AA 셀 알카라인 구동 방식의 휴대기기를 위한 향상된 전력 관리 선택 방법

휴대형 배터리 구동형 제품에 점점 더 많은 기능들이 탑재되는 것이 일반화되어 가고 있는 가운데, 리니어 테크놀로지 등의 공급업체가 제공하는 고성능 ASSP 제품들은 시스템 설계자들에게 다양한 전원에서 동작하는 완벽한 전력 관리 고려를 위해 단순하고 비용 효율적인 방법을 제공한다.

글 │토니 암스트롱, 리니어 테크놀로지

배터리 구동형 휴대기기 제조업체들은 점점 더 많은 기능을 더욱 더작아지는 폼 팩터에 통합시킴과 동시에 작동시간을 연장시켜야 하는 상황에 직면해 있다. 갈수록 늘어나는 수많은 기능이 어떻게 전력 레벨을 변화시키면서 더욱 낮은 전압 출력에 대한 요구를 주도하는지를 알아보는 것은 어렵지 않다.

이미지 프로세싱용 애플리케이션 프로세서가 바로 이에 대한 좋은 예인데,이는 비디오 캡처 동안 최대 360mV의 전력을 필요로 한다. 풀로드(Full Load)동작 시 디바이스의 내부 시스템이 2W 이상의 피크 전력을 요구하는 것은 이해 할 만하다. 그러나 배터리 런타임에 부정적으로 영향을 미치는 또 다른 주요 요소로는 파워 서플라이의 효율성과 시스템 전력 관리를 들 수 있다.

AA 셀 배터리

다양한 무선 휴대기기들은 리튬이온 배터리뿐만 아니라 편리성과 비용의 이유로 2개의 AA 셀 배터리(NiMH 또는 알카라인 화학물질)를 사용하고 있다. 그러나 제품 내의 다중 전원, 다중

소비 전압을 비롯해 최적의 효율성과 제한적인 공간 요구조건 때문에 휴대 기기에서 전류 흐름의 관리 여건은 점점 복잡해지고 있다. 따라서 이러한 조건들이 휴대폰 및 디지털 스틸 카메라(DSC)와 같은 양산용 제품에 적합한 고집적 전력 관리 IC 나 ASSP(Application Specific Standard Product)의 개발을 주도하는 일반적인 현상으로 자리잡고 있다.

그럼에도 불구하고, 높은 수준의 전력관리를 설계에 통합시켜야 하는 팜톱 컴퓨터, MP3 플레이어, 휴대형 GPS 수신기처럼 2개의 AA 셀 배터리로 구동하는 애플리케이션도 존재한다. 2개의 AA 셀과 5V AC 어댑터 또는 5V USB 포트로 전력을 공급을 받는 휴대기기를 사용할 때 가장 어려운점 중의 하나는 메인 전력 레일용 3.3V 고정 출력과 마이크로프로세서나 DSP코어 전압에 전력을 공급하는 1.xV 출력 모두를 실현시킬 수 있어야 한다는 것이다. 디바이스가 5V 어댑터 또는 5V USB 포트에서 전력을 공급 받을 때는 스텝다운(벅) DC/DC 컨버터만이 필요하다. 그러나 디바이스가 배터리로 구동될 때에는 메인 출력 레일에 요구되는 3.3V를 공급하기 위해 스텝업(부스트) DC/DC 컨버터가 필요하다. 반면, 스텝다운 DC/DC 컨버터는 메인 디지털 프로세서에 필요한 1.xV를 공급하는데 사용된다. 이것은 2개의 AA 셀 방전 프로파일이 3.0V~최저 1.6V이기때문이다(그림 1). 그림 1의 그래프에서 2개의 AA 셀에 대한 방전프로파일을 검토할 때, 시스템의 125mA까지 일정전류 흐름을 가정해 보면,최고 20 시간의 런타임에 도달할 수 있다.

