정확도 높은 윈도우 모니터로 전원 공급 장치 출력 성능 극대화

개요

기술이 점점 더 발전하면서, FPGA, 프로세서, DSP 및 ASIC과 같은 디지털 컴퓨팅 디바이스는 성능에 영향을 미치지 않으면서 전력 소모와 열 문제를 해결할 수 있도록 코어 전압이 점점 내려가는 추세이다. 이로 인해 코어 전원 허용 오차는 더 엄격해지고, 동작 전압 범위도 좁아질 수밖에 없다. 대부분의 스위칭 레귤레이터가 완벽하지는 않지만, 이와 같은 코어 전압 추세는 적절한 동작을 위해 매우 정확한 전원 공급을 필요로 한다.¹ 윈도우 전압 감시기는 디바이스가 적절한 코어 전압 레벨에서 동작하도록 보장할 뿐만 아니라, 감시기의 정확한 임계값은 스위칭 레귤레이터가 디바이스의 전원. ²

이 글에서는 정확도 높은 윈도우 전압 감시기가 어떻게 전원 공급 장치 출력을 최대화하는지에 대해 설명한다. 디바이스의 코어 전압을 위한 사용 가능한 전원 공급 범위를 향상시키면 유효한 동작 전원 공급 범위 내에서 동작을 보장할 수 있다.

머리말

휴대용 기기를 비롯하여 배터리로 구동되는 기기 및 장비에 대한 수요가 크게 증가하면서, 디지털 회로의 전력 소모는 주요 관심사 중 하나가 되었다. 컴퓨팅과 프로세싱이 점점 더 복잡해짐에 따라 FPGA와 기타 프로세싱 칩과 같은 더 빠른 디바이스가 필요해졌다. 복잡한 프로세싱은 더 큰 전력을 요구하는데, 이는 다시 고속 칩에 발열을 초래한다. 그림 1은 디바이스 차원에서의 공정 기술 추세가 나노미터 범위로 내려가고 있는 것을 보여주는데, 이에 대응하여 동작 전압 감소, 프로세싱 속도 최적화, 디바이스의 동작 수명 연장이 필요하다.³

이러한 기술 공정 최적화 추세에 발맞추기 위해서는 고도로 정확한 전원 공급 장치가 필요하다. 만약 전원 공급 장치의 실제 성능이 고려되지 않는다면 이는 나중에 시스템 성능 위험으로 이어질 수 있다. 대부분의 레귤레이터는 정확도가 충분히 높지 않기 때문에 코어 전압이 동작 요구 사항 이하로 떨어질 경우, 예컨대 FPGA 같은 프로세싱 디바이스가 오동작을 일으킬 위험이 있다. 또한 연속 동작 시, 코어 전압이 동작 요구 사항 최대치보다 높게 상승하면 FPGA가 손상되고 로직에서 홀드 타임 문제가 발생할 수 있다. 이 모든 위험은 부하 조건, 동작 온도 및 노후화와 함께 나타날 수 있다.¹ 이 글에서는 대부분의 예시로 FPAGA를 언급하고 있지만, FPGA 외의 컴퓨팅 및 프로세싱 디바이스에도 동일한 원칙이 적용된다.

허용 오차 취급 시 유의 사항

허용 오차는 관점에 따라 다르게 취급되므로 컴퓨팅 및 프로세싱 칩을 위한 전원 공급 장치를 설계하고 모니터링할 때 허용 오차에 대해 각별한 주의가 필요하다. 각각의 허용 오차를 정의하면 다음과 같다:

코어 전압 허용 오차

코어 전압 허용 오차는 컴퓨팅 디바이스의 코어 전원 규격이다. 표 1은 하나의 예로서 알테라(Altera)의 아리아 10(Arria 10) FPGA 코어 전압 규격을 보여준다. 최소 및 최대값 범위는 공칭값에 대해 ±3.3% 허용 오차에 해당한다. 이 디바이스를 표준 최소값보다 낮게, 또는 최대값보다 높게 작동하면 성능 이슈가 발생할 수 있다. 최적의 성능과 저전력 동작을 보장하기 위해서는 엄격한 허용 오차 적용이 필요하다.

