FPGA 및 ASIC를 위한 소형 폼 팩터에서 저잡음 고밀도 전력을 제공하는 방법

FPGA, ASIC와 같이 높은 전류가 필요한 디지털 IC는 자동차, 의료, 전기 통신, 산업, 게임, 가정용 오디오/동영상과 같은 응용 분야를 위한 내장형 시스템에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 대부분의 응용 분야는 업무에 중요하고(예: 자동차 운전자 지원 시스템(ADAS)) 신뢰성이 높습니다(예: 데이터 센터).

전류 요구 사항 이외에 이러한 저전압 장치의 경우 전력 레일에 대한 허용 오차 범위 사양이 엄격합니다. 이 전력을 제공할 때 효율성, 정확성, 빠른 과도 성능, 안정성, 낮은 잡음을 유지하는 것이 시스템 성능과 무결성에 매우 중요합니다.

기존의 스위칭 조정기 컨트롤러와 출력 서브 시스템에는 출력 레일과 복사성 전자파 장해(EMI), 무선 주파수 간섭(RFI), 부적절한 과도 응답 및 레이아웃 제한으로 잠재적인 잡음 문제가 있습니다. 잡음을 최소화하기 위해 일부 응용 분야에서는 이전 저드롭아웃(LDO)에 비해 향상된 효율성을 제공하는 작고 조용한 LDO 조정기를 사용합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 LDO 조차도 일반적으로 시스템 효율성 요구 사항을 충족하지 못해 열 방출 문제가 발생합니다.

LDO의 효율적인 대안은 스위칭 조정기이지만, 이 장치는 본질적으로 클록과 스위칭 기능으로 인해 높은 잡음이 발생합니다. 설계자는 이 스위칭 장치를 최대한 활용하려면 이 잡음을 완화해야 합니다.

다행히 잡음과 효율성을 조율하는 새로운 방법이 있습니다. 이 기사에서는 효율성을 높이고, 공간 요구 사항을 최소화하며, 스위칭 조정기 잡음을 크게 줄인 전력 변환 설계의 최근 혁신을 살펴봅니다. 그런 다음 혁신적인 스위칭 조정기가 한 자리 전압, 10A 미만 범위 내의 다양한 부하 목표를 어떻게 충족할 수 있는지를 살펴보고 Analog Devices LTC33xx 제품군의 소형 Silent Switcher ICs를 예시로 소개합니다.

전류/전압 지침

20세기 후반에 저항기와 IC가 발명되어 발전했을 때 많은 장점 중 하나로 기능별 전력 요구 사항이 대체된 진공관에 비해 1/100 이하로 매우 낮았습니다. 하지만 이러한 발전은 곧 장치 및 회로 기판당 높은 기능 밀도로 이어져서 지금은 IC에서 레일당 수십 암페어의 전류가 필요하며 레일이 여러 개 있는 경우도 있습니다.

높은 전류가 필요하여 궁극적으로 많은 양의 관련 전력을 열로 발산해야 하는 IC 중에는 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA) 및 응용 제품별 IC(ASIC)가 있습니다. 두 제품 모두 자동차, 의료, 산업, 통신, 게임, 가정용 오디오/동영상 장치를 비롯한 전체 전자 산업에서 내장형 장치에 널리 사용됩니다.

라인 구동식 장치용 AC/DC 컨버터 또는 배터리 구동식 장치용 DC/DC 컨버터를 통해 FPGA 또는 ASIC에 필요한 전류를 공급할 수 있습니다. 어느 경우든 필요한 전류 레벨에서 부하에 한 자리 레일 전압을 공급하고 관리하려면 후속 DC/DC 강압(벅) 조정기가 필요합니다.

필요한 전력을 공급하는 한 가지 방법은 단일 DC/DC 벅 조정기를 사용하여 모든 회로 기판 장치를 지원하고 pc 기판의 측면 또는 모서리에 배치하여 방열 문제를 관리하고 DC/DC 시스템 수준 아키텍처를 간소화하도록 지원하는 것입니다.

하지만 이 간단한 솔루션에는 문제가 있습니다.

