디지털 전원이 시스템  디자이너에게 제공하는 이점들

숙련된 디지털 전원 사용자들은 디지털 전원 시스템 관리의 이점에 대해서 대체로 잘 알고 있다. 그런데 디지털 전원이 자신의 제품에 타당할지 어떨지를 고려하는 단계에 있는 사용자들에게는 이의 이점이 확실치 않을 수 있다. 이러한 사용자들이 흔히 하는 질문들로는 ▲고객들이 디지털 전원을 유용하게 생각할 것인가? ▲이 기술이 새로운 시장을 창출할 수 있을 것인가? ▲우리 회사 제품 포트폴리오로 디지털 전원을 도입하지 않으면 경쟁에서 뒤쳐질 것인가? ▲이 기술을 구현하기는 얼마나 어려울 것인가? ▲학습 곡선은 얼마나 걸릴 것인가? ▲디지털 전원을 채택하려면 출시시간이 길어질 것인가? ▲비용은 얼마나 추가될 것인가? 이다. 디지털 전원이 원하는 최종 애플리케이션에 적합한 선택인지를 판단하기 위해서는 이러한 질문들에 대한 대답을 이해해야 할 것이다.

Bruce Haug / 리니어 테크놀로지 파워제품군 수석 제품 마케팅 엔지니어


디지털 전원이 타당한 경우
  간단한 PC 접속으로 아날로그 전원을 디지털적으로 제어할 수 있다는 것은 디자이너들이 시스템을 빠르게 구축하고 가동해야 하는 개발 단계에서 특히 유용하다. 어떤 시스템이 20개 이상의 POL 전압을 포함할 수 있으며, 사용자들은 손쉽게 전원 전압을 조절하고, 전원을 시퀀싱하고, 동작 전압 한계를 설정하고, 전압/전류/온도 같은 파라미터를 읽고, 디지털 인터페이스를 통해서 상세한 결함 기록을 액세스할 수 있어야 한다. 이러한 시스템들은 레일을 엄격하게 제어하고 최대의 성능을 달성하기 위해서 높은 정확도가 극히 중요하다.
  전압 레귤레이터의 조건과 동작 상태를 이해하는 것이 아마도 오늘날 첨단 전자 시스템에서 마지막으로 남아있는 `사각지대`일 것이다. 이것은 이러한 시스템들이 통상적으로 주요 동작 파라미터를 직접적으로 구성하거나 원격적으로 모니터링 할 수 있는 수단이 없기 때문이다. 그런데 신뢰할 수 있는 동작을 위해서는 시간의 경과에 따른 레귤레이터 출력 전압의 편차나 과열 조건을 검출하고 결함이 발생하기 전에 미리 조치를 취할 수 있어야 한다.
  잘 설계된 디지털 전원 시스템은 전압 레귤레이터의 성능을 모니터링하고 이의 건전성에 대해 보고함으로써 시스템이 지정된 범위를 벗어나거나 결함을 일으키기 전에 교정적인 조치를 취할 수 있다.
  데이터 센터에서는 전체적인 전력 소비를 낮추는 것이 중요한 과제인데 그러기 위해서 워크 플로우를 재조정하고 활용도가 낮은 서버로 작업들을 전환함으로써 일부 서버들을 셧다운 할 수 있도록 한다. 이를 달성하기 위해서는 최종 사용자 장비의 전력 소비를 알아야 한다. 잘 설계된 디지털 전원 관리 시스템은 사용자에게 전력 소비 데이터를 제공할 수 있으므로 합리적으로 에너지 관리 의사결정을 내릴 수 있도록 한다.
  고가의 ASIC을 발생 가능성이 있는 과전압 조건으로부터 보호하기 위해서는 고속 비교기가 각 레일의 전압 레벨을 모니터링하고 어떤 레일이 지정된 안전 동작 한계범위를 벗어났을 때 즉각적으로 보호 조치를 취해야 한다. 디지털 전원 시스템에서는 어떤 결함이 발생했을 때 PMBus 경고 라인을 통해서 호스트로 이를 통보하고 관련 레일들을 셧다운시켜서 ASIC 같은 구동 디바이스들을 보호한다. 이와 같은 수준의 보호를 달성하기 위해서는 뛰어난 정확도와 수십 마이크로초 대의 응답 시간이 요구된다.
  디지털 전원 관리는 전원 시스템에 대해서 정확한 정보를 제공할 수 있으며 십여 개 이상의 전압을 자율적으로 제어하고 감시할 수 있다는 편리함을 제공함으로써 이의 채택이 늘어나고 있다. 보드 디자이너들은 호스트 프로세서가 텔레메트리 정보를 읽고 간단한 결함 개입을 하기를 원하는 경우가 아니라면 한 줄의 코드도 작성할 필요가 없다.
  제조업체들은 초보 사용자든 숙련된 사용자든 손쉽게 구현할 수 있도록 특정한 틈새분야를 겨냥해서 저렴한 가격대의 맞춤화된 디바이스 제품을 내놓을 필요가 있을 것이다. Linear Technology는 다수의 디지털 전원 디바이스 제품을 내놓고 있으며 LTC3880/-1은 그러한 제품으로서 최근에 출시한 제품이다.

