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낮은 EMI, 고밀도 및 효율적인 전력 변환을 위한 통합형 강압 DC/DC 모듈 사용

작성자: Jeff Shepard

Digi-Key 북미 편집자 제공

전자 장치의 통합 및 확산의 수준이 증대되면서, 설계자는 비용과 크기, 전자파 장해를 줄이는 동시에 효율성을 증대해야 하는 과제에 끊임없이 노출되어 있습니다. 전원 공급 장치의 출력 밀도와 효율성은 개선되어 왔지만, 이제 설계자는 ASIC, DSP, FPGA 및 마이크로 컨트롤러를 모두 포함할 수 있는 이종 프로세싱 아키텍처용 다중 레일 전원 솔루션을 개발해야만 하는 난제에도 직면해 있습니다.

전통적으로 강압 DC/DC 컨버터가 이러한 아키텍처에 전력을 공급하는 데 사용되지만, 전력 레일 수가 증가하게 되면 제어 IC 및 내부 또는 외부 전력 MOSFET 및 외부 인덕터와 커패시터와 함께 기존의 이산 소자 강압 DC/DC 컨버터를 사용하는 일은 복잡하며 시간이 많이 소요될 수 있습니다. 설계자는 대신 다중 레일 및 프로그래밍 가능 시퀀싱이 포함된 독립형 강압 DC/DC 컨버터 모듈을 사용하여 EMI 제어를 개선하고 열 생성을 감소시키며 실장 면적을 줄일 수 있습니다.

이 기사에서는 내장형 설계에서의 전력 시스템 필요를 검토하고 설계자가 고려해야 하는 여러 접근 방법에 대해 논의한 다음, 통합형 강압 DC/DC 모듈의 개념에 대해 소개합니다. 그 후 Monolithic Power Systems의 샘플 장치를 사용하여 설계를 간단히 검토하고, 이러한 모듈의 성능 이점을 극대화시키기 위해 설계자가 기억해야 하는 고려 사항을 설명합니다.

내장형 시스템에 많은 전력 레일이 필요한 이유

5G 기지국과 같은 내장형 설계는 가정 및 산업 자동화, 자율 주행 차량, 의료 및 스마트 웨어러블과 같은 응용 분야에서의 스마트폰 및 스마트 커넥티드 장치의 지속적으로 증가하고 있는 데이터 양에 대한 요구 사항을 지원하기 위한 것입니다. 이러한 기지국은 주로 DC/DC 컨버터에 의해 24V 또는 12V로 강압된 48V 입력 공급 장치를 사용하는데, 그 다음 ASIC, FPGA, DSP 및 기저대역 처리 스테이지에 있는 기타 장치에 전력을 공급하기 위해 또 다시 다수의 서브 레일(3.3V ~ 1V 미만까지)로 강압됩니다. 보통 전력 레일은 시동 및 차단을 위해 시퀀싱이 요구되는데, 이 과정에서 전력 시스템에 복잡성이 추가됩니다.

5G 기지국을 예로 들면, 기존 CPU 자체만으로는 처리 요구 사항을 더 이상 충족하지 못합니다. 그러나 FPGA가 포함된 가속기 카드를 사용하면 시스템 재구성 가능성, 유연성, 짧은 개발 주기, 고도화된 병렬 컴퓨팅 및 낮은 대기 시간의 장점이 있습니다. 하지만 FPGA 전원 공급 장치를 위한 공간은 줄어들고 있으며, 전력 레일 성능 요구 사항은 복잡합니다(그림 1).

  • 출력 전압 오프셋: 전압 레일의 출력 전압 편차는 ±3% 미만이어야 하며, 설계 시 충분한 마진을 남겨 두어야 합니다. 대역폭을 늘리고 안정성을 보장하기 위해 제어 루프를 최적화하여, 디커플링 커패시터를 신중하게 적용하고 설계해야 합니다.
  • 단조 시작: 모든 전압 레일의 시작은 단조적으로 증가해야 하며, 출력 전압이 초기 값으로 되돌아가는 것을 방지할 수 있는 설계가 이루어져야 합니다.
  • 출력 전압 리플: 정상 상태 작동에서 모든 전압 레일(아날로그 전압 레일 제외)의 출력 전압 리플은 최대 10mV여야 합니다.
  • 타이밍: FPGA는 시동 및 차단 중 특정 타이밍 요구 사항을 충족해야 합니다.

