디지털기기의 복잡성으로 효율적인 전원제어나 변환 등에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히 데이터 커뮤니케이션, 통신, 스토리지 및 컴퓨팅/서버 분야에서 고용량 전력관리의 필요성이 대두되고 있다. 본고에서는 디지털 전력 시스템 관리 제품에 대하여 알아본다.



글 | 아프신 오다바이(Afshin Odabaee)
마이크로모듈 전력 제품부 제품 마케팅 매니저
리니어 테크놀로지

핵심적인 과제는 넓은 범위에서부터 세부적인 보드 레벨에 이르기까지 전력의 상세하고 정확한 사용을 이해함으로써 전력 소모를 줄이는 데 있다. 예를 들면 대형 서버팜에서부터 각종 랙 장착 시스템에 탑재되는 소형 보드 장착 전원까지 전과정이 포함된다. 다수의 레일이 있는 회로 보드에서 전력을 관리하고 유연성을 구현하는 것은 매우 어려운 작업이 될 수 있으며 DVM과 오실로스코프 같은 장치를 사용하는 직접적인 엔지니어링 검사 작업을 요구하고, 이는 종종 PCB 부품에 대한 재작업으로 이어진다. 이러한 전력 관리 작업을 간소화하기 위해 디지털 통신 버스를 통해 전력을 구성하고 관리하는 경향이 증가하고 있다. 달리 말하면 전력 파라미터를 설정하고 모니터링, 변경 및 로깅하는 텔레메트리를 구현하는 것이다(그림 1). 이러한 기법은 흔히 ‘디지털 전력’ 또는 ‘전력 시스템 관리’라고 불리며 시스템 설계자가 프로토타이핑, 배치 및 현장 작동 중에 간편하고 빠르게 시스템 특성과 최적화를 수행할 수 있게 한다.

디지털 전력 시스템 관리: 디지털 버스 인터페이스를 통한 핵심 전력 파라미터 액세스, 모니터링, 변경
디지털 전력 시스템 관리(DPSM) 제품은 개방형 I²C 기반 디지털 인터페이스 프로토콜인 2-wire PMBus 인터페이스를 통해 구성되고 모니터링 된다. 따라서 기존 임베디드 시스템과 구조, 보드 장착 컨트롤러(BMC), 지능형 플랫폼 관리 인터페이스(IPMI) 기능과 매끄럽게 통합할 수 있다. 특히 제품은 맨 처음 초기 단계의 하드웨어 개발과 테스트에서부터 PC에서 실행하는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용해 USB-to-PMBus 어댑터 보드를 통해 DPSM 디바이스와 통신을 하기 때문에 간편하고 편리하게 사용할 수 있다. 그림 2의 블록 다이어그램은 DPSM을 사용하여 8개의 POL(point-of-load) 레귤레이터를 제어하는 일반적인 방법을 보여준다. 여기에는 여러 개의 POL 레귤레이터와 DPSM 블록, 디지털 버스, 그리고 데이터를 수집하고 전달하는 호스트가 포함된다.
DPSM 제품은 사용자에게 핵심적인 전력 관련 데이터를 제공할 수 있다. 사용자는 디지털 버스를 통해 부하 전류, 입력 전류, 출력 전압에 액세스하고 전력 소모와 효율을 계산하는 외에도 여러 가지 다른 전력 관리 파라미터에 액세스할 수 있다. 또한 제품은 예측적 분석을 개발하고 운영 비용을 최소화하면서 신뢰성을 증대시키는 능력을 제공함으로써 스마트한 에너지 관리 결정을 내릴 수 있게 한다.

DPSM의 장점: 전압 최적화로 ASIC, FPGA, 프로세서 성능 향상
POL 레귤레이터의 출력 전압 정확도는 ASIC 및 FPGA 같은 저전압 디바이스에 전력을 공급하는 데 매우 중요하다. DPSM 디바이스는 매우 정확하고 안정적인 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 사용하여 지속적으로 전원 출력 전압을 측정한다. 시간 서보 루프가 트림 DAC의 값을 자동 조정하므로 전원 출력 전압 드리프트가 없고 정밀도가 크게 향상된다. 반면, 전통적인 전원회로의 출력 전압은 온도 변화와 제조 허용오차로 인해 시간에 따른 드리프트가 발생한다. 이러한 전압 드리프트는 설계 마진을 위반할 수 있다. 출력 전압, 시퀀싱 배열, 전압 및 전류 감시 임계값은 PCB 또는 부품 변경에 의해서만 조정할 수 있다. 그림 3은 기존 POL 컨버터(왼쪽)와 DPSM 제품(오른쪽)의 비교를 통해 이러한 장점을 요약해서 보여준다.