유일한 접근방법

리니어 테크놀로지는 이러한 문제를 단순하고 효율적으로 해결할 수 있는 솔루션인 USB 전력 관리자 기능의 LTC3456 2개 셀 다중 출력 DC/DC 컨버터를 소개하고자 한다. 이칩은 이전에 3개 이상의 칩으로 가능했던 몇 가지의 기능들을 통합하고 있다.

TC3456은 로우프로파일 형태의 총 전력 관리 솔루션으로, AC 어댑터,USB 포트나 2개의 셀 배터리 등 3개의 전원형태에서 우선 순위대로 2개의 레귤레이트된 파워 서플라이를 제공한다. 이것은 그림2에서 보듯이 추가적인 소자 없이도 5개의 출력을 공급할 수 있다.

LTC3456은 프로세서를 위한 코어파워 서플라이와 주변회로를 위한 메인 파워 서플라이로 구성된 2개의 개별파워 서플라이를 만든다. 메인 파워 서플라이는 3.3V 고정 출력이며, 코어파워 서플라이는 0.8V에서 최소 배터리 전압(VBATT(MIN))까지 조정될 수 있다.또한, 이 IC는 플래시 메모리 카드에 전원을 공급하기 위해 사용될 수 있는 Hot SwapTM 출력을 제공한다.

이 제품은 로우 배터리 검출기(이것은 로우 드롭아웃 레귤레이터로 구성될 수 있다), USB 전력 관리자, 몇 가지의 방지 기능을 모두 포함하고 있다. 방지 기능에는 셧다운 기간 동안 방전되어 접지되는 모든 출력을 포함한다. LTC3456의 제어 구성은 코어 출력을 위해 100% 듀티 싸이클 동작을 가능하게 한다. 이것은 코어가 배터리 소스에서 전원을 공급 받을 때 로우 드롭아웃 작동을 제공한다. 따라서 배터리의 런타임이 연장된다.

1MHz의 일정 주파수에서 작동하는 내부 스위칭 레귤레이터는 2개의 레귤레이터된 파워 서플라이를 생성한다. 이 높은 스위칭 주파수는 높은 효율성을 가능하게 하며, 소형의 로우 프로파일 인덕터 및 커패시터를 사용할 수 있게 한다. 이러한 스위치는 핀 및 부품수를 줄여주는 내부 보정 기능을 갖춘 전류 모드 PWM 유형이다. 게다가 모든 전력-경로 제어 및 DC/DC 변환이 단일 로우 프로파일의 4mm x 4mm 24핀 QFN 패키지로 집적되어,LTC3456은 공간에 민감한 휴대형 디바이스에 이상적이다.

작동의 기술적 문제 및 이론

LTC3456을 개발 할 때 주요 기술적 문제 중의 하나는 다중 파워 서플라이 간의 전력 경로 제어를 관리하는 것이다.지금까지 시스템 설계자들은 MOSFET,Op 앰프(Op-Amp) 및 기타 디스크리트 부품들로 이 기능을 구현하도록 강요 받았다. 그러나 이러한 설계들은 대량의 쇄도 전류 및 전압 레일 글리치와 같은 핫 플러그(Hot Plug) 문제로 곤란을 겪는다. 이것은 커다란 시스템 문제를 발생시킬 수 있다. LTC3456은 USB와 어댑터 모두를 위한 핫플러그 방지 기능을 제공하며, 전력용으로 이용할 수 있는 최상의 입력 소스를 사용한다.

배터리 구동형

LTC3456은 1.8V에서 3.2V에 이르는 입력 배터리 전압을 수용하도록 설계되었다. 이 범위는 2개의 셀 알카라인이나 NiMH 설계용으로 이상적이다.이 칩이 구현될 때, 내부 소비 전압VINT(3.3V)은 부스트 레귤레이터를 통해 생성된다. VINT는 밴드갭(Bandgap)레퍼런스, 드라이버 및 기타 내부 회로에 전원을 공급하기 위해 사용된다. 코어 출력(1.8V)는 벅 레귤레이터 다음에 온다. 메인 출력(3.3V)와 핫스왑 출력은 코어 출력이 레귤레이션 된 후 512ms 지연과 함께 전력이 공급된다.

