멀티레일 디지털 보드의 정밀하고 유연한 전원 전압 감시
  • 2015-07-17
  • 편집부



다중의 전원 레일을 사용하는 첨단 디지털 보드는 전원 시스템 디자이너들에게 해결해야 할 많은 과제를 제기한다. LTC2933과 LTC2936은 프로그램 가능하면서 정확도가 뛰어난 임계값을 사용해 6개 레일을 모니터링하고 감시할 수 있는 간소하면서도 유연성 뛰어난 솔루션을 제공한다.

FPGA, 마이크로프로세서(μP), ASIC, DSP를 채택한 회로 보드는 1 V 이하 POL(point-of-load)에서부터 12 V 중간 버스에 이르기까지 다중의 전원 레일을 필요로 하며, 시스템이 신뢰할 수 있게 동작하고 오류 없이 동작하도록 하기 위해 전압 감시(voltage supervision)를 필요로 한다. 실리콘 프로세스 기술이 수십 나노미터로 축소됨에 따라서 지극히 낮은 POL 출력 전압(통상적으로 코어를 구동하기 위한 것)은 1 V 미만에까지 이르게 됐으며, 프로세서 코어의 정확도 사양 역시 3% 이내로 엄격해지게 됐다. 이와 같이 정확도 사양이 엄격해졌다는 것은 다시 말해 전원 전압과 이 전원을 모니터링 하는 전압 감시 장치에 대해 엄격한 허용오차를 요구한다는 것을 의미한다.

FPGA/마이크로프로세서/ASIC/DSP 코어와 I/O, 메모리, PLL, 여타 아날로그 회로를 구동하기 위해서 필요로 하는 전원 레일 수가 급격히 늘어남에 따라서 10개 이상의 레일을 필요로 하는 경우가 드물지 않게 됐다. 그런데 또 많은 경우에는 설계 작업의 후반 단계에 이를 때까지도, 심지어는 보드를 제작하고 조립한 후에 이를 때까지도 정확한 전원 전압 수준을 알 수 없는 경우가 흔히 있다.

보드 전력 소모를 낮추도록 전원 전압을 최적화하기 위해서는 전원 전압을 필요에 맞게 트리밍하고 그에 따라서 각기 보드의 성능에 맞춰서 감시 임계값을 조절해야 한다. 전압 레벨은 또한 FPGA/마이크로프로세서/ASIC/DSP를 변경하는 것에 따라서 바뀔 수 있다. 통상적으로 감시 임계값을 변경하기 위해서는 저항값을 조절하거나 점퍼를 연결하는 방법을 쓰고 있는데, 이 방법은 미세하게 조절할 수 있는 능력이 떨어질 뿐만 아니라 작업이 번거롭고 많은 시간을 소모하며 오류를 일으키기 쉽다.

전압 감시 정확도의 중요성

그러면 예를 들어서 전압 감시 임계값을 설정하는 것을 살펴보자. 어떤 마이크로프로세서가 코어 전원 입력에 대해서 1 V±3% 전압을 사용하도록 요구한다고 하자. 그러면 (편의상 반올림해서) 유효 동작 범위는 0.97 V~1.03 V가 될 것이다. 그런데 신뢰성을 높이기 위해서 단순히 마이크로프로세서의 내부적 파워온 리셋에만 의존하는 것이 아니라 외부적 전압 감시 장치를 사용해서 이 전원을 모니터링 하도록 할 수 있다.

이상적이라면 변동을 일으키지 않을 것이므로 그림 1과 같이 저전압 감시 임계값을 정확히 0.97 V로 설정함으로써 전원 전압이 0.97 V 아래로 떨어지면 즉각적으로 신호를 보내서 리셋을 하게 할 수 있다. 하지만 현실적으로는 전압 감시 장치가 아날로그 레퍼런스 전압과 비교기로 이루어지는 것으로서, 이들 각각의 장치가 허용오차가 있음으로써 감시 임계값 변동을 일으키는 요인이 될 수 있다.

