글. 토니 암스트롱(Tony Armstrong), 아나로그디바이스 Power by Linear 그룹 마케팅 디렉터
전력 스펙트럼의 중간에서 낮은 쪽 끝에는 흔히 사물 인터넷(IoT) 장치에서 볼 수 있는 것과 같이 낮은 전력 변환이 요구되므로 적절한 수준의 전류를 처리하는 전력 변환 IC를 사용해야 한다. 이러한 IC는 보통 수백 밀리암페어 전류 범위에 있지만, 데이터 또는 비디오 전송을 위해 온보드 전력 증폭기에서 피크 전력 수요가 존재하는 경우 요구되는 전류 양은 이보다 더 높을 수 있다.
수많은 IoT 기기를 지원하는 무선 센서가 확산됨에 따라 공간과 열이 제한된 디바이스의 폼팩터에 적합한 높은 통합의 작고 효율적인 전력 컨버터의 수요가 증가하고 있다. 그러나 다른 많은 애플리케이션과 달리 대부분의 산업용 및 의료용 제품은 일반적으로 신뢰성, 폼팩터, 견고성에 대한 훨씬 높은 표준을 갖는다.
예상할 수 있듯이 이러한 설계 부담의 많은 부분은 전원 시스템과 그와 관련된 지원 부품에 집중된다. 산업용 및 심지어 의료용 IoT 제품은 AC 주 전원, 배터리 백업과 같은 여러 전원에서 적절히 동작해야 하고, 이들 전원 간에 매끄럽게 전환해야 한다. 뿐만 아니라 장기간에 걸쳐 고장으로부터 보호되어야 하며, 배터리 구동 시 동작 시간을 극대화하여 어떤 전원에서든 항상 정상적인 시스템 동작을 신뢰할 수 있도록 보장해야 한다. 따라서 이와 같은 시스템에 사용되는 내부 전력 변환 아키텍처는 견고하고 작아야 하며, 히트 싱킹의 요구를 최소화해야 한다.
전원 설계 고려사항
산업용 IoT 시스템 설계자가 시스템에 무선 전송 기능이 통합된 선형 레귤레이터를 사용하는 것은 드문 일이 아니다. 주된 이유는 선형 레귤레이터가 EMI와 잡음 방출을 최소화하기 때문이다. 그럼에도, 스위칭 레귤레이터가 선형 레귤레이터보다 많은 잡음을 발생시키기는 하지만, 효율은 훨씬 높다.
스위처가 예측 가능한 방식으로 동작할 경우 많은 민감한 애플리케이션에서도 잡음과 EMI 수준을 관리할 수 있다는 것이 입증되었다. 스위칭 레귤레이터가 정상 모드에서 정주파수로 스위칭하고 스위칭 에지가 오버슛이나 고주파 링잉 없이 깨끗하고 예측 가능하면 EMI가 최소화된다.
또한 소형 패키지 크기와 높은 동작 주파수는 작고 조밀한 레이아웃을 제공할 수 있으며, 이는 EMI 방출을 최소화한다. 뿐만 아니라 레귤레이터를 낮은 ESR 세라믹 커패시터와 함께 사용할 경우 시스템에 추가적인 잡음원이 되는 입력과 출력 전압 리플을 모두 최소화할 수 있다.
오늘날 산업용 및 의료용 IoT 기기의 주 입력 전원은 일반적으로 외부 ac-dc 어댑터나 배터리 팩으로부터 24V 또는 12V dc 소스를 갖는다. 그런 후 이 전압을 동기식 벅 컨버터를 사용하여 5V 또는 3.xV 레일로 낮춘다. 의료용 IoT 기기에서 사후 조절되는 내부 전원 레일의 수가 증가하는 반면 동작 전압은 계속 감소하고 있다. 이러한 많은 시스템은 여전히 저전력 센서, 메모리, 마이크로컨트롤러 코어, 입/출력, 로직 회로를 구동하기 위해 3.xV, 2.xV 또는 1.xV 레일을 필요로 한다. 그러나 데이터 전송에 사용되는 내부 전력 증폭기는 기록된 데이터를 원격 중앙 허브에 전송하려면 12V 레일과 최대 0.8A의 전류 성능을 필요로 한다.
전통적으로 12V 레일은 스텝업 스위칭 레귤레이터에 의해 전력을 공급받고, 인쇄회로기판(PCB)에 대형 솔루션 풋프린트뿐 아니라 특수한 스위치 모드 전원 설계 노하우를 필요로 한다.
새로운 초소형 부스트 컨버터
아나로그디바이스의 µModule® (마이크로 모듈) 제품은 설계 시간을 최소화하고, 산업용 및 의료용 시스템에 일반적인 보드 공간과 밀도 문제를 해결하는 SiP(System in a Package) 솔루션을 제공한다. 또 이 μModule 제품은 dc-dc 컨트롤러, 전력 트랜지스터, 입력 및 출력 커패시터, 보상 부품 및 인덕터를 초소형 표면 실장 BGA 또는 LGA 패키지에 통합한 완벽한 전력 관리 솔루션이다.
