마이크로칩테크놀로지는 디지털 전원 제어에 특화된 16비트 dsPIC33EP “GS” 제품군 14종을 발표했다. 이 제품군은 기존 dsPIC33FJ “GS”의 후속 제품이다. 이전 세대 제품에 비해 지연 시간을 절반 이하로 줄였으며, 소비전력을 80%까지 낮췄다.
마이크로칩테크놀로지(이하 마이크로칩)는 디지털 전원용으로 자사의 디지털 신호 컨트롤러(DSC) 포토폴리오에 새롭게 dsPIC33EP “GS” 제품군을 추가했다. 마이크로칩 DSC는 마이크로컨트롤러(MCU)와 디지털신호처리기(DSP)를 결합한 제품으로, EP는 3세대 제품에 붙이는 이름이며 “GS”는 이 제품이 디지털 전원 애플리케이션에 최적화돼 있음을 의미한다.

보다 높은 해상도의 PWM 사용과 보다 빠른 ADC를 연결할 수 있는 GS 제품군은 컴퓨터 및 통신, 산업 기기, 자동차 등의 AC-DC 전원 및 DC-DC 전원 장치에 사용할 수 있다.

마이크로칩의 톰 스포러(Tom Spohrer) MCU16 제품 사업부 마케팅 매니저는 “고성능이 중요한 이유는 많은 고객들이 전원장치에서 보다 높은 효율성을 구현하기 위해 더욱 더 정교한 알고리즘을 구동할 수 있는 능력을 요구하고 있기 때문이다”며 “GS 제품군은 다양한 부하 조건에서 높은 전력 효율을 제공하는 적응형 알고리즘(adaptive algorithm)을 채택했다”고 말했다. 그는 또 “GS 제품군은 보다 다양한 부하 환경과 과도 조건(transient conditions)에 동적으로 대응하기 위한 비선형 예측 알고리즘도 준비돼 있다”고 소개했다.

다양한 부하 조건에서의 효율성과 관련해서는 CSCI에서 AC/DC 전원장치의 효율 등급을 정의하고 있다. 예를 들어, 티타늄 레벨(Titanium level)의 경우 50% 부하일 때 96%의 효율성을, 100% 부하일때 94%의 효율성을 달성하도록 권고하고 있다. 까다로운 조건은 10% 부하 일 때 90%의 효율성을 달성해야 한다는 것이다.

톰 스포러 마케팅 매니저는 “아날로그 전원장치는 전체 다양한 부하 조건에서 평평한 곡선의 효율성을 확보하기란 거의 불가능하다”면서 “많은 고객들이 디지털 전원장치를 채택하고 있으며, 특히 서버의 경우 소요되는 에너지가 전체 운영비용에서 큰 부분을 차지하기 때문에 디지털 전원이 필수”라고 강조했다.

dsPIC33EP “GS” 제품군은 알고리즘뿐만 아니라 처리 성능을 향상시키기 위해 하드웨어의 기능 향상도 도모했다. 기존의 dsPIC33FJ “GS” 제품군의 코어 성능은 50 MIPS인데 반해, dsPIC33EP “GS” 제품군의 코어 성능은 70 MIPS이다.

가장 전형적인 제품에 해당하는 dsPIC33EP64GS506 제품군은 최고의 상호운용성이 확보된 다양한 디지털 전원 주변장치를 제공한다. 예를 들어 PWM은 ADC 측에 언제 아날로그 샘플링을 할지 알려줄 수 있다. 즉 PWM 사이클 내에 최적의 시기에 ADC에서 아날로그 샘플링을 할 수 있도록 해준다. 또 아날로그 보상기는 PWM에서 오류가 검출되면 PWM을 바로 트렁케이트(truncate) 할 수 있다. 이런 상호운용성은 CPU의 도움없이 자율적으로 이뤄진다.

dsPIC33EP “GS” 제품군은 16 KB에서 최대 64 KB의 플래시 메모리와 8 KB의 RAM을 제공한다. 작동 온도는 -40℃ ~ 125℃이다. 패키지는 공간제약적인 설계를 위해 업계 최소형의 4×4 mm QFN으로 제공된다.



주요 성능 개선 
dsPIC33EP 코어에는 콘텍스트 선택형 레지스터 뱅크(Context Selected Register Bank)가 확보돼 있어서 처리 속도를 높였다. 또한 파이프라인 방식의 12비트 ADC를 탑재해 성능을 향상시켰다.

dsPIC33EP “GS” 제품군에 도입된 선택형 정보 레지스터(Context Selected Register) 세트는 즉각적으로 콘텍스트의 전환을 가능하게 해준다. 그 결과 보상기가 최대 50%까지 가속되어 제어 루프 지연시간(latency)을 현저히 감소시켜준다. 이것은 워킹 레지스터에 그 비밀이 있다. 프로세서 코어는 일반적으로 1세트 워킹 레지스터(Working Register)를 내장하고 있지만, dsPIC33EP “GS” 제품군은 3세트 워킹 레지스터를 내장했다. 워킹 레지스터를 2세트 추가함으로써 우선순위가 높은 특정 작업을 추가분에 할당할 수 있다. 따라서 인터럽트 처리가 발생해도 콘텍스트 전환을 즉시 실행할 수 있다.

