표준 규격 PMIC가 설계에 필요한 정확한 기능 블록을 제공하지 않는 것처럼 보여도, 비용과 이점을 비교해 보면 PMU가 유리하다. 특히 디지털 전원 관리 기능이 호스트 디바이스를 보다 안전하고 쉽게 작동할 수 있도록 하거나, 전원 시스템 설계를 쉽게 만들어 줄 경우 더욱 유리하다. 비용 비교 외에도 모든 관련 요소를 고려했을 때, 마이크로 PMU는 현재 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 많은 애플리케이션 분야에서 사용할 수 있다.
대량 생산의 컨슈머 기기 설계자들은 전원 관리 IC(PMIC)라고도 불리는 전원 관리 유닛(PMU)의 이점을 잘 알고 있다. PMIC는 단일 모놀리식 디바이스에서 PC, 랩톱, 태블릿, 스마트폰의 ARM 또는 x86 프로세서에 필요한 여러 동작 전압은 물론, 정교한 제어 및 전원 시퀀싱 작업도 제공할 수 있다.
여러 전원 컨버터 및 컨트롤러가 통합된 이 디바이스는 개별 구성 요소로 제작된 동급 회로에 비해 훨씬 더 작고 저렴하며 쉽게 탑재할 수 있다. 이러한 이점에도 불구하고 PMIC는 거의 컨슈머 애플리케이션 분야에서만 사용되어 왔다. 컨슈머 애플리케이션 분야에서는 전원 반도체 공급업체들이 각 애플리케이션 분야에 대한 맞춤형(ASIC) 솔루션을 제공할 수 있을 만큼 용량이 충분하기 때문이다. 칩은 고객이 지정한 수만큼의 LDO, 레귤레이터 및 컨트롤러를 제공하도록 제작된다. 이러한 이유로 다른 시장의 설계자들은 PMIC가 자신들에게 적합하지 않다고 생각하는 경향이 있었다. 개별 구성 요소를 없애는 이점이 큰 비용을 들여 전원 관리 ASIC을 개발해야 할 만큼의 가치가 없기 때문이다.
하지만 ‘마이크로 PMU’라고 불리는 다소 복잡한 전원 공급 설계에 맞춘 슬림다운 표준 IC가 늘어남에 따라 이러한 선입견이 점차 사라지고 있다. 시스템 설계자들은, 이러한 표준 PMU가 맞춤형 IC가 아니기 때문에 대부분의 경우 사용자의 사양에 딱 들어맞지 않을 것이며, 그에 따라 애플리케이션 분야의 필요성에 딱 맞는 기존의 개별 전원 IC 조합에 비해 더 적합할 수 있는지에 대해 고민하고 있다.
그림 1. 마이크로 PMU를 사용하는 일반 애플리케이션 제품의 다이어그램
공간 및 비용 이점
사실, 기능과 사양을 어느 정도까지만 맞춰도 마이크로 PMU가 제공하는 통합 이점을 누릴 수 있다. 통합 솔루션은 다양한 방법으로 공간을 절약해 준다. 개별 구성 요소는 ESD 보호, 밴드 갭, 전원 공급, 인터페이스용 패드 등 요구 사항이 서로 다르다. 마이크로 PMU에서는 IC 내 모든 컨버터가 이 기능을 공유한다. 따라서 필요한 총 공간이 훨씬 적다. 이것 하나만으로도 실리콘 면적을 10%에서 50%까지 줄일 수 있다.
둘째, 통합 디바이스는 테스트하고 어셈블링하는 데 시간이 덜 걸린다. 제조업체는 각 개별 구성 요소에 대해 다양한 표준 테스트와 연속성 테스트, 트리밍 등의 다른 생산 작업을 수행해야 한다. 마이크로 PMU의 경우에는 이것을 한 번만 수행하면 되는데, 여러 개별 IC의 경우 여러 번 수행해야 한다. 절약되는 테스트 시간은 일반적으로 20%에서 70% 사이이며, 절약되는 어셈블리 시간도 비슷하다.
마지막으로, PMIC를 사용하면 시스템 보드가 차지하는 총 공간이 더 작아진다. 통합 디바이스의 경우 연결된 구성 요소가 덜 필요하기 때문이다. 여러 개별 구성 요소를 사용하는 설계에 비해 절약되는 보드 면적이 10∼50%에 달한다.
시스템 설계 및 보드 레이아웃에 소비되는 시간이 얼마나 절약되는지를 수량화하는 것은 좀 더 어려운 문제이다. 하지만 마이크로 PMU가 제공하는 통합성 덕분에 개별 구성 요소를 사용하는 것보다 설계가 덜 복잡한 것은 분명하다.
추가적인 시스템 기능을 제공하는 마이크로 PMU
어떤 애플리케이션 분야든지 전원 시스템 설계 초기 단계에서 추산하는 것은 간단하다. 설계자는 개별 솔루션의 비용을 마이크로 PMU 설계 비용과 비교하여 어떤 것이 더 저렴한지 확인할 수 있다. 이때 BOM 비용뿐만 아니라 테스트 및 어셈블리 같은 기타 관련 비용까지 고려한다.
하지만 마이크로 PMU는 다른 방법으로도 최종 제품 설계를 향상시키는 데 도움을 주고 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 비교한 것만 가지고 개별 솔루션과 PMU의 비용이 비슷하다고 가정해 보자.
PMU에서 설계자는 디바이스의 전원 관리 기능도 부가적으로 얻는다. 이러한 시스템 기능은 종종 유효하며 때로는 필수적이다. 예를 들어 마이크로 PMU는 다음과 같은 기능을 지원할 수 있다.
