오늘날 첨단 모바일 장비의 설계는 축소된 폼팩터로 더 높은 성능을 달성해야 한다는 과제를 안고 있다. 이 글은 다중의 개별 IC들을 이용해 시스템을 구축하는 방법과 고도로 통합적인 PMIC를 이용하는 방법을 비교해 실용적인 대안을 제시한다.

머리말

모바일 기기는 다른 많은 애플리케이션과 마찬가지로 저전력 정밀 소자들 덕분에 빠르게 성장하고 있다. 하지만 산업용, 의료용, 군용 애플리케이션에 이용하는 휴대기기 제품은 신뢰성, 사용시간, 견고성에 대한 요구기준이 훨씬 더 엄격하다. 이러한 요구기준을 충족하기 위해서는 결국 전원 시스템과 여기에 이용되는 소자 부품에 부담을 가중한다. 이들 제품에 대해 요구되는 통상적인 요구조건 중의 하나는 다양한 전원 소스를 이용해 적절히 동작하고 매끄럽게 전환할 수 있어야 한다는 것이다. 따라서 결함을 보호하고 견뎌 배터리로 동작 시, 사용 시간을 극대화하고 유효한 전원 소스가 연결되는 한 신뢰할 수 있게 동작하도록 디자이너가 많은 작업 시간을 투자해야 한다.

확실한 것은 이러한 요구를 충족하기 위해서 사용하는 전원 관리 IC(PMIC)는 애플리케이션이 다중의 전원 소스로 동작할 수 있어야 한다는 것이다. 이러한 전원 소스로는 월 어댑터와 USB 포트, 자동차 라이터 어댑터, 리튬이온 배터리까지도 포함할 수 있다. PMIC가 PowerPath™ 제어를 통합하면 이러한 요구를 충족하기가 아주 수월하다. 이 기법은 시스템 전원이 중단되지 않고 유지되도록 하며 외부 전원과 배터리 전원 사이로 전환 시, ‘hot plugging’을 견딜 수 있다.

때에 따라서는 PMIC 내에 배터리 차저를 포함할 수 있다. 이럴 경우에는 배터리 충전 회로가 애플리케이션이 필요하지 않은 여분의 전력을 이용해 배터리를 계속해서 충전되게 해야 한다. 또 어떤 경우에는 30 V가 넘는 외부 과전압 결함으로부터 보호하기 위해서 온칩 보호회로가 필요할 수 있다. 끝으로는 넓은 부하 및 동작 조건 범위에 걸쳐 전력 효율을 극대화하기 위해서는 무부하 정지 전류가 낮아야 한다. 어떤 제품이 성공을 거두고 유용성이 있으려면 이러한 모든 기능이 다 중요하다.

업계 동향

제품의 폼팩터는 갈수록 더 소형화되며 성능과 기능성에 대한 요구가 끊임없이 더 높아지고 있다. 그뿐만 아니라 업계의 전반적인 경향은 모바일 기기에 핵심적으로 사용되는 마이크로프로세서(mP)와 마이크로컨트롤러(mC), FPGA(field programmable gate array) 같은 정교한 디지털 IC들이, 동작 전압은 계속해서 더 낮아지면서 동시에 암페어는 높아지고 있다는 것이다. 이 중에서도 마이크로프로세서가 가장 널리 사용되고 있으며 프리스케일과 인텔, 엔비디아, 삼성 같은 업체에서 전력 효율이 뛰어난 제품들을 속속 내놓고 있다. 이 제품들은 다양한 시장 분야의 다양한 유형의 휴대기기, 무선 장비, 모바일 기기 애플리케이션에 이용하도록 낮은 전력 소모와 높은 프로세싱 성능을 결합하고 있다.

