 가치 제안이 소프트 파라미터 범주에 속한다.
위에 열거된 3개의 하드 파라미터는 보통 상호 연관되어 있다. 기능의 비용뿐만 아니라 이의 가치는 대부분이 이를 수행하기 위해 요구되는 정밀도(아날로그의 경우 S/N 및 디지털의 경우 분해능 비트 수) 및 대역폭에 비례하기 때문이다. 최적화의 관점에서 이 기능에 요구되는 총 면적이 비용의 적절한 척도이지만 회로에 요구되는 관련 에너지 또한 매우 중요하다. 이것이 구현이 달성할 수 있는 효율에 영향을 미치므로 사용자의 관점에서 매우 중요한 요소이다.
구현의 연산 효율은 흔히 간과되는 파라미터였다. 전력 반도체 기술의 발전으로 인해서 컨버터의 동작 주파수를 높일 수 있게 되고 그럼으로써 과도한 스위칭 전력 손실을 발생시키지 않으면서 수동 부품의 크기와 가격을 낮춤에 따라서 컨트롤러의 전류 소비를 최소화하는 아키텍처(아날로그, 디지털, 혼성신호)가 갈수록 더 중요해지고 있다. Prodic이 각기 다른 구현을 벤치마크하기 위한 유용한 파라미터를 도입했는데 이를 ㎂/MHz라고 한다. 이는 특정한 클록 주파수로 제어 루프가 요구하는 바이어스 전류의 양을 의미한다. 이는 고정 주파수 구현에는 적합하지만 특정한 응답 시간 상수에 대해 바이어스 전류를 고려한다고 할 때는 비선형 구현을 다루도록 이를 다소 교정할 수 있다.
에너지/기능의 파라미터를 고찰함으로써 아날로그 및 디지털 블록 간에 시스템을 각기 다르게 파티셔닝함으로써 달성 가능한 더 나은 최적화를 알 수 있다. 이러한 관점은 특히 휴대전화 및 기타 휴대기기에 의해서 발전되었다. 이들의 경우에는 이용할 수 있는 총 에너지가 제한되며 특정한 에너지 예산에 대해서 기능성을 증가시키는 것이 중요한 목표이다. 비록 극적으로 영향을 받지는 않지만 다른 모든 애플리케이션이 유사한 요구를 적용한다. 단위 체적 당 기능성의 증가는 비용을 절감하는 것으로 이어지고 그러므로 궁극적으로 그러한 효율 지수의 가치를 입증한다.
그러므로 현재 IC 프로세싱에 이용되는 더 미세한 리소그래피 기술로 달성 가능한 밀도와 이의 결과로서 디지털 구현 비용을 절감할 수 있다는 것을 디지털 기술 채택의 불가피성에 관한 주된 이유로 선전하고 있지만 에너지 관점에서 이의 성공을 위해 더 중요한 것은 연산 효율이라고 생각한다.
그림 2에서 Lu는 칩 성능 지수(CPI) 파라미터의 향상에 대해 설명하고 있다. 이는 Mindl이 디지털 스위치에 대해서 1013디바이스/J의 소규모 집적에서부터 1024디바이스/J의 기가 규모 집적에 이르기까지 기술 집적 및 축소가 어떻게 단위 에너지당(입력 에너지 ≡ 전력-지연-곱: P․τ (J)) 신호 전송 견고성을 생성하는지 측정할 수 있도록 도출한 것이다.
그림 3의 그래프는 프로세스 리소그래피가 디지털이 달성할 수 있는 기능당 비용 및 에너지를 감소시킴에 따라서 어떻게 발전적으로 더 낮은 복잡성 및 성능으로 이 균형점을 달성할 수 있는지를 질적으로 보여준다.
여기서 유의할 점은 이와 같은 그래프는 디지털 구현에 매우 종속적이라는 점이다. 예를 들어서 간단한 PID 컨트롤러를 구현하고자 한다고 할 때 최적화된 디지털 HW 블록을 위해서 0.35μm 노드로 아날로그와 디지털 구현 사이에 동일한 비용을 달성할 수 있지만 범용 마이크로컨트롤러 코어를 이용해서 동일한 기능을 구현한다면 0.13μm 프로세스가 필요할 수 있다. 이러한 이유에서 흔히 어떤 기술에 대해 이루어진 가치 제안을 비교하기가 어려웠다. 엔지니어들이 자신들의 진술에서 데이터나 주장의 근거의 타당성을 설명하지 않았기 때문이다. 그림 4는 De Man의 그래프를 보여준다. 여기서는 디지털로 어떤 기능을 구현하기 위해서 비용 및 에너지 측면에서 수십 배의 확산이 발생한다는 것을 알 수 있다. 이 구현은 범용 머신이나 전용 HW 구현을 통해 수행할 수 있기 때문이다.
