최신 디지털 보드를 다루는 파워 시스템 팀은 더욱 까다로운 과제에 직면하고 있다. 출시된 대부분 솔루션이 시퀀서에서 장치를 추가하거나 광범위한 프로그래밍을 해야 하는 다양한 장치가 탑재되기 때문이다. 이글에서는 리니어의 디지털 파워 시스템 매니저를 통해 해결 방법을 알아본다.

소프트웨어 팀은 하드웨어를 다뤄야 하는 동료보다 여러 가지 이점을 갖는다. 소프트웨어 팀이 갖는 다음과 같은 이점을 고려한다면 디지털 ASIC/FPGA/마이크로프로세서 보드의 파워 시스템 제작자나 설계자가 소프트웨어 엔지니어링 동료들을 부러워하는 것은 당연한지 모른다.

- 소프트웨어 코드 작성과 효과를 확인하는 데까지 걸리는 시간은 보드 하드웨어를 작동하는 데 소요되는 며칠에서 몇 주보다 훨씬 짧다. 시장 출시 시간은 대부분 코딩과 생산성 테스팅에 의해 제한되며, 외부 요소에 대한 제한은 적다.

- 필요하면 고객에게 소프트웨어 업데이트를 제공해 버그를 해결하거나 필드 성능을 향상시킬 수 있지만, 하드웨어 업데이트는 재작업을 위해 리콜을 해야 한다.

- 소프트웨어 팀은 편안한 사무실에서 로깅된 데이터를 통해 쉽게 코드 성능을 추적할 수 있다. 성능 병목 지점을 빠르게 찾아낼 수 있어 향후 신속한 성능 향상이 가능하다. 한편 다른 층에서는 하드웨어 엔지니어가 볼트미터와 오실로스코프 프로브를 가지고 보드 위에 웅크린 채 실험실에서 며칠을 보내야 한다.

- 소프트웨어 팀은 단위 코드의 코어 세트를 하나 작성한 다음, 이를 서로 다른 고객과 시장의 요구에 맞춰 적용할 수 있다. 그러나 하드웨어 커스터마이징은 부품과 BOM 변경을 해야 하며, 이 때문에 설계가 서로 벗어날 위험이 있다.

더욱 까다로운 과제에 직면하는 파워 시스템 제작자와 설계자

상황을 더욱 악화시키는 것은 나노미터 크기의 프로세서(ASIC, FPGA, 마이크로프로세서, DSP) 전원 전압이 1 V 아래 행진을 계속하면서 최신 디지털 보드를 다루는 파워 시스템 팀은 더욱 까다로운 과제에 직면하고 있다. POL(point of load) 전원에 대한 허용오차 요구사항은 더욱 엄격해져 2% ~ 3%에 근접하고 있으며, 오차 예산은 DC 정확도, 리플을 비롯해 부하 스텝 시 과도 이탈을 포함한다.

0.9 V 전원의 3%는 단 27 mV이다. 전원 전압이 낮아지고 더 많은 코어가 프로세서에 탑재되면서 전류 레벨이 증가하며 심지어 100 A를 넘어서기도 한다. 전원과 접지면에 100 A에 달하는 전류가 흐르는 가운데 프로세서 입력에서 정확도를 수십 밀리볼트로 유지해야 하는 일은 PDN(power distribution network) 설계 작업을 난감하게 만든다. 동시에 프로세싱 에너지 효율을 높여 데이터 센터 유틸리티 요금과 쿨링 비용을 낮춰야 하는 요구가 존재한다.



보드 온도가 100 ℃에 육박함에 따라 서버 섀시는 더 뜨거워지고 있다. 설계 사이클은 갈수록 짧아지지만, 설계는 마진 테스트 결과에 따라 마지막 순간에 트위킹을 필요로 하며, 다양한 시장과 고객의 고유한 요구도 맞춰야 한다. 시퀀싱은 다중 전원을 갖는 보드에 공통적인 요구사항이 되었지만, 이러한 요구사항은 다중 전원 영역에 걸쳐 전원 수가 20개에서 50개에 이르면서 더욱 복잡해지고 있다.

지금까지의 솔루션

시퀀싱, 감시, 모니터링, 마지닝 등의 전력 관리 작업은 감시 소자, 시퀀서, ADC, DAC, 증폭기, 마이크로컨트롤러와 같은 다양한 디바이스들에 의해 다루어져 왔다. 이러한 개별적인 디바이스들이 함께 동작할 수 있도록 조정하는 일이 설계 노력의 대부분을 차지한다. 감시 소자와 시퀀서로부터 마지닝, ADC 모니터링, EEPROM 오류 로깅을 위한 기능을 추가한 통합 솔루션이 나와 있다.

그러나 이들 디바이스는 트리밍, 마지닝 및 모니터링에서 전압 정확도가 떨어진다. 또한, ADC, DAC, 비교기, PWM 출력과 함께 많은 미지정 디지털 게이트 및 로직을 통합한 SoC(system of chip) 디바이스도 있다. 이러한 디바이스는 전력 관리 아키텍처가 결여되어 가장 기본적인 작업을 수행하는 데에도 수개월의 설계와 검증 노력이 소요되는 많은 프로그래밍이 필요하다.

파워 시스템의 디지털 관리에 대한 요구에 따라 DC/DC 컨버터 루프가 ADC, 디지털 보상기, 디지털 PWM을 이용하는 디지털 파워 솔루션이 등장했지만, 이러한 샘플링된 시스템은 양자화의 오류로 디지털 루프가 전원 출력 전압에 더 많은 잡음과 리플을 발생시킨다. 또한, 더 느린 과도 응답과 낮은 정확도, 그리고 변동이 심한 예측 불가능한 특성을 갖는 경향이 있다.

