의료장비가 디지털화되면서 병증에 대한 관찰이나 진단이 과거에 비해 비약적으로 정밀해지고 정확해지고 있다. 특히 신체 내부의 병증 진단을 위한 내시경은 환자에게 불편을 최소화하는 방향으로 진화하고 있다. 본고에서는 내시경에 이용하기 적합한 쿼드 출력 스텝다운 레귤레이터 솔루션에 대해서 설명한다.

역사 이래로 의사들은 신체 내부적 병증이나 손상 때문에 고통을 겪는 환자들을 어떻게 하면 더 잘 진단하고 치료할 수 있을지 끊임없이 고민해 왔다. 가능하면 덜 침습적이면서 불편을 최소화하는 방식으로 환자를 검사하고 치료하는 것이 1800년대부터 의료 치료의 아주 중요한 부분을 차지하고 있다.
오늘날 내시경 경향은 갈수록 더 디지털 영상 기법을 채택함으로써 영상의 해상도, 조직 식별, 환자와 환자 가족들에게 치료에 대해서 설명하는 것이 크게 발전할 수 있게 되었다. 하지만 이렇게 하기 위해서는 영상 데이터를 처리하고 제공하기 위해서 다중의 디지털 프로세서를 필요로 한다. 이 점이 바로 설계상의 어려운 과제이다. 다시 말해서 설치 비용과 도입 비용을 최소화하기 위해서 어떻게 하면 기존에 설치된 내시경 카메라 제어 유닛(CCU)과 동일한 폼팩터로 이러한 모든 전자 장치 및 그에 따른 전원 레귤레이터들을 집어넣을 수 있을 것인가 하는 것이다.

내시경의 역사
대부분의 역사학자들은 Bozzini의 Lichleiter(‘light conductor’)라고 하는 기구가 오늘날 우리가 알고 있는 것과 같은 형태의 최초의 내시경이라고 보고 있다. 1800년대 초에 고안된 이 기구는 딱딱하고 각도 조절이 가능한 거울이 있어서 이곳에 비친 상을 의사가 확인할 수 있었다. 하지만 조명으로 촛불 하나만을 사용함으로써 상의 품질이 조악했다. 그러다 20세기에 들어서 조명 기법이 발전함으로써 여러 명의 발명가들이 카메라로 내시경 정지 영상을 포착하는 방법을 고안하게 되었다.
1950년대에는 일본의 Mori와 Yamadori가 세계 최초로 출산 과정을 내시경을 이용해서 동영상으로 촬영하였다. 이 당시에 사진이나 동영상 촬영의 단점이라면 영상을 실시간으로 공유하거나 조작할 수 없다는 것이었다. 하지만 오늘날 첨단 디지털 영상 기술은 이러한 기능들을 가능하게 할 뿐만 아니라 초기 선구자들이 이러한 길을 내놓은 이래로 그 어느 때보다 우수한 해상도를 제공하고 있다.

디지털 내시경으로의 전환
21세기에 접어들어서는 CMOS 이미지 센서가 의료 전문가들이 요구하는 수준의 영상 해상도와 낮은 전력 소모를 달성하게 되었다. 이러한 이미지 센서는 풀 HD(1980 픽셀 x 1080 픽셀) 및 그 이상의 해상도로 고품질의 영상을 제공한다. 어떤 업체들에서는 표준적 2D HD 영상에서 한 걸음 더 나아가서 3D 입체 내시경을 내놓고 있다. 전력 소모(그리고 그에 따른 온도 상승) 또한 매우 중요한 요소이다.
CMOS 센서는 대부분 내시경 끝에 달린 카메라 헤드 안에 들어가고, 카메라 헤드는 렌즈를 원하는 화면을 제공하도록 방향을 조절할 수 있도록 하기 위해서 의료 팀이 손으로 편리하게 조작할 수 있는 폼팩터로 설계되기 때문이다. 첨단 CMOS 센서의 영상 해상도와 낮은 전력 소모는 디지털 내시경 도입을 가속화할 수 있도록 하는 중요한 토대가 되고 있다.

디지털 내시경은 여러 측면에서 의사와 환자 모두에게 유익한 이점을 제공한다.
1) 실시간 디지털 영상(또는 동영상)은 의사가 세계 어느 곳에 있는 동료 의사들과 협진이 가능하도록 함으로써 환자를 더 효과적으로 치료하고 회복 시간을 단축할 수 있도록 한다.
2) 영상을 즉시 조작할 수 있으므로 의료 팀이 다양한 조직을 더 수월하게 식별할 수 있다.
3) 수술 과정을 편리하게 기록하고 교육 용도에 활용할 수 있다.
4) 3D 내시경은 깊이감을 더해서 의사가 영상을 더 잘 이해할 수 있도록 함으로써 치료하고자 하는 조직에 대한 적중도를 높일 수 있다.
5) 영상을 환자의 전자적 의료 기록으로 바로 저장할 수 있으므로 환자와 환자 가족들이 확인할 수 있으며 진단, 치료, 회복 과정을 좀 더 구체적으로 설명할 수 있다.

