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통신 장비 제조업체는 높은 전력 출력, 소형 솔루션 풋프린트를 필요로 한다


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글/토니 암스트롱(Tony Armstrong), Marketing Director, Power Products, Analog Devices, Inc.


머리말

많은 통신 시스템은 48V 백플레인을 통해 전력을 공급받는다. 일반적으로 이 전압은 시스템 내의 보드 랙에 전력을 공급하기 위해 더 낮은 중간 버스 전압인 통상 12V나 5V 또는 이보다 더 낮은 전압으로 스텝다운 된다. 그러나 이러한 보드에 탑재된 서브 회로나 IC의 대부분은 3.xV에서부터 최저 0.5V에 이르는 전압과 수십 밀리암페어(mA)에서부터 수백 암페어(A)의 전류로 동작해야 한다. 따라서 PoL(point-of-load) DC-DC 컨버터는 이러한 높은 버스 전압으로부터 서브 회로나 IC에 요구되는 더 낮은 전압으로 스텝다운 해야 할 필요가 있다. 스텝다운 자체는 어려운 과제가 아니지만, 이러한 레일은 고려해야 할 시퀀싱, 전압 정확도, 마지닝 및 감시에 대한 엄격한 요구사항을 갖는다.
통신 장비에는 수백 개의 PoL 전압 레일이 존재할 수 있으므로 시스템 설계자는 이러한 레일의 출력 전압, 시퀀싱 및 허용 가능한 최대 전류와 관련하여 레일을 관리하는 간단한 방법을 필요로 한다. 오늘날 마이크론 이하 크기의 많은 IC 디지털 프로세서는 코어 전압 전에 I/O 전압을 상승시켜야 하며, 또 다른 많은 DSP는 I/O 전에 코어 전압을 상승시켜야 한다. 여기에 파워다운 시퀀싱도 필요하다. 이에 따라 시스템 설계자는 설계 노력을 간소화할 수 있도록 손쉽게 변경할 수 있는 방법을 통해 시스템 성능을 최적화하고 각 DC-DC 컨버터에 대한 특정 구성을 저장할 필요가 있다.
게다가 대부분의 통신 장비 제조업체는 시스템의 데이터 처리속도와 성능을 증가시키면서 더 많은 기능과 특징을 추가해야 하는 요구에 직면하고 있으며, 이와 동시에 시스템의 전체 전력 소모도 줄여야 한다. 예를 들어 이를 위한 일반적인 과제는 작업 흐름을 재조정하고 이용도가 낮은 서버로 작업을 옮겨 다른 서버의 가동을 중단시키는 방법으로 전체 전력 소모를 줄이는 것이다. 그러나 이와 같은 요구를 만족하려면 최종 사용자 장치의 전력 소모를 아는 것이 필수적이다. 적절히 설계된 디지털 전력 관리 시스템(DPSM)은 사용자에게 전력 소모 데이터를 제공함으로써 스마트한 에너지 관리 결정을 내릴 수 있게 한다.
DPSM의 주요 이점은 낮은 설계 비용과 빠른 제품 출시를 가능하게 한다는 데 있다. 직관적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 탑재한 종합적인 개발 환경을 사용하여 복잡한 멀티 레일 시스템도 효율적으로 개발할 수 있다. 또한 이러한 시스템은 배선을 고정하는 납땜 방법 대신 GUI를 통해 변경을 수행할 수 있어 인서킷 테스트(ICT)와 보드 디버그를 간소화한다. 또 다른 장점으로 실시간 텔레메트리 데이터를 통해 전력 시스템 고장을 예측하고 예방 조치를 취할 수 있다. 아마도 가장 중요하게는 디지털 관리 기능과 함께 DC-DC 컨버터를 사용할 경우 설계자는 PoL, 보드, 랙, 심지어 설비 수준에서 에너지 사용을 최소화하면서 목표 성능(계산 속도, 데이터 속도 등)을 만족하는 “친환경” 전력 시스템을 개발할 수 있기 때문에 인프라 비용을 절감하고 제품 수명 동안 전체 소유 비용을 줄일 수 있다. 결국, 데이터 센터의 가장 큰 운용 비용은 데이터 센터 내부를 사전 정의된 최적의 동작 온도로 유지하기 위해 냉각 시스템을 가동하는 데 사용되는 전기 비용이기 때문이다.
