글_ 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) 전력 관리 전문가 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
이 글은 스위치 모드 전원공급장치(switch-mode power supply, SMPS) 개발에 사용할 수 있는 다양한 도구들을 설명한다. 이러한 도구들은 시스템의 초기 전력 관리 아키텍처로부터 하드웨어에 대한 최종 평가에 이르기까지 설계자를 안내하며 유기적으로 연동된다. 각 도구는 각각 고유한 기능을 수행하며 설계에 유용한 정보를 제공한다. 이러한 기능들은 엔지니어가 더 짧은 개발 기간 안에 우수한 전원공급장치를 설계할 수 있도록 도와준다.
머리말
대부분의 전자 회로는 전원 공급이 필요하다. 따라서 대부분의 설계 엔지니어는 자신들의 회로에 전원을 공급하기 위한 전원 공급 솔루션을 고안해야 하는데, 이 작업을 더 쉽게 만들기 위해 방대한 전원 공급 설계 도구 모음이 개발되었다. 이는 크게 다섯 가지 도구들로 구분할 수 있는데, 전원 시스템 설계 도구, 전원 공급 계산 도구, 디지털 전원 공급 설정 도구, 회로 시뮬레이션 도구, 하드웨어 평가 도구가 그것이다. 이 모든 도구는 각기 다른 역할을 수행하여 하드웨어 설계를 더욱 수월하게 만들어준다.
전원 시스템 설계 도구
시스템 설계 도구는 시스템의 전원 공급 아키텍처를 설계하는 데 도움을 준다. 대부분의 전자 시스템은 하나의 전원만으로는 충분하지 않다. 종종 다섯 가지 이상의 서로 다른 전원이 필요하다. 아나로그디바이스(ADI)의 LTpowerPlanner® 도구는 설계자가 회로에서 모든 전력 변환 단계를 간단한 블록 다이어그램으로 그릴 수 있게 해준다.
이 다이어그램은 사용하기 쉬운 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)로 수정할 수 있다. 각 전원 공급 블록은 예상되는 전력 변환 효율로 설정할 수 있어 사용자가 몇 번의 마우스 클릭만으로 시스템 전체의 전원 변환 효율을 확인할 수 있다. 그림 1은 계산된 총 효율이 86.3%인 블록 다이어그램의 스크린샷을 보여준다.
이 도구는 저마다 다른 효율을 가지고 있는 DC-DC 컨버터를 선택해 허용 가능한 총 전력 변환 효율을 얻도록 함으로써 엔지니어가 전원 아키텍처에 대한 기본적인 결정을 내리는 데 도움을 준다. 또한 시퀀싱 요구사항 및 기능과 같은 시스템 수준의 결정도 내리고 기록할 수 있다.
전원 공급 계산 도구
LTpowerPlanner를 사용해 특정 애플리케이션에 적합한 전원 시스템 설계를 완료한 후에는 특정 DC-DC 컨버터에 집중해 해당 회로를 설계하고 최적화한다. 이 설계 단계에 가장 적합한 지원 도구는 LTpowerCAD®이다. 이 도구는 ADI 웹사이트에서 무료로 다운로드할 수 있으며, 사용자의 컴퓨터에 설치된다. 네트워크 연결은 업데이트를 하거나 인덕터 코어 손실의 정확한 계산이 요구될 때에만 필요하다.
LTpowerCAD를 설치하고 실행하면 사용자는 매개변수 검색 창에서 기존 전원 컨버터 IC를 선택할 수 있다. 입력 전압 범위, 필요한 출력 전압과 출력 전류를 입력하고, 파워 굿 핀, 주파수 동기화 기능 지원 여부, 디지털 인터페이스 같은 다른 특정 요구사항도 입력한다. 그러면 적합한 부품 목록이 표시된다. 사용자는 목록에서 하나의 솔루션을 선택하고, 외부 부품에 대한 권장 값이 표시된 설계 창을 연다.
여러 공급회사의 인덕터나 커패시터 실제 부품 목록 중에서 원하는 부품을 선택한다. 이렇게 선택한 부품들은 회로 효율, 안정성 고려사항, 입력 또는 출력 쪽의 추가 필터링 요구사항을 포함한 최적화된 회로의 완전한 계산에 사용된다. 도구를 사용하는 동안 회로 계산이 제안하는 값보다 훨씬 크거나 작은 값을 선택하면 경고 메시지가 표시된다.
