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데이터 프로세싱 회로에 적합한 DC/DC 컨버터


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글/동 왕(Dong Wang), AE, 아나로그디바이스(Analog Devices Inc.)


머리말

텔레콤, 네트워킹, 산업용, 자동차, 항공우주, 방위 시스템 등으로 FPGA, 시스템온칩(SoC), 마이크로프로세서 같은 데이터 프로세싱 IC들이 갈수록 더 많이 사용되고 있다. 이러한 모든 시스템들로 프로세싱 성능이 계속해서 높아지고 있고, 그에 따라서 전력 요구량 또한 높아지고 있다. 디자이너들은 고전력 프로세서의 열 관리 문제는 중요시하면서, 전원장치의 열 관리 문제에 대해서는 소홀히 하고는 한다. 트랜지스터를 집적한 프로세서와 다르지 않게, 데이터 프로세싱 시스템의 전원장치에 낮은 코어 전압으로 높은 전류를 제공하고자 할 때 심각한 열 문제에 직면할 수 있다.

DC/DC 컨버터의 요구사항: EMI, 변환 비율, 크기, 열 문제

통상적으로 FPGA/SoC/마이크로프로세서는 주변장치 및 보조 전원 용으로 5V/3.3V/1.8V, DDR4와 LPDDR4 용으로 1.2V와 1.1V, 프로세싱 코어 용으로 0.8V를 비롯한 다수의 전원 레일을 필요로 한다. 이러한 레일들을 발생시키기 위한 DC/DC 컨버터는 배터리나 중간 DC 버스로부터 12V 혹은 5V의 입력을 취한다.
이 소스 DC 전압을 프로세서에 필요로 하는 훨씬 낮은 전압으로 스텝다운(강압)하기 위해서 스위치 모드 벅 컨버터를 사용한다. 이 컨버터는 높은 스텝다운 비율로 효율이 높다. 스위치 모드 컨버터는 수백 가지 종류가 있는데, 크게 두 가지 범주로 구분할 수 있다. 컨트롤러(외부 MOSFET)와 모노리딕 레귤레이터(내부 MOSFET)이다.

전통적인 컨트롤러 솔루션은 적합하지 않을 수 있다.

전통적인 스위치 모드 컨트롤러 IC는 외부 MOSFET을 구동하고 외부 피드백 제어 루프 보정 부품들을 사용한다. 이 컨버터는 효율과 범용성이 우수하고 높은 전력을 제공할 수 있다. 하지만 다수의 디스크리트 부품을 필요로 하므로 설계가 비교적 복잡하고 최적화하기가 어렵다. 또한 외부 스위치는 스위칭 속도가 제한적일 수 있다. 그러므로 자동차나 항공우주 같이 공간을 중요하게 요구하는 경우에 문제가 될 수 있다. 스위칭 주파수가 낮으면 크기가 큰 부품을 사용하게 되기 때문이다.
반면에 모노리딕 레귤레이터는 설계를 크게 간소화할 수 있다. 이 글에서는 모노리딕 솔루션에 초점을 맞춰서 살펴보도록 하겠다.

최소 온 시간 및 오프 시간을 중요하게 고려해야 한다.

또 다른 중요한 고려사항은 컨버터의 최소 온(on) 및 오프(off) 시간이다. 이것은 다시 말해서 입력에서 출력으로 스텝다운하기 위해서 충분한 듀티 사이클로 동작할 수 있느냐 하는 것이다. 스텝다운 비율이 높을수록, 요구되는 최소 온 시간이 낮아진다(이것은 주파수에 따라서도 달라진다). 같은 맥락에서 최소 오프 시간은 드롭아웃 전압에 따라서 달라진다. 이것은 출력을 더 이상 지원할 수 없게 되기까지 입력이 얼마나 낮아질 수 있느냐를 나타낸다. 스위칭 주파수를 높이면 전반적인 솔루션 크기를 줄일 수 있는데, 최소 온 및 오프 시간에 따라서 동작 주파수의 상단 한계가 결정된다. 이들 값을 낮게 할수록 크기를 작게 하고 높은 전력 밀도를 달성하도록 설계할 수 있는 여유가 생긴다.

EMI 성능에 주의를 기울여야 한다.

