다중 전압 레일의 시스템제어와 감시 기능 통합한 컨버터 - Technology

다중 전압 레일 시스템에는
제어와 감시 기능을 통합한 컨버터 필요

‘디지털 전원 시스템 관리(Digital Power System Management: DPSM)’을 이용함으로써 시스템이 전압 레귤레이터의 성능을 모니터링하고 이의 건전성에 대해서 보고하도록 할 수 있으며, 그럼으로써 지정된 범위를 벗어나거나 심각하게는 결함을 일으키기에 앞서서 교정적인 조치를 취할 수 있다.
글/Bruce Haug , Senior Product Marketing Engineer, Power Products
Linear Technology

시스템이 갈수록 더 복잡해지고 디지털 장치의 비중이 높아짐에 따라서 시스템 내의 전압 레일 수가 계속해서 늘어나고 있다. 이에 따라서 이들 레일을 모니터링하고 제어하기 위한 메커니즘이 반드시 필요하게 되었다. POL(point-of-load) 전압 레일 수가 많게는 50개에 달하기도 하므로 이러한 많은 수의 레일들에 대해서 시스템 디자이너가 편리하게 전원 전압을 모니터링하고 조절하고, 상향 및 하향 방향으로 시퀀싱하고, 동작 전압 한계를 설정하고, 전압/전류/온도 등과 같은 파라미터를 리딩하고, 상세한 결함 기록에 접근할 수 있어야 한다.

레일 수가 다수인 시스템을 제어하기 위해서 널리 이용되고 있는 방법은 디지털 통신 버스를 이용하는 것이다. 이를 흔히‘디지털 전원(Digital Power)’또는‘디지털 전원 시스템 관리(Digital Power System Management: DPSM)’라고 하며, 이를 통해서 디자이너들이 수십 개의 레일을 제어하고, 모니터링하고, 감시할 수 있다. 전원장치 파라미터를 디지털적으로 변경할 수 있으므로 전통적으로 해왔듯이 하드웨어, 회로, 시스템 BOM(bill-ofmaterials)을 물리적으로 변경해야 할 필요가 없으므로 제품 출시시간을 앞당기고 가동 중단 시간을 줄일 수 있다.

근래에 등장하고 있는 DPSM 제품들은 공개 표준 I2C기반 디지털 인터페이스 프로토콜인 PMBus 등과 같은 2와이어 인터페이스를 통해서 구성과 모니터링이 가능하게되어 있다. 그러므로 DPSM 제품을 기존의 임베디드 시스템 및 아키텍처, 보드 탑재 컨트롤러, 지능적 플랫폼 관리 인터페이스 기능으로 매끄럽게 통합할 수 있는 수단을 제공한다. 특히 하드웨어를 개발하거나 테스트하는 조기 단계에서 작업을 간소화하고 사용자의 편의성을 높이고자, PC 상에서 실행되는 GUI(Graphical User Interface)와 동글(dongle)이라고 하는 USB-대-PMBus 통신 컨버터툴을 통해서 DPSM 디바이스와 상호작용하는 것이 일반화되었다.

오늘날 첨단 전자 시스템에서 마지막 사각지대로 남아 있는 것 중의 하나가 전원장치의 상태에 대한 것이다.

전원장치는 통상적으로 주요 동작 파라미터를 직접적으로 구성하거나 원격으로 모니터링할 수 있는 수단이 없기 때문이다. 신뢰할 수 있는 동작을 달성하기 위해서는 어떠한 잠재적 요소가 결함으로 발생하기 전에 미리 시간과 온도에 걸쳐서 레귤레이터 출력 전압의 변동성을 검출하고 그에 따라서 적절히 대처할 수 있어야 한다. DPSM을 이용함으로써 시스템이 전압 레귤레이터의 성능을 모니터링하고 이의 건전성에 대해서 보고하도록 할 수 있으며, 그럼으로써 지정된 범위를 벗어나거나 심각하게는 결함을 일으키기에 앞서서 교정적인 조치를 취할 수 있다.
DPSM을 이용함으로써 사용자가 부하와 시스템으로부터 수집된 정보를 바탕으로 적절히 대처할 수 있으므로 다음과 같은 이점을 거둘 수 있다:

출시시간 단축
◎ PCB를 재작업할 필요 없이 전원 파라미터를 변경할 수 있다.
◎ 신속하게 시스템 특성분석, 최적화, 데이터 마이닝 (data mining)을 할 수 있다.

부하 차원의 이점
◎ 시간과 온도에 걸쳐서 전원장치 정확도를 관리할 수 있다.
◎ 마지닝을 하고 FPGA 허용오차를 테스트할 수 있다.
◎ 부하 쉐딩을 통해서 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.

시스템 차원의 이점
◎ 보드 레벨 전원 진단 기능에 디지털적으로 액세스할 수 있다.
◎ 시스템 전반의 전력 소모를 모니터링하고 분석할 수 있다.
◎ 결함 관리/결함 기록이 가능하다.

