디지털 전원장치 관리와 아날로그 제어 루프를 결합한
듀얼 출력 DC/DC 컨트롤러
고신뢰성 첨단 전자 시스템을 위해서는 전원장치 관리가 매우 중요하지만 주요 파라미터들을 직접 구성하고
모니터링 할 수 있는 레귤레이터 제품의 개발은 아직 미흡한 실정이다. 이를 고려해 개발된 리니어 테크놀로지의 LTC3880/-1은 듀얼 출력 동기 스텝다운 DC/DC 컨트롤러와 I2C 기반의 PMBus를 이용해, 액세스가
가능한 포괄적인 전원 관리 기능들을 결합함으로써 복잡한 전원장치 관리 요구 사항을 충족시킬 수 있도록
설계됐다. 또한 이와 함께 제공되는 LTC3880은 16비트 데이터 수집 시스템을 활용해 전원장치를
모니터링 할 수 있도록 지원한다.
Gregory Manlove Linear Technology Corporation
첨단 전자 시스템으로 신뢰할 수 있는 동작을 제공하기 위해서는 전원장치 관리가 무엇보다도 중요하지만, 실제로는 주요 파라미터들을 직접적으로 구성하거나 모니터링 할 수 있는 레귤레이터 제품이 많지 않은 실정이다. 때문에 보다 정확한 디지털 제어를 원하는 전원장치 디자이너들은 시퀀서, 마이크로컨트롤러, 전압 감시기 등을 사용하고 있다.
이 같은 문제점을 고려해 개발된 리니어 테크놀로지의 LTC3880/-1은 듀얼 출력 동기 스텝다운 DC/DC 컨트롤러와 I2C 기반의 PMBus를 이용해, 액세스가 가능한 포괄적인 전원 관리 기능들을 결합함으로써 복잡한 전원장치 관리 요구사항들을 충족시킬 수 있도록 설계됐다. 특히 여기에 사용된 PMBus는 출력 전압, 마진 전압, 스위칭 주파수, 시퀀싱, 기타 다수의 동작 파라미터를 설정할 수 있도록 지원한다.
또한 이와 함께 제공되는 LTC3880은 16비트 데이터 수집 시스템을 활용해 전원장치를 모니터하는 것이 가능하다. 이때 적용되는 데이터 수집 시스템은 주요 파라미터의 피크 값을 비롯한 입력 및 출력 전압과 전류, 듀티 사이클, 온도 등에 대한 디지털 리드백(read -back)을 제공한다.
이 외에도 LTC3880은 포괄적인 결함 기록 기능과 비휘발성 메모리 기록기를 포함하므로 결함 발생 바로 직전의 컨버터 동작 조건을 저장할 수 있다.
이 같은 특징의 디지털 전원장치 관리의 가장 큰 장점으로는 설계 비용 절감과 제품 출시 기간 단축을 꼽을 수 있다. 특히 LTC3880/-1은 포괄적인 PC 기반의 개발 환경으로 무료 다운로드가 가능한 LTpowerPlay™ 개발 소프트웨어와 함께 사용되므로 복잡한 다중 레일 시스템의 설계를 크게 간소화할 수 있다.
게다가 이러한 전원장치를 사용해 보드 디버그를 시행하려면 마우스를 몇 번만 클릭하면 된다. 더불어 실시간 텔레메트리 데이터를 이용해 즉각적으로 디자인을 수정할 수 있으며 전원 시스템의 결함을 예측해 신속하게 예방 조치를 취하는 것이 가능하다.
이처럼 디지털 관리가 가능한 DC/DC 컨버터를 이용하면 시스템 성능 목표(연산 속도, 데이터 레이트 등)를 충족시키면서, 에너지 활용을 극대화하는 친환경적인 전원 시스템을 설계할 수 있다. 또한 부하 지점(point of load), 보드, 랙, 더 나아가 설치 차원에서 이와 같은 극대화를 실현할 수 있으므로 인프라 비용을 절감하고 제품의 수명이 다할 때까지 총 유지비용을 절감하는 것이 가능하다.