잡음에 민감한 다른 장치들과 함께 안전하게 동작하기 위해서는 EMI 성능 또한 중요하다. 산업용, 텔레콤, 자동차 애플리케이션의 전원 디자인으로 EMI를 최소화하는 것이 무엇보다도 중요하다. 복잡한 전자장치들이 EMI 때문에 서로를 방해하지 않고 동작하도록 하기 위해서 엄격한 EMI 규정들이 적용된다. CISPR 25와 CISPR 32 복사 EMI 규정을 예로 들 수 있다. 이러한 규정들을 충족하기 위해서 기존의 전원장치들은 스위칭 에지를 느리게 하거나 스위칭 속도를 낮추는 방법으로 EMI를 낮춘다. 그런데 전자의 방법은 효율을 떨어트리고 더 많은 열을 발생시키고, 후자의 방법은 전력 밀도를 떨어트린다.
스위칭 주파수를 낮추면 CISPR 25 규정의 530kHz~ 1.8MHz AM 대역 EMI 요건을 위반할 위험성 또한 따른다. 기계적 완화 기법을 사용해서 잡음 수준을 낮출 수도 있다. 복잡하고 부피가 큰 EMI 필터나 금속 차폐를 들 수 있다. 하지만 이러한 방법들은 비용, 보드 공간, 부품 수, 어셈블리 복잡성을 늘릴 뿐만 아니라 열 관리와 테스트를 복잡하게 한다. 그러므로 이러한 방법들로는 크기 소형화, 높은 효율, 낮은 EMI에 대한 요구를 충족하기가 어렵다.

크기를 줄이면서 EMI, 열 성능, 효율 향상

전원 시스템 설계가 시스템 디자이너에게 심하게 부담이 될 정도로 복잡해지고 있다. 이러한 부담을 덜기 위해서는 많은 문제들을 한꺼번에 해결하는 전원 IC를 사용하는 것이 좋은 방법일 수 있다. 다시 말해서 보드 상의 복잡성을 완화하고, 높은 효율로 동작하고, 열 발생을 최소화하고, EMI를 낮출 수 있는 것이다. 다중의 출력 채널을 지원하는 전원 IC를 사용하면 설계와 제조를 더더욱 단순화할 수 있다.
패키지 내부로 스위치들을 통합한 모노리딕 전원 IC가 바로 그러한 솔루션이다. 그림 1은 전체적인 듀얼 출력 솔루션 보드를 보여주는 것으로서, 모노리딕 레귤레이터가 얼마나 컴팩트하고 설계를 단순화하는지 알 수 있다. 여기서 사용하고 있는 IC는 MOSFET을 통합하고 보정 회로를 내부적으로 포함하므로 소수의 외부 부품만을 필요로 한다. 이 솔루션의 총 코어 크기는 22mm x 18mm에 불과하다. 이것이 가능한 것은, 비교적 높은 2MHz 스위칭 주파수를 사용하기 때문이다.

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[그림 1] 높은 스위칭 주파수로 높은 효율을 달성하는 컴팩트한 솔루션으로서, 우수한 EMI 성능을 달성한다.

그림 2는 이 보드의 회로도를 보여준다. 이 컨버터는 2MHz로 동작하며 LT8652S의 2개 채널을 사용해서 3.3V/ 8.5A와 1.2V/8.5A의 2개 출력을 제공한다. 이 회로를 3.3V와 1.8V, 3.3V와 1V 등의 다른 출력 조합을 발생시키도록 손쉽게 변경 가능하다. 또 다르게는 LT8652S의 넓은 입력 범위를 활용해서 LT8652S를 12V, 5V, 또는 3.3V 전치 레귤레이터 뒤에 오는 이차 스테이지 컨버터로 사용함으로써 총 효율과 전력 밀도를 향상시킬 수 있다.

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[그림 2] LT8652S의 2개 채널을 사용한 듀얼 출력, 2MHz, 3.3V/8.5A 및 1.2V/8.5A 애플리케이션

LT8652S는 각 채널로 8.5A를 제공하거나, 병렬 출력으로 17A를 제공하거나, 단일 채널 동작으로 최대 12A를 제공할 수 있다. 또한 3V~18V 입력 범위로 FPGA/SoC/마이크로프로세서 애플리케이션에 요구되는 대부분의 입력 전압 조합을 지원할 수 있다.

듀얼 출력 모노리딕 레귤레이터의 성능

그림 3은 그림 1의 솔루션으로 효율을 측정한 것을 보여준다. 단일 채널 동작으로 12V 입력 전압으로 3.3V 레일로는 94% 피크 효율 및 1.2V 레일로는 87% 피크 효율을 달성한다. 듀얼 채널 동작으로는 12V 입력으로 90% 피크 효율과 각 채널로 8.5A 부하 전류로 86%의 풀 부하 효율을 달성한다. 또한 LT8652S는 오프 시간 스킵핑 기능에 의해서 100%에 가깝게 듀티 사이클이 연장되므로, 입력 전압 범위의 가장 낮은 전압으로도 출력 전압을 레귤레이트 할 수 있다. 20ns 정격 최소 온 시간은 레귤레이터를 높은 스위칭 주파수로 동작할 수 있도록 한다.