하지만 이러한 다섯 가지 이점을 현실로 실현하기 위해서는 이러한 모든 데이터들을 처리하기 위해서 충분한 프로세싱 성능을 제공해야 한다는 요구사항이 따른다.

POL 레귤레이터에 필요로 하는 PCB 면적 감소
이러한 CMOS 센서를 이용해서 대량의 데이터를 생성하고, 표시하고, 조작하고, 제공하고, 저장하는 이와 같은 기능들을 위해서는 대량의 디지털 프로세싱 성능을 필요로 하며 이러한 성능은 대부분 카메라 제어 유닛(CCU) 안에 들어가게 된다. 통상적으로 내시경 시스템의 주요 부품들로는 이미지 프로세서, 하나 이상의 FPGA, 메모리, A/D 컨버터, 비디오 디스플레이 포트, 이더넷 컨트롤러를 포함하며, 이들 장치들이 결합되어 이러한 기능들을 제공한다. 따라서 대부분의 장비가 동작을 위해서 다중의 입력 전압을 필요로 한다. 그러므로 설계 엔지니어에게 까다로운 과제가 어떻게 하면 더 제한적인 공간으로 빠르게 늘어나는 이러한 많은 수의 전원 레일들을 지원할 것인가 하는 것이다.
이러한 모든 디지털 부품이 차지하는 면적을 줄일 수 있도록 하고 환자와 의사 모두를 위해서 유익한 이점들을 실현할 수 있도록 돕는 제품으로서 리니어 테크놀로지는 공간 절약적인 14 VIN 쿼드 출력 스텝다운 μ Module짋 레귤레이터 제품인 LTM4644를 출시하였다. 양면 PCB에서 2.3 cm x 1.5 cm 면적(그림 1)을 차지하는 LTM4644는 4개 출력 전압을 레귤레이트 하고 각기 출력으로 최대 4 A의 전류를 공급할 수 있으므로 디지털 내시경 시스템에 사용되는 FPGA 및 기타 디지털 프로세서에 따라서 필요로 하는 전력 요구량을 제공할 수 있다(그림 2).
반면에 경쟁 업체들의 비교 가능한 스텝다운 모듈 솔루션을 이용하면 최대 4배의 PCB 면적을 필요로 한다. 뿐만 아니라 이 스텝다운 μ Module 레귤레이터는 출력으로 전류 공유가 가능하므로 엔지니어가 이 레귤레이터를 단일 출력(16 A), 듀얼 출력(12 A, 4 A 또는 8 A, 8 A), 트리플 출력(8 A, 4 A, 4 A), 쿼드 출력(각각 4 A)으로 구성할 수 있는 유연성을 제공한다. 이러한 유연성을 제공하므로 내시경 시스템 엔지니어가 하나의 컴팩트한 μ Module 레귤레이터를 이용해서 FPGA, ASIC, 마이크로프로세서, 기타 회로에 필요로 하는 다양한 전압 및 부하 전류 요구를 충족할 수 있다.
LTM4644 μ Module 레귤레이터는 4 V~14 V(외부 바이어스를 이용하면 2.375 V~14 V) 입력을 이용해서 최대 4개의 출력 전압 레일을 지원할 수 있으며 각기 출력으로 최대 4 A를 공급할 수 있으므로 FPGA, 기타 디지털 프로세서, 메모리, 지원 아날로그 회로로 필요로 하는 전력 요구량을 제공할 수 있다. 또한 전체적인 솔루션을 위해서 6개 외부 세라믹 커패시터(1206 사이즈)와 4개 저항(0603 이하 사이즈)만을 필요로 한다.
공간을 절약하고 설계 시간을 단축할 수 있는 점으로서 LTM4644 쿼드 출력 레귤레이터는 9 mm x 15 mm x 5.01 mm BGA 패키지로 DC/DC 컨트롤러, 전력 스위치, 인덕터, 보정 회로를 통합하고 있다. 4 V~14 V 입력 전원(외부 바이어스 전원을 이용하면 2.375 V~14 V)이 각 레귤레이터 채널로 전력을 공급해서 라인, 부하, 온도에 걸쳐서 ±1.5퍼센트 정확도로 0.6 V에서 5.5 V 사이로 조절 가능한 레귤레이트 출력 전압을 제공한다.
각기 개별적인 입력 구동 핀을 제공하므로 출력 전류를 공유하거나 공유하지 않거나 전력 예산 상 필요하다고 생각되면 4개 채널을 각기 다른 전원 레일로 구동할 수 있다. 또한 솔루션 크기와 비용을 더욱 더 줄일 수 있도록 하는 점으로서 LTM4644에 통합된 4개의 스위처를 90도씩 다른 위상으로 동작시킴으로써 입력 커패시턴스를 절반으로 줄이고도 동일한 입력 리플 성능을 달성할 수 있다. 그러므로 동일한 입력 전원으로 동작하는 쿼드 출력 구성을 위해서 6개 외부 세라믹 커패시터(1206 사이즈)와 4개 피드백 저항(0603 이하 사이즈)만을 필요로 한다(그림 2). LTM4644가 소형화된 BGA 패키지인데다 매우 적은 수의 외부 부품만을 필요로 하므로 오늘날 이용할 수 있는 가장 소형화된 크기의 쿼드 출력 4 A DC/DC 스텝다운 솔루션을 제공한다.

