디지털 제어 및 툴이 DC 컨버터에
미치는 영향

디지털 관리형 전원 공급장치를 갖춘 PMBus 프로토콜을 통해, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)이나 호스트 마이크로-프로세서는 전원 공급장치의 동작을 모니터할 수 있다. 이것은 모니터링 스테이션으로 다시 보고될 수 있으며, 서버와 같은 상당 수가 프로세서를 모니터 한다. 즉 네트워킹 장비가 데이터 트래픽을 어떻게 모니터 하는가를 보고한다.

                                       글│Marc D Sousa, 텍사스 인스트루먼트

디지털 제어에 기반을 둔 DC 컨버터는 오늘날 전원 공급장치에서 이용할 수 있는 표준 기능의 새로운 가능성을 제시했다. 디지털 파워는 전원 공급장치 설계에서 2가지의 기본적인 변화를 제시한다. 디지털 인터페이스를 통한 컨버터와의 통신, 그리고 루프의 디지털 제어가 바로 그것이다. 이러한 변화는 각각 디지털 관리형 혹은 디지털 제어형 전원 공급장치로 불린다.
전력 컨버터 설계에서 이러한 두 가지 변화의 영향으로 인해 더욱 자유롭게 기능을 이용할 수 있게 되었으며, 전원 공급장치에서 어떠한 부품도 변경할 필요 없이 필드에서 재구성될 수 있게 되었다. 이것을 나타내는 공통적인 전원 공급장치의 기능이 전압 씨퀀싱이다.

전압 씨퀀싱

수많은 POL(Point-Of-Load) 컨버터는 보드 상의 전압 씨퀀싱을 지원한다. 프로그램 가능한 CPU와 DSP는 I/O와 코어 전압을 가진다. I/O와 코어 전압은 씨퀀스 되어야 하며 램프-업 속도 및 전압 레일의 씨퀀싱 순서에 대해 엄격한 조건을 갖추고 있다. 동일한 내용이 램프-다운에도 적용된다. 그림 1은 서로 다른 조절 전압과 상승 시간을 갖춘 시스템에서 씨퀀스되는 4개의 전압 레일을 보여준다.

이것은 전압 레일의 지연 시간 및 램프-업 속도에 대한 레지스터-커패시터 회로(RC) 상수를 제어하는 디스크리트 부품의 변경을 통해 아날로그 제어에서 달성된다. 이것은 각 전압 레일을 위한 것을 나타내며, 다른 RC 네트워크는 서로 다른 하드웨어 부품을 요구할 것이다.

디지털 컨트롤러

디지털 제어형 전원 공급장치에서, 컨트롤러는 시간에 기반한 경우를 관리하고 모니터하는 정교한 성능을 가지고 있다. 디지털 컨트롤러는 일반적으로 여러 개의 타이머 및 처리 용도의 다른 레지스터를 갖추고 있을 것이다. 전원 공급장치 씨퀀싱과 같은 특징 이외에, PWM 출력을 변조하거나 디지털 통신 버스를 관리하는 것은 컨트롤러가 통합형 타이머로 관리하게 될 또 다른 기능이 될 것이다.
소프트 스타트(소프트 스톱) 구성을 위해, 전압 레일의 지연 시간과 상승 시간은 단순한 구성 파라미터로, 통신 버스를 통해 디지털 컨트롤러로 전송된다. PMBus 혹은 I2C와 같은 인터페이스는 이 정보를 컨트롤러에 통신하기 위해 사용된다. 이 때 컨트롤러는 이러한 구성 파라미터로 레퍼런스 되며 이때 0V(혹은 바람직한 경우, 출력에서 바이어스-전압)에서 대칭 단계의 출력 전압을 레귤레이션 전압으로 천천히 조절함으로써 소프트 스타트를 관리한다.
이러한 모든 것들은 디지털 컨트롤러에서 구성 파라미터이기 때문에, 하드웨어 변경 없이도 레귤레이션 전압, 상승 시간 또는 지연 시간을 변경하는 것은 단순한 문제이다. 물론, 아날로그 제어처럼, 이 과정은 루프 개방형 혹은 폐쇄형으로 실행될 수 있으며, 부하 변경의 효과를 최소화시킨다.
전원 공급장치를 위한 통신 인터페이스는 새롭지 않다. 이러한 인터페이스들은 I2C처럼 표준 인터페이스를 사용해 일정 시간 동안 아날로그 제어형 전원 공급장치로 사용되어 왔다. 요즘에는 PMBus로 불리는 새롭게 표준화된 통신 인터페이스가 있다. PMBus는 전원 공급장치를 구성하고 모니터하기 위한 목적으로 설계되었다.
PMBus는 SMBus와 I2C에서 파생되었으며 전원 공급장치의 구성을 지원할 수 있도록 특화되었다. 전원 공급장치 씨퀀싱의 경우, PMBus가 지원하는 명령어가 있다. 이 명령어를 통해 사용자는 레일 상의 전압으로 상승하기 전의 지연 시간(TON_DELAY), 레귤레이션을 달성하는 상승 시간(TON_RISE) 뿐 아니라 레귤레이션 전압 자체를 조절하는 것(VOUT_ COMMAND)으로 구성할 수 있다.
이러한 구성 셋팅에 더하여, PMBus를 통해 디지털로 관리되는 전원 공급장치는 오류 시간(전압이 증가하는 시점에서부터 레일이 레귤레이션 되어야 하는 시점까지의 시간: TON_MAX_FAULT_ LIMIT)뿐 아니라 시스템이 오류(TON_ MAX_FAULT_RESPONSE)에 어떻게 반응해야 되는지를 설정할 수 있다. 이 반응은 무시될 수 있고, 컨버터를 셧다운시킬 수 있으며, 1~6시간 사이에 재시도 되거나 동작을 지속시킬 수 있다. 그림 2는 이 같은 동작을 구성할 수 있는 PMBus 명령으로 소프트-스타프 사례를 보여준다.

