소비자는 더 작고, 더 가볍고, 더 풍부한 기능의 휴대용 전자장치에 대한 지칠 줄 모르는 욕구를 갖고 있다. 이러한 욕구는 소비자 가전 회사들의 "더 작고" "더 저렴하고" "더 효율적이며" "더 단순하고" "더 간편한" 제품을 만들려는 욕구로 이어진다.
모바일 애플리케이션에서 파워 매니지먼트 반도체 동향 - 최신 부하 스위치
글│Stephen Stella, 모바일 전력 솔루션, 페어차일드반도체
소비자는 더 작고, 더 가볍고, 더 풍부한 기능의 휴대용 전자장치에 대한 지칠 줄 모르는 욕구를 갖고 있다. 이러한 욕구는 소비자 가전 회사들의 "더 작고" "더 저렴하고" "더 효율적이며" "더 단순하고" "더 간편한" 제품을 만들려는 욕구로 이어진다. 대답은 특별히 새롭지 않다. 모두 통합과 관련된다. 바로 통합이 게임의 이름이며, 휴대용 전자 설계의 구석구석까지 이 통합 게임을 볼 수 있다. 이러한 통합화 경향은 간단한 MOSFET 스위치로부터 최근의 첨단 부하 스위치에 이르기까지 최신 파워 매니지먼트 IC에서 진행되고 있다.
설계 간소화
근본적인 장점은 새로운 개념은 아니지만 분명하다. 즉 "설계 간소화"이다. 전력 IC에서 이러한 통합화 경향은 패키지 수 감소, 최적화된 전력 소비, 향상된 시스템 견고성, 설계 노력과 비용 절감 등을 포함하여 다양한 장점을 가져다준다. 이러한 모든 장점들은 서로 연결되고 결합되어 새로운 장점으로 발전한다. 예를 들어, "패키지 솔루션"은 기능을 추가함으로써 부품 수를 감소시킬 수 있고 시스템 견고성을 향상시킨다. 이러한 단일 칩 솔루션은 PCB 공간을 절감하고, 시스템 보호를 위해 예약된 애플리케이션 프로세서 부하를 없애주고, 몇 주에 걸치는 설계 조정과 디버깅에 소요되는 설계 엔지니어링 자원의 필요를 경감시켜준다. 이렇게 결합된 장점으로 엔지니어는 그들의 제품에 새로운 기능을 통합할 수 있으며 프로세서 부하, PCB 공간 및 BOM 비용을 절감할 수 있다. 이러한 장점은 최종 고객을 만족시킬 뿐 아니라, 패키지 솔루션은 시스템 허용도와 견고성을 향상시킨다.
최신 제품들은 기본 기능을 향상시키는 외에도 동작 전압과 온 상태 스위치 저항 감소를 포함하여 애플리케이션 프로세서에 정보를 피드백하는 경향이 증가하고 있다. 신제품들은 오류 정보 와 진단 정보를 제공하며, 이렇게 제공된 정보는 최종 애플리케이션의 성능을 향상시키고 안전과 성능 문제에 애플리케이션 컨트롤러가 보다 적절히 반응하도록 한다.
부하 스위치 통합의 진화
태초에.. 단순한 형태의 전력 MOSFET 스위치가 있었다. 소스인 배터리를 애플리케이션 부하 회로에서 분리할 수 있는 가장 기본적인 보호 기능을 제공하였다. 이 방법의 문제는 전력 제한으로 인해 애플리케이션 프로세서가 전력 스위치 게이트를 직접 구동할 수 없다는 점이었다. 이에 따라, 개별 솔루션으로 개별 드라이버 회로를 추가해야 했는데, 이 방법은 BOM 수량을 증가시켜 더 많은 PCB 공간을 요구하고, 비용과 전반적인 설계 시간을 증가시키는 명백한 단점을 가졌다(그림 1).
그림 1. Load Switch Evolution
지난 수년 간 디바이스 제조업체들은 개별 솔루션 방식의 약점을 보완하기 위해 전력 스위치 패키지 내에 탑재한 게이트 드라이브 회로를 선보였다. 예상대로, PCB 공간을 이용하여 모든 형태의 추가적인 기능이 통합되었다. 그러나 이렇게 추가된 기능은 부하 증가라는 문제가 뒤따른다. 이제, 소자에 전원을 인가할 때 애플리케이션 설계 엔지니어는 부하와 소스에서 각각 과도 과전류 스파이크와 전압 새그라는 서로 관련된 새로운 두 가지 문제에 직면해야 했다. 따라서 새로운 문제는 소스를 부하로부터 분리해야 하는 문제뿐 아니라 부품 손상을 방지하고 서비스 중단을 없애기 위해 간단한 형태의 조정 기능을 필요로 했다.
