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아날로그 방식으로 전력 스케일링과 시퀀싱 관리하기

사물 인터넷(IOT) 애플리케이션의 등장으로 ASIC(application-specific integrated circuit)과 FPGA(field-programmable gate array)가 클라우드 컴퓨팅 및 서버 시스템 애플리케이션에 점점 더 많이 사용되고 있다. 이들 고성능제품은 보다 높은 처리 능력과 끊임없이 증가하는 클록 속도를 요구한다.

전압 및 전력 스케일링 기술은 소형의 고밀도 집적 회로에 매우 강력하고 다양한 기능의 전원 관리 시스템을 구현함으로써 전력 손실을 크게 줄이고 디바이스 접합 온도를 최적화하여 시스템의 고성능 요구사항을 충족한다. AVSO(Adaptive voltage-scaling optimization)는 전압 스케일링 구현 기술 중 하나이다.

AVSO 구현에는 디지털 또는 아날로그 방식 등 다양한 방법이 있다. 가장 많이 이용되는 방식은 PMBus 또는 I2C 인터페이스를 사용하는 것이다. 초기 전원 전압을 프로그램하여 적절한 정확도로 ASIC, FPGA 또는 마이크로 프로세서를 작동시킬 수 있다. 프로세서는 부트-업(boot-up) 시퀀스를 완료하면 PMBus 또는 I2C 명령 세트를 통해 전압 레귤레이터와 통신한다. 이러한 통신의 목적은 레귤레이터에게 호스트의 성능 요구에 맞추어 출력 전압 레벨을 조절하도록 명령하는 데 있다. 가장 잘 알려진 표준 명령은 VOUT_COMMAND와 VOUT_MARGIN이다. 상호간 데이터 교환을 원활하게 하기 위해 호스트와 전압 레귤레이터는 모두 동일한 디지털 통신 프로토콜을 구현할 필요가 있다.

때때로 디지털 구현은 최종 시스템에서 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어의 부족으로 실행 가능한 옵션이 되지 못한다. 여전히 전력 소모를 최적화할 필요가 있는 시스템의 경우에는 레퍼런스 입력(REFIN)을 사용하는 아날로그 전압 레귤레이터를 고려할 수 있다. 예로 TI의 TPS548D21는 초소형 5mm x 7mm stacked-clip QFN 패키지에 40A 고성능 동기식 스텝다운 컨버터를 완전 통합하고 AVSO 및 완전 차동 감지를 지원한다. (그림 1 참조).


그림 1: TPS548D21 핀아웃 다이어그램 및 패키지 하단 면

TPS548D21을 사용하면 전압 스케일링과 시퀀싱을 매우 쉽게 관리할 수 있다. TPS548D21는 MODE 핀 스트랩 구성을 통해 트래킹(전압 스케일링) 또는 시퀀싱 모드로 동작할 수 있다.

전압 스케일링/트래킹의 경우 레퍼런스 트래킹 입력(REFIN_TRK)은 외부 레퍼런스 전압 소스에서 TPS548D21의 레퍼런스 전압을 설정할 수 있게 한다(그림 2). 입력 임피던스는 100kW보다 훨씬 낮아야 하지만, 이 전압 소스는 0V ~ 1.25V 사이의 어느 전압이나 될 수 있다. 외부 전압 소스가 두 전압 레벨 사이(0.5V ~ 1.25V 사이)에서 위 아래로 변동할 때 슬루율은 1mV/µsec가 넘지 않도록 제어되어야 한다. 트래킹 정확도는 0.5V ~ 1.25V 사이에서 1% 미만까지 가능하다.

TPS548D21의 외부 시퀀싱 기능은 TPS548D21의 REFIN_TRK 핀에 동일한 전압 소스를 인가함으로써 시동 및 셧다운 시 여러 컨버터에 대한 비율계량 방식(ratiometric)의 시퀀싱을 가능하게 한다(그림 3). 외부 트래킹(시퀀싱)을 수행하도록 TPS548D21를 프로그램할 경우, REFIN_TRK 전압은 0V로부터 시작해야 하며 외부에서 인가되는 램프는 파워-온 지연이 완료되면 램프해야 한다. 램프 시간은 지속 시간이 1ms보다 길어야 한다.


그림 2: 트래킹 파형                                  그림 3: 시퀀싱 파형

아날로그 트래킹의 추가적인 이점은 변화가 즉각적으로 일어나기 때문에 레퍼런스 입력과 출력 응답 사이에 지연이 없이 시스템 응답은 향상시키고 전력 손실을 낮출 수 있다는 점이다.

ASIC 또는 FPGA에 전원을 공급할 경우에는 전압 스케일링과 시퀀싱 관리에 완전한 아날로그 방식을 적용할 수 있다. (TPS548D21 데이터시트를 참조)