비용, 크기, 성능의 균형을 맞춘 휴대용 기기 전원 공급 장치
휴대용 기기에는 선명한 그래픽, 빠른 다운로드 속도 등 다양한 기능이 요구된다. 때문에 프로세서의 작업량은 계속 증가하지만, 소비자는 한 번의 배터리 충전으로 동작 시간이 연장되기를 바란다. 이와 같이 상충되는 요구로 인해, 휴대용 기기의 전원 회로에는 혁신적인 기술들이 도입되고 있다. 여기서는 그러한 기술 중 성능, 크기, 효율성, 열응력 간 균형을 맞추는 모바일 전원 회로 설계의 새로운 접근 방식에 대해 알아본다.
Peter Tang ams AG
디스크리트 솔루션의 맹점
휴대폰과 같은 휴대용 기기의 전원 시스템 설계가 어떻게 변화해 왔는지 그 역사를 살펴보면, 최신 전원 설계의 방향을 이해하는 데 도움이 된다. 이 역사를 통해, 설계자들이 전원 기능 통합 시 적절한 균형을 찾기 위해 노력해 왔다는 것을 알 수 있다. 그림 1은 ARM 프로세서를 사용한 이동형 휴대용 기기의 일반적인 전원 회로도이다. 여기에는 다음과 같은 것들이 포함돼 있다.
•리튬 이온 배터리의 충전기 회로
•CPU 코어, RAM 및 플래시 메모리에 전원을 공급하는 별도의 DC-DC 컨버터 3∼4개
•주변장치 및 입출력 요소에 사용되는 LDO 제어기 여러 개
•디스플레이 백라이트 LED 및 오디오 앰프에 전원을 공급하는 DC-DC 부스트 컨버터
초기 휴대폰의 경우, 설계자들은 전원 공급 장치마다 별도의 제어기를 선택하는 방법으로 이러한 요구 사항을 해결했다. 완전한 디스크리트 솔루션이다. 이 방식은 유연성이 뛰어나다는 장점이 있다. 하지만 개별 부품을 많이 사용하다 보니 PCB 면적이 넓어지고 재료 비용이 높아지며 전력 소비가 비효율적일 수밖에 없다. 게다가 보드에 장착해야 하는 부품이 많아져 생산 시 고장률도 높아진다.
때문에 설계자들은 여러 스위칭 및 선형 제어기를 단일 기기, 즉 PMIC(전원 관리 IC)나 PMU(전원 관리 장치) 내에 통합함으로써 보드 공간을 절약할 방법을 찾아 나섰다. 그래서 탄생하게 된 최초의 기기는 단일 칩에 여러 제어기를 넣기만 한, 상대적으로 조악한 수준이었다(그림 2).
이러한 방식도 아직 오늘날 PMIC의 개념과는 거리가 멀다고 할 수 있다. 일례로 제어기마다 자체 Input, Output 및 Enable 핀이 있어 칩의 입출력 연결 토폴로지가 복잡하다. 또한 기기에는 전원 레일이나 관리 기능이 없고 디지털 인터페이스를 제공하는 핀도 적다.
갈수록 높아지는 휴대용 기기의 기능에 대한 요구를 해결하는 데 있어서 이 아키텍처로는 부족하다는 것이 이미 입증됐다. 그와 함께 추가 기능에 의한 배터리 소모는 동적 전압 조정 기능과 같은 새로운 절전 기능의 개발 움직임을 유발했다.
이에 PMIC 공급업체들은 여러 출력에 걸쳐 전원 공급을 관리할 수 있는 보다 지능적인 기기를 개발했다(그림 3). 이 세대 PMIC의 일반적인 기능은 다음과 같다.
•칩을 구성하고 칩을 켜거나 끄며 관리 기능을 제공하는 등, 칩의 모든 제어기를 제어할 수 있는 I2C 등의 디지털 인터페이스
•배터리 및 다이의 온도를 모니터링하고 보호 루틴을 구현하는 등의 관리 기능
•노이즈가 적은 LDO 및 고주파 스위칭 제어기
•시스템 로드, 배터리 및 어댑터 간의 원활한 전원 공급 경로 스위칭 기능
또한 오늘날의 프로세서는 구동 시퀀스를 정밀하게 구성해야 한다. 전용 PIN으로 각 제어기를 지원하는 방식은 정밀한 구성이 불가능하다. 그럴 경우 PMIC의 핀 수가 너무 많아져 크기와 배치에서 단점이 생기기 때문이다.
따라서 사전에 프로그래밍된 구동 시퀀스(일반적으로 OTP 메모리에서 실행)를 구현하는 PMIC가 필요하다. 구동 후 기기는 I2C 인터페이스를 통해 정상적인 방법으로 제어할 수 있다. 모든 프로세서에는 맞춤화된 자체 구동 시퀀스가 필요하며, 어느 정도 경험 있는 PMIC 공급업체라면 지원되는 모든 프로세서에 대해 이러한 시퀀스를 제공할 수 있을 것이다. 사실 프로세서와 전용 PMIC(ams와 같은 타사에서 공급)를 단일 패키지로 묶어 판매하는 것은 프로세서 공급업체 사이에서 이미 일반화됐다.
온도 조절 문제
PMIC가 발전하면서 고도로 통합된 기기에서는 전원 제어 기능, 구동 시퀀싱 기능, 관리/보호 기능을 제공하기에 이르렀다.