전원 공급 장치 허용 오차

전원 공급 장치 허용 오차는 전원 공급 장치의 출력 편차 또는 출력 레귤레이션 성능이다. 전원 공급 장치 허용 오차를 엄격하게 관리하려면 전문적인 설계가 필요하다. 하지만, 이 허용 오차는 시간이 지남에 따라 부품의 노후화와 같은 여러 외부 요인으로 인해 달라질 수 있다. 실제 애플리케이션에서, 전원 공급 장치 출력 전압 허용 오차는 코어 입력 전압 허용 오차 내에 있어야 한다. 전원 공급 장치 출력은 FPGA와 같은 프로세싱 및 컴퓨팅 디바이스에 문제를 일으킬 가능성이 있다. 레귤레이터가 명시된 허용 오차를 갖는다 하더라도 출력 전압이 반드시 레귤레이션 규격의 정확히 중앙값에 위치하는 것은 아니며, 단지 레귤레이션 허용 범위 안에서 동작할 뿐이다. 이는 피드백 루프에 사용되는 저항들의 표준값에 의해 일어나는 DC 오차 때문일 수 있는데, 여기에는 고유한 허용 오차, 레퍼런스 전압의 강건성, 그리고 피드백 루프 보상 최적화가 포함된다. 예를 들어, 코어 전압이 스위칭 레귤레이터에 의해 공급되는 FPGA가 있다고 가정해 보자. 명시된 출력 전압 허용 오차가 ±2%인 이 스위칭 컨버터는 4% 범위 내 어디에서든 동작할 수 있다. 공칭값보다 낮은 경우에도 여전히 -2% 내에 있을 수 있으므로 이 FPGA는 타이밍 문제의 위험에 놓일 수 있다. 반대로 +2% 상한에 가까운 상황에서는, 여전히 FPGA 요구사항을 만족하지만, 의도한 설계와 달리 더 많은 전력을 낭비한다.¹이러한 상황을 모니터링하지 않고 방치한다면, 결국 이 디바이스는 권장 전압 레벨을 벗어나 동작하게 돼 더 심각한 문제로 이어질 수 있으므로, 반드시 이를 피해야 한다.

윈도우 감시기 허용 오차

윈도우 감시기 허용 오차 또는 허용 오차 범위는 공칭값에 대한 퍼센트 비율로 저전압(UV) 및 과전압(OV) 임계값을 설정한다. 공칭 전압값이 1V이고, 허용 오차 범위가 ±3%인 윈도우 전압 감시기의 경우, UV 임계값은 1V × 0.97로 설정되고, OV 임계값은 1V × 1.03로 설정된다. 그러나 이들 임계값 UV 및 OV는 임계값 정확도(threshold accuracy)라고 하는 자체 허용 오차를 갖는다.

윈도우 전압 감시기 사용

윈도우 전압 감시기는 UV 및 OV 임계값을 설정하여 디바이스가 지정된 전압 범위 내에서 동작하는지 모니터링한다. 이는 전원 전압이 이러한 설정 제한을 벗어나면 리셋 출력 신호를 발생시켜 시스템 오류를 방지하고 전자기기가 손상되지 않도록 보호한다. 그림 2의 타이밍 다이어그램은 모니터링되는 전압이 UV 임계값 아래로 떨어지거나 OV 임계값을 초과할 때 리셋 신호가 어떻게 출력되는지 보여준다. 윈도우 전압 감시기에는 UV 및 OV 임계값을 설정하고 최적의 동작을 위한 동작 허용 오차를 선택할 수 있는 여러 아키텍처 옵션이 있다.²

