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5G 기지국 부품을 구동하기 위한 적합한 전원 선택

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자료제공/Analog Devices, Inc.

셀룰러 통신은 1980년대 초에 아날로그 셀룰러 네트워크가 처음 등장한 이후로 진화를 거듭해 왔다. 오늘날에는 4G를 넘어서 5G로 진입하면서 데이터 전송 속도, 지연시간, 용량, 사용자 밀도, 신뢰성 면에서 한 차원 도약할 수 있는 토대가 마련되고 있다. 5G는 데이터 속도는 100배 및 네트워크 용량은 10배까지 향상시키는 것으로서, 지연시간을 1ms 미만으로 크게 단축할 뿐만 아니라[1] IoT로 점점 늘어나는 수십억 개의 커넥티드 디바이스들을 어디서나 연결할 수 있도록 한다. 그림 1은 디지털 MIMO, 데이터 컨버터, 신호 프로세싱, 증폭기, 안테나로 이루어진 5G 빔형성 트랜스미터를 보여준다[2].

FPGA 구동
5G의 이점을 최대한 실현하기 위해서는 새로운 스펙트럼을 활용해서 미래의 데이터 요구량을 충족하기 위해서 고주파 무선이 필요하다. 더 소형화된 셀로 더 통합적인 마이크로파/밀리미터파 트랜시버, FPGA, 더 빠른 데이터 컨버터, 고전력 저잡음 전력 증폭기(PA)를 사용해야 한다. 또 이러한 5G 셀은 매시브 MIMO 기법을 사용해서 신뢰할 수 있는 접속을 하기 위해서 더 고집적 안테나를 사용할 것이다. 그러므로 5G 기지국 부품을 구동하기 위해서는 향상된 전원장치가 요구된다.
최신 FPGA와 프로세서는 첨단 나노미터 공정을 사용해서 제조된다. 컴팩트한 패키지로 저전압(0.9V 미만) 고전류로 빠른 속도로 연산을 수행한다. 새로운 세대의 FPGA는 연산 속도를 크게 향상시키기 위해서 코어 전압으로 낮은 전압을 필요로 하면서 I/O 인터페이스로는 더 높은 전압을 필요로 하고, 또 DDR 메모리를 위한 추가적인 레일을 필요로 한다[3][4][5]. 그러므로 단일 FPGA로 엄격한 허용오차와 다양한 전류 정격으로 다중의 전압을 필요로 한다. 여기에 더해서 손상을 방지하기 위해서, 이들 전압 레일들을 적절한 순서로 시퀀싱해야 한다. 최신 반도체 기술과 진보된 회로 토폴로지 및 첨단 패키징 기법을 결합해서 이와 같은 엄격한 요구를 충족할 수 있게 되었다. 하지만 디자이너가 전원 관리 솔루션을 잘못 선택한다면 효율 저하에서부터 복잡한 열 설계와 성능 상의 바람직하지 않은 문제들까지 다양한 위험성을 초래할 수 있다.

고속 데이터 컨버터를 잡음 없이 구동
아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 같이 빠르게 실행되는 정밀 데이터 컨버터 역시도 매우 낮은 잡음과 dc 리플로 1.3V, 2.5V, 3.3V 같은 다중의 전원 레일을 필요로 한다[6]. 이러한 고속 ADC와 DAC는 공간이 제한적인 혼잡한 PCB 상에 탑재된다. 그러므로 이러한 고속 데이터 컨버터 용으로 전원 시스템을 설계할 때는 전원장치에 대해서 ADC와 DAC의 민감성을 무엇보다도 중요하게 고려해야 한다.

[그림 1] 5G 시스템 용으로 빔형성 트랜스미터 블록 다이어그램

첨단 반도체 및 패키징 기술을 채택한 ADI의 ?Module® Silent Switcher® 레귤레이터는 바로 이러한 문제를 해결하고 고속 데이터 컨버터의 효율, 밀도, 잡음 성능 요구를 충족하는 제품이다. 이 제품군의 한 제품으로서 Silent Switcher LTM8065는 이들 디바이스를 구동하기 위한 용으로 잡음이 낮고, 컴팩트하고, 효율적인 솔루션을 제공한다. 기존 디스크리트 솔루션에 비해서 LTM8065를 사용함으로써 데이터 컨버터의 동적 성능을 해치지 않으면서 부품 수를 크게 줄이고 전원장치가 차지하는 보드 면적을 줄일 수 있다. 단일의 RoHS 준수 BGA 패키지로 스위칭 컨트롤러, 전력 스위치, 인덕터, 모든 지원 소자를 통합하고 있다.
경우에 따라서는 PSRR(power supply rejection ratio) 성능을 극대화하기 위해서 전원 경로로 스위칭 레귤레이터 다음에 선형 레귤레이터를 사용할 수 있다. ADP7118은 그러한 LDO 저잡음 선형 레귤레이터로서, 넓은 입력 전압 범위로 동작하고 출력 정확도가 우수하고 잡음이 낮고 PSRR이 높으며 라인 및 부하 트랜션트 응답이 뛰어나다. 이 제품 라인으로는 이 외에도 다양한 제품들을 포함하며, LTpowerCAD와 LTspice® 같은 ADI의 소프트웨어 툴을 사용해서 각기 용도로 적합한 디바이스 제품을 손쉽게 선택할 수 있다.