이 프로세서 제품이 애초에 의도한 것은, 배터리 시간은 연장하고 풍부한 기능성의 멀티미디어 애플리케이션을 실행할 수 있게 향상된 컴퓨팅 성능을 제공함으로써 OEM들이 더 소형화되고 경제성이 뛰어난 휴대기기를 설계할 수 있게 하는 것이었다. 높은 전력 효율과 높은 프로세싱 성능을 동시적으로 충족하길 바라는 이러한 요구가 휴대기기 이외의 애플리케이션으로까지 확대하게 됐다.

예로는 자동차 인포테인먼트 시스템과 여타 임베디드 애플리케이션을 들 수 있다. 이 애플리케이션들 역시 마찬가지 수준의 전력 효율과 프로세싱 성능을 요구하고 있다. 모든 경우에 이들 마이크로프로세서의 전력을 적절히 제어하고 모니터링하기 위해서 고도로 전문화된 고성능 전원 관리 IC가 필요하다. 그래야만 이들 프로세서의 성능 이점을 최대한 활용할 수 있기 때문이다.

오늘날 많은 산업용 및 의료용 모바일 기기는 전원장치를 파워업하고 다양한 회로로 전력을 공급할 때 잘 짜이고 통제된 시퀀싱이 필요하다. 또한 시스템 유연성을 가능하게 하고 시퀀싱을 간편하게 할 수 있다면 시스템 설계를 더 수월하게 할 뿐만 아니라 시스템 신뢰성을 향상하고 단일 PMIC로 하여금 단지 특정 프로세서의 요구조건뿐만 아니라 시스템 차원의 더 넓은 범위를 처리할 수 있다.

전통적으로 많은 PMIC는 이러한 첨단 시스템이나 마이크로프로세서를 처리할 수 있는 능력이 되지 못하고 있다. 위에서 언급한 바와 같이 산업용 또는 의료용 PMIC 디자인의 요구를 충족하는 솔루션이 되기 위해서는 고전류 스위칭 레귤레이터와 LDO를 포함한 높은 수준의 통합, 넓은 온도 범위 동작, 전원 시퀀싱, 주요 파라미터의 동적 I2C 제어라고 하는 복합적인 요구를 모두 충족해야 한다.

그뿐만 아니라 높은 스위칭 주파수를 이용할 수 있으면 외부 소자의 크기를 줄일 수 있고, 세라믹 커패시터를 이용하면 출력 리플을 낮출 수 있다. 이처럼 낮은 리플에 더해서 정밀한 고속 응답 레귤레이터를 결합함으로써 45 nm 타입 프로세서의 까다로운 전압 허용오차를 충족할 수 있다. 또한 이러한 전원 IC는 입력 전압이 직접 배터리로부터 제공되는 경우라 하더라도 복사 방사 억제 같은 엄격한 환경적 제약을 충족할 수 있어야 한다.

설계상의 과제

오늘날 스마트폰이나 태블릿을 설계하는 디자이너들은 예전과는 다른 새로운 과제에 직면해 있다. 우선 무엇보다도 갈수록 더 높아지는 시스템 복잡성과 갈수록 더 높아지는 전력 예산을 충족하기 위해서 고성능 전원 관리 시스템이 필요하다는 것이다. 또한 이러한 시스템들은 배터리 사용 시간 연장, 다중의 전원 소스를 이용해서 작동할 수 있는 호환성, 높은 전력 밀도, 소형화된 크기, 효과적인 열 관리라고 하는 상충하는 목표들 사이에서 최적의 균형점을 찾느라고 애를 먹고 있다.

모든 스마트폰과 태블릿이 추구하는 한 가지 공통된 목표는 전력 소모를 현재 수준에서 더 낮추고자 하는 것이다. 어떤 시스템에서든 전력 소모와 관련해서는 두 가지 방식으로 대응할 수 있다. 첫째, 전체적인 부하 전류 범위에 걸쳐서 변환 효율을 극대화하는 것이고, 둘째, 모든 동작 모드로 DC/DC 컨버터가 소모하는 정지 전류를 낮추는 것이다. 따라서 시스템 전력 소모를 낮추도록 제 역할을 하기 위해서는 전력 변환 및 관리 IC가 효율이 더 높아져야만 하고 모든 동작 모드로 전력 소모를 낮추도록 해야 한다.

