지금까지 보상 튜닝은 시행-오차-반복의 방식으로 진행되어 전력 설계 엔지니어에게 많은 어려움을 발생시켰다. 오토튜닝은 레귤레이션 내내 수 밀리세컨드 동안 지속하고 소프트웨어로 언제든지 실행할 수 있다. 이 글은 고성능 DC-DC 전력 컨버터로 보상 오토튜닝을 실현하는 것에 대해 알아본다.

ST마이크로일렉트로닉스(이하 ST)는 수년 전부터 고성능 CPU의 전력 공급용 고품질 DC-DC 컨버터를 공급해왔다. ST는 완전히 디지털화된 칩 1세대를 갖췄으며, 이 칩들은 STVCOT(VCOT: 전압 제어 컨스턴트 온-타임)라 불리는 독점 아키텍처에 기반한다. 이 제품군은 전체 솔루션의 설계 및 제조과정을 단순화했다.

이유는 보드에 저항기(resistor)나 커패시터를 추가/변경하는 대신 보드상의 수동 부품 수를 줄이고 소프트웨어로 이 부품을 프로그램할 수 있기 때문이다. 하지만 여전히 보상 네트워크 튜닝(compensation network tuning)은 설계상 난제로 남았다. 보상 네트워크 튜닝은 PID 필터에 기반한다.

전력 설계 엔지니어(Power Designer)는 아날로그 보상 계산(Analog Compensation Mathematics)에 더 익숙하므로 지난해까지는 ST도 의사 아날로그 보상(pseudo analog compensation)을 수용하는 그래픽 사용자 인터페이스를 사용함과 동시에 같은 PID 필터값을 산출해 엔지니어가 소프트웨어에 입력할 수 있도록 했다. 하지만 이러한 어려움도 차세대 고성능 DC-DC 전력 컨버터로 해결했다. 마침내 보상 오토튜닝(compensation autotuning)이 이뤄진 것이다.

SW 알고리즘으로 자체보상 가능

이 새로운 칩은 인텔 VR13 CPU를 타깃으로, 이탈리아 우디네 대학(University of Udine)과 협업하여 개발한 소프트웨어 알고리즘을 통해 자체보상(self-compensate)이 가능하다. 그렇다면 이러한 기능은 어떻게 구동될까? 수많은 매트릭스와 페이저 계산이 필요하지만, 여기서는 개념적인 부분만 다루도록 하겠다.

컨트롤러(controller)는 레귤레이션(regulation)이 일어나는 동안 정현파 신호(sinusoid signal)인 Mp를 생성하는데 이는 출력에 인가(fed)된다. 출력 및 피드백 전압, Mx와 My는 그림 1에서와 같이 리드백(read back)이다. 정현파 신호의 주파수는 사용자가 선택한 목표(desired) 대역폭과 같다.
사용자는 목표 참조위상 마진(reference phase margin), φm도 제안할 수 있다. 이것만 볼 때 이 칩은 보드 플롯 기계(Bode plot machine)처럼 작동한다. 부분적으로는 그렇다. 보드 플롯 기계는 My에 대한 Mx의 비율과 그 위상 편이(phase shift)를 직접 산출하는데 이를 위해서는 하드웨어와 프로세싱 전력이 크게 소요되므로 단일 마이크로칩에는 맞지 않는다. 컨버터는 간접적으로 접근한다.

이 칩은 Mp 신호와 더불어 Vx 및 Vy 신호를 생성하는데 이는 목표 위상 마진 함수이다(그림 2 참조). 총괄전달함수(overall transfer function)가 사용자 목표 대역폭 및 위상 마진을 가질 때, Mx와 My는 각각 Vx, Vy에 직교한다(orthogonal)는 것을 수학적으로 증명할 수 있다.
컨버터 칩의 코어는 ξx로 불리는 Vx에 대한 Mx 프로젝션(projection)과 ξy로 불리는 Vy에 대한 My 프로젝션을 산출할 것이다. Mx와 My는 PID 필터값 함수이며 ξx와 ξy도 그러하다.

시장 출시 기간 단축

그림 3과 같이 컨트롤러는 ξx, ξy가 0이 될 때까지 PID 필터값에 변화를 준다. 이를 통해 보상을 목표 대역폭 및 위상 마진의 목표점(Target Point)으로 이동시킨다. 그림 3에서 목표점은 파란 선이 1이고(측정 대역폭으로 나눈 목표 대역폭 = 1이기 때문) 주황색 선이 -120인(이 경우, 위상 마진 목표값과 측정값의 차) 지점이 된다. 이 과정에서 중요한 것은 PID 파라미터의 수렴(convergence)이 수학적 접근법을 통해 참(true)으로 증명된다는 것이다.

