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게이트 드라이버를 통합한 GaN ePower™ 초고속 스위치 - ITOF 레이저 드라이버로 사용하기 적합

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글/John S. Glaser, Director of Applications Engineering, Efficient Power Conversion Corporation

갈륨 나이트라이드 FET이 전력 반도체 애플리케이션으로 빠르게 인기가 높아지고 있다. 하지만 GaN은 여전히 시작 단계에 있다[1]. 기본적인 FET 성능에 있어서 향상의 여지가 많이 남아 있다. 이런 가운데 GaN 전력 IC가 활발하게 개발되고 있다.
최신 GaN-on-Si 디바이스는 수평적 FET 구조에 의해서 전력 소자와 신호 소자를 모노리딕으로 통합하는 것이 가능하다. 이와 같은 통합적인 GaN 전력 IC 제품들이 시장에 등장하고 있다[2][3]. 이러한 통합은 크기와 비용을 줄일 뿐만 아니라 신뢰성과 성능을 향상시킬 수 있다.
이 글에서는 FET과 게이트 드라이버를 통합한 IC를 소개한다. 이 IC는 간접 TOF(time-of-flight) 애플리케이션에 레이저 드라이버로 사용하기에 적합하도록 설계되었으며 40V 버스로 10A의 펄스 전류를 구동할 수 있다. 10A를 스위칭하면서 출력 상승 및 하강 시간이 600ps 미만이고, 출력 RDS(on)이 약 50mΩ이고, 100MHz 이상으로 스위칭할 수 있다. 이 IC 제품은 다양한 전원 전압과 로직 입력으로 구성된 여러 버전의 제품을 제공한다. 모든 제품이 동일한 2 x 3 BGA 칩스케일 패키지이고 풋프린트 크기는 1mm x 1.5mm이다(그림 1). 이 패키지는 열 성능이 우수하고 인덕턴스가 극히 낮다.

[그림 1] 고도로 통합적인 EPC21601 GaN 전력 스위치의 사진(a)과 블록 다이어그램(b)

레이저 드라이버 요구사항

라이다 용의 레이저 드라이버는 펄스형 전력 애플리케이션이다. 그림 2는 레이저 드라이버의 개략도를 보여준다. 스위치 Q1이 오프이면 C1이 입력 전압 VIN으로 충전된다. 명령 신호 vcommand에 의해서 스위치 Q1이 레이저 다이오드 DL을 통해서 C1을 완전히 또는 부분적으로 방전한다. 인덕터 L1은 C1DLQ1 루프의 부유 인덕턴스에 해당된다. 첨단 라이다 시스템은 짧은 전이로 높은 전류와 폭이 좁은 펄스를 요구한다. 드라이버가 빠를수록 분해능이 좋아지고, 전류가 높을수록 범위를 늘릴 수 있다. 라이다 시스템에 따라서 펄스 폭은 1ns부터 100ns까지 될 수 있으며, 전류는 1A부터 100A를 넘을 수도 있다.

[그림 2] 레이저 드라이버 개략도

오늘날 라이다는 두 가지 유형으로 구분할 수 있다. 직접 TOF(DTOF)와 간접 TOF(ITOF)이다[4]. DTOF 라이다는 개별 펄스들을 전송하고 반사되는 시간을 가지고서 표적까지의 거리를 계산한다. ITOF 라이다는 송신된 펄스 트레인과 반사된 펄스 트레인의 위상을 비교하는 방식으로 동작한다. 최근 들어서 ITOF 라이다가 빠르게 성장하고 있다. 이것은 단순한 리시버를 사용할 수 있고 그러므로 비용을 낮출 수 있기 때문이다. 저비용 CMOS 카메라 이미징 기술을 사용해서 이미징 칩이 발전함으로써, 이미징 칩이 각각의 픽셀로 거리 정보를 제공할 수 있게 되었다. 그럼으로써 전체 프레임의 거리 정보를 한 번에 포착할 수 있다. 이것을 ‘플래시 라이다’라고도 한다. 레이저를 플래시 램프로 사용해서 장면으로 조명을 비추기 때문이다. 초기의 디자인들로는 실리콘 레이저 드라이버를 사용했다. 그런데 실리콘 레이저 드라이버는 거리가 짧고 이미지 품질이 떨어질 뿐만 아니라 프레임 레이트가 낮다. 이것은 레이저 펄스의 형태가 나쁘기 때문이다. GaN FET이 이러한 디자인에 사용하기에 효과적인 것으로 입증되고 있다. 더 가파른 에지로 더 높은 전류와 더 빠른 펄스가 가능하고 그러면서도 비용을 절감할 수 있기 때문이다.