어댑터 구동형

LTC3456은 AC 어댑터로부터 파워오프 될 수 있다. 입력은 쇼트키(Schottky)다이오드, D1(그림 2참조)을 통해 VEXT 핀으로 연결된다. AC 월 어댑터의 전력 상태는 WALLFB 핀을 통해 모니터 된다. 이 핀에서 공칭 전압은 1.25V이다. 핀 전압이 1.25V 보다 더 높을 경우, 이 IC는 VEXT 핀을 통해 AC 어댑터에서 전력을 사용할 것이다. WALLFB 전압은 2V 미만으로 항상 유지되어야 한다.

이 제품이 구동될 때, 온보드 전압검출기는 VEXT 전압 상태를 점검한다.VEXT 핀 전압이 4V보다 더 높을 경우,VINT, 코어 출력, 메인 출력, 핫스왑 출력은 모두 이 순서대로 전력이 공급된다.

USB 구동형

LTC3456은 USB 포트를 통해 전원을 공급 받을 수도 있다. 이 제품은 프리셋(Preset) 0.1A와 0.5A 전류 제한을 이용한 내부 전류 제한형 0.6W(일반적) PMOS 스위치를 탑재하고 있다. LTC3456은 그림 2에서 보듯이 로직핀 USB HP와 Suspend를 통해 USB컨트롤러 버스와 인터페이스 된다.

USB HP 핀은 100mA나 500mA에USB 전류 제한으로 설정되도록 사용된다. 이 핀은 약한 풀다운 전류 소스를 가지고 있어 로우 파워 모드가 스타트업 기간 동안 작동하는 것을 보장한다. Suspend 핀 로직을 높게 당기면 모든 USB 기능 이용이 불가능해진다.PWRON 로우 기능의 Suspend 모드에서, 이 디바이스는 USB 핀으로 흐르는 전류를 150mA로 제한한다.

USB로 전원을 공급 받는 기기의 최소 전압은 케이블과 커넥터 드롭으로 인해 4.35V만큼 낮게 하강될 수 있다.LTC3456은 USB 전압이 4.1V 미만으로 하강할 경우, USB 소비 전압을 점검하고 USB 전력을 차단할 수 있는 내부 전압 모니터를 갖추고 있다. USB전압 모니터에는 25mV의 히스테리시스(Hysteresis)가 내장되어 있다.

IC가 구동될 때, USB 핀은 PMOS 스위치를 통해 VEXT 핀으로 연결된다.VEXT 핀은 USB HP 핀 상태로 결정되는 프리셋 0.1A 또는 0.5A 전류 제한까지 충전된다. VEXT 핀 전압이 4V 이상으로 상승될 때, VINT, 코어 출력, 메인 출력 및 핫 스왑 출력은 차례대로전력이 공급된다.

‘빌딩 블록’접근방법

2개의 셀 AA 배터리, 어댑터나 USB포트로 전원을 공급 받는 휴대형 기기에서 전력 관리 및 변환에 대한 ASSP접근방법이 다양한 전원들 중에서 선택해야 하는 복잡성 문제를 간단히 다루고 있다는 것은 분명한 사실이다. 그러나 일부 제품에서, 이 접근 방법은‘지나친 파괴 행위’로 간주될 수 있다.

이에 대한 적절한 예로, 대체 전원을사용하지 않고 2개의 셀 AA 배터리로 구동하는 기기를 고려해 보자. 일단 배터리가 다 닳게 되면, 이 배터리들은 새 것으로 간단히 교체하면 된다. 이러한 제품들은 의료용 시장이나 컨수머시장 모두에서 흔하게 사용된다. 이러한 설계에서 디지털 프로세서 코어 전압에 전력을 공급하는 저전압 레일 공급형 동기식 스텝다운 컨버터와 메모리, I/O 및 기타 아날로그 IC에 공급되는 효율적인 스텝업 컨버터 모두가 필수적으로 요구 된다.

