고성능 휴대폰 애플리케이션을 위한
기술요건을 만족시키는 로직 레벨 변환기
휴대폰 설계는 최첨단 기능으로 더욱 더 집적도가 증가하는 문제에 봉착하고 있기 때문에, 로직 레벨 변환기 솔루션은 기술의 요건을 만족시키도록 발전될 것이다. 더욱 폭넓은 비트 폭, 선택가능형(또는 자동형), 독자적인 방향(전송/수신) 제어를 갖춘 변환기는 수요가 높을 것으로 예상된다.
글│Chamard George, 페어차일드 반도체
번역감수│남진수 대리, 페어차일드 반도체
지난 5년 동안, 휴대폰 산업은 기술 융합 및 기능, 무게 및 크기의 집적도 관점에서 상당한 변화가 진행되어 왔다. 휴대폰은 단순한 통신 기기에서 디지털 스틸 카메라, MP3 플레이어 및 기타 전력 소비 기능을 갖춘 멀티미디어 통신 기기로 진화했다. 휴대폰은 이러한 기술 융합과 함께 통화시간의 연장 및 뛰어난 신호 무결성을 실현하면서 소형이면서 가벼운 폼 팩터의 조건을 갖추도록 요구되고 있다. 모바일 통신 사업은 그림 1과 같이 세 단계로 진화했다.
휴대폰의 세 가지의 진화 형태는 이전 형태에서 연속적으로 한 단계씩 발전되어 그 이전 형태보다 더욱 신뢰성이 높으며 다양한 기능들을 탑재해 더욱 유연하게 발전한다.
1. 아날로그 휴대폰은 일반적으로 한 국가에서만 음성통화 기능을 제공한다.
2. 디지털 휴대폰 시스템은 음성 전화 시스템뿐 만 아니라 팩스, 데이터 및 메시지 전송 기능이 부가된다. 디지털 휴대폰은 여러 국가에서 사용할 수 있다.
3. 멀티미디어서비스는 휴대형 기기에 고속 데이터 전송이라는 부가적인 장점을 제공한다. 이 기능을 통해 휴대폰 사용자는 TV 및 음악을 포함해 새로운 비디오, 오디오 및 기타 애플리케이션에 접속할 수 있다.
차세대 휴대폰은 무엇인가?
기술의 새로운 형태를 통해, 이용할 수 있는 서비스는 인간의 상상 이상으로 점점 더 다양해지고 있다. 우리는 3G(3세대), 스마트폰 및 기타 기능이 다양한 휴대폰 플랫폼을 갖춘 단계로 접어들고 있다. 아날로그와 디지털 기술을 뒤따라 이어지는 차세대 플랫폼은 사용자에게 디지털 모바일 멀티-미디어를 제공한다. 이 디지털 모바일 멀티-미디어는 음성, 비디오, 그래픽, 오디오 및 모든 정보를 향상된 신호 품질과 도달거리로 광대역 모바일 통신을 통해 제공된다.
차세대 휴대폰이라 함은 무선 광대역 접속이 되는 핸드셋으로 말할 수 있다. 사용자들은 웹 페이지를 통해 속도를 증가시키고 영화를 스트림하고 3D 게임을 다운로드 할 수 있으며 3세대 휴대폰으로 음성전화도 할 수 있다. 대부분의 경우, 이러한 고기능 전화는 디지털 카메라, 메모리 확장 슬롯, 온보드 멀티미디어 플레이어를 포함한 고급 기능이 탑재되어 있다. 그림 2는 고성능 휴대폰 기능 기술의 발전사를 보여주고 있다.
