고전류 저전압 디지털 IC 시장이 점점 커져서 2016년에는 92억 달러 규모에 이르렀다(출처: Intense Research). 이 부류의 디지털 IC로는 마이크로컨트롤러 및 마이크로프로세서, 프로그래머블 로직 디바이스(PLD), 디지털 신호 프로세서(DSP), ASIC(특정 용도 주문형 IC), 그래픽 프로세서 유닛(GPU)을 포함한다.
특히 이 시장에서 큰 부분을 차지하는 FPGA(field programmable gate array)가 2014년에 39억2천만 달러 규모에서 2022년에는 72억3천만 달러에 달함으로써 2016년부터 2022년까지 7.41%의 CAGR로 성장할 것으로 전망된다(출처: marketsandmarkets.com). 고(high) 전력 밀도 디지털 IC는 거의 모든 임베디드 시스템에 사용되고 있다. 이러한 시스템은 산업용, 통신, 텔레콤, 서버, 의료용, 게임, 컨슈머 오디오/비디오, 자동차 이외에도 많은 분야들을 포함한다. FPGA는 이러한 분야들로 첨단 애플리케이션을 가능하게 한다.
예를 들어서 자동차 분야에서는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS)이나 충돌 방지 시스템 같이 인간의 실수를 차단하기 위한 애플리케이션을 가능하게 한다. 또한 ABS(잠김 방지 브레이크 시스템), 안정성 제어, 전자 제어 독립식 서스펜션 시스템 같은 의무적인 안전성 기능들에도 FPGA를 필요로 한다. 또한 컨슈머 분야에서는 IoT, 머신-대-머신(M2M), 데이터 저장 및 클라우드 컴퓨팅에 대한 수요 증가에 따른 데이터 센터 및 서버 증가 등이 FPGA 시장의 성장 동력이 되고 있다.
이러한 고 전력 밀도 디지털 IC를 사용하는 시스템은 전원에 대해서 고유의 요구들을 제기한다. 이러한 새로운 세대의 FPGA나 ASIC 프로세서는 고전류 저전압과 빠른 트랜션트 응답을 필요로 함으로써 이러한 디바이스를 구동하기 위한 전원장치에 대해서 요구가 갈수록 더 엄격해지고 있다.
이러한 디지털 IC는 성능 면에서는 강력하나 전원 면에서는 까다롭다. 기존에는 이들 디바이스를 구동하기 위해서 효율적인 스위칭 레귤레이터 컨트롤러에 별도의 고전력 MOSFET을 사용했으나, 이 방법은 잡음 간섭 문제를 일으킬 수 있고 트랜션트 응답이 느리며 레이아웃 면에서 어려운 점이 있을 수 있다. 이 때문에 최근 몇 년에는 그에 대한 대안으로서 열을 최소화하는 LDO(low dropout) 레귤레이터를 사용했으나, 이 방법 역시 나름의 단점을 갖고 있다. 그런데 이제는 최근의 제품 혁신에 의해서 여기에 변화를 가져올 수 있게 되었다. 최근에 새롭게 출시된 고전력 모노리딕 스위칭 레귤레이터는 더 이상 성능 상의 절충을 필요하지 않게 함으로써 이들 애플리케이션에 갈수록 사용이 늘고 있다.
스위칭 레귤레이터 대 차지 펌프 그리고 LDO
저전압 고전류 스텝다운 변환 및 레귤레이션은 다양한 기법을 사용해서 달성할 수 있으며, 각 기법이 장단점을 가지고 있다. 초보자들에게는 넓은 전압 범위로 높은 전류로 고효율로 동작하는 스위칭 레귤레이터 컨트롤러가 적합할 수 있으나, 이 방법은 인덕터와 커패시터를 비롯한 외부 소자들을 필요로 한다(컨트롤러의 경우에는 여기에 더해서 FET 필요). 인덕터가 필요 없는 차지 펌프(스위치드 커패시터 전압 컨버터)를 사용해서도 저전압 변환을 달성할 수 있으나, 이 방법은 출력 전류 용량이 제한적이고, 트랜션트 동작이 좋지 않을 수 있으며, 선형 레귤레이터에 비해서 좀더 많은 외부 소자를 필요로 한다. 그러므로 차지 펌프는 디지털 IC 전원 용으로 일반적으로 사용되지는 않는다.
