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엔지니어 인터뷰

FPGA의 까다로운 전원 요구를 만족하는 FPGA용 강압 DC/DC 컨버터 시리즈

FPGA의 전원 요구에
대응하기 위해

FPGA의 까다로운 전원 요구를 만족하는
FPGA용 강압 DC/DC 컨버터 시리즈 –제2장-

주목 키워드
  • 저전압
  • 대전류
  • 전압 정밀도
  • 리플
  • 부하 과도 응답
  • H3Reg
  • 레퍼런스 디자인
  • 효율

-FPGA의 전원 요구는 앞서 살펴보았으니, 이번에는 DC/DC 컨버터 시리즈가 「FPGA용」인 이유에 대해 설명 부탁드립니다. 우선, 시리즈에는 어떤 DC/DC 컨버터 IC가 있습니까?

현재는 8기종이 있으며, FPGA 전원의 전압과 전류를 커버할 수 있는 라인업으로 구비하고 있습니다. 하기 라인업 표를 참조하여 주십시오.

크게 분류하여, 파워 트랜지스터 내장 타입과 외장 컨트롤러 타입이 있으며, 모두 동기정류 타입의 1ch입니다. 입력전압은, 시스템 전압의 5V가 입력되는 경우와 12V BUS 입력의 경우도 상정하여, 내압은 7V와 15.2V, 컨트롤러는 28V입니다. 출력전류는 파워 트랜지스터 내장 타입이 1A~6A, 컨트롤러는 외장 MOSFET에 따라 폭넓은 설정이 가능합니다. 출력전압은 1.8V~1V 전후를 상정하므로, 최저 출력전압은 0.8V, 컨트롤러는 0.75V에 대응합니다. 범용 전원으로서도 일반적인 Power-Good, 소프트 스타트, 각종 보호 기능을 탑재하고 있습니다.

-방금 정리해 주신 FPGA의 전원에 관한 요구 사항은, 1) 다수의 전원전압, 2) 전원 시퀀스, 3) 저전압 대전류, 4) 높은 전압 정밀도 (리플, 부하 과도로 인한 변동, 기판 배선 저항으로 인한 전압 강하 등 포함), 5) Low Noise였습니다. 이러한 사항이 전원에 대한 과제라고 하셨는데, 본 DC/DC 컨버터 시리즈는 어떻게 대응하고 있습니까?

우선, 1) 다수의 전원전압은, 각 전원에 1개의 DC/DC 컨버터를 대응시킴으로써 최적의 조건을 설정할 수 있습니다. 2) 전원 시퀀스는, 소프트 스타트 및 외부 제어로 대응 가능합니다. 중요한 포인트는 3) 저전압 대전류와 4) 전압 정밀도에 대한 대응입니다. 5) Low Noise도 이에 관련됩니다.

-설명해주신 내용과 표를 보면, 최저 전압은 0.8V / 0.75V로 낮고, 출력전류는 1A~6A, 컨트롤러는 그 이상이 가능하다는 것을 알 수 있는데요, 최근의 범용 DC/DC 컨버터도 동일한 사양이라고 생각합니다.

포인트는, 4) 전압 정밀도입니다. DC의 전압 정밀도는 내부의 레퍼런스 전압 정밀도로 정해지고, ±1% (컨트롤러는 ±1.5%)를 최대치로 하여 보증하며, 이는 가장 정밀도가 높은 부류에 속합니다. 즉, 이것이 출력전압 정밀도의 모든 것이라고 한다면, 앞서 예로 든 1V±3%는 쉽게 해결할 수 있습니다. 단, 전압 정밀도는 괄호 안의 리플, 부하 과도로 인한 변동, 기판 배선 저항으로 인한 전압 강하 등이 가미되면 이들의 오차가 커지게 됩니다.

-그렇다면, 더해진 오차에 대한 대책이 있겠네요.

전압 정밀도에 영향을 미치는 요인인 리플부하 과도에 대한 대책과, 전압 강하에 대한 대책은 별도입니다. 우선, 리플과 부하 과도에 대해 설명하겠습니다. 리플은 출력에서의 피드백 전압에 대한 응답을 고속화화여, 레퍼런스 전압에 대해 가능한 좁은 범위에서 스위칭을 제어할 수 있다면 작게할 수 있습니다. 부하 과도에 관해서도 부하가 급격히 변동된 경우, 가능한 빠르게 응답하여 변동된 전압을 설정치로 되돌리는 것이 가능하다면, 출력 변동이 작아 단시간에 처리가 가능합니다. 이를 위해 본 DC/DC 컨버터 시리즈는 전류 모드, 히스테리시스 모드, H3Reg™ 모드라는, 모두 고속인 제어 모드를 채용하고 있습니다.

