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100A μModule 레귤레이터까지 진화의 여정


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글/토니 암스트롱(Tony Armstrong), 아나로그디바이스


머리말

μModule® 디바이스는 표면실장 IC처럼 생겼지만, 전력변환 회로 구축에 필요한 모든 지원 소자들을 포함하고 있다. DC/DC 컨트롤러, MOSFET 다이, 자기 소자, 커패시터, 저항 등 모든 소자들을 열 효율이 뛰어난 라미네이트 서브스트레이트 위에 탑재한 다음, 플라스틱 몰드 캡을 사용해서 몰딩한다. 이처럼 완벽하게 통합된 전원공급장치를 제공하므로 사용자는 간편하게 PCB에 탑재하기만 하면 된다.
사용자는 엄격한 품질 기준에 맞춰서 설계된 이 제품군을 사용함으로써 시스템 개발의 위험성, 시간, 노력을 크게 줄이면서 성능과 전력 밀도가 높은 솔루션을 성공적으로 설계할 수 있다. 이 디바이스는 전원공급장치에 대한 아나로그디바이스(Analog Devices)의 전문성과 노하우가 집약된 것으로, 한 개의 IC 같은 폼팩터로 제공된다. 만약, 양산 착수까지 불과 몇 주밖에 남지 않은 상황에서 전력변환 회로를 설계하느라고 시간에 쫓겨본 적이 있다거나, 전원공급장치를 디버깅하느라 며칠씩 밤을 꼬박 새 본 적이 있다면, 이제는 더 이상 그럴 필요가 없다. 개발자가 모든 것을 직접 다 해야 하는 DIY 형태의 디스크리트 솔루션 대신, μModule 레귤레이터를 사용하면 되기 때문이다.
μModule 제품의 내부 구조를 좀더 자세히 살펴보자. 패키지로는 LGA(land grid array)나 BGA(ball grid array)를 사용한다. 다른 제품들은 여러 소자들을 패키지 방식으로 통합하는 데 반해, μModule 제품은 스위치 모드 전력변환 회로를 형성하는 내부 소자들이 다이 형태로 통합되어 있다. 이 모든 소자들은 전기적 및 열적 특성이 우수한 BT(bismaleimide triazine) 라미네이트 서브스트레이트 위에 탑재된다. μModule 제품은 통합성뿐 아니라 성능 및 그 밖에 다른 특성 면에서도 뛰어난 경쟁력을 제공한다.
세계적으로 전원 설계 전문가들이 줄고 있다는 것이 문제가 되고 있다. 전원 설계 전문가가 줄어들면 고객 입장에서는 자신들이 필요로 하는 전원장치를 일일이 설계하기가 어렵기 때문이다. 업계 통계에 따르면, 세계적으로 숙련된 엔지니어의 평균 연령이 57세에 달한다고 한다. 중국은 이 평균 연령이 세계에서 가장 낮다.
전원 설계 엔지니어와 관련한 시급한 문제로 다음 3가지를 들 수 있다:
* 이 일을 할 수 있는 전문 인력 부족
* 설계에 적합한 부품을 찾기가 어려움
* 촉박한 일정

이러한 문제 의식에서, 아나로그디바이스는 고객이 구입해서 바로 쉽게 사용할 수 있고, 고객이 필요로 하는 모든 성능 요건을 충족하는 통합적인 전원장치를 제공해야겠다고 생각했다. 또 다른 과제는 PCB 면적이 점점 더 중요해지고 있다는 것이다. 시스템 크기는 점점 더 작아지는데 기능은 갈수록 더 많이 통합될 것이 요구되기 때문이다. 이는 또 다른 어려움을 낳는다. 공간은 좁아지는데 많은 기능을 포함하려다 보니, 전력 소모는 커지는데 발열을 식히기 위한 공기 흐름이 제한적인 환경이 될 수밖에 없어 열 설계 제약이 갈수록 복잡해지는 것이다.
끝으로, 점점 더 촉박해지는 개발 일정에 대한 압박도 빼놓을 수 없다. 흔히, 전원장치는 양산 착수까지 불과 몇 주밖에 남겨놓지 않고 맨 마지막에 설계하는 장치 중의 하나이기 때문이다.