ADI의 μModules 제품으로 설계하면 설계 복잡도에 따라 설계 과정을 완성하는 데 필요한 시간을 최대 50%까지 줄일 수 있다. μModule 제품군은 부품 선택, 최적화, 레이아웃에 대한 설계 부담을 설계자로부터 디바이스로 옮김으로써 전체 설계 시간과 시스템 문제를 줄이고 궁극적으로 제품 출시 시간을 단축시켜준다.
또한 ADI의 μModule 솔루션은 디스크리트 전력, 신호 체인 및 절연 설계에 통상 사용되는 핵심적인 부품을 초소형의 IC와 같은 폼팩터에 통합했다. ADI의 엄격한 테스트와 신뢰성 높은 공정에 의해 지원되는 μModule 제품 포트폴리오는 전력 변환 개발의 설계와 레이아웃을 간소화한다.
μModule 제품군은 POL 레귤레이터, 배터리 충전기, LED 드라이버, 전력 시스템 관리(PMBus 디지털로 관리되는 전원), 절연 컨버터, 절연형 배터리 충전기 및 절연형 LED 드라이버를 포함하여 광범위한 애플리케이션을 지원한다.
또한 μModule 전력 제품은 모든 디바이스에 사용할 수 있는 PCB 거버 파일이 포함된 높은 통합성을 갖춘 솔루션으로 시간과 공간 제약 문제를 해결하고 높은 효율과 신뢰성을 제공할 뿐 아니라 선택된 제품과 함께 EN55022 클래스 B 표준을 만족하는 낮은 EMI 솔루션을 제공한다.
시스템 복잡도가 증가하고 설계 사이클이 짧아지면서 설계 자원이 확대되고 있으며, 이에 따라 시스템의 핵심적인 IP 개발에 초점이 맞춰지고 있다. 이는 개발 사이클의 후반부까지 전원을 미룬다는 것을 의미한다.
따라서 촉박한 시간과 제한된 전문가의 전원 설계 자원을 가지고 공간 이용을 극대화할 수 있도록 PCB의 밑면을 활용하는 방안을 포함해 가능한 가장 작은 풋프린트로 고효율의 솔루션을 내놓아야 하는 압력에 직면한다.
여기에 μModule 레귤레이터가 이상적인 해답을 제공한다. 개념은 내부적으로 복잡하지만, 외부적으로는 단순하다. 스위칭 레귤레이터의 효율과 선형 레귤레이터의 설계 간소화를 결합하는 것이다.
신중한 설계, PCB 레이아웃 및 부품 선택은 스위칭 레귤레이터의 설계에서 매우 중요하며, 많은 숙련된 설계자는 초창기에 회로 기판이 타는 독특한 냄새를 맡곤 했다. 시간이 촉박하거나 전원 설계 경험이 제한된 경우, 완제품 형태의 μModule 레귤레이터는 시간을 단축시키고 리스크를 줄여준다.
이러한 예로 최근 출시된 ADI µModule 제품군의 하나가 6.25mm × 6.25mm × 2.42mm BGA 패키지로 제공되는 LTM4661 동기식 스텝업 µModule 레귤레이터이다. 패키지에는 스위칭 컨트롤러, 전력 FET, 인덕터 및 모든 지원 부품이 포함되어 있다. 이 디바이스는 1.8V ~ 5.5V 입력 범위에서 동작하고 2.5V ~ 15V의 출력 전압을 레귤레이트할 수 있으며 단일 외부 저항으로 설정할 수 있다. 벌크 입력 및 출력 커패시터만 필요하다.
LTM4661은 효율적이다. 3.3V 입력에서 12V 출력으로 스텝업할 경우 87% 이상 효율을 제공할 수 있다. 그림 2 효율 곡선을 참조한다.
그림 3은 히트 싱크 없이 200 LFM 공기 흐름으로 800mA dc 전류에서 3.3V 입력으로부터 12V로 동작하는 LTM4661을 측정한 열 사진을 보여준다.
결론
최근 몇 년간 IoT 장비의 배치가 폭발적으로 증가하고 있으며, 여기에는 군용 및 산업용 애플리케이션 분야의 다양한 제품이 포함된다. 센서를 탑재한 의료 및 과학용 계측기를 포함한 제품의 새로운 물결이 최근 몇 년 사이 시장을 움직이는 주요 동인으로 떠오르고 있으며, 현재 많은 성장이 기대되고 있다.
동시에 이러한 시스템의 공간 및 열 설계 제약은 전력 증폭기와 같은 내부 회로에 전력을 공급하기 위해 소형의 높은 통합, 열 효율적인 풋프린트의 필수적인 성능 지표를 제공할 수 있는 새로운 종류의 전력 컨버터를 필요로 한다. 다행히 최근 출시된 LTM4661 스텝업 µModule 레귤레이터와 같은 디바이스는 전원 설계자의 작업을 강력하게 지원한다.
마지막으로, µModule 레귤레이터는 디버그 시간을 크게 줄여주고 보다 넓은 보드 공간을 사용할 수 있게 하므로 이러한 유형의 애플리케이션에 적합하다. 또한 µModule 레귤레이터를 사용할 경우 인프라 비용은 물론 제품 수명 동안 전체 소유 비용을 절감할 수 있다.