그림 2는 LTpowerCAD 내에서 설계 최적화를 위한 메인 창을 보여준다. 노란색 필드는 도구가 계산한 값을 표시하고, 파란색 필드는 사용자가 값을 입력할 수 있도록 한다. 이 도구를 사용하면 스위치 모드 전원공급장치를 간단히 설계할 수 있다.
그림 3은 LTpowerCAD의 독특한 기능인 전자기 간섭(EMI) 필터 설계 도구를 보여준다. 이 도구는 LTpowerCAD의 메인 회로 화면에서 접근할 수 있으며, 도구를 활성화하면 별도의 필터 설계 창이 열린다. 이 필터 설계 도구는 전원공급장치가 CISPR 22/CISPR 32, CISPR 25 또는 MIL-STD-461G 방출과 같은 특정 전도 EMI 규격을 충족하기 위해 특별한 입력 필터가 필요한지 확인하는 데 유용하다.
필터 설계 도구는 전원 컨버터 자체의 방출을 그래프로 표시하고, 허용 가능한 수준까지 전도 방출을 줄이기 위해 적절한 입력 필터를 제안한다. 이러한 주요 작업 외에도 필터 전달 함수(필터 감쇠)와 필터 임피던스를 그래프로 표시한다. 필터 임피던스는 DC-DC 컨버터와 필터의 조합이 안정적인지를 확인하는 데 있어서 매우 중요하다.
디지털 전원공급 설정 도구
일부 전원공급장치는 디지털 방식이다. 물론 1과 0이 부하에 전원을 공급하는 것은 아니다. 여기서 디지털 전원공급장치란, 전원 레귤레이터 IC 내부에 디지털 회로를 포함해 회로 매개변수를 제어하고, 전원공급 활동에 대한 정보를 읽어오며(텔레메트리), 전체 제어 루프를 디지털 영역에서 실행할 수 있게 하는 것을 의미한다. 이는 신호를 빠르고 정확하게 디지털화해야 하므로 더 많은 노력이 필요하지만, 제어 루프를 디지털로 적응시킬 수 있게 하는 능력을 제공한다는 장점이 있다.
디지털 전원공급장치를 평가할 때는 전원공급장치와 통신하면서 상태 머신 기반 장치에 다양한 설정을 적용하기 위한 소프트웨어 도구가 필요하다. 이를 위해 사용자는 무료로 제공되는 LTpowerPlay® 도구를 다운로드할 수 있다. 이 도구는 디지털 전원공급장치를 완전히 제어할 수 있는 GUI이다. 일반적으로 이 소프트웨어는 USB to I2C(PMBus®) 인터페이스를 통해 하드웨어와 통신한다. 그림 4는 LTpowerPlay의 메인 창을 보여주며, 여기서 다양한 설정을 선택하고 전원공급으로부터 정보를 읽어와 표시할 수 있다.
LTpowerPlay 디지털 전원공급 도구는 하드웨어가 연결되어 있지 않아도 시뮬레이션 모드에서 독립적으로 실행할 수 있다. 이를 통해 긴 데이터시트를 읽지 않고도 디지털 전원공급 IC에 대해 빠르게 배울 수 있다.
회로 시뮬레이션 도구
시장에는 많은 회로 시뮬레이션 도구가 공급되고 있다. 그중 가장 널리 사용되는 것 중 하나가 LTspice®이다. LTspice는 직관적인 회로도 입력 도구, 심볼 생성기, 파형 뷰어를 갖춘 완전한 SPICE 시뮬레이터이다. 이 도구는 무료로 제공되며 매우 발전된 기능을 가지고 있다. 특히 SMPS 시뮬레이션에 최적화되어 있다. 일부 SPICE 시뮬레이터에 비해 스위치 모드 전원공급 시뮬레이션 속도가 빠르며, 지속적으로 새로운 기능이 추가되고 속도도 향상된다.
회로 시뮬레이션 도구는 LTpowerCAD 같은 회로 계산 도구를 보완하는 데 적합하다. 시뮬레이션 도구에서는 사용자가 회로를 더 유연하게 수정하거나, 필터와 같은 회로 부품을 추가하거나, 여러 전원공급을 하나의 큰 시스템에 결합해 서로에 미치는 영향을 확인할 수 있다.