• 먼저 거리와 높은 전류 레벨로 인해 조정기와 부하 사이에서 IR 강하를 피할 수 없습니다(ΔV 강하 = 부하 전류 I × 트레이스 저항(R)). 이에 대한 솔루션은 pc 기판 트레이스 너비 또는 두께를 늘리거나 스탠드업 버스바를 사용하는 것이지만, 그러면 중요한 기판 공간을 차지하고 부품 명세서(BOM)에 추가됩니다.
• IR 강하를 해결하는 기술은 부하에서 전압 원격 감지를 사용하는 것이지만, 이 방법은 분산되지 않은 단일 지점 부하에만 적용됩니다. 또한 긴 공급 레일과 감지 리드의 유도 용량이 조정기와 레일의 과도 성능에 영향을 줄 수 있으므로 잠재적 발진이라는 새로운 문제가 발생합니다.
• 마지막으로 관리하기 가장 어려운 문제는 긴 전력 레일이 더 큰 EMI/RFI 잡음 픽업의 영향을 받고 안테나 역할을 하여 길이 방향으로 잡음을 방사합니다. 솔루션을 위해 일반적으로 추가 바이패스 커패시터, 인라인 페라이트 비드 및 기타 조치가 필요합니다. 크기와 빈도에 따라 이 잡음은 부하의 안정적인 작동에 악영향을 주고 잡음 방출에 대한 다양한 규제 의무를 준수하기 어렵게 만듭니다.

잡음 vs 효율성 과제

DC/DC 조정기의 '잡음 vs 효율성' 과제는 엔지니어링 설계의 일반적인 트레이드 오프와 다른 시나리오입니다. 이 상황에서는 트레이드 오프를 평가하고 유리한 특성과 불리한 특성을 조율하는 '스윗 스팟'을 찾습니다.

이 상황은 어떻게 다릅니까? 대부분의 트레이드 오프 시나리오에서 설계자는 더 큰 파라미터 값 대신 원하는 것보다 작은 파라미터 값을 신중하게 수락하여 트레이드 오프의 연속체를 따라 이동할 수 있습니다(그림 1, 상단부).

그림 1: 대부분의 설계 상황에서 엔지니어는 상당히 연속하는 경로(상단)를 따라 다양한 성능 트레이드 오프를 평가한 후 적용할 수 있지만, 스위칭 조정기와 LDO의 잡음/효율성의 경우 설계가 '절충점'(하단)이 아닌 한쪽에 치우쳐 있습니다. (이미지 출처: Bill Schweber)

예를 들어 설계자는 다른 연산 증폭기에 비해 높은 슬루율을 제공하기 위해(정상) 많은 전류를 소비하는(비정상) 연산 증폭기를 선택할 수 있습니다. 트레이드 오프가 응용 분야에 허용되거나 필요합니다.

하지만 스위칭 조정기와 LDO의 잡음 및 효율성 특성은 주로 구조에 '반영'됩니다. 예를 들어 설계자는 효율성을 10% 개선하기 위해 잡음이 20% 더 큰 LDO를 수락할 수 없습니다. 이러한 종류의 트레이드 오프는 존재하지 않습니다. 대신 특성 트레이드 오프 범위에 격차가 있습니다(그림 1, 하단부).

Silent Switcher 조정기는 트레이드 오프 문제를 해결합니다.

일반적으로 더 나은 대체 솔루션은 개별 DC/DC 조정기를 부하 IC에 최대한 가깝게 배치하여 사용하는 것입니다. 그러면 IR 강하, pc 기판 실장 면적, 레일 잡음 픽업, 방사가 최소화됩니다. 하지만 이 접근 방식이 실행 가능하려면 부하 옆에 배치될 수 있으면서 현재 요구 사항을 모두 충족할 수 있는 작고 효율적인 저잡음 조정기가 필요합니다.

이 경우 많은 Silent Switcher 조정기가 해결책이 될 수 있습니다. 이러한 조정기는 수 암페어에서 10A까지의 전류 레벨에서 한 자리 전압 출력을 제공할 뿐만 아니라 다양한 설계 혁신을 적용하여 잡음이 매우 작습니다.

