고집적 PMIC, 부품 수·중복 회로·대기 전류 줄여

동적 전압 스케일링·저잡음 전원 설계 병행해야

이 글에서는 저전력 휴대형 전자 장비의 전반적인 효율에 영향을 미치는 몇 가지 중요한 요인을 설명한다. 전원공급장치의 전체 효율과 같이 잘 알려진 요인도 있지만, 빠른 동적 전압 스케일링(DVS)의 광범위한 활용과 같은 다른 요인들은 상대적으로 덜 고려된다.

■ 전원공급장치, 높은 전압 변환 효율 제공해야

많은 전기 회로는 가능한 한 에너지 효율이 높아야 한다. 특히 방열이 제한된 환경, 사용할 수 있는 전원이 제한된 환경, 그리고 무엇보다 장치가 배터리 전원으로 동작하는 경우처럼 저전력 소모가 관건인 애플리케이션에서는 더욱 그렇다. 전체 회로를 에너지 효율적으로 설계하는 것과 더불어, 전원공급장치 역시 매우 중요하다. 전원공급장치는 가능한 한 높은 전압 변환 효율을 제공해야 한다. 전원공급장치의 효율을 높이기 위해 조정할 수 있는 요소는 애플리케이션마다 다양하다. 지금부터 이에 대해 자세히 살펴본다.

그림 1은 신체에 착용할 수 있는 대표적인 애플리케이션인 웨어러블 센서 시스템이다. 이 시스템은 혈중 산소 함량, 맥박, 호흡수, 임피던스 심전도, 생체전기 임피던스 분석, 피부 온도 등 의료 기술 분야의 다양한 측정 기능을 수행하기 위한 배터리 전원 기반의 소형 플랫폼이다.

이 애플리케이션에 가능한 한 작은 배터리를 선택하려면 장치의 에너지 효율이 매우 높아야 한다. 전원공급장치를 최적화하는 방법은 여러 가지가 있다.

■ 높은 통합 수준

통합 수준이 높으면 제한된 공간을 효율적으로 활용하기에 유리할 뿐만 아니라 전원공급장치의 효율을 높이는 데에도 도움이 된다. 그림 2는 전원관리 IC(PMIC)인 MAX20356의 블록 다이어그램을 보여준다. MAX20356에는 배터리 충전 컨트롤러 1개, 스위치 모드 벅 전원공급장치 3개, 선형 레귤레이터 4개, 스위치 모드 벅-부스트 컨버터 1개, 배터리의 현재 충전 상태를 측정하기 위한 연료 게이지 1개, 그리고 광범위한 모니터링 기능 및 전력 흐름 스위치 회로가 포함되어 있다.

이 다양한 기능들은 각각 별도의 개별 집적회로를 사용해 구현할 수도 있다. 그러나 이러한 접근 방식은 대기 전류, 즉 회로가 유휴 상태에서도 소비하는 전류가 크게 증가한다. 그 이유는 고집적 설계에서는 PMIC의 출력 전압을 조절하는 기준 전압과 같은 많은 필수 지원 기능이 하나만 있으면 되고, 이를 모든 회로 블록이 공유할 수 있기 때문이다. 반면 개별 소자를 사용하는 설계에서는 이러한 기능을 각각 중복해서 구현해야 하므로 전력 소비가 그만큼 증가하게 된다.

■ 효율적인 전압 변환

물론, 전압 변환은 가능한 한 효율적으로 이루어져야 한다. 이는 전압 컨버터에서 일반적으로 사용되는 다음과 같은 조정 요소들에 의해 최적화된다. 여기에는 스위칭 주파수의 최적화된 선택, 인덕터와 커패시터 같은 수동 부품의 최적화, 낮은 부하 범위에서 펄스 스키핑이나 버스트 모드와 같은 다양한 동작 모드의 사용, 그리고 전압 컨버터 전력단 내부에서 스위칭되는 MOSFET의 데드 타임 최적화 등이 포함된다.

■ 낮은 대기 전류/자체 소비 전류

변환 효율 외에, PMIC 자체의 전류 소비, 즉 필요한 대기 전류 역시 매우 낮아야 한다. 최신 반도체 공정과 최적화된 회로 설계는 자체 전류 소비를 줄이는 데 도움이 된다. 또한 회로 내 다양한 저항 분배기를 통해 흐르는 전류도 중요한 요소다. 저항값을 높이면 더 낮은 바이어스 전류가 흐른다. 그러나 이 경우, 회로의 임피던스가 높아져 간섭 신호가 더 쉽게 결합될 수 있다. 따라서 임피던스를 높이는 설계는 충분한 평가를 거친 다음에만 적용해야 한다.

■ 프로세서 공급 전압의 신속한 조정

그림 1과 같은 시스템에서 에너지 소비를 줄이는 방법 중 하나는 동적 전압 스케일링(DVS)을 사용하는 것이다. 마이크로컨트롤러(MCU)는 높은 연산 성능이 필요할 때 더 높은 공급 전압을 요구하지만, 낮은 연산 성능이나 대기 상태에서는 낮은 공급 전압만으로도 충분하다. DC-DC 컨버터가 이러한 요구에 맞춰 생성하는 전압을 지속적으로 조정하면 시스템의 동작 상태에 따라 전력 손실을 크게 줄일 수 있다. DVS는 새로운 기술이 아니다. 그러나 최근에는 필요한 요구 수준에 맞춰 전압을 매우 빠르게 조정하는 것이 더욱 중요하게 강조되고 있다. 특정 애플리케이션에 따라 신속하게 전압을 조정함으로써 시스템 효율을 크게 높일 수 있다.

■ 낮은 전원 공급 잡음

마지막으로 에너지 효율과 전원공급장치에서 발생하는 잡음 사이의 관계도 중요하다. 센서가 전압 컨버터를 통해 전원을 공급받는 경우, 전압 리플과 같은 특정 잡음 성분도 전원공급장치에서 센서로 전달된다. 일부 센서는 더 높은 전류를 사용할 수 있을 경우 더 큰 전압 리플과 다양한 주파수의 간섭을 허용할 수 있다. 하지만 센서로 흐르는 전류가 더 낮아지면 동일한 품질의 센서 데이터를 얻기 위해 전원 라인의 간섭이 매우 낮아야 한다. 따라서 일부 애플리케이션에서는 공급 전압의 순도와 시스템 전력 소비 사이에 직접적인 상관관계가 존재한다.

■ 에너지 효율적 시스템 개발, 전원공급장치 효율 매우 중요

이러한 모든 방법은 휴대형 장치의 사용 시간을 연장하거나 사용되는 배터리를 가능한 한 작게 만드는 데 도움이 된다. 에너지 효율적인 시스템을 개발하려면 전원공급장치의 효율이 매우 중요하다. 그러나 전원공급장치의 효율에는 조정할 수 있는 다양한 요소가 존재한다. 이 가운데 일부는 시스템을 구성하는 여러 부품들과 밀접하게 연관되어 있다는 점을 고려하여 설계할 필요가 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.