시동 및 전력 차단 시퀀스 제어

마이크로 프로세서, FPGA, DSP, 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 및 단일 칩 시스템(SoC) 장치는 일반적으로 다중 전압 레일에서 실행됩니다. 멈춤, 버스 경합 문제, 고 유입 전류를 방지하기 위해 설계자는 이러한 전력 레일을 특정 순서로 시작 및 차단해야 합니다. 이 공정을 전력 시퀀스 제어 또는 전력 시퀀싱이라고 하며, 이를 효과적으로 수행할 수 있는 다양한 솔루션이 있습니다.

전압 시퀀싱이 필요한 복잡한 장치의 경우 디지털 I/O 레일보다 먼저 코어 및 아날로그 블록용 전압 레일에 전력을 공급해야 할 수 있습니다. 설계에 따라 다른 시퀀스가 필요할 수도 있지만 어느 경우든 문제를 방지하려면 적절한 시퀀싱으로 전력을 공급하고 차단해야 합니다.

또한 효율적인 램프 공급과 차단을 지원하는 것으로 알려진 전력 시퀀서, 모니터 및 감시기는 복잡한 집적 회로와 하위 부품을 보호하기 위해 전압 레벨과 전류 레벨을 모니터링하여 전력 레벨을 계산하는 기술을 채택하고 있습니다.

이 기사에서는 전력 시퀀싱을 자세히 알아보고, 전력 시퀀스 사양 및 기술을 설명하며, 전력 시퀀서를 적용하여 구체적인 전력 레일 타이밍과 시퀀싱을 실현하는 방법을 살펴봅니다.

전력 시퀀싱이 중요한 이유

FPGA 및 유사한 복합적 IC는 내부적으로 여러 전력 영역으로 분할됩니다. IC는 대부분 특정 순서로 장치를 시동하거나 차단해야 합니다. 예를 들어, FPGA는 일반적으로 코어 논리, I/O 및 보조 회로를 별도로 작동합니다.

코어는 일반적으로 FPGA의 프로세서와 논리 기반으로 구성됩니다. 이 영역은 저전압 고전류 전력 프로파일을 특징으로 합니다. 매우 낮은 전압으로 인해 매우 높은 정확도가 요구되고, 디지털 부하의 동적인 특성으로 인해 과도 성능이 탁월해야 합니다. I/O는 FPGA의 다양한 입력과 출력을 나타냅니다. 전압 요구 사항은 인터페이스의 유형에 따라 다릅니다. 일반적으로 전압 레벨은 코어의 전압 레벨보다 더 큽니다. 전류 요구량은 I/O의 유형, 개수, 속도에 따라 다릅니다.

보조 회로망은 FPGA의 잡음 감지 아날로그 회로(예: 위상 고정 루프(PLL) 및 기타 아날로그 회로 소자)로 구성됩니다. 전류 요구 사항은 상당히 낮지만, 리플 전압은 큰 문제이며 최소화해야 합니다. 아날로그 섹션의 리플로 인해 PLL에서 과도한 지터와 위상 잡음이 발생하고 증폭기에서 스퓨리어스 반응이 나타날 수 있습니다.

각 영역의 전원 공급 장치를 잘못된 순서로 시동하면 문제가 발생하고 FPGA가 손상될 수 있습니다. I/O 섹션은 3개로 이루어진 버스의 송신 데이터와 수신 데이터를 기반으로 합니다. I/O 제어는 코어에서 처리됩니다. 코어보다 I/O 영역에 먼저 전원이 인가될 경우, I/O 핀이 미확정 상태로 종료됩니다. 외부 버스 부품을 켤 경우 버스 경합이 발생하여 I/O 구동기의 전류가 높아질 수 있습니다. 따라서 코어가 I/O 영역 앞에 와야 합니다. 권장되는 전력 응용 제품 및 차단 시퀀스와 전력 레일 간의 최대 차동 전압은 제조업체의 FPGA 사양을 참조하세요.