전력 변환에 대한 이러한 접근방법은 상대적으로 단순하게 보일 수 있으나,1.6V의 저전압으로 동작하는 동기식 스텝다운 컨버터는 그렇지 않다. 이것은 온 칩 MOSFET을 완벽하게 향상시키는 저전압 레벨에서 충분한 게이트 드라이브를 갖추는 원인에 상당부분 기인한다.그럼에도 불구하고 리니어 테크놀로지는 1.6V의 입력이 가능한 동기식 스텝다운 컨버터인 LTC3409를 개발했다.

LTC3409는 일정 주파수, 전류 모드아키텍처를 이용한 600mA, 고효율성의 모노리식(Monolithic) 싱크로너스 스텝다운 컨버터이다. 1.5MHz와 2.25MHz의 정주파수는 내부 PLL(Phase Lock Loop)과 함께 지원되며, 이것은1MHz~3MHz의 주파수 범위에서 외장형 클럭을 동기화시킬 것이다. 스위칭 주파수의 범위를 통해 소형의 표면실장 인덕터와 커패시터를 사용할 수 있게 한다.

Burst ModeTM 동작 시 소비 전류는 60mA~80mA에 불과하며, 셧다운의 경우에는 1mA 미만으로 떨어진다. 이제품의 전압 범위는 1.6V~5.5V으로,단일셀 리튬이온, 리튬메탈 및 NiMH 배터리의 2개 AA 셀 알카라인으로 구동하는 애플리케이션에서 적합하다.

그림 3은 LTC3409를 사용한 고효율성의 컨버터 회로의 예를 나타낸 것으로, 여기서 최고 600mA의 출력 전류에서 90% 이상의 효율성으로 1.5V를 실현시킨다.

또한 LTC3409는 로우 드롭아웃 작동을 제공하는 100% 듀티 싸이클 동작을 제공해 배터리 동작시간을 더욱 연장시킨다. 버스트 모드 동작은 경부하(Light Load)에서 효율성을 증가시키며 배터리 수명을 더욱 연장시켜 준다.이 제품은 3mm x 3mm x 0.75mm크기의 소형 8핀 DFN 패키지로 공급된다.

스텝다운 스위칭 레귤레이터의 대체방법으로는 리니어 로우 드롭아웃 레귤레이터로, 가장 단순한 레귤레이터의 형태로 종종 인식된다. 그 이유는 이것이 입력 전압을 고유의 DC 전압변환의 이유로 스위칭 없이 더욱 낮은전압으로 스텝다운 시킬 수 있기 때문이다.

이 제품의 가장 중요한 결점은 온도관리 측면이다. 그 이유는 이것의 변환효율성이 입력 전압으로 나눠진 출력전압의 비율과 거의 유사해질 수 있기 때문이다. 그러나 이는 입력 및 출력 차동이 클 경우에는 사실이지만, 차동이 적을 때에는 적용되지 않는다. 예를 들어, 1.5V에서 1.2V로 전압이 하강될 때에는 효율이 80%이다. 표준형 LDO는 1.5V 입력을 1.2V의 출력으로 쉽게 하강시킬 수 없다. 그이유는 드롭아웃 전압이 하상 700mV 이상이기 때문이다. 가장 이상적인 방법은 입력 전압 범위가 1V에 가깝고,드롭아웃 전압이 300mV 미만이며, 내부 레퍼런스가 0.5V와 가까운 초저드롭아웃(VLDO)을 이용하는 것이다. 이러한 VLDO는 1.5V~1.2V에서 쉽게 스텝다운 할 수 있으며, 80% 효율을 달성할 수 있다. 이 전압에서 전력 레벨은 항상 약 100mA이이므로, 즉 24mW의 전력 손실을 수용할 수 있다.

