SoC 전원 공급을 위한 PMIC 활용의 이점

글: 에르모헤네스 에스칼라(Hermogenes Escala) 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

임베디드 시스템이 점점 더 복잡해짐에 따라 기존의 마이크로컨트롤러(MCU)만으로는 오늘날의 성능 요구를 충족하기 어려운 경우가 많아졌다. 이러한 변화는 많은 설계 엔지니어들이 더 높은 집적도와 처리 성능을 제공하는 시스템 온 칩(SoC) 솔루션을 채택하도록 이끌었다. 그러나 SoC는 새로운 과제들, 특히 전원 관리 측면에서의 과제들을 제시한다. 이 글은 SoC 구동을 위한 전원 관리의 기본 고려사항을 다루며, 데이터시트와 기술 참조 매뉴얼에서 제공되는 핵심 정보를 해석하고 적용하는 방법을 설명한다. 또한 전원 공급 회로 설계에 영향을 미치는 다섯 가지 주요 조건을 단계별로 살펴봄으로써 엔지니어가 전원 관리 IC(PMIC)를 SoC 기반 시스템에 자신 있게 통합할 수 있도록 실질적인 가이드를 제공한다.

머리말

임베디드 시스템은 엣지 AI, 첨단 연결성, 멀티미디어 프로세싱 등 점점 더 높은 성능을 요구하는 애플리케이션을 처리하도록 진화하고 있다. 이에 따라 설계 엔지니어들은 기존 마이크로컨트롤러(MCU)보다 성능과 기능에서 월등한 장점을 제공하는 시스템 온 칩(SoC) 솔루션을 점점 더 많이 채택하고 있다. 하지만 SoC는 새로운 설계 복잡성을 가져오며, 특히 전원 관리 측면에서 커다란 과제를 제시한다.

단일 전원 전압만으로 구동되는 경우가 많은 단순한 마이크로컨트롤러와 달리, SoC는 일반적으로 여러 개의 전원 레일을 필요로 한다. 각 전원은 특정 전압 레벨, 전류 용량, 시퀀싱 요구사항, 타이밍 제약 조건을 충족해야 한다. 이러한 조건을 제대로 만족하지 못하면 불안정한 동작, 성능 저하, 심지어는 디바이스의 영구적인 손상을 초래할 수 있다.

SoC란?

SoC는 컴퓨터나 전자 시스템에 필요한 핵심 구성 요소들을 하나의 칩 안에 통합한 집적회로(IC)이다. 여기에는 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 메모리 컨트롤러, 입출력(I/O) 인터페이스가 포함되며, 디지털 신호 처리(DSP), AI 가속기, 무선 통신 모듈(와이파이, 블루투스, LTE/5G)과 같은 특화된 블록이 포함되는 경우도 많다. SoC의 목적은 높은 성능과 다양한 기능을 전력 효율적인 소형 폼팩터로 제공하는 것이며, 이로 인해 모바일 기기나 임베디드 애플리케이션에 이상적인 솔루션으로 자리 잡고 있다.

SoC 개발은 1980년대 후반과 1990년대 초반, 더 작고 효율적인 전자기기에 대한 요구에 의해 시작되었다. 초창기 SoC는 주로 임베디드 시스템과 휴대폰에 사용되었지만, 반도체 기술이 발전하면서 성능과 활용 범위가 크게 확장되었다. 오늘날 SoC는 최신 소비가전 제품의 핵심 기반으로 자리잡아, 스마트폰과 태블릿, 스마트워치, 의료기기, 스마트 TV, 자동차 전장 시스템, 사물인터넷(IoT) 기기까지 다양한 제품의 핵심 부품으로 자리잡았다.

SoC는 우수한 집적도와 성능을 제공하면서도 전력 소모와 물리적 공간을 최소화할 수 있기 때문에 오늘날의 기술 환경에 필수적이다. 특히 배터리 수명과 소형 설계가 중요한 휴대용 및 웨어러블 기기에서는 SoC의 장점이 더욱 부각된다. 또한 SoC의 높은 집적 수준은 회로 기판에 필요한 부품 수를 줄여 설계를 단순화하고 제조 비용을 낮추며 신뢰성을 높인다.