개별 솔루션에 이어 디바이스 제조업체들은 부하 스위치에 슬루율 기능을 통합함으로써 다시 새로운 과제에 대응해야 했다. 이러한 기능이 추가되면서 회로 보호 기능을 구현해야 할 필요가 명백해졌다. ??단순한?? 스위치로부터 ??보호의 최전선??으로 인식이 전환되었다. 스위치는 부하에 단순히 배터리를 인터페이스해야 할 뿐 아니라, 배터리로부터 회로 다운에 이르기까지 모든 것으로부터 애플리케이션 부하 회로를 보호하는 방어의 최전선이 되어야 한다.
어떠한 기능을 통합할 것인가?
부하 스위치의 가장 중요한 기능은 애플리케이션 보호를 제공하는 것이다. 부하 스위치는 애플리케이션 부하 회로를 보호하고, 소스를 보호해야 하며, 배터리로부터 USB로 연결하는 액세서리에 이르는 모든 것이 되어야 하는 동시에 스위치 자체를 보호해야 한다. 이러한 요구에 바탕을 둘 때 추가적인 기능을 통합하는 가치는 정당화된다(그림 2).
그림 2.
자체 보호 기능
이들 세 가지 중 세 번째, 스위치 자체를 보호해야 하는 문제부터 살펴보기로 하자. 모바일 솔루션의 "성능 대 크기" 가치 평가에서, 성능은 특징이지만 크기는 요구사항이다. 보통 장치의 열 성능은 모바일 솔루션 공간에서 차별화 요소였다. 통합화가 계속되면서 솔루션 크기를 줄여야 하는 끊임없는 압력으로 열 성능이 장치 설계의 최전선에 등장했다. 전체 패키지 크기에서 시스템 솔루션의 소형화가 지속됨에 따라 열 발생으로부터 보호해야 하는 명백한 요구가 존재한다. 적용할 수 있는 설계 전략은 두 가지가 있다.
첫째는 제품을 어디에나 견딜 수 있도록 안정적이게 만들고 최종 애플리케이션이 노출되는 모든 조건을 견딜 수 있도록 만드는 것이다. 이 전략의 단점은 정의상 부품이 과설계된다. 원 칩 솔루션이란 달리 말하면 어떤 애플리케이션에도 적합하지 않은 솔루션이다. 이 방법은 비효율적이고 낭비가 크며 솔루션 크기를 줄여야 하는 끊임없는 압력과 싸워야 한다.
두 번째 전략은 보호 기능을 통합하여 설계 요구사항을 만족하고 열 문제를 해결하는 방법이다. 더 복잡하긴 하지만 이 방법은 성능/크기와 보호 간에 균형을 제공한다. 이러한 열 셧다운 기능은 게이트를 제어하고, 과열 임계값을 초과하는 온도로부터 장치를 보호할 수 있도록 스위치를 끌 수 있다. 임계값 미만으로 떨어지면, 장치는 재시작할 수 있다. 이러한 보호 기능이 추가됨으로써 애플리케이션 설계 엔지니어들은 특정 애플리케이션에서 부하 스위치 평가를 간소화할 수 있어 요구사항을 측정 가능한 기능 세트로 줄이고, 장치를 과설계해야 하는 필요를 줄일 수 있다.
소스 보호 기능
부하 스위치는 USB 또는 메모리 카드를 위한 인터페이스 보호, 배터리 또는 보조 전력 인터페이스에 애플리케이션 부하를 연결하는 것을 포함하여 다양한 애플리케이션에 이용할 수 있다. 이러한 다양한 종류의 애플리케이션에서 핵심적인 문제는 예기치 않은 전압과 전류로부터 보호하는 것이다. 돌입 전류를 제어하고 전류 스파이크를 최소화하며 버스 전압 새그를 수행하는 슬루율 기능은 앞에서 설명했지만, 이제 어떠한 방식으로 저전압 동작으로부터 애플리케이션을 보호할 것인가라는 문제가 있다. 최근의 향상된 부하 스위치는 전압이 너무 낮을 경우 인터페이스를 분리하는데 사용할 수 있는 "저전압 차단기능"을 제공한다. 저전압 차단기능(UVLO)은 입력 전압이 차단 임계값 미만으로 떨어지면 스위치가 꺼지는 단순한 기능을 갖는다.
다른 한편으로 또 하나의 중요한 보호 문제는 예상치 않은 전류 흐름을 처리하는 문제이다. 단순한 스위치는 전류가 흐르는 방향에 대해서는 거의 주의를 기울이지 않지만, 모바일 플랫폼에 점점 더 다양한 액세서리가 연결됨에 따라, 예기치 않고 제어되지 않은 전류가 잘못된 방향으로 흘러 부품에 물리적 손상을 줄 수 있는 상황에서 보호 기능의 제공은 필수적이다. 이러한 경우를 위해 새로운 부하 스위치들은 출력에서 역류하는 전류로루터 입력 소스를 보호하는 "역 전류 차단" 기능을 통합하는 경향이 증가하고 있다. 기능적으로 이것은 전력 경로에 다이오드를 배치하는 것과 유사하지만, 전기 효율 패널티를 제거한다. 이는 표준 USB 전력 설계에서 중요할 수 있으며, 역 전류 흐름 상황으로부터 USB 호스트를 보호할 수 있다.
