휴대용 기기를 위한 전원관리의 새로운 물결 1

휴대형 기기 개발업체들이 저렴한 가격과 저전력을 구현하며, 동시에 작은 크기의 휴대용 기기가 요구하는 전원용량 조건을 충족시키면서 높은 시스템 신뢰성을 얻을 수 있는 전원관리 방법을 알아보자.

글│Thomas DeLurio, George Hall, Josh Jones, Summit Microelectronics

 다양한 전압 레벨과 전류 요구사항을 가진 수많은 전기, 전자 장치들이 단일 셀 배터리를 통해 전원을 공급 받고 배터리 충전중일 때는 AC 어댑터를 통해 전원을 공급 받는 등 소비재 특히 휴대용 기기들이 점차 복잡해지고 있다.

이러한 제품들에서 전원공급은 단일 배터리전압을 변경하여 다중 전압 프로세서, DSP, ASIC, SDRAM, 메모리 스틱, 플래시 메모리, 렌즈의 초점을 맞추거나 확대하는데 사용하는 모터, 오디오 및 백색 LED 백라이트가 포함된 LCD 스크린 등에게 전원을 공급해야 한다. 게다가 다중 전압 프로세서, DSP, FPGA들의 동작전압 레벨이 1.2V까지 떨어지고 0.9V에 근접하게 되면서, 시스템의 내구성은 더욱 견고해져야 하고 제품사양에 맞게 이러한 전압 레벨들을 관리하는 정확한 방법이 절실하게 된다.

또 다른 경우, 백색 LED 백라이트들은 최대 10개까지 직렬로 연결되며 이곳에 전원을 공급하기 위해서는 정확한 전류 제어와 함께 30V 정도의 전압을 요구한다. 더 복잡한 상황에서는 이들 모든 디바이스가 신뢰성과 배터리 수명 보존을 위해 각기 다른 시간대에 온/오프 할 필요도 있다. 만약 이러한 모든 조건들을 지원해주지 못한다면 성능의 저하, 버스 경합과 같은 오류 조건, 디바이스가 시동하거나 래치업 할 때 발생하는 전류 스파이크로 인한 배터리 수명 단축 등의 다양한 문제점이 출현할 수 있다.

이제부터 휴대형 기기 개발업체들이 저렴한 가격과 저전력을 구현하며, 동시에 작은 크기의 휴대용 기기가 요구하는 전원용량 조건을 충족시키면서 높은 시스템 신뢰성을 얻을 수 있는 전원관리 방법을 알아보자.

새로운 디지털 프로그램 형 전원 공급자들은 I2C로 프로그램 할 수 있는 출력 전압, 개별적으로 제어할 수 있는 전원공급, 배터리 감시, PWM 출력에서 UV 및 OV 감시, 마진기능/LED 백라이트 레벨, 슬루율(Slew Rate) 제어, 프로그래머블 전원 on/off 시퀀싱 등을 제공한다. ±0.5% 미만의 범위 내에서 능동적으로 제어되는 DC출력 전압 레벨은 한층 더 엄격해진 허용오차 조건들을 갖는 고성능 전자부품들이 좀더 신뢰할 수 있는 동작을 할 수 있도록 해준다.

출력마진은 프로세서 코어 전압을 위한 동적 전압 관리뿐 아니라 밝기 또는 볼륨 등을 조정하는 쉬운 방법을 제공하고, 아울러 시스템의 목표 성능을 실험하는데도 쓰인다. 능동적인 정밀도 제어, 프로그램 가능한 여러 기능들의 통합과, 이에 따른 유연성은 주 하드웨어의 변경 없이 소프트웨어를 통해 쉽게 수정할 수 있어서 시스템 설계자가 㰡플랫폼 솔루션㰡‘을 만들 수 있도록 도와준다. 재 프로그램 기능이 더해짐으로써 빠른 설계 주기를 갖게 되며, 기초 설계로부터 최종 제품 생산으로 빠른 확장이 가능하다.

