시스템 온 칩(SoC) 애플리케이션에 사용되는 통합 전원관리 IC(PMIC)용 전원공급장치는 높은 출력 전류 성능뿐만 아니라 빠르고 작은 부하 과도 응답, 낮은 전자기 적합성(EMC) 특성, 낮은 온도 상승, 그리고 서스펜드 모드(suspend mode)에서의 낮은 입력 전류 등 광범위한 성능 요구사항을 엄격하게 충족해야 한다.
아나로그디바이스(Analog Devices)의 FET 통합 모놀리식 스위칭 레귤레이터는 손실과 발열을 낮게 유지하면서 높은 출력 전류를 지원한다. 또한 SoC 애플리케이션이 요구하는 다른 중요한 성능 요구사항들도 충족한다. 완전 통합형 모놀리식 IC 솔루션으로서, 이 제품은 최소한의 PCB 면적으로 콤팩트한 설계를 가능하게 한다.
머리말
최근 자동차 시스템은 소형 임베디드 컴퓨터를 사용하는 기계적 서브 시스템을 전자적으로 제어 및 관리하기 위해 전자 제어 장치(ECU)를 폭넓게 채택하고 있다. 각 ECU는 특정 기능을 수행하도록 설계되며, 요즘 최신 차량들은 다수의 ECU를 탑재하여 다양한 제어 요구사항을 지원하고 있다. 기능 통합이 진행됨에 따라 여러 ECU 기능들이 점점 더 통합되고 있으며, 이로 인해 중앙 제어를 수행하는 시스템 온 칩(SoC) 디바이스에 대한 처리 요구가 증가하고 있다. 이는 필요한 공급 전류가 급격히 높아지는 결과를 낳았다.
그림 1에 보이는 것처럼 SoC는 통합 전원관리 IC(PMIC)에 의해 생성된 다양한 전압을 CPU와 메모리 같은 내부 블록에 공급한다. PMIC 자체는 일반적으로 3.3V 전원으로 동작한다. 자동차 시스템에서 주요 전원은 일반적으로 납축전지이며, 약 12V ~ 14V의 공칭 전압을 제공한다. PMIC용 3.3V 전원 레일은 1차 전원 IC에 의해 생성되며, 이 IC는 10A를 초과하는 부하 전류를 제공해야 한다. PMIC는 허용 가능한 입력 전압 범위가 비교적 좁기 때문에, 1차 전원 IC의 출력 전압은 리플 및 부하에 의해 유발되는 변동을 포함하여 높은 정확도를 유지해야 한다.
그림 1. SoC의 구성도
SoC 전원 공급의 주요 요구사항
10A를 초과하는 부하 전류가 필요한 경우, 일반적으로 외부 FET를 구동하는 컨트롤러 IC가 사용된다. 대전류와 그에 따른 열 발산을 처리하기 위해서는, 스위칭 FET를 전원 IC와 분리한 컨트롤러 IC가 유리하다. 일반적으로, FET가 통합된 모놀리식 IC는 이 같은 고전류 및 높은 열 스트레스 애플리케이션에는 적합하지 않다. 그러나 LT8648S는 모놀리식 IC이지만 SoC 애플리케이션의 고전류 요구사항을 지원할 수 있으며, 이미 자동차용 ECU에서 SoC용 PMIC 전원공급장치로 사용되고 있다.
그림 2는 컨트롤러 IC와 모놀리식 IC 평가 보드의 PCB 레이아웃 예시를 보여준다. 외부 FET가 필요한 컨트롤러 IC와 비교할 때, FET가 통합된 모놀리식 IC는 PCB 면적을 크게 줄일 수 있음을 명확하게 보여준다.
그림 2. 컨트롤러 IC 및 모놀리식 IC의 PCB 레이아웃
SoC 성능이 지속적으로 향상되면서 요구되는 공급 전류도 함께 증가하고 있다. LT8648S는 PMIC 전원공급장치로 자동차 시스템에 성공적으로 양산 및 적용되어 왔지만, 부하 전류가 더욱 증가함에 따라 더욱 향상된 열 성능에 대한 요구가 발생했다. LT8648SP 는 이러한 요구를 해결하기 위해 개발되었다. 기존 IC 패키지는 그림 3a와 같이 실리콘 다이를 수지로 캡슐화하고 있으며, 열은 주로 하단 단자를 통해 PCB로 방출된다. 반면, LT8648SP는 패키지 상단 표면에 실리콘 다이를 노출한 구조를 채택하고 있다(그림 3b).
노출된 다이에 히트싱크를 직접 부착할 수 있어 매우 효율적인 열 방출이 가능하다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 LT8648SP는 히트싱크를 사용하지 않을 경우 LT8648S와 유사한 열 성능을 나타내지만, 히트싱크를 부착할 경우 온도 상승이 LT8648S 대비 절반 이하 수준으로 감소한다. 이러한 개선을 통해 LT8648SP는 훨씬 더 높은 부하 전류를 지원할 수 있다.
그림 3. (a) LT8648S 표면, (b) LT8648SP 표면
그림 4. LT8648S 및 LT8648SP의 온도 상승 특성
앞서 언급한 것처럼 SoC는 매우 높은 부하 전류를 요구한다. 이러한 전류가 증가함에 따라 전자기 적합성(EMC) 문제도 더욱 심화되며, 이를 해결하기 위해 추가적인 필터링 및 외부 부품이 필요해 시스템 설계는 더욱 복잡해진다. 배터리에 직접 연결되는 1차 전원 IC는 ECU 내에서 EMC에 미치는 영향이 특히 크기 때문에 우수한 방사 방출(radiated emission, RE) 및 전도 방출(conducted emission, CE) 특성을 제공해야 한다.