가속기 카드의 프로세서 크기 그래프그림 1: 컴퓨팅 요구 사항의 증가로 가속기 카드의 프로세서 크기가 커짐에 따라, 전원 공급 장치를 위한 공간이 줄어들었습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

데이터 처리 대역폭 요구 사항이 커지면 프로세서는 더 많은 전류와 전력을 요구합니다. 또한 산업 환경에서 가속도 카드의 계산 밀도 및 부동 소수점 속도 요구 사항을 충족시키는 일도 점점 더 어려워지고 있습니다. 가속도 카드 슬롯은 일반적으로 PCLe 표준화되므로, 기판의 크기는 고정적입니다. 컴퓨팅 요구 사항의 증가로 프로세서 크기가 커짐에 따라, 전원 공급 장치를 위한 공간이 줄어들었습니다.

전력 시스템 설계 대체품

제어 IC, 내부 또는 외부 전력 MOSFET, 외부 인덕터 및 커패시터와 함께 기존의 이산 소자 강압 DC/DC 컨버터를 사용하는 것은 내장형 시스템 전력 공급을 위한 접근 방식 중 하나입니다. 위에서 언급했듯이, 다중 레일 전력 솔루션이 요구되는 설계는 복잡하며 많은 시간이 소모되는 작업입니다. 설계자는 효율성 극대화 및 솔루션 크기 최소화를 고려할 뿐 아니라, 필터 부품 레이아웃 및 배치에 신중을 기하여 컨버터 및 인덕터 회로의 스위칭 전류로 인해 발생하는 전도성 및 복사성 EMI를 최소화해야 합니다(그림 2).

이산 소자 강압 DC/DC 컨버터 구성도그림 2: 이산 소자 강압 DC/DC 컨버터에는 설계자가 관리해야 하는 여러 EMI 소스가 있습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

DC/DC 컨버터는 일반적으로 출력 전력 MOSFET 스위칭 노드에서 접지 및 입력 커패시터에서 접지 사이에 형성된 전류 루프 경로에서 자기장을 통해 전도성 EMI를 생성합니다. 또한 이 컨버터는 MOSFET 스위칭 노드로부터 인덕터 연결까지 방사형 자기장을 생성하는데, 높은 입력 전압 수준에서 접지로, 인덕터 내에서 생성된 전자기장으로부터 끊임없이 스위칭하기 때문에 높은 dV/dt를 지니게 됩니다. 설계가 올바로 이루어지지 않은 경우, EMI 실험실에서 시간 소모적인 테스트를 반복하거나 설계를 여러 번 되풀이해야 하는 일이 발생합니다.

이산 소자 강압 DC/DC 컨버터를 사용하여 ASIC 또는 FPGA를 구동하는 4중 레일 솔루션은 1220mm2의 공간을 차지할 수 있습니다(그림 3). 전력 관리 IC(PMIC) 기반 솔루션을 사용하면 이를 350 mm2로 줄일 수 있습니다. 이에 대한 대안으로 설계자는 독립형 쿼드 출력 DC/DC 컨버터 모듈을 사용하여 솔루션 크기를 121 mm2까지도 줄일 수 있으며, 이런 경우 설계 공정이 간소화되고 출시 시간도 단축됩니다. 반도체 공정 기술 및 패키지 구성의 발전으로, 최신 세대의 DC/DC 모듈이 소형 폼 팩터에서 매우 높은 전력 밀도, 고효율 및 우수한 EMI 성능을 달성하게 되었습니다.

통합형 DC/DC 모듈 솔루션 구성도(확대하려면 클릭)그림 3: 통합형 DC/DC 모듈 솔루션을 사용하면 이산 소자 솔루션에 비해 최대 90%의 기판 공간을 절약할 수 있습니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

'패키지 내 플립칩' 과 '메시 연결' 리드 프레임 기술 등 새로운 구성 기술을 통해, IC, 인덕터 및 수동 소자가 전선 접착이나 추가적인 내부 PC 기판 없이 리드 프레임에 직접 실장될 수 있습니다. 내부 PC 기판 또는 전선 접착을 사용하는 기존 구성 유형에 비해 연결 트레이스 길이가 최소화될 수 있으며, 수동 소자 부품에 직접 연결하면 유도 요량이 낮게 유지되어 EMI가 최소화됩니다.