뛰어난 파워업 시퀀싱
LTM4644는 특정한 파워업 및 파워다운 시퀀스에 따라서 부하들을 구동할 수 있는 기능을 제공한다. 각각의 출력이 각기 인에이블(RUN) 로직 핀, 추종(TRACK/SS) 핀, power good(PGOOD) 로직 플래그를 이용한다. 추종 핀은 파워업 및 파워다운 시에 아날로그 입력을 인가해서 출력 전압 슬루율을 제어할 수 있다. power good 핀은 출력 전압이 목표 레귤레이션 지점의 ±10퍼센트 이내가 되었을 때 이를 표시한다. 어떤 전압 레일이 다른 전압 레일보다 앞서 구동됨으로써 역류가 일어나거나 스타트업에 앞서 전압이 유지되고 있을 때는 전압 레귤레이터가 작동되는 순간에 어떤 부하의 전원 레일이 사전 바이어스 될 수 있다. 사전 바이어스 된 출력은 일부 동기 스위칭 레귤레이터로 문제가 될 수 있다.
스타트업 시에 제어 루프가 이 부하를 즉시 접지로 방전할 수 있으나 FPGA는 적절히 동작하기 위해서 단조적으로 상승하는 전원 소스를 필요로 한다. LTM4644는 필요한 제어 및 표시 핀을 제공할 뿐만 아니라 사전 바이어스 된 부하가 존재하더라도 단조적으로 상승하는 전압을 제공한다(그림 3).

더욱 더 소형화된 솔루션 이용 가능
엔지니어들이 막판 설계 변경을 수월하게 할 수 있도록 LTM4624는 LTM4644의 단일 출력 버전으로서 LTM4644와 같은 높이로 소형화된 6.25 mm x 6.25 mm x 5.01 mm BGA 패키지로 제공된다. 전체적인 LTM4624 솔루션이 2개 외부 커패시터와 1개 피드백 저항만을 필요로 하므로 단면 PCB로 놀랍게도 1평방센티미터 미만의 면적을 차지한다(그림 4). LTM4624는 위에서 설명한 것과 동일한 동작 입력, 출력 전압, 파워업 시퀀싱 특성을 제공한다.

결론
빠르게 늘어나는 디지털 내시경은 환자와 의사 모두에게 다수의 이점을 제공한다. CMOS 이미지 센서는 뛰어난 영상 해상도와 의료 팀이 원하는 화면을 포착하기 위해서 편리하게 조작할 수 있도록 충분히 낮은 동작 온도로 신체 내부에 대한 영상 및 동영상을 제공한다. 이러한 영상 및 동영상을 편리하게 저장하고, 향상시키고, 공유할 수 있으므로 더 효과적이고 신속하게 더 낮은 비용으로 환자를 치료할 수 있으므로 환자, 환자 가족, 의료 팀 모두에게 유익하다. 그러기 위해서 일련의 디지털 프로세서, 메모리, A/D 컨버터, 비디오 디스플레이 포트, 이더넷 컨트롤러를 필요로 하며 갈수록 더 많은 PCB 면적을 차지하고 있다.
이에 따라서 기존 내시경 시스템의 폼팩터를 그대로 유지하기 위해서는 POL(point-of-load) 레귤레이터가 갈수록 더 제한적인 공간으로 갈수록 더 많은 수의 전압 레일을 지원해야만 하게 되었다. LTM4644와 LTM4624 스텝다운 μ Module 레귤레이터는 바로 이와 같은 요구를 충족하도록 간소하면서 컴팩트한 솔루션을 제공한다.