PCB 면적은 대부분의 설계에서 핵심적인 우선 순위 과제다. 예를 들어, 대부분의 데이터 통신 및 텔레콤 보드는 여러 디지털 프로세서와 ASIC, 메모리를 탑재한다. 이러한 디바이스들은 PCB 상에서 구동되어야 하며, 전압 레벨은 12V ~ 48V 사이의 중간 시스템 버스 전압을 거친 다음, 각 디바이스에 맞춰 높게는 5V 이상에서부터 낮게는 0.6V에 이르기까지 다양하게 변환된다. 이와 동시에 시스템 설계자들은 갈수록 더 작아지는 폼팩터에 더 많은 기능을 포함해야 요구까지 충족해야 한다. 아마도 저 요구 사항은 서로 불가분의 관계일 것으로 보인다.

해결해야 할 과제들

열 관련 설계 제약은 갈수록 심해지고 있다. 점점 더 많은 기능들이 PCB에 담기면서 보드를 구동하는 데 필요한 전력은 계속 높아지는 데 반해, 히트 싱크 공간과 사용 가능한 에어 플로우 양은 제한적이라 냉각의 중요성이 커졌다. 설계자들이 특히 애를 먹는 것은, 시스템 내부가 과열되어 시스템의 성능이나 장기적인 신뢰성을 해치지 않도록 내부의 대기 온도를 한계값 이내로 유지해야 한다는 것이다.
최근에는 시장을 선점하려는 경쟁 압박 때문에 출시 일정이 갈수록 촉박해지고 있다. 이 때문에 전원장치 설계자들이 수일까지는 아니더라도 수주일 안에는 전력변환 회로의 설계와 검증 작업을 마쳐야 하는 압박을 받고 있다.
바로 이럴 때 μModule 제품은 간편하면서도 검증된 전력변환 솔루션을 제공한다. 이들 제품을 사용하면 전원장치 디버깅을 위해 더 이상 밤을 샐 필요가 없다.
물론 이들 제품을 채택한 최종 시스템이 장기간 신뢰성 있게 동작하려면 엄격한 품질 요건을 충족하는 것 또한 중요하다. 그렇기 때문에 ADI는 혹독한 환경에서 장기간 견고하게 동작할 수 있도록 엄격한 품질 및 신뢰성 테스트를 하고 있다.
다음은 최초의 μModule 제품인 LTM4600이 출시된 2005년 10월 이후 지금까지 테스트와 관련한 누적 집계이다:
* 2,200만 회 이상의 파워 사이클링 실시
* 고온에서 디바이스 작동 시간 500만 시간 이상
* 패키지 리드에서부터 PCB까지 어떤 접촉 문제도 일으키지 않으면서 10년 동안 1년 365일, 주 7일, 1일 24시간 연중 무휴로 잘 작동하는지 확인하기 위해 시스템에 탑재한 상태로 200만 시간 이상의 온도 사이클링
* -65℃ ~ +150℃로 2,500만 회 이상의 온도 사이클링
* -65℃ ~ +150℃로 1,600만 회 이상의 열 충격 사이클링. 기억해야 할 점은, 이 테스트가 최종 전원장치를 가지고 액상 환경(liquid-to-liquid)에서 이루어진다는 것이다.

최종 테스트 결과는 0.4 미만의 고장률(failures in time, FIT)을 나타냈다. 이는 10억 대의 디바이스가 1시간 동안 작동할 때 0.4대의 디바이스가 고장을 나타낸다는 뜻이다. 더 중요한 것은, 이 정도의 고장률을 완벽한 전원공급장치 상태에서 달성하고 있다는 것이다. 이와 비교해서 경쟁사들의 IC(패키지에 한 개의 실리콘만 포함)는 FIT가 이보다 높다.

패키지의 진화

μModule 패키지가 어떻게 진화해왔는지 살펴보자. 2005년에 첫 번째 μModule 제품으로 LTM4600을 출시할 때는 LGA 패키지를 사용했다. 많은 VLSI 디지털 IC가 LGA 폼팩터이므로 같은 LGA이면 사용자들이 μModule 제품을 더 쉽게 사용할 수 있을 것이라는 생각에서였다. 이 생각은 한 동안은 유효했지만, 계속 그렇지는 않았다.
그러다 BGA 패키지도 혁신적인 아이디어가 될 수 있겠다는 생각을 하게 되었다. 이것은 두 가지 이유에서 운이 좋았다. 첫째, LGA의 양산 제조에 익숙하지 않은 사용자들이 BGA를 쉽게 사용할 수 있었다. 둘째, 동그란 핀 패드에 솔더 볼을 부착하기가 더 쉬웠다. 또, 유연 및 무연 솔더 볼을 모두 사용할 수 있었다. 많은 μModule 사용자들이 항공우주 및 방산 분야 고객이기 때문에 이 점은 이 분야 고객들에게 환영을 받았다.