SoC의 주요 특징으로는 높은 집적도, 에너지 효율성, 실시간 처리 능력, 첨단 연결성 지원을 꼽을 수 있다. 이처럼 많은 장점들 덕분에 SoC는 보다 빠른 처리 속도, 낮은 전력 소모, 소형화, 비용 절감 등 다양한 이점을 제공한다. 더 나아가 많은 SoC는 특정 애플리케이션을 겨냥해 설계되어, 성능과 효율성을 더욱 최적화할 수 있는 맞춤형 솔루션으로 활용된다.

PMIC란?

PMIC(power management integrated circuit)는 현대 전자 시스템의 전원 요구를 관리 및 제어하기 위해 특별히 설계된 반도체 디바이스이다. PMIC는 스마트폰, 태블릿, 노트북PC, 웨어러블 기기, 임베디드 시스템처럼 복잡한 기기에서 필수적인 역할을 한다. 이러한 기기들은 여러 구성 요소가 각각 서로 다른 전압과 전류 조건에서 안정적이고 효율적으로 동작해야 하므로 정밀한 전원 제어가 필요하다. PMIC는 전원 분배의 중심 허브로 동작하여 각 서브시스템이 필요한 시점에 정확한 전원을 공급받도록 보장한다. 동시에 에너지 사용을 최적화해 배터리 수명을 연장하고 발열을 줄이는 기능도 수행한다.

PMIC는 일반적으로 여러 가지 핵심 기능을 하나의 칩 안에 통합한다. 여기에는 벅(buck), 부스트(boost), LDO(low dropout) 레귤레이터를 통한 전압 조정, 배터리 충전 및 모니터링, 전원 시퀀싱, 열 관리, 그리고 장애 보호 기능이 포함된다. 이처럼 높은 집적 수준은 회로 기판에서 차지하는 공간을 절약할 뿐만 아니라 설계를 단순화하고 시스템 전체의 신뢰성을 향상시킨다.

통합 전원 관리라는 개념은 1980년대 후반과 1990년대 초반, 초기 휴대폰과 노트북 같은 휴대용 전자기기가 확산되면서 본격적으로 주목받기 시작했다. 초기에는 전원 관리가 개별 부품들로 이루어져 있었는데, 이는 부피가 크고 효율도 낮았다. 반도체 기술이 발전하면서 제조사들은 이러한 기능을 단일 칩에 통합하기 시작했고, 이를 통해 1세대 PMIC가 등장했다. 시간이 지나면서 PMIC는 동적 전압 스케일링(dynamic voltage scaling)과 지능형 파워 게이팅(intelligent power gating) 등을 포함해 점점 더 정교한 전원 아키텍처를 지원하도록 진화했으며, 지금은 에너지 효율 중심적인 설계에서 표준이 되었다./p>

오늘날 PMIC는 현대 전자기기의 핵심 요소로 자리 잡아, 디바이스들이 소형 배터리로도 더 오래 동작할 수 있도록 하고, 열 부하를 효과적으로 관리하며, 까다로운 에너지 효율 기준을 충족할 수 있게 한다. 이들은 특히 밀리와트 단위의 저전력과 밀리미터 단위의 공간 절약이 중요한 배터리 기반 애플리케이션과 공간 제약이 있는 애플리케이션에서 그 필요성이 더욱 강조된다.