시스템 보호 기능
모바일 솔루션 애플리케이션의 수렴은 계속적으로 증가하고 있으며, 수렴이 미치는 영향은 전원 회로에 그치지 않는다. 사용자가 호환되지 않은 액세서리를 연결하면 어떻게 되는가? 설계 엔지니어는 수많은 잠재적 위험으로부터 어떻게 시스템을 보호할 수 있는가? 전류의 방향은 앞에서 설명한 역 전류 차단 기능으로 해결할 수 있지만 잠재적 위험이 남는다. 이것은 간단한 과전류 상태이다. 최신 부하 스위치는 부하 스위치 자체에 아날로그 컨트롤러를 추가하고, 또 전류를 설정값으로 제한하는 과전류 보호(OCP) 기능을 통합함으로써 이 문제를 해결한다. 이렇게 하면 문제가 발생하고 보호 회로가 더 빠르게 동작할 수 있는 소스 연결에서부터 보호를 제공함으로써 과전류 스파이크로 인한 부품 손상을 방지할 수 있어 시스템 설계의 견고성을 향상시킨다. 이 솔루션은 또한 하드웨어 및 소프트웨어 설계 시간을 단축시키고 애플리케이션 프로세서 부하를 감소시킨다.
과전류 보호 기능과 함께 오류 및 복구 방법에 유연성을 부여하기 위해 보통 두 가지 추가적인 기능이 제공된다. 과전류 오류의 원인과 원하는 반응에 따라, 오류가 검출될 때 즉시 고장신호를 내고 연결을 분리할 필요가 있을 수 있다. 이것은 최고 수준의 보호를 제공하지만, 또한 서비스 중단이 초래된다. 첫 번째 기능으로 셧다운 전에 지연되는 시간의 양을 정의하는 블랭킹 시간(Blanking Time)이 있다. 이 기능을 사용하면 셧다운 전에 전류 제한 오류 상태를 무시함으로써 시스템의 오류 허용한도를 향상시킬 수 있다. 또한 서비스를 중단하지 않으면서 오류가 스스로 교정하고 복구하도록 할 수 있다. 마지막으로, 오류 차단이나 셧다운 명령을 발생시키지 않고 전류 제한 모드를 무한히 유지하는 것이 가장 바람직할 수 있다.
오류가 발생하면 설계 엔지니어는 복구 방법을 설정하는 두 가지 옵션을 가지고 있다. 자동 재시작 기능은 설정된 시간이 지나면 재초기화를 시도하고 스위치를 닫는다. 이 기능은 스위치를 개방하도록 하여 최대 보호를 제공하지만, 재시작 시도에 사용자 개입을 요구하지 않으므로 시스템 인터럽트를 최소화한다. 자동 재시작 기능이 없는 경우에는 시스템 전원을 껐다가 다시 켬으로써 오류를 제거할 필요가 있을 수 있다.
부하 스위치는 단순한 스위치로부터 오랜 과정을 거쳐 이제 핵심적인 기능을 제공하고 소비자 가전 설계에 많은 향상을 구현하고 있다. 또한 통합의 특성으로 추가적인 보호 기능을 제공할 수 있는데, 단지 기능 제공에서 그치지 않고 애플리케이션 프로세서에 정보를 피드백하는 경향을 볼 수 있다. 아래에서 이를 좀 더 자세히 설명하기로 한다.
다음 기능의 진화 -> 정보 제공
지금까지 우리는 단순한 스위치로부터 점점 더 복잡한 수준까지 기능을 통합하는 부하 스위치의 발전을 살펴보았다. 다음 경향은 정보를 제공하는 단계로 나아가고 있다. 부하 스위치는 애플리케이션 컨트롤러에게 "왜" 어떤 일이 발생했는지 말해줄 수는 없지만, 어디에서 문제가 발생할 때 그 ??어디에서??를 제공해 줄 수 있다(그림 3).
그림 3.
초기 단계에서도 오늘날의 부하 스위치는 결정을 향상시키는 데 사용할 수 있는 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 부하 스위치가 애플리케이션 프로세서에 과전류 오류로 인해 셧다운되었다는 정보를 알려주면, 애플리케이션 컨트롤러는 이 부하 스위치가 USB 포트에 연결되어 있다는 것을 알 수 있으며, 애플리케이션 프로세서는 호환되지 않은 디바이스가 연결되었다는 것을 추정할 수 있다. 이러한 정보를 알기 때문에 컨트롤러는 보다 원활하게 대체 알고리즘을 구현하거나 사용자에게 간섭을 요청할 수 있다.
결론
이 글에서는 부하 스위치 발달의 기본 역사와 제공되는 최신 기능들을 살펴보았다. 중요하지만 여기에서 다루지 않은 내용은 실리콘 및 첨단 패키징 개발을 포함하여 이러한 경향과 기능 수준을 구현하는 핵심 기반인 지원 기술을 인식하는 것이다. 분명한 점은 어느 경우에서나 수많은 새로운 소비자 가전제품과 액세서리 속에서 부하 스위치는 회로 보호의 핵심적인 기능을 담당한다는 것이다.