한국마이크칩테크놀로지의 김선관 이사는 “기존과 같이 1세트 워킹 레지스터인 경우 인터럽트가 발생하면 우선순위가 낮은 작업을 중단하고 워킹 레지스터에 저장된 내용을 일단 다른 메모리로 옮기고, 인터럽트 처리가 끝나면 원래 상태로 되돌려 처리를 계속할 필요가 있기 때문에 지연이 수반될 수밖에 없다”고 설명했다.

dsPIC33EP “GS” 제품군은 전류 센서의 신호를 직접 입력할 수 있는 ×4 ~ 64까지 대응 가능한 프로그래머블 이득 증폭기를 내장했으며 CPU의 부하를 줄이기 위한 디지털 비교기 기능을 제공한다. 디지털 비교기는 임계값과의 비교 결과에 따라 인터럽트를 생성하여 CPU 부하를 줄여준다. 하드웨어 샘플링 기능도 탑재함으로써 ADC의 정밀도를 향상시켜준다.

또한 12비트 D/A 컨버터(DAC)와 아날로그 비교기를 결합함으로써 레퍼런스 전압의 고정밀도화를 실현했으며, 상시 온(ON) 상태를 유지해야 하는 시스템의 경우에도 시스템 중단 없이 쉽게 펌웨어를 업데이트할 수 있도록 플래시 메모리 64 KB 제품은 플래시 메모리를 32 KB씩 2개의 파티션으로 나눠 300 ns 미만의 속도로 그 전환을 가능하게 하는 ‘라이브 업데이트 기능’을 제공한다. 이 기능은 dsPIC33EP “GS” 제품군에서 처음 소개된 기능으로, 시스템을 중지해서는 안 되는 고가용성의 통신 인프라용 전원 장치에 유용하다.

dsPIC33EP “GS” 제품군은 기존 제품군에 비해 소비전력을 80% 절감했다. 로우엔드 모델의 패키지 사이즈는 4×4 mm이다. 기존 6×6 mm 제품에 비해 보드 면적을 절반 이하로 줄일 수 있다. 이에 따라 1/8th 브릭 DC-DC 컨버터 제품 등에 탑재가 용이해졌다. 예를 들어 100 W급 전원 모듈을 구성하는 경우에 모듈의 효율을 0.26% 개선하고, 소산되는 열(dissipated heat)을 4% 줄일 수 있으며, 인덕터와 커패시터의 소형화를 포함한 전원 회로 전체의 소형화를 도모할 수 있다.


고성능 ADC 내장
dsPIC33EP “GS” 제품군은 최대 22개의 아날로그 입력을 갖춘 12비트 ADC를 최대 5개 내장하고 있다. 3극3영점(3P3Z) 보상기에 적용할 경우, 총 처리속도 16 Msps로 300 ns의 지연시간을 제공한다. 또한 보상기의 계산 지연시간은 543 ns가 된다. 총 지연시간은 0.89 μs로 기존 dsPIC33FJ “GS” 제품군에 비해 절반으로 단축되고 총 처리속도는 4배 빠르다. 계산 성능을 높임으로써, 전원 장치의 스위칭 주파수도 현재 제품에서는 최대 500 KHz까지 밖에 대응할 수 없었으나 dsPIC33EP “GS” 제품군은 최대 1 MHz까지 대응할 수 있다.
개발 지원 및 공급
dsPIC33EP “GS” 제품군의 14종 제품들은 제공되는 플래시 메모리 용량에 따라 세 가지(16KB, 32KB, 64KB) 유형으로 제공되며, 패키지는 64/48/44핀 TQFP, 44/28핀 QFN, 28핀 SOIC, 28핀 μQFN 등이 있다.

dsPIC33EP “GS” 제품군을 사용하여 디지털 전원 설계를 비교적 용이하게 하기 위한 툴도 제공된다. 디지털 전원을 위한 MPLAB 스타터 키트 DM330017-2를 이용하면 일반적인 회로 방식의 디지털 전원을 용이하게 평가할 수 있다. USB를 통해 온보드 디버깅 및 프로그래밍이 가능하다. 또한 회로 성능을 최적화하는 보상 계수를 쉽게 계산할 수 있는 무료 툴인 Digital Compensator Design Tool과 이 툴과 함께 사용하는 ‘보상기 소프트웨어 라이브러리’ 및 로열티-프리 dsPIC33 레퍼런스 디자인 등이 제공된다.