이 밖에 시스템 설계자는 여전히 보드의 다양한 다른 전력 레일을 만족하는 단순한 전력 컨버터를 필요로 하지만, 이들을 장착할 보드 공간은 갈수록 줄어들고 있다. 이는 부분적으로 랙 장착 구성에서 여러 개의 보드를 나란히 옆으로 배치해야 하므로 회로 보드의 밑면에는 최대 부품 높이가 2mm로 제한돼 이러한 컨버터를 배치할 수 없기 때문이다. 따라서 설계자는 PCB 밑면에 장착 시 2mm를 넘지 않는 소형 폼팩터의 완벽한 전원 장치를 필요로 한다. 다행히 이러한 솔루션이 나와 있으며, 아래에서 이에 대해 자세히 살펴보기로 한다.
컨버터 솔루션
아나로그디바이스의 Power by Linear™ μModuleⓇ 레귤레이터는 설계 시간을 최소화하고, 통신 시스템에 흔히 볼 수 있는 보드 공간과 전력 밀도 문제를 해결하는 완벽한 SiP(System in a Package) 솔루션을 제공한다. 이들 μModule 제품은 DC-DC 컨트롤러, 전력 트랜지스터, 입력 및 출력 커패시터, 보상 부품 및 인덕터를 초소형 표면 실장 BGA 또는 LGA 패키지에 통합한 완벽한 전력 관리 솔루션이다.
Power by Linear μModule 제품은 설계 복잡도에 따라 설계 과정을 완성하는 데 필요한 시간을 최대 50%까지 줄여준다. μModule 레귤레이터 제품군은 부품 선택, 최적화, 레이아웃에 대한 설계 부담을 설계자로부터 디바이스로 옮김으로써 전체 설계 시간과 시스템 문제 해결을 단축시키고 궁극적으로 제품 출시 기간을 줄여준다.
이 μModule 솔루션은 디스크리트 전력, 신호 체인 및 절연 설계에 통상 사용되는 핵심적인 부품을 초소형의 IC와 같은 폼팩터에 통합했다. Power by Linear의 엄격한 테스트와 신뢰성 높은 공정에 의해 지원되는 μModule 제품 포트폴리오는 전력 관리의 설계와 레이아웃 및 변환 설계를 간소화한다. μModule 제품군은 PoL 레귤레이터, 배터리 충전기, DPSM 제품(PMBus 디지털로 관리되는 전원), 절연 컨버터 및 LED 드라이버를 포함하여 광범위한 애플리케이션을 지원한다. 또한 이들 μModule 전력 레귤레이터는 모든 디바이스에 사용할 수 있는 PCB 거버 파일이 포함된 높은 통합성을 갖춘 솔루션으로 시간과 공간 제약 문제를 해결하고 높은 효율과 신뢰성을 제공한다. 뿐만 아니라 ADI의 많은 새로운 제품들은 EN55022 클래스 B 표준을 만족하는 낮은 EMI 솔루션을 제공한다. 이러한 특성은 시스템 설계자에게 최종 시스템이 충족해야 하는 많은 잡음 내성 산업 표준을 준수하는 데 필요한 엄격한 잡음 성능 기준을 만족할 수 있다는 신뢰를 준다.
시스템 복잡도가 증가하고 설계 사이클이 짧아지면서 설계 자원이 확대되고 있으며, 이에 따라 시스템의 핵심적인 IP 개발에 초점이 맞춰지고 있다. 이는 종종 개발 사이클의 후반부까지 전원을 미룬다는 것을 의미한다. 따라서 촉박한 시간과 제한된 전문가의 전원 설계 자원을 가지고 공간 이용을 극대화할 수 있도록 PCB의 밑면을 활용하는 방안을 포함해 가능한 가장 작은 풋프린트로 고효율의 솔루션을 내놓아야 하는 엄청난 압력에 직면한다.
여기에 μModule 레귤레이터가 이상적인 해답을 제공한다. 개념은 내부적으로 복잡하지만, 외부적으로는 단순하다. 스위칭 레귤레이터의 효율과 선형 레귤레이터의 설계 간소화를 결합하는 것이다. 신중한 설계, PCB 레이아웃 및 부품 선택은 스위칭 레귤레이터의 설계에서 매우 중요하며, 많은 숙련된 설계자는 초창기에 회로 기판이 타는 독특한 냄새를 맡곤 했다. 시간이 촉박하거나 전원 설계 경험이 제한된 경우, 완제품 형태의 μModule 레귤레이터는 시간과 공간을 절약하는 것은 물론 프로그램의 리스크를 줄여준다.
이러한 예로 최근 출시된 초박형 μModule 솔루션 LTM-4622가 있다. LTM4622는 6.25mm x 6.25mm x 1.8mm 초박형 LGA 패키지로 제공되는 듀얼 2.5A 또는 단일 2상 5A 출력 스텝다운 전력 레귤레이터이다. 제품은 솔더 다운 1206 케이스 크기의 커패시터 높이와 거의 같은 초박형 높이로 보드 상/하단에 모두 실장 할 수 있다. 이와 같이 얇은 프로파일은 임베디드 컴퓨팅 시스템의 PCIe 및 첨단 메저닌 카드에서 요구하는 까다로운 높이 제한을 만족할 수 있게 한다(그림 1 참조).