이와 더불어 최상의 레귤레이션 성능을 제공하는 LTC3880은 정밀 레퍼런스 및 온도 보상이 가능한 아날로그 전류 모드의 제어 루프를 이용해 ±0.5％의 엄격한 DC 출력 전압 정확도를 달성할 수 있다.
뿐만 아니라 여기에 사용되는 아날로그 제어 루프는 동작 조건에 상관없이 조정 가능하며, 사이클 기준으로 전류 제한을 적용하고, 라인 및 부하 트랜션트에 대해 빠르고 정확한 응답을 발생시키는 것은 물론 디지털 제어를 이용하는 제품에서 흔히 발생되는 ADC 양자화와 관련된 오차를 발생시키지 않도록 지원한다.
이처럼 LTC3880은 온칩 레귤레이터를 통합해 높은 통합 수준을 제공하며, LTC3880-1은 외부 바이어스 전압을 이용하여 최대 효율을 달성할 수 있도록 개발됐다. 게다가 이 두 제품은 모두 열 개선된 6mmx6mm의 QFN-40 패키지로 제공된다.
아날로그 제어 루프로 우수한 레귤레이터 성능 제공
LTC3880/-1은 출력 전압, 전류 제한 설정 포인트, 시퀀싱 등 다수의 기능들을 디지털적으로 프로그래밍하는 것이 가능하다. 게다가 사용된 아날로그 제어 루프는 디지털 제어 루프의 양자화 효과를 발생시키지 않으면서 우수한 루프 안정성 및 트랜션트 응답 성능을 달성할 수 있도록 개발됐다.
이와 관련해 그림 2는 디지털 피드백 제어 루프에 대한 아날로그 피드백 제어 루프의 상승 곡선을 보여준다. 
그림을 통해 아날로그 루프는 상승 곡선이 매끄러운 반면, 디지털 루프는 불연속적인 스텝들을 발생시켜 안정성 문제를 일으키고 트랜션트 응답이 느려지는 것을 관찰할 수 있다. 특히 이 경우 사용된 애플리케이션에 따라 보다 높은 출력의 커패시턴스가 필요하거나 양자화 효과로 PWM 제어 신호상에 지터 발생 및 출력 리플이 커지기도 한다.
이와 더불어 그림 3은 LTC 3880에 사용된 아날로그 제어 루프의 트랜션트 응답과 타사의 디지털 제어 루프의 트랜션트 응답을 비교한 결과를 나타낸다. 
이 그림에서 LTC 3880은 디지털 컨트롤러와 비교해 절반의 출력 커패시턴스로 훨씬 깨끗한 결과를 제공하는 것을 알 수 있다.
특히 LTC3880은 출력 전압이나 전류 한계가 변경될 경우, 이에 대응해 트랜션트 응답과 보정회로가 영향을 받지 않도록 설계됐다.
PMBus 제어
LTC3880/-1은 디지털 프로그래밍 및 리드백을 이용해 주요 부하 지점(Point-Of-Load)의 컨버터 기능들을 실시간으로 제어하고 모니터링 할 수 있다. 또한 리니어 테크놀로지의 LTpow-erPlay PC 기반 개발 소프트웨어로 지원되는 I2C 직렬 인터페이스를 이용해 내부 EEPROM으로 구성요소들을 손쉽게 다운로드할 수 있다.
여기에 사용되는 LTpowerPlay는 리니어 테크놀로지의 다른 컨트롤러와 자매품의 IC들도 지원하므로 다중 레일 전원 시스템을 빠르고 편리하게 구성할 수 있도록 돕는다. 그림 4는 그 예로서USB 대 I2C/SMbus/PMBus어댑터를 이용해 LTpowerPlay 개발 플랫폼을 구축한 사례를 보여준다.
