■ 다상 병렬 구조 설계 과정, 상당한 복잡성 내포

고사양의 FPGA(필드 프로그래머블 게이트 어레이) 및 ASIC(주문형 반도체)의 핵심 레일에 전력을 공급하는 것은 높은 전류와 정밀한 과도 응답 제어를 모두 요구한다.

최근 몇 년간 FPGA, ASIC 및 관련 시스템의 급속한 발전으로 복잡성이 증가했으며, 이를 해결하기 위해 전력 공급 규격에 중대한 업데이트가 필요해졌다.

이에 적합한 설계는 효율성, 동적 응답, 그리고 MOSFET의 크기 및 전력 손실 간의 섬세한 균형을 요구하고 있다.

이러한 까다로운 전력 공급 요구 사항을 충족하기 위해 가장 흔히 사용되는 방식은 다수의 전원 공급 장치를 병렬로 배치하는 것이다.

병렬 구성은 각 전원 공급장치(흔히 위상(Phase)이라고도 함) 사이에 전류를 균등하게 배분하여 필요한 전력을 더 쉽고 효율적으로 공급할 수 있도록 한다.

나아가 성능을 한층 더 개선하기 위해 각 전원 공급 브랜치 사이에 위상차를 설정할 수도 있다.

이는 전체적인 전류 및 전압 리플을 효과적으로 감소시켜 전력 품질을 향상시킨다.

하지만 이러한 다상 병렬 구조를 설계하는 과정은 상당한 복잡성을 내포한다.

위상이 정확하게 분배되어야 하며, 모든 위상 간 전류가 완벽하게 균형을 이루도록 제어해야 하기 때문이다.

정확한 위상 분배와 전류 균형 확보는 고성능 전력 시스템을 구축하는 데 핵심이지만, 여전히 해결해야 할 난제로 남아 있다.

FPGA 및 ASIC의 핵심 레일이 요구하는 저전압 및 고전류 조건을 충족하고 정밀한 과도 응답 제어 문제를 해결하기 위해, 최신 전력 시스템들은 다상 전력 솔루션을 적용하여 더 높은 스위칭 주파수에서 동작하도록 설계되고 있다.

복잡한 다상 전력 시스템과 설계 과정을 단순화하기 위해 MPM3698 및 MPM3699와 같은 통합형 파워모듈이 등장했다.

이 모듈들은 자동 인터리빙(Automatic Interleaving)과 위상 쉐딩(Phase-shedding)을 포함한 고급 다상 제어 방식을 내부적으로 구현한다.

이를 통해 설계자는 복잡한 전류 균형 및 위상 동기화 문제에서 벗어나 설계의 용이성을 확보할 수 있다.

본 글은 다상 컨버터의 설계 프로세스를 상세히 설명하고, 다상 전원 공급 장치 설계 시 고려해야 할 핵심 요소들을 다룰 것이다.

■ FPGA 및 ASIC 설계 요구 사항

FPGA와 ASIC용 전원 공급 장치를 개발할 때 가장 우선적으로 고려해야 할 요소는 다양한 전력 레일에 대한 전압 요구 사항이다.

일반적인 FPGA 및 ASIC의 전압 레일 기준을 보면 입력 전압(VIN)은 보통 12V이며, 출력 전류(ITDC)는 약 180A, 출력 전압(VOUT)은 약 1.2V 수준이다.

아래 [표1]은 대표적인 FPGA의 전압 요구 사항을 보여준다. 이 예시에서는 Spartan-7 FPGA를 기준으로 했다.
 

현재 시장에 출시된 다양한 FPGA 모델들의 코어/보조(Core/Aux) 및 입력/출력 전압 정보는 [표2]에 제시되어 있다.
 

앞서 제시된 두 표([표1]과 [표2])에서 확인할 수 있듯이 FPGA의 전압 규정은 매우 엄격하다.

대부분의 최신 FPGA 시스템에서 전압 허용 오차는 ±3% 이내에 불과하므로, 설계된 전원 공급 장치는 극도로 정밀한 전압 특성을 제공해야 한다.

이러한 까다로운 전압 규정을 충족하는 가장 효과적인 방법은 다상 전원 공급 방식을 적용하는 것이다.