•스타트업 제어
•초기화
•스탠바이 제어
•DC-DC 컨버터 및 LDO의 출력 전압 구성
•DC-DC 컨버터 출력 결합
•컨버터 작동 주파수 구성
덕분에 전원 시퀀싱 등을 구축할 수 있다. 하나의 DC-DC 컨버터 또는 LDO만으로 호스트 디바이스를 시작하여 필요한 출력 전압을 낼 수 있다. 그리고, 하나의 컨버터를 시작한 후 다음 컨버터를 시작할 때까지 지연 시간을 프로그래밍할 수 있다. PMU에서는 프로그래밍이 가능하기 때문에 구성 설정도 원하는 대로 변경할 수 있다.
초기화는 배터리 전원 디바이스에서 많이 사용되는 또 한 가지 중요한 기능이다. 여기서도 마이크로 PMU는 유연성을 제공한다. 예를 들어 초기화 전압 임계값을 높거나 낮게 변경하고, 키를 몇 초 동안 누르고 있어야 초기화가 시작되는지 등을 변경할 수 있다.
원하는 대로 구성할 수 있다는 것의 또 다른 장점은 전원 모드를 지능적으로 구현할 수 있다는 점이다. 예를 들어 일부 휴대용 디바이스는 일반 작동 모드에서 3.3V의 공급을 필요로 하지만, 스탠바이 모드에서는 1.8V만 필요로 한다. PMU에서는 컨버터의 작동 주파수 또는 출력 전압을 적절히 조정하여 이것을 쉽게 프로그래밍할 수 있다.
실제 구현 예
그렇다면 설계자는 현실에서 전원 시스템 설계를 어떻게 마이크로 PMU로 구현할 수 있을까? 5개의 DC-DC 벅 컨버터와 2개의 LDO를 갖춘 ams의 배터리 구동 애플리케이션 제품용 마이크로 PMU인 AS3709의 예를 살펴보자. 이 회로 하나는 7개의 개별 IC가 포함된 회로와 동급이다. 그림 1에 나타난 바와 같이, AS3709에는 최소 외부 구성 요소의 요구 사항이 있다.
일부 애플리케이션 제품에서는 전원 출력을 쉽게 구성할 수 있는 것이 중요하다. 대부분의 휴대용 디바이스는 작동 전압 범위가 넓은 배터리를 사용한다. 가장 널리 사용되는 배터리 유형인 리튬이온은 2.7V와 4.2V 사이에서 작동한다.
일반적으로 휴대용 디바이스 안에 있는 애플리케이션 제품 회로는 1.2V, 1.8V, 2.5V 등의 수준에서 안정적인 공급 전압을 필요로 한다. 실제로, 전자 시스템은 점점 더 낮은 공급 전압을 사용하는 추세이다. 이것이 전력 소모를 줄이는 데 도움이 되기 때문이다. 이러한 작동 전압 요구 사항은 LDO 및 DC-DC 컨버터가 배터리의 출력 전압을 규제하도록 한다.
AS3709에서는 DC-DC 컨버터의 출력 전압을 0.6V∼3.3V 범위 내에서 쉽게 변경할 수 있으며 2.7V∼5.5V의 입력 범위 내에서 작동한다. 또한 LDO의 출력 전압은 0.8V∼3.3V 사이에서 쉽게 변경할 수 있다. 입력 범위는 1.8V∼5.5V다. DC-DC 컨버터의 주파수는 2MHz, 3MHz, 4MHz에서 각각 따로 설정할 수 있다.
AS3709는 다른 유용한 기능도 지원한다. 즉, 여러 DC-DC 컨버터의 출력을 결합할 수 있다. 개별적으로, 각 디바이스의 컨버터는 1A 최대 출력을 제공하도록 구성할 수 있다. 이것을 병렬로 결합할 경우, 이 최대 전류 등급은 2∼3배로 증가된다.
표 1. AS3709에서 여러 DC-DC 컨버터의 출력을 결합하는 옵션
이렇게 하려면 컨버터가 슬레이브 모드로 작동하도록 구성한다(표 1). 비트 sd2_slave를 HIGH로 설정하면 DC-DC 컨버터 SD1 및 SD2가 병렬로 작동한다. sd4_slave를 HIGH로 설정하면 DC-DC 컨버터 SD3 및 SD4가 병렬로 작동한다. sd4_slave 및 sd5_slave를 HIGH로 설정하면 DC-DC 컨버터 SD3, SD4 및 SD5가 병렬로 작동한다.
그림 2. AS3709에서 5개의 내부 DC-DC 컨버터를 2개로 결합하여 보다 높은 출력 전류 용량 제공
그림 2는 모든 슬레이브 비트가 설정된 작동 모드이다. 이 경우에는 2개의 컨버터가 있다. SD1 & SD2는 2A 출력 전류 용량을 제공하고, SD3 & SD4 & SD5는 3A 출력 등급이다.
그림 3. 마이크로 PMU에서 DC-DC 컨버터를 결합하는 회로를 위한 레이아웃 가이드라인
물론 보드 레이아웃에서는 보다 높은 전류 용량을 고려하는 것이 중요하다. 그림 2의 회로에 대한 가이드라인이 그림 3에 나와 있다. 이 그림에서 알 수 있듯이, 2개의 컨버터 조합에 하나씩, 단 2개의 인덕터만 필요하다. 흥미로운 점은, 높은 출력 전류를 생성하기 위한 이 방법 역시 개별 솔루션보다 더 높은 효율성을 제공한다는 것이다. 작은 컨버터 여러 개의 스위치 저항이 큰 컨버터 하나의 스위치 저항보다 작기 때문에 전력 손실이 더 적다.
Emir Serdarevic / ams AG