하드웨어 변경 없이 씨퀀싱과 같은 기능들을 구성할 수 있는 디지털 제어형 전원 공급장치를 갖춘 PMBus를 사용하면 상당한 기능의 유연성을 증대시킬 수 있다. 이것은 또한 디지털 제어형 전원 공급장치에서 씨퀀싱 이상의 수많은 기능들과도 일치한다.

오류 제한

디지털 제어형 전원 공급장치에서 중요한 유연성의 또 다른 사례는 오류 제한이다. 전원 공급장치에서, OCP(Over-Current Protection) 및 OVP(Over-Voltage Protection)에 대한 오류 제한은 전원 공급장치의 오류에서 부하를 보호하기 위해 중요하다. 아날로그 전원 공급장치에서, 이것은 전원 공급장치 내의 전압이나 전류에 대한 엄격한 제한을 둠으로써 실행된다. 즉, 게이트 드라이버나 PWM 컨트롤러에서 고정 부품 시리즈를 통해 실행된다.
동작 기간 동안, 디지털 PWM 컨트롤러는 주로 루프를 폐쇄시키는 것을 담당한다. 또한, 컨트롤러는 오류에 대한 입력 및 출력 전압을 샘플한다. 이러한 아날로그 신호는 디지털로 변환되며, 이러한 디지털 값은 세트-포인트와 비교된다. 또한 이러한 세트 포인트는 디지털 값이다. 이러한 세트 포인트는 통신 인터페이스를 통해 디바이스에 구성된다. 한 가지 예로써 VOUT 과전압 보호를 이용할 경우, 다음은 디지털 컨트롤러가 상태 기기에서 구현될 의사-코드(Pseudo-Code)이다.

경고와 오류 제한은 디지털 컨트롤러의 메모리에 저장된 데이터이다. 통신 인터페이스는 사용자로부터 다양한 값으로 이러한 제한을 설정하기 위해 사용된다. PMBus 프로토콜은 다양한 디지털 관리 전원 공급장치에서 오류 및 경고 조건을 구성하기 위해 사용된다. VOUT 과전압(OV: Over-Voltage) 경고 및 오류 임계값은 VOUT_OV_WARN_LIMIT 및 VOUT_OV_FAULT_LIMIT 명령을 통해 각각 설정된다. 전원 공급장치가 이러한 오류를 받아들이는 반응은 VOUT_ OV_FAULT_RESPONSE 명령으로 구성될 수 있다.
경고 및 오류 조건 설정에 대한 유연성은 다른 애플리케이션에서 사용되고 있는 컨트롤러에서 중요하다. 디지털 POL 컨트롤러의 경우에서도, 부하에 따라, VOUT OV 오류 제한에 대한 세트 포인트를 다르게 하기를 바랄 것이다. 1.2V 마이크로 프로세서는 5V 주변기기보다 다른 오류 임계값을 원할 것이다. PMBus 프로토콜은 이러한 성능을 위해 디지털 관리형 전원 공급장치를 제공한다.
PMBus와 다르게 디지털 통신 인터페이스를 통해, 최신 구성 및 모니터링 툴에 대한 성능은 디지털 관리 전원 공급장치에서 발휘된다.
PMBus를 지원하는 전원 공급장치들은 매우 다양한 구성이 가능한 옵션을 가질 수 있다. PMBus 프로토콜을 사용하면, 윈도우 GUI 뿐 만 아니라 마이크로-프로세서에 대한 관리 에이전트들은 출력 전압 및 온도와 같은 전원 공급장치의 동작에 대한 정보에 접근하고 이용할 수 있도록 사용될 수 있다. 또한, 수많은 다른 구성 파라미터들은 소프트 스타트, 오류 관리, 마지닝(Margining)에서 제어될 수 있다. 그림 3은 PMBus 가능한 디지털 전원 공급장치를 구성하기 위해 사용될 수 있는 윈도우 GUI의 사례를 보여준다.

결론

데이터 센터 네트워킹 시스템, 서버, 무선 기지국은 서브시스템에 대한 오류를 광범위하게 모니터링 하는 장비들이다. 이것은 내부에 포함된 프로세싱 및 통신 시스템과 공통적이다. 디지털 관리형 전원 공급장치의 등장으로, 오류 및 경고에 대한 전력 서브시스템을 모니터하는 것이 가능하게 되었다. 이것은 고장 및 오류 예측에 대한 중요한 단계이다. 고장 및 오류 예측은 디지털 전력을 사용하는 더욱 중요한 2가지 자산이다.
디지털 관리형 전원 공급장치를 갖춘 PMBus 프로토콜을 통해, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)이나 호스트 마이크로-프로세서는 전원 공급장치의 동작을 모니터할 수 있다. 이것은 모니터링 스테이션으로 다시 보고될 수 있으며, 서버와 같은 상당 수가 프로세서를 모니터 한다. 즉 네트워킹 장비가 데이터 트래픽을 어떻게 모니터 하는가를 보고한다.
TI는 디지털 파워 솔루션 분야에서 선도적인 공급업체이다. UCD9111 단일-페이즈 및 UCD9112 듀얼-페이즈 POL 컨트롤러는 디지털 파워 애플리케이션을 위한 매우 우수한 성능의 디지털 제어 솔루션의 예이다. 이러한 제품 모두 전원 공급장치의 관리를 위해 80개 이상의 PMBus를 지원하는 명령으로 POL 전원공급장치의 완벽한 디지털 제어를 제공한다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 09월호>