견고한 이산 전원장치를 설계하기 위해서는 숙련된 전문성을 필요로 하고 많은 시간이 소요된다. 전원 모듈은 플러그앤플레이로 즉시 사용할 수 있고 신뢰성이 뛰어난 디자인을 제공하므로 훨씬 더 빠르고 쉽게 프로토타입을 개발하고 제품을 출시할 수 있다.

오늘날 시장에 등장하고 있는 새로운 세대의 전원 모듈 제품들은 더욱 더 소형화된 SiP(system-in-package) 전원 솔루션으로서 더더욱 높은 집적도를 달성하고 있다. 공정 기술과 패키징 기술이 진화함에 따라, 이들 디바이스가 더욱 소형화되고 더 높은 효율로 동작할 수 있게 되었을 뿐만 아니라, 이들 디바이스를 사용함으로써 오작동을 일으키지 않는 전원장치를 설계하기 위해서 해야 하는 까다로운 작업들을 피할 수 있게 됐다. 그 결과 시스템 디자이너들이 자신의 디자인의 중요한 측면에 좀 더 집중할 수 있고 제품 출시 기간을 단축할 수 있게 됐다.

차세대 전원 모듈을 사용한 전원 설계 간소화

전원 모듈의 가장 큰 이점은, 이러한 전원 모듈을 사용함으로써 시스템 디자이너들이 전원 설계는 다른 이의 손에 맡기고 자신의 핵심적 IP에 좀 더 집중할 수 있다는 것이다. 그런데 이제는 기존의 PCB 전원 모듈 및 브릭 제품들이 더더욱 성능이 우수하고 소형화된 “SiP” 모듈에 길을 내주고 있다.

이러한 차세대 전원 모듈 제품들은 오늘날 새로운 디자인으로 직면하고 있는 과제들을 해결한다. 기술이 진보함에 따라서 이러한 모듈을 사용하기가 더욱 더 편리하게 됐으며 그와 동시에 전반적인 크기를 소형화하고 전체적인 BOM을 줄일 수 있게 됐다. 이러한 차세대 모듈의 이점은 그 어느 때보다 더 높은 효율을 가능하게 하고, 각기 다른 전압 및 전류에 걸쳐서 핀-대-핀 호환이 가능하고, 비용을 낮추기 위해서 용이하게 이전이 가능하다는 것이다.

전원 설계: 결코 쉽지 않은 작업

처음부터 시작해서 견고한 전원 설계를 설계하기란 결코 쉽지 않은 작업이며, 특히 스위칭 레귤레이터 IC를 포함하는 경우에는 더 어렵다. 이를 설계하기 위한 통상적인 방법은 개별 소자들을 복잡하게 혼합하는 것으로서, 그러려면 회로로 문제를 일으키지 않는 디자인을 하기 위해서 특수한 숙련성과 전문성을 필요로 한다. 전원 설계에서 문제를 일으키면 제품 출시 시간을 지연시킬 수 있으며, 이 문제를 해결하지 못하면 시스템이 현장에 설치된 후에 결함을 일으킬 수 있다는 점에서 곤란해질 수 있다.

또한 이산적 전원장치 디자인은 다수의 외부적 소자를 필요로 함으로써 부품을 조달하고, 재고를 관리하고, 부품을 주문하고, 표면실장을 하기 위해서 많은 시간과 노력이 들어가야 하는 데다, 그러한 부품의 입수 가능성을 확보하기가 여간 까다로운 것이 아니다. 또한 이산 전원 설계는 더 넓은 PCB 레이아웃을 필요로 하므로, 오늘날과 같이 그 어느 때보다 공간이 중요해진 시대에 귀중한 보드 면적을 많이 차지한다.

전원 모듈이 해결책

공정 기술이 갈수록 축소되고 IC 설계 기술과 패키지 집적 기술이 발전함에 따라서 이제는 모듈 업체들이 베이스 IC와 함께 전원 회로에 필요한 다수의 수동소자들을 단일의 소형화된 전원 솔루션으로 통합하는 것이 가능하게 됐다. 동기식 스위칭 레귤레이터로 FET을 통합함으로써 이전 스위치 소자보다 크기가 더 소형화되고 효율과 정확도를 향상시킬 수 있게 됐다.

그런데 최신 세대의 전원 모듈 솔루션은 한 발 더 나아가 이러한 새로운 동기 스위치에다 저항, 커패시터, MOSFET, 인덕터 등의 소자들까지 통합함으로써 사용하기 편리한 하이브리드 전원 모듈 솔루션을 제공한다. 이러한 전원 모듈 솔루션을 사용함으로써 솔루션 크기를 더더욱 소형화하고, 비용을 낮추고, 레이아웃 복잡성을 완화할 수 있게 됐다.