디스크리트 기반의 전원 관리 솔루션은 벅 컨버터, LDO, 배터리 충전기, 보호 회로 등 특정 기능을 수행하는 개별 부품들을 사용한다. 이러한 접근 방식은 요구 사양에 맞는 부품을 사용자가 선택할 수 있는 유연성을 제공하지만, PCB 면적 증가, 설계 복잡성 확대, 열 관리와 전자기 간섭(EMI) 제어의 어려움으로 이어지는 경우가 많다. 반면, PMIC는 여러 전원 기능을 단일 칩에 통합하여 보드 공간을 크게 줄이고 설계를 단순화하며 전체 시스템 효율을 향상시킨다. 그림 1은 기존의 디스크리트 기반 전원 관리 솔루션과 PMIC 기반 솔루션의 차이점을 비교한 것으로, 집적화의 이점을 잘 보여준다. PMIC는 소형화, 저전력 소모, 간소화된 전원 시퀀싱이 핵심 요구사항인 웨어러블처럼 공간 제약이 심한 애플리케이션에서 특히 유리하다. 또한 PMIC는 전원 모니터링, 장애 보호, 통신 인터페이스 같은 첨단 기능을 포함하기도 하는데, 개별 부품 방식에서는 이러한 기능을 구현하려면 추가적인 회로가 필요했다. 종합적으로 볼 때, 디스크리트 솔루션은 맞춤형 또는 고출력 시스템에는 적합할 수 있지만, 현대적인 소형 전자 설계에는 PMIC가 더 효율적이고 신뢰성 높은 접근법을 제공한다.

PMIC는 일반적으로 전원 및 통신 인터페이스 조합을 통해 SoC와 연결되어 효율적이고 조율된 전원 공급을 보장한다. PMIC는 벅 컨버터와 LDO 같은 집적 레귤레이터를 사용해 SoC가 필요로 하는 코어 전압, I/O 전압, 메모리 전압 등 다양한 전원 레일을 공급한다. 이 전원 레일들은 SoC의 해당 전원 입력 핀에 직접 연결된다. 전원 공급 외에도 PMIC는 I²C나 SPI 같은 디지털 인터페이스를 통해 SoC와 통신하는 경우가 많다. 이를 통해 SoC는 PMIC의 기능을 제어하고 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 전원 레일의 활성화와 비활성화, 출력 전압 조정, 오류 및 상태 레지스터 확인, 기동 및 종료 시 전원 시퀀싱 관리 등을 수행할 수 있다. 그림 2는 SoC와 PMIC 간의 전형적인 연결 다이어그램을 보여주며, 전원 경로와 통신 경로 모두를 나타낸다. 이러한 긴밀한 통합은 SoC가 안정적이고 효율적으로 동작하도록 보장하며, 특히 전력 소모에 민감한 모바일 및 웨어러블 기기와 같은 애플리케이션에서 큰 효과를 발휘한다.

PMIC로 SoC에 전원을 공급할 때 고려해야 할 핵심 파라미터

SoC에 전원을 공급하기 위해 PMIC를 활용할 때는 신뢰할 수 있고 효율적인 작동을 보장하기 위해 몇 가지 핵심 파라미터들을 면밀히 검토해야 한다. 이러한 조건들은 일반적으로 SoC 데이터시트나 기술 참조 매뉴얼에 제시되어 있으며, 해당 칩의 전기적·기능적 요구사항을 반영한다. 강건한 전원 공급 아키텍처를 설계하려면 이러한 파라미터들을 이해하는 게 필수적이다.

• 전압 요구사항: 코어, I/O, 주변 회로 등 전원 도메인의 전압 사양을 파악해야 한다.
• 전류 요구량: 각 전원 레일의 피크 및 평균 전류 소모를 정확히 추정해야 한다.
• 전원 시퀀싱: 전원이 인가되거나 차단되는 순서를 올바르게 정의해야 한다.
• 타이밍 제약 조건: 전원 레일 간 지연 및 램프 업/다운 시간을 관리해야 한다.
• 전원 모드와 전환: 에너지 효율을 위해 동적 전원 상태를 지원할 수 있어야 한다.

이 안내서를 통해 설계 엔지니어는 SoC가 안정적이고 효율적으로 동작하도록 보장하는 실질적이고 명확한 전원 아키텍처 설계 프레임워크를 마련할 수 있다. SoC 설계에 처음 도전하는 것이든, 기존 접근 방식을 개선하려는 것이든, 이 과정을 통해 전원 시퀀싱을 자신 있게 다룰 수 있는 기반을 갖게 될 것이다.