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[그림 1] LTM4622A는 PCB의 밑면에 장착할 수 있다.

이 밖에 LTM4622A가 최근 출시되었다. LTM4622A는 LTM4622의 한 버전으로, 제품명에 A가 없는 버전이 0.6V~5.5V의 출력 전압을 갖는 데 반해, 이 제품은 1.5V~12V의 높은 출력 전압을 갖는다. 이에 따라 시스템 설계자는 최종 시스템에 필요한 경우 보다 넓은 출력 전압 범위를 가질 수 있다. 어느 경우이든 입력 전압 범위는 3.6V~20V이다. Power by Linear의 μModule DC-DC 레귤레이터는 높은 전력과 DPSM 기능을 모두 제공하는 간단한 방법을 제공한다. 다수의 μModule 레귤레이터를 병렬로 배치해 정밀한 전류 정합(서로에 대해 공칭 1% 이내)으로 높은 부하 전류를 제공할 수 있어 고온 영역이 발생할 가능성을 낮춰준다. 또한 디바이스는 완벽한 디지털 인터페이스를 제공하므로 병렬로 연결된 나머지 μModule 디바이스가 DPSM 기능을 포함하고 있지 않아도 단 하나의 μModule 레귤레이터만 DPSM 기능을 포함하면 된다.
DPSM 디바이스를 사용하면 시스템 설계자는 다음을 포함하여 다양한 많은 기능을 수행할 수 있다.
• 전압 구성, 복잡한 온/오프 시퀀싱 정렬 정의, OV 및 UV 제한과 같은 오류 조건 정의를 수행하고 디지털 통신 버스를 통해 스위칭 주파수, 전류 제한 등과 같은 중요한 전원 파라미터를 설정할 수 있다.
• 동일한 통신 버스를 통해 입력 전압 및 출력 전압, 입력 및 출력 전류, 입력 및 출력 전력, 내부 및 외부 온도와 같은 중요한 동작 파라미터를 리드백 할 수 있을 뿐 아니라 일부 제품에서는 소비 전력량을 측정할 수 있다.
• 개인은 전원 전압을 매우 정밀한 수준으로 트리밍 하고, 설계에 대한 매우 정밀한 폐쇄 루프 마진 테스트를 구현할 수 있다.
• 이들 디바이스는 자율적으로 동작하도록 설계됐다. 일단 구성되고 입력 전력이 인가되면, 디바이스는 사용자 구성 가능한 오류 관리 구조를 구현하면서 전원을 시퀀싱 하고, PoL에서 매우 정확한 전압을 레귤레이트 하면서 지속적으로 전압과 전류를 감시한다. 또한 오류 탐지 시 전원 시스템에 대한 정보를 저장하는 비휘발성 오류 레코더를 탑재한다.
• DPSM 디바이스는 캐스케이드 방식으로 연결하여 일관된 대형 전원 시스템을 구성할 수 있다. 이는 유선 속도로 동작하는 칩 간에 상호조정 되는 버스에 의해 달성된다.
• 디바이스 구성과 오류 로깅 기능을 위한 내부 NVM을 포함한다.
• 이들 디바이스는 I2C/PMBus 통신 포트를 포함하며, 산업 표준 PMBus 명령 세트를 사용하여 전원 시스템을 제어하고 관리한다.
• 이들 PSM 디바이스는 모두 공통적인 LTpowerPlayⓇ GUI에 의해 지원된다. LTpowerPlay는 원격 고객 지원뿐만 아니라 전원 시스템 설계와 디버그를 염두에 두고 설계된 엔지니어링 레벨 GUI이다.
그림 2는 1개의 LTM4677(36A DPSM μModule 레귤레이터)과 3개의 LTM4650(50A μModule 레귤레이터)을 병렬 연결하여 180A 및 DPSM PoL 솔루션을 구현한 애플리케이션 회로도를 보여준다.

TT(통신)-2.jpg

[그림 2] 1개의 LTM4677 DPSM μModule 디바이스와 3개의 LTM4650 μModule 레귤레이터를 결합해 공칭 12V 입력으로부터 1V에서 186A를 공급한다.

결론

오늘날 통신 장비에 DPSM 기능과 초박형 프로파일의 전력 변환 디바이스를 탑재하면 최근의 20nm 이하 ASIC, GPU, FPGA에서 요구하는 온도에서 ±0.5% 최대 dc 출력 오차 및 0.5V의 낮은 코어 전압에 높은 전력 출력을 제공하는 간단하면서 강력한 방법을 전원 설계자에게 제공할 수 있다. 프로파일 제약이 있는 경우, 보드에 장착 시 2mm 미만의 초박형 프로파일을 갖는 LTM4622A 같은 초박형 μModule 레귤레이터를 사용하면 낭비되는 보드 공간의 밑면을 이용할 수 있다. 이는 값비싼 PCB 물리적 공간을 절감할 수 있게 하고 전체 동작 효율을 높여 필요한 냉각 수준을 낮춰준다.
마지막으로 μModule 레귤레이터는 디버그 시간을 크게 단축시키고 보드 공간 사용을 높여주므로 통신 장비에 사용하기에 적합하다. 또한 인프라 비용을 줄여주고 시스템의 수명 동안 전체 소유 비용을 낮춰준다. 따라서 이러한 장비를 설계하고 제작하는 회사는 물론, 이러한 장비가 데이터 센터에 설치되면, 이를 사용하는 회사 모두에게 이익이 된다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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