[테크] 웨어러블 및 사물인터넷(IOT) 기기를 위한 PMIC 컨버터의 이점

제목: 웨어러블 및 사물인터넷(IoT) 기기를 위한 고급 이력모드 제어 기능을 갖춘 PMIC 컨버터의 이점

최근에 웨어러블 제품과 사물인터넷(loT)의 발전으로 적은 공간을 차지하면서 효율은 높고 IQ은 낮은 통합 전원관리 IC(PMIC)의 필요성이 더욱 높아지고 있다. 이력 모드 제어 기능이 있는 스위치 모드 DC/DC 컨버터도 이제 코인 셀이나 리튬 이온 배터리로 작동하면서 이런 사양에 맞는 PMIC 솔루션이 요구되고 있다.

|글| 안젤로 페레이라 (Angelo Pereira), 설계 엔지니어, HVAL / 텍사스 인스트루먼트

전형적인 웨어러블 제품은 대부분의 시간을 절전모드나 저전력 상태로 있다가 사용자 동작이 있거나 시간 지정 이벤트 발생 시, CPU에서 데이터를 처리하거나 무선/유선 링크를 통해 정보를 전달한다. 예를 들어 Bluetooth® 기술을 구현하여 심박을 모니터 하는 웨어러블 슬레이브 디바이스에서 하루 기준의 연결 시간은 한 시간 미만, 절전모드에서는 10 ~ 20μA 정도의 전력만을 소모한다. 연결 중 25 ~ 50mA의 전력을 소모하는 피크 시간은 3밀리초도 채 되지 않는다. 즉 디바이스가 절전상태이든 활성상태이든 전원 공급장치의 성능을 최적화 해야 한다는 의미이다. 또한 공간 제약과 배터리의 화학적 조성 역시 외부 패시브에 제한적이다.

[그림 1] 웨어러블 디바이스

PMIC에서 DC/DC 컨버터의 역할

[그림 1], [그림 2], [그림 3]은 일반 웨어러블 디바이스, 프로그래머블 유선 온도조절장치, 스마트 지불 단말기의 구성도이다. 애플리케이션 별로 매개변수 사양에는 차이가 있지만 효율적인 DC/DC 컨버터와 함께 통합 PMIC를 사용하여 한 개의(혹은 여러 개의) 부하 디바이스에 전원을 공급할 수 있다(32bit 프로세서 코어, 메모리(플래시, DDR), I/O 버스, 디스플레이 및 모터나 센서 와 같은 주변장치).

절전모드에서 활동모드로 프로세서의 상태가 바뀌면 단계적 부하 전류 프로파일 상 빠른 시동과 빠른 과도현상 응답이 요구된다. RF 인터페이스 표준을 지키려면 잡음은 FM 전송 등의 특정한 대역에서 벗어나도록 하여야 한다.

[그림 2] 프로그래머블 유선 온도조절장치

[그림 3] 스마트 지불 단말기

기존 이력 제어 방식의 한계

PMIC에 사용한 단상, 이력 PWM 스위치 모드 컨버터는 매우 낮은 부하(30mA 미만)부터 매우 높은 부하(최고 3A)까지 부하 요건에 적합하도록 설계되었다. 기존 스위치 컨버터의 구성도는 [그림 4]에 나타내었다. 주로 비교 회로와 드라이버 회로의 지연 때문에 루프가 지연되므로, 이런 컨버터 제어 방식으로 과도현상 응답 속도를 높일 수 있다. 제어 회로는 이력 기능이 있는 비교 회로에 이상적인 오류 증폭기가 더해진 구성으로, 클록 제네레이터는 필요하지 않다(참고문헌 1). 기본 컨버터의 경우 피드백 신호가 인덕터의 전류에 근접하므로 위상 보상이 필요 없다. 참고문헌 1에 실린 스위치 주파수 방정식은 아래와 같다:

여기에서 VIN은 컨버터로 들어가는 입력 전압, VH는 비교 회로의 이력, D는 원하는 출력 전압(VOUT)으로 설정한 PWM 신호 사용률, tRC = RFCF는 피드백 네트워크의 시간 상수, tD는 한정된 컨버터의 유한 전달 지연 수치로써 드라이버 단계의 지연 및 출력 브리지 지연이 포함된다. 이런 변수를 [그림 4]에 나타내었다(참고문헌 2의 그림 1). 분명한 것은 fS은 D에 대해 일정하지 않아 무관한 스펙트럼 구역에 스퍼(spur)를 일으키거나 공명을 유도하여 전원 공급장치 네트워크에 전압 이탈 현상을 야기할 수 있다. 이 시나리오는 전통적인 이력 제어 방식에서 주된 사안이었다.