데이터 센터 차원의 이점
◎ 전력 소모 추이, 시간에 따른 변동성과 변화를 파악할 수 있다.
◎ 예방적 분석을 통해서 가동 비용을 최소화할 수 있다.
◎ 에너지 관리 차원의 의사결정을 할 수 있다.

PMBus 명령 언어는 레일 수가 다수인 다중레일 시스템의 필요를 충족하도록 개발되었다. 잘 정의된 표준 명령셋 이외에도, PMBus 호환 장치는 자체적인 고유의 명령을 구현할 수 있으므로 혁신적인 부가가치 기능을 구현할 수 있다. 대부분의 명령과 데이터 형식을 표준화함으로써 이러한 타입의 시스템 보드를 생산하는 OEM들에게 매우 유용하다. 이 프로토콜은 산업표준 SMBus™ 직렬 인터페이스를 통해서 구현할 수 있으며 전력 변환 제품의 프로그래밍, 제어, 실시간 모니터링을 가능하게 한다. 명령 언어와 데이터 형식을 표준화함으로써 OEM들이 편리하게 펌웨어를 개발하고 재사용할 수 있으므로 전원 시스템 디자이너가 제품 출시시간을 단축할 수 있다. PMBus에 관한 더 자세한 내용은 http://pmbus.org에서 볼 수 있다. 75개 이상의 PMBus 표준 명령 기능을 제공하므로 가장 널리 이용되고 있는 이 공개 표준 전원 관리 프로토콜을 이용해서 자신의 전원 시스템을 최대한 제어할 수 있다.

특히 오늘날 데이터 센터에서는 전체적인 전력 소모를 낮추는 것이 무엇보다 중요한 과제가 되었다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 충분히 활용되지 못하는 서버는 활용도를 재조정하고 또 어떤 서버들은 상황에 따라서 셧다운을 해야 한다. 그러기 위해서는 해당 장비의 전력소모를 알아야 한다. DPSM을 이용함으로써 사용자에게 전력 소모에 관한 데이터를 제공할 수 있으므로 이를 바탕으로 실시간으로 지능적으로 에너지 관리 측면의 의사결정을 할 수 있다.
전원 시스템에 대해서 정확한 정보를 제공할 수 있다는 점에서 그리고 또한 다수의 전압을 자율적으로 제어하고 감시할 수 있다는 점에서 DPSM의 도입이 빠르게 늘어나고 있다. Linear Technology는 바로 여기에 이용할 수 있도록 다수의 디지털 전원 제품을 제공하고 있으며, LTC3882는 그러한 제품으로서 가장 최신 제품이다.

DPSM DC/DC 컨트롤러
LTC3882는 직렬 디지털 인터페이스를 채택한 듀얼출력 다위상 동기 스텝다운 DC/DC 컨트롤러이다. 이 디바이스는 리딩 에지(leading-edge) 변조 전압 모드 제어를 이용함으로써 뛰어난 트랜션트 응답을 달성하고 극히 낮은 DCR(0.25mΩ) 인덕터를 이용해서 동작할 수 있으므로 더 높은 효율을 달성하고 출력당 최대 40A를 공급할 수 있다. 호환 가능한 파워 트레인 디바이스로는 DrMOS, 전원 블록, 별도의 FET 드라이버와 N-채널 MOSFET 등을 포함한다.
디지털 인터페이스는 시스템 디자이너와 원격지 오퍼레이터가 시스템의 전력 조건 및 소모를 제어하고 감시할 수 있는 수단을 제공한다. 전원장치 파라미터를 디지털적으로 변경할 수 있으므로 기존처럼 물리적으로 하드웨어, 회로, 시스템 BOM(bill-of-materials)을 변경해야 할 필요가 없으므로 제품 출시 시간을 단축하고 가동 중단 시간을 줄일 수 있다.

LTC3882의 2와이어 직렬 인터페이스를 통해서 출력을 마지닝하고, 조절하고, 시간 기반 또는 전압 기반 시퀀싱 지연 시간을 이용해서 프로그램된 슬루율로 상승시키거나 하강시킬 수 있다. 입력 및 출력 전류 및 전압, 출력전력, 온도, 가동시간(uptime), 피크 값을 리딩할 수 있다.
또한 이 디바이스는 고속의 듀얼 아날로그 제어 루프, 정밀 혼성신호 회로, EEPOM을 포함하며, 6mm x 6mm QFN-40 패키지로 제공된다.

또한 LTC3882의 성능을 평가할 수 있도록 LTpowerPlay TM GUI(무료 다운로드), USB-to-PMbus 컨버터, 데모 키트를 제공한다. 전체 온도 범위에서 ±0.5% 최대 DC 출력 오차, ±1% 전류 리드백 정확도, 16비트 델타시그마 ADC 및 EEPROM 통합을 특징으로 하는 LTC3882는 뛰어난 아날로그 스위칭 레귤레이터 성능에 정밀 혼성신호 데이터 포착을 결합하고 있다. 3V~38V의 입력 전압으로 동작하며 0.5V~5.25V의 출력 전압을 제공한다. 2개 채널이 전류를 정확하게 공유해서 최대 80A를 공급할 수 있다. 최대 4개 LTC3882를 병렬로 동작함으로써 2위상, 3위상, 4위상, 6위상, 8위상 동작이 가능하다. 핀 스트랩핑 저항을 이용하거나 내부 EEPROM으로부터 로드해서 스타트업 시에 출력전압, 스위칭 주파수, 채널 위상각도 지정을 설정할 수 있다. 그림 1은 파워 트레인 소자로 DrMOS를 이용하고 있고 12V 공칭 입력으로 1V@80A를 공급하는 LTC3882 애플리케이션의 개략적인 회로도를 보여준다.