디지털 프로그램 형 아날로그 전원관리는 또한 디지털회로 설계 엔지니어가 최소한의 아날로그 지식과 경험 만으로도 여타의 복잡한 시스템 전원 디자인을 완성할 수 있도록 도와준다. 비 휘발성 프로그래밍을 사용하기 때문에 매 전원 주기마다 구성내용을 다시 로딩할 필요가 없다.

표준이 없는 시스템을 표준화하는 방법

휴대형 미디어 플레이어나 디지털 캠코더/디지털 스틸 카메라, 스마트 PDA폰/카메라 폰, 소형 GPS/PDA와 같이 TFT-LCD나 OLED 디스플레이를 장착한 휴대형 가전기기들이 점차 증가함에 따라, 이를 위해 전원 공급도 다양한 전압(경우에 따라 12개의 독자적인 전압 레벨을 갖기도 하는)을 지원하도록 점차 복잡해지고 있다. 전원 공급용 채널수가 증가함으로써 모든 전원채널이 켜지고 꺼지는 동안 가중되는 입력 전류 요구사항으로 인해 전원 공급 순서도 핵심 사안이 되었다.

또한 보다 낮은 전압에서 추가적인 전력소비, 관련한 온도 상승, 그리고 엄격한 전원공급 정확도 등을 해결해야 하므로, 신뢰도를 개선하거나 보존하는 것이 점차 어려워지고 있다. 짧아진 개발기간, 제품 저렴화, 그리고 향상된 이용성을 위한 조건 등을 포함하여 이러한 모든 디자인 문제들을 해결할 수 있는 새로운 플랫폼 솔루션을 요구하고 있다. 결과적으로 시스템 전원 관리의 표준화로 다양한 플랫폼들에서 동일하게 적용할 수 있는 전원공급기능과 탐지 기능 등의 혜택을 제공한다.

표준화 작업을 위해서 아날로그 제어기/컨버터가 있는 디지털 프로그램 형 전원 플랫폼은 순수 디지털 PWM 제어뿐 아니라 고정된 솔루션에 비해서도 탁월한 장점을 제공한다. 첫 번째는 프로그램 형 솔루션이 시스템 요구사항 변경과 관련된 위험부담을 줄여준다는 것이다.

프로그램 형 솔루션에서는 시퀀싱 순서를 수정할 수 있고, 시퀀싱 된 채널들도 간단하게 제어기를 재프로그램함으로써 채널 트래킹으로 대체할 수 있다. 이는 시스템의 요구사항들이 명확하지 않을 때에도 보드를 Re-spin 할 가능성을 최소화 해준다. 프로그램 형 솔루션은 또한 설계자에게 타깃보드가 한번에 잘 동작하리라는 자신감을 가질 수 있게 한다. 만약 문제가 발생하면, 재 프로그램을 사용하여 문제를 해결하고 의도하는 기능에 맞게 보드를 디버깅하고 테스트한다.

프로그램 형 솔루션은 또한 재 프로그램만으로 기존 디자인이 재사용될 수 있는 크로스 플랫폼의 구현이 가능하다. 아날로그 PWM과 LDO는 디바이스를 더 작게, 더 단순하게 만들어 주기 때문에 온칩 DSP 보다 저렴한 솔루션이다.

아날로그 방식은 전원 MOSFET를 알맞은 위치에 배치시키고 PWM은 외부 부품 사이즈를 줄이기 위해 각기 다른 프로그래머블 주파수로 동작하게 된다. DSP로 이것을 구현하려면 정확도를 위해 지나치게 높은 클럭 주파수와 외부 수정발진자 그리고 고해상도 A/D 컨버터가 별도로 필요하다.

디지털적인 접근법은 양자화 에러 이슈 문제를 일으키기도 한다. 비 휘발성이며 미세 조정된 아날로그 PWM 제어기와 통합된 완벽한 프로그램 형 전원 공급방식은 어떤 전원 시스템에서든지 필요로 하는 모든 전원 관리 기능을 제공한다. 이러한 프로그램 능력은 대체로 저렴하게 비 휘발성질의 아날로그방식 미세조정과 더불어 표준 디지털 CMOS 공정이 적용되는 일련의 과정 및 온도 내에서 오차범위 0.5% 이하의 정확도를 갖는 고성능의 아날로그적 특징을 허용한다.