PSM의 장점: 전력 파라미터의 동적 제어로 에너지 소비 절감
전통적인 전원회로의 전압은 고정되어 쉽게 즉시 변경할 수 없다. 반면에 디지털로 관리되는 전원은 산업 표준 2-wire 디지털 인터페이스를 사용하여 조정할 수 있으며 일부는 1 mV 이상의 분해능을 갖는다. DPSM 제품을 사용하면 전체적인 시스템 전력 소모를 줄이는 것으로 입증된 동적 전압과 주파수 스케일링과 같은 기법을 구현함으로써 시스템 성능을 세밀하게 조정하고 낭비되는 전력을 최소화할 수 있다(그림 4).

PSM의 장점: 텔레메트리 및 온 보드 비휘발성 메모리로 매끄럽고 정밀한 시스템 모니터링, 보호 및 데이터 로깅 구현
전통적인 전원에서 일부 정교한 시스템 모니터링 기능은 보통 DC/DC 레귤레이터와 분리되어 추가적인 감시 IC 또는 회로를 필요로 한다. 더욱이 과전압(OV), 미달전압(UV), 과전류(OC) 오류와 같은 온 보드 기능들은 검출은 가능하지만, 최소한 간단하고 매끄러운 방법으로 호스트 컨트롤러에 이들 오류를 모두 보고하는 것은 가능하지 않다.
디지털로 관리되는 레귤레이터에서 전력 모니터링 기능은 내장되어 있고 프로그래밍 가능하다. 또한 하나의 POL에 대한 오류 조건을 다른 POL과 간편하게 결합시켜 다양한 오류 조건에 대해 개별적인 맞춤형 응답을 생성할 수 있다.
DPSM 디바이스에서 검출된 오류는 높은 정확도의 전압, 전류 및 온도 측정과 관련되어 제공된다. 내장된 비휘발성 메모리는 디버깅 및 근본 원인 분석을 위해 유용한 정보를 저장할 수 있다.
다른 관심있는 주제는 시스템의 전압 레일에 대한 정확한 시퀀싱 배열이다. 이는 종종 보드 제작을 마칠 때까지 알 수 없으며 나중에서야 전원 램프 레이트를 조정할 필요가 발생할 수 있다. 전통적인 전원에서도 시퀀싱과 램핑은 수행 가능하지만, 값은 고정적이며 보드 수준의 변경을 통해서만 조정할 수 있다. 그러나 DPSM 기능이 탑재된 레귤레이터에서 전력 파라미터는 소프트웨어로 구성할 수 있어 보드 수준 또는 부품 수준의 변경이 필요하지 않다. 전력 파라미터 수정은 챔버 내에서도 수행할 수 있기 때문에 제품 출시 시 또 다른 재인증 검사나 지연이 없다.
한 가지 분명한 장점은 더 빠르고 간편한 디버깅과 문제 해결이 가능하다는 것이다. 기존 전원 설계에서 이러한 작업은 외부 계측기와 프로브를 사용하여 수행되며 종종 측정에 어려움이 따른다. 디지털로 관리되는 전원에서는 각각의 POL에 테스트 하드웨어가 내장되어 GUI와 디지털 인터페이스를 통해 측정값을 읽을 수 있다.
마지막 예는 마진 테스트이다. 마진 테스트는 최악 조건에서의 성능을 시뮬레이트 하기 위해 전원의 한계값을 초과하는 실험이다. 마진 테스트는 매우 많은 비용과 시간이 소요되는 최악 조건 분석에 대한 사용 가능한 유일한 대안이다.
마진 테스트는 전통적인 POL에 통합할 경우 복잡성을 증가시키고 제조 허용오차로 인해 부정확해진다. 반면 DPSM 제품에서 마진 테스트는 내장되어 있으며 매우 정확하다. 더욱이 각각의 POL은 자체의 마진 레벨(하이 및 로우 레벨 모두 포함)을 가질 수 있어 전원 레벨의 복잡한 패턴을 디지털 인터페이스를 통해 프로그래밍할 수 있다. 이것은 시스템 레벨 성능에 대한 최악 조건 분석을 수행하는 빠르고 간편한 방법을 제공한다.