전원 모듈이라고 다 같은 것은 아니다

오늘날 시장에 나와 있는 전원 모듈은 IC보다는 더 간편하게 사용할 수 있으나 모든 설계상의 과제들을 완벽하게 해결하는 것은 아니다. 이상적인 모듈이라면 총 유지비용을 낮추면서 다음과 같은 주요 설계상의 이점들을 결합함으로써 제품 출시 시간을 단축할 수 있도록 해야 할 것이다:

고객 검증이 이루어진 견고한 IC를 토대로 높은 효율과 낮은 전력 소모 달성
더더욱 많은 소자들을 통합함으로써 크기 소형화
사용하기 편리할 것. 다양한 전압 및 전류에 걸쳐서 핀 호환이 가능함으로써 설계 유연성 가능
높은 유연성. 양산 시 비용을 낮출 수 있도록 모듈에서 IC로 편리하게 이전이 가능할 것.

바로 이러한 솔루션이 새로운 세대의 신뢰성이 뛰어난 SiP 전원 솔루션으로서, 이산 디자인에서 부딪히는 문제들을 해결하고 위에서 언급한 주요 설계상의 요구를 충족함으로써 엔지니어가 디자인의 다른 중요한 측면에 더 많은 시간을 할애할 수 있도록 한다(그림 1).

검증된 동기 레귤레이터 기반

IC 공정 기술 및 설계 기술이 향상됨에 따라, 스위칭 전원장치로 MOSFET 트랜지스터를 통합할 수 있게 됐다. 그럼으로써 동기식 정류 전원장치를 개발할 수 있게 됐고, 이로써 DC-DC 전원 시장, 특히 고전압 애플리케이션 분야에 일대 혁신을 일으키게 됐다. 최신 세대의 동기식 벅 컨버터는 대단히 높은 효율, 더 낮은 온도의 동작, 더 소형화된 크기를 가능하게 한다.

기술적 특징

비동기에 비해서 동기 전원 IC의 이점

그림 2는 동기식 대 비동기식 전원 설계의 차이점을 보여준다. 전통적인 비동기식 컨버터는 외부적 쇼트키 다이오드를 사용해서 출력 인덕터 전류를 정류하고 하이사이드 트랜지스터 오프 시간에 전도한다. 이론적으로 이 기법은 간단한 것이다. 하지만, 이 기법이 지난 수십 년 동안 널리 사용돼 왔음에도 불구하고, 실제적으로 이를 설계하기는 매우 까다로운 작업이며 제어하기는 더더욱 어렵다. 이 방법의 가장 큰 단점은 다이오드가 포워드 전압 강하 때문에 많은 열을 발생시키고, 그럼으로써 결과적인 시스템이 그렇게 효율적이지 않다는 것이다.

동기식 컨버터는 이 외부적 정류 다이오드를 내부적 로우사이드 전력 MOSFET으로 교체한 것이다. 비동기식 컨버터의 다이오드와 비교해서 이 MOSFET의 낮은 저항은 훨씬 더 낮은 전압 강하를 일으킨다. 또한 이 MOSFET이 필요하지 않을 때는 턴오프시킬 수 있다. 그러므로 변환 시의 전력 손실을 크게 줄일 수 있다. 이는 다시 말해 회로가 더 낮은 온도로 더 효율적으로 동작할 수 있다는 뜻이 된다. 이 정류 로우사이드 MOSFET과 이전까지는 외부의 보상 회로를 이제는 IC 내부에 통합할 수 있게 됐다.

이 기법의 이점을 좀 더 자세히 살펴보기 위해서 동기식 솔루션과 비동기식 솔루션의 전력 손실을 간단하게 비교해 보자.



그림 2에서 보듯이, 동기식 솔루션은 정류 다이오드의 전력 손실을 60%까지 줄이고 있다. 그러므로 회로가 더 낮은 온도로 동작할 수 있다.
이 그림의 열 영상을 보면, 동기식 DC-DC 컨버터가 비동기식 컨버터에 비해서 얼마나 더 낮은 온도로 동작하는지를 확실하게 알 수 있다. 이 점이 중요한 것은, 열이 전자 소자의 수명을 단축하기 때문이다. 스반테 아레니우스(Svante Arrhenius)는 “온도가 10도 떨어질 때마다 회로의 수명은 두 배로 늘어난다.”고 했다. 그렇다면 30 ℃ 온도 차이면, 이 동기식 솔루션이 비동기식 솔루션보다 수명이 8배 더 오래 갈 것이라는 계산이 나온다.

