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더 적은 수의 부품을 사용해서 동적 전원 관리 달성_통합적인 PMBus DC-DC 레귤레이터를 사용함으로써 PoL 구성 및 제어 간소화

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글/Ramesh Balasubramaniam, 인피니언 테크놀로지스

효율을 극대화하고 CPU, ASIC, 여타 정교한 IC의 복잡한 전원 요구를 충족하기 위해서 데이터 센터 서버, 임베디드 통신 시스템, 네트워킹 장비와 같은 애플리케이션에서 동적 전원 관리가 중요하게 요구되고 있다. 그러는 한편으로 전원 장치 설계를 맡고 있는 엔지니어들에게는 보드 면적을 최소화하면서 컨셉 구상에서부터 최종 제품까지 걸리는 시간을 단축하는 것이 과제가 되고 있다. 
이러한 동적 관리를 달성하기 위해서 엔지니어들이 갈수록 더 PMBus 표준을 기반으로 한 디지털 전원으로 눈을 돌리고 있다. PMBus는 전원 관리 장치를 모니터링하고 제어하기 위한 표준화된 플랫폼을 제공한다. 이와 함께 보드 면적을 절약하기 위해서 엔지니어들은 최소한의 부품을 사용해서 이러한 동적 관리를 구현할 수 있기를 원한다. PMBus 지원이 탑재된 고도의 통합 디지털 전원 컨버터를 사용함으로써 열거한 이런 모든 요구들을 충족할 수 있다.

DC/DC 변환 디자인의 과제

서버나 네트워크 인프라 장비에 사용되는 통상적인 분산 전원 아키텍처는, 먼저 AC-DC 프론트 엔드를 사용해서 데이터 통신 시스템(그림 1)이나 컴퓨터 서버의 경우에 48V의 DC 전압을 발생시킨다. 이것을 DC-DC 컨버터를 거쳐서 12V 또는 5V의 중간 버스 아키텍처(Intermediate Bus Architecture: IBA)로 공급하고, 이 중간 전압을 다시 보드 상의 다수의 POL(point of load) 컨버터로 공급해서 IC에 사용하기 위한 전원 레일을 제공한다. 중간 버스에 12V를 선택한 것은 보드 상의 IC 요구량을 충족하기에 충분히 높으면서 변환 및 분배 손실을 최소화할 수 있는 것으로 여겨졌기 때문이다.

하지만 오늘날에 이르러서는 좀더 유연한 전원 분배가 필요하게 되었다. 고정적 버스 전압을 사용하는 기존의 IBA는 연산 요구량이나 데이터 트래픽이 적을 때와 같이 컨버터로의 부하가 낮을 때 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있기 때문이다. 또 한편으로는 서버 보드의 피크 전력 소모가 높아지고 있기 때문이다. 이것은 최종 사용자들이 끊임 없이 더 높은 성능의 더 빠른 서비스를 원하기 때문이다. 무어의 법칙을 따라서 기술이 계속해서 발전됨으로써 디자이너들이 정해진 표준 사이즈 서버 보드에 다중의 고성능 프로세서를 탑재할 수 있게 되었다. 전문가들의 말에 따르면 앞으로 조만간 피크 전력 소모가 블레이드당 5kW를 넘어설 수 있다고 한다. 오늘날 네트워크 및 데이터 센터 사업자들에게 전력 소모는 이미 자사의 전체적인 운용 비용 중에서 상당한 비중을 차지하는 요소로서 이 문제에 상당한 신경을 쓰고 있으므로, 전원 장치를 동적으로 적응할 수 있게 해서 모든 부하 수준으로 최대의 효율을 달성하도록 해야 한다...(중략)