소형 PoL 컨버터를 사용하여 이득 극대화

오늘날 시스템 전력 요구 사항이 까다로운 상황에서 설계자는 다중 공급 전압, 전압 시퀀싱, 높은 과도 부하 전류 및 과도한 열과 같은 문제를 해결해야 합니다. 이러한 문제를 시스템 전원 공급 장치에서 해결하기보다는 PCB(인쇄 회로 기판) 수준에서 대책을 도입하는 것이 유리하므로 일종의 부하점(PoL) 컨버터가 필요합니다. 설계 엔지니어 대부분이 더 작고 효율적인 시스템을 찾는 시장의 요구를 충족해야 하기 때문에 소형 부하점 전원 공급 장치의 수요가 많습니다. 하지만 모든 PoL 컨버터가 똑같이 만들어지는 것은 아니므로 공급 방법 결정을 내리기 전에 고려할 요소가 많습니다.

최근 전자 산업에서 여러 중요한 추세가 눈에 띄는데, 그중 업계에서 중앙 집중식 전력 시스템에서 탈피하는 경향이 적지 않습니다. 심지어 분산식 또는 분배 전력 아키텍처(DPA)에서도 탈피하고 있습니다. 대신, 최근 두드러지게 선호하는 것은 IBA(Intermediate Bus Architecture)로, 공급하는 부하 근처에 배치된 분리되지 않은 여러 작은 DC/DC 컨버터(부하점/PoL 컨버터라고 함)에 하나의 분리된 프런트 엔드 DC/DC 컨버터를 통해 공급하는 방식입니다(그림 1).

그림 1: Flex Power Modules의 PMU8318과 같은 PoL 컨버터는 중앙 집중식 전력 시스템의 대안입니다. (이미지 출처: Flex Power Modules)

PoL 컨버터 배포와 관련하여 등장한 또 다른 일련의 추세는 어느 때보다 높은 성능 수준, 비용 절감 및 시스템/부품 소형화를 요구하는 것을 들 수 있습니다. 최신 전자 장치는 더 빠르고 스마트할 뿐 아니라 이전 세대 제품보다 상당히 더 작고, 가볍고, 전력 밀도가 높고, 더 효율적입니다.

이런 요소가 전원 공급 장치 설계에 미치는 파장은 엄청납니다. 우선 PCB 공간의 1 평방 밀리미터의 가치가 높으므로, 컨버터는 작을수록 좋습니다. 하지만 여기서 고려할 다른 문제가 있습니다. PoL 전원 공급 장치는 마이크로 컨트롤러나 ASIC와 같은 고성능 반도체에서 요구하는 높은 피크 전류 수요 및 낮은 잡음 한계의 문제를 해결합니다. 주로 사용 지점 근처에 배치되기 때문입니다. 불행히도, 많은 설계자들이 빡빡한 개발 일정과 복잡한 기판 때문에 전원 공급 장치 고려 사항은 뒤로 미뤄둡니다. 결과적으로 PCB 공간이 손상되는 경우가 많고, 소형 장치를 들일 공간만 남게 됩니다.

또 다른 고려 사항은 융통성입니다. 예를 들어 PoL 컨버터가 ASIC와 FPGA 모두에 적합한지 평가하는 것이 좋습니다. 최적화된 PoL 전원 공급 장치는 디지털이 아닌 단순한 아날로그 솔루션이지만 FPGA가 다양한 응용 분야의 설계자 사이에서 인기가 높아지고 있어서 FPGA를 구동하는 기능이 중요합니다.

FPGA는 맞춤 설계된 ASIC와 비교해 저비용, 다양한 크기, 회로를 재구성할 수 있는 가능성 등 많은 이점을 제공합니다. 이러한 이점 덕분에 설계 엔지니어의 높은 관심을 끌고 있지만, 문제가 있습니다. FPGA마다 여러 개의 DC 전압 공급 장치가 필요하다는 것입니다. 4개 ~ 6개 이상의 DC 레일이 필요한 경우가 많으며, 코어용의 상대적으로 높은 전류에서는 적지만 낮은 전류에서는 많이 필요합니다. 이런 이유 때문에 PoL 컨버터 선택에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 특히 최근의 고밀도 FPGA(및 ASIC)는 더욱 정교하고 까다로워지고 있습니다. 간단히 말하면 소형화라는 미명 아래 성능, 효율성, 품질 및 유연성이 저하되어서는 안 됩니다.

하지만 PCB 공간이 대단히 중요하므로 크기의 중요성도 간과할 수 없습니다. 핵심은 작은 PoL 컨버터는 대부분 높이가 낮고 가벼워 PCB 밑면에 사용할 수 있으므로, 공간을 더 절약하고 설계 유연성을 높인다는 것입니다. 이 공간 절약 개념을 기판 한쪽에 실장할 수밖에 없는 더 크고/무겁고/높은 PoL 전원 공급 장치나 분리된 개별 컨버터와 비교해 보면 이점이 확실해집니다.

