전세계는 지금 자원을 절감하고 환경 피해를 최소화하기 위해 에너지 소비를 줄이는 데 전력을 기울이고 있다. 우리는 석유와 가스, 석탄에 대한 의존을 줄이기 위해, 깨끗한 천연 자원에서 얻을 수 있는 대체 에너지 자원을 반드시 찾아 환경에 미치는 피해를 줄여야 한다.

어느 곳에서나 구현 가능한 녹색 전력

글│Tony Armstrong, 전력 제품 그룹 제품 마케팅 매니저, Linear Technology

전세계는 지금 자원을 절감하고 환경 피해를 최소화하기 위해 에너지 소비를 줄이는 데 전력을 기울이고 있다. 우리는 석유와 가스, 석탄에 대한 의존을 줄이기 위해, 깨끗한 천연 자원에서 얻을 수 있는 대체 에너지 자원을 반드시 찾아 환경에 미치는 피해를 줄여야 한다. 태양광과 열 출력을 이용한다는 것은 태양열 집열판을 사용하여 태양 에너지를 전기로 변환한다는 것을 의미한다. 이와 유사하게 풍차는 바람에서 에너지를 발생시켜 이를 전기로 변환하며 수력전기 시스템은 물의 흐름을 전환시켜 이를 전기로 변환한다.

이러한 다양한 분야에서의 노력은 아직 초보 단계이지만 시스템 설계자가 에너지 소비를 줄이는 데 즉각적인 영향을 미칠 수 있는 전기를 절감할 수 있는 많은 애플리케이션이 존재한다. 대부분의 산업 국가들은 에너지 절감의 필요성을 인식하고 있다. 이것은 주로 인구가 증가함에 따라 새로운 가정에서 냉/난방 시스템이나 조명 및 전기 기구에 전력을 공급해야 하는 에너지 수요가 증가하기 때문이다.

새로운 발전 시설을 세우고 발전된 전력을 사용자에게 공급하는 데에는 많은 비용이 든다. 새로운 발전 시설을 건설하는 것보다 전기 기구의 현재 에너지 소비를 15%~20% 절감하는 것이 더 경제적인 것으로 나타났다.

많은 국가들은 새로운 발전 시설을 건설하는 데 드는 높은 비용으로 인해 제조업체에게 최종 제품에 에너지 절감 기술을 통합하도록 장려하는 ‘녹색 정책’을 추진하고 있다. 이에 따라 많은 전력 관리 IC 공급업체들은 제품의 전력 변환 효율과 대기 시 전력 소비를 향상시키는 등 많은 발전을 이루었다. 분명한 것은 전력 관리 IC가 에너지 절감 DC/DC 컨버터의 일부로 사용되기 위해서는 다음 두 가지 주요 특성을 가져야 한다. 첫째 넓은 범위의 부하 전류에서 매우 높은 변환 효율을 가져야 하며, 둘째 대기 모드와 셧다운 모드에서 모두 낮은 무부하 전류를 가져야 한다는 점이다.

녹색 전력 정책

녹색 전력 정책이 적지 않은 즉각적인 영향을 미칠 수 있는 예로 ‘서버 팜’을 살펴보자. 분명히 공간과 쿨링은 이러한 특정 유형의 고 전력 시스템에서 중요한 요소이다. 따라서 모든 POL 컨버터는 크기가 작고 효율적이어야 하며 최근 떠오르는 이러한 친환경 표준을 만족할 수 있도록 낮은 무부하 전류를 가져야 한다는 점이 매우 중요하다.

이 밖에도 많은 마이크로프로세서와 디지털 신호 처리장치(DSP)는 시동 시 시퀀싱해야 하는 코어 전원과 입/출력 (I/O) 전원을 필요로 한다. 제조업체의 규격을 만족할 수 있도록 설계자는 파워 업/다운 시 코어 및 I/O 전압 전원의 상대 전압과 타이밍을 고려해야 한다. 적절한 전원 시퀀싱이 없는 경우 래치 업 또는 과도한 전류 소비가 발생하여 마이크로프로세서의 I/O 포트나 메모리, PLD, FPGA, 데이터 컨버터와 같은 지원 디바이스의 I/O 포트에 손상을 줄 수 있다.