이에 반해서 선형 레귤레이터와 특히 LDO는 2개 외부 커패시터만을 필요로 한다는 점에서 좀더 단순하다. 하지만 이들 레귤레이터는 입력 대 출력 전압 차이의 크기와 부하가 얼마나 많은 전류를 필요로 하느냐와 패키지의 열 저항 특성에 따라서 전력이 제한적이다. 그러므로 디지털 IC 구동 용으로 사용하기에 제한적이다.
고전류 모노리딕 벅 컨버터의 설계 요구
무어의 법칙(1965년에 발표)에 충실하게 웨이퍼 제조 기술의 선폭이 계속해서 축소됨으로써 디지털 IC를 갈수록 더 낮은 전압으로 작동해야 하게 되었다. 프로세스 기술이 축소될수록 최종 제품으로 더 많은 기능들을 집적할 수 있고 그럼으로써 더 많은 전력을 소모한다. 예를 들어서 첨단 컴퓨터 서버와 통신 루팅 시스템은 점점 더 많은 컴퓨팅 데이터와 인터넷 트래픽을 처리하기 위해서 갈수록 더 높은 대역폭을 필요로 한다. 또한 자동차는 인포테인먼트, 내비게이션, 자율 운전, 엔진 제어까지 비롯해서 갈수록 더 많은 전자 기능들을 포함한다. 그럼으로써 시스템의 전류 소모와 그에 따라서 필요로 하는 전력 요구량이 점점 더 높아지고 있다. 그러므로 그 어느 때보다 높은 전력을 제공하면서 전원 IC로부터 열을 빼내기 위해서 혁신적인 패키징과 내부 전력 스테이지 디자인이 요구되고 있다.
또 다른 중요한 두 가지 고려 사항은 높은 전원 전압 변동 제거비(PSRR)와 낮은 출력 전압 잡음 또는 리플에 대한 요구이다. 전원 전압 변동 제거비가 높으면 입력에서 잡음을 좀더 수월하게 필터링 및 제거할 수 있으므로 깨끗하고 안정적인 출력을 제공할 수 있다. 또한 넓은 대역폭에 걸쳐서 낮은 출력 전압 잡음 또는 낮은 출력 리플은 잡음에 대한 민감성이 중요한 설계 상의 과제인 오늘날의 첨단 저잡음 레일을 구동하기에 유리하다. 하이엔드 FPGA의 속도 요구가 높아짐에 따라서 비트 오류를 최소화하기 위해서 전원 잡음 허용오차는 계속해서 낮아지고 있다. 이러한 잡음으로 인해 유발되는 디지털 결함은 고속 PLD로 유효 데이터 쓰루풋 속도를 크게 떨어트리기 때문이다. 특히 높은 전류로 입력 전원 잡음은 중요하면서도 까다로운 요구이다.
예를 들어서 FPGA는 트랜시버 속도가 높을수록 더 높은 전류 수준을 필요로 한다. 극미세 회로 스위칭으로 인해서 더 높은 전력을 소모하기 때문이다. 이러한 IC는 매우 빨라서 수십~수백 나노초 이내에 거의 제로에 가까운 전류에서 수 암페어까지 이르는 부하 전류를 사이클링할 수 있다. 그러므로 트랜션트 응답이 극히 빠른 레귤레이터를 필요로 한다.
전원 레귤레이터에 할애할 수 있는 보드 면적이 점점 더 줄어듦으로써 높은 스위칭 주파수가 가능한 모노리딕 스위칭 레귤레이터를 사용하면 외부 소자의 크기를 줄이고 그런 만큼 총 솔루션 크기를 줄일 수 있다. 대신에 높은 주파수로 스위칭 손실 때문에 약간의 효율 저하가 있을 수 있다. 그런데 새로운 세대의 모노리딕 스위칭 레귤레이터는 높은 주파수로도 스위칭 손실을 크게 줄일 수 있다는 점이 특징이다. 상측 및 하측 스위치를 통합하고 동기 동작을 함으로써 게이트 전압을 더 잘 제어할 수 있고, 그럼으로써 데드 타임을 크게 줄이고 더 높은 효율로 동작할 수 있기 때문이다.
또한 고전류 모노리딕 스위처의 가장 큰 해결 과제는 이러한 IC의 상당한 전력 손실로 인한 열을 소산시키는 것이다. 이 문제는 열 향상 BGA(ball grid array) 패키지를 사용해서 해결할 수 있다. 다수의 솔더 볼을 전력 핀(VIN, SW, GND) 용으로 지정함으로써 열을 IC에서 보드로 용이하게 전달할 수 있다. 또한 보드 상에 넓은 구리 플레인을 사용해서 이들 전력 핀으로 연결함으로써 열을 좀더 골고루 확산시킬 수 있다.