또한 소형 PoL 컨버터는 대상 부하에 아주 가깝게 배치할 수 있어서 여러 중요한 장점이 있습니다. 예를 들어 DC/DC 배전 손실이 최소화되고 잡음 감도 및 EMI 방출 문제가 해결됩니다. 게다가 부유 유도 용량을 줄일 수 있어서 과도 전압에 더 빠르게 대응할 수 있습니다.

여러 PoL 컨버터를 배포하면 오늘날 PCB의 고사양 부품에서 일반적으로 요구되는 다중 전압 공급 장치를 제공하기도 훨씬 쉬워집니다.

철저한 검토가 필요한 또 다른 영역은 열 성능입니다. 전력 부품이 더 작아지고 밀도가 높아짐에 따라 높은 열전달이 발생할 가능성이 일반화되고 있습니다. 그러나, 온도 상승과 신뢰성 저하 가능성뿐 아니라 과도한 열을 없애는 추가 비용을 피하기 위해서는 내전력, 즉 열을 최소로 유지해야 한다는 점은 확실합니다. 따라서 가장 좋은 조언은 PoL 컨버터의 규격서를 자세히 읽는 것입니다. 특히 열 성능과 효율성 데이터를 꼼꼼히 확인하는 것이 좋습니다. 열 성능 관련 정보는 대개 ‘부하 경감 곡선’으로 제공됩니다. 이 곡선에서는 컨버터의 최대 출력이 주위 온도 및 냉각 조건에 따라 어떻게 달라지는지를 보여줍니다(그림 2).

그림 2: PMU8318 제품(12 V_IN, 1 V_OUT 설정 지점, 6 A)의 출력 전류 부하 경감 곡선에는 온도 값이 +105°C에 도달할 때까지 전류가 6A(공기 흐름 없음)로 안정적으로 유지되는 것으로 나타납니다. (이미지 출처: Flex Power Modules)

제품의 효율성 데이터도 규격서의 해당하는 ‘효율성 곡선’에서 확인할 수 있으므로 철저히 검토해야 합니다(그림 3).

그림 3: POL을 선택할 때 효율성 곡선도 고려해야 합니다. 여기에는 PMU8318 제품(12V_IN, 여러 V_OUT 및 스위칭 주파수 수준 표시됨, 6A 최대)의 일반적인 효율성 특성이 나와 있습니다. (이미지 출처: Flex Power Modules)

또한 시스템 설계자는 성능을 늘릴 수 있는 추가 기능을 물색하는 것이 좋습니다. 예를 들어 일부 조정기에는 루프 최적화 기능이 포함되어 있어서 엔지니어가 다양한 정전 용량 부하에 대해 부하 과도 응답을 최적화할 수 있으므로 시스템 설계의 유연성을 높일 수 있습니다. 또한 특정 PoL 솔루션은 구성 변경 가능한 소프트 스타트 또는 추적 기능을 제공하므로 시간 순서에 따라 보다 쉽고 유연하게 설계할 수 있습니다.

요약하면 소형 DC/DC 컨버터는 공간이 중요한 기판의 다양한 응용 분야에 적합합니다. 이러한 조정기는 콤팩트하고 비용 효율적이며 개발 주기 단축, 품질 관련 업무 간소화, 설계 배치 유연성, 품질 레벨 향상, 개발 비용 절감과 같은 여러 일반적인 프로젝트 이점을 제공합니다.

소형 PoL 조정기의 지속적인 수요를 충족하기 위해 Flex Power Modules는 DigiKey를 통해 작고 높이가 낮고 풍부한 기능의 패키지로 뛰어난 가성비를 자랑하는 콤팩트 제품군을 판매합니다. 효율성이 일반적으로 95.3%로 높으며, 열 성능도 뛰어납니다. 이유 중 하나는 LGA 설계를 통해 열을 호스트 PCB로 전달할 수 있기 때문입니다.

이러한 소형 PMU8000 PoL 컨버터는 표준 폼 팩터의 패키지로 출시되어 기판의 상단이나 하단에 적용할 수 있어서 설계 엔지니어의 유연성을 향상하는 솔루션입니다. 하나의 실장 면적으로 4A, 6A 및 8A의 전력 레벨을 처리할 수 있으므로 전력 설계를 최적화하려는 시스템 설계자에게 크게 향상된 유연성을 제공합니다. 게다가 이 모듈은 높은 온도(최대 105°C) 및 열악한 환경 조건에서도 작동할 수 있습니다. 견고한 설계를 통해 평균 무고장 시간(MTBF)이 171Mhrs로 지정됩니다. Flex Power Modules의 PoL 조정기는 ICT(전기 통신 및 데이터 통신), 산업, 테스트 및 측정, IoT, 철도 및 의료와 같은 섹터 전반의 FPGA, ASIC, 네트워크 프로세서, CPU 및 GPU를 비롯한 다양한 전력 변환 응용 분야에 적용할 수 있습니다.