전원 관리 디바이스 3종 출시…eFuse, GaN FET 등 공개

어떻게 하면 더 작은 공간에서, 더 높은 전력 효율을 가져올 수 있을까.

전력 솔루션을 만드는 반도체 기업 엔지니어의 고민은 예나 지금이나 다를 게 없다. 더구나 소형 디바이스부터 우주 위성에 이르기까지 모든 전자 장비들이 갈수록 더 많은 전력을 사용하고 있는 상황에서는 그 요구가 거세지고 있다.
 
21일, 텍사스 인스트루먼트(TI) 코리아가 간담회를 통해 우수한 열 관리 기술과 이를 토대로 개발한 전원관리 신제품을 소개한 이유도 이러한 시대적 요구를 반영한 결과다. TI는 이 자리에서 더 작은 공간에서 더 많은 전력을 요구하는 업계의 추세와, 이러한 전력 밀도를 높이기 위한 열 관리의 중요성에 대해 소개했다. 엔지니어들의 열 관련 과제 해결을 돕는 최신 제품도 공개했다. 

더 높은 전력 밀도를

데이터 센터와 서버는 한정된 공간에서 더 많은 전원을 공급하기 위해 서버 전원 아키텍처에 높은 전력 밀도를 요구하며, 동시에 서버 전원 공급의 효율성을 높여 냉각 비용을 줄여야 한다. 프로세스 기술, 회로 아키텍처, 패키징 혁신 등 어느 것 하나만을 개선하는 것이 아니라 이들 요소를 모두 만족시켜야 한다. 

TI코리아의 신주용 이사는 더 작은 크기로 더 많은 전력을 제공하기 위해 “열관리 기능이 향상된 패키지와 첨단 리드프레임 기술을 사용해 패키지의 열을 보다 효율적으로 제거하고 견고하면서 우수한 디바이스 스위칭 성능을 달성함으로써 열 발생을 감소시켜야 한다”고 말했다. 또한 “스프트 스위칭, 공진, 적층, 멀티레벨 컨버터 토폴로지, 첨단 게이트 드라이버, 고주파 컨트롤러를 사용해서 더 높은 효율과 전력 밀도를 달성해야 하고 2D 및 3D 집적 기술을 적용한 첨단 패키지 기술을 사용해서 기생 요소의 영향을 완화하고 시스템 풋프린트를 축소시킨다”고 강조했다. 

이러한 배경으로 출시된 TI의 3개 전원 관리 디바이스는 ▲높은 전력 밀도를 제공하는 동기 벅 컨버터 TPS566242 ▲업계에서 피크 전류가 가장 높은 통합 eFuse TPS25985 ▲상단면 냉각 패키지 디자인을 적용한 GaN FET LMG3522R030-Q1 등이다. 
 
먼저, 동기 벅 컨버터(TPS566242)는 업계에서 가장 작은 6A ECO 모드 제품으로, 높은 전력 밀도를 달성한다. 3V~16V 입력 전압과 최대 6A 연속 전류를 지원한다. SOT-563(DRL) 패키지(1.6mm x 1.6mm)를 적용한 6A 디바이스는 TI가 최초라고 업체 측은 밝혔다.

새로운 프로세스 노드를 적용해서 핀 레이아웃을 최적화하고 여러 기능을 통합하고 추가적인 접지 배선을 제공하여 PCB의 열 발산을 향상시킨다. 고도로 통합된 27.7mΩ 및 14.8mΩ R_DS(ON) FET 디자인은 스위칭 손실을 효과적으로 낮추고 최대 600kHz에 이르는 스위칭 주파수를 지원한다. TPS566242는 광대역 모니터링, 데이터 센터, 분산 전원 시스템에 사용하기에 적합하다. 

두 번째 제품은 가장 높은 피크 전류를 제공하고 능동 전류 공유 기능을 포함하는 eFuse(TPS25985) 제품이다. 300A 이상의 엔터프라이즈 및 통신 시스템 디자인에 대한 견고한 보호 기능을 달성한다. 프로세스 기술 차원에서 더 높은 효율을 달성하는 것과 더불어, 회로 디자인을 개선함으로써 전력 밀도를 높일 수 있다는 것. 

디자이너들은 일반적으로 고전류 엔터프라이즈 애플리케이션을 보호하기 위해서 신뢰성이 우수한 디스크리트 핫스왑 컨트롤러를 사용했지만 최종 장비 제조사들과 이들의 고객들이 300A 이상의 많은 전류를 필요로 하는 서버 전원장치(PSU)와 같은 애플리케이션을 요구하기 때문에 디스크리트 전원 디자인 크기가 지나치게 커질 수도 있다.
  이에 신 이사는 “eFuse는 여러 가지 프로텍션 기능과 모니터링 기능을 추가한 핫스왑이라고 말할 수 있는데, 핫스왑은 기본적으로 입력단에 프로텍션이 필요하고 스위치 하단쪽에도 프로텍션이 필요하다”며, “데이터센터의 경우 여러 가지 슬롯을 뺐다 끼었다하면서 스파이크가 생기면서 스트레스 요소가 생길 수 있다. 그런 핫플러그 기능을 지원하기 위해 퓨즈를 능동적으로 만든 게 핫스왑인데, TI의 eFuse는 핫스왑에 FET(0.59mΩ)까지 인테그레이션한 제품이다”이라고 말했다.   

특히, eFuse는 효율적인 스위치를 창의적 통합 접근 방식으로 결합함으로써 소형화된 패키지에서 최대 80A에 이르는 피크 전류를 제공할 수 있고 다중의 eFuse를 적층해서 더 높은 전력을 제공할 수 있다는 게 장점이다.
 
TI가 마지막으로 소개한 제품은 게이트 드라이버가 통합된 상단면 냉각 GaN FET(LMG3522R030-Q1) 제품이다. 서버 PSU 같은 고전력 애플리케이션의 경우, 상단면 냉각을 적용한 GaN 디바이스가 IC의 열을 제거하고 PCB 발열을 줄이는 데 효과적인 솔루션이라는 설명이다. 

이에 신 이사는 “이 제품이야말로 전력밀도 측면에서 가장 혁신적인 제품으로 상단면 냉각 패키지를 적용한 디자인이 더 높은 효율과 전력 밀도를 달성한다”고 강조했다. 이어 그는 “이번 제품은 2세대 제품으로 1세대보다 R_DS(on)을 낮추고 패키지 사이즈는 좀 키워서 고객의 요구를 반영했다”고 설명했다. 이 GaN FET은 서버, 데이터 센터, 통신 장비, 산업용 애플리케이션의 2~5kW 전원 공급 디바이스에 적합하다.