또한 동기식 정류는 보상 회로를 통합함으로써 피드백 레귤레이션의 정확도를 향상시킨다. 더욱이 내부적 보상이 출력 전압 범위 전체에 대해서 작용함으로써 추가적인 소자들을 필요로 하지 않으므로 필요한 소자 수를 크게 줄이고 풋프린트 크기를 소형화할 수 있다. 또한 부가적인 이점으로서 높은 내부 기준전압 정확도를 달성함으로써 확장 동작 온도 범위에 걸쳐서 ±1%에 근접하게 더욱 더 정밀한 전압 레귤레이션을 가능하게 한다.

동기식 정류를 이용한 이러한 새로운 FET 통합 스위칭 레귤레이터를 전원 모듈의 기반으로 함으로써 전원 모듈로 높은 효율, 더 낮은 온도 동작, 소형화된 크기, 더욱 더 정밀한 전압 레귤레이션이라는 동일한 이점들을 달성한다. 이러한 제품으로서 맥심은 자사의 히말라야(Himalaya) IC에 여타의 소자들을 통합해 히말라야 전원 모듈 제품군을 구축했다.

전원 모듈을 사용함으로써 설계 간소화

아무리 이러한 첨단 동기식 벅 IC를 사용한다 하더라도 견고한 전원장치를 달성하기 위해서는 여전히 많은 요구사항과 과제들을 충족해야 한다. 먼저 디자이너는 입력 전압, 출력 전압, 부하 전류, 온도, 잡음 내구성, 방사 등등을 평가해야 한다.

하지만 스위칭 전원 설계와 관련해서 가장 까다로운 작업은 추가 소자를 선택하고, 소자를 배치하고, PCB 레이아웃을 하고, 전자기간섭(EMI)/무선주파수간섭(RFI)/무선주파수취약성(RFS) 등과 같은 문제들을 통제하는 것일 것이다. 이러한 문제들 중의 어떤 하나라도 놓친다면 전자적 잡음을 일으키고 이러한 잡음이 전원 회로에 결합을 일으킬 수 있다.

이산 전원 설계에 사용하기 위한 외부 소자들을 선택할 때는 신중한 판단이 필요하다. 예를 들어 인덕터들이 인덕턴스 값은 동일하다 하더라도 포화 수준이 각기 다름으로써 고속 트랜션트가 높은 전류를 필요로 할 때 문제를 일으킬 수 있다. 인덕터 유형에는 여러 가지가 있을 수 있고, 이들 각각이 외부적 자기 코어 소재, 코일 형태, 권선 간의 간격, 주파수 응답, DC 저항, 품질 지수(Q), 차폐 대 비차폐 등의 여러 가지 요인들을 조합해서 자신의 사양을 통제한다.

그러므로 부적절한 인덕터를 선택함으로써 인덕터가 시스템의 전원 요구에 적합하지 않았을 때는 불안정성을 일으키거나, 입력이나 출력 상에서 스파이크를 일으키거나, 아예 완전한 결함을 일으키는 등과 같은 문제를 일으킬 수 있다. 커패시터 역시 적절한 것을 선택하지 않으면 불안정성을 일으킬 수 있다. 커패시터의 값이 주파수, 전압, 온도에 따라서 변동적일 수 있기 때문이다.

또한 전원 모듈을 사용하면 일부 외부 소자들을 이미 내부적으로 통합하고 있으므로 상당한 위험성을 제거할 수 있다. 실제로 이제는 스위칭 전원 컨트롤러에서부터 MOSFET 전력 스위치, 인덕터, 그 밖에 적절한 보상과 바이어스를 위해 필요로 하는 수동소자들에 이르기까지 모든 것을 통합할 수 있게 됨에 따라서, 시스템이 동작하기 위해서 4개 혹은 5개의 외부 소자만 있으면 된다.

내부적으로 통합하는 모든 소자들의 성능을 최적화하도록 신중하게 선택함으로써, 어림짐작으로 해야 하는 작업들을 제거할 수 있게 한다. 그러므로 엔지니어들은 자신의 전원 설계 요구를 충족하는 적합한 전원 모듈을 선택하기만 하면 된다.