Linear Technology의 LTC3880
  LTC3880 및 LTC3880-1은 디지털 전원 시스템 관리 용으로 I2C 기반 PMBus 인터페이스를 채택한 듀얼 출력 고효율 동기 스텝다운 DC/DC 컨트롤러이다. 이들 디바이스 제품은 뛰어난 아날로그 스위칭 레귤레이터 성능과 정밀한 혼성신호 데이터 변환을 결합함으로써 전원 시스템 설계와 관리를 용이하게 하며 사용하기 편리한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 LTpowerPlay 소프트웨어 개발 시스템을 지원한다. LTC3880/-1은 주요 POL(point-of-load) 컨버터 기능의 실시간 제어와 모니터링을 위해서 디지털 프로그래밍과 리드백을 가능하게 한다.
 프로그램가능 제어 파라미터들로는 출력 전압, 마지닝 및 전류 제한, 입력 및 출력 감시 한계, 파워업 시퀀싱 및 추종, 스위칭 주파수, 식별 및 추적 데이터를 포함한다. 온칩 정밀 데이터 컨버터와 EEPROM은 입력 및 출력 전압 및 전류, 듀티 사이클, 온도, 결함 기록 등을 포함해서, 레귤레이터 구성 설정과 텔레메트리 변수를 포착하고 비휘발성으로 저장할 수 있다.은 아날로그 제어 루프를 제공하므로 속도가 느린 디지털 제어 루프에서 흔히 발견되는 양자화 효과를 일으키지 않으면서 우수한 루프 안정성과 매우 빠른 트랜션트 응답을 달성한다.
  이들 디바이스는 2개의 독립적인 출력을 제공하거나 또는 아니면 2위상 단일 출력으로 구성할 수 있다. 최대 6개 위상을 인터리빙하고 병렬화해서 다중의 IC 간에 정확한 공유가 가능하므로 고전류 애플리케이션이나 다중 출력 애플리케이션에서 입력 및 출력 필터링 요구를 최소화할 수 있다. 또한 증폭기를 통합해서 진정한 차동 원격 출력 전압 검출을 제공하므로 보드 IR 전압 저하에 상관 없이 높은 정확도의 레귤레이션을 달성할 수 있다. 
  <그림 1>은 LTC3880을 이용해서 12V 버스 전압으로 1.8V @ 20A 및 3.3V @ 15A 출력을 제공하는 애플리케이션 예를 보여준다.은 온보드 16비트 ADC를 포함해서 뛰어난 프로그램 가능성과 텔레메트리 리드백 성능을 제공한다.

LTC3880/-1의 프로그래밍 분해능 및 텔레메트리 정확도
▲ LTC3880/-1의 프로그래밍 분해능
VOUT Command
   ·12비트 해상도
   ·5.5V 레인지, 1.375mVper Step
   ·2.75V 레인지, 687μVper Step
Current Limit Set Point
   ·3비트 해상도, ±5mV 정확도
   ·25mV to 75mV Span
OV/UV VOUT Supervisor
   ·8비트 해상도, 정확도의 ±2%
OV/UV VIN Supervisor
   ·8비트 해상도, 정확도의 ±2%

▲ LTC3880/-1의 텔레메트리 분해능
Input Current
   ·16bit Resolution per Phase & Combined
VIN
   ·16bit Resolution, ±2% Accuracy
VOUT
   ·16bit Resolution, ±0.5% Accuracy
IOUT
   ·16bit Resolution
   ·±1% for 6mV VSENSE
   ·Calibration Factor for DCR

  Linear Technology의 LTpowerPlay™ GUI 기반 개발 소프트웨어를 이용해서 이 디바이스의 I2C 직렬 인터페이스를 통해서 내부 EEPROM으로 LTC3880/-1의 구성을 편리하게 저장할 수 있다. 온보드 메모리로 특정한 사용자 설정을 저장할 수 있다. 또한 이 컨트롤러는 호스트 프로세서로 부담을 가하지 않고서 자율적으로 파워업 할 수 있다. 외부 저항 분할기를 이용해서 출력 전압, 스위칭 주파수, 위상, 디바이스 어드레스에 대해서 디폴트 설정을 선택적으로 구성할 수 있다.
  LTC3880/-1은 온보드로 MOSFET 게이트 드라이버를 통합함으로써 완전 N-채널 전력 MOSFET을 4.5V~24V의 입력 전압으로 구동하고 전체적인 동작 온도 범위에 걸쳐서 ±0.50퍼센트 정확도로 위상당 최대 30A의 출력 전류로 0.5V~5.5V의 출력 전압을 제공한다. LTC3880/-1은 또한 전원 블록이나 DR MOS 디바이스를 구동할 수 있다. LTC3880/-1은 최소 온 시간이 90ns에 불과하므로 컴팩트한 고주파/높은 스텝다운 비율 애플리케이션에 이용하기에 이상적이다. 다중의 칩에 걸쳐 정확한 타이밍과 이벤트 기반 시퀀싱으로 복잡한 다중 레일 시스템의 파워업 및 파워다운을 최적화할 수 있다.은 온보드 LDO를 특징으로 한다.
  LTC3880-1은 외부 바이어스 전압이 가능하므로 최대의 효율을 달성할 수 있다. 이들 두 디바이스 제품은 -40°C~105°C 동작 접합부