또한 이러한 조정기는 Silent Switcher 1(1세대) 및 Silent Switcher 2(2세대) 장치를 사용하여 LDO와 스위칭 조정기 격차에 대한 통념을 바꾸어 놓습니다. 이러한 장치 설계자는 다양한 잡음 출처를 식별하여 각 잡음을 감쇠할 수 있는 방법을 고안했습니다.

Silent Switcher 조정기는 클록 신호에 의사 잡음을 추가하는 잘 알려진 합법적인 '확산 스펙트럼' 기술을 사용하지 않습니다. 이 기술은 클록 주파수와 고조파에서 진폭을 줄이면서 잡음 스펙트럼을 확대합니다. 확산 스펙트럼 클로킹을 사용하면 규제 제한을 충족하는 데 도움이 될 수 있지만, 총 잡음 에너지를 줄이지는 못하며 실제로 스펙트럼의 일부에서 회로 성능에 영향을 미치는 약간의 잡음을 발생할 수 있습니다.

Silent Switcher 1 장치는 EMI가 낮고 효율성과 스위칭 주파수가 높아서 시스템 작동을 방해하거나 규제 문제가 있는 스펙트럼 부분에서 나머지 잡음의 대부분을 제거할 수 있다는 이점이 있습니다. Silent Switcher 2 장치는 Silent Switcher 1 기술의 모든 기능과 통합 정밀 커패시터를 포함하고, 솔루션 크기가 작으며, pc 기판 레이아웃에 대한 민감성을 제거했다는 이점이 있습니다.

소형 폼 팩터(몇 평방밀리미터에 불과)와 효율성으로 인해 이러한 스위처는 FPGA 또는 ASIC 부하에 매우 가깝게 배치할 수 있으므로 성능을 극대화하고 규격서 성능 사양과 현실 사양 사이의 불확실성을 해소합니다. 또한 많은 잡음을 허용할지 아니면 효율성을 줄일지를 선택해야 하는 '2진'적인 문제를 변경하여 설계자가 잡음과 효율성이라는 두 가지 특성을 모두 최대한 활용할 수 있도록 해줍니다.

Silent Switcher의 이점은 어떻게 실현되었습니까? 다면적인 접근 방식을 취했습니다.

• 스위치 모드 전원 공급 장치에서 잡음의 주된 원인은 정상 상태 전류가 아닌 스위치 전류입니다. 기존 스위칭 조정기의 토폴로지에는 핫 루프라는 전류 흐름 경로가 있습니다. 이 핫 루프는 독립적인 전류 루프가 아니며, 두 실제 전류 루프의 요소들로 구성된 가상 전류 루프에 불과합니다(그림 2).

그림 2: 일반적인 스위칭 조정기 토폴로지에는 두 실제 전류 루프의 요소들로 구성되고 스위치 전류가 흐르는 핫 루프라는 가상 전류 루프가 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

Analog Devices의 Silent Switcher 2 기술은 입력 커패시터를 IC 패키지에 통합하여 중요한 핫 루프를 최대한 작게 만듭니다. 또한 핫 루프를 두 개의 대칭적인 모양으로 분할하여 반대 극성을 가진 두 개의 자기장을 생성하고 방사 소음을 대폭적으로 상쇄합니다.

• 2세대 아키텍처는 높은 스위칭 주파수에서 높은 효율성을 위해 빠른 스위칭 에지를 지원하는 동시에 우수한 EMI 성능을 실현합니다. DC 입력 전압(V_IN)에서 내부 세라믹 커패시터는 모든 고속 AC 전류 루프를 작게 유지하여 EMI 성능을 개선합니다.
• Silent Switcher 아키텍처에서는 독점 설계 및 포장 기술을 사용하여 매우 높은 주파수에서 효율성을 극대화하고 초저 EMI 성능을 실현하는 매우 콤팩트하고 강력한 설계를 통해 CISPR 25 Class 5 피크 EMI 제한을 손쉽게 충족합니다.
• 출력 전압이 부하 전류에 종속되는 기술인 AVP(Active Voltage Positioning)가 사용됩니다. 가벼운 부하에서는 출력 전압이 공칭 값 이상으로 조정되지만, 최대 부하에서는 출력 전압이 공칭 값 이하로 조정됩니다. 과도 성능을 개선하고 출력 커패시터 요구 사항을 줄이기 위해 DC 부하 조정이 이루어집니다.