출력 전압 마지닝
많은 경우에 다수의 레일을 특정한 전압으로 마지닝(margining)하고 마지닝 후에 전압 레벨을 검사해야 한다. DPSM을 이용함으로써 이 작업을 간소화하고 시간을 단축할 수 있다.
그림 2에서는 2개 출력을 제공하도록 구성된 단일 LTC3882의 출력 전압들이‘7.5% margin low’PMBus 명령에 어떻게 응답하는지를 보여준다. 그러면 공칭 1V출력은 0.92V가 되고, 공칭 1.8V 출력은 1.66V가 된다. LTpowerPlay를 통하면 이 기능을 최대 72개 레일로까지 확대할 수 있으므로 마지닝을 하고 전압 설정을 확인하는 작업을 훨씬 더 쉽게 할 수 있다.

실제 애플리케이션에서 DPSM
시스템 보드의 전원 레일 수가 30개 이상인 경우가 적지 않다. 이러한 보드는 통상적으로 소자 부품들이 빽빽하게 탑재되므로 DPSM 회로가 너무 많은 공간을 차지하지 않아야 한다. 이와 더불어서 많은 수의 레일을 편리하게 사용하고 제어할 수 있어야 한다. 이러한 솔루션은 자율적으로 작동할 수 있어야 하거나 시스템 호스트 프로세서와 명령, 제어, 텔레메트리 정보 보고를 위해서 통신할 수 있어야 한다.
Linear Technology의 LTM4676, LTC2977, LTC2974, LTC3882, LTC3883을 결합함으로써 단일 세그먼트의 I2C 버스로 최대 72개 전압을 제어할 수 있다.

LTM4676과 LTC3882는 최대 2개 고전류 레일을 관리하고 발생시킬 수 있다. LTC3883은 단일 고전류 출력을 관리하고 제공할 수 있다. LTC2977은 최대 8개 레일을 관리할 수 있으며, LTC2974는 최대 4개 레일을 관리할 수 있다.

그림 3은 Linear Technology의 다양한 μModule 레귤레이터, 매니저, DC/DC 컨트롤러 제품을 이용해서 다중레일 시스템을 제어하는 것을 보여주고 있다. 이들 레일 대부분은 시퀀싱, 전압 정확도, 과전류 및 과전압 한계, 마지밍, 감시 기능에 대한 엄격한 요구기준을 충족해야 한다.

요약
DPSM은 시스템 디자이너가 간단한 PC 연결을 통해서나 기존 시스템 호스트 프로세서를 통해서 전원장치를 편리하게 제어할 수 있는 수단을 제공한다. 이 기능은 개발 단계나 디버그 단계에서 유용하게 활용할 수 있으며, 디자이너가 하드웨어, 회로, 시스템 BOM(bill-ofmaterials)을 물리적으로 변경할 필요 없이 전원 전압, 한계, 시퀀싱을 제어하고 조절할 수 있으므로 시스템을 빠르게 구축하고 가동할 수 있도록 한다.

뿐만 아니라 전체적인 테스트를 I2C/PMBus를 통해서 몇 개의 명령만으로 제어할 수 있으므로 마진 테스트를 훨씬 더 쉽게 할 수 있다. 또한 DPSM은 사용자에게 전력 소모에 관한 데이터를 제공할 수 있으므로 이를 토대로 지능적으로 에너지 관리 의사결정을 할 수 있으므로 전반적인 전력 소모를 낮출 수 있다. OEM에게 전원장치 건전성에 관한 데이터를 제공할 수 있으므로 실제적으로 DC/DC 컨버터의 상태에 대해서 지금까지 사각지대로 남아 있던 것을 파악할 수 있게 되었다. 시간의 경과에 따른 레귤레이터 출력 전압의 변동성을 검출하고 잠재되어 있던 문제점이 실제로 결함으로 발생하기 전에 미리 적절히 대처할 수 있다. 보드가 반품되었을 때는 결함 기록을 판독함으로써 어떠한 결함이 발생했는지, 결함이 발생했을 때 보드 온도와 발생 시점 등을 알아낼 수 있다. 이들 데이터를 이용해서 근본 원인이 무엇인지, 시스템이 지정된 동작 범위를 벗어나서 동작하고 있었는지, 향후 제품을 향상시키기 위해서는 어떻게 해야 할지 등을 신속하게 판단할 수 있다. 그러므로 레일 수가 다수인 시스템을 이용하거나 OEM이 자사 전원 시스템을 적절히 통제하고자 하는 경우에 이용할 수 있는 강력한 툴이 바로 DPSM(Digital Power System Management)이다.

<반도체네트워크 9월>