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PC 기판 전력 분배 토폴로지에서 "최적의" 솔루션은 경험으로 요약됩니다.

작성자: Bill Schweber 2020-10-20

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엔지니어에게 의례 기대되는 바는 분석하고, 생성하며, 주어진 문제에 대한 "최상의" 또는 "최적의" 솔루션을 제공하는 것입니다. 이는 어떤 설계 솔루션에서는 가능하지만 모든 설계 솔루션에서 가능한 것은 아닙니다. 그 이유는 간단합니다. 어떤 파라미터와 그 값을 근거로 판단하는지에 따라 무엇이 최상인지가 달라지기 때문입니다. 하나의 매우 중요하고 압도적인 요소가 있는 경우도 있고 또는 마법처럼 심오하게 최적화된 다양한 요소 간의 미묘한 균형이 중요한 경우도 있습니다.

엔지니어링 설계가 설계 자체를 실행하기 위한 전문성에 관련된 일일 뿐 아니라, 각 설계에서 요구되는 다양한 절충 및 타협의 과정을 거치게 되는 작업이라는 사실을 직면해야 합니다. 설계 과정에 참여하지 않았던 누군가가 "설계에서 왜 이런 저런 부분은 고려하지 않았나요?" 또는 "'x'를 간단히 추가할 수 있지 않았나요?" 등의 질문으로 사전 설계를 쉽게 비판하는 것은 매우 불쾌한 일일 수 있습니다. 이러한 질문은 설계 과정에서 절충되어야 했던 사항에 대한 통찰이 없는 경우 쉽게 할 수 있는 질문들입니다.

물론 어떤 응용 제품에서는 한 두 가지의 성능 요구 사항이 가장 중요할 수 있습니다. 예를 들면 심우주 관련 임무에서는 저전력 소비 및 장기간의 안정성에 대한 요구 사항이 매우 중요합니다. 어떤 경우에는 일부 사양을 충족시키는 것은 필수지만 그 이상의 작업은 필요하지 않은데, 이는 최종 생산품이 그로부터 얻는 이점이 없기 때문입니다.

그럼에도 불구하고 모든 설계에서 엔지니어는 여러 프로젝트 목표 간 연결의 특징과 정도를 파악하도록 노력해야 합니다. 예를 들어 내전력을 약간만 더해도 속도가 확연하게 증가하거나 정확도가 개선된다면, 이는 매우 좋은 절충점이라 할 수 있습니다. 그러나 "비용" 대비 "이점"을 어떻게 정량화할 수 있을까요? 많은 경우에는 그렇게 하는 것이 불가능하며, 일반적으로 매우 협소한 범위에서만 이들의 관계를 측정할 수 있습니다. 변수가 증가함에 따라 이러한 관계 연결성은 더 복잡하고 미묘하며, 정의하기 어려워집니다.

그렇다면 전력 분배 토폴로지는 어떨까요?

최적의 솔루션 구현의 복잡성에 대한 이해를 더하기 위해, 명확한 시스템 기능인 전력 분배 토폴로지(PDT)에 대해 살펴보겠습니다. 모든 전자 설계에는 전력 서브 시스템이 있지만, 단일 PC 기판에서의 소규모의 제한된 전력에 대해 다루어 보겠습니다. 일반적으로 여기에는 여러 전압 레일 값 및 개별 레일에서의 다양한 전류 요구 사항이 포함되지만, 각각 0.9A(암페어)의 동일한 5V 부하 두 개로 간단히 시작할 수도 있습니다.

이와 같이 매우 간단한 경우에도 Maxim Integrated의 uSLIC Himalaya 제품군과 같은 DC-DC 강압 모듈을 사용하여 구현할 수 있는 옵션에는 두 가지가 있습니다. 하나는 두 개의 Maxim MAXM17632 5V/1A 장치를 각 부하에 하나씩 사용하는 방법이며, 다른 옵션은 단일 Maxim MAXM17635 5V/2A 모듈을 사용하여 모든 부하에 공급하는 방법입니다. 또한 부하 중 하나가 900mA가 아닌 75mA(밀리 암페어)면 어떨까요? 2A 장치로 모두를 공급해야 할까요 또는 1A MAXM17632와 더 작은 5V/100mA MAXM17900을 함께 사용해야 할까요? 역시 대답은 간단합니다. "경우에 따라 다릅니다."

그림 1: 독립적인 두 부하에 동일한 전압으로 전력을 전달할 수 있는 두 가지 토폴로지가 있습니다. 두 개의 작은 DC-DC 모듈을 사용(위)하거나, 모두를 위한 한 개의 큰 모듈을 사용(아래)하는 방법입니다. (이미지 출처: DigiKey)

두 방법 중 어느 방법이든 이용할 수 있지만 서로와 관련된 부하의 위치, 전체적인 효율성 대 부하, 부하 중 하나에 대기 기간이 있는 경우 전체적 손실, PC 기판 트레이스 라우팅으로 인한 잡음 유입과 같은 요소를 고려해야 합니다. 실장 면적 역시 고려 대상에서 예외가 아닙니다. 2A 모듈은 4mm x 4mm(밀리미터) = 16 mm², 1A 장치는 각각 3mm x 3 mm로 총 9mm + 9mm = 18mm²의 실장 면적을 지닙니다. 2 mm²가 추가되는 것이 큰 의미가 없어 보일 수도 있지만, 엄격한 설계에서는 많은 차이를 만들 수 있습니다. 분석적으로는 12.5%의 실장 면적 증가를 의미합니다.

