안정적인 디지털 전력을 위한 최신 통합 모듈 활용

부품 비용의 하락과 소프트웨어 제어 덕분에, 극도로 복잡한 설계에서 여러 전압을 제어하는 문제를 해결할 수단으로 디지털 전력이 인기를 끌게 되었습니다. 그러나 디지털 전력에도 극복해야 할 문제가 있으며, 특히 기존 설계에 추가하려는 경우 더욱 그러합니다. 게다가 디지털 제어를 사용하려면 펌웨어를 개발해야 하는데 아날로그 설계자는 해당 분야에 소홀해 온 경향이 있습니다.

이 기사에서는 디지털 전력 제어의 이점을 간단하게 소개한 다음 두 가지 디지털 제어 방식을 정의합니다. 첫 번째는 계속적으로 아날로그 전압 조정기를 이용하는 '디지털 래퍼' 방식이며, 두 번째는 완전 디지털 설계 솔루션입니다. 그 다음으로는 최신 디지털 전력 IC 기능을 활용하여 과도 응답 시간이 더 빠르고, 대역폭이 더 크며, 전반적인 성능도 더 좋은 안정적인 전원 공급 장치를 만드는 방법을 설명합니다.

아날로그에서 디지털로 전환해야 하는 이유

아날로그 기술은 비교적 단순하고 저렴하게 구현할 수 있기 때문에 스위칭 DC DC 컨버터(전압 조정기) 설계에서 주로 사용되어 왔습니다. 그러나 아날로그 설계에는 단점이 있으며 제어 루프 보정 문제가 대표적입니다.

디지털 전원 공급 장치를 지원하는 데 필요한 부품의 가격과 크기, 전력 소비가 모두 하락함에 따라 디지털 설계는 좋은 대안을 제공합니다. 설계자는 디지털 부품을 사용해 회로 제어를 정밀하게 조정함으로써 과도 응답 시간을 개선하고 효율을 극대화할 수 있습니다.

실무에서는 상황이 약간 더 복잡합니다. 실리콘 업체마다 '디지털 전력'의 정의가 다르기 때문에 특히 더 그렇습니다. 어떤 제조업체는 디지털 인터페이스를 통해 전력 관리 버스(PMBus) 프로토콜과 '디지털 래퍼' 솔루션의 아날로그 제어 루프를 커플링하여 제공하는 기능을 활용하는 전원 공급 장치 솔루션을 디지털 전력 기술로 정의합니다. 마이크로 프로세서나 디지털 신호 처리(DSP)를 이용하는 완전 디지털 제어 루프가 디지털 전력이라고 주장하는 업체도 있습니다.

각각의 기술은 극복해야 할 문제가 있습니다. 즉, 디지털 래퍼는 처음에 해소하려고 했던 제어 루프 보정 문제가 남아 있고, 완전 디지털 솔루션은 디지털 전력 시스템을 가동하기 위해 설계자가 막대한 코딩 작업을 해야 할 수도 있다는 문제가 있습니다. 그러나 새로운 세대의 디지털 전력 컨트롤러와 모듈을 이용하면 디지털 래퍼와 완전 디지털 솔루션의 문제를 모두 해결할 수 있습니다.

디지털 래퍼 추가

기존 아날로그 토폴로지에 디지털 전력을 추가하면 여러 이점을 누릴 수 있습니다. 특히 중요한 이점은 PMBus 프로토콜을 사용하는 시스템 관리 버스(SMBus)를 통한 양방향 통신입니다.

PMBus는 디지털 통신 버스를 사용하여 전력 변환 시스템과 통신하는 표준 프로토콜입니다. SMBus가 저대역 장치와의 통신을 위해 설계된 반면 PMBus는 전원 공급 장치, 부품 및 충전용 배터리 서브 시스템과 같은 전원 관련 칩의 디지털 관리를 목표로 하여 SMBus에 구축됩니다.

SMBus 자체는 Philips에서 처음 설계되어 마더보드나 기타 내장형 시스템에 저속 주변 장치를 연결하는 데 사용되는 단일 엔드 직렬 컴퓨터 버스인 I²C(Inter-Integrated Circuit)를 기반으로 합니다. 이러한 토대로 인해 PMBus는 비교적 느린 속도의 2선식 통신 프로토콜입니다. 그러나 SMBus나 I²C와 달리 PMBus는 사용자가 정의한 명령을 사용하여 통신하는 방법을 단순히 세부 설정하는 것이 아니라 상당한 양의 도메인별 명령을 정의합니다.