그러나 윈도우 감시기를 선택하고 최적의 상태로 사용하는 것은 그리 간단하지 않다. 적절한 허용 오차 범위는 사용 가능한 다양한 값들 중에서 신중하게 선택해야 한다. 또한 UV와 OV에 대한 리셋 임계값은 자체적인 정확도 규격이 함께 제공된다. 임계값 정확도(통상 백분율로 표시)는 실제 임계값이 계산된, 또는 목표 리셋 임계값과 일치하는 정도를 나타내며, 이는 집적회로(IC) 설계에서 저항 분배기와 밴드갭 회로에 의해 결정된다.⁴레퍼런스 전압과 저항이 안정적일수록 정확도 달성률이 높아진다. 그림 3은 윈도우 전압 감시기에서 허용 오차 범위와 임계값 정확도를 보여준다. UV와 OV의 실제 임계값 UV_TH 및 OV_TH는 각각 최소값과 최대값의 정확도 규격 내에서 달라질 수 있다.

전원 공급 장치 출력 전압 허용 오차 스펙은 종종 시스템 설계 중에 수행된다. ±3%의 허용 오차 또는 입력 전압 허용 오차 규격을 갖는 FPGA 코어의 경우, ±1%를 전원 공급 장치 DC 레귤레이션 오차에, 또 다른 ±1%를 출력 리플 전압에 할당하고, 나머지 ±1%를 과도 응답에 할당할 수 있다. DC 레귤레이션 오차가 ±2%로 늘어날 경우, 과도 응답에 허용할 수 있는 오차는 더 적어진다. 이로 인해 과도 응답이 코어 전압 규격 범위를 벗어날 수 있기 때문에, 직접 전력을 공급한다면 디바이스에 오작동 위험이 증가한다. 이 경우, 윈도우 전압 감시기를 사용하면 FPGA를 안전하게 리셋 모드로 전환하여 오류를 방지할 수 있다.

적절한 허용 오차 범위 선택

윈도우 전압 감시기를 사용할 때 흔히 겪게 되는 어려움 중 하나는 적절한 허용 오차 범위를 설정하고 선택하는 일이다. 사용자는 코어 전압 요구사항과 동일한 허용 오차를 갖는 윈도우 전압 감시기를 선택하는 경향이 있다. 예컨대 ±3% 허용 오차를 갖는 코어 전압 요구사항에 ±3% 허용 오차 범위를 갖는 윈도우 전압 감시기를 사용하는 식이다. 임계값 정확도 때문에, FPGA 코어 전압의 동작 요구사항과 동일한 허용 오차를 선택하면 최대 과전압 임계값(OV_TH(max))과 최소 저전압 임계값(UV_TH(min)) 가까이에서는 어디든지 리셋 출력이 트리거되어 오작동을 일으킬 가능성이 있다. 그림 4a에서, 모니터링되는 전원 공급은 코어 전압 허용 오차 밖으로 벗어날 수 있으며, 임계값 정확도를 고려하지 않을 경우 가능한 실제 동작 임계값에서 감시기에 의해 탐지되지 않을 수 있다. ±3%를 벗어난 이 전원 공급이 마이크로프로세서의 코어에 공급될 것이므로, 보다 적절한 허용 오차 범위 선택이 필요하다. 이러한 조건의 위험을 피하려면 OV_TH(max) 및 UV_TH(min)를 코어 전압의 ±3% 허용 오차 범위 내에서 설정해야 한다. 그러나 이렇게 하면 그림 4b에서 보이는 것처럼, 사용 가능한 전원 공급 범위의 일부가 정확도에 의해 잠식되므로 실제 전원 공급 동작 범위는 줄어들게 된다.