고성능, 고전력 전원 설계가 더욱 많은 전력을 요구함에 따라 활용 가능한 보드 공간 또한 동시에 제약을 받는다. 게다가 전력 밀도는 전원 설계자에게 경험의 유무와 관계없이 중요한 새로운 문제를 안겨 준다. 일반적으로 소비전력 양과 전원의 온도 상승을 제한하려면 이러한 설계는 90% 이상의 변환 효율을 가져야 한다.

DC/DC 전력 변환 손실과 제한된 공기 흐름의 양으로 인해 열을 방출할 수 있는 공간이 매우 적기 때문에 설계의 열 성능은 특히 중요하다. 또한 이러한 전원은 우수한 출력 리플과 과도 응답을 가져야 할 뿐 아니라 전원 설계의 전체 크기를 줄이기 위해 필요한 외부 커패시턴스의 크기를 제한할 필요가 있다.

그럼에도 불구하고 시스템 설계자에게 공통적인 까다로운 문제는 한번에 48V에서 1.xV로 변환할 것인가 아니면 2단 변환을 사용하여 48V에서 12V의 중간 버스 아키텍처(IBA)를 거쳐 POL 컨버터를 이용하여 12V에서 1.xV로 변환할 것인가를 결정하는 일이다. 이 문제에 대한 대답은 많은 조건에 영향을 받기 때문에 결정하기 어렵다. 더욱이 이러한 요소들은 시스템 유형, 배치, 사용되는 설계 방법 및 수많은 다른 요소에 의해 달라진다.

전력 IC와 전력 반도체의 향상

어느 아키텍처를 사용하거나 전압은 낮아지는 추세이지만 높은 전류에 대한 요구가 증가하면서 이와 같은 고전력 시스템이 갈수록 발전하고 있다. 이러한 분야에서 발전의 많은 부분은 전력 변환 기술에서 달성된 이득으로 인한 것으로 특히 전력 IC와 전력 반도체의 향상에 기인한다.

일반적으로 이러한 부품은 전력 변환 효율에 미치는 영향은 최소화하면서 스위칭 주파수를 증가시키는 것이 가능해 전원 성능을 향상시키는데 기여한다. 이것은 스위칭 및 동작시 손실을 감소시키는 동시에 효율적으로 열을 제거함으로써 가능해진 것이다.

그러나 이러한 저출력 전압으로의 변화는 이러한 요소들을 더욱더 요구 하게 되므로 써 만만치 않은 설계 과제를 안겨주고 있다. 디스크리트 전원 설계와 전통적인 전원 모듈은 크기에 따라 전기적 및 열적 성능이 제한된 디스크리트 부품들을 PCB 위에 올려 제조된다.

그러나 핵심은 초보자도 쉽게 사용할 수 있는 초소형 솔루션을 제공하면서 전기적 및 열적 성능을 모두 향상시키는 완전 통합 회로 솔루션을 제공하는 데 있다. Linear Technology의 성장하고 있는 LTM460x ‘uModule’ 제품 라인은 공간이 제한된 많은 전원 설계에 이러한 솔루션을 제공한다. 이러한 고성능 POL

μModule 레귤레이터는 열 또는 전기적 성능을 희생시키지 않으면서 초소형 풋프린트 문제를 해결할 수 있다. 초소형 POL 레귤레이터 설계 과제와 관련하여 모듈 기반 솔루션을 디스크리트 전원 컨버터와 전통적 전원 모듈과 비교할 수 있다.

고전력 POL 레귤레이터

고전력 POL 레귤레이터는 공간 제약형 전원 설계를 보여주는 좋은 예이다. 일반적으로 이러한 유형의 전원은 대형 시스템 보드 상에 마이크로프로세서, FPGA 또는 ASIC에 매우 가까이 배치되어 이들 디바이스에 필요한 모든 전력을 공급한다.

대형 디지털 디바이스는 종종 수 암페어에서 100암페어 이상의 전류를 필요로 한다. 대형 시스템 보드는 보통 이러한 POL 전원을 여러 개 필요로 하므로 이들 전원 설계의 각각에 할당되는 공간의 크기는 까다로운 문제가 된다.

또한 시스템 보드의 뒷면은 종종 높이가 제한되므로 통상 전원 설계에는 적합하지 않다. 디스크리트 전원 컨버터는 일반적으로 초소형 설계를 위해 시스템 보드의 양면을 사용하지만 전통적인 전원 모듈 설계는 적지 않은 높이로 인해 시스템 보드의 상단에만 놓여야 하는 제한이 따른다.