이산 전원 회로는 적절한 소자를 선택하는 것도 중요하지만, 이들 소자들을 IC에 가깝게 적절히 배치하는 것 역시나 마찬가지로 중요하며, 그러기 위해서는 높은 수준의 숙련성과 전문성을 필요로 한다. 디자이너들은 고전류 경로의 길이와 크기에 유의해야 하고, 특히 고주파 노드들에 주의를 기울여야 하고, IC와 입력 전원으로의 접지 리턴 경로에 대해서 주의를 기울여야 한다.

인덕터와 커패시터를 IC로부터 너무 멀리 떨어지게 배치하면 고전류 경로로 기생성분과 저항을 증가시킴으로써 문제를 일으킬 수 있다(그러므로 시장에 나와 있는 대부분 모듈들은 차폐 인덕터를 사용한다. 이렇게 하면 스위칭 레귤레이터와 관련된 EMI를 낮출 수 있으므로 좀더 예측가능성을 높일 수 있다). 또한 보상과 피드백 회로를 적절히 설계하지 않으면 접지 잡음 때문에 영향을 받을 수 있다.

모듈을 봉지(encapsulated) 패키지로 밀봉하면 이산 전원 설계에서 흔하게 발생되는 PCB 레이아웃 문제들로부터 IC를 보호할 수 있다. 모듈을 표준 IC처럼 납땜할 수 있고 보상 회로, FET, 인덕터 모두를 내부적으로 통합함으로써 접지 구성을 잘 알 수 있으며, 그러므로 민감한 소자들에 가까운 부위에서 접지 전류를 제어하도록 설계할 수 있다. 그럼으로써 접지 바운스와 그 밖에 보상 회로로 유입될 수 있는 여타의 시스템 레벨 잡음들로부터 전원 회로를 보호할 수 있으므로 궁극적으로 더 효율적이면서 신뢰성이 뛰어난 전원장치를 달성할 수 있다.

작을수록 좋다

이러한 차세대 전원 모듈은 견고한 전원 설계를 설계하고자 할 때 극복해야 하는 많은 과제들을 해결할 뿐만 아니라, PWM 컨트롤러를 사용하거나 또는 FET 통합 스위칭 레귤레이터를 사용하는 이산 전원 솔루션보다 훨씬 더 크기가 소형이라는 점에서 또 다른 중요한 이점을 제공한다. 지난 수년에 걸쳐서 전원 회로는 단순한 전원 컨트롤러에 모든 외부 소자들을 사용하는 솔루션에서(그림 3A), 전원 컨버터 IC에 외부 인덕터를 사용하나 더 적은 수의 추가적인 외부 소자들을 사용하는 솔루션으로(그림 3B), 그리고 다시 최신 세대의 더욱 더 콤팩트한 전원 모듈(그림 3C)로 진화를 거듭하고 있다.

이러한 모듈 제품으로서 히말라야 전원 모듈은 4개 혹은 5개의 적은 수의 외부 소자만을 필요로 한다(입력 커패시터, 출력 커패시터, 출력 전압을 설정하기 위한 2개 저항, 그리고 때에 따라서 소프트 스타트에 이용하기 위한 커패시터). 그림 3에서는 전원 솔루션의 이와 같은 점진적인 통합과 각기 솔루션의 풋프린트 크기를 비교해서 보여주고 있다.

사용 편의성과 유연성

그림 3에서 볼 수 있듯이 최신 세대의 전원 모듈은 풋프린트 크기가 훨씬 작다는 것을 알 수 있다. 하지만 전원 모듈을 사용할 때의 이점은 이뿐만 아니다. 또 다른 중요한 이점은 설계를 간소화한다는 것이다.

이러한 최신 세대의 모듈은 QFN과 유사한 핀아웃으로서 핀들을 패키지 외곽으로 배치하는 새로운 방식의 레이아웃 구성을 채택함으로써 디자이너들을 위해서 PCB 레이아웃을 용이하게 하고 비용을 절감할 수 있게 한다. 주요 신호 핀들을 패키지 가장자리로 배치함으로써 볼 또는 그리드 어레이 타입 모듈에서처럼 모듈의 내부에 자리잡고 있는 중심부 핀들을 비아를 통해서 배선하기 위해 다층 보드를 필요로 하지 않는다(그림 4). 또한 핀들을 외곽으로 배치함으로써 모듈 하단면에 남는 자리를 노출 패드로 쓸 수 있다.



