휴대기기에서 친환경 에너지의 중요성 - Technology

휴대기기에서 친환경 에너지의 중요성

글│Tony Armstrong, Product Marketing Manager, Linear Technology

새로운 발전 설비를 건설하기 위해 많은 비용이 소요되므로 다수의 국가에서 소위 말하는 친환경 정책을 도입함으로써 제조업체들이 최종 제품에 에너지 절약 기법들을 채택하도록 하고 있다. 그런데 이러한 동일한 원리를 배터리 사용 휴대기기 제품의 설계 및 개발에도 적용할 수 있다. 이 원리는 분명하고 간단한 것이다. 우선 배터리는 최종 제품을 구동하고 작동하기 위해 이용할 수 있는 에너지의 양이 한정적이다. 그러므로 작동 시간을 되도록 최대로 연장하기 위해서 어떠한 전력 변환이든 가능한 최대의 효율로 실시해야 한다. 하지만 이들 다수의 제품은 대기 상태로 다시 말해서 슬립 모드로 많은 부분의 시간을 소비하므로 넓은 부하 범위에 걸쳐서 높은 효율로 전력 변환을 필요로 한다. 많은 경우에 이것이 4디케이드 이상의 부하 전류일 수 있다. 이와 함께 변환 및 관리 프로세스에 이용되는 어떠한 전력 IC이든 정지 전류가 매우 낮아야 한다. 이 점이 배터리로부터 소비되는 전류를 최소화하고 배터리 작동 시간을 증가시키기 위해 중요하다.

리튬이온 배터리의 한계

잘 알려져 있다시피 대부분의 배터리 사용 휴대기기 제품은 일차 전력 소스로 리튬이온 배터리를 이용한다. 그러므로 엔지니어들이 고려해야 하는 중요한 고려사항의 하나가 배터리의 폼팩터 및 에너지 용량이다. 1990년대 초반에 등장한 이후로 리튬이온 배터리가 스마트 휴대전화, 휴대 미디어 플레이어(PMP), 디지털 스틸 카메라(DSC), MP3/4 플레이어, 휴대 내비게이션 기기(PND) 등의 배터리 사용 애플리케이션에 거의 독점적으로 이용되고 있다. 고급형 멀티미디어 휴대전화에서 볼 수 있는 것과 같이 갈수록 늘어나는 휴대기기 애플리케이션 기능 셋에 의해 증가된 용량이 요구되며 성숙한 리튬이온 기술이 이러한 용량 증가를 가능하도록 하고 있다.

중간급 및 고급형 멀티미디어 휴대전화, PMP 플레이어, DSC는 대체적으로 1~1.2Ah 용량의 배터리를 이용하는 반면에 서브 노트북/태블릿 PC는 1.5~2Ah 배터리를 이용한다. 이에 따라서 리니어 테크놀로지의 고유의 열 안정화를 이용한 리니어 배터리 충전기 제품군은 충전기 IC가 기기 내부에 상주할 때 고전류 리니어 레귤레이터에 관련된 열 문제들을 성공적으로 관리하고 있다. 배터리 용량이 증가하고 고속 충전 시간에 대한 요구가 계속됨으로써 적합한 PCB 온도를 유지하기 위해 선형 열 안정화가 갈수록 더 중요해질 것이다. 뿐만 아니라 배터리 충전 전류가 1A 이상이어야 하는 경우에 LTC는 95퍼센트에 근접하는 효율의 모노리딕 싱크로너스 스위칭 배터리 충전기를 제공하므로 열 디자인 제약을 최소화할 수 있다.

싱크로너스 스텝다운 컨버터는 변환 효율이 향상됨으로써 기존의 리니어 레귤레이터에 비해서 배터리 사용 시간을 현저히 증가시킨다. 이들 컨버터는 90퍼센트에서 95퍼센트에 달하는 효율을 달성하며 히트 싱크를 거의 필요로 하지 않는다. 하지만 이러한 효율 향상의 대가로서 각각의 채널을 위해 인덕터를 위한 추가적인 회로 보드 공간을 필요로 하므로 총 솔루션 풋프린트를 최소화하는 것이 중요하다. 다중의 채널을 하나의 싱크로너스 스텝다운 솔루션으로 결합해서 이들 모두가 단일 입력 커패시터로 작동함으로써 솔루션 풋프린트를 최소화할 수 있다. 리니어 테크놀로지는 이러한 극히 소형의 고효율 솔루션을 제공하기 위해 다중출력 싱크로너스 벅 레귤레이터 제품군을 내놓았다. 예를 들어 단일 셀 리튬이온을 이용하는 애플리케이션으로서(VBATT은 4.2V에서 시작해서 2.7V까지 감소) DSP 코어와 I/O 및 메모리 전력을 위해서 1.2V, 1.5V, 1.8V, 0.8V 레일을 필요로 한다고 하자. LTC3544는 단일 3mm x 3mm QFN으로 단일 입력 커패시터를 이용해서 이러한 모든 전압 요구를 수용할 수 있으므로 4개 단일 출력 싱크로너스 벅에 필요한 것과 비교해 1/3 미만의 솔루션 풋프린트를 가능하게 한다.

리니어 테크놀로지는 갈수록 전력 레일 수가 늘어나는 휴대기기 애플리케이션의 요구를 충족하기 위해서 싱크로너스 벅 레귤레이터 제품군을 계속해서 추가하고 있다. LTC3544는 이 제품군의 가장 최신 디바이스로서 단일 입력으로 300mA, 2 x 200mA, 100mA 출력을 제공하는 극히 소형의 쿼드 출력 벅 솔루션을 제공하는 한편, 모든 4개 레귤레이터가 동일한 클록 주파수로 동기화하므로 잠재적인 잡음 간섭 문제를 제거한다.