2005년 3월에 PMBus 사양 버전 1.0이 발표되었으며 최근 들어, 수정 사양인 버전 1.3이 출시되었습니다. 이 버전에서는 고속 통신을 사용하여 지연을 줄였으며, 전용 적응형 전압 조정(AVS) 버스가 추가되어 프로세서 전압이 정적 및 동적으로 제어됩니다. 이 표준은 SM-IF(System Management Interface Forum) 소유이며 로열티가 없습니다.

PMBus 지원 장치를 전력 변환에 사용하면 기존의 아날로그 전력 시스템에서는 불가능한 수준의 유연성과 제어 기능이 제공됩니다. 디지털 전력을 설계에 활용하면 PMBus를 통한 호스트 컨트롤러로 출력 전압 조정, 전력 시퀀싱, 여러 전압 레일의 동기화를 쉽게 관리할 수 있습니다(그림 1). 디지털 전원 공급 장치의 PMBus에 관한 자세한 내용은 라이브러리 기사 'Digital Voltage Regulator Control Using PMBus'(PMBus를 사용한 디지털 전압 조정기 제어)를 참조하세요.

그림 1: PMBus 프로토콜을 사용하는 SMBus를 통한 양방향 통신을 사용하면 여러 전원 공급 장치를 구성, 제어, 모니터링할 수 있습니다(출처: Intersil).

또한 SMBus와 PMBus를 사용하면 새로운 전압 레일을 전력 관리 시스템에 쉽게 추가할 수도 있습니다. 추가 전압 레일을 지원하기 위해 독립형 전력 관리 IC를 추가하거나 재프로그래밍할 필요가 없으며 레일이 모니터링, 시퀀싱, 마지닝, 고장 감지 체계에 쉽게 통합됩니다.

디지털 구성 및 제어가 가능한 스위칭 전압 조정기는 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, Microchip MIC24045는 디지털 프로그래밍이 가능하며 입력 범위가 4.5V ~ 19V이고, 여러 전압 레일 응용 제품에서 사용할 수 있는 5A 동기식 강압('벅') 조정기입니다. I²C를 통해 출력 전압, 스위칭 주파수, 소프트 스타트 경사, 마지닝, 전류 제한 값, 시동 지연 등의 다양한 파라미터를 프로그래밍할 수 있습니다. 또한 MIC24045는 I²C 인터페이스를 통해 진단 및 상태 정보를 제공합니다.

SMBus와 PMBus는 적절한 인터페이스를 갖춘 아날로그 전원 공급 장치를 편리하고 유연하게 디지털 구성, 제어 및 모니터링할 수 있도록 하지만, 이러한 디지털 래퍼 솔루션은 완전한 디지털 제어 능력을 갖추기 못했기 때문에 디지털 방식의 이점을 완전히 활용할 수는 없습니다. 버스에 연결된 각 아날로그 장치는 장치 안정성과 주파수 응답을 결정하는 자체 제어 루프에 따라 작동하며, 결과적으로 급속한 부하 변화에 전원 공급 장치가 반응하는 속도와 같은 요인에 결정적인 영향을 미칩니다(라이브러리 기사 'Understanding Switching Regulator Control Loop Response'(스위칭 조정기 제어 루프 응답 이해) 참조).

설계자는 보정 네트워크를 추가하여 아날로그 전원 공급 장치의 제어 루프를 수정하여 안정성과 주파수 응답을 개선해야 하는 경우가 많습니다(라이브러리 기사 'Designing Compensator Networks to Improve Switching Regulator Frequency Response'(스위칭 조정기 주파수 응답을 개선하는 보정기 네트워크 설계) 참조). 이는 경험이 많지 않은 전원 공급 장치 설계자에게 매우 어려운 작업입니다. 그러나 완전 디지털 솔루션으로 전환하면 이러한 작업이 필요 없습니다.

완전 디지털 전력의 이점 극대화

완전 디지털 솔루션은 SMBus 및 PMBus 프로토콜로 지원되는 디지털 구성, 제어 및 모니터링을 사용할 뿐만 아니라 버스에 연결된 개별 전압 조정기의 디지털 제어 루프를 구현하여 구현됩니다.