그럼으로써 모듈로부터 열을 빼내는 것을 용이하게 하고 더욱 더 낮은 온도로 시스템 동작을 가능하게 한다. 또한 군데군데 다중의 노출 패드는 민감한 모듈 영역들을 상호간에 분리시킴으로써 추가적인 보호를 달성한다. 또한 패키지 높이가 2.8mm에 불과하다는 점이 이들 차세대 전원 모듈의 또 다른 중요한 특징이다. 그러므로 높이에 있어서 여유 틈새를 중요하게 요구하는 메자닌 카드 애플리케이션에 사용할 수 있으며, 또한 히트싱크를 통합하는 것을 수월하게 한다. 이 점은 특히 많은 양의 열을 소산시켜야 하는 고전력 애플리케이션에서 중요하다(그림 5).

다양한 전압 및 전류에 걸쳐서 편리하게 이전 가능

프로젝트를 수행하면서 설계 작업의 어느 단계에서나 전원 요구가 빈번하게 변경될 수 있다. 그렇다면 전압이나 전류 요구가 변경될 때마다 고객들이 보드를 재설계하고 재변경해야 할 것인가? 그렇게 해야 한다면 비용도 많이 소요되고 시간도 낭비될 것이다.

바로 이럴 때는 다양한 전류 및 전압에 걸쳐서 핀-대-핀 호환 옵션을 사용할 수 있는 전원 모듈 제품군이 유용하다. 그러면 PCB를 변경할 필요 없이 동일한 레이아웃으로 적합한 다른 모듈을 사용하기만 하면 되므로 제품 출시 시간을 단축할 수 있다.

비용 절감: 디스크리트 IC로 이전

어떤 디자이너들은, 전원 모듈은 이산 전원 솔루션처럼 맞춤화가 쉽지 않고 통상적으로 가격이 더 비싸기 때문에 전원 모듈을 채택하는 것을 주저할 수 있다. 이럴 때 필요한 것이 이산 솔루션으로 이전할 수 있게 하는 것이다. 그러면 디자이너들이 일단 모듈을 사용해서 빠르게 개발 작업을 할 수 있다.

그런 다음에는 디스크리트 형태의 동일한 IC를 사용하는 솔루션으로 매끄럽게 이전할 수 있다. 이와 같이 유연성이 가능하므로 양산에 착수할 때는 성능과 비용 둘 다를 최적화할 수 있으며 이 두 가지 목표를 모두 달성하고자 하는 디자이너들에게 더 없이 유용한 수단을 제공한다.

설계 간소화

IC 공정 기술과 패키징 기술이 혁신적으로 발전함에 따라, IC 차원에서뿐만 아니라 패키지 차원에서도 그 어느 때보다도 통합적인 전원 모듈이 가능하게 됐다. 이러한 차세대 전원 모듈은 이산 소자들을 다뤄야 할 때의 모든 복잡한 문제들을 피할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 통합적이고 신뢰성이 높은 전원 솔루션을 제공한다.

이러한 전원 모듈은 효율이 뛰어나고, 거의 모든 PCB 노이즈에 대해 내구성이 뛰어나고, 이전의 비동기 디자인보다 더욱 더 예측 가능한 EMI 성능을 달성하고, 또한 훨씬 더 낮은 온도로 동작한다. 이러한 전원 모듈을 사용함으로써 시간과 자원이 제한적인 시스템 레벨 디자이너들이 자신의 디자인에 필요로 하는 전원 회로를 빠르게 설계하고 디자인의 좀더 중요한 다른 측면들에 더 많은 시간을 할애할 수 있다.

맥심 인터그레이티드는 이러한 전원 모듈을 새로운 차원으로 끌어올리고 있다. 맥심의 모듈 제품은 고객의 검증이 이루어진 히말라야 동기식 벅 레귤레이터 IC를 기반으로 함으로써 더 낮은 온도로 동작하고 크기를 소형화한다. 이들 제품은 엔지니어링을 수월하게 하도록 염두에 두고 설계됨으로써, 최소한의 외부 BOM 부품들을 사용해서 폼팩터를 소형화하고, QFN과 유사한 핀아웃으로 사용하기 편리하고, 다양한 전압 및 전류에 걸쳐서 유연하게 핀-대-핀 호환이 가능하고, 양산 착수 시 모듈에서 IC로 편리하게 이전할 수 있는 경로를 제공한다.

전원 모듈은 앞으로도 계속해서 더 많은 것들을 통합하고, 더 낮은 온도로 동작하고, 크기를 더 소형화하고, 그러면서 또한 비용을 더더욱 낮추도록 진화를 멈추지 않을 것이다. 이러한 진화에 힘입어서 전원 설계를 그 어느 때보다 더 간편하고 수월하게 설계할 수 있게 됐다.