LTspice 버전 17.1에는 주파수 응답 분석(frequency response analysis; FRA)이 도입되었다. 이를 통해 전원공급 제어 루프의 보드(Bode) 플롯을 빠르고 쉽게 생성할 수 있다. LTspice 버전 24에서는 제어 루프의 부분 전달 함수를 플롯할 수 있는 특별한 FRA 프로브가 추가되었고, LTspice 버전 24.1.8에서는 나이퀴스트 플롯과 표준 보드 플롯을 그릴 수 있는 기능이 추가되었다.
그림 5는 LTspice에서 작성한 절연형 DC-DC 컨버터의 전력 관리 회로도이다.
LTspice 외에, 아나로그디바이스는 많은 디바이스 모델을 지원하는 SIMPLIS®도 함께 제공한다. 노드가 제한된 SIMPLIS 버전은 ADI 웹사이트의 OASIS 환경에서 무료로 다운로드할 수 있다. SIMPLIS는 구간별 선형 시스템 시스템을 시뮬레이션하며, SMPS를 매우 신속하게 시뮬레이션할 수 있다. OASIS 시뮬레이션 환경은 SIMPLIS를 포함한 오프라인 아날로그 시뮬레이터를 의미한다.
하드웨어 평가 도구
회로 계산과 시뮬레이션은 유용하고 중요하다. 그러나 가장 최신의 전력 관리 개발 도구 체인을 사용하더라도 실제 하드웨어로 회로를 제작하고 평가하는 과정은 여전히 필요하다. 앞서 소개한 도구들을 사용해 회로를 잘 준비하면 하드웨어 평가에 걸리는 시간을 줄일 수 있지만, 그래도 하드웨어를 제작하고 검증하는 과정은 반드시 필요하다. 실험실에서 필요한 시간을 줄일 수 있는 LTpowerAnalyzer라는 새로운 전원공급 평가 환경이 있다. 이는 ADALM2000 키트가 연결된 PC와 함께 사용하는 하드웨어 세트이다. ADALM2000은 포켓 오실로스코프와 신호 발생기이며 LTpowerAnalyzer를 제어할 수 있다. 그림 6은 시험 중인(DUT) SMPS 보드에 연결된 LTpowerAnalyzer의 설정을 보여준다.
이 하드웨어 평가 도구를 활용하면 전원공급의 보드 플롯을 그릴 수 있다. 최대 100A까지의 부하 과도 응답에 대한 실시간 부하 과도 응답 테스트도 수행할 수 있다. 또한 전원공급의 출력 임피던스를 그래프로 표시할 수 있어, 전원공급이 복잡한(유도성 또는 용량성) 부하와 호환되는지를 확인하는 데 유용하다.
LTpowerAnalyzer는 ADI 웹사이트에서 합리적인 가격으로 구매할 수 있다. LTpowerAnalyzer 에는 직관적인 소프트웨어가 함께 제공된다. 이 소프트웨어는 LTpowerCAD와도 연동되어 계산된 보드 플롯 결과와 실제 하드웨어 측정값을 비교할 수 있다. 두 결과는 하나의 플롯 창에 표시해 계산과 실제를 비교할 수 있다. 그림 7은 LTpowerAnalyzer 소프트웨어를 사용한 보드 플롯 측정의 스크린샷을 보여준다.
결론
최신 전원 도구를 사용하면 전원공급을 설계하는 과정이 훨씬 수월해진다. 최적화를 위한 다양한 단계가 자동화되고, 설계 과정 중에 정보가 명확하고 간단하게 제공된다. 중요한 결정은 전력 관리 전문가 뿐만 아니라, 메인 회로를 위한 전원공급을 개발해야 하는 회로 설계자도 내릴 수 있다. 놀라운 것은 사용자가 이러한 도구들을 무료로 활용할 수 있다는 것이다. 덕분에 사용자는 비용 투자에 대한 고민을 할 필요 없이 적절한 도구를 쉽게 활용할 수 있다.
저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전력 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학교에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전력 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전력 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다. (e-mail: frederik.dostal@analog.com)