마찬가지로 전력 연산 증폭기와 같은 장치에는 두 가지 전력 영역(아날로그 영역 및 디지털 영역)이 있습니다. 디지털 영역에서는 과온 및 과전류 상태를 나타내는 증폭기의 진단 상태 플래그에 전력을 공급합니다. 또한 증폭기 활성화/차단 기능을 지원합니다. 장치 사양에 따라 아날로그 영역에 전원이 인가되기 전에 이러한 상태 플래그가 작동하도록 아날로그 공급 장치보다 먼저 디지털 영역에 전원을 인가해야 합니다. 이렇게 하면 장치에 대한 손상을 방지할 수 있습니다.

전력 시퀀싱 방법

일반적으로 다중 레일 시퀀싱에는 세 가지 유형이 있습니다(그림 1). 가장 일반적인 시퀀스에서는 공급 레일 하나만 먼저 켜고 약간 지연 시간을 둔 후에 다음 레일을 켭니다. 첫 번째 레일이 조정 단계에 도달한 이후에 두 번째 레일이 시작되도록 지연 시간이 설정됩니다.

그림 1: 전원 공급 장치 시퀀싱을 위한 세 가지 기술 사용되는 기술에 상관없이 전압은 단조적으로 증가해야 합니다. 그러지 않으면 시동 중에 예기치 못한 전압 강하가 발생하여 장치가 올바르게 시작되지 않을 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

두 번째 시퀀싱 기술은 비율계량입니다. 이 기술에서는 레일이 동시에 시작되어 정격 전압에 동시에 도달합니다. 이때 동시에 조정 단계에 도달하려면 레일의 상승 시간이 레일 전압과 비례해야 합니다.

장치에 따라 조정 단계에 도달하기 전에 발생하는 순간적인 전압 차이를 허용하지 않을 수도 있습니다. 이런 경우 장치가 이 기간 동안 한 공급 장치에서 더 높은 전류를 소모할 수 있습니다.

세 번째 방법은 동시 시동으로, 순간적인 전압 차이를 최소화합니다. 이 기술은 스트레스의 범위와 기간을 줄여줍니다. 이 방법을 구현하는 일반적인 방식은 동시에 전원을 켜는 것입니다. 그러면 저전압 또는 코어 전압 레일이 최종값에 도달한 이후에 계속해서 고전압 레일(일반적으로 I/O 전압 레일)을 통해 동일한 속도로 동시에 상승합니다.

사용되는 기술에 상관없이 전압은 단조적으로 증가해야 합니다. 그렇지 않으면 시동 중에 예기치 못한 전압 강하가 발생하여 장치가 올바르게 시작되지 않을 수 있습니다.

또한 소프트 스타트를 적용하여 시동 중에 유입 전류를 제한할 수 있습니다. 시동 중에 전류를 제한하면 전력 레일의 정전 용량을 점진적으로 충전하게 됩니다.

일반적으로 전원 공급 장치 차단은 시동의 역순으로 발생하도록 지정됩니다.

사용할 시동 또는 차단 기술은 장치의 사양에 따라 다르게 선택됩니다.

전원 공급 장치 시퀀싱의 예

동시 시동은 비교적 쉽게 설정할 수 있습니다. 최고 전압 출력이 저전압 조정기의 입력에 연결됩니다(그림 2).

그림 2: 5V 및 3.3V 공급의 동시 시동은 조정기의 데이지 체이닝을 통해 이루어집니다. (이미지 출처: DigiKey)

이 예에서 고전압은 5V로 공급됩니다. 이 전압은 3.3V 조정기에도 공급됩니다. 3.3V 공급의 조정 지점에 도달할 때까지 전압 차이를 최소화하면서 5V 및 3.3V 출력이 동시에 상승합니다.

시퀀싱 기술은 시퀀서 집적 회로(예: Texas Instruments의 LM3880)를 사용할 때 가장 잘 구현됩니다. LM3880은 활성화 입력을 사용하여 여러 독립 조정기 또는 전원 공급 장치를 제어할 수 있는 간단한 전원 공급 장치 시퀀서입니다.

LM3880이 활성화되면 플래그 간에 개별 시간 지연을 두고 세 출력 플래그를 순차적으로 릴리스합니다. 이를 통해 연결된 전원 공급 장치가 시작됩니다. 차단 중에는 출력 플래그가 역순으로 진행됩니다. LM3880을 사용하는 설계 예에서는 Texas Instruments의 WEBENCH Power Designer 소프트웨어를 사용합니다(그림 3). 이 무료 소프트웨어 도구를 사용하면 엔지니어가 회로도, 자재 명세서 및 시뮬레이션 결과를 제공하는 전력 관련 회로를 설계할 수 있습니다. 아래 그림에서는 회로도와 차트, 활성화 단자, 세 가지 플래그 출력을 보여줍니다.

