ADM6840, 저항·커패시터로만 최대 8개 전압 레일 시퀀싱·모니터링 구현

별도 보조전원이나 프로그래밍 없이도 신뢰성 높은 전원 관리 설계를 가능해

■ 개요

이 글에서는 다양한 디지털 부하가 요구하는 전원 시퀀싱의 필요성을 설명하고, 전원 시퀀싱 및 전압 모니터링 기능을 구현하기 위한 여러 가지 방법에 대해 논의한다.

아울러 프로그래밍이나 디지털 통신, 별도의 바이어스 전원이 필요 없는 새로운 개념의 사용하기 편한 전원 시퀀싱 솔루션도 소개한다.

새로운 솔루션이 갖추고 있는 이러한 특징은 시스템에서 전원 시퀀서가 가장 먼저 동작해야 한다는 점에서 매우 중요하다.

시퀀서가 먼저 구동되는 시점에는 일반적으로 시퀀서와 통신할 수 있는 디지털 장치들이 아직 기동되지 않은 상태이기 때문이다.

■ 머리말

FPGA, GPU, CPU, DSP, SoC와 같은 전자 부하는 전원 시퀀싱이 필요하다.

즉, 서로 다른 공급 전압이 미리 정해진 순서에 따라 상승하고 하강해야 한다.

적절한 전원 시퀀싱이 이루어지지 않으면 해당 부하의 기능이 제한되거나 오동작이 발생할 수 있다.

심한 경우에는 이들 부하가 손상될 수도 있다.

이러한 문제를 방지하기 위해 전원 시퀀싱 기능이 사용된다.

■ 전원 시퀀싱의 예

일반적으로는 각 전압 컨버터에서 생성된 전압을 이네이블 핀과 연결해 여러 전압 컨버터가 순차적으로 켜지도록 하는 회로를 사용할 수도 있다.

그러나 이러한 방식은 이네이블 핀의 임계 값이 정밀하게 규정된 전압 컨버터를 필요로 하며, 개별 전압 레일의 전원이 일정한 시퀀스로 꺼지도록 구현하기가 어렵다.

또한 전원이 켜지고 꺼지는 정확한 시간 제어를 위해서는 복잡한 추가 회로가 필요하다.

전원 시퀀싱 전용 컨트롤러 사용을 선호하는 이유가 바로 이 때문이다.

그림 1은 이러한 시스템의 기본적인 구조를 보여준다. 시퀀서가 각 전압 컨버터의 이네이블 핀을 제어함으로써, 전압 컨버터는 DCDC1부터 DCDC n까지 올바른 순서대로 켜지고 꺼진다.

이러한 전원 시퀀싱 디바이스는 되도록 넓은 범용 입력 전압 범위를 지원하는 것이 바람직하다.

시퀀서는 시스템의 각 전원 레일이 인가되기 전에 먼저 동작해야 하므로, 입력 전압 범위가 넓을수록 다양한 시스템에 적용하기 쉽다.

전원 시퀀싱 기능은 다양한 기능 블록들로 구성될 수 있다.

예컨대 마이크로컨트롤러(MCU), 소형 FPGA, 프로그램 가능한 메모리를 갖춘 전용 시퀀서, 또는 단순한 전원 시퀀서 등을 사용해 이러한 기능을 구현할 수 있다.

하지만 이러한 솔루션들은 저마다 한계를 갖고 있다. MCU는 먼저 동작을 시작해야 하며, 미리 작성된 프로그램을 실행해야 한다.

소형 FPGA와 프로그램 가능한 메모리를 갖춘 시퀀서 역시 사용하기 전에 반드시 프로그래밍을 완료해야 한다.

이 과정은 해당 부품을 PCB에 실장하기 전에 수행할 수도 있고, 실장 후 최초 전원을 인가하기 전에 수행할 수도 있다.

두 가지 방법 모두 상당한 노력과 비용이 든다.

■ 전원 시퀀싱 솔루션

이러한 문제를 해결하기 위해 생산 과정에서 별도의 프로그래밍이 필요 없는 시퀀싱 솔루션이 개발됐다.

이 솔루션은 저항과 커패시터만으로 시퀀싱 동작을 설정할 수 있어 구현이 간단하다.

또한 이 시퀀서는 2.7V ∼ 15V의 매우 넓은 입력 전압 범위를 지원하며, 시퀀서 자체를 위한 별도의 전원공급장치 없이도 3.3V, 5V, 심지어 12V 전원으로 직접 구동이 가능하다.

그림 2에서 볼 수 있듯이, 이 솔루션은 전원 시퀀싱 기능 외에 또다른 유용한 기능을 제공한다.

V1부터 V8까지의 각 전압을 개별적으로 모니터하며, 모든 전압이 미리 설정된 값에 도달했을 때만 ‘Power OK’ 신호를 출력한다.

전압 모니터링의 정확도는 매우 중요하다.

모니터링 정확도는 DC-DC 컨버터가 생성하는 각 전압의 전반적인 정확도를 결정하는 핵심 요소 가운데 하나이다. ADM6840은 ±0.8%의 높은 전압 모니터링 정확도를 제공한다.

회로를 안정적으로 보호하려면 모니터링 모듈이 안정적으로 동작하는 것이 중요하다.

또한 많은 회로들이 고온 환경에서 동작하기 때문에 ADM6840은 -40°C ∼ +125°C의 넓은 동작 온도 범위를 지원한다.

8개 이상의 전원 레일을 제어해야 하는 경우에는 여러 개의 시퀀서를 함께 사용할 수도 있다.

ADM6840 시퀀서의 기능을 손쉽게 평가할 수 있도록 무료로 활용할 수 있는 시뮬레이션 소프트웨어 툴인 LTspice®가 제공된다.

LTspice에는 ADM6840 시퀀서를 적용한 예제 회로가 포함되어 있다. 그림 3은 서로 다른 설정을 시뮬레이션해 볼 수 있는 시뮬레이션 환경을 보여준다.

■ 결론

시퀀싱 기능은 적절한 기능 블록들을 활용하여 매우 손쉽게 구현할 수 있다.

대부분의 애플리케이션에서는 별도의 보조 전원 공급이 필요하지 않으며, 시간이 많이 걸리는 프로그래밍 과정도 필요 없다.

따라서 짧은 개발 기간 안에 신뢰성 높은 전원 시퀀싱 시스템을 설계할 수 있다.

※ 저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 20년 이상의 경력을 보유한 전원 관리 분야 전문가다. 독일 에를랑겐대학교(University of Erlangen)에서 마이크로일렉트로닉스를 전공한 후, 2001년 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해 필드 애플리케이션 엔지니어로 활동하며 고객 프로젝트에서 전력 관리 솔루션을 구현하는 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)를 맡았다. 2009년 아나로그디바이스(Analog Devices)에 합류한 이후에는 제품 라인과 유럽 기술 지원 등 다양한 역할을 수행했으며, 현재는 폭넓은 설계 및 애플리케이션 경험을 바탕으로 전력 관리 전문가로 활동하고 있다. 현재는 아나로그디바이스 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.