[그림 3] ITOF의 동작 개요 다이어그램

휴대 라이다 시스템으로 ITOF의 요구사양

ITOF 라이다는 1미터 미만에서부터 수십 미터에 이르는 중간 거리 용으로 빠른 성장세를 보이고 있다. 이러한 시스템은 단일 지점 거리 측정 시스템에서부터 메가픽셀 TOF 카메라까지 포함하며, 점차적으로 다중 지점 및 이미징 시스템 쪽으로 변화가 일어나고 있다. 이것은 한 검출 사이클로 넓은 시야각을 포착할 수 있기 때문이다. 이를 위해서는 전체적인 장면으로 한 번에 조명을 비출 수 있는 광원이 유리하며, 바로 이러한 용도로 적합한 것이 VCSEL(수직 공동 표면 방출 레이저)이다. 개별 VCSEL은 크기가 매우 작으며, 다이 표면으로부터 방출하기 때문에 다수의 VCSEL을 단일 다이로 집적해서 광 출력을 높일 수 있다. 소형 크기의 휴대 시스템 용으로 펄스 전류 요구량은 2A~10A이다. 낮은 전류로 단일 VCSEL의 전압 강하는 낮으나, 높은 전류로는 등가 직렬 저항으로 인해서 상당한 전압 강하가 발생된다. VCSEL들을 직렬로 연결하면 전압 강하가 더 증가할 수 있다. VCSEL을 연결하기 위해서 흔히 사용되는 와이어 본드가 인덕턴스를 추가함으로써 추가적인 전압 강하를 발생시킬 수 있다. 오늘날 VCSEL의 전압 강하는 3V~30V에 이른다. 버스트 모드로 동작할 때 펄스 주파수는 수 MHz부터 100MHz를 넘을 수도 있다.
ITOF 이미저는 위상 차이 검출 방식을 사용하므로, 파형의 형태가 중요하다. 장방형 펄스를 사용함으로써 위상 검출을 대폭적으로 간소화할 수 있으며, 부가적인 이점으로서 스위치를 변조기로서 사용할 수 있다. 그러므로 레이저 드라이버를 간소화하고 총 시스템 전력 요구량을 크게 낮출 수 있다.
요약적으로 말해서 ITOF 라이다 시스템 용으로 레이저 드라이버는, 최대 30V에 이르는 버스로 2A~10A 펄스를 발생시킬 수 있어야 하고, 100MHz 이상의 스위칭 주파수가 가능해야 하고, 2ns 미만의 최소 펄스 폭이 가능해야 한다. 이것은 매우 넓은 범위의 사양 요구로서, 이러한 요구들을 충족하기 위해서 흔히 각각의 애플리케이션으로 맞춤화된 GaN 기반 레이저 드라이버 디자인을 사용한다. 실리콘 기반 레이저 드라이버로는 이러한 사양 요구를 충족하기가 거의 어렵다.
 
통합의 이점

EPC의 최신 eGaNⓇ 전력 FET은 요구되는 전력과 전압 정격으로 상승 및 하강 시간이 1ns 미만이므로 위에서 언급한 요구사양들을 손쉽게 충족할 수 있다. 실제로 자동차 등급 EPC2203처럼 0.81mm2 크기의 단일 eGaN FET을 사용해서 위에서 열거한 모든 설계 요구들을 충족할 수 있다. 그런데 이러한 FET의 구동 요구는 송신 펄스를 발생시키는 디지털 서브시스템 출력과 곧바로 호환 가능하지 않다. 이들 서브시스템은 대체적으로 3.3V 혹은 그보다 낮은 저전압 로직이고 구동 전류 용량이 낮기 때문이다. 그러므로 이 디지털 신호를 FET으로 인터페이스하기 위해서 게이트 드라이버가 필요하다. 그런데 문제는, 빠른 상승 및 하강 시간을 유지하면서 eGaN FET을 100MHz 혹은 그 이상으로 구동할 수 있는 게이트 드라이버가 많지 않다는 점이다. 또한 이 몇 안되는 게이트 드라이버들조차 허용할 수 없는 수준의 전력을 소모한다. 뿐만 아니라 게이트 드라이버와 FET 사이의 물리적 거리가 게이트 루프로 인덕턴스를 추가하고, 이것은 성능을 저하시키는 것으로 이어진다. 또한 별도의 게이트 드라이버는 공간을 차지하고(FET보다 더 많은 공간 차지), 비용을 늘리고, 신뢰성을 저하시킨다. GaN 기술은 게이트 드라이버와 메인 FET을 통합할 수 있고, 그러므로 성능을 향상시키고 부품 수를 줄일 수 있다.

성능

표 1은 Efficient Power Conversion의 모노리딕 GaN IC 레이저 드라이버의 성능을 요약해서 보여준다.

