GaN·SiC·나노파워까지… ADI가 말하는 전력 시스템 설계의 미래 소개

지능형 엣지 컴퓨팅, 전기차, 고속 통신 등 전력 수요가 정교하고 다양해지는 가운데, 전력 반도체는 그 어느 때보다도 시스템 설계에서 핵심 요소로 부상하고 있다.
아나로그디바이스(ADI)는 고효율·고집적 전력 솔루션을 통해 전기차부터 산업 자동화, 데이터센터, 소비자용 및 의료기기까지 폭넓은 분야에서 설계자들이 직면한 과제를 해결해 나가고 있다. 이에 ADI 코리아의 노일 상무에게 ADI가 제공하는 주요 전력 반도체 제품, 최신 기술 방향, GaN 및 SiC 대응 전략, 그리고 미래 전력 시스템을 위한 통합 접근 방식에 대해 자세히 들어봤다.





Q.  GaN 기술은 실리콘(Si) 기술 대비 더 높은 효율, 더 빠른 스위칭 속도, 더 높은 전력 밀도로 전력 전자 분야를 변화시키고 있다. 설계 엔지니어가 GaN을 처음 사용할 때 직면할 수 있는 과제와, 실리콘에서 GaN으로 마이그레이션하는 최적의 방법에 대해 소개해 달라.

A.  먼저, GaN FET는 Si MOSFET을 드롭인(drop-in) 방식으로 바로 교체해 사용할 수 있는 부품이 아니라는 점을 이해할 필요가 있다. 엔지니어는 더 엄격한 게이트 구동 전압 요건, 스위칭 과정에서 빠른 전압 변화가 미치는 실제적인 영향, 그리고 ‘데드 타임(dead time)’ 동안 높은 전도 손실(conduction loss)이 발생할 가능성에 대해 고려해야 한다.

ADI의 LT8418과 같은 전용 GaN 드라이버와 LTC7892와 같은 GaN 컨트롤러 같은 제품들은 정밀한 제어 기능과 강력한 보호 기능을 통합하여 안정적이고 효율적인 동작을 보장한다. 이에 대해서는 ADI가 제공하는 “스위치 모드 전원공급장치(SMPS)에서 GaN 스위치로의 전환(Moving On to GaN Switches in Switch-Mode Power Supplies)”이라는 제목의 기사를 비롯하여, 다양한 애플리케이션 노트들을 참고할 것을 권장한다.

이 외에도 ADI는 웹사이트를 통해 무료로 활용할 수 있는 LTspice® 시뮬레이션 툴을 통해 완전한 데모 회로를 제공하며, 사용자가 최소한의 노력으로 GaN을 성공적으로 구현할 수 있도록 GaN FET 벤더와 협력하여 레퍼런스 디자인을 제공하고 있다.


Q.  설계 엔지니어가 미래지향적인 전원 시스템을 설계할 때, 내구성과 효율을 유지하면서 시스템 비용도 보다 균형 있게 맞출 수 있도록 하기 위한 ADI의 조언이나 솔루션이 있다면.

A.  더 큰 전동화로의 전환과 보다 높은 효율에 대한 요구는 전원 시스템 설계에 지대한 영향을 미치고 있다. 미래지향적인 전원 설계는 더 높은 통합성, 유연성, 강건성, 그리고 보다 신속한 출시 경로를 필요로 한다. ADI의 마이크로모듈 및 사일런트 스위처(Silent Switcher®) 제품군과 같은 고밀도, 고효율 전원 기술 리더십은 탁월한 성능과 단순화된 설계를 제공한다. 또한, ADI는 전원공급장치의 제어 및 모니터링을 강화하기 위해 다양한 디지털 전원 시스템 관리(Digital Power System Management) 지원 디바이스들을 제공한다.


Q.  ADI의 사일런트 스위처 기술에 대한 간략한 소개와 이 기술이 제공하는 이점은 무엇인가. 아울러 사일런트 스위처 기술이 현재 몇 세대까지 진화했는지, 그리고 세대별 차이점에 대해 설명해 달라.

A.  전반적으로, 사일런트 스위처는 기존 스위칭 레귤레이터보다 훨씬 우수한 전자기 간섭(electromagnetic interference, EMI) 성능을 제공하는 혁신적인 기술이다. 이 기술은 스위칭 전환이 매우 빨라 외부 부품을 거의 사용할 필요가 없는 극도로 콤팩트한 설계와 초고속 과도 응답, 더 높은 효율을 구현할 수 있게 해준다. EMI도 매우 적어 첫 설계에서 성공할 가능성을 높임으로써, 사용자가 개발한 솔루션을 더 빨리 출시할 수 있도록 한다. 