LM3880의 지연 시간과 시퀀스 순서는 고정되어 있지만 내장된 EPROM을 사용하여 초기 맞춤화할 수 있습니다. 또한 Texas Instruments는 LM3881 시퀀서에서 커패시터 프로그래밍 가능 지연을 제공합니다.

그림 3: LM3880용 Texas Instruments의 WEBENCH Power Designer 디스플레이에 표시된 외부 조정기 또는 전원 공급 장치 제어를 위한 활성화 입력 및 출력 플래그 설계 회로도 및 차트 (이미지 출처: DigiKey)

약간 더 정교한 전력 제어 장치로는 Analog Devices의 LTC2937 시퀀서/전압 감시기가 있습니다. LM3880과 마찬가지로 LTC2937은 최대 6개의 전원 공급 장치 또는 조정기의 순서와 시간 지연을 제어할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: LTC2937은 전력 레일 전압을 모니터링하면서 최대 6개의 공급 장치 시퀀스를 제어할 수 있습니다. 단일 선으로 여러 장치를 동기화하여 전원 공급 장치를 최대 300개까지 제어할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 장치는 전력 레일을 최대 6개까지 시퀀싱할 뿐만 아니라 해당 레일의 전압을 모니터링하여 과전압, 부족 전압, 전압 강하 및 꺼진 전력 시동을 감지할 수 있습니다. 결함이 발생할 경우 공급을 차단하거나 다시 시작하도록 장치를 프로그래밍할 수 있습니다. 오류 조건은 내장형 EEPROM에 기록됩니다. I²C 또는 SMBus를 통해 LTC2937을 프로그래밍하고 제어할 수 있습니다. 프로그래밍은 Analog Devices의 LTpowerPlay GUI 소프트웨어를 통해 지원됩니다. EEPROM을 사용하면 소프트웨어 없이 자율적으로 작동할 수 있습니다. 시스템에 6개보다 많은 전력 레일이 필요한 경우 여러 LTC2937을 함께 연결하여 최대 300개의 공급 장치를 제어할 수 있습니다.

복잡한 다중 코어 프로세서, FPGA 및 기타 SOC 장치의 경우에는 Texas Instruments에서 제공하는 TPS650860 구성 가능 다중 레일 전력 관리 장치를 사용할 수 있습니다. 이 단일 IC는 입력 전압 범위가 5.6V ~ 21V이고 강압 컨트롤러 3개, 강압 컨버터 3개, 싱크 또는 소스 저드롭아웃(LDO) 선형 조정기 1개, 저전압 입력 LDO 3개, 조정기, 부하 스위치 3개를 포함합니다(그림 5).

그림 5: Texas Instruments의 TPS650860 기능별 제품 구성도는 시퀀싱을 완벽히 제어하는 정격 출력 13개를 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이 장치에는 FPGA 또는 기타 부하 장치의 요구 사항을 충족하는 정격 출력 13개가 있습니다.

벅 컨버터는 내장된 전력 스테이지를 포함하는 반면, 벅 컨트롤러는 외부 전력 스테이지가 필요합니다. 컨버터와 컨트롤러는 모두 전압 감지 입력을 통합하여 공급 출력을 모니터링합니다. 시퀀싱을 위해 공급 출력을 제어할 수 있습니다. 부하 스위치는 슬루율 제어를 포함하며, 세 가지 시퀀스 유형(순차, 비율계량, 동시)에 대해 스위치와 연결되는 레일을 프로그래밍할 수 있습니다.

TPS650860은 I²C 인터페이스를 통해 제어되며 이 인터페이스는 내장형 컨트롤러 또는 연결된 SoC 관리자를 통해 간단히 제어할 수 있습니다. 이 전력 관리 IC는 업계 최고의 제어 유연성을 제공합니다.

결론

복잡도는 다르지만 전력 시동 또는 차단 순서를 제어할 수 있는 다양한 방법이 있습니다. 각 방법은 제어되는 레일 수, 정밀도, 제어 기능의 범위, 비용 면에서 다릅니다.