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고집적 전력을 효율적으로 공급하기

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글/Art Pini, Digi-Key

머신 러닝, 인공 지능(AI), 5G 셀, IoT 및 엔터프라이즈 컴퓨팅과 같은 애플리케이션뿐만 아니라 빅 데이터 서버에는 보통 저전압에서의 고전류와 콤팩트한 실장 면적의 높은 출력 밀도를 요구하는 강력한 ASIC, FPGA, GPU 및 CPU가 필요하다. 전체 시스템 전원 무결성을 보장하기 위해 DC/DC 전원을 POL, 즉 고성능 프로세서에 바로 연결하는 분배 전력 관리 시스템이 사용된다. 단일 보드에 이러한 DC/DC 전력 컨버터가 많으므로 설계자가 직면한 문제는 보드 공간을 절약하기 위해 이러한 장치를 최대한 작게 만드는 것이다. 동시에 성능, 대기 시간, 열, 효율성 및 신뢰성 요구 사항을 충족하는 동시에 설계 프로세스를 간소화하고 비용을 절감해야 한다.

이 문제 매트릭스에 대한 솔루션은 고급 포장 기술을 사용하여 고성능 반도체와 수동 소자를 결합하여 더 높은 수준의 시스템 통합을 실현한다. 이는 열 관리를 개선하면서 현재 이용 가능한 다른 기술에 비해 낮은 프로파일에서 더 작은 크기를 달성했다. 동시에, 통합 접근 방식은 재고 관리 및 개발 시간을 포함한 설계 비용을 통제한다.

이 기사에서는 분배 전력 네트워크의 필요성과 POL 전력 소자의 역할에 대해 설명한다. 그런 다음 필요한 성능 특성을 달성하기 위해 고급 포장 기술을 사용하는 TDK Corporation의 POL DC/DC 컨버터 클래스를 소개한다. 또한 이 글에서는 이들의 중요한 특성에 대해 논의하고 설계자가 POL 전력 공급 요구 사항을 성공적으로 충족하기 위해 이를 배치하는 방법을 설명한다.

POL DC/DC 컨버터 전원이 필요한 이유

컴퓨터, 서버 및 기타 디지털 장비는 시스템 전원 공급 장치에서 사용할 수 없는 다중 전원 공급 전압을 요구하는 FPGA, ASIC 및 기타 고급 IC 장치를 사용하는 경우가 많아지고 있다. 또한 이들은 지연 시간을 최소화하면서 올바른 순서에 따라 전압을 사용해야 한다. 시스템 전원 공급 장치는 일반적으로 1V, 3.3V 및 5V 같은 여러 고정 전압을 제공한다. 일반적인 FPGA에는 1.2V ~ 2.5V 범위의 전압이 필요하다(그림 1).

[그림 1] FPGA에는 특정 기능 전용의 여러 전압이 필요하다. (출처: Art Pini)

최소한 FPGA는 코어 및 I/O 섹션에 대해 별도의 전원 공급 장치가 필요하다. 이 예제의 FPGA는 코어가 1.2V이고 I/O 기능이 2.5V일 때 작동한다. 또한 보조 회로에는 6개의 다른 전력 레벨이 필요하다. 7개의 전원을 FPGA 근처에 배치하는 것은 PC 보드 레이아웃 설계에 부담을 주는 것이 분명하다. 또한 발열 문제도 고려해야 하므로 전원이 작고 효율적일 필요가 있다.

특허받은 기술로 달성한 특별한 시스템 통합

크기 요구 사항을 충족하기 위해 TDK는 병렬 이산 소자 부품 레이아웃을 포기하는 POL DC/DC 컨버터를 위한 독점 설계를 개발했다. 이는 대신에 기판 내장형 반도체(SESUB) 시스템 인 패키지(SiP) 기술 기반의 3D 통합을 사용한다. 펄스 폭 변조(PWM) 컨트롤러와 MOSFET이 통합된 고성능 반도체는 250마이크로미터(μm) PC 보드 기판에 내장되어 스텝 다운(벅) 컨버터를 형성한다. 회로 출력 인덕터와 커패시터도 3D 레이아웃에 통합되어 내열 기능이 강화된 초소형 패키지를 생성한다(그림 2).

[그림 2] 특허받은 SESUB 기술은 고급 전력 컨트롤러 IC와 MOSFET을 통합한다. (출처: TDK Corporation)

특별한 POL 전원 솔루션

TDK는 SESUB를 초소형 DC/DC 전원 모듈의 μPOL(‘마이크로 POL’로 읽음) 라인의 기반으로 사용한다. FS140x-xxxx-xx 모델로 지정된 이 제품군은 5, 3.3, 2.5, 1.8, 1.5, 1.2, 1.1, 1.05, 1, 0.9, 0.8, 0.75, 0.7 및 0.6볼트의 출력 전압 레벨로 19가지 선택 항목으로 제공된다. 모델에 따라 3 ~ 6암페어(A)의 연속 부하 전류를 지원하며 3.3 x 3.3 x 1.5밀리미터(mm) 크기의 패키지로 제공된다(그림 3).

[그림 3] TDK Corporation μPOL DC-DC 컨버터 이미지 (출처: TDK Corporation)

고유한 물리적 설계로 인해 이 DC/DC 컨버터 제품군은 mm3당 최대 1와트의 출력 밀도를 제공할 수 있으므로 이 소형 패키지가 최대 15와트를 처리할 수 있다.