비 휘발성 프로그래밍/리 프로그래밍과 디지털 인터페이스를 사용하여 프로그래머블 아날로그 파라미터를 지원하는 컨피규러블 하드웨어 기능 그리고 GUI 개발툴등을 통한 유연성이 표준화를 쉽게 구현한다. 이런 아날로그적인 기능 때문에 프로그래머블 전원제어를 통한 전력 전달기능 및 전원 조정기능을 통합할 수 있게 된다(그림 2).

휴대용 기기에 사용되는 프로그램 방식 전원 관리자의 역할

그림 1에서 보는 바와 같이, 전형적인 휴대용 애플리케이션에서는 다양한 부품들이 혼재되는데, 휴대폰, PDA, 미디어 플레이어, 소형 게임기간의 경계가 모호해지고 있다. 서로 다른 전압과 전류 조건을 갖는 부품들에게 있어 `보호` 기능들을 모두 조절하는 것 또한 매우 중요하다. 심지어 하드웨어 기반의 로직 레벨 신호들조차 보드의 다른 부품들과 `Match` 되도록 변경될 필요가 있다.

배터리 수명을 개선해야 하는 휴대기기용 디자인과 솔루션에 있어서 당면과제는 시스템 변화와 성능 개선에도 신경 써야 한다는 것이다. 이 문제를 해결하기 위해 디지털 제어가 가능한 프로그램 형 다중 출력 DC-DC 전원 관리 디바이스가 대두되고 있으며, 이들은 출력 전압 레벨과 전원 시퀀싱 조건들을 간편하게 소프트웨어로 변경할 수 있게 해준다.

시스템 공급 조건은 빠르게 변화하고 있다. 어떤 시스템 전원 조건이라도 적용할 수 있는 `플랫폼 솔루션`이야말로 디자이너의 작업을 쉽게 해주는 조력자이다. 이것은 광범위한 애플리케이션에 적용되도록 표준화할 수 있고, 개별 조건에 맞게 디지털 컨피규레이션 될 수 있는 전원 `블록`을 통해 가능해진다.

휴대용 기기의 전원 관리에서 주요 경향 중 하나로 인덕터가 사용되는 DC/DC 컨버터를 빠르게 채용하고 있다. 불과 얼마 전 까지만 해도 디자이너들은 휴대 통신기기에서 스위칭-방식 전원 공급 IC의 활용을 반대해 왔다. 지금까지의 주요 관심사는 선형 레귤레이터에 기초한 디자인과 대비하여 증가하는 스위칭 잡음과 복잡성이었다. 하지만 휴대용 기기의 고성능화에 대한 그리고 더 많은 기능들에 대한 `갈증`이 계속되면서, 더 많은 배터리 용량만으로는 이러한 갈증을 모두 해소할 수 없기 때문에, 전원을 더 효율적으로 이용하기 위한 전원 공급 회로에 대한 필요성이 대두되고 있다.

전형적인 스위칭 레귤레이터는 85~95%의 효율을 제공하는 반면 선형 레귤레이터는 입력대비 출력간 전압 차 또는 부하용 전류가 작을 때에만 효율적이다. 게다가 대부분의 디지털 칩들(ASIC, DSP, CPU등)이 점점 더 많은 전류를 필요로 하고, 최대 0.9V 정도까지 코어전압 레벨을 요구하는 기술을 기반으로 제조되고 있다. 때문에 전원 관리를 위한 조건들이 강화되고 있는데, 전원을 가장 많이 소비하는 부품을 위해 스위칭 레귤레이터나 스위칭 방식의 제어기를 사용하여 조정할 수 있어야 한다.