전력을 지배하다: DPSM 탑재한 듀얼 13A μModule 레귤레이터
리니어 테크놀로지의 DPSM 제품은 그림 5의 전력 시스템 관리 IC를 포함하고 있다(이들 IC는 DC/DC 레귤레이터 기능은 없지만, 시스템 보드에 제어 레귤레이터를 탑재하고 있다.).
다음 제품군은 DC/DC 레귤레이터 IC이다. 이들 제품군에는 그림 5에 나와 있는 레귤레이터와 함께 디지털 전력 시스템 관리 기능이 포함되어 있다.
DPSM 제품군에 추가된 새로운 제품군은 PSM을 탑재한 μModule짋(마이크로모듈) 전력 제품이다. μModule 레귤레이터에는 인덕터, 전력 MOSFET 및 보상 회로가 포함되어 있다.LTM4676은 이 제품군에 속하는 첫 번째 μModule 제품이다.
LTM4676은 하나 또는 두 개의 POL(point-of-load)에 전력을 공급하는 기능 이외에도 개방형 표준 I²C 기반 디지털 직렬 인터페이스 프로토콜인 PMBus를 통해 전력 및 전력 관리 파라미터에 대한 구성과 텔레메트리 모니터링 기능을 제공한다. LTM4676의 2-wire 직렬 인터페이스는 출력을 마지닝 및 튜닝하고 시퀀싱 지연 시간으로 프로그래밍 가능한 슬루율에서 램핑 업/다운할 수 있게 한다. LTM4676은 16비트 ADC와 I²C 기반 인터페이스를 내장하고 있어 입력 및 출력 전류와 전압, 출력 전력, 온도, 가동 시간을 다시 읽을 수 있다. 일부 피크 값은 읽기 가능하다. 출력 전압은 전체 온도, 라인 및 부하 조건에서 ±1% 이내로 감지 지점에서 레귤레이트 된다. 보다 엄격한 옵션에 대해서는 공장에 문의한다.
출력 전류 되읽기(readback) 사양은 10 A 부하 조건에서 ±2.5%이다. 이러한 정확도는 ASIC, FPGA 및 CPU/GPU 전력 소모에 대한 뛰어난 최적화 및 모니터링을 제공한다. 출력 전압을 즉시 미세 조정할 수 있는 능력과 결합하여 LTM4676은 동적 전압 스케일링, 부하 차단을 비롯한 기타 여러 구조를 구현할 수 있는 가능성을 열어줌으로써 설정한 전력 관리 목표에 따라 시스템으로부터 최대치를 끌어낼 수 있게 한다.
LTM4676을 사용하면 시스템의 모든 레일에 대한 디지털 모니터링이 가능할 뿐 아니라 구현도 간편하다. 디지털 모니터링은 전력 소모, 부하 및 장기적인 추세에 대한 패턴에 상세한 통찰을 제시해 줄 수 있다. 이러한 데이터는 예측적 분석을 개발할 수 있는 기회를 제공하고 예방적 유지보수 스케쥴링에 대한 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있게 한다.
오류 로그 기능은 시스템 셧다운이 발생하는 경우 그때까지 LTM4676 디바이스에 의해 레코딩 된 데이터를 다시 가져올 수 있게 한다. 이 기능은 하이엔드 시스템에서 발생한 문제를 진단하는 데 수 시간 또는 수 일을 단축시킬 수 있다. 문제의 교정은 PC에서 일부 레지스터 설정을 변경하는 것처럼 간단할 수 있다. 더욱이 시스템 전원에 대한 현장 모니터링과 업그레이드도 가능하다.

요약
LTM4676 μModule 레귤레이터는 디지털 텔레메트리와 디지털 전력 시스템 관리 기능을 탑재하고 있어 시스템 설계자는 프로토타이핑, 배치 및 현장 작동 중에 간편하고 빠르게 시스템 특성과 최적화를 수행할 수 있다. 쓰기/읽기 전력 파라미터에 탁월한 파라메트릭 정밀도를 구현하고 있는 LTM4676은 ASIC, FPGA 및 프로세서와 같은 초저전압, 고전력 IC에 사용하도록 최적화되었다. LTM4676을 사용하면 시스템 전력을 완벽하게 제어할 수 있다. ES