PA 및 트랜시버 전원 관리
통합적 트랜시버와 저잡음 고전력 마이크로파/밀리미터파 PA를 사용하고 넓은 대역폭으로 동작하는 차세대 무선은 디지털 제어 및 관리 시스템을 포함한다. 이 시스템을 위해서는 다양한 전문적인 전원 기술을 사용해야 한다. 갈륨 나이트라이드(GaN) 기반 저잡음 고전력 PA는 28V부터 50V까지 높은 전압을 필요로 하고, FPGA 기반 제어 및 고속 ADC 및 DAC는 다중의 저전압을 필요로 하고 시퀀싱, 모니터링, 보호를 적절히 해야 한다[7][8]. 최신 dc-dc 컨버터는 이러한 5G PA에 필요로 하는 효율(90% 이상), 전력 밀도, 저잡음, 제어 요구를 충족한다.
이전 세대(4G)를 훨씬 뛰어넘는 차세대(5G) 제품을 내놓아야 하는 압박이 심하기 때문에 타협을 할 수 있는 여유가 허용되지 않는다. 그러므로 ADI는 기지국 RF 체인의 모든 측면에 정통하고 필요한 전원 관리 툴을 잘 이해하고 있는 회사로서, 오늘날 5G 기반 PA 및 트랜시버 용으로 최적의 전원 솔루션을 제공할 수 있는 위치에 있다. 고효율 고밀도 dc-dc 컨버터 모듈에서부터 시퀀싱, 모니터링, 보호 기능을 통합한 전원 관리 IC(PMIC)와 극저잡음 선형 레귤레이터에 이르기까지 업계에서 가장 포괄적인 구성의 고성능 Power by Linear™ 제품을 제공함으로써, 5G 신호 체인 전반을 지원하는 포괄적인 솔루션을 제공한다.
ADI의 ?Module 레귤레이터와 Silent Switcher 제품은 일체의 기능을 통합한 전원용 시스템-인-패키지 솔루션으로서, 소형화된 패키지로 극히 높은 효율(95% 이상)과 전력 밀도로 정확한 전압을 제공하며 신뢰성을 높이고 EMI와 간섭을 최소화한다. 이들 제품은 무선 신호로 잡음이나 간섭을 추가하지 않으면서 고성능 RF 시스템으로 최대의 전력 변환 효율과 밀도로 전원을 공급할 수 있으므로, 이러한 RF PA나 여타 RF 회로로부터 최대의 성능을 끌어낼 수 있다.
또한 ADI는 다중의 레일을 필요로 하는 회로로 전원 시퀀싱 요구를 충족하도록, 2개 전원을 시퀀싱할 수 있는 제품(ADM6819/ADM6820)부터 17개 채널을 시퀀싱할 수 있는 제품(ADM1266)에 이르기까지 다양한 시퀀서 제품을 제공한다. 시스템이 효율적이고도 안전하게 잘 작동하기 위해서는 디바이스 전압, 전류, 온도를 모니터링하는 것이 중요하다. 이 용도로 LTC2990 같은 제품을 제공한다.

맺음말
ADI의 Power by Linear 제품 포트폴리오는 저잡음 LDO 레귤레이터, EMI가 낮고 고도로 통합적인 다중레일 dc-dc 컨버터 ?Module 디바이스, Silent Switcher 기술, 여타 전원 관리 IC를 포함해서 업계에서 가장 포괄적인 구성의 전원 제품을 제공한다. 또한 LTpowerCAD와 LTspice 같은 소프트웨어 설계 및 시뮬레이션 툴을 비롯해서 5G 기지국 부품을 구동하기 위해서 필요로 하는 모든 것을 제공한다. 이들 툴을 사용해서 적합한 전원 관리 솔루션을 손쉽게 선택할 수 있으며, 5G 기지국 부품 용으로 최적의 전원 솔루션을 달성할 수 있다.

[참고문헌]
1.  Kyungmin Park. “How 5G Reduces Data Transmission Latency.” EDN Network, May 14, 2018.
2.  Thomas Cameron. “5G?The Microwave Perspective.” Analog Devices, Inc., December 2015.
3.  Nathan Enger. “Care and Feeding of FPGA Power Supplies: A How And Why Guide To Success.” Analog Dialogue, November 2018.
4.  Frederik Dostal. “Power Management for FPGAs.” Analog Dialogue, March 2018.
5.  Afshin Odabaee. “Powering Altera Arria 10 FPGA and Arria 10 SoC: Tested and Verified Power Management Solutions.” Analog Devices, Inc.
6.  Aldrick Limjoco, Patrick Pasaquian, and Jefferson Eco. “Silent Switcher μModule Regulators Quietly Power GSPS Sampling ADC in Half the Space.” Analog Devices, Inc., October 2018.
7.  David Bennett and Richard DiAngelo. “Power Supply Management of GaN MMIC Power Amplifiers for Pulsed Radar.” Analog Devices, Inc., October 2017.
8.  Keith Benson. “GaN Breaks Barriers?RF Power Amplifiers Go Wide and High.” Analog Dialogue, September 2017.