임계값 정확도의 영향

동일한 코어 전압 전원을 모니터링하기 위해 서로 다른 임계값 정확도를 갖는 2개의 윈도우 전압 감시기가 있다고 가정해 보자. 높은 정확도를 갖는 윈도우 전압 감시기의 실제 UV 및 OV 임계값은 예상되는 UV 및 OV 임계값에 대해 낮은 정확도를 갖는 감시기보다 편차가 적다. 그림 5a에서 임계값 정확도가 낮을수록 전원 공급 범위가 더 좁아진다는 사실에 주목할 필요가 있다. 코어 전원 전압이 UV 및 OV 모니터링 범위(그림 5a, 그림 5b에서 빨간색 영역) 안에 있으면 리셋 출력 신호가 선언되기 때문이다. 낮은 정확도의 전원 공급 장치와 좋지 않은 레귤레이션을 갖는 애플리케이션에서, 이는 리셋과 시스템 발진이 발생하기 쉬운 민감한 시스템으로 이어질 수 있다. 반면, 높은 임계값 정확도는 더 넓게 확장된 사용 가능한 전원 공급 범위를 제공하므로, 그림 5b와 같이 안정적으로 동작하여 시스템 성능을 향상시킨다.

그림 6은 서로 다른 임계값 정확도를 갖는 2개의 윈도우 전압 감시기를 사용하여 허용 오차 규격이 ±5%인 2.5V 코어 전압을 모니터링하는 예를 보여준다. 예시에 사용된 허용 오차 범위는 실제 사용 가능한 옵션이 아닐 수 있지만 임계값 정확도를 설명하기 위해 선택되었다. 사용된 윈도우 전압 감시기는 각각 그림 6a 및 6b에서 ±1.5% 및 ±0.3%의 임계값 정확도를 갖는다. 임계값 정확도가 ±1.5%인 경우, 그림 6a에 보이는 오작동 영역에서 동작을 피하기 위한 최적의 허용 오차 범위는 ±3.5%이다. 이에 따라 전원 공급 동작 범위는 100mV가 된다. 반면에 임계값 정확도가 ±0.3%인 경우, 오작동 위험 없이 전원 공급을 최대화하는 최적의 허용 오차 범위는 ±4.7%이다. 이 설정값들은 전원 공급 동작 범위가 220mV의 전원 공급 동작 범위를 제공한다. 이러한 정확도 차이는 동작하는 전원 공급 범위를 두 배 이상 향상시킴으로써 전원 공급 장치 성능을 극대화한다.

이 계산은윈도우 전압 모니터 계산기(Window Voltage Monitor Calculator)를 사용하여 얻은 결과이다. 이 도구는 윈도우 전압 감시기의 다양한 변수들을 쉽게 이해하고 시각화하도록 도와준다. 또한 이 도구를 활용하여, 사용자는 디바이스 규격이 전원 공급 동작 범위와 같은 설계 요구사항에 맞는지 여부를 검사할 수 있다. 이 도구는 다음 제품 페이지에서 다운로드할 수 있다:MAX16138, MAX16191, MAX16193, MAX16132/MAX16133/MAX16134/MAX16135, MAX16137.

더 낮은 코어 전압에 대한 요구에 대처하기 위해 윈도우 전압 감시기의 아키텍처와 성능이 지속적으로 향상하면서, 임계값 정확도는 이제 ±1.5%에서부터 ±0.3%까지 높은 수준을 제공할 수 있다. 또한 정밀도를 향상하기 위해 출고 시 보정된 모니터링된 공칭 전압 및 허용 오차 범위를 갖춘 윈도우 전압 감시기를 사용할 수 있다.^2,5MAX16193은 ±0.3% 정확도의 듀얼 채널 감시기 회로이며, 2024년 현재 폭 넓은 온도 범위에 걸쳐 업계에서 가장 높은 임계값 정확도를 제공하는 윈도우 전압 감시기이다. 산업용 및 자동차 애플리케이션을 위한 다양한 전원 전압과 허용 오차를 수용할 수 있도록 ±2%에서 ±5%까지 출고 시 보정된 다양한 허용 오차 범위가 제공된다. 그림 7의 일반적인 애플리케이션 회로에서, 입력 채널 1(IN1)은 ±0.3%의 정확도로 0.6V ~ 0.9V 임계값 범위의 낮은 코어 전압 레일을 모니터링하고, 입력 채널 2(IN2)는 ±0.3%의 정확도로 0.9V ~ 3.3V 임계값 범위의 더 높은 시스템 전압 레일을 모니터링한다.