전통적인 전원 모듈 설계는 보통 다른 집적 회로에 필요한 공기 흐름을 차단하지 않도록 전략적으로 시스템 보드에 배치된다. 이는 종종 부하와 전원 레귤레이터가 같은 공간에 놓여서 간섭하게 되므로 성능을 저하가 일어나게 된다.

또한 Linear Technology는 녹색 전력 시스템을 겨냥한 제품에서 다양한 장점으로 성능 향상을 제공한다. 예를 들어 Linear Technology는 동기식 포워드 컨버터를 위한 다상 2차측 컨트롤러인 LTC3706과 같은 버스 컨버터 애플리케이션에 적합한 IC를 출시했다. Linear Technology의 LTC3705 게이트 드라이버와 1차측 컨트롤러와 함께 사용할 때 이러한 결합은 다상 동작의 전력과 2차측 제어의 속도를 통합한 완벽한 개별적인 전원을 탄생시킨다.

LTC3706은 고효율 2차측 포워드 컨버터의 설계를 간소화한다. LTC3705와 LTC3706은 견고한 자동 시동 컨버터를 구성하므로 2차측 제어 애플리케이션에 통상 사용되는 별도의 바이어스 레귤레이터가 필요 없다.

이 밖에도 고유의 구조는 단일의 초소형 펄스 트랜스포머를 통해 절연벽을 거쳐 게이트 구동 신호와 dc 바이어스 전원을 다중화한다.
POL DC/DC 변환에서 또 다른 주목할 만한 IC는 LTC3736-1로, 이 디바이스는 외부 상위 전력 MOSFET을 구동하는 트래킹 기능이 있는 2상, 듀얼 동기식 스텝 다운 스위칭 컨트롤러이다.

LTC3736-1은 MOSFET VDS 감지 기능과 함께 정주파수, 전류 모드 아키텍처를 사용하므로 전류 감지 저항이 필요 없어 비용을 절감하고 효율을 향상시킨다. 또 2개의 컨트롤러가 위상차 동작을 수행하기 때문에 입력 커패시터의 ESR로 인한 전력 손실과 잡음을 최소화한다.

LTC3736-1의 고유한 스프레드 스펙트럼 기능은 450kHz~580kHz 사이에서 스위칭 주파수를 무작위로 변화시키므로 입력과 출력 전원에서 모두 피크 방사 및 전도 잡음을 크게 감소시킨다. 이에 따라 국제 EMI 표준 준수가 용이하다. 펄스 스키핑 동작은 낮은 부하에서 효율을 향상시키고 100% 듀티 사이클 성능은 저전압강하 동작을 제공한다.

결론

고전력 시스템을 위한 POL DC/DC 컨버터 설계자는 향상된 시스템 신뢰성을 위해 정확한 전원 트래킹을 필요로 할 뿐 아니라 주어진 인클로저 내에서 제한된 공간과 쿨링의 여러 제약으로 인해 많은 문제에 봉착하게 된다.

마지막으로, 제품 설계 사이클이 시장에서 그 어느 때보다 빨라진다. 이에 LTM460x 마이크로모듈 제품군의 용이성은 시장 진출 일정을 앞당기고 설계를 위한 최소한의 지식 수준으로도 설계가 가능하게 한다. 전기 시스템의 에너지 절감이 전세계적으로 활발히 전개되고 있다.

전력 발전과 소비의 관점에서 비용 절감은 전세계 사회가 무시할 수 없는 당면 과제이다. 이러한 과제에 부응하기 위해 많은 전력 관리 IC 공급업체들은 그들의 제품에 수십 암페어의 부하 전류에 걸쳐 높은 효율 변환을 구현하기 위해 새로운 설계 기술을 통합하고 있다.

이와 동시에 IC를 대기 또는 셧다운 모드에 놓을 때 보다 낮은 무부하 전류도 제공하고 있다. 그러나 이와 더불어 사회를 위한 이러한 모든 노력에는 보이지 않는 혜택이 존재한다. 전기 시스템에서 소비하는 전력 양을 줄임으로써 추가적인 발전 시설의 수요가 줄어든다는 점이다.

이것은 발전 시설을 건설하는 데 더 적은 토지를 필요로 하며 전력을 공급하는 데 더 적은 연료를 필요로 한다는 점 외에도 더 적은 물질이 환경에 방출되므로 오염을 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 우리는 다음 세대를 위해 지구를 보다 나은 곳으로 만드는 일에 공동으로 참여하고 있는 것이다.