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[그림 1] μModule 레귤레이터의 BGA 패키지 단면도

맨 처음 출시된 μModule 제품은 LTM4600이다. LTM4600은 4.5V ~ 20V 입력에 0.6V ~ 5.5V 출력으로 최대 10A의 연속 출력 전류를 제공하며, 15mm x 15mm x 2.82mm 표면실장 LGA 패키지로 제공되었다. 12VIN, 3.3VOUT으로 10A를 공급하면서 90%의 효율을 달성했다. 다시 말하지만 이때는 2005년 10월로서, 그 당시 이러한 성능 수준은 혁신적인 것이었다.
ADI는 여기서 한 발 더 나아가서, 동일한 15mm x 15mm 풋프린트로 출력 전류 밀도를 높이기 위해서 μModule 레귤레이터의 열 성능을 어떻게 향상시킬지 고민했다. 열이 문제라는 것이 확실했기 때문에, 패키지로부터 열을 빼내는 문제를 해결해야 했다. 이 문제를 해결하기 위해 ADI의 설계자들은 BT 라미네이트 서브스트레이트를 사용하기로 결정했다. 이 소재의 서브스트레이트는 열 특성이 우수하기 때문에 μModule 패키지 하단면에서 PCB로 열을 빼내기가 용이했다. 이러한 접근법은 2000년대 중반까지는 괜찮았으나, 2000년대 후반으로 접어들면서는 더 이상 PCB로 열을 발산하는 것만으로는 충분하지 않다는 고객들이 나오기 시작했다. 패키지 상단면으로도 열을 빼내서 공기 중으로 발산할 수 있게 해야 했다. 그래서 특수하게 설계된 히트 싱크를 패키지 내에서 내부적 MOSFET과 인덕터 상단면으로 부착하고 패키지를 밀봉했다. 그러면서 μModule 레귤레이터의 상단면으로 이 히트 싱크를 노출시켰다. 그러자 사용자들이 μModule 디바이스 상단에 자체적인 히트 싱크를 추가해서 열을 빼내는 것을 향상할 수 있었다. 여기에 200 LFM의 에어플로우를 더함으로써 열 성능을 추가적으로 향상할 수 있었다.
μModule 레귤레이터의 진화와 개발은 여기서 멈추지 않고 계속되었다. 이번에는 인덕터를 상단에 탑재함으로써, 이것이 히트 싱크로 작용해서 열 소산을 더 향상시킬 수 있게 했다.
그리고 마침내 초박형 μModule 디바이스를 내놓게 되었다. 많은 경우에 고객들은 높이 제한 때문에 PCB 하단면에는 디스크리트 부품만 탑재한다는 것을 깨닫게 되었다. 랙 탑재 시스템의 경우, PCB 하단면에 부품을 탑재할 수 있는 높이 제한은 2.2mm였다. ADI는 이에 맞춰서 최대 높이가 1.8mm와 1.9mm인 μModule 레귤레이터를 개발했다. 그럼으로써 PCB 하단면에도 μModule을 쉽게 탑재할 수 있을 뿐 아니라 공간과 밀도 문제에도 도움이 되었다.
이러한 배경을 알고 나면 μModule 디바이스의 열 성능을 더 잘 이해할 수 있을 것이다. 초창기 때부터 지금까지 10년이 넘는 기간 동안 이어져 온 μModule 제품의 열 성능 향상은 그야말로 진화의 여정인 셈이다.

