기술원고

공간 제한적인 애플리케이션에서의 효율과 전력 소모

공장, 빌딩, 그 밖의 다양한 분야에 사용되는 전자 장비들이 크기는 점점 줄어들면서 갈수록 더 똑똑해지고 있다. 그러므로 이러한 장비에 사용되는 부품들 역시 점점 소형화되고 있다. 하지만 아날로그 IC와 특히 전원 관리 부품은 크기를 줄이는 것이 결코 쉽지 않은 일이다. 이 글에서는 적은 보드 공간을 차지하고 전력 소모가 낮고 높은 효율을 달성하는 새로운 차원의 전원 솔루션을 소개한다.


글/Thong “Anthony” Huynh, Principal MTS, Industrial Power Applications,
     Anil Telikepalli, Executive Director, Industrial & Healthcare Business Unit



인공 지능, IoT, 머신 러닝이 이미 우리 생활 곳곳으로 파고들고 있다. 산업용과 군사용에서부터 통신, 의료용, 컨슈머에 이르기까지 모든 분야에서 근본적인 변화를 가져올 것으로 예상된다. 이들 전자 장비들이 데이터를 수집하고, 합성하고, 적절히 대응하기 위해서는 인공지능을 필요로 한다. 인공지능이 추가될수록 더 작은 크기에 더 많은 전력을 필요로 하며 열 발생은 줄여야 한다. 기존의 솔루션을 사용해서는 이러한 요구를 충족하기가 어렵고 복잡하다. 센싱, 커넥티비티, 클라우드 컴퓨팅이 눈부시게 발전하면서 부품 소형화가 시급한 과제로 떠오르고 있다. 더 세밀한 프로세스 기술을 사용해서 디지털 IC를 축소하는 것이 가능하다.
반면, 아날로그 IC의 크기를 축소하는 것이 쉽지 않다. PCB 상에서 상당한 면적을 차지하는 전원 관리 부품은 더욱 어렵다. 최근 들어 아키텍처, 프로세스, 패키징 기술이 발전함에 따라 이러한 요구를 충족하는 새로운 전원 솔루션이 등장하고 있다. 이 글에서는 신뢰성을 떨어트리지 않으면서 극히 소형화된 폼팩터로 높은 효율과 낮은 전력 소모를 달성하는 전원 솔루션과 그 사례를 소개한다.


새로운 차원의 전원 모듈


Maxim의 새로운 고효율 uSLIC 파워 모듈 제품군은 인덕터를 통합한 제품으로서, 솔루션 크기를 소형화하고 온도 상승을 낮추고 개발 시간을 단축한다.

TT(공간)-1.jpg

[그림 1] MAZM17532 히말라야 uSLIC 파워 모듈

MAXM17532는 4V~42V 입력의 스텝다운 DC-DC 파워 모듈로서, 컨트롤러, MOSFET, 인덕터, 보상 회로까지 통합하였다. 0.9V~5.5V의 조절가능 출력 전압과 최대 100mA의 부하 전류를 제공한다. 기능 집적도가 뛰어나므로 크기, 설계 복잡성, 제조 위험성을 줄인다. 열향상 극소형 10핀 2.6mm x 3mm x 1.5mm 패키지로 진정한 “플러그-앤-플레이” 전원 솔루션이다.
MAXM15462는 히말라야 uSLIC 제품군의 또 다른 제품이다. 동일한 극소형 패키지로 4.5V~42V 입력으로 동작하고 0.9V~5V 출력 전압으로 최대 300mA를 제공한다. 이외에도 이 제품군으로 계속해서 새로운 제품을 추가할 계획이다.