디지털 제어의 원리는 비교적 단순합니다. 아날로그 조정기의 제어 루프는 실제 출력 전압과 바람직한 출력 전압 사이의 오류를 비교하여 작동합니다. 디지털 조정기에서는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 오류 전압을 디지털 값으로 변환합니다. 이러한 변환의 정밀도는 ADC의 분해능에 따라 좌우되지만, 평범한 분해능에서도 아날로그 비교기로 측정한 것보다 정밀한 결과를 얻을 가능성이 큽니다. ADC의 분해능이 높아질수록 전압 조정기의 제어 기능도 향상됩니다.

ADC 외에도 아날로그 장치의 보정기 네트워크를 대체하기 위해 비례 적분 미분(PID) 프로세서가 사용됩니다. PID 프로세서는 많은 폐쇄 루프 제어 프로세스에 사용되는 기발한 장치입니다. PID 프로세서는 디지털 오류 전압 판독을 사용하여 조정기의 디지털 펄스 폭 변조기(PWM) 칩에서 생성되는 펄스 트레인의 듀티 사이클을 지속적으로 조정하며 전압 조정기의 출력을 수정합니다. PID 프로세서는 아날로그 버전의 보정기 네트워크와 마찬가지로 제어 루프 주변의 이득과 위상 변이 계수를 보정하는 작업도 담당합니다.

디지털 PWM에서도 아날로그 방식과 같은 가변 폭 구동 펄스를 생성하지만, 그 과정에서 방형파를 형성하는 출력 신호의 바람직한 ON 및 OFF 기간을 '계산'하고 '타이밍'을 지정합니다. 반면 아날로그 PWM은 클록이 전이될 때 ON을 트리거하고 정전압 '램프'가 미리 설정된 트립 전압에 도달하면 OFF를 트리거하는 방식으로 작동합니다.

참조 전압의 정밀도와 비례 적분 미분(PID) 프로세서에 대한 ADC 출력의 업데이트 빈도로 인해 출력 전압의 안정성과 정확도가 아날로그 전압 조정기에 비해 크게 향상됩니다. 그림 2에서는 아날로그 스위칭 조정기 제품 구성도를 디지털 제품과 비교합니다.

디지털 전력 제어에 대한 자세한 설명은 라이브러리 기사 'The Rise of Digital Control for DC/DC Regulation'(DC/DC 조정을 위한 디지털 제어의 대두)을 참조하세요.

그림 2: 아날로그 스위칭 전압 조정기(위)는 장치가 안정성을 유지하면서 충분한 대역폭과 위상 마진, 이득 마진을 제공하도록 하기 위해 설계하기 어려운 보정기 네트워크를 필요로 하는 경우가 많습니다. 디지털 버전(아래)에서는 이 과정을 PID 프로세서가 담당합니다(구성도 제작 도구: Digi-Key Scheme-it®).

디지털 제어 원리는 간단하게 이해할 수 있어도 기술 구현은 그리 쉽지 않은데, 최근에는 기술의 발전으로 구현이 쉬워지고 있습니다. 부하 변화에 빠르게 응답하기 위해 우수한 주파수 응답 성능과 안정성을 확보하는 데 중요한 부분은 결국 PID 프로세스가 제어 루프에 명령하는 방식을 결정하는 알고리즘입니다.

전통적으로 디지털 제어 솔루션에는 PID 처리 기능을 수행하는 범용 마이크로 컨트롤러나 DSP 서비스가 필요했습니다. 안타깝게도 그러한 장치는 전원 공급 장치용으로 특별히 설계되지는 않았기 때문에 많은 소프트웨어 코딩과 펌웨어 설계가 필요합니다. 그 때문에 프로젝트 일정이 길어지고 비용이 커지는 것도 문제이지만, 아날로그 전원 공급 장치 설계자가 이러한 설계에 필요한 코딩 능력을 갖추지 못한 경우도 많습니다.

새로운 디지털 전력 모듈로 코딩의 어려움 극복

현재 여러 실리콘 업체에서 '디지털 전력 모듈'을 제공하고 있습니다. 디지털 전력 모듈은 SMBus와 PMBus 프로토콜로 구현되는 디지털 구성, 제어 및 모니터링의 유연성을 활용하면서도 특수한 디지털 제어 루프 명령을 제공하는 특수 장치입니다. 그런 장치를 사용하면 범용 마이크로 컨트롤러와 DSP의 문제를 해소하고 긴 코딩 사이클을 단축하여 시간을 절약할 수 있습니다.