이처럼 구성 파일이 온칩 비휘발성 메모리로 저장되면 컨트롤러가 자동으로 파워업되므로 호스트에 부담이 가중되지 않는다.
게다가 보드를 구성하기 위해 펌웨어 개발이 전혀 필요치 않으므로 작업을 매우 간편하게 진행할 수 있다.
구체적으로 PMBus를 이용하면 다음과 같은 전원장치 관리 파라미터들을 프로그램 할 수 있다.
· 출력/마진 전압
· 스위칭 주파수
· 쪾과/저전압 고속 감시기 임계값
· 출력 전압 시간
· 입력 전압 온/오프
· 결함에 대한 응답
· 결함 전달
또한 PMbus로 다음과 같은 전원장치 동작을 모니터링할 수 있다.
· 출력/입력 전압
· 출력/입력 전류
· 내부/외부 온도
쪾상태
쪾피크
다중 레일 시스템 설계
대규모 다중 레일 전원 보드는 절연형 중간 버스 컨버터를 이용해 백플레인에서 비롯된 비교적 높은 전압을, PC 카드 주변에 산재해 있으며 보통 12V로 측정되는 하위의 중간 버스 전압(IBV)으로 변환하는 역할을 담당한다.
그 다음에는 개별적인 POL(point-of-load) DC-DC 컨버터가 이러한 IBV를 필요로 하는 레일 전압으로 스텝다운을 실시하는 단계를 거치게 된다. 이와 관련해 그림 5는 리니어 테크놀로지의 다양한 IC 제품군 및 DC/DC 컨버터 PMBus 디바이스를 이용해 다중 레일 시스템을 제어하는 방법을 보여준다.
이 경우 POL DC/DC 컨버터로는 통합 모듈, 모노리식 디바이스 또는 DC/DC 컨트롤러 IC, 관련 인덕터, 커패시터, MOSFET으로 구성된 솔루션이 사용된다. 그리고 이를 사용해 레일에서는 일반적으로 시퀀싱, 전압 정확도, 과전류 및 과전압 한계, 마지닝, 감시가 엄격하게 이루어진다.
이처럼 기술이 개선되면서 전원 관리도 갈수록 정교해지고 있다. 그 결과 회로 보드가 30개 이상 사용된 레일이 주변에서 흔히 관찰되고 있으며 이로 인해 디지털 전원 시스템에서는 관리 회로를 추가하기 위해 필요한 보드 공간과 외부 핀을 최소화하고 사용자나 시스템 호스트 프로세서가 시스템을 편리하게 변경할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
이러한 요구에 부응해 LTC3880은 리니어 테크놀로지의 다른 PMBus 감시기 디바이스, IC, 레귤레이터와 매끄럽게 동작하도록 설계돼 복잡한 보드 제어를 손쉽게 최적화할 수 있다. 그리고 이러한 시스템은 초기 구성을 마치면 자율적으로 동작하거나 명령, 제어, 텔레메트리 보고를 위해 호스트와 통신하도록 설계됐다.
또한 이를 위해 리니어 테크놀로지의 LTC3880과 같은 PMBus 컨트롤러와 LTC2978 등의 IC 제품군을 이용하면 어떠한 숫자의 전원장치가 사용되든 상관없이 파워업 및 파워다운 시퀀싱을 편리하게 프로그래밍할 수 있다. 더불어 시간 기반 알고리즘으로 사용자가 간단하게 프로그래밍할 수 있는 지연을 이용해, 레일들을 어떤 순서로든 온/오프에서 역동적으로 시퀀싱할 수 있다.
1-wire SHARE_CLK 버스와 하나 이상의 양방향 범용 IO(GPIO) 핀을 이용해 다중의 칩을 아우르는 시퀀싱도 가능하다. 이로써 제한적인 커넥터 핀 수와 같은 시스템 제약사항을 걱정할 필요 없이 나중에 추가적으로 PMBus 칩을 추가할 수 있다.