다양한 Silent Switcher 제품군

Silent Switcher 조정기는 각 제품군 내에서 전압/전류 정격이 서로 다른 다양한 제품군과 모델로 제공됩니다. 몇 가지 추가적인 고려 사항은 모델마다 다릅니다(예: 고정 출력 vs 가변 출력). LTC33xx 제품군:

• LTC3307: 5V, 3A 동기식 강압 Silent Switcher, 2mm × 2mm LQFN 패키지
• LTC3308A: 5V, 4A 동기식 강압 Silent Switcher, 2mm × 2mm LQFN 패키지
• LTC3309A: 5V, 6A 동기식 강압 Silent Switcher, 2mm × 2mm LQFN 패키지
• LTC3310: 5V, 10A 동기식 강압 Silent Switcher 2, 3mm × 3mm LQFN 패키지

LTC3310을 자세히 살펴보면 이 제품은 2.25V ~ 5.5V 입력 공급에서 최대 10A를 공급할 수 있는 매우 작은 저소음 모놀리식 강압 DC/DC 컨버터이며, V_OUT 범위는 0.5V ~ V_IN입니다. 스위칭 주파수는 500kHz ~ 최대 5MHz입니다. 일부 외장형 수동 소자 부품만 필요하고 대부분의 출력 부하 범위에서 약 90% 효율을 지원합니다(그림 3).

그림 3: LTC3310 강압 DC/DC 조정기는 외장형 능동 소자 부품이 필요하며 대부분의 부하 범위에서 높은 효율성을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

네 가지 기본 버전으로 제공됩니다. 이 장치는 최대 5MHz의 스위칭 주파수에서 낮은 EMI와 높은 효율성을 모두 제공하며, AEC-Q100 자동차 인증을 획득한 LTC3310 제품군 버전이 있습니다. 1세대 (SS1) 장치(LTC3310)와 2세대(SS2) 장치(LTC3310S 및 LTC3310S-1)는 모두 가변 출력 장치와 고정 출력 장치로 제공됩니다(표 1).

표 1: LTC3310은 1세대 및 2세대 설계와 고정 및 가변 출력을 나타내는 네 가지 기본 버전으로 제공됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

가변 버전의 경우 간단한 방정식을 사용하여 올바른 저항기 값을 결정하는 출력과 피드백(FB) 핀 사이의 저항기 분배기를 통해 출력 전압이 하드 프로그래밍됩니다(그림 5).

그림 5: 가변 LTC3310 장치의 출력 전압을 설정하려면 간단한 방정식에 기반하는 기본 저항기 분배기 네트워크만 있으면 됩니다. (이미지 출처: Analog Devices)

잡음 수준은 일반적으로 수십 마이크로볼트입니다. LTC3310 장치에서 저소음 성능의 두 가지 주요 지표는 관련 CISPR25 Class 5 피크 제한에 따라 수행되는 잡음 테스트입니다. 여기에는 수평 평면과 수직 평면(그림 7) 모두에서 전도 잡음(그림 6)과 방사 소음(그림 6)이 포함됩니다.

그림 6: LTC3310S를 기반으로 올바르게 배열된 조정기는 엄격한 CISPR25 전도성 EMI 방출(Class 5 피크) 제한을 충족합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

그림 7: 복사성 방출 테스트에서 LTC3310S는 CISPR25에 따른 수평 평면(왼쪽) 및 수직 평면(오른쪽) EMI 규정을 모두 충족합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LTC3310 제품군의 다른 주요 특징은 다중 위상 고전류 작동을 위해 장치를 병렬로 사용할 수 있는 용이성이며, 이는 대부분의 다른 스위칭 조정기에서는 지원되지 않거나 어렵사리 지원되는 특징입니다. 가장 간단한 병렬 배치는 최대 20A의 전류를 발생하는 2상 작동에 적합합니다(그림 8). 이 방식은 3상, 4상 또는 그 이상의 위상과 그에 상응하는 높은 전류로 쉽게 확장할 수 있습니다.