새로운 고전류 벅 컨버터
그러므로 위에서 열거한 문제들을 해결하는 벅 컨버터 솔루션이 되기 위해서는 다음과 같은 특성을 갖춰야 한다. 바로 이러한 요구들을 충족하는 제품으로서 Linear Technology는 LTC71xx 모노리딕 고전류 벅 레귤레이터 제품군을 출시하였다.
이 제품군의 처음 제품인 LTC7150S는 20V/20A 모노리딕 동기 벅 컨버터로서 차동 VOUT 원격 검출 기능을 포함한다. 이 디바이스 제품은 고유의 위상 동기화 및 조절가능 온 시간 정주파수 전류 모드 아키텍처를 사용함으로써 보정이 용이하며, 높은 주파수로 동작하면서 빠른 트랜션트 응답을 필요로 하는 높은 스텝다운 비율 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
LTC7150S는 Silent Switcher® 2 기술을 사용하고 바이패스 커패시터를 통합함으로써 높은 주파수로 극히 효율적인 솔루션을 제공하며 EMI 성능이 뛰어나다. 또한 최대 12개 위상까지 다중위상 동작이 가능하므로, 최소한의 입력 및 출력 커패시턴스를 사용해서 다중의 디바이스를 직접적으로 병렬로 연결해서 더 높은 전류를 제공할 수 있다. VOUT 원격 검출 기능은 부하 전류나 보드 레이아웃에 상관 없이 부하에서의 전압 레귤레이션을 정확하게 할 수 있다.
또한 3.1V~20V의 넓은 입력 범위는 대다수 중간 버스 전압을 포함한 다양한 애플리케이션을 지원할 수 있으며 다양한 배터리 타입과 호환 가능하다. N-채널 MOSFET을 통합함으로써 0.6V부터 VIN까지 이르는 출력 전압으로 최소한의 열 디레이팅만으로 최대 20A의 연속 부하 전류 제공도 가능하다. 그러므로 고전류/저전압 DSP/FPGA/ASIC 레퍼런스 디자인 같은 POL(point-of-load) 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 그 밖에도 텔레콤/데이터통신 시스템, 분산 전원 아키텍처, 범용 고 전력 밀도 시스템 같은 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 그림 1은 애플리케이션 회로 예로서, 디자인이 얼마나 단순한지 알 수 있다.
▲ 그림 1. LTC7150S를 사용한 애플리케이션 회로
또한 LTC7150S는 최소 온 시간이 25ns로 극히 낮으므로 높은 주파수로 동작하면서 높은 스텝다운 비율을 가능하게 한다. 동작 주파수는 400kHz부터 3MHz로 선택 가능하며, 외부 클록으로 동기화할 수 있다. 또한 LTC7150S는 -40℃~125℃ 동작 접합부 온도 범위에 걸쳐서 총 차동 출력 전압 정확도가 ±1%이다. 그 밖의 특징으로는 고속 차동 원격 검출 증폭기, PHMODE 위상 선택 핀, 정확한 1.2V RUN 핀 임계값, VIN 과전압 보호, Power Good 신호, 프로그래머블 소프트 스타트/추종 기능을 포함한다.
LTC7150S는 열 향상 42리드 6mm x 5mm x 1.3mm BGA 패키지로 제공되며, RoHS 무연 및 유연 SnPb(63/37) 표면 소재를 사용할 수 있다. E 및 I 등급 제품들로서 -40℃~125℃ 접합부 온도 범위로 동작한다.
높은 효율, EMI 감소, 빠른 트랜션트 응답
LTC7150S의 “S”는 2세대 Silent Switcher 기술을 사용했음을 의미한다. 또한 이 IC 제품은 VIN 및 BOOST 용으로 세라믹 커패시터를 통합함으로써 빠른 AC 전류 루프를 작게 하고 그럼으로써 EMI 성능을 향상시킨다. 또한 빠른 스위칭 에지를 가능하게 하므로 높은 스위칭 주파수에서도 효율을 크게 향상시킨다.
또한 LTC7150S는 고유의 조절가능 온 시간 아키텍처를 사용함으로써 트랜션트 응답에 빠르게 응답할 수 있다. 이것이 가능한 것은, 트랜션트 스텝 시에 스위칭 주파수가 빨라질 수 있기 때문이다. 그러므로 ITH 보정을 좀더 공격적으로 설정할 수 있고, 그러므로 전반적인 루프 대역폭을 높일 수 있다.