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[그림 2] μModule 레귤레이터의 설치 및 열 발산을 보여주는 열화상 이미지

그림 2는 서로 다른 형태로 μModule 레귤레이터를 사용할 때의 열화상 이미지를 나타낸 것이다. 형태는 다르지만 모두 다 μModule 상단면으로부터 공기 중으로 열을 빼내는 능력을 향상시키려 하고 있다. 에어플로우를 사용해서 추가적인 냉각을 할 수 있으며, 추가적인 히트 싱크를 인접한 VLSI 디지털 IC와 공동으로 사용할 수도 있다. 파란색은 온도가 낮은 것이고(열 발산 낮음), 주황색에서 빨간색으로 갈수록 온도가 높은 것이다(열 발산 높음). 이렇게 해서 전력변환 과정에서 발생한 열을 PCB가 아니라 공기 중으로 빼낼 수 있다.
열 성능 특성의 향상과 더불어, μModule 레귤레이터를 더욱 축소된 폼팩터에 넣어 전력 밀도를 높이기 위한 노력 또한 지속되었다. 그림 3에 소개한 LTM4627은 20V 입력과 최저 0.6V에 이르는 출력으로 15A 전류를 제공할 수 있는 제품으로서, VIN 및 VOUT 조건에 따라서 90% 대의 공칭 효율을 달성한다. 그 옆에 있는 작은 디바이스는 LTM4638이다. 이 제품 역시 20V 입력 디바이스로서 최저 0.6V로 15A 출력을 제공할 수 있으며 86%의 공칭 효율을 달성한다. 놀랍게도 거의 비슷한 효율을 달성하고 있는 것이다. 그런데 체적으로 보면, LTM4638은 LTM4627에 비해서 5.6배나 더 작다.
여기서 중요한 점은, 동일한 동작 조건일 때 두 제품의 변환 효율은 조금밖에 차이가 나지 않는데 풋프린트와 구현에 필요한 공간은 몇 배나 차이가 난다는 것이다. 이러한 모든 성과를 4년이 채 안 되는 기간 동안 이루어냈다.

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[그림 3] LTM4627(15mm x 15mm x 4.92mm)과, 성능 수준은 비슷하면서 크기는 훨씬 작은 LTM4638(6.25mm x 6.25mm x 5.02mm)

마침내 등장한 단일 100A μModule 디바이스

고전력 μModule 제품 사용자들은 오래 전부터 끊임없이 더 작고, 효율이 더 우수하고, 전력 밀도가 더 높은 디바이스 제품을 원해 왔다. 하지만 이러한 것들은 서로 상충적인 요구들이다. 그럼에도 불구하고 ADI는 이러한 요구에 진심으로 귀를 기울이고 어떻게 하면 이러한 요구를 만족시킬 수 있을지 고민했다.

2013 ~ 2016년 사이에는 15mm x 15mm 풋프린트의 μModule 레귤레이터로 디바이스당 26A에서 50A에 이르는 출력 전류를 제공할 수 있었다. 또한, 고전력 μModule 디바이스로 12V 입력, 1V 출력에서 90% 변환 효율로 최대의 출력 전류를 제공하는 것에 중점을 두었다. 대부분의 애플리케이션에서 열로 낭비되는 10%의 전력 손실이 허용 가능한 수준이었다. 2016년 후반에는 40A 이상의 μModule로 88 ~ 89% 대의 효율을 달성함으로써 목표에 거의 가까운 효율을 달성했다.
마침내 100A 단일 μModule 레귤레이터로 진화하기 위해서는 다음과 같은 여러 디바이스를 사용하는 과정을 거쳐야 했다:
- 2010년에는 Polyphase® 병렬 구성으로 12개의 LTM4601을 사용해서 12V 입력, 1V 출력으로 100A를 제공할 수 있었다.
- 2012년에는 Polyphase 병렬 구성으로 단지 4개의 LTM4620을 사용해서 12V 입력, 1V 출력으로 100A를 제공할 수 있었다.
- 2014년에는 Polyphase 병렬 구성으로 단지 3개의 LTM4630을 사용해서 12V 입력, 1V 출력으로 100A를 제공할 수 있었다.
- 2016년에는 Polyphase 병렬 구성으로 단지 2개의 LTM4650을 사용해서 12V 입력, 1V 출력으로 100A를 제공할 수 있게 되었다. 또 라인, 부하, 온도에 걸쳐서 ±1%의 총 DC 오차를 달성했다.
마침내, 2018년 11월에는 듀얼 50A 또는 단일 100A 출력 μModule 레귤레이터로서 LTM4700을 출시하게 되었다. 그림 4는 이 디바이스를 보여준다.

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[그림 4] LTM4700은 단일 패키지로 100A 출력 전류를 제공할 수 있다.