그림 8: 다중 위상 고전류 작동을 위해 몇 가지 추가 부품을 사용하여 2개 이상의 LTC3310 장치를 결합할 수 있습니다. 그림은 2상/20A 구성을 보여줍니다. (이미지 출처: Analog Devices)

설계 주기를 단축하는 평가 기판

LTC3310 장치와 같은 조정기는 초기화 레지스터, 소프트웨어 제어 기능 또는 기타 설정 복잡성이 없으므로 응용 분야에 순행합니다. 그럼에도 불구하고 기술적으로 최종 레이아웃 또는 BOM 세부 사항에 커밋하기 전에 정적 성능과 동적 성능을 평가하고 수동 소자 부품을 최적화하는 것이 좋습니다. LTC3310 평가 기판이 출시되어 이 공정이 훨씬 쉬워졌습니다. Analog Devices는 다양한 LTC3310 버전과 구성에 적합한 평가 기판을 제공합니다.

• DC3042A는 가변 출력 LTC3310 장치를 지원합니다(그림 9).

그림 9: DC3042A 평가 기판은 출력 전압을 사용자가 설정할 수 있는 LTC3310에 사용하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

설명서에는 기본 설정 및 작업에 대한 사용자 지침 이외에 회로도 구성도, 기판 레이아웃 및 부품 명세서(BOM)가 포함되어 있습니다. 또한 출력 리플과 단계 응답을 측정하기 위한 프로빙 배열과 다양한 테스트 포인트 및 연결이 명시되어 있습니다(그림 10).

그림 10: DC3042A 사용자 데모 설명서에는 출력 리플과 단계 응답을 측정하기 위한 프로빙 설정 및 구성과 다양한 테스트 포인트 및 연결(위쪽)이 명시되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

• 고정 출력 전압을 가진 LTC3310S-1의 경우 DC3021A 평가 기판이 있습니다(그림 11).

그림 11: 사용자가 출력 전압을 조정할 수 없는 LTC3310S-1의 경우 DC3021A 평가 기판을 선택하는 것이 좋습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

• 마지막으로 다소 복잡한 다중 위상 병렬 배열의 경우 DC2874A-C가 있습니다(그림 12). 이 평가 기판에서는 LTC3310S가 다중 위상 2.0MHz, 3.3V ~ 1.2V 벅 조정기로 작동합니다. DC2874A에는 2상/20A, 3상/30A 또는 4상/40A 출력 솔루션을 제공하는 세 가지 빌드 옵션이 있습니다.

그림 12: LTC3310S를 위한 DC2874A-C 평가 기판에는 2상/20A, 3상/30A 또는 4상/40A 출력의 세 가지 빌드 옵션이 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LTC3310S를 사용하고 적절한 평가 기판 및 해당 사용 설명서에 시간을 투자하여 설계자는 DC/DC 조정기 성능에 소비되는 시간을 최소화할 수 있습니다.

결론

엔지니어는 기본적으로 완전히 반대되는 특성을 가진 두 상충하는 DC/DC 조정기 토폴로지 중에서 선택해야 합니다. LDO는 DC 출력의 잡음이 매우 작지만 효율성이 중간 이하이므로 약 1A 이상의 출력에서 발열 문제가 발생합니다. 이에 반해 스위칭 조정기는 90% 범위의 효율성을 제공하지만 DC 출력 레일의 잡음을 증가시키고, 전도 잡음과 특히 방사 소음의 원인이 되어 제품이 필수 규제 테스트에 실패하기 쉽습니다.

다행히 Analog Devices의 Silent Switcher 제품군에서는 이 '양자택일' 문제를 해결하는 다양한 혁신적인 설계 기술을 채택하여 매우 효율적이고 잡음이 매우 작은 소형 폼 팩터 조정기 옵션을 제공합니다.