[표 1] EPC21601 레이저 드라이버의 주요 사양(25℃일 때)

이 IC 제품은 세 가지 버전을 제공한다. (1) 2.5V 로직 입력에 5V 전원을 사용하는 제품, (2) 5V 로직 입력에 12V 전원을 사용하는 제품, (3) LVDS(low-voltage differential signaling) 입력을 사용해서 잡음이 심한 디지털 환경으로 고속 디지털 IC로 곧바로 구동할 수 있는 제품이다. 세 가지 버전 모두 동일한 2 x 3 BGA 칩스케일 패키지에 풋프린트 크기는 1mm x 1.5mm이며, 단일의 바이패스 커패시터만을 필요로 한다.
그림 4는 인덕턴스가 낮은 2Ω 부하를 구동할 때의 파형을 보여준다. 20V 전원 전압을 사용해서 결과적인 전류 펄스의 진폭이 10A이다. 그림 4a는 단일 펄스를 보여준다. 드레인 전압 vdrain의 하강 시간 tf는 턴온 시간을 측정한 것이고, tr은 턴오프 시간을 측정한 것이다. 최대 정격 전류일 때 tf = 602ps이고 tr = 306ps이다. 라이다 트랜스미터는 흔히 버스트 모드를 사용한다. 한 가지 이유는 레이저 과열을 방지하기 위해서다. 그림 4b는 10사이클에 걸친 100MHz 버스트를 보여준다. 이 IC는 100MHz로 10A로 연속적으로 동작할 수 있는데도, 버스트 모드 동작을 사용하면 부하 전력 소모로 인해서 과도한 열이 발생되는 것을 피할 수 있다.

[그림 4] 단일 펄스 파형(a)과 100MHz 버스트 파형(b). 두 경우 모두 2Ω 부하로 2.5V 로직 레벨 입력에 20V 전원을 사용하고 있다. 노란색 트레이스는 입력이고(1V/div), 빨간색 트레이스는 드레인 전압이다(5V/div 및 2.5A/div).

그림 5는 VCSEL을 구동할 때의 파형을 보여준다. 그림 5a는 단일 펄스이고, 그림 5b는 10사이클에 걸친 100MHz 버스트이다. VCSEL 패키징은 본드 와이어가 상당한 인덕턴스를 추가함으로써, 드레인 파형으로 링잉을 발생시키고 광 출력 상승 시간을 느리게 한다. 이 인덕턴스로 인한 더 높은 임피던스와 10V 전이가 300ps 미만의 턴온 시간(하강 시간 tf)을 발생시킨다.

[그림 5] VCSEL을 구동할 때의 파형. 단일 파형(a)과 100MHz 버스트 파형(b). 두 경우 모두 VCSEL 부하로 2.5V 로직 레벨 입력과 10V 전원을 사용하고 있다. 노란색 트레이스는 입력이고(1V/div), 빨간색 트레이스는 드레인 전압이고(5V/div), 파란색 트레이스는 광 리시버 출력이다(5mV/div).

향후 전망

새롭게 출시된 이 IC는 그 외에도 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있다. 예를 들어서 좀더 전통적인 전원 애플리케이션으로서 5V 전원을 사용해서 더 높은 전압을 제공하기 위해서 필요로 하는 부스트 컨버터를 들 수 있다. 이러한 컨버터는 라이다 애플리케이션으로 레이저 드라이버 버스 전압을 제공하기 위해서 매우 유용하다. 또 다른 애플리케이션으로는 소형 Class E 또는 EFn 인버터[5][6]나 소형화된 무선 전원 용의 컨버터를 들 수 있다. 그 외에도 100MHz 스위칭이 가능한 40V 10A 로직 제어 전력 스위치를 사용해서 다양한 새로운 애플리케이션이 가능할 것이다.

[참고문헌]
[1] A. Lidow, M. de Rooij, J. Strydom, D. Reusch, and J. Glaser, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 3rd ed. Wiley, 2019.
[2] Efficient Power Conversion Corporation, “EPC2152 Datasheet, Rev. 1.3.” Jul. 20, 2020, Accessed: Oct. 03, 2020. [Online]. Available: https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC2152_datasheet.pdf.
[3] D. Kinzer and S. Oliver, “Monolithic HV GaN power ICs: Performance and application,” IEEE Power Electron. Mag., vol. 3, no. 3, pp. 14?21, Sep. 2016, doi: 10.1109/MPEL.2016.2585474.
[4] C. Bruschini, P. Padmanabhan, and E. Charbon, “LiDAR Fundamentals,” presented at the SENSE Detector School, Schloss Ringberg, Jun. 20, 2019, [Online]. Available: https://www.sense-pro.org/images/OutreachEducation/EPFL_LIDAR_SENSEworkshop_Jun2019_v3.pdf.
[5] Andrei Grebennikov and Nathan O. Sokal, Switchmode RF Power Amplifiers, 1st ed. Elsevier, Inc., 2007.
[6] S. Kee, “The Class E/F Family of Harmonic-tuned Switching Power Amplifiers,” Ph.D., California Institute of Technology, 2002.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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