일반적인 전압 요구사항

SoC는 코어 로직, I/O 인터페이스, 아날로그 블록, 메모리 등 여러 전원 도메인을 가지며, 각 도메인은 서로 다른 전압 레벨을 요구한다. 이러한 전압 값은 일반적으로 데이터시트의 ‘권장 동작 조건’이나 ‘전원 공급 요구사항’ 항목에 명시되어 있다.

• 코어 전압(VDDCORE): CPU와 내부 로직을 구동한다. 보통 가장 낮은 전압을 사용하며, 일반적으로 0.8V ~ 1.2V 범위이다.
• I/O 전압(VDDIO): 입출력 인터페이스를 구동한다. 대표적인 값은 1.8V, 2.5V, 3.3V이다.
• 아날로그 전압(VDDA): ADC, PLL과 같은 아날로그 주변 회로를 구동한다. 낮은 노이즈와 안정적인 전원 공급이 요구된다.

PMIC 설계 팁: 이러한 전압은 LDO나 벅 컨버터를 사용해 효율적으로 생성하는 것이 바람직하다.

전류 요구사항

각 전원 레일은 평균 전류와 피크 전류 요구를 모두 충족할 수 있어야 한다. 이러한 값은 일반적으로 데이터시트의 ‘전기적 특성’ 항목에서 확인하거나 SoC 공급회사가 제공하는 전원 모델링 툴을 통해 추정할 수 있다.

• 피크 전류: 부팅 시점이나 고성능 모드에서 필요하다.
• 평균 전류: 전원 장치의 용량 산정과 열 설계 관리에 중요한 기준이 된다.

PMIC 설계 팁: 과도 부하와 향후 확장성을 고려해 전류 추정치에 20% ~ 30% 정도의 안전 여유를 반드시 추가할 것을 권장한다.

전원 시퀀싱

많은 SoC는 래치업(latch-up), 브라운아웃(brownout), 손상 등을 방지하기 위해 전원 레일이 특정 순서로 인가되고 차단되어야 한다. 이러한 시퀀스는 일반적으로 데이터시트의 ‘전원 인가/차단 순서’ 항목에 명시되어 있다.

• 일반적인 순서: 코어 전압 → 아날로그 전압 → I/O 전압
• 종속 조건: 일부 주변 장치나 메모리 인터페이스는 동기화된 전원 인가가 필요할 수 있다.

PMIC 설계 팁: 시퀀싱 기능이 내장된 PMIC나 디스크리트 전원 시퀀서를 활용해 이 과정을 자동화하는 것이 바람직하다.

타이밍 제약 조건

전원 시퀀싱 외에도 전원 레일 간의 타이밍은 중요한 요소이다. 여기에는 다음과 같은 항목이 포함된다.

• 램프 타임(ramp time): 전압이 목표 레벨에 도달하는 속도
• 딜레이 타임(delay time): 서로 다른 전원 레일을 인가할 때 필요한 최소 대기 시간
• 홀드 타임(hold time): 다음 단계가 시작되기 전, 레일이 안정적으로 유지되어야 하는 시간

PMIC 설계 팁: 데이터시트의 타이밍 다이어그램을 반드시 확인하고, 지연 시간을 세밀하게 조정할 수 있는 프로그래머블 PMIC나 마이크로컨트롤러 GPIO를 사용하는 것이 좋다.

전원 모드와 전환

최신 SoC는 에너지 효율을 최적화하기 위해 여러 가지 전원 모드를 지원한다. 예를 들어 활성(active), 대기(idle), 슬립(sleep), 딥 슬립(deep sleep) 모드 등이 있다. 각 모드마다 서로 다른 전압 레벨을 요구하거나, 특정 전원 레일을 활성화 또는 비활성화할 수 있다.

• 동적 전압 스케일링(dynamic voltage scaling, DVS): 작업 부하에 따라 코어 전압을 조정한다.
• 파워 게이팅(power gating): 사용하지 않는 블록을 차단하여 전력 소모를 줄인다.

PMIC 설계 팁: I2C, SPI 또는 GPIO를 통해 동적 제어를 지원하는 PMIC를 선택해 전원 상태 전환을 원활하게 구현하는 것이 바람직하다.