LT8648S/LT8648SP는 아나로그디바이스의 특허 기술인 사일런트 스위처2(Silent Switcher® 2) 아키텍처를 적용하고 있다. 사일런트 스위처 기술은 그림 5와 같이 입력 커패시터를 대칭으로 배치해 자기 방출을 줄이며, 자기장이 IC 주변에 국한되도록 함으로써 EMC 성능을 크게 향상시킨다. 사일런트 스위처 2 기술은 입력 커패시터를 패키지 내부, 즉 실리콘 다이 바로 옆에 배치함으로써 EMC 성능을 더욱 향상시킨다(그림 6). 그 결과 LT8648S/LT8648SP는 그림 7에 나타난 것처럼 자동차 EMC 표준인 CISPR 25 Class 5 요구사항을 충분히 만족한다.
그림 5. 사일런트 스위처 구조
그림 6. 사일런트 스위처 2 LT8609S 내부 구조
그림 7. LT8648S의 방사 EMC 성능
그림 8. 경부하와 중부하 간의 부하 과도 응답
차량이 동작하는 동안 SoC의 처리 부하는 빠르고 큰 폭으로 변동한다. 이에 따라 SoC의 입력 전류 요구량도 함께 변화하기 때문에 전원 IC는 우수한 부하 과도 응답 성능을 제공해야 한다. 그림 8에서 볼 수 있듯이 LT8648S/LT8648SP는 커다란 부하 전류 변화가 발생하더라도 오버슈트와 언더슈트를 최소화하면서 설정된 출력 전압으로 빠르게 복귀한다. 이러한 특성은 허용 가능한 입력 전압 범위가 매우 좁은 SoC용 PMIC에 필수적이다.
차량이 동작하지 않는 경우에는 낮은 대기 전류(quiescent current)가 중요해진다. 서스펜드 모드(suspend mode)에서는 SoC가 감지 작업을 수행하기 위해 주기적으로 깨어난 뒤 다시 절전 상태로 복귀하는데, 이를 주기적 웨이크업(periodic wake-up)이라고 한다. 이 모드에서는 LT8648S/LT8648SP가 최소한의 전력 소비로 전원을 공급해야 한다. 아나로그디바이스의 특허 기술인 버스트 모드(Burst Mode®) 동작은 경부하 상태에서 소비 전류를 크게 줄일 수 있게 한다. 그림 9는 버스트 모드와 강제 연속 모드에서의 스위칭 파형과 인덕터 전류를 보여준다.
버스트 모드는 고정된 주파수에서 스위칭하는 대신 출력 전압이 특정 임계값 이하로 떨어질 때만 스위칭을 수행함으로써 스위칭 횟수를 줄이고 경부하 조건에서도 높은 효율을 유지한다. 서스펜드 모드에서는 버스트 모드를 활성화하기 위해 SYNC 핀을 ‘로우(low)’ 상태로 설정해야 하며, 정상 동작 시에는 강제 연속 모드(forced continuous mode)를 활성화하기 위해 ‘하이(high)’ 상태로 설정해야 한다. 모드 전환은 동작 중에도 출력 전압에 영향을 주지 않으면서 원활하게 이루어질 수 있다.
그림 9. 강제 연속 모드(forced continuous mode, FCM) 및 버스트 모드(Burst Mode)의 스위칭 파형
SoC 성능이 지속적으로 발전함에 따라 부하 전류 요구사항 역시 더욱 증가할 것으로 예상된다. 그림 10에서 볼 수 있듯이 두 개의 LT8648S/LT8648SP 디바이스는 입력과 출력을 연결해 병렬로 구성할 수 있으며, 이를 통해 공급 가능한 부하 전류를 증가시킬 수 있다. 그림 11에 나타난 것처럼 30A를 초과하는 부하 조건에서도 출력 전압 편차는 매우 작게 유지된다. 또한 이들 디바이스는 스위칭 위상을 자동으로 인터리빙하므로 병렬 동작 시에도 EMC 성능 저하를 방지할 수 있다.
그림 10. 2개 LT8648S의 병렬 연결
그림 11. 듀얼 동작 시 LT8648S의 부하 레귤레이션 특성
결론
LT8648S/LT8648SP는 FET를 통합한 모놀리식 전원 IC임에도 불구하고 높은 출력 전류를 지원하며, 넓은 입력 전압 범위와 온도 범위에서도 매우 정확하고 안정적인 전압을 제공한다. 또한 자동차 애플리케이션에 필수적인 낮은 EMC 방출 특성과 낮은 대기 전류 특성도 제공한다. 따라서 이 디바이스는 콤팩트한 크기와 높은 전류 처리 능력이 요구되는 ECU 애플리케이션에 매우 적합하다.
저자 소개
카즈타카 사이토(Kazutaka Saito)는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 스태프 필드 애플리케이션 엔지니어(staff FAE)이다. 그는 리니어 테크놀로지(현재 아나로그디바이스의 일부)와 아나로그디바이스에서 근무하며 주로 전원관리 IC를 중심으로 자동차 분야 고객을 지원해 왔으며, 이를 통해 폭넓은 경험을 쌓았다. 또한 반도체 산업에서 다년간의 경력을 보유하고 있으며, 이전 회사에서는 제품 개발 업무도 담당했다.
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