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[그림 3] 2MHz 스위칭 주파수로 단일 및 듀얼 출력 효율

12V 배터리 또는 DC 버스로부터 곧바로 1V 미만의 출력을 발생시킬 수 있다. 그러므로 전반적인 솔루션 크기와 비용을 줄일 수 있으며, 한편으로 AM 대역을 피할 수 있다. Silent SwitcherⓇ 기술을 적용해서 바이패스 커패시터를 내부적으로 통합함으로써, 레이아웃이나 제조 시에 어떠한 문제로 인해서 EMI나 효율을 떨어트리는 일이 발생하지 않는다.

고전류 부하로 차동 전압 검출

고전류 애플리케이션으로는 PCB 트레이스의 매 인치마다 상당한 전압 강하가 발생된다. 첨단 코어 회로로 통상적인 저전압 고전류 부하를 위해서는 매우 엄밀하게 전압을 제어해야 하며 전압 강하가 심각한 문제가 될 수 있다.
LT8652S는 차동 출력 전압 검출 기능을 제공하므로, 사용자가 켈빈 연결을 해서 출력 전압 검출을 하고 곧바로 출력 커패시터로부터 피드백을 할 수 있다. 최대 ±300mV의 출력 접지 라인 전위를 보정할 수 있다. 그림 4는 차동 검출 기능을 사용해서 양쪽 채널로 LT8652S의 부하 레귤레이션을 보여준다.

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[그림 4] 차동 검출 기능을 사용한 LT8652S의 부하 레귤레이션

출력 전류 모니터링

일부 고전류 애플리케이션에서는 텔레메트리 및 진단 용도로 출력 전류 정보를 수집해야 한다. 최대 출력 전류를 제한하거나 동작 온도에 따라서 출력 전류를 디레이팅함으로써 부하로 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다. 그러므로 출력 전류를 정확하게 레귤레이트 하기 위해서는 정전압 정전류 동작이 필요하다. LT8652S는 IMON 핀들을 사용해서 부하로 레귤레이트 되는 전류를 모니터링하고 낮출 수 있다.
IMON을 사용해서 부하로 레귤레이트 되는 전류를 프로그램 할 수 있으며, 또 한편으로는 IMON과 GND 사이에 저항에 기반해서 이 레귤레이트 전류를 낮추도록 IMON을 구성할 수 있다. PTC(positive temperature coefficient) 서미스터를 사용해서 부하/보드 온도 디레이팅을 프로그램 할 수 있다. 보드/부하 온도가 상승하면 IMON 전압이 상승한다.
레귤레이트 전류를 낮추기 위해서는, IMON 전압을 내부 1V 레퍼런스와 비교해서 듀티 사이클을 조절한다. IMON 전압이 1V보다 낮을 수도 있는데, 이때는 아무 효과도 일어나지 않는다. 그림 5는 IMON 전류 루프를 활성화했을 때의 부하 전류 대비 출력 전압 프로파일을 보여준다.

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[그림 5] LT8652S의 전류 대비 출력 전압 프로파일

낮은 EMI

복잡한 전자 시스템들이 서로를 방해하지 않고 동작하도록 하기 위해서 각각의 장치 차원에서 엄격한 EMI 규정이 적용된다. 산업용으로 CISPR 32와 자동차용으로 CISPR 25 같이 분야별로 각각의 규정들을 도입하고 있다. 우수한 EMI 성능을 달성하도록 LT8652S는 첨단 Silent Switcher 2 기술을 적용해서 EMI를 제거하고 핫 루프 커패시터를 내부적으로 통합해서 잡음이 심한 안테나 크기를 최소화한다.
그러므로 LT8652S는 MOSFET을 통합하고 솔루션 크기를 소형화 할 뿐만 아니라, 우수한 EMI 성능을 달성한다. 그림 6은 그림 1에서 본 LT8652S 표준 데모 보드로 EMI 테스트 결과를 보여준다. 그림 6a는 피크 검출기를 사용한 CISPR 25 복사 EMI 결과이고, 그림 6b는 CISPR 32 복사 EMI 결과이다.