애플의 아이패드가 등장하면서 다시 한번 상황이 급변했다. 프로세서가 갑자기 너무 복잡해져 버린 것이다. 단일 코어 및 듀얼 코어 기기도 아직 존재하지만 이제는 쿼드 코어, 옥타 코어 프로세서까지 모바일 기기에 사용되고 있다.
이는 코어 전원 공급 장치의 성능이 이전보다 훨씬 더 중요해졌을 뿐 아니라 관리하기도 어려워졌다는 것을 의미한다. 프로세서의 각 코어는 프로세서의 부하가 높아지고 낮아짐에 따라 1초 만에 여러 차례 켜지고 꺼지기를 반복할 수 있다. 여기에는 낮은 부하에서 높은 부하까지 우수한 과도 응답 성능을 제공하는 전원 회로와, 전력 절약을 위해 다양한 운영 모드를 지원하는 동적 전압 조정 기능이 필요하다. 그와 동시에 코어 전류도 기기 유형에 따라 폭넓게 지원돼야 한다(그림 4).
이러한 값을 보면 한 가지 의문이 생긴다. 그것은 바로 고전류 MOSFET을 PMIC에 통합해야 하는가이다. 통합할 경우 보드 공간은 절약할 수 있지만, 통합된 고전류 MOSFET은 다이 면적을 많이 차지하며 내부 MOSFET에서는 별도의 기기를 사용할 때보다 열을 효과적으로 없애기 어려워진다.
멀티 코어 프로세서가 일반화되면서 나타난 요구 사항은 이것뿐이 아니다. 그 어느 때보다 동적이고 유연한 전원 회로도 필요해졌다. 일반적인 쿼드 코어 ARM 프로세서에서 4개의 코어가 모두 최대 용량으로 작동할 수도 있다. 게임 애플리케이션을 지원하거나 영화를 재생하는 경우 등이 그렇다. 마찬가지로, 기기가 대기 모드 상태일 때는 4개 모두 유휴 상태가 될 수도 있다. 그림 5는 일반적인 사용 시퀀스를 나타낸 것이다.
일반적인 사용 환경에서는 코어 간 전압이 큰 폭으로 변화하므로 PMIC가 일시적인 변화에 초고속으로 정밀하게 응답해야 한다. 그런데 MOSFET이 PMIC에 통합되면 이러한 기능을 실현하기가 훨씬 어려워진다.
ams는 새로운 AS3721 PMIC를 설계할 때 이와 같은 문제를 인식했다. 그리고 쉽게 통합할 수 있는 별도의 전원 출력단(AS3729 MOSFET)으로 문제를 해결했다. 비용과 크기, 유연성과 전원 성능, 열 성능 사이의 적절한 균형을 찾아야 하는 문제는 ams뿐만 아니라 모든 PMIC 제조사가 직면한 과제이다.
AS3721 PMIC에는 여러 DC-DC 제어기와 LDO, 포괄적인 전원 관리 기능이 통합되어 있다. 하지만 코어 프로세서 전원 공급 장치의 경우, AS3721은 별도의 전원 출력단 여러 개에 사용되는 유연한 컨트롤러로 구성되어 있다.
AS3729 전원 변조 장치는 5A 출력 전류를 제공하는 2.5A 출력단 2개로 구성되어 있다(그림 6). 여러 대의 AS3729 기기를 병렬로 연결하면 최대 20A의 전류 요구 사항을 지원할 수 있다. 각 AS3729는 단일 출력단 또는 이중 출력단으로 사용할 수 있다. 따라서 하우징의 공간 및 높이 제한에 따라 다양한 응용 제품을 유연하게 지원할 수 있다.
AS3729는 온도 및 전류 관리 기능을 제공한다. 그리고 결정적으로, 핀 한 개로 전원 출력단과 전류 모니터 회로를 제어할 수 있다. 따라서 콤팩트한 보드 레이아웃에서 컨트롤러와 전원 변조 장치의 거리를 떨어뜨려 보드에 장착할 수 있으므로 열 관리 성능이 우수하다.
이와 같이 발열이 심한 부품을 물리적으로 떨어뜨려 놓으면(한쪽에 프로세서와 전원 변조 장치를 배치하고 다른 쪽에 PMIC를 배치한다) 보드에서 발열 부위의 크기와 밀도를 줄이는 데 도움이 된다.
그리고 AS3721/AS3729의 조합은 일시적인 응답 성능이 우수하다. 부하가 일시적으로 커지더라도 대부분 30mV 정도의 초과 전압만 발생한다. 또한 효율성이 높고 최고 속도와 대기 모드 간의 지속적인 스위칭을 지원하므로, 디스플레이의 크기가 큰 태블릿에서도 배터리 사용 시간을 늘려 준다.
새로운 휴대용 기기에 적합한 아키텍처
최근 소비자들은 다기능 휴대용 기기의 매력에 빠져 있다. 태블릿이나 휴대폰에서 미디어를 소비하고 게임을 즐기며 인터넷에 접속하고 일정을 관리하기를 원한다. 이와 같은 요구들로 인해 모바일 기기의 전원에 대한 요구 사항은 그 어느 때보다 까다롭고 복잡해졌으며, 전력 반도체 제조사는 통합에 따른 크기, 비용, 성능의 득실을 다시 따져볼 수밖에 없게 되었다.
PMIC와 거리를 두고 장착 가능한 유연한 개별 전원 출력 장치를 사용하는 아키텍처는 전력 효율과 열 효율이 높은 설계를 제공하는 동시에 부하의 지속적인 변화에 빠르게 대응할 수 있으므로 최근 인기 있는 기기들에 적합한 특성을 갖췄다고 할 수 있다.