상호 연결을 위해 리드 프레임을 활용하는 구성 구성도그림 4: 상호 연결을 위해 리드 프레임을 활용하는 새로운 형태의 구성은 많은 장점을 지니는데, EMI가 더 잘 제어되고 열 방출이 개선되며 실장 면적이 감소됩니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

대상 PC 기판에 직접 표면 실장되는 LGA(랜드 그리드 어레이) 패키지 유형을 사용하면, EMI를 방출할 수 있는 리드가 있는 대체 단일 인라인(SIL) 또는 SIL 패키지(SIP) 유형 컨버터보다 낮은 EMI 프로파일을 제공합니다.

쿼드 출력 프로그램밍 가능 통합형 DC/DC 모듈

설계자는 내장형 시스템에서의 다중 레일, 고 전력 밀도 요구를 충족시키기 위해 Monolithic Power Systems의 MPM54304를 활용할 수 있습니다(그림 5). MPM54304는 4개의 고효율 강압 DC/DC 컨버터, 인덕터 및 유연한 로직 인터페이스를 통합하는 완전한 전원 관리 모듈입니다. 4V ~ 16V의 입력 전압 범위에서 작동하는 MPM54304는 0.55V ~ 7V의 출력 전압 범위를 지원합니다. 4개의 출력 레일은 최대 3A, 3A, 2A, 2A의 전류를 지원할 수 있습니다. 2개의 3A 레일과 2개의 2A 레일을 병렬로 연결하여 각 6A 및 4A를 제공할 수 있습니다. 설계자는 병렬 모드에서의 최대 출력 전류가 총 소비 전력에 의해 제한된다는 사실을 기억해야 합니다. 이는 (총 전력 손실 제한에 따라) 여러 출력 구성을 생성할 수 있는 유연성을 제공합니다.

  • 3A, 3A, 2A, 2A
  • 3A, 3A, 4A
  • 6A, 2A, 2A
  • 6A, 4A

Monolithic Power Systems MPM54304 완전 강압 전력 관리 모듈 구성도그림 5: MPM54304는 완전한 4V ~ 16V 입력 쿼드 출력 강압 전력 관리 모듈입니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

또한 MPM54304는 시동 및 차단을 위한 내부 시퀀싱을 제공합니다. 레일 구성과 시퀀싱은 다중 프로그래밍 가능한(MTP) e-퓨즈 또는 I2C 버스에 의해 사전 프로그래밍될 수 있습니다.

이 고정 주파수 고정 온타임(COT) 제어 DC/DC 컨버터는 빠른 과도 응답을 제공합니다. 기본 1.5 메가헤르츠(MHz) 스위칭 주파수는 외부 커패시터 크기를 크게 줄입니다. 연속 전류 모드(CCM) 작동 중 스위칭 클록은 고정되고 벅 1에서 벅 4로 위상 변이됩니다. 출력 전압은 I2C 버스를 통해 조정 가능하거나 e-퓨즈에 의해 사전 설정됩니다.

완전 보호 기능에는 UVLO(저전압 차단), OCP(과전류 보호) 및 과열 시 전원 차단이 포함됩니다. MPM54304는 최소한의 외부 부품을 필요로 하며 공간 절약형 LGA(7mm x 7mm x 2mm) 패키지로 제공됩니다(그림 6). LGA는 높이가 낮아 기판 후면 또는 방열판 하단에 배치하기에 적합합니다.

Monolithic Power Systems MPM54304 전력 관리 모듈 이미지그림 6: MPM54304의 LGA 패키지는 EMI가 낮은 콤팩트하고 높이가 낮은 솔루션을 제공합니다(이미지 출처: Monolithic Power Systems).

설계 및 레이아웃 고려 사항

MPM54304에는 에지를 따라 간단한 핀아웃이 있어, 더욱 간편한 레이아웃 및 pc 기판 설계가 가능합니다. 필요한 외부 부품이 다섯 개에 불과해 전체 솔루션이 작고 콤팩트해 집니다. LGA 패키지를 사용하면 견고한 접지판이 모듈 아래의 영역 거의 전체를 덮을 수 있으며, 이는 소용돌이 전류 루프를 차단하여 EMI가 더욱 감소됩니다.

이 강압 컨버터는 불연속 입력 전류를 가지며, DC 입력 전압을 유지하면서 컨버터에 AC 전류를 공급하기 위해 커패시터를 필요로 합니다. 최상의 성능을 위해 설계자는 낮은 등가 직렬 저항(ESR) 커패시터를 사용해야 합니다. 낮은 ESR 및 작은 온도 계수를 지닌 X5R 또는 X7R 유전체가 포함된 세라믹 커패시터가 권장됩니다. 대부분의 응용 제품에서는 22µF 커패시터면 충분합니다.