-전류 모드와 히스테리시스 모드는 기본적인 제어 방법으로 알려져 있습니다만, H3Reg는 어떤 모드입니까?

H3Reg는 로옴의 독자적인 고속 과도 응답 제어입니다. 하기의 블록도는 BD95601MUV-LB의 H3Reg 제어 루프를 나타낸 것입니다. H3Reg는 고정 온 타임 제어의 진화 버전에 해당하는 제어 방식으로, 전압 콤퍼레이터를 통해 기준전압 (레퍼런스)과 피드백 전압을 고속으로 비교하여, 출력 스위칭을 고속으로 전환합니다. 이것은 스위칭 주파수에 의존하지 않고 고속 응답을 실현합니다.

통상 동작 시의 파형은 하기와 같습니다.

FB 피드백 전압 (비교를 위해 분압된 출력전압)이 REF 기준전압 (레퍼런스) 보다 낮아지면, 콤퍼레이터에 의해 즉시 HG (High-Side 출력 파워 트랜지스터)가 ON하여, 우측 식으로 정해지는 시간 안에 출력에 전류를 공급함으로써 Vout을 상승시켜 OFF합니다. 이어서 LG (Low-Side 출력 파워 트랜지스터)는, FB=REF가 될 때까지 ON하여 Vout은 하강합니다.

부하전류 (Io)가 과도하게 증가한 경우에는, 출력전압은 크게 저하되어, 상기 식의 ton시간이 지나도 설정 전압까지 상승할 수 없는 경우가 있습니다. 이를 검출하면 좌측의 파형과 같이 H3Reg는 ton 시간을 연장하여 Vout의 복귀를 촉진, 즉 과도 응답 속도를 높입니다. 이후 Vout이 복귀하면 정상 동작으로 돌아옵니다.

이 외에도 세부적인 내용이 있지만, H3Reg로 대표되는 고속 과도 응답 제어가, FPGA의 저전압 대전류로 높은 출력전압 정밀도라는 전원 요구에 대한 중요한 포인트입니다.

-전압 정밀도에 대한 또 하나의 과제인, 기판 배선으로 인한 전압 강하에는 어떠한 대책이 있을까요?

FPGA의 전원 단자 전압을 피드백하는 리모트 센스라는 방법과, DC/DC 컨버터의 출력을 가능한 FPGA의 전류 단자 측에 실장하는 POL (Point of Load)이라는 접근 방법이 있습니다.

-본 DC/DC 컨버터 시리즈는, 기본적인 성능은 물론이거니와, 고속 과도 응답 성능이 뛰어나 FPGA의 전원 요구에 대응 가능하다는 것을 알 수 있었습니다. 단, 실제 설계 시 본 IC의 성능을 충분히 발휘시키기 위해서는 부품 선정 및 기판 레이아웃 등의 노하우가 필요할 것 같습니다.

매우 중요한 포인트입니다. 지금까지 IC의 기능 및 성능 면에서 중요한 포인트를 간략히 설명하였습니다만, 실제 전원 회로로서 FPGA의 요구에 대처하기 위해서는 구성 부품의 선택 및 레이아웃 등 유의해야 할 점들이 있습니다. 그에 대해 로옴은, 우선 본 DC/DC 컨버터 시리즈를 사용한 레퍼런스 디자인을 제공함과 동시에, 개별 설계 서포트를 전개하고 있습니다. 하기는, 레퍼런스 디자인의 예입니다.

-이러한 자료 및 서포트가 있으면, 설계자들이 든든하겠네요.

FPGA는 그 이름대로 프로그래머블 디바이스이며, 각각의 구성과 동작이 달라 전원 요구도 다르기 때문에, 설계 서포트는 필수라고 생각합니다.

-마지막으로 덧붙일 말씀이 있으신가요?

전원에서 중요한 효율에 대해서는 설명하지 않았습니다. 그렇다고해서, FPGA가 고효율을 필요로 하지 않는 것이 아니라, 비교적 큰 전력을 필요로 하는 디바이스이므로, 전원에 최대의 효율이 기대됩니다. 본 DC/DC 컨버터 시리즈는, 기본적으로 동기정류 식에 의해 90% 전후의 최대 효율을 실현하고, 경부하 시는 Deep-SLLM™ (Simple Light Load Mode)로 대표되는 경부하 시의 효율 유지 모드를 가지고 있어, 효율 면에서도 FPGA의 요구를 만족할 수 있는 사양입니다.

FPGA의 까다로운 전원 요구를 만족하는 FPGA용 강압 DC/DC 컨버터 시리즈
–제1장-

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