PMIC의 활용처와 중요성

PMIC는 대부분의 스마트폰, 태블릿, 웨어러블 기기에 사용되며, 노트북과 울트라북, 차량의 전장장치, IoT 기기, 산업용 및 의료 장비에도 널리 쓰인다. 특히 스마트폰과 태블릿 같은 애플리케이션에서는 PMIC가 기기 전체에 효율적이고 안전하며 지능적인 전원 분배를 보장하는 핵심 역할을 담당한다. 이러한 모바일 기기는 CPU, GPU, 메모리, 디스플레이, 카메라, 무선 통신 모듈(와이파이, 블루투스, 셀룰러), 센서, 저장 장치 등 여러 서브시스템이 집적된 구조를 갖고 있으며, 각 블록마다 서로 다른 전력 요구사항을 가진다. PMIC는 이러한 다양한 요구를 실시간으로 관리하여 시스템이 안정적으로 동작하도록 한다.

현대 의료기기에서 PMIC의 역할

의료기기에서 PMIC는 다중 전원 레일을 제어하고, 배터리 충전 및 백업 시스템을 관리하며, 전원 전환이나 장애 상황에서도 끊김 없는 동작을 보장한다. 예를 들어, 혈당 측정기나 휴대용 심전도(ECG) 같은 휴대형·웨어러블 의료기기에서는 PMIC가 충전식 배터리에서 전원을 관리하고, 에너지 소비를 최적화해 배터리 수명을 연장하며, 저전력 조건에서도 기기가 안전하게 동작할 수 있도록 한다.

초음파 장비, 환자 모니터, MRI 스캐너 같은 복잡한 시스템에서는 PMIC가 메인 제어 보드에 통합되어 아날로그 프런트엔드, 디지털 프로세서, 메모리, 통신 모듈에 정확한 전압을 공급하는 역할을 맡는다. 이러한 시스템은 전원 시퀀싱을 요구하는 경우가 많으며, 서브시스템마다 특정 순서로 전원이 켜지고 꺼져야 오작동이나 데이터 손실을 방지할 수 있다. PMIC는 해당 시스템의 마이크로컨트롤러나 프로세서의 제어 신호 또는 프로그래머블 로직에 따라 이 시퀀싱을 자동으로 수행한다.

이 외에도 의료 분야에 사용되는 PMIC는 과전압 보호(OVP), 저전압 차단(UVLO), 과전류 보호(OCP), 열 차단과 같은 이중화한 안전 기능을 포함하는 경우가 많다. 이는 민감한 전자회로의 손상을 방지하고 환자의 안전을 확보하기 위해 필수적이다. 이식형 기기나 웨어러블 기기용 PMIC에는 초저전력 설계가 적용되며, 무선 충전이나 체열 또는 모션 기반의 에너지 하베스팅을 지원하는 인터페이스가 포함되기도 한다.

통합 측면에서, PMIC는 일반적으로 의료기기의 메인 PCB에 탑재되며, 특정 전원 프로파일이나 IEC 60601과 같은 의료 환경 규제 표준을 충족하기 위해 맞춤 선택되거나 아예 맞춤 설계되기도 한다. PMIC의 콤팩트한 크기와 높은 집적도는 의료기기 설계에서 매우 중요하게 요구되는 보드 공간 절약과 시스템 신뢰성 향상에 도움이 된다.

PMIC의 주요 장점

• 효율성: PMIC는 전원 변환과 분배를 최적화하여 에너지 손실과 발열을 줄인다. 이는 배터리 수명이 최우선인 배터리 기반 기기에서 특히 중요하다.
• 집적도: PMIC는 전압 조정, 배터리 충전, 전원 시퀀싱 등 다양한 전원 기능을 단일 칩에 통합함으로써 디스크리트 부품의 필요성을 줄인다. 이를 통해 보드 공간을 절약하고, 설계를 단순화하며, 시스템 전체 비용을 낮출 수 있다.
• 신뢰성: PMIC는 과전압 보호(OVP), 과전류 보호(OCP), 열 차단과 같은 보호 기능을 내장하고 있어 디바이스의 내구성과 안전성을 강화한다. 이는 의료기기나 자동차와 같이 안정성이 핵심인 애플리케이션에서 특히 중요하다.
• 맞춤화: 많은 PMIC는 시스템의 특정 전원 요구사항에 맞춰 설정이 가능하거나 맞춤 설계될 수 있다. 이를 통해 성능을 세밀하게 조정하고, 열 관리를 개선하며, 메인 프로세서나 SoC와 원활하게 통합될 수 있다.