시스템 디자이너들이 해결해야 할 또 다른 중요한 과제는 기기가 저전력 또는 대기 모드일 때의 전력 소비이다. 이 상태에서도 배터리로부터 전류가 소비되기 때문이다. 이에 따라 리니어 테크놀로지는 1990년대 중반부터 고효율 변환과 낮은 정지 전류를 결합한 전력 관리 IC를 생산하고 있다. 리니어 테크놀로지는 자사의 다수의 전력 관리 IC에 고유의 Burst Mode 기술을 채택하고 있다. 이 기법은 대기 모드일 때 IC 자체에 필요한 전류를 최소화한다. 많은 경우에 이 대기 정지 전류가 최저 16μA이다. 정지 전류가 낮은 제품들로서 LTC3548, LTC3410, LTC3801을 포함한다.

통합적인 솔루션

실제로 대다수의 배터리 사용 휴대기기 제품은 배터리 충전, 전력 경로 제어, 다중 전원 전압 제공, 트루 출력 차단이나 정확한 USB 전류 제한 같은 보호 기능에 대한 요구를 충족하기 위해서 특정 용도 IC(ASIC 또는 PMIC)를 이용해 왔다. 이 방법을 채택하는 이유는 모든 전력 관리 요구를 충족하는 단일 디바이스를 얻을 수 있기 때문이다.

하지만 이 방법은 단점 또한 포함한다. 무엇보다도 ASIC은 특정한 웨이퍼 제조 프로세스로 제조되므로 이들 각각의 기능에 대해 성능을 극대화하기가 어렵다. 둘째, 그리고 오늘날과 같이 촉박하고 역동적인 설계 사이클의 시기에는 더욱 더 중요한 요소로서, ASIC의 정의 및 개발과 관련해서 리드타임이 길다는 것이다. 전력 관리 ASIC은 컨셉 단계에서부터 생산에 이르기까지 2년 이상이 걸리는 것이 일반적이다. 이 기간 동안에 특정 제품의 설계 요구가 세 번도 더 바뀔 수 있다.

리니어 테크놀로지는 이와는 다른 방법을 채택해서 배터리 사용 휴대기기의 모든 어려운 작업들을 수행하도록 의미 있는 통합을 이룬 새로운 IC 제품군을 개발했다. 대부분의 배터리 사용 휴대기기 제품은 AC 어댑터, 범용 직렬 버스(USB) 케이블, 리튬이온/폴리머 배터리로 구동되기 때문이다. 하지만 이들 전력 소스 사이의 전력 경로 제어를 관리하는 것이 중대한 기술적 과제이다. 최근까지만 해도 디자이너들은 다수의 MOSFET, 연산 증폭기 등을 이용해 이 기능을 디스크리트로 수행하려고 했으나 중대한 시스템 문제를 야기할 수 있는 핫 플러그나 대형 쇄도 전류 같은 문제들에 직면했다.

그림 1. LTC3555의 개략적인 블록 다이어그램과 배선도

대다수의 배터리 사용 휴대기기 제품에는 단일 웨이퍼 제조 프로세스로 IC를 제조하는 것에 관련된 어떠한 성능 저하를 일으키지 않으면서 의미 있는 통합의 PMIC를 이용할 수 있도록 하는 공통적인 기능들이 존재한다. 리니어 테크놀로지는 이 제품군의 차세대 제품으로서 최근에 LTC3555를 내놓았다. 이 제품은 이들 애플리케이션을 위해서 새로운 수준의 성능과 기능성을 제공한다.(개략적인 블록 다이어그램과 배선도에 관해서는 그림 1참조).

LTC3555는 4mm x 5mm QFN 패키지로 AC 어댑터, USB 케이블, 리튬이온 배터리 사이의 전력 흐름을 매끄럽게 관리하며 USB 전력 규격을 충족한다. 뿐만 아니라 최고 1.2A의 충전 전류를 제공할 수 있는 전기능 리튬이온/폴리머 배터리 충전기와 대다수의 USB 주변장치가 필요로 하는 저전압 레일을 발생시키는 3개의 고효율 싱크로너스 벅 컨버터를 제공한다. 또한 LTC3555는 실시간 클록(RTC) 및 저전력 로직 회로를 구동하기 위해 always-on 25mA 낮은 드롭아웃 리니어 레귤레이터를 제공한다. 전체 제품을 단순 I2C 인터페이스나 단순 I/O를 통해서 제어할 수 있다. 뿐만 아니라 대기 모드일 때 정지 전류는 50μA 미만이다. 스위칭 PowerPath 기능의 또 다른 이점으로서 충전 시간을 단축하고, 열 발생을 줄이고, USB 포트로부터 전력을 극대화한다.

에너지 절약의 가속화

배터리 사용 휴대기기 제품에 있어서도 에너지 절약이 전세계적으로 가속화되고 있다. 많은 전력 관리 및 변환 IC 업체들이 이러한 요구를 충족하기 위해 애쓰고 있으며 자사 제품에 높은 디케이드의 부하 전류에 걸쳐서 고효율 변환을 가능하게 하는 새로운 설계 기법들을 채택하고 있다. 이와 함께 또한 IC가 대기 모드 또는 셧다운 모드일 때 정지 전류를 낮추기 위해 애쓰고 있다.

이러한 노력에 의해서 휴대기기 시스템 디자이너들은 재충전 사이클 사이에 배터리 작동 시간을 최적화하고 그러므로 전력 격자로부터 덜 빈번하게 더 적은 전력을 사용할 수 있을 것이다. 그러므로 우리 모두를 위해서 환경 보호에 일조할 수 있을 것이다.