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[그림 5] LTM4700 100A μModule (89.6% 효율)

그림 5는 LTM4700이 작동할 때의 열화상 이미지를 보여준다. 12V 입력, 1V 출력으로 100A 전류를 제공하면서 높은 변환 효율을 달성하며 200 LFM의 에어플로우만을 사용하고 있다. 에너지 효율이 우수하므로 데이터 센터 인프라의 냉각 요구를 낮출 수 있다.
LTM4700의 특징을 요약하면 다음과 같다:
* 100A 출력이 가능한 μModule 디바이스이다. 2개의 50A 출력을 제공할 수도 있다.
* 스텝다운으로 12V 입력, 1V 출력으로 100A를 제공하면서 200 LFM 에어플로우만을 사용해서 90%에 근접하는 변환 효율을 달성한다. 동작 온도 범위에서 최대 DC 오차는 ±0.5%이다.
* 풋프린트 크기는 15mm x 22mm x 7.82mm이다.

듀얼 50A 또는 단일 100A 출력을 제공할 수 있다는 점 외에도, LTM4700의 또 다른 특징은 PMBus I2C 인터페이스와 전원 시스템 관리(PSM) 기능을 포함한다는 것이다.
따라서 다음과 같은 작업들을 할 수 있다:
* 디지털 통신 버스를 통해서 전압 구성, 복잡한 온/오프 시퀀싱 정의, OV(over-voltage)나 UV(under-voltage) 한계 같은 결함 조건 정의, 스위칭 주파수나 전류 한계 같은 전원장치 파라미터 설정이 가능하다.
* 또한 이 통신 버스를 통해서 입력 및 출력 전압, 입력 및 출력 전류, 입력 및 출력 전력, 내부 및 외부 온도 같은 주요 동작 파라미터를 리드백 할 수 있으며, 일부 제품은 에너지 소비 측정 작업도 할 수 있다.
* 사용자가 자신의 설계에 대해 매우 정밀하게 폐쇄 루프 마진 테스트를 할 수 있으며, 전원장치 전압을 정밀하게 트리밍 할 수 있다.
* PSM 디바이스는 신뢰성과 품질을 높인다.
* 서보 루프를 사용해서 제품의 수명 전반에 걸쳐서 높은 전원 정확도를 유지하고 신뢰성을 높일 수 있다.
* PSM 디바이스의 리드백 기능을 사용해서 회로내 테스트 시에 테스트 커버리지를 향상시킬 수 있으며 결함 가능성이 있는 디바이스를 걸러낼 수 있다.
* 최종 제품의 수명 동안 내내 PSM 디바이스가 주요 파라미터들을 계속해서 모니터링한다. 전압, 전류, 온도 추이를 모니터링해서 전원 시스템의 상태를 파악할 수 있다. 양호한 시스템 시그니처를 포착한 다음에 이와 대조해서 시스템 고장이나 고장 징후를 식별할 수 있다.

맺음말

최초의 μModule 레귤레이터 제품으로서 LTM4600이 출시된 때가 2005년이다. 이 제품은 15mm x 15mm x 2.8mm LGA 패키지였으며, 12V 입력, 1.2V 출력으로 10A를 제공하면서 89%의 효율을 달성했다. 13년 후, LTM4700은 12V 입력, 1V 출력으로 100A를 제공하면서 89.6%의 효율을 달성한다(200 LFM 에어플로우). 여기서 끝이 아니다. ADI의 설계자들은 계속해서 더 높은 성능의 모듈 제품을 개발하기 위해서 이미 연구에 착수하고 있다.

[저자 소개]
토니 암스트롱(Tony Armstrong, tony.armstrong@analog.com)은 아나로그디바이스(Analog Devices) Power by Linear™ 제품 그룹의 제품 마케팅 디렉터이다. 전력변환 및 관리 제품과 관련해서 제품이 출시될 때부터 단종될 때까지 전반을 책임지고 있다. ADI 전에는 리니어 테크놀로지(Linear Technology), 실리코닉스(Siliconix), 셈텍(Semtech), 페어차일드 세미컨덕터(Fairchild Semiconductors), 인텔(Intel)에서 마케팅, 영업, 운영을 비롯한 다양한 직책을 역임했다. 영국 맨체스터 대학에서 응용수학을 전공했다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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