■ 다상 전력 공급 방식의 원리와 이점

다상 전력 공급 장식에는 시스템의 기본 주파수가 사용된 위상의 수만큼 효과적으로 증가한다.

이는 출력단에서 리플 주파수를 높이는 결과를 가져오며, 궁극적으로 더 작은 보드 면적과 더 적은 출력 커패시턴스로 더 높은 전류 용량을 제공한다.

FPGA 및 ASIC 애플리케이션에 사용되는 벅 컨버터는 빠른 과도 응답 능력을 갖춰야 한다.

즉, 입력단에서 출력단으로 에너지를 매우 신속하게 전달할 수 있어야 한다.

부하에 전력을 공급할 때 병렬 컨버터를 사용하면, 각 브랜치가 균등한 위상차를 가지고 작동한다.

이는 정상 상태의 전압 리플을 감소시키고, 입력 및 출력 RMS 전류를 줄여준다.

그 결과 전체 솔루션은 더 적은 수의 입력 및 출력 커패시터만으로도 안정적인 동작할 수 있다.

이러한 다상 방식을 활용하면 전류 리플을 효과적으로 줄이 수 있으며, 더 작은 인덕터를 사용할 수 있게 하여 과도 전압 스파이크까지 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

주파수 증배 효과에 따라, 출력 리플의 진폭(Amplitude)은 사용된 브랜치(위상)의 수(N)만큼 나뉘고, 리플 주파수는 N만큼 증가한다.

예를 들어 4상 애플리케이션의 경우를 살펴보면, 총 인덕터 전류 리플(IOUT = IO1 + IO2 + IO3 + IO4)은 개별 위상의 리플보다 4배 작아지며, 리플 주파수는 개별 위상 주파수보다 4배 증가한다(그림1 참고).
 

■ 다상 컨버터 설계의 도전 과제

다상 컨버터는 매우 빠른 응답 시간과 함께 높은 전력 레벨을 공급하는데 핵심적인 역할을 수행한다.

그러나 FPGA나ASIC와 같은 애플리케이션에서는 시스템이 요구하는 전력량이 크게 변동한다는 특징이 있다.

예를 들어. 최대 처리 부하가 걸리는 동안에는 출력 전류 요구량이 100A까지 치솟을 수 있다.

반대로, 유휴(Idle) 상태나 저부하 기간에는 전류가 10A수준으로 크게 떨어질 수 있다.

모듈 솔루션은 전류 공유, 위상 인터리빙, 전력 공급 네트워크(PDN, Power Delivery Networks)의 도입, 그리고 입출력 커패시턴스의 최적화와 같은 다양한 이점들을 함께 제공한다.

■ 다상 구성 설정

MPM3698은 완전히 통합된 파워 모듈로, 단일 피크 120A 또는 듀얼 피크 80A + 40A를 지원하며 디지털 인터페이스를 갖추고 있다.

이 모듈은 VR14 호환의 듀얼 루프 디지털 다상 컨트롤러를 통합하고 있으며, 세 세트의 드라이버 MOSFET과 인덕터를 내장하고 있다.

MPM3698은 MPS(Monolithic Power Systems)의 독자적인 디지털 다상 비선형 제어 방식을 특징으로 하며, 이를 통해 최소한의 출력 커패시턴스만으로도 초고속 과도 응답을 제공할 수 있다.

MPM3698의 각 위상은 최대 40A의 피크전류와 30A의 연속 전류를 제공한다.

이 세 위상의 출력을 병렬로 연결하면, 최대 120A의 피크 출력 전류(IOUT) 또는 90A의 연속 출력 전류(IOUT)를 공급할 수 있다.

[그림2]는 MPM3698의 내부 구성을 보여준다.

MPM3698 모듈은 세 개의 DrMOS와 하나의 컨트롤러로 구성되어 있으며, 이를 통해 총 120A의 출력 전류(IOUT)를 제공한다.
 

MPM3699와 같은 추가 모듈을 PWM 컨트롤러 연결하여 외부 DrMOS로 확장하면, MPM3698만을 사용한 기존 구성보다 더 많은 위상을 확보할 수 있다.