TT(공간)-2.jpg

[그림 2] MAXM17532 히말라야 uSLIC 모듈을 사용한 애플리케이션 예


TT(공간)-3.jpg
[그림 3] MAXM15462 히말라야 uSLIC 모듈을 사용한 애플리케이션 예

산업용 애플리케이션으로는 42V 최대 동작 전압이 중요하게 요구된다. 그래야 잡음이 심한 12V 입력의 애플리케이션뿐만 아니라 널리 사용되는 24V 애플리케이션을 지원할 수 있기 때문이다. 현재 시장에서 사용되고 있는 것과 같이 42V 절대값과 36V 최대 동작 전압으로는 이러한 애플리케이션을 지원하기에 부족할 수 있다. 시스템 결함을 일으키고 제품 리콜을 초래할 수 있다.
시장의 다른 솔루션들과 달리 새로운 전원 모듈 제품은 다음과 같은 장점을 제공한다:
* 널리 사용되는 주요 레일 제공: 넓은 입력 범위로 동작하므로 5V, 12V, 24V, 36V 입력 전압으로 동작하는 다양한 애플리케이션을 지원할 수 있다.
* 가장 작은 솔루션 크기: 경쟁 솔루션과 비교해서 2.25배 더 작은 솔루션 크기
* 높은 효율: 15mm2 미만의 솔루션 크기로 90% 피크 효율을 달성한다. 열 성능이 뛰어나다.
* 설계 간소화: 보상 기능을 포함하는 완전 동기식 벅 레귤레이터이다. 인덕터를 통합하여 설계를 간소화하고 개발 시간을 단축한다.
* 견고성: CISPR 22(EN 55022) 클래스 BEMC 요건, JESD22-B103/B104/B111 낙하, 충격, 진동 요건을 충족한다. 이에 관해서는 애플리케이션 노트 (uSLIC) 패키지에 관한 어셈블리 가이드라인(AN6417)과 디자인 솔루션 소형화된 센서로 어느 때보다 더 높은 전력 제공(DS69)에서 좀더 자세히 설명하고 있다.


사례1. 공장 자동화 애플리케이션: 광학 근접 센서


IO-Link 인터페이스를 적용한 광학 근접 센서를 예로 들어서 uSLIC 파워 솔루션이 얼마나 유용한지 살펴보자.

TT(공간)-4.jpg

[그림 4] MAXM17532를 채택한 초소형 근접 센서


TT(공간)-5.jpg

[그림 5] 광학 근접 센서 시스템 블록 다이어그램

이 센서는 전체적인 회로를 6.5mm x 30mm 크기의 PCB 안에 설계해야 한다. 24V 입력(19.2VDC~30VDC)으로 80mA를 소모한다. 이 애플리케이션으로 MAXM17532 uSLIC 전원 모듈이 24V 버스 전압을 5V로 변환해서 마이크로프로세서나 ASIC, 여타의 다양한 혼성신호 블록들을 구동한다.

TT(공간)-표1.jpg

[표 1] MAXM17532와 LDO 성능 비교

이 제품군은 효율이 우수하고, 솔루션 크기를 소형화한다. 소수의 외부 소자만 필요하므로 공간 제한적인 애플리케이션에 잘 맞는다. 24V 입력에 5V/80mA 출력이고 변환 효율은 83%이므로 다음과 같이 분석할 수 있다:

PIN = POUT/effi = (VOUT x IOUT)/effie = (5V x 80mA)/83% = 482mW
MAXM17532 Power consumption: (PIN - POUT) = 482mW - (5V x 80mA) = 82mW

이 애플리케이션으로 LDO를 사용하면 전력 소모는 다음과 같을 것이다:

PIN = VIN x IOUT = 24V x 80mA = 1920mW
LDO Power Loss : (PIN - POUT) = 1920mW - (5V x 80mA) = 1520mW
LDO effi = POUT/PIN = (5V x 80mA)/1920mW = 21%

표 1은 VIN = 24V, VOUT = 5V, IOUT = 80mA, 출력 전력 = 400mW일 때 결과를 보여준다. 그러므로 극소형 uSLIC 전원 솔루션이 LDO와 비교해서 4배 더 효율적이며 전력 소모는 1/19로 낮아진다.


사례2. 산업용 애플리케이션: 모터 인코더


이번에는 모터 인코더와 이의 시스템 블록 다이어그램을 보자.

TT(공간)-6.jpg

[그림 6] 인코더 적용 모터


TT(공간)-7.jpg

[그림 7] 인코더 및 디지털 레이팅 플레이트 시스템 전원 다이어그램

인코더 및 디지털 레이팅 플레이트는 산업용 24VDC 입력(19.2VDC~30VDC)을 사용해서 구동된다. 모터 인덕티브 링잉으로부터 모터를 보호하기 위해 추가 마진이 필요하며, 7VDC~36VDC의 전원 컨버터 동작 범위가 필요하다.
3.3V/150mA 레일의 경우를 살펴보자. 이 레일에 MAXM15462를 사용하면 24V로 150mA 출력일 때 85% 효율이다. 위에서와 같은 식으로 계산하면 PIN = 583mW이고 전력 소모는 88mW이다.
이것을 LDO를 사용한 솔루션과 비교해 보자. 이러한 높은 전류로 전원 소스로부터 곧바로 LDO를 사용하면 많은 열이 발생한다. DC-DC 컨버터를 추가해서 5.5V의 중간 레일을 발생시키고 이로부터 LDO로 전력을 제공해야 한다. 이 중간 DC-DC 컨버터가 최신 제품으로서 효율이 90%라고 하면, 이 디자인의 성능은 다음과 같이 분석할 수 있다:

3.3V LDO output power = 3.3V x 150mA = 495mW
3.3V LDO input power = 5.5V x 150mA = 825mW
24V로 3.3V 출력일 때 입력 전원 전력 = 825mW/90% = 917mW
3.3V Power Loss = 917mW ? 495mW = 422mW
Total System Effi = 495mW/917mW = 54%

표 2에서는 VIN = 24V, VOUT = 3.3V, IOUT = 150mW, 출력 전력 = 495mW일 때의 결과를 보여준다.