[그림 4] 과거의 이력 제어 벅 컨버터

개선된 DC/DC 컨버터를 장착한 PMIC

텍스트 인스트루먼트(TI)는 기존의 이력 제어장치의 한계를 어느 정도 극복한 PMIC를 여러 종류로 공급하고 있다. TPS65910, TPS65911, TPS65912, TPS80032, TPS65218와 같은 디바이스에는 주파수 전환 시 보다 정밀한 제어가 가능한 단상 컨버터가 여러 개 장착되어 있다. 또한 L과 C 중 한 가지만 택하도록 선택의 폭도 줄여 시스템 통합을 간소화하였다. [표 1]에는 PMIC 디바이스의 몇 가지 주요 기능 및 장점을 소개하였다.

[표 1] TI PMIC 디바이스의 주요 장점

TI의 폭넓은 PMIC 포트폴리오의 수많은 독자 기능으로 문제를 구체적으로 해결할 수 있다. TPS65910 제품군에서는 스위치 모드 전원 공급장치(SMPS)(VDD1 및 VDD2)로 동적 전압 범위(DVS) 조절이 가능하여 프로세서 코어 전압 레일에 적합하다. TPS65911x 제품군의 SMPS(VDD1 및 VDD2)로 출력 전압 스위치 슬루(slew) 레이트를 프로그램 할 수 있을 뿐만 아니라 ON 타임을 50ns 이하까지 조절할 수 있다. 이런 특징으로 스위치 주파수는 더 높아지고 출력 리플은 감소하며 인덕터가 차지하는 공간도 줄어든다. TPS80032는 특허 받은 온칩, 고정 주파수 PWM 제어 기능이 있어 기존의 이력 벅 컨버터보다 스위치 주파수 확산 범위가 훨씬 정밀하다.

참고문헌 3 ~ 6에 예시로 든 SMPS 컨버터는 모두 칩 자체에 전환형(고압측) FET의 한 쪽이나 전환 및 정류기(저압측) FET 양쪽에 모두 과전류 보호장치가 구현되어 있다. 돌입 전류를 제한하기 위한 내부 연시동 회로는 프로세서를 지원하는 또 하나의 기능이다. 이렇게 개선된 SMPS 컨버터는 1.0 ~ 2.2μH(1.5μH 타입) 범위의 외부 유효 L값 범위와 4 ~ 15μF 범위의 출력 C값에 대해서도 최적화 되어 있다. 선택한 인덕터는 DCR과 ISAT의 정격에 맞아야 한다. 인덕턴스가 높을수록 리플 전류는 감소하지만 과도현상 응답(di/dt) 품질은 떨어진다. 낮은 ESR용으로 X5R이나 X7R 유전체를 넣은 소형 세라믹 출력 커패시터 형태로 사용할 수 있다. 입력 커패시터도 낮은 ESR을 권장하며, 세라믹 4.7μF에 전기분해/탄탈룸(tantalum) 커패시터를 추가하면 전원 소스와 컨버터 간 거리가 멀 때(예를들어, 벽면 어댑터 등) 발생하는 공급 유동을 줄일 수 있다.

TI PMIC로 전원 공급장치 요건에 부합하며 작고 에너지 효율적인 웨어러블, 휴대형 및 산업용 디바이스를 개발하는 보다 자세한 방법은 아래 제품 정보에서 살펴볼 수 있다.

참고문헌
1. T. Nabeshima et.al. “이력 PWM 컨트롤러를 갖춘 벅 컨버터의 분석 및 설계 시 고려사항”, 제35회 연례 IEEE 파워 일렉트로닉스 전문가 컨퍼런스 2014, vol. 2, pp 1711-1716
2. P. Li et.al., “고주파수 멀티위상 이력 DC-DC 컨버터를 위한 고정된 지연 루프 동기화 방식”, Solid-State Circuits의 IEEE 저널, 2009년 11월, Vol. 44, No. 11, pp 3131-3145
3. TPS65910 데이터시트, http://www.ti.com/product/tps65910
4. TPS65911x 데이터시트, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps659113.pdf
5. TPS80032 데이터시트, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps80032.pdf
6. TPS65218 데이터시트, http://www.ti.com/product/tps65218