혼성신호 구현을 고려한다면 구현에 관련된 비용 및 에너지의 추가적인 확산이 발생된다. 그림 5에서 Murmann에 의해서 그러한 관점이 제시되고 있다. 그는 특정한 A/D 변환에 대해 `에너지 등가` 게이트 수를 고찰하고 있다.
이러한 관점은 진정으로 그러한 혼성신호 애플리케이션의 더 나은 설계를 가능하게 한다. 여기서는 특정한 성능에 대한 에너지 효율이 최적의 시스템 파티셔닝을 위한 열쇠이다. 아날로그 회로의 프로세싱 속도는 디지털 수단으로 결코 따를 수 없는 것이지만, 시스템의 정밀도 및 동적 성능을 추구함에 따라서 아날로그 회로의 선형성과 수동 부품의 정밀도로 인한 제한 때문에 전적으로 아날로그 솔루션은 갈수록 더 비싸지고 빠른 속도로 실용성이 저하되고 있다는 것을 알 수 있다. 이것이 디지털적으로 지원된 아날로그 블록이 선호되고 이의 가격대 성능비 지수가 기존의 아날로그 솔루션보다 향상됨에 따라서 디지털 비율이 점차적으로 증가하고 있는 이유이다. 몇몇 발전적인 틈새 시장을 제외하고 부수적인 이점보다는 비용(부품 비용뿐만 아니라 제조 전환 비용까지)이 구현의 주된 요인이 되고 있다.
그러므로 비용이 중요한 요소일 뿐만 아니라 에너지 또한 이 공식의 일부라는 결론에 도달하게 된다. 에너지는 제품 구현의 환경적 문제를 생각하게 만드는 고비용의 상품이기 때문이다. 솔루션의 `전체적인 비용`을 따져보려면 구현의 에너지 효율을 분석함으로써 구현을 비교해야 한다.
- 디지털 블록은 `효율적으로` 아날로그 블록의 선형성 및 정밀도를 향상시키며, 반면에 까다로운 사양은 문제를 개별적인 부품으로 분할하고 이들을 각기 다른 영역으로 해결함으로써 달성할 수 있다.
- 불안정하기는 하지만 경계 시스템이 더 에너지 효율적이며, 이들 시스템은 흔히 아날로그 영역으로 제어하기가 지나치게 복잡하지만 시스템의 궤적에 관련된 정보를 디지털적으로 프로세싱해서 효율적으로 최적화함으로써 견고한 제어를 달성할 수 있다.
- 조기 단계에서 성능 역량과 전력/명령을 확인함으로써 동작(비교기, A/D, 아날로그 및 디지털 적분기 등)의 연산 효율을 평가할 수 있으며, 그럼으로써 아키텍처의 대가(게이트 x 속도, 또는 바이어스 전류 등)를 평가할 수 있다.
그러므로 블록들의 각각의 요구를 적절히 분석함으로써 전류 모드 아키텍처의 내부 트랜스컨덕턴스 루프는 4비트의 분해능만으로 안정적일 수 있으며 한편으로 부하 전압 센싱은 고도로 높은 정밀도 및 대역폭을 요구하므로 아날로그와 디지털 간에 그와 같은 대규모 연산 작업 처리에 요구되는 `에너지 예산`을 분할하기 위해서 오차의 아날로그 적분이나 또는 이의 변형인 `윈도우드` A/D 변환을 고려해야 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
페어차일드는 유용한 구현을 달성하기 위해서는 전력 관리 공식의 모든 측면을 다루어야 한다는 것을 인식하고 솔루션의 트랜션트 응답, 효율, 비용 효율의 결합적인 지수로서 가장 우수한 성능을 제공하기 위해 모든 이용 가능한 기술과 아날로그 및 디지털 회로를 포괄하는 조합적인 설계 기법을 이용해서 첨단 전력 트레인을 개발하기 위해 최선의 노력을 기울이고 있다.
결론
실제로 오늘날에는 0.35μm 혼성신호 기술의 경우 디지털 PID 컨트롤러의 비용이 유사한 성능의 아날로그 컨트롤러와 크게 차이가 나지 않으면서 프로그램 가능성 및 통신이라는 `소프트` 이점을 제공한다. 앞으로는 0.18μm 혼성신호 기술의 경우에 정교한 비선형 제어의 비용이 더 낮은 성능의 아날로그 제어와 동일해질 것이다.
디지털이 왜 더 빠른 속도로 시장을 포착하지 못했는가의 간과되었던 몇몇 이유로서 아날로그와 디지털 디자이너 사이의 `언어 장벽`, 두 진영 사이에 진정적으로 사용자들에게 유용한 솔루션을 제공하려는 공동 노력의 부족, 새로운 기술적 구현에 있어서 고객들을 교육하면서 또 한편으로는 시스템 엔지니어들이 새로운 아키텍처 구현과 매끄럽게 상호작용할 수 있도록 `기술 관용적` 인터페이스를 제공해야 하는 필요성을 들 수 있을 수 있을 것이다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 08월호>