TT(공간)-표2.jpg

[표 2] MAXM15462와 LDO 성능 비교


TT(공간)-8.jpg

[그림 8] ATCA 보드를 사용해서 AMC 카드 구동

극소형 uSLIC 전원 솔루션이 LDO보다 1.6배 더 효율이 우수하고, 총 디바이스 전력 소모는 1/4미만으로 줄어든다는 것을 알 수 있다. 이로써 고온으로 동작하는 모터 환경의 전력 소모를 상당히 줄일 수 있다. 특이 이 애플리케이션의 경우, 4개 전압 레일의 전력 소모를 모두 합친다면 훨씬 더 많은 양의 전력을 절약할 수 있다. LDO 솔루션은 추가적인 중간 DC-DC 컨버터를 필요로 하며 비용을 증가시키고 추가적인 공간을 차지한다.


사례3. 통신 애플리케이션: ATCA 하우스키핑


첨단 메자닌 카드(AMC)는 ATCA(advanced telecom computing architecture) 보드의 기능을 확장할 수 있는 모듈러 애드온이다.
AMC 카드는 최대 100mA 전류로 +3.3V 하우스키핑 전원을 필요로 한다. uSLIC 전원 모듈을 사용해서 +3.3V 전원 요구를 잘 충족할 수 있을 뿐만 아니라 적은 공간만을 차지하므로 남는 공간에 추가적인 회로를 사용할 수 있다.


사례4. 컨슈머 애플리케이션: AI 스피커


음성 제어 디지털 비서와 그 밖에 냉장고, 전자레인지, 커피 머신 같은 많은 가정용 전자기기들은 5V USB나 15VOUT 월 어댑터를 사용한다. 지극히 밀집된 공간으로 저전류 전원 장치를 필요로 한다. 오디오 증폭기와 프로세서는 좀더 높은 전류를 필요로 한다.
무선 모듈은 100mA~300mA를 필요로 한다. uSLIC 전원 모듈은 5V/15V 입력으로 동작하고 90% 효율을 제공한다. 극소형 크기로 더 작은 PCB에 더 많은 기능을 넣을 수 있도록 해준다.

TT(공간)-9.jpg

[그림 9] AI 스피커


TT(공간)-10.jpg

[그림 10] MAXM15462 uSLIC를 사용한 무선 LAN 모듈 구동

EMI 적합성

전자 장비는 EMI 요건을 충족해야 한다. uSLIC 파워 모듈 제품군은 CISPR 22(EN55022)의 전도 및 복사 EMI 요건을 충족한다. 다음은 MAXM17532의 EMI 시험 결과이다. 디자인 솔루션 “소형화된 센서로 어느 때보다 더 높은 전력 제공(DS69)”에서는 이에 관해서 좀 더 자세히 설명하고 있다.

TT(공간)-11.jpg

[그림 11] MAXM17532 전도 EMI 시험 결과 - CISPR 22 클래스 B 통과


TT(공간)-12.jpg
[그림 12] MAXM17532 복사 EMI 시험 결과 - CISPR 22 클래스 B 통과

맺음말

공간 제한적인 애플리케이션에 대해서 효율, 전력 소모, 소형화에 대한 요구가 있다. 아키텍처, 프로세스, 패키징 기술이 발전하면서 이를 충족하는 새로운 차원의 전원 솔루션이 제공된다.
Maxim의 uSLIC 전원 모듈 제품군은 부품 소형화에 있어서 한 차원 앞선 제품이다. 인공 지능, IoT, 머신 러닝, 커넥티비티, 클라우드 컴퓨팅, 통신, 의료용, 컨슈머를 비롯한 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있는 유용한 솔루션이다.


추가 정보

Maxim의 uSLIC 파워 모듈;
www.maximintegrated.com/uSLIC
Maxim의 Himalaya 스텝다운 스위칭 레귤레이터;
www.maximintegrated.com/himalaya

기사입력 : 2018-07-03