MAX16193의 임계값 정확도 규격은 -40°C ~ +125°C 동작 범위 내의 모든 온도에 해당된다. 그림 8a 및 8b는 2개의 입력 IN1 및 IN2에 대한 디바이스의 높은 임계값 정확도가 광범위한 온도에서 그대로 적용된다는 것을 보여준다. 다른 전압 감시기들은 특정 범위에서만 최적의 성능을 제공하는 반면, 이 디바이스는 최소 동작 온도에서부터 최대 동작 온도까지 높은 정확도를 보장한다.

결론

공정 기술의 발전과 더불어 속도와 전력 최적화 요구에 따라, 디바이스의 코어 전압은 점점 더 낮아지고 허용 오차는 점점 더 엄격해지고 있다. 윈도우 전압 감시기는 이러한 디바이스에서 심각한 문제가 발생하지 않도록 도와주며, 임계값 정확도는 디바이스 규격 범위 내에서 동작하도록 하는 중요한 역할을 한다. 윈도우 전압 감시기의 높은 임계값 정확도는 동작하는 전원 공급 범위를 향상시켜 전원 공급 장치 성능을 극대화함으로써 원치 않는 잦은 리셋과 시스템 발진을 방지한다.

참고문헌

¹ Nathan Enger. “Care and Feeding of FPGA Power Supplies: A How and Why Guide to Success.” Analog Dialogue, Vol. 52, No. 11, November 2018.

² Camille Bianca Gomez and Noel Tenorio. “Optimize Your System Design with the Right Window Voltage Supervisor.” Analog Dialogue, Vol. 58, No. 3, September 2024.

³ Mohammed Mahaboob Basha, Kota Venkata Ramanaiah, and Palakolanu Ramana Reddy. “Design of Near Threshold 10TFull Subtractor Circuit for Energy Efficient Signal Processing Applications.” International Journal of Image, Graphics and Signal Processing, December 2017

⁴ Noel Tenorio. “How Voltage Supervisors Address Power Supply Noise and Glitches.” Analog Dialogue, Vol. 57, No. 4, November 2023.

⁵ "Voltage Monitors and Supervisors Product Highlights.” Analog Devices, Inc.

⁶ "Keep the Product Working-Microprocessor Supervisors Offer Big Insurance in Small Packages.” Analog Devices, Inc., November 2001.

⁷ Pinkesh Sachdev. “Design Note FPGA Power System Management.” Analog Devices, Inc., March 2020.

⁸ Caroline Hayes. “Designing Supply Voltage Supervision for Multirail Boards.” Electronic Specifier, October 2015.

저자 소개

노엘 테노리오(Noel Tenorio)는 아나로그디바이스(Analog Devices) 필리핀에서 고성능 감시기 제품을 담당하고 있는, 멀티마켓 전력 사업부의 제품 애플리케이션 매니저이다. 그는 2016년 8월에 ADI에 입사했으며, 그 전에는 SMPS(switch-mode power supply) 연구개발 회사에서 6년간 설계 엔지니어로 재직했다. 바탕가스 주립대학교에서 전자통신공학 학사 학위를, 마푸아대학교 전력전자공학과에서 전기공학 전공으로 대학원을 졸업하고 전자공학 석사 학위를 취득했다. 감시기 제품 담당 전에는 열전기 냉각기 컨트롤러 제품을 위한 애플리케이션 지원을 맡았다.

카밀 비앙카 고메즈(Camille Bianca Gomez)는 멀티마켓 전력 동부 사업부의 제품 애플리케이션 엔지니어이다. 그는 2022년 3월에 아나로그디바이스(ADI)에 입사했다. 데라살대학교 라구나 캠퍼스에서 전자공학 학사 학위를 받았다. 이전에는 자동차 제조회사에서 3.5년간 설계 엔지니어로 근무했으며, 현재는 고성능 감시기 제품의 지원 및 제품 개발을 담당하고 있다.