바로 이와 같은 요구들을 충족할 수 있도록 리니어는 다수의 전원 관리 및 변환 IC 제품에 Burst Mode®기술을 적용하고 있다. 이 기술은 대기 모드 시에 IC 자체가 필요로 하는 전류를 최소화하는 기법이다. 그럼으로써 대부분의 경우에 이 대기 정지 전류가 20 mA 미만이다.

최근까지도 리튬이온 배터리를 사용해서 동작하는 제품의 디자이너들은 소형화된 폼팩터로 배터리 용량이 제한적인 문제를 해결하기 위해 두 가지 근본적인 접근법을 취하고 있다. 한 가지 방법은 각각의 기능에 각기 최적화된 개별 부품을 이용해서 시스템을 구축하는 것이다. 이 방법은 설계, 레이아웃, 열 관리 측면에서 최대의 유연성을 가능하게 하고 각 기능에 대해서 적정한 수준의 성능을 달성할 수 있다. 하지만 이 방법의 가장 큰 단점은 상대적으로 비용이 비싸지고 갈수록 필요로 하는 기능들이 늘어나, 모든 기능을 수용하기 위해서 상당한 보드 공간이 필요하다.

이와는 또 다른 방법으로는 다양하게 나와 있는 고도로 통합적인 PMIC를 이용하는 것이다. 이들 디바이스는 스위칭 DC/DC 컨트롤러와 모노리식 스위처, 다수의 LDO에 더해 터치스크린 컨트롤러 및 오디오 코덱 등과 같은 별 상관없어 보이는 혼성신호 기능을 통합하는 것 같이, 대다수 애플리케이션에 필요로 하는 포괄적인 범위의 기능 셋을 지원한다. 그러므로 디바이스는 사용하기가 번거로울 수 있으며 대부분이 단지 디바이스를 작동하기 위한 펌웨어를 개발하기 위해 상당한 투자가 필요하다.

이 제품은 성능보다는 통합에 중점을 두고 있으며, 흔히 제품 내에서 단일의 ‘핫스팟’ 지점으로 열을 집중시켜 열 관리를 복잡하게 한다. 또한 역설적이게도 이러한 고도로 통합적인 솔루션들은 대형이면서 높은 핀 수 패키지라는 점에서 상대적으로 더 많은 보드 공간이 필요하다. 또한 이러한 디바이스는 모든 관련 외부 소자(MOSFET, 인덕터, 다이오드, 일련의 수동 소자)를 배치하고, PMIC를 시스템상의 다양한 부하로 연결하기 위해 또는 필요한 트레이스 배선을 하기 위해서 상당한 보드 레이아웃 숙련성이 필요하다. 하지만 이제 다중의 전원 IC를 이용하는 방법과 고도로 복잡한 PMIC를 이용하는 방법 사이의 중간지대에 속하는 새로운 방법이 가능하게 됐다. 그것은 바로 적당히 통합적이면서 성능은 강력한 PMIC를 이용하는 것이다. 리니어가 최근에 출시한 LTC3676/-1이 바로 그러한 IC 제품이다.

LTC3676/-1은 프리스케일의 i.MX6 프로세서와 ARM 기반 프로세서, 기타 첨단 휴대기기 마이크로프로세서 시스템에 이용하기 위한 포괄적인 전원 관리 솔루션이다. LTC3676/-1은 코어, 메모리, I/O, 시스템온칩(SoC) 레일에 이용하도록 각기 최대 2.5 A를 공급하는 4개의 동기식 스텝다운 DC/DC 컨버터와 저잡음 아날로그 전원에 이용하기 위한 3개의 300 mA 선형 레귤레이터를 포함한다.