분명하게도 위에서 언급한 애플리케이션에 VLDO를 사용하는 것은 낮은 입력 전압, 출력 전압 및 드롭아웃 전압을 요구할 것이다. 또한 무선 휴대기기는 항상 배터리로 구동되기 때문에,VLDO는 역입력 및 역출력 전압에 대해 자체 보호 기능을 갖는다. 마지막으로 이것은 낮은 ESR(Equivalent Series Resistance) 커패시터를 이용해 작동할 수도 있어야 하며, 뛰어난라인 및 부하 레귤레이션을 갖추고 고속 과도 응답을 갖추고 있어야 한다.

리니어 테크놀로지가 공급하는 LT3021은 매우 낮은 드롭아웃 전압 리니어 레귤레이터로 입력 서플라이에서 0.9V까지 동작한다. 이 디바이스는 160mV의 일반적인 드롭아웃 전압을 이용해 500mA의 출력 전류를 제공한다. 그림 4는 애플리케이션 회로도를 나타낸 것이다. 이 레귤레이터는 3.3mF 만큼 낮은 ESR 세라믹 출력 커패시터를 사용해 안정성과 과도 응답을 최적화시킨다.

마지막으로, 내부 보호 회로는 역 배터리 방지, 전류 제한, 히스테리시스의온도 제한, 역 전류 방지 기능들을 포함한다. 마지막으로, 스텝업 전환 요구조건의 경우 리니어 테크놀로지는 LTC3429를 제공한다. LTC3429는 로우 프로파일ThinSOTTM 패키지에서 출력 부하 차단, 쇄도전류 제한 및 소프트스타트의기능을 갖춘 고효율성 동기식 부스트 DC/DC 컨버터이다.

이 디바이스는 3.3V 출력을 갖춘 2개의 셀 AA 배터리에서 250mA를 공급할 수 있다. 500kHz의 스위칭 주파수는 타인(Tine), 로우 프로파일 인덕터 및 세라믹 커패시터를 사용함으로써 전반적인 솔루션 풋프린트를 최소화시킨다.

내부 보정 기능의 전류 모드 PWM제어는 외장형 부품 수를 감소시키므로 보드 공간을 절약할 수 있다. LTC3429는 경부하에서 전력 절감형 버스 모드 동작으로 자동으로 변경시킨다. 제어회로는 불연속 모드에서 인덕터를 약하게 함으로써 EMI 문제를 감소시킨다.진정한 출력 불연속 성능을 통해 출력은 셧다운 시 완벽하게 방전될 수 있다. 이것은 또한 스타트업 동안 쇄도전류를 제한하면서 입력 공급으로써 나타나는 서지 전류를 최소화한다. 이 디바이스는 1mA 미만의 낮은 셧다운 전류의 특징을 갖추고 있다. 끝으로, 이제품은 소형 6핀 ThinSOT 패키지로공급된다.

결론

휴대형 배터리 구동형 제품에 점점더 많은 기능들이 탑재되는 것이 일반화되어 가고 있는 가운데, 리니어 테크놀로지 등의 공급업체가 제공하는 고성능 ASSP 제품들은 시스템 설계자들에게 다양한 전원에서 동작하는 완벽한 전력 관리 고려를 위해 단순하고 비용 효율적인 방법을 제공한다.

이 같은 고집적 ASSP 제품들은 소형패키지 풋프린트를 갖추고 외장형 부품이 거의 필요 없으며 소프트웨어 코드가 필요가 없는 것이 특징이다. 따라서 설계 아키텍처가 더욱 더 단순한‘빌딩블록’접근 방법을 요구하는 경우, 리니어 테크놀로지의 컨버터는 꼭 맞는 입력 전압 범위를 제공, 사용자들이 쉽게 이용할 수 있도록 하고 있다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 06년 04월호>