한편, 아날로그 루프는 더 빠르고 더 깨끗하며, 훨씬 더 예측할 수 있다. 다중 전원의 관리는 POL 전원과 함께 디지털 구성과 통신을 해야 하지만, 아날로그와 디지털 세계의 장점을 모두 얻기 위해서는 전원 루프 자체는 아날로그를 유지해야 한다.

완벽한 솔루션

리니어 테크놀로지는 POL 전원 트렌드를 염두에 두고 처음부터 완벽한 디지털 파워 시스템 관리(DPSM) 솔루션을 제작했다. 핵심 철학은 전원 루프를 아날로그에 머물게 하면서 디지털 인터페이스와 제어를 추가하는 데 있다(그림 1). DPSM 제품군은 그림 2에서 보듯이 DC/DC 변환을 포함하거나 포함하지 않는 상호운용 가능한 다양한 디바이스를 포함한다.
 
이들 모든 디바이스는 산업 표준 PMBus 인터페이스를 통해 보드 컨트롤러와 통신한다. PMBus의 선택은 펌웨어를 재사용할 수 있어 설계 시간을 줄이는 데 도움을 준다. 코드 개발이 필요하지 않은 자동 동작을 선호하는 엔지니어를 위해 디바이스 구성을 커스터마이즈할 수 있도록 엔지니어링 레벨 개발 소프트웨어 LTpowerPlay가 제공된다. 이러한 PMBus 호환 디바이스 중에서 디지털 파워 시스템 매니저는 기존 아날로그 파워 시스템을 포함하고 있다.

디지털 파워 시스템 매니저는 0.25% 정확도의 16비트 ADC로 전원 출력 전압을 측정하고, 이를 목표 전압 레지스터와 비교한 다음 전원의 피드백 또는 트림 핀에 다시 제공되는 10비트 전압 DAC 출력을 통해 전원을 조정한다. ±0.25% DC 정확도는 부하 스텝 시 전원이 이동하는 풍부한 마진을 제공하므로, 바이패스 커패시턴스 요구사항을 낮추고, 그 결과 보드 공간을 절감할 수 있다. 트림 서보 루프의 지속적인 전원 모니터링과 조정으로 장기적 보드 신뢰성이 향상되어 시간과 온도에 따른 드리프트를 방지한다.

또한, 정밀한 전원 전압 설정으로 보드 마진 테스트 시 불필요한 수율 손실이 감소한다. 트림 기능은 전원 전압 트위킹을 가능하게 해 특정 시스템 부하에 소비되는 에너지를 최적화할 수 있다. ADC에 의해 제공되는 전압, 전류 및 온도 데이터는 보드 신뢰성을 향상하는 잠재성과 함께 시스템 성능에 대한 통찰을 제공하므로 보드 교체를 예측하고 전력 소모를 절감할 수 있다. 또한, 보드를 외부에 보내 제조 사이클을 추가하는 대신 레지스터 구성 변경을 통해 많은 설계 트위킹을 달성할 수 있어 시장 출시 시간이 단축된다.

디지털 파워 시스템 매니저의 또 다른 강력한 기능은 내부 EEPROM에 기록되는 블랙박스 오류 로깅이다. 오류가 발생할 때마다 비휘발성 EEPROM 메모리에 저장된 ADC 모니터링 데이터의 마지막 몇 개의 사이클을 분석함으로써 오류 분석이 극적으로 빨라진다. 파워 매니저는 원격 진단도 가능하다.

더욱 높은 계층의 소프트웨어와 통합하면 디지털 파워 시스템 매니저는 원격으로 보드의 파워 시스템을 모니터링하고 진단할 수 있다. 마찬가지로 펌웨어 제공을 통해 필드 업그레이드를 수행한다. 디바이스에 따라 시간 지연 또는 캐스케이딩 방식으로 전원 시퀀싱이 수행되며, 전원 트래킹도 지원된다. 16채널 디지털 파워 시스템 매니저 LTM2987은 그림 3에 나와 있다. 16개 이상 전원을 관리할 수 있도록 LTM2987은 다른 매니저와 쉽게 조정할 수 있다.

디지털 파워 시스템 매니저는 4개 이상 레일을 갖는 기존 파워 시스템에 적합하다. 전원 전류 제한, 스위칭 주파수 및 램프 레이트에 대해 디지털 제어가 필요한 경우 디지털 파워 시스템 관리를 갖는 DC/DC 컨트롤러가 더욱 적합하다. 이들 디바이스는 빠른 아날로그 전류 모드 제어 루프로 최고의 과도 응답을 제공하며, 디지털 텔레메트리, 구성 및 제어를 추가했다. 높은 정확도의 PolyPhaseⓡ 전류 공유는 대용량 전류 애플리케이션에서 입력 리플과 열 확산을 낮춰준다. LTM4676과 같은 μModuleⓡ(마이크로모듈) SiP(system-in-a-package)는 스위칭 N-채널 MOSFET, 인덕터 및 커패시터를 통합해 초소형 26 A 솔루션을 구현한다(그림 4 참조).

결론

디지털 파워 시스템 관리는 많은 수의 전원 레일을 사용하는 최신 고성능 디지털 프로세싱 보드에 필수적이다. 시중에 나와 있는 대부분 솔루션은 시퀀서에 장치를 추가하거나 광범위한 프로그래밍 노력을 해야 하는 다양한 장치가 탑재된 형식으로 설계됐다. 리니어 테크놀로지의 IC 설계자는 이러한 문제에 대해 철저한 숙고를 통해 하드웨어 엔지니어의 설계 부담을 덜어주는 상호운용 가능한 디바이스 제품군을 정의함으로써 완벽하게 제작되고 완벽한 요건과 미래 경쟁력을 갖춘 솔루션을 제공하고 있다.