Texas Instruments UCD3138 Digital Power Controller가 그러한 장치의 좋은 예입니다. 이 칩이 제공하는 기능의 핵심은 디지털 제어 루프 주변 소자입니다. 이러한 각 주변 소자는 전용 오류 ADC(EADC), PID 기반 2극/2제로 디지털 보정기, 250ps 펄스 폭 분해능을 가진 디지털 PWM(DPWM) 출력으로 구성된 고속 디지털 제어 루프를 구현합니다. 이 장치에는 최대 14개 채널, 타이머, 중단 제어, PMBus 및 UART 통신 포트가 있는 12비트 267ksps 범용 ADC도 포함되어 있습니다. 이 장치는 실시간 모니터링을 수행하고, 주변 장치를 구성하고, 통신을 관리하는 32비트 ARM® 마이크로 컨트롤러를 기반으로 합니다. 자율적으로 작동하며 세 개의 독립 제어 루프에 동시에 명령하는 세 가지 주변 소자 세트를 사용할 수 있습니다.

디지털 전력 컨트롤러의 작동 효율을 최대화하려면 연결된 스위칭 전압 조정기에 적합한 PID 계수를 설정해야 합니다. TI에서 비트 값 할당을 미리 정의된 특정 레지스터로 제한하므로 디지털 보정기를 쉽게 설정할 수 있습니다. UCD3138 컨트롤러는 복잡한 코드 개발을 수행하지 않아도 지속적으로 복잡한 수학 전달 함수를 계산합니다.

TI에서는 네트워크 분석기를 사용하여 전원 공급 장치 회로 초기 전압과 전류 제어 루프의 보데 플롯을 생성하는 방법을 보여 주는 응용 제품 보고서를 만들었습니다(참조 2). 이제 2극/2제로 보정기에서 전원 공급 장치에 원하는 대역폭, 위상 마진, 이득 마진을 제공할 때까지 PID 계수를 변경할 수 있습니다(그림 3 참조). 이러한 계수가 결정되고 나면 연결된 장치가 항상 최적의 조건으로 작동하도록 UDC3138 컨트롤러에 프로그래밍할 수 있습니다.

그림 3: UCD3138 컨트롤러 PID 구조. 장치에 올바른 입력 계수를 사용하면 연결된 스위칭 전압 조정기의 최적 작동을 보장할 수 있습니다. (출처: Texas Instruments)

디지털 전력 모듈의 다른 예로는 Bel Power Solutions의 DM7803G Digital Power Controller가 있습니다. DM7803G는 완전히 프로그래밍 가능한 디지털 전력 관리자이며 I²C 통신 버스 인터페이스를 사용하여 최대 32개의 부하 지점(POL) 전압 조정기와 4개의 독립 전원 장치를 제어, 관리, 프로그래밍 및 모니터링합니다. 설계자가 주목할 부분 한 가지는 DM7803G를 사용하면 외부 부품을 사용하지 않고도 POL 전압 조정기의 전력 관리, 프로그래밍 및 모니터링을 수행할 수 있다는 것입니다.

이 장치는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통해 연결된 장치의 작동 파라미터로 프로그래밍됩니다. 연결된 장치 각각에 대해 출력 전압, 전압 보호 수준, 최적 전압 포지셔닝, 켜기 및 끄기 지연과 슬루율, 스위칭 주파수, 인터리브(위상 변이)를 프로그래밍할 수 있습니다. UCD3138 컨트롤러와 마찬가지로, PID 보정 계수가 결정되면 연결된 POL 전압 조정기의 피드백 보정 루프도 DM7803G에서 프로그래밍합니다.

위에 설명된 제품을 사용하면 코딩이 거의 없이도 완전 디지털 솔루션의 기반을 마련할 수 있지만, 디지털 전원 공급 장치를 최대한으로 활용하려면 제어 루프와 보정 네트워크에 관한 지식을 어느 정도 이상 가지고 있는 편이 유리합니다.

외부 부품을 최대한으로 제거하여 설계를 가속화하려는 개발자를 위해 완전 통합형 디지털 전력 솔루션도 많이 나와 있습니다.