타이밍은 현대 전자 설계에 있어 필수적인 전원 제어 조건 중 하나이다. 다중 전압이 필요한 DSP, CPU, 그리고 FPGA들은 전원을 켤 때 필요한 전압과 및 공급순서와 관련하여 엄격한 조건을 요구한다. 공급 전원을 감시할 때 수동적인 역할만으로는 불충분하다. 많은 부품들이 전원공급 시퀀싱(즉, 코어전압은 I/O 전압이 공급되기 전에 먼저 유효해야 한다) 또는 전원트랙킹(즉, 코어와 I/O 전원은 최소한의 전압 차를 유지하면서 동시에 인가 되어야 한다)에 관하여 엄격한 조건을 가진다.

시스템이 동작하는 동안 전원공급 순서의 변경과 같은 제약 사항들이 추가적으로 발생하면, 단순히 시간에 기반한 시퀀싱 구현만으로는 불충분하다. 때문에 감독 기능은 서로 다른 많은 기능들을(전원공급을 시작하는 부분에서부터 시간 간격을 발생하는 부분까지) 제어하는데 사용되어야 한다.

전원 시퀀싱은 단순히 설정된 시간 간격에 맞춰 레귤레이터나 컨버터를 차례대로 켜준다. 이는 특정한 순서에 맞춰 전원을 공급할 수 있는 가장 쉬운 방법이다. 시간에 기반한 전원공급 시퀀싱의 한계는 각 공급전원이 켜지는 시간만을 제어할 수 있다는 것이다. 즉, 슬루율이나 로딩순서와 같은 조건만 가지고는 각각의 전원채널이 유효 전압에 도달한 후 다음 시퀀싱으로 진행을 하는 최적의 전원 시퀀싱은 보장해주지 못한다.

종속 시퀀싱은 바로 다음 채널을 기동시키기 위해 바로 전단의 전원이 동작을 보증하는 최소 유효 레벨에 다다를 때까지 피드백 회로를 통해 이를 감시하다가 이 조건이 만족되면 다음 채널의 기동을 위해서 시간 타이머를 동작시키는 부분이 요구된다.

이후 연속되는 전압에 대해서도 다음 시퀀스 위치에서 타이머가 시작되기 전에 반드시 최소 유효 레벨까지는 도달해야 한다. 이 상태는 다음 단계 전압이 기동되기 전에 유지되어야 할 다양한 시간간격을 보장한다. 타이머가 만료되고 나면 비로소 다음 전원 채널이 기동된다.

요즈음의 파워 시스템은 때때로 각각의 전압 출력 채널이 순서대로 작동해야 하는 파워-온/오프 종속 시퀀싱을 요구한다(그림 3). 최대한으로 전원을 절약하기 위해서는 I2C 명령이나 전용 인에이블 입력 핀의 활성화 등을 통해 각각의 출력들이 개별적으로 파워-온/오프가 되어야 할 필요도 있다. 각 출력은 사용자가 프로그램 할 수 있는 소프트-스타트 회로에 의해 슬류율을 제한(제어)할 수 있지만, 이에 따른 외부 커패시터들이 필요하지는 않다. 시스템의 신뢰성을 확보하기 위해서 모든 출력 전압들은 Under-Voltage와 Over-Voltage 상태를 감시한다. 그리고 오류 상황 발생시, 모든 공급전압은 순차적으로 파워-오프를 할지 또는 즉시 셧다운 할지를 선택할 수 있다.

`Undervoltage Lockout(UVLO)` 회로는 입력전압이나 배터리 전압이 안전하게 동작할 수 있는 레벨까지 다다르기 전까지는 시스템에 파워를 제공하지 않도록 하기 위한 목적의 회로이며 파워 관리자 내에 통합되어 있다. UVLO 기능은 전원 공급 단에 나타나는 잡음이 무의식 중에 오류를 야기시키지 않도록 하기 위해서 또는 그 반대로 전원 공급 단의 잡음으로부터 전원공급 제어가 안정적으로 될 수 있도록 하기 위해서 항상 히스테리시스 특성이 나타난다. 시스템 오류 상황이 발생하면, 모든 감시중인 전원공급 단은 파워-오프나 강제-셧다운 같은, 오류발생시 수행하도록 사전 정의된 동작을 행할 것이다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 06년 03월호>