MPM3699 파워 모듈을 활용할 경우, 출력 전류(IOUT)는 560A 또는 그 이상까지 도달할 수 있다.

MPM3699는 4개의 DrMOS 모듈을 내부에 통합하여 설계되었으며, 이를 통해 최대 160A의 출력 전류(IOUT)를 생성할 수 있다. [그림3]은 이러한 MPM3699의 내부 구성을 보여준다.
 

■ MPM3698 부하 과도 응답 테스트

FPGA 및 ASIC 애플리케이션에서 부하 과도 응답 중 발생하는 출력 전압 허용 오차와 안정성은 가장 중요한 설계 매개변수다.

부하 과도 응답 테스트에는 총 47개의 MLCC(Multi-Layer Ceramic Capacitor) 커패시터가 사용됐으며, 개당 용량은 47-F로 총 2.2mF의 MLCC 용량을 구성한다.

여기에 더해 용량 330-F의 POSCAP 4개가 추가로 사용됐으며, 이는 총 1.32mF의 POSCAP용량에 해당한다.

부하 과도 응답 테스트 조건은 다음과 같다.

입력 전압(VIN)은 12V이며, 출력 전압(VOUT)은 0.85V로 변환된다.

최대 전류는 60A로, 두 개의 위상에 분산되어 0A에서 60A 범위에서 변동한다.

이 테스트 결과는 시스템의 뛰어난 과도 응답 능력을 명확하게 보여준다.

출력 전압(VOUT/AC)은 ±3% 이내, 즉 ±30mV 이내의 허용 오차를 유지한다(그림 4 참고). 이러한 수준의 응답 특성은 FPGA의 VCORE 레일에서 요구되는 핵심 표준 조건이다.
 

부하 과도 응답 분석 결과, MPM3698은 FPGA 코어 전압 레일에 대한 엄격한 과도 응답 규격 요구 사항을 충족했음을 보여준다.

0.85V의 출력 전압(VOUT)에서 측정된 피크-투-피크 값은 50.36mV였으며, 이는 I/O 전압 허용 오차인 3%, 즉 ±30mV 이내에 해당한다.

■ 결론

FPGA 및 ASIC의 전원 공급 장치에 대한 요구 사항이 더욱 까다롭고 엄격해짐에 따라, 이제 다상 벅 컨버터는 고성능 장치에 전력을 공급하는 데 필수적인 요소가 됐다.

다상 접근 방식을 적용하면 고전류 용량과 함께 낮은 전압을 효과적으로 공급할 수 있다.

다상 전원 공급 장치는 빠른 과도 응답을 제공하며, ±3% 이내의 엄격한 전압 안정성을 유지할 수 있는 능력을 갖추고 있다.

이는 최신 FPGA 및 ASIC의 코어 및 보조 전력 레일에서 반드시 충족해야 하는 핵심 조건이다.

MPM3698은 MPS의 독자적인 디지털 다상 비선형 제어 방식을 특징으로 하며, 이를 통해 부하 과도 응답을 초고속으로 처리한다.

또한 이 모듈은 간단한 설계, 유연성, 그리고 작은 솔루션 크기라는 장점도 제공한다.

MPM3698 및 MPM3699와 같은 장치는 전력을 여러 위상으로 분배함으로써 효율을 개선하고, 열 스트레스를 줄이며, 더 작은 입·출력 커패시턴스만을 필요로 한다.

최상의 인터리빙 효과와 높은 성능을 원한다면 MPS의 다양한 파워 모듈을 참고하기 바란다.

※ 기고자
토마스 허드슨(Tomas Hudson)은 모놀리식 파워 시스템즈(MPS)의 수석 제품 마케팅 엔지니어다. 그는 에너지, 산업용 전자 및 자동화 분야에서 학사 학위를, 그리고 바르셀로나에서 전자공학 석사 학위를 취득했다. 2020년 MPS에 합류한 이후, 토마스는 응용 엔지니어와 제품 엔지니어로서 폭넓은 경험을 쌓았으며, 자신의 기술 전문성을 활용해 혁신적인 전력 솔루션과 시장 전략을 주도하고 있다.