또한 LTC7150S가 높은 주파수로 높은 효율을 달성할 수 있는 한 가지 이유는 데드 타임을 크게 줄이기 때문이다. IC 내의 서보 루프가 SW 상승 에지에 앞서서 데드 타임을 1ns 미만으로 고정시킨다. 이렇게 데드 타임을 줄임으로써 하단 스위치의 바디 다이오드 전도 필요성을 최소화하거나 아예 없앤다. 그러므로 상단 스위치가 턴온할 때 하단 스위치 바디 다이오드 역 복구로 인한 영향을 제거한다. 그럼으로써 전력 손실을 상당히 줄일 수 있다.
또한 낮은 리플 전류는 인덕터의 코어 손실, 출력 커패시터의 ESR 손실, 출력 전압 리플을 줄인다. 낮은 주파수로 낮은 리플 전류로 고효율 동작을 달성한다. 다만 이를 달성하기 위해서 큰 인덕터를 필요로 한다. 그러므로 소자의 크기, 효율, 동작 주파수 간에 절충이 필요할 수 있다. 그림 2의 그래프는 LTC7150S의 높은 효율을 보여준다.
▲ 그림 2. LTC7150S의 효율
고유의 정주파수/조절가능 온 시간 아키텍처는 높은 주파수로 동작하면서 빠른 트랜션트 응답을 필요로 하는 높은 스텝다운 비율의 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 그림 3은 LTC7150S의 트랜션트 응답을 보여준다.
▲ 그림 3. LTC7150S의 트랜션트 응답 성능
극저 DCR 전류 검출 애플리케이션
LTC7130은 정주파수 피크 전류 모드 제어 동기 스텝다운 DC/DC 컨버터로서 온도 보정 극저 DCR 전류 검출 및 클록 동기화 기능을 통합하였다. 이러한 고유의 아키텍처를 사용함으로써 보정을 용이하게 하며 직접적으로 병렬로 연결해서 더 높은 출력 전류를 제공할 수 있다. 또한 전류 검출 신호의 신호대 잡음비를 향상시키므로, DCR이 극히 낮은 전력 인덕터를 사용할 수 있으므로 고전류 애플리케이션으로 효율을 극대화한다. 이 기능은 또한 DCR이 낮은 애플리케이션에서 흔히 발생되는 스위칭 지터를 낮추며 전류 한계 정확도를 향상시킨다. 또한 LTC7130은 4.5V~20V 입력 범위를 지원하므로 대다수 중간 버스 전압을 포함한 다양한 애플리케이션이 가능하며 다양한 배터리 타입과 호환 가능하다. 또한 N-채널 MOSFET을 통합함으로써 0.6V~5.5V 출력 전압으로 최대 20A에 이르는 연속 부하 전류를 제공할 수 있다. 그러므로 고전류/저전압 DSP/FPGA/ASIC 레퍼런스 디자인 같은 POL(point-of-load) 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 그 밖에도 텔레콤/데이터통신 시스템, 분산 전원 아키텍처, 범용 고 전력 밀도 시스템 등의 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 그림 4는 애플리케이션 회로 예를 보여준다.
▲ 그림 4. LTC730을 사용한 애플리케이션 회로
웨이퍼 제조 기술의 선폭이 갈수록 축소됨으로써 FPGA나 마이크로프로세서 같은 고성능 디지털 IC들이 계속해서 동작 전압은 낮아지고 전류는 높아지고 있다. 이러한 진화에 따라서 애플리케이션 차원에서 새로운 요구들이 제기된다. 전원 관리와 관련해서는 빠른 트랜션트 응답, 낮은 잡음/리플, 고효율 동작(열 최소화)을 필요로 한다. 기존에는 이러한 디지털 IC를 구동하기 위해서 LDO나 인덕터 기반 스위칭 레귤레이터 컨트롤러에 별도의 전력 소자를 사용하였다. 그런데 이제 Linear Technology가 열 향상 BGA 패키지로 된 새로운 세대의 모노리딕 고전류 스위칭 벅 레귤레이터를 출시함으로써 이러한 모든 문제들을 해결할 수 있게 되었다. 이러한 첫 제품들이 LTC7150S와 LTC7130이다. 이들 제품은 각기 고유의 특성들을 갖춤으로써 다양한 애플리케이션으로 디지털 IC를 구동하기 위한 요구를 충족한다.
▲ 표 1. LTC7150S와 LTC7130의 주요 사양 비교
Steve Knoth (Senior Product Marketing Engineer, Power Products)
Steve Zhou (Senior Design Engineer, Power Products)
리니어 테크놀로지