더 고려해야 할 사항

간단한 A 대 B의 시나리오의 경우, 비록 큰 차이가 아니더라도 하나의 옵션이 다른 옵션보다 더 나을 가능성이 높습니다. 그러나 부하가 많아서 더 복잡한 경우에는 보통 동일한 공칭 전압 조건에서도 고려해야 할 다양한 경성 및 연성 요소가 있는데, 그 예는 다음과 같습니다.

부하 수
각각에서의 전형, 최대 및 정동작 전류
서로에 대한 부하의 위치
각 부하의 역학
전력 모듈과 부하 사이의 더 긴 트레이스로 인한 잡음 유입
부하에 대한 전압의 정확성 및 조정(한 부하는 ±0.5%, 다른 부하는 1%를 요구할 수 있음)
부하 균형: 한 부하는 2A, 다른 부하는 50mA만 요구한다면 어떻게 해야 할까요? 50mA 부하를 위한 LDO(저 드롭아웃) 조정기가 더 현명한 선택일까요?
인접 부하점(PoL) 전력 변환 및 그에 필요한 바이패싱의 장점
비정격 1차 DC 전력 및 여러 정격 DC 전력 트레이스(및 접지)를 실행하기 위해 요구되는 PC 기판 영역
전력 모듈 실장 면적 및 지원 부품의 합계
PC 기판에서의 위치 유연성
클록 주파수, EMI 및 “비트” 문제, 공통 클록 사용 대 개별 DC-DC 클록 사용
다양한 조정기 구성의 전체적인 효율성
요구되는 수동 부품의 개수 및 유형
전류 저항기(IR) 드롭, 트레이스 폭 및 고전류 수준에서의 원격 감지 요구 가능성
BOM 부품 비용

이 목록을 통해 이 문제가 다면적인 복잡성을 지님을 알 수 있습니다. 단일 전압을 포함한 간단한 경우에도 부하의 개수와 특징이 많아짐에 따라 가능한 설계의 개수 및 관련 자유도가 급격히 증가합니다.

이 문제를 해결하기 위해 모든 가능성에 대해 일일이 알아볼 필요는 없습니다. EDA 소프트웨어는 주어진 접근 방식을 분석하고 그 방식이 목표 달성에 얼마나 도움이 될지를 파악하며, 각각의 사항에 대해 약간의 "가능한" 변경 사항을 살펴봄으로써 도움이 될 수 있지만, 다양한 가능성을 구상하거나 주어진 토폴로지의 이점 대비 비용과 절충점을 평가할 수는 없습니다(적어도 아직은 불가능.인공 지능(AI)로 인해 향후 몇 년 이내에 가능해질 수도 있음). 여기에 다중 레일 전압이 필요한 현실을 더해지면 문제가 훨씬 더 복잡해집니다. 특히 다양한 완충 버스 변환 단계가 있을 수 있기 때문입니다.

그렇기 때문에 엔지니어들은 주로 EDA 도구보다 기본 스프레드시트를 사용하여 다양한 토폴로지 옵션이 지닌 영향을 평가합니다. 그러나 결국 많은 스프레드시트 셀은 "나쁨", "양호" 또는 "매우 좋음"과 같은 질적 평가와, "좋음--2A까지만"과 같이 각 셀에 추가된 작은 메모로 채워지게 됩니다.

전력 분배 토폴로지의 분석과 관련된 많은 변수를 연결하는 확실한 방정식이 있었다면 좋았겠지만, 이는 근시일 내 실현 가능한 일은 아닙니다. 상호 관련된 자유도가 매우 크고, 비선형 상관 관계, 변곡점, 포화점 및 기타 복잡하고 일반적으로 정량화하기 어려운 상관 관계로 연결되어 있기 때문입니다.

그러므로 선호하는 PDT 접근 방식을 결정하는 경우 엔지니어링 전문 지식, 경험, 판단 및 직관까지도 필요합니다. 단일 PC 기판에 대해 "최상의" 전력 토폴로지를 결정하는 간단한 작업일지라도 엔지니어링이 무엇인지에 대한 진정한 예가 될 수 있으며, 그저 단순한 수치 분석 그 이상을 필요로 하는 과정이라는 것을 알 수 있습니다.

결론

누군가가 설계 문제에 대한 최적의 솔루션을 가지고 있다고 말할 때 던져야 할 논리적 질문은 "어떤 파라미터의 측면에서, 어느 정도로 최적인가요?"라는 간단명료한 질문입니다. PDT와 같은 아주 기본적이고 실질적인 작업에서도 핵심적으로 고려해야 할 요소가 대단히 많으며, 이 요소들 간에 서로 밀접하게 연결되어 있는 경우도 있고 느슨한 연결을 지니는 경우도 있습니다.

설계 검토 과정에서 PDT 솔루션을 제시하는 경우, 반드시 동료 엔지니어로부터 그 제안한 토폴로지를 선택한 방법과 이유에 대해 질문을 받게 될 것입니다. 분석한 내용을 신중하게 제시하고, 사고 과정을 설명하며, 숫자만 제시하기보다 해당 솔루션 설계를 위해 귀하의 경험 및 분별력을 사용했음을 알릴 수 있도록 준비하세요. 그렇게 함으로써 DC-DC 전력 모듈과 관련 부품의 조합이 적절한 선택이지만 유일한 선택이 아닌 이유를 명확히 할 수 있습니다.