데이터센터, 원격통신, 통신의 전력 효율 향상

시장의 판도를 바꾸는 부품을 내놓는다는 것은 골퍼가 홀인원을 치는 것과 같다. 둘 다 아주 가끔씩 일어나는 일이고 언젠가는 다음 주자가 등장할 것이라는 것을 누구나 알고 있다. 하지만 정확히 언제 누가 될지는 알 수 없다. 이것은 아무리 예리한 관찰자라 하더라도 쉽사리 예측하기 어렵다. 그러한 가능성을 가진 1mΩ 이하 R_^DS(ON) 30V MOSFET이 등장했다. 페어차일드의 새로운 FDMS7650은 최대 R_^DS(ON)이 0.99mΩ(VGS = 10V, ID = 36A)인 N-채널 디바이스로서 5mm x 6mm POWER56 패키지로 업계에서 그 어느 때보다 낮은 R_^DS(ON) 을 제공한다. 5mm x 6mm 패키지의 경쟁 30V MOSFET의 R_^DS(ON) 성능은 1.4mΩ~1.6mΩ대이다.

자료 / 페어차일드반도체



  MOSFET의 총 드레인-소스 온상태 저항 R_^DS(ON) 은 칩 저항과 패키지 저항으로 이루어진다.
이 파라미터는 두 가지 이유에서 중요하다. 첫째는 전력 소비가 이와 직접적으로 연관되기 때문이고, 둘째는 특정 애플리케이션에서 실리콘의 전류 취급 성능을 결정하기 때문이다.
  페어차일드의 이 새로운 MOSFET은 첨단의 패키지 및 실리콘 조합으로 이루어진 것으로서 고가용성 원격통신 및 서버 시스템을 위한 능동 ORing 중복 전원장치 등과 같은 고밀도 DC 스위치 애플리케이션 용으로 적합하다. FDMS7650은 낮은 R_^DS(ON) 에 의해 온상태일 때 최소한의 포워드 전압 드롭을 가능하게 하고 최소한의 전도 손실로 효율을 극대화하고 우수한 열 성능을 제공한다.

ORing의 다이오드 대체
  원격통신 또는 통신 인프라 시스템이나 데이터센터 서버 등과 같은 고가용성 애플리케이션은 유연성, 중복성, 용량의 이유에서 병렬로 다중의 전원장치를 이용한다. 이들 전원장치는 신중한 전력 버스 디자인을 통해서 부하를 공유하거나 또는 하나는 작동하고 다른 하나는 대기 상태가 되도록 할 수 있다.
  이러한 방식으로 어떤 한 전원장치가 결함일 때 이로 인해서 전체 시스템이 중단되지 않도록 할 수 있다. 중복적인 전원장치가 이어 받아서 부하를 처리할 수 있기 때문이다.
한편 중복적 전력 아키텍처는 ORing 솔루션을 이용한다. 능동 ORing 솔루션은 전력 MOSFET과 컨트롤러 IC를 결합한 것이다. ORing MOSFET은 이상적으로 전력 소스 결함에 대응하기 위해 동적 응답이 신속해야 하며 또한 최소한의 R_^DS(ON) 이어야 한다. 그 이유는? R_^DS(ON) 이 낮으면 전도 손실을 최소화하고 시스템 효율을 향상시키기 때문이다. 전도 손실은 듀티 사이클, 드레인-소스 저항, 디바이스의 부하 전류에 따라 좌우된다. 듀티 사이클과 부하 전류는 애플리케이션에 따라 결정되므로 R_^DS(ON) 이 디자이너가 지정할 수 있는 변수이며 그러므로 되도록 낮게 선택해야 한다.
이산 ORing 다이오드 솔루션이 오랫동안 이용되어 왔고 구현하기에 비용이 저렴하지만 시스템의 전력 요구량이 계속해서 높아질 것으로 전망됨에 따라서 이의 중대한 단점인 전력 소비 손실을 더 이상 허용할 수 없게 되었다. 극히 낮은 R_^DS(ON)  특성의 FDMS7650 MOSFET ORing는 동일한 전류로 기존의 쇼트키 다이오드를 이용할 때 발생하는 다이오드 전압 드롭, 전력 손실, 열 발생을 피할 수 있는 매우 실용적인 솔루션이다.
  다이오드 ORing는 또한 다루기 까다로울 수 있다. 전력 소비가 낮고 열 관리에 대한 의존을 크게 감소시키는 FDMS7650과 같은 제품을 이용한 MOSFET ORing 솔루션은 매우 소형으로 만들 수 있으므로 소형화된 모듈 규격의 오늘날의 원격통신/데이터통신 인프라 추세에 매우 적합하다.