0.97 V 감시 임계값이면서 ±1% 허용오차라고 한다면 이 임계값은 0.96 V부터 0.98 V까지 변동적일 수 있다는 뜻이 된다. 그러면 임계값이 이 범위의 가장 낮은 쪽(0.96 V)일 때는 전원 전압이 마이크로프로세서 코어의 유효한 전압 범위를 벗어나는데도 감시 장치가 리셋을 시그널링 하지 않음으로써 마이크로프로세서가 오작동 하도록 할 수 있다.



이에 대한 대처 방법으로 공칭 감시 임계값을 유효 범위의 하단 끝인 0.97 V보다 1% 높게, 다시 말해 0.98 V로 설정할 수 있다. 그런데 이렇게 하면 높아진 감시 임계값 때문에 전원 전압이 0.99 V 아래로 떨어지면 리셋이 시그널링 된다는 단점이 있다. 그러므로 전원 전압을 0.99 V보다 높게, 다시 말해 1 V-1%로 유지해야 하고, 그러므로 감시 임계값 정확도 때문에 전원 장치 동작 범위를 잡아먹는다는 것을 알 수 있다.

과전압 임계값 역시도 마찬가지로 분석할 수 있다. 이 임계값을 공칭적으로 1.02 V로 설정해야 함으로써 전원 전압 범위의 상단 말단을 1.01 V, 다시 말해 1 V+1%로 제한하게 되는 것이다. 그러므로 마이크로프로세서가 ±3% 사양이고 감시 임계값 정확도가 ±1%인 것을 결합하면 전원 장치의 허용오차는 ±1%를 요구하게 되는 것이다. ±1.5% 감시 정확도이면 0%라고 하는 달성 불가능한 전원 장치 허용오차를 요구하게 된다.

만약에 과전압 보호가 필요하지 않다면 전원 전압이 0.99 V부터 1.03 V까지 될 수 있다. 그러면 이 경우에는 1.01 V±2% 전원 장치를 사용할 수 있을 것이다. 요컨대 감시 정확도는 전원 장치에 대해서 요구되는 허용오차와 비용을 결정하는 매우 중요한 변수라는 것을 알 수 있다.



뛰어난 유연성

이러한 전압 감시의 과제를 해결하는 제품이 바로 리니어 테크놀로지의 프로그래머블 6개 전원 전압 감시 IC인 LTC2933(그림 2)과 LTC2936이다. 이들 IC 제품은 EEPROM을 통합하고 있고, 0.2 V~13.9 V 임계값 조절 범위가 가능하고, I2C/SMBus 디지털 인터페이스를 통해서 8비트(256가지 선택) 임계값 레지스터를 설정할 수 있다. 두 제품 모두 0.6 V~5.8 V 범위의 임계값에 대해서 ±1% 정확도를 제공하며, 한 모니터링 입력으로 2개의 극성 조절가능 임계값이 가능하다.

예를 들어 한 임계값은 저전압(UV) 검출기로 구성해서 리셋을 발생시킬 수 있으며, 또 다른 임계값은 과전압(OV) 검출로 구성함으로써 비싼 보드 장치들이 손상되지 않도록 보호하거나 또는 좀 더 높은 UV 임계값으로 구성함으로써 조기에 전원 중단 경고를 제공함으로써 프로세서가 데이터를 백업할 수 있게 귀중한 시간을 확보할 수 있다.



I2C/SMBus 인터페이스를 통해서 임계값을 조절할 수 있으므로 외부 저항을 필요로 하지 않음으로써 보드 공간을 절약할 수 있고 저항의 허용오차로 인한 정확도 저하를 피할 수 있다. 또한 보드를 재작업해야 하는 것이 아니라 구성 레지스터를 쓰는 것으로 막판에 빠르게 임계값 변경을 할 수 있으므로 제품 출시 시간을 단축할 수 있다.