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[그림 6] 그림 1 회로의 복사 EMI 테스트 결과. VIN = 14V, VOUT1 = 3.3V/8.5A, VOUT2 = 1.2V/8.5A

병렬 동작으로 더 높은 전류와 더 우수한 열 성능 달성

데이터 프로세싱 속도가 높아지고 데이터 양이 증가함에 따라서 FPGA와 SoC의 전력 요구량 또한 높아지고 있다. 이에 따라서 전원장치로 전력 밀도와 성능을 높여야 하는 요구에 직면하고 있다. 하지만 전력 밀도를 높이면서 설계를 단순화하고 견고성을 높이는 것 또한 포기할 수 없다. 17A 이상의 전류 용량을 요구하는 프로세서 시스템으로는 다중의 LT8652S를 병렬로 연결하고 이위상(out-of-phase)으로 동작할 수 있다.
그림 7은 두 컨버터를 병렬로 연결해서 1V로 34A 출력 전류를 제공하는 것을 보여준다. U1의 CLKOUT을 U2의 SYNC로 연결해서 마스터의 클록을 슬레이브로 동기화한다. 결과적으로 채널 간에 90° 위상 차이로 입력 전류 리플을 낮추고 보드 상으로 열 부하를 확산시킬 수 있다.

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[그림 7] SoC 애플리케이션 용으로 4위상, 1V/34A, 2MHz 솔루션

정상 상태 및 스타트업 시에 전류 공유를 위해서 VC, FB, SNSGND, SS를 서로 연결한다. 정확한 피드백과 잡음 내성을 위해서는 켈빈 연결이 권장된다. 열 성능을 향상시키기 위해서는 접지 핀들 주위로 하단 층으로 되도록 많은 열 비아를 배치하도록 한다. 입력 핫 루프의 세라믹 커패시터는 VIN 핀에 가깝게 배치한다.
자동차로는 운전 조건이 수시로 갑자기 변화될 수 있으므로 자동차 SoC로 부하 트랜션트 요구를 충족하기가 까다로울 수 있다. 빠르게 변화하는 부하에 대해서 지연을 일으키지 않고 빠르게 응답할 수 있어야 한다. 주변장치 전원으로 100A/μs의 부하 전류 슬루율을 드물지 않게 볼 수 있으며, 코어 전원으로는 슬루율이 그보다도 더 높을 수 있다. 한편으로는 빠른 부하 전류 슬루율로 전원 출력으로 전압 트랜션트를 최소화해야 한다.
2MHz 이상의 빠른 스위칭 주파수는 빠르게 트랜션트 복구를 하면서 출력 전압 변동을 최소화할 수 있다. 그림 7은 빠른 스위칭 주파수를 활용하고 안정적인 동적 루프 응답을 달성하기 위해서 적절한 루프 보정 부품들 값을 보여준다. 보드 레이아웃 시에 출력 커패시터에서 부하로 트레이스 인덕턴스를 최소화하는 것 또한 중요하다.

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[그림 8] 그림 7 회로의 부하 트랜션트 응답

맺음말

FPGA, SoC, 마이크로프로세서의 프로세싱 성능이 계속해서 높아짐에 따라서, 전력 요구량 또한 증가하고 있다. 필요한 전원 레일 수와 용량이 늘어나고 있기 때문에 전원 시스템을 설계할 때 크기를 작게 하고 응답을 빠르게 하는 것이 요구되고 있다. LT8652S는 전류 모드 8.5A 18V 동기 Silent Switcher 2 벅 레귤레이터로서, 3V~18V 입력 전압 범위로 동작하고, 단일 셀 리튬이온 배터리부터 자동차 입력까지 다양한 입력 소스로 동작하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
또한 LT8652S는 300kHz~3MHz의 주파수 범위로 동작하므로, 외부적으로 필요로 하는 부품 크기를 최소화하고 AM 라디오 같은 중요한 주파수 대역을 피할 수 있다. Silent Switcher 2 기술을 적용해서 스위칭 주파수와 전력 밀도를 희생하거나 스위칭 속도와 효율을 희생할 필요 없이 우수한 EMI 성능을 보장한다. 또한 Silent Switcher 2 기술은 모든 필요한 바이패스 커패시터를 패키지 안으로 통합함으로써, 레이아웃이나 제조 시에 EMI 문제가 불거질 가능성을 최소화하고 설계와 제조를 간소화한다.
Burst ModeⓇ 동작은 정지 전류를 단 16μA로 낮추고 출력 전압 리플을 낮춘다. 4mm x 7mm LQFN 패키지이고 소수의 외부 부품만을 필요로 하므로 풋프린트를 컴팩트하게 하고 솔루션 비용을 최소화할 수 있다. LT8652S의 24mΩ/8mΩ 스위치들은 90% 이상의 효율을 달성하고, 프로그래머블 저전압 록아웃(UVLO) 기능은 시스템 성능을 최적화한다. 출력 전압 원격 차동 검출은 전체적인 부하 범위에 걸쳐서 높은 정확도를 유지하고 트레이스 임피던스의 영향을 받지 않는다. 그러므로 외부 영향으로 인해서 부하가 손상될 가능성을 최소화한다. 그 밖의 기능들로서 내부/외부 보정, 소프트 스타트, 주파수 폴드백, 열 셧다운 보호 기능을 포함한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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