공칭 출력 전압의 초기 설정값은 ±0.5% 이내이다. 컨버터를 로컬에서 제어할 수 있는 I2C 인터페이스가 포함되어 있다. 출력 전압은 사전 설정된 공칭 전압을 기준으로 ±5밀리볼트(mV) 단계로 트리밍할 수 있다.

FS1406 μPOL 컨버터 내부 구조

FS1406-1800-AL 1.8볼트 DC/DC 컨버터의 기능별 제품 구성도는 장치의 크기가 작음에도 불구하고 장치에 정교한 회로 기능이 많이 포함되어 있음을 보여준다(그림 4).

[그림 4] FS1406-1800-AL DC/DC 컨버터의 기능별 제품 구성도 (출처: TDK Corporation)

FS1406-1800-AL의 공칭 출력은 1.8V이고 지속 부하 용량은 6A이다. 출력 전압은 0.6V ~ 2.5V 범위에서 프로그래밍 가능한 I2C이다. 4.5V ~ 16V의 입력 전압이 필요하고 -40°C ~ +125°C의 지정된 작동 온도 범위를 가진다.

이 DC/DC 컨버터의 핵심은 빠른 과도 응답을 제공하도록 설계된 전용 PWM 변조기이다. PWM 변조기는 컨버터의 출력 전압에 비례하는 스위칭 주파수에서 작동한다. 내부 안정성 보정이 포함되어 있어 외부 보상 네트워크 없이도 다양한 출력 커패시터 유형에 맞춰 ‘플러그 앤 플레이’가 가능한다. 변조기의 PWM 출력은 MOSFET 전력 소자용 게이트 회로를 구동한다. 언급한 바와 같이 출력 필터 인덕터가 패키지에 포함되어 있어 외부 부품을 더욱 최소화한다.

FS1406에는 내부 회로 및 MOSFET에 전력을 공급하기 위해 약 5.2V에서 작동하는 내부 로우 드롭아웃(LDO) 전압 조정기가 포함되어 있다.

또한 설계자는 소프트 스타트 보호, ‘Power Good’ 상태 표시줄, 과전압 보호, 사전 바이어스 시동, 자동 복구를 통한 열 차단, Hiccup 모드를 통한 열 보상 과전류 보호 기능을 포함하는 내장 보호 기능에 주목해야 한다. Hiccup 모드는 과전류가 감지되면 일정 시간 동안 전원 공급을 차단하고 오류가 제거될 때까지 이 시퀀스를 반복한다.

I2C 인터페이스는 출력 전압 설정에 사용된다. 또한 시작 및 보호 기능에 대한 파라미터를 포함하여 시스템 최적화 파라미터를 설정할 수 있다.

일반 애플리케이션

FS1406 제품군은 완전히 통합되어 있으며 공장에서 지정된 목표 전압으로 조정되어 출력 전압 분배기가 필요하지 않다. 설계상 허용 가능한 출력 리플 및 부하 조정을 위해 최소 출력 정전 용량을 추가해야 한다. 또한 입력 전류 요구 사항을 처리하기 위해 입력 커패시터가 필요하다. 필요한 최소 회로 부품 추가는 그림 5에 나와 있다.

[그림 5] FS1406 μPOL DC/DC 컨버터 제품군 이미지 (출처: TDK Corporation)

입력 및 출력 커패시터는 등가 직렬 저항이 낮아야 한다. 다층 세라믹 커패시터를 권장한다. FS1406 규격서는 입력 및 출력 정전 용량 값 계산에 대한 자세한 지침을 제공한다.

시작하려는 설계자에게 도움이 되는 평가 기판

μPOL 컨버터의 1.8볼트 버전용 평가 기판은 EV1406-1800A로, 1.8V 출력과 12V 입력 소스를 갖춘 DC/DC 컨버터용 설계를 제공한다. 0A ~ 6A의 출력 전류를 공급하고 크기는 63 x 84 x 1.5mm이다(그림 6).

[그림 6] TDK Corporation의 EV1406-1800A 평가 기판 이미지 (출처: TDK Corporation)

μPOL의 크기와 전원 공급 기능으로 인해 이러한 장치 중 여러 개를 FPGA 또는 ASIC 주변에 쉽게 장착할 수 있다. 평가 기판은 설계 예제를 제공할 뿐만 아니라 사용자가 입력 및 출력 정전 용량 값을 실험할 수 있도록 개방형 스루홀 부품 위치를 제공한다. 또한 FS1406-1800 내부 바이어스 공급 장치 또는 외부 전압 소스를 선택할 수 있는 헤더가 있다. 또 다른 헤더를 사용하면 I2C 인터페이스에 쉽게 액세스할 수 있다.

I2C 프로그래밍 동글

TDK는 설계 보조 도구로서 출력 전압을 ±5mV 단계로 변경하는 데 사용되는 TDK-MICRO-POL-DONGLE I2C 프로그래밍 보드를 제공한다. 이는 또한 시스템 보호 파라미터를 프로그래밍할 수 있다. 동글은 무료로 제공되는 TDK GUI 소프트웨어 패키지와 함께 작동하여 컨버터를 쉽게 조정할 수 있다.

결론

보드 공간에 미치는 영향을 최소화하면서 안정적인 고집적 POL 전원 공급을 필요로 하는 설계자를 위해 19가지 DC/DC 컨버터의 다양한 TDK mPOL 라인은 다양한 애플리케이션에 적합한 솔루션을 제공한다. 이 제품군은 I2C 포트를 사용하여 각각 ±5mV 단계로 조정 가능한 14개의 공통 출력 전압 레벨을 지원한다. μPOL의 특별한 특허 SESUB 기반 구조는 최소한의 지원 부품으로 높은 출력 밀도를 제공한다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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