그림 2에서 볼 수 있는 것처럼, 발전 속도는 비디오, GPS, 애플리케이션 소프트웨어와 같은 고기능의 특징을 압도하고 있다. TV 수신은 향후 2년 동안 휴대폰 기능 중 가장 빠르게 성장하는 분야가 될 것으로 기대된다. 2006년에 TV 수신 기능이 장착된 핸드셋은 1,000만대에 이를 것으로 예측되며, 이는 2005년 보다 500% 이상 성장된 수치이다. 대조적으로, 전체 휴대폰 시장은 2006년에 2005년보다 5% 성장해 대략 8억 5,000만대가 될 것으로 기대되며, 향후 2년 동안 매년 3%씩 성장해 오는 2008년에는 약 8억 9,500만대가 될 것으로 예측된다.
또한 그림 2에서 볼 수 있는 다른 기능들은 향후 2년 동안 대략 15~30%으로 매년 성장할 것으로 기대되며, 이것은 전체 휴대폰 시장의 연간 성장률을 초과하는 것이다. 따라서, 앞으로 몇 년 동안 다양한 휴대폰 기능들을 지원하는 전자제품 공급업체들은 어마어마한 성장 기회를 누릴 수 있으며 심지어 전체 휴대폰 시장의 마진 성장을 앞설 것으로 예측된다.
월드 와이드 웹(WWW)은 전세계 사람들을 위한 주요 통신 인터페이스로 자리잡고 있다. 고기능 휴대폰은 사용자들에게 광대역 접속을 통해 인터넷에 접속하는 성능을 제공한다. 3세대를 이용하면 최고 2.4Mbps의 데이터 속도가 낸다. 다른 플랫폼은 다소 더 느리다. 실제 데이터 전송 속도는 전화 통화가 이루어지는 환경에 달려 있다. 일반적으로 가장 빠른 데이터 속도는 실내와 정지된 환경에서 이용할 수 있을 것이다. 이동성이 큰 경우에는 데이터 속도는 144Kbps로 하강해 다소 느려질 것이다.
3세대 휴대폰은 데이터 전송 속도의 제한 때문에 모바일 네트워크에서 쉽게 이용할 수 없었던 새로운 애플리케이션을 이용하고 있다. 이러한 애플리케이션의 범위는 웹 브라우징에서 파일 전송 및 비디오 컨퍼런싱에 이른다. 집 안 기기 및 전자제품(홈 오토메이션)을 원거리에서 접속해서 제어하는 기능까지도 가능하다. 3G에 의해 제공되는 대역폭 증가 때문에, 이러한 애플리케이션은 GPRS와 같은 중간 단계의 기술에서 보다 더욱 쉽게 이용할 수 있을 것이다.
설계 과제
중국에서 사용되는 3G TD-SCDMA 플랫폼을 포함해 고기능 휴대폰의 등장으로 설계에 따른 주요한 과제들이 따른다. 이러한 과제 중의 하나는 새로운 아키텍처 내에서 전압 레벨의 효율적인 변환이다.
마이크로프로세서 코어 전압은 지속적으로 하강해 지금은 일반적으로 1.5V ~1.8V 범위에 이른다. 이용할 수 있는 광범위한 주변기기 기술은 더욱 높은 전압에서 작동하며, 종종 2.6~3.3V 범위에서 작동한다. LCD 모듈과 같은 프로세서 및 주변기기간의 I/O 전압의 불일치는 이러한 기기 간의 인터페이스를 어렵게 만들고 수용할 수 있는 잡음 마진 레벨과 낮은 정적 누수 전류를 유지시켜 준다.(그림 3)
오늘날 고성능 휴대폰에 집적되는 주변 기기들에는 디지털 스틸 카메라, 통신 모듈, 이동형 메모리 스토리지, MP3 플레이어 등이 포함된다. 로직 레벨 변환기(Translator)는 2개의 다른 전압 플랫폼 간의 데이터 심리스 스트림을 가능하게 함으로써 이러한 주변기기를 마이크로프로세서에 효율적으로 인터페이스 하는 방법을 제공한다.(그림 4)