또한 PMBus로 다중 어드레스가 지원되므로 동일한 I2C버스로 각기 다른 100개 이상의 디바이스를 이용하는 것도 가능하다.
특히 이 경우 중간 버스 전압이 프로그램 된 임계값(VIN(ON))을 넘어서면 일반적으로 온 상태의 레일 시퀀싱을 실행할 수 있다. 아니면 RUN/CONTROL 핀의 상승 에지 시, 이에 대한 응답 또는 PMBus 명령으로 레일 온 시퀀싱이 시작되도록 제어할 수 있다.
더불어 LTC3880의 GPIO 핀과 LTC PMBus IC 제품군의 결함 핀을 공유해 레일들 사이의 결함 응답 종속성을 제어하는 것도 가능하다.
즉, 어떤 한 레일에서 결함이 발생했을 때 특정한 숫자의 레일들을 셧다운 하도록 시스템을 구성할 수 있다.
하지만 이때 결함 응답을 ‘즉시 정지 및 재시도 없음(immediate off no retry)’으로 구성했음에도 불구하고 결함이 발생하면 호스트가 레일들이 재시작하는 데 필요한 조치들을 취해야 한다. 이와 반대로 결함 응답을 ‘즉시 정지 및 무한 재시도(immediate off infinite retry)’로 설정했음에도 결함이 발생하면 레일이 hiccup 모드로 사용자 프로그래밍이 가능한 지연을 이용해 자율적으로 파워업을 시도해야 한다.
또한 이때 결함 응답은 ‘무시(igno-re)’로도 설정될 수 있는데, 그러면 결함에 대한 응답으로 ALERT 핀이 로우로 풀링되면서 호스트로 문제가 발생했음을 통보해 전원장치는 계속해서 부하 상태로 전력을 공급하게 된다.
결론
LT3880/-1은 동급 최강의 아날로그 스위칭 레귤레이터와 정밀 데이터 변환 및 유연한 디지털 인터페이스를 결합해 우수한 성능을 제공할 수 있도록 개발됐다. 또한 다중의 LTC3880과 기타 LTC 제품들을 함께 이용해 최적화된 다중 레일 디지털 전원 시스템을 설계할 수 있다. 이때 필요한 리니어 테크놀로지의 모든 PMBus 제품은 편리하게 설계가 가능하도록 LTpowerPlay 소프트웨어로 개발 시스템을 지원한다.
이를 통해 구현된 디지털 제어는 아날로그 전원장치와 비교해 디자이너들이 빠르게 자신의 시스템을 구축 및 실행하며, 전원 전압, 한계, 시퀀싱 등을 편리하게 모니터링, 제어, 조절할 수 있도록 돕는다.
또한 여기에 표준적인 PMBus 명령을 이용해 생산 마진 테스트를 편리하게 실시할 수 있으며, 버스를 통해 상태에 대한 통신이 가능하므로 디버그 또한 간소화할 수 있다.
더불어 이로써 전원 시스템 데이터가 사용자에게 제공될 수 있으므로 전원장치 건전성 및 에너지 소비에 관한 정보를 제공할 수 있다.
게다가 보드가 반환될 경우에는 결함 로그를 판독해 어떠한 결함이 발생했는지 판단하고 보드 온도, 결함 발생 시간, 그리고 결함에 이르기까지의 이력 데이터를 손쉽게 확인하는 것도 가능하다.
구체적으로 이 데이터를 이용하면 결함의 원인이 무엇인지 시스템이 어디서 지정된 동작 한계 범위를 벗어나 동작했는지 판단할 수 있고 이를 바탕으로 이후 제품의 디자인을 향상시킬 수 있다. 또한 전력 소비 데이터를 이용하여 전반적인 전력 사용을 줄이는 것도 가능하다.