이제까지 보상 튜닝은 시행-오차-반복의 방식으로 진행되면서 전력 설계 엔지니어에게는 일종의 기술 업무와 같았다. 솔루션도 있지만, 이 과정을 참아내는 것은 인간적으로 불편한 일이었다. 하지만 ST가 제안하는 기능을 사용하면 이 업무에서 자유로울 수 있고, 전체적인 설계가 고객의 요구 사양에 맞는지 집중하면서 설계의 다른 부분에도 시간을 쓸 수 있다. 오토튜닝으로 설계 속도를 높여 전체 프로젝트의 시장 출시 기간을 단축할 수 있게 된 것이다.


오토튜닝은 레귤레이션 내내 수 밀리세컨드(millisecond) 동안 지속되고, 소프트웨어로 언제든지 실행할 수 있다. 여기서 알 수 있는 오토튜닝의 또 다른 장점은 실제 현장 시스템에서 부품 노후화, 허용오차(tolerance), 온도 변화 등을 고려해 오토튜닝을 주기적으로 실시해 보상을 재튜닝(re-tune)할 수 있다는 점이다. 이를 통해 제품을 수명이 다할 때까지 최상의 성능으로 구동할 수 있다.

전력 설계 시, 자체 보상

다음으로 자체 보상이 전력 설계 시 어떻게 도움이 되는지 실례를 검토하겠다.
그림 4, 5는 하이엔드 CPU를 위한 스텝다운 솔루션에서의 데이터를 보여준다. 테스트된 전력 컨버터는 정의된 트랜션트(transient) 조건에서 출력 전압 사양을 만족시켜야 하며, 여기에서는 슬루율(slew rate) 625 A/us에서 25 A ~ 125 A 부하 변동을 준수한다. 컨트롤러는 드룹(droop)이 프로그래밍되어 출력 전압(노란 선)은 부하(파란 선)에 따른 직사각형 모양을 가져야 한다.

그림 4의 왼쪽 화면은 튜닝 시작 시 솔루션의 모습을 보여준다. 설계 엔지니어는 보통 초기 PID 필터값을 입력하고 테스트를 시작하는데, 이렇게 해야 어떤 파라미터를 얼마나 변경해야 할지 알 수 있다. 오른쪽 화면은 튜닝 마지막 단계에서 솔루션이 어떤 모습인지를 보여준다.

불완전성 해소

현재까지는 튜닝 첫 단계에서 마지막 단계까지 걸리는 시간이 상황에 따라 다르다. 설계 엔지니어의 경험이 시간 단축에 기여하는 것이 사실이지만 설계의 종류가 다양해서 어떤 경우는 튜닝이 빨리 되고 어떤 경우는 더 오랜 시간이 걸리기도 하며 이에 대한 특별한 이유를 찾을 수도 없다. 위에서 이야기한 것처럼 보상 튜닝이 일종의 기술과 같다고 말할 수밖에 없다.


오토튜닝 기능은 이와 같은 불완전성을 해소한다. 실제로 오토튜닝 기능을 갖춘 새로운 컨트롤러로 이러한 특정 레일(rail)을 튜닝하는데 클릭 한 번의 시간 정도만 소요됐다. 해당 칩에 자체 튜닝을 명령하면 알고리즘이 최적의 PID 값을 몇 밀리세컨드 만에 찾아내는 것이다. 그림 5는 그림 4의 보드 플롯을 보여준다. 처음에는 칩에 설정된 대역폭(예에서는 20 kHz)이 충분하지 않았다. 오토튜닝 기능은 PID 필터값을 최적점(이 경우 50 kHz로 위상 마진을 더욱 강화함)으로 조정할 것이다. 매우 중요한 DC-DC 하이엔드급 벅 컨버터 보상에서 오랜 시간이 걸렸던 경험이 있다면 오토튜닝 기능이 얼마나 훌륭한지 동감할 것이다.

또한 설계 엔지니어는 오토튜닝 기능을 툴로 이용해 솔루션을 포괄적 최적 동작점(general optimal working point)에 도달하도록 할 수 있다. 그 후, 레일에 특정 성격, 즉 비용 증가를 통한 성능 향상 또는 공간을 활용한 낮지만 충분한 성능 등을 추가하기 위해 파라미터값을 변경할 수 있다.

결론

ST는 보상 오토튜닝 기능을 갖춘 DC-DC 하이엔드급 전력 컨트롤러 제품군을 출시했다. 이와 같은 기능은 예측이 가능한 수준의 설계 튜닝 시간 단축(더욱 쉬운 사용 포함)을 가능하게 하며 시장 출시 시간도 단축한다. 또한 알고리즘이 미확인 파라시틱(parasitic) 및 보드 허용 오차를 자동으로 고려할 수 있어 더욱 강력한 설계가 가능하다. 특히 부품 노후화 보상을 위해 운영 중인 시스템에 명령을 내려 오토튜닝을 실시할 수 있어 제품의 최종 수명을 연장할 수도 있다. ST는 이러한 오토튜닝의 꿈을 현실로 실현한 것이다.