회로 설계자들은 광범위한 듀얼 전압 레벨 변환기의 포트폴리오에서 선택할 수 있어 특수 애플리케이션의 필요성을 만족시킨다. 변환기는 1비트 데이터에서 32비트 그 이상까지 수많은 비트 폭에서 이용할 수 있다. 일부 변환기는 일방적인 데이터 흐름을 제공하며, 양방향 데이터 흐름을 제공하는 제품도 있다. 이것은 변환기가 데이터를 전송하거나 수신할 수 있다는 것을 의미한다. 이 변환기는 더욱 더 고성능이어서 독립적인 양방향 데이터 성능을 가능하게 한다. 데이터 비트의 흐름 방향을 가능하게 해 독립적으로 선택할 수 있다.(그림 5)
광범위한 패키징으로 이용
일반적으로, 레벨 변환기는 매우 낮은 전력 소비를 통해 작동하는 제품에서 설계상 편의를 제공하며 회로에 쉽게 통합시키고 광범위한 패키징으로 이용할 수 있다. 변환기는 일반적으로 3상 I/O 및 전원-오프 보호 회로와 같은 고기능으로 레벨을 변환시킨다. 모든 변환기 제품들은 소형 팩키지로 제공된다. 이것은 회로 보드 공간이 중요한 휴대형 애플리케이션에서 특히 이득이다. 페어차일드 반도체는 3G 휴대폰 설계에서 전압 레벨 변환 문제를 해결하도록 도움을 주는 다양한 변환기 제품을 제공하고 있다.
물론, 전압 변환기가 제공하는 레벨 통합 솔루션은 3G 및 다른 첨단 기술을 갖춘 휴대폰에 국한되지 않는다. 변환기는 대부분의 휴대폰 플랫폼이나 전압 레벨 변환을 요구하는 회로 내에서 폭넓은 애플리케이션 공간을 갖추고 있다. 휴대폰 설계는 최첨단 기능으로 더욱 더 집적도가 증가하는 문제에 봉착하고 있기 때문에, 로직 레벨 변환기 솔루션은 기술의 요건을 만족시키도록 발전될 것이다. 더욱 폭넓은 비트 폭, 선택가능형(또는 자동형), 독자적인 방향(전송/수신) 제어를 갖춘 변환기는 수요가 높을 것으로 예상된다.
회로 보드 공간
휴대폰이 소형화, 경량화 추세로 지속됨에 따라, 이용할 수 있는 회로 보드 공간은 이에 따라 감소될 것이다. 소형 폼 팩터를 제공하는 더욱 작은 패키지는 회로 보드 공간이 중요한 휴대형 애플리케이션에서 가장 중요한 요소가 될 것이다. 페어차일드의 MicroPakTM과 DQFN(Depopulated Quad Very-Thin Flat Pack No Leads)와 같은 패키지들은 매우 작은 보드 공간의 장점을 제공한다.(그림 6)
예를 들어, 페어차일드의 20-터미널 DQFN은 매우 작은 2.5 x 4.5mm 풋프린트를 제공해 TSSOP와 비교해 51mm2 보다 더 작은 11.25mm2의 공간을 차지한다. 이는 필수 보드 공간을 거의 78%까지 감소시키는 것을 의미한다. 공간 절약 이외에, 이러한 패키지는 전통적인 리드 패키지와 비교해 대형 면적으로 향상된 전기 성능과 고성능 보드 레벨 신뢰성을 제공한다. DQFN 패키지는 낮은 기생 커패시턴스의 장점을 제공하고 인덕턴스(리드 패키지와 대비)는 단말기 간의 잡음과 크로스토크(Crosstalk)를 제한한다.
우리는 휴대폰 기술 개발에 있어 흥미로운 시점의 한복판에 서 있다. 점점 증가하는 복잡도로 인해 요구되는 설계 조건은 점점 더 힘든 과정이 될 것이다. 엄청난 성장 잠재력을 이용하기 위해 반도체 칩 제조업체들은 이에 대한 요구에 대답을 하고 이 기술에 발 맞추어 나가고 있다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 09월호>