또한 휘발성 메모리에 순간적 결함 상태를 저장하고 내부 EEPROM에는 레지스터 구성을 저장하고 결함 이력을 백업하므로 디버그를 빠르게 할 수 있고 개발 시간을 단축할 수 있다. 또한 전원 노이즈로 인한 불필요한 리셋을 최소화하도록, 그림 3과 같이 비교기 과구동을 기반으로 입력 글리치에 응답한다.

2개의 범용 입력(GPI)은 수동 리셋 입력, UV 또는 UV/OV 결함 정지 입력(보드 마진 테스트 등), 쓰기 보호 입력(LTC2936만 해당), 보조 비교기 입력으로 구성할 수 있다. GPI 보조 비교기의 고정적 0.5 V 임계값이 ±2% 정확도이므로 외부 저항을 이용해서 총 8개 전원을 모니터링 하도록 확대할 수 있다.

3개의 범용 입/출력(GPIO)은 입력으로 구성하거나 리셋, 결함, SMBus 경고 출력으로 구성할 수 있다. 어떤 GPI, GPIO, UV/OV 결함 입력이든지 어떤 GPIO 출력으로나 맵핑할 수 있다. GPIO 핀은 해제 시 지연(delay-on-release) 시간(1 μs~1.64 s), 출력 타입(개방 드레인, 약한 풀업), 극성(액티브 하이 또는 로우)으로 프로그램 할 수 있다. 이렇게 유연성을 가능하게 하면서도 소프트웨어 코딩은 하지 않아도 된다.



그림 4에서 보는 것과 같이 LTpowerPlay™ 개발 환경을 이용함으로써 직관적 그래픽 인터페이스 상에서 이들 디바이스를 구성할 수 있기 때문이다. LTC2933과 LTC2936은 또한 2% 정확도 3.3 V 선형 레귤레이터 출력에서 음의 전원으로 저항을 연결함으로써 아날로그 회로를 구동하기 위한 것과 같은 음의 전원을 모니터링 할 수 있다.



표 1에서는 LTC2933과 LTC2936의 차이점을 설명하고 있다. LTC2933은 입력 중의 하나는 12 V 중간 버스를 직접적으로 모니터링 할 수 있고, 나머지 5개 입력은 0.2 V~5.8 V 범위의 전원을 모니터링 할 수 있으면서 0.2 V~1.2 V의 정밀 범위 설정으로는 4 mV 간격으로 임계값을 조절할 수 있다. LTC2936은 각기 모니터링의 비교기 출력을 핀으로 제공함으로써 시퀀스를 이루는 앞서의 전원이 유효한 동작 범위에 도달한 후에 또 다른 전원이 시작하는 캐스케이드 시퀀싱 애플리케이션을 가능하게 한다.

결론

다중의 전원 레일을 사용하는 첨단 디지털 보드는 전원 시스템 디자이너들에게 해결해야 할 많은 과제를 제기한다. 이 중 하나가 다양한 유형의 전원 전압을 정밀하게 모니터링 함으로써 전원 파워업이나 브라운아웃 시에 프로세서 시스템이 리셋을 발생시킬 수 있도록 하는 것이다. 전원 중의 어떤 것은 막판까지도 전압 레벨을 알 수 없는 경우도 있다.

LTC2933과 LTC2936은 바로 이와 같은 과제를 해결하는 제품들로서, 프로그램 가능하면서 정확도가 뛰어난 임계값을 사용해서 6개 레일을 모니터링하고 감시할 수 있는 간소하면서도 유연성 뛰어난 솔루션을 제공한다. 그러므로 이들 제품을 사용함으로써 제품 출시 시간을 단축하고, 최신 프로세서의 정확도 요구를 충족하고, 다중의 감시 소자를 필요로 하지 않음으로써 부품 목록을 줄이고 비용을 절감할 수 있다. 

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