MPM54304의 안정적인 작동을 위해서는 효율적인 pc 기판 레이아웃이 매우 중요합니다. 더 나은 열 성능을 위해 4층 pc 기판이 권장됩니다(그림 7). 최상의 결과를 위해 설계자는 다음의 가이드라인을 따라야 합니다.

  • 전력 루프를 가능한 한 최소화
  • PGND에 직접 연결을 위해 넓은 접지판 사용 하층이 접지판인 경우 PGND 가까이에 바이어스 추가
  • GND 및 VIN의 고전류 경로가 반드시 짧고 직접적이며 넓은 트레이스를 갖추도록 설계
  • 장치와 최대한 가까운 곳에 세라믹 입력 커패시터 배치
  • 입력 커패시터와 IN을 최대한 짧고 넓게 유지
  • VCC 커패시터를 VCC 및 GND 핀과 최대한 가깝게 배치
  • 열 성능 개선과 장기간의 안정성을 위해 VIN, VOUT 및 GND를 넓은 구리색 영역에 연결
  • 입력 GND 영역을 상단 층의 다른 GND 영역과 분리하고, 여러 바이어스를 통해 내부 층와 하단 층에서 연결
  • 상단 층 또는 하단 층에 반드시 통합형 GND 영역을 갖추도록 설계
  • 전력판의 내부 층 연결을 위해 다중 바이어스 사용

4층 pc 기판 레이아웃 구성도그림 7: MPM54304 4중 출력 전력 모듈 사용 시 4층 pc 기판 레이아웃 사용이 권장됩니다. (이미지 출처: Monolithic Power Systems)

결론

매우 까다로운 데이터 응용 제품의 문제를 해결하기 위해 처리 아키텍처가 발전함에 따라, 설계자들은 정적이거나 축소하는 폼 팩터 내에서 향상된 처리 성능 및 전자 제품을 지원하는 다중 레일 전력 솔루션을 개발해야 하는 난제에 직면하게 되었습니다. 강압 DC/DC 컨버터는 이러한 시스템을 위한 전력 솔루션을 설계하기 위한 주요 부품이지만, 해당 설계를 구현하는 일은 복잡할 수 있습니다.

위에서 살펴보았듯이, 설계자가 다중 전력 레일 및 프로그래밍 가능한 시퀀싱을 갖춘 독립형 강압 DC/DC 컨버터 모듈로 대체하여 사용하는 경우 설계 공정이 간소화되고 출시까지의 시간이 단축됩니다. 또한 이러한 독립형 모듈을 활성화하는 새로운 구성 기술은 많은 성능적 장점을 지니는데, EMI가 더 잘 제어되고 열 방출이 개선되며 실장 면적이 감소됩니다.

추천 자료

  1. 프로그래밍 가능 전력 모듈을 사용하여 DC/DC 조정기 설계 가속화

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작성자 정보

Jeff Shepard

Jeff는 30년 이상 전력 전자 제품, 전자 부품 및 기타 기술에 관한 주제로 저술 작업을 해 왔습니다. 처음에는 EETimes에서 수석 편집자로 전력 전자 제품에 대해 글을 쓰기 시작했습니다. 이후 그는 전력 전자 제품 설계 잡지인 Powertechniques를 창간했으며, 그 후 세계적인 전력 전자 제품 연구 및 출판 회사인 Darnell Group을 설립했습니다. Darnell Group의 여러 업적 중 하나로는 PowerPulse.net을 발행하여 전 세계의 전력 전자 제품 엔지니어링 커뮤니티에 매일 뉴스를 제공한 일을 들 수 있습니다. 그는 Prentice Hall의 Reston 부에서 발행한 "Power Supplies"라는 제목의 스위치 모드 전원 공급 장치 교과서의 저자입니다.

또한 고와트 스위칭 전원 공급 장치 제조업체인 Jeta Power Systems를 공동 설립했으며, 이 회사는 Computer Products에 인수되었습니다. Jeff는 또한 발명가로서 열 에너지 수확 및 광학 메타소재 분야에서 미국 특허 17개를 보유하고 있으며, 전력 전자 분야의 글로벌 트렌드에 정통하고 강연도 자주 진행합니다. 그는 캘리포니아 주립대학(University of California)에서 양적 방법론 및 수학 석사 학위를 취득했습니다.

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Digi-Key 북미 편집자