사일런트 스위처 2 제품은 1세대 기술의 모든 장점들을 제공하면서 추가로 입력 커패시터를 통합하고 있어, 대칭 전류 루프의 레이아웃 민감도를 낮춰준다. 또한 솔루션 크기는 더욱 작아졌고 PCB 레이아웃도 간소화한다. 사일런트 스위처 3 기술은 10Hz ~ 100kHz의 더 낮은 주파수에서 총 노이즈 출력을 더욱 줄였다는 점에서 최고의 스위칭 레귤레이터 중 하나로 평가된다. 사일런트 스위처 3 기술이 제공하는 주요 이점으로는 효율적인 전원 공급과, 항공우주 및 통신 시스템의 민감한 신호 체인을 위한 초고속 과도 응답 등을 들 수 있다. 

사일런트 스위처 기술이 적용된 ADI의 최신 제품에는 고효율 사일런트 스위처 2 스텝다운 레귤레이터인 LT7153SP 와 초저잡음 레퍼런스를 지원하는 사일런트 스위처 3 스텝다운 레귤레이터인 LT83201/3/5 제품군이 포함된다. 사일런트 스위처 제품들 가운데 부품 번호 뒤에 “S”가 붙은 것은 입력 커패시터를 통합하고 있는 버전이다.

 

Q.  전 세계 거의 모든 주요 기업과 정부 기관들이 지능형 컴퓨팅, 저장, 검색을 통해 주요 비즈니스 기능을 운영하고 유지하기 위해 신뢰할 수 있는 데이터센터를 필요로 하고 있다. 배터리 백업 장치(BBU)는 데이터센터에서 어떻게 전원의 끊김 없는 전환을 지원하며, 전체 가동 시간과 시스템 복원력을 위해 어떤 역할을 하나? 또한 지능형 모니터링 및 관리 시스템은 BBU의 신뢰성과 예방정비를 향상시키는 데 어떻게 기여하는가.

A.  데이터센터는 엄청난 양의 전력과 정보를 소비하며, 많은 기업 및 정부 기관의 중추이므로 데이터센터의 가동 시간(uptime)은 매우 중요하다. BBU(battery backup unit)는 전원 공급에 장애가 발생할 경우, 시스템이 해당 이벤트를 매끄럽고 즉각적으로 식별하고, 데이터 무결성을 유지하도록 반응하며, 필요 시 다른 데이터센터로 운영을 전환할 수 있도록 이중화된 전원 공급(power redundancy)을 제공한다. 

ADI의 전원 관리, 모니터링, 보호 및 제어 솔루션은 OCP ORV3(Open Compute Project Open Rack Version 3) BBU의 시스템 요구사항을 충족하도록 개발된 중단 없는 에너지 공급을 위한 스마트 배터리 백업 설계를 가능하게 한다.


Q.  ADI의 나노파워(nanoPower) 기술의 초저전력 소비 특성은 무엇인가. 나노파워 기술은 엣지 AI 애플리케이션 특유의 전력 요구사항도 지원하나.

A.  ADI의 나노파워(nanoPower) 디바이스는 1µA 미만의 초저전류 소비가 특징으로, 원격 장치들이 작동 수명의 대부분을 차지하는 상태인 대기 모드(wait mode)에 있을 때 매우 적은 전력을 소비한다. 일례로 원격 센서의 경우, 나노파워 기술은 데이터를 측정하거나 클라우드로 전송할 때 발생하는 피크 부하 요구사항도 쉽게 처리할 수 있다.

엣지 AI 애플리케이션은 데이터 전송 시 더 적은 피크로 피크 소비 이벤트를 줄일 수 있으며, 이때 초저 대기전류(quiescent current) 소비는 더 작고 저렴한 배터리를 사용할 수 있게 하거나 또는 동일한 배터리라면 작동 시간을 더욱 늘림으로써 전체 시스템 비용을 절감한다.



Q.  나노파워 기술은 더 콤팩트하고 사용자 친화적인 의료기기 및 소비가전 개발에 어떠한 이점을 제공하나.

A.  ADI의 나노파워 기술은 배터리 수명을 연장하고 더 작은 배터리 크기를 가능하게 한다는 점에서 소비가전과 의료 기기 모두에 매우 이상적이며, 이를 통해 최종 시스템을 더 가볍고 사용자 친화적으로 제작할 수 있게 해준다. 예를 들어, 420nA의 IQ를 특징으로 하는 MAX38656과 같은 소형 디바이스는 시스템의 크기를 줄이고 작동 시간을 늘림으로써 정교한 원격 의료 솔루션을 제공하는 데 기여한다.