PMIC의 그 밖에 다른 기능

일부 PMIC는 충전, 방전, 배터리 상태 모니터링 및 보호를 담당하는 배터리 관리 기능을 갖추고 있다. 또한 슬립 모드와 초저전력 모드에 있는 동안에는 전력 소비가 매우 적어, 시스템이 유휴 또는 대기 모드에 있을 때 전력 소비를 줄이는 데 도움이 된다.

급격히 발전하는 웨어러블 기술 분야에서는 원활한 사용자 경험을 제공하기 위해 전력 효율, 소형 설계, 기능 통합이 매우 중요하다. 아나로그디바이스(ADI)는 이러한 요구를 충족하기 위해 웨어러블 기기의 특수한 요구사항에 맞춰 설계된 다양한 고집적 PMIC 포트폴리오를 제공한다.

스마트워치, 건강 모니터링 기기, 피트니스 트래커 등 어떤 웨어러블 제품을 개발하든, 이들 PMIC 솔루션은 사용자에게 완벽하게 균형 잡힌 집적도, 효율, 성능 특성을 제공한다. 이러한 PMIC 솔루션들은 모든 웨어러블 제품의 핵심적인 성공 요인인 보드 공간 최소화, 배터리 수명 연장, 시스템 설계 단순화의 이점을 제공하도록 설계되었다(표 1 참조).

결론

SoC에 전원을 공급하는 것은 단순히 전압을 인가하는 것 이상의 정교한 작업을 필요로 한다. 이는 시스템의 안정성, 성능, 효율에 직접적인 영향을 주는 정교하게 조율된 과정이다. SoC가 첨단 애플리케이션에서 점점 더 단순한 마이크로컨트롤러를 대체함에 따라, 전원 요구사항을 이해하는 것은 모든 임베디드 설계 엔지니어에게 필수적인 과제가 되고 있다.

SoC의 데이터시트를 기반으로 전압 요구사항, 전류 요구량, 전원 시퀀싱, 타이밍 제약, 전원 모드라는 다섯 가지 핵심 조건에 집중하면 기술적 사양을 충족할 수 있을 뿐 아니라 장기적인 신뢰성과 확장성까지 고려한 전원 아키텍처를 구축할 수 있다. 설계에 PMIC를 통합하면 이 과정을 단순화할 수 있으며, 프로그래머블 시퀀싱, 동적 전압 스케일링(DVS), 장애 보호 기능 등 다양한 기능을 콤팩트한 풋프린트에 구현할 수 있다.

저자 소개

에르모헤네스 에스칼라(Hermogenes Escala)는 아나로그디바이스(Analog Devices)에서 EMEA 중앙 애플리케이션 센터(CAC)를 지원하는 애플리케이션 엔지니어이다. 그는 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)와 전원 관리 분야를 주로 담당하며, 풍부한 실무 경험과 기술적 통찰을 바탕으로 활동하고 있다. 필리핀 EVSU(Eastern Visayas State University)에서 전자·통신공학 학사 학위를, 마푸아 대학교(Mapúa University)에서 전력전자 과정을 수료했다.

ADI에 합류하기 전에는 자동차 대시보드, 오디오 시스템, 다양한 애플리케이션의 전원공급장치 설계, 의료기기 등 여러 산업 분야에서 설계 및 지원 업무를 수행하면서 폭넓고 실질적인 엔지니어링 경험을 쌓았다. 혁신과 지속적인 학습에 열정을 가지고 있으며, 복잡한 기술과 실제 응용 사이의 간극을 메우는 일을 즐긴다.