LTC3676-1은 DDR 메모리 종단을 지원하기 위해서 소스/싱크 및 추종 동작이 가능한 1.5 A 벅 레귤레이터를 포함하며 역시 DDR에 이용하기 위해 VTTR 레퍼런스 출력을 추가하고 있다. LTC3676에서 LDO4 인에이블 핀과 피드백 핀을 이들 2개 핀 기능으로 대체하고 있다. 그렇지만 LDO4를 여전히 I2C를 통해서 프로그램할 수 있다. 다중 레귤레이터를 지원하기 위해서 고도로 구성 가능성이 뛰어난 전원 시퀀싱, 동적 출력 전압 스케일링, 푸쉬버튼 인터페이스 컨트롤러, I2C 인터페이스를 통한 레귤레이터 제어(인터럽트 출력을 통해서 광범위한 상태 및 결함 보고)를 제공한다.

LTC3676은 i.MX6, PXA, OMAP 프로세서를 지원하며 동적 제어와 시퀀싱을 이용해서 8개의 독립적 레일로 적절한 전력 레벨을 제공한다. 그 밖의 특징으로서 VSTB 핀 등의 인터페이스 신호들을 제공한다. VSTB 핀은 동시에 최대 4개 레일에 대해서 프로그램된 동작 출력 전압과 대기 출력 전압 사이에 전환할 수 있다. 이 디바이스는 높이가 낮은 40핀 6 mm x 6 mm x 0.75 mm 노출 패드 QFN 패키지로 제공된다.

애플리케이션 프로세서에 이용하기 위한 LTC3676 전원 관리 솔루션은 위에서 살펴본 바와 같은 산업용 및 군용 시스템의 설계상의 과제를 해결한다. LTC3676IUJ는 접합부 온도 정격이 -40 ℃ ~ +125 ℃에 이르는 산업용(I-Grade) 등급 제품으로서 간편하게 고온 동작 요구를 충족할 수 있다. 이 IC는 전적으로 접합부 온도 모니터링에 이용하기 위한 열 경고 플래그와 인터럽트를 포함하며 열 셧다운 기능을 포함하므로 전력 소산이 잘 이루어지지 않거나 심각한 결함 조건이 발생했을 때 하드웨어를 신뢰할 수 있게 보호한다.

LTC3676의 PWM 스위칭 주파수는 2.25 MHz로 트리밍되며 1.7 MHz ~ 2.7 MHz 범위를 보장한다. 또한 내부 레귤레이터들을 강제 연속 PWM 동작 모드로 설정할 수 있어 경부하 시라도 펄스 스킵 모드나 버스트 모드로 전환하지 않도록 할 수 있다. 이렇게 하면 주파수를 고정적으로 유지할 뿐만 아니라 DC-DC 출력 커패시터 상에서 전압 리플을 추가로 낮출 수 있다.

결론

산업용, 의료용, 군용 시장에 이용되는 첨단 모바일 장비를 설계하기는 갈수록 더 까다로워지고 있다. 이유는 갈수록 더 축소된 폼팩터로 더 높은 프로세싱 성능을 달성해야 한다는 완전히 상충하는 요구를 충족해야 하기 때문이다. 하지만 이제 시스템 디자이너들은 리니어에서 내놓은 새로운 PMIC 제품을 이용해 그 중간점에서 해결책을 찾을 수 있게 됐다. 이 방법은 부분 부분마다 다중의 개별 IC들을 이용해서 시스템을 구축하는 방법이나 포괄적인 모든 기능을 통합하고 있어서 사용하기가 번거롭고 펌웨어 개발을 해야 하는 고도로 통합적인 PMIC를 이용하는 방법과 비교해 더 실용적인 대안을 가능하게 한다. 이 중의 어떤 방법으로 할 것인지는 각자의 선택에 달렸다.