통합 PWM 제어, 전력 스테이지(MOSFET), 인덕터 및 수동 부품과 PMBus 지원 디지털 전력 컨트롤러를 갖춘 이러한 완전 디지털 전력 솔루션은 여러 업체에서 제공하고 있습니다. 이러한 장치의 응용 제품 회로는 단순하며 모듈 자체와 입력 및 출력 커패시터 몇 개로 구성됩니다.

단점은 가격으로, 이러한 장치는 고급 응용 제품에만 사용되며 개당 비용이 $30 ~ $50입니다. 일반적인 응용 분야는 컴퓨팅, 통신 인프라 및 산업 응용 제품의 ASIC, FPGA, DSP, CPU 및 메모리 칩에 전력을 공급하는 것입니다.

이러한 디지털 전력 모듈의 한 예로 Intersil ISL8271M이 있습니다. 이 전압 조정기 모듈은 4.5 ~ 14V 입력 전압을 받아 0.6V ~ 5V, 최대 33A의 출력 전압을 96% 효율로 생성합니다. Intersil에서는 이 장치가 1회의 클록 사이클 내에 전이 부하의 변화에 응답할 수 있다고 밝혔습니다.

그림 4에는 장치의 응용 제품 회로와 크기가 표시되어 있습니다. 디지털 전력 모듈에서는 PMBus 호환 I²C 통신 인터페이스를 통해 마지닝, 전류 제한, 소프트 스타트 및 고장 한도와 같은 파라미터를 세밀하게 조정할 수 있습니다. PMBus는 전압, 전류, 온도 및 고장 상태를 모니터링하는 데에도 사용할 수 있습니다. 완전 통합형 디지털 전원 공급 장치이므로 제어 루프 보정이 공장에서 설정됩니다. 이 칩은 독립형 전원 공급 장치로 사용할 수도 있고, 모든 칩이 SMBus 및 PMBus 프로토콜을 통해 연결되는 다중 조정기 시스템의 일부로서 사용할 수도 있습니다.

그림 4: Intersil ISL8721M에서는 전체 디지털 전원 공급 장치 솔루션을 위해 수동 소자 몇 개만 추가하면 되는, 고도로 통합된 디지털 전력 모듈을 제공합니다. Intersil).

결론

단순하고 견고하면서도 저렴한 솔루션을 제공하는 아날로그 전원 공급 장치는 앞으로도 계속해서 사용될 가능성이 많습니다. 제어 루프 보정 기술에 관한 지식이 있으면 도움이 되지만, 다양한 모듈식 스위칭 전압 컨버터 제품 중 하나를 설계의 기반으로 삼고 제조업체 참조 회로를 모범으로 따르기만 해도 탁월한 성능의 솔루션을 만들 수 있습니다.

반면에 산업용 컴퓨팅, 텔레커뮤니케이션, 무선 통신 시스템과 같이 여러 전력선과 전압이 필요한 복잡한 응용 분야에서는 아날로그 솔루션이 불편하며 유연성이 떨어집니다. 아날로그 전압 조정기를 디지털로 제어하면 이러한 시스템을 간단하게 설계하고 제품 개발 사이클 후반에 전압선을 쉽게 추가할 수 있습니다.

완전 디지털 설계를 통한 디지털 감시기를 사용하면 버스로 연결된 전원 공급 장치를 구성, 제어, 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라 제어 루프 보정을 관리하여 복잡한 시스템의 전원 공급 장치 설계를 더욱 간편하게 할 수 있지만 비용이 비쌉니다.

하지만 디지털 전력 관리 부품의 비용은 계속해서 떨어지고 있습니다. 또한 통합도 고도로 진행되어 이제는 외부 커패시터 몇 개만 추가하면 전체 기능의 전원 공급 장치를 완성할 수 있는 완전 통합형 디지털 전력 모듈이 시판되는 상황입니다. 이런 추세가 계속되면 디지털 기술이 아날로그 기술을 능가하는 시기가 올 것입니다.   

참고 자료:

1. "The Benefits of Using Digital Power Modules," Intersil, 2014.
2. “UCD3138 PFC Tuning,” Bosheng Sun, Zhong Ye, Application Report SLUA709, Texas Instruments, 2014년 3월.