데이터센터의 에너지 절약 
  데이터센터는 에너지 요구량이 높다. 통상적인 데이터센터는 1MW에서 20MW에 이르는 전기를 소비하며 설비의 컴퓨팅 하드웨어에 소요되는 매 1달러에 대해서 50센트 이상이 하드웨어를 가동하고 냉각하는 것에 쓰이는 것이다.
  업계 조사에 따르면 전세계적으로 데이터센터가 연간 약 1800억kWh의 전기를 소비함으로써 전세계 전력 소비의 1퍼센트 이상을 차지하는 것으로 나타난다. 이는 EU 국가들의 가구수의 1/3이 넘는 6천만 가구의 연간 전기 소비에 해당되는 양이다. 실제로 발표된 보고서들에 따르면 오리건주 댈즈(Dalles)에 소재한 Google의 새로운 데이터센터가 2011년을 예정으로 전면 가동에 들어가면 최고 103MW의 전력을 필요로 할 수 있는데 이는 뉴캐슬 지역의 모든 가구로 충분히 전기를 공급할 수 있는 양이다.
  전원장치의 효율을 향상시키는 것은 데이터센터 비용에 또 다른 간접적인 영향을 미친다. 비효율적인 전력 변환에 의해 낭비되는 전기는 불필요하게 열을 발생시키므로 좀더 효율적인 시스템은 설비의 냉각을 위한 에너지 요금을 감소시킬 것이다. 조사에 의하면 데이터센터의 냉각 시스템이 이의 에너지 소비의 40퍼센트 이상을 차지하는 것으로 나타난다.

FDSMS7650 패키징
이 N-채널 MOSFET은 페어차일의 첨단 PowerTrench 프로세스 기술을 채택한 것으로서 소형 패키지 크기로 더 낮은 R_^DS(ON) 과 더 높은 부하 전류를 달성할 수 있도록 한다.
전력 MOSFET은 SO-8 패키지를 꽤 오랫동안 널리 이용해 왔으나 최근 몇 년 사이에는 Power56이라고 하는 업그레이드된 전력 패키지가 인기를 얻고 있다. SO-8 패키지와 비교해서 Power56은 패키지 인덕턴스 및 저항 파라미터를 감소시킬 뿐만 아니라 열 저항을 감소시킨다.
Power56 패키지는 보드 공간을 최소화하고 R_^DS(ON) 을 극대화하도록 설계되었으며 뿐만 아니라 하단의 대형 드레인 탭을 이용해서 패키지와 PCB로부터 열을 빼냄으로써 향상된 열 성능을 달성한다. Power56 패키지는 PCB 면적을 40퍼센트만 사용하면서 전류 및 열 성능은 DPAK과 유사한 수준에 달한다.
이 패키징 기술은 기존의 SO-8과 다소 다른 탑재 기법을 필요로 하나, 페어차일드 엔지니어들에 따르면 넓은 평탄한 면적의 패키지를 탑재하는 것에 익숙한 작업자라면 유사한 작업이 될 것이라고 한다. Power56을 위한 보드를 설계할 때 디자이너는 열을 소산하기에 드레인이 가장 효율적이라는 점을 기억해야 할 것이다.
Power56의 고유의 디자인에 의해서 다이의 3개 면에서 구리 트레이스를 배선하는 것이 가능하다. 최상의 열 성능을 위해서는 사용자가 드레인에 되도록 많은 구리를 도포하고 드레인 탭 주위에 장애물이 없게 해서 열 경로를 짧게 유지하도록 권장된다. Power56 부품에는 표준적인 픽 앤 플레이스(pick and place) 장비를 이용할 수 있다.