사용자 프로그램 가능한 기능, 정교한 온칩 보호 기능 및 기타 필요한 기능들을 단일 패키지에 통합한 시스템 IC를 이용함으로써 고신뢰성 전원장치 설계 작업을 크게 간소화할 수 있게 되었다. 디지털 전원 시스템 관리는 전원 시스템을 원격으로 모니터링하고 제어할 수 있을 뿐만 아니라 효율과 신뢰성을 더욱 더 향상시킬 수 있다.

고신뢰성 시스템은 되도록 결함이 발생하지 않아야 하며, 결함이 발생해도 그 결함을 차단함으로써 성능이 조금 떨어질망정 시스템을 계속 가동할 수 있어야 한다. 또한 하위 장치나 상위 장치, 즉 뒤쪽 단으로 결함이 전달되지 않도록 제한해야 하며 관리 시스템으로 진단 정보를 통보할 수 있어야 한다.

이중화 시스템 구현

이에 대한 가장 일반적인 해결책은, 역동적으로 부하를 공유하거나 결함이 발생할 때까지 대기 상태로 기다리는 병렬적 회로의 형태로 이중화를 구축하는 것이다. 결함 검출 및 관리를 위해서는 전원의 우선 순위를 중재하고 각각 전원의 상태를 모니터링하기 위해 추가적인 오버헤드 회로를 갖춰야 한다. 그뿐 아니라 전원 소스 스위칭 시 교차 전도와 역류로부터 시스템을 보호해야 한다.
리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 LTC4417은 이와 같은 기능들을 통합한 단일칩 솔루션으로, 각각의 입력에 대해 사용자가 지정한 전원 임계값에 따라 소스를 자동으로 선택한다.
또 다른 방법은 2개의 입력 소스를 동시에 작동하게 하여 둘 사이에서 부하를 공유하도록 하는 것이다. 그러면 각각 소스에 대한 부담을 줄일 수 있다. 게다가 전원이 전체 부하 요구량을 지원할 수 있을 만큼 적정한 크기만 된다면, 한쪽 소스의 결함에 대해 보호를 제공할 수 있으므로 신뢰성을 높일 수 있다.
기존에는, 간단하기는 하지만 효율이 떨어지는 다이오드-OR 구성을 이용했지만, 이 방법은 부하를 밸런싱하기 위해 각각 전원으로 동적 제어를 필요로 한다.

그림 1. LTC4370을 이용한 전원 소스 공유 및 이중화

그림 1은 이 작업을 단일 칩 솔루션으로 달성할 수 있게 되었다는 것을 나타낸 것이다.
LTC4370은 역류 차단 기능을 통합한 전류 공유 컨트롤러로, 한 전원에서 결함이 발생하더라도 전체적인 전원 시스템이 중단되지 않도록 한다.

백업 전원 구현

일반적으로 고신뢰성 애플리케이션에 이용되는 전원장치에는, 전원이 잠시 중단되었을 때 이를 무사히 넘기고 시스템이 계속 정상적으로 작동할 수 있도록 하기 위해 정전 시 필요한 최소 유지 시간이 지정되어 있다.
LTC3355는 이러한 경우 이용할 수 있도록 새롭게 출시된 제품이며, 이를 이용하면 백업 시스템 설계 작업을 크게 간소화할 수 있다. LTC3355는 단일 칩으로, 1A DC/DC 스위칭 레귤레이터와 백업 시스템을 제공한다. 이 제품은 크게 다음과 같은 네 가지 기능 부분을 통합하고 있다.
•‌메인 전원에 이용할 수 있도록 3V∼20V 입력으로 동작하는 비동기 1A DC/DC 벅 컨버터가 포함되어 있다.
•‌VOUT으로 나오는 전압으로 1A까지 가변 가능한 정전류/정전압 선형 차저를 포함한다. 이 차저는 단일 수퍼커패시터, 전해 커패시터, NiMH 배터리를 충전할 수 있다. 열 레귤레이션 루프를 이용하여 다이 온도가 110℃로 제한될 때까지 충전 전류를 극대화한다.
•‌고정주파수 비동기 전류 모드 5A 부스트 스위칭 레귤레이터는 VIN 전원이 프로그램된 입력 임계값 아래로 떨어졌을 때, 수퍼 커패시터에서 VOUT으로 전력을 공급한다. 최저 0.5V에 이르는 커패시터 전압으로 동작할 수 있도록 설계됨에 따라, 백업 전원을 가능한 한 길게 연장하도록 한다.
•‌무손실 OR′ing 기능을 포함하고 있어, 전원 중단 시 벅에서 부스트로 매끄럽게 전환된다.

열 관리 및 안전성 기능

그림 2. LTC3355 DC/DC 레귤레이터 및 백업 시스템 IC

시스템의 밀도와 전력이 점점 더 높아짐에 따라, 열 관리는 갈수록 까다롭고 중요해지고 있다. 접합부 온도가 10℃ 상승할 때마다 IC 수명이 절반으로 줄어들기 때문에 이 문제는 IC의 신뢰성에 직접적으로 영향을 미친다. 다수의 기능을 통합한 전원장치 IC 제품들과 전문적인 전원 관리 기능들을 이용하면 IC 자체와 주변 시스템을 더 잘 보호할 수 있다.
대다수의 전원 레귤레이터 IC는 내부에 전력 트랜지스터를 넣음으로써 발열에 대해 보호하고 있다. 통상적으로 약 155℃∼165℃에 이르면 열 셧다운이 작동되고, 이 온도가 10℃ 가량 떨어질 때까지 디바이스가 정지된다. 몇몇 새로운 제품들은 다이 온도 출력을 제공하고 있으며, 사용자는 3개의 다이 온도 임계값 중 하나를 설정할 수 있다.

그림 3. 트랜션트 보호 및 출력 유지

기타 안정성에 대한 주요 기능들로는 역배터리 보호, 전류 제한, 역전류 보호를 위한 내부적인 보호 회로들이 있다. LT3667은 결함 보호 스위칭 및 선형 레귤레이터 제품으로, 이러한 보호 기능들을 통합하고 있을 뿐만 아니라, 추가적으로 각각의 출력에 대해 정밀한 사용자 프로그래머블 전류 제한 기능을 포함하고 있다는 점에서 디자인을 더 간소화하는 데 도움을 준다.

트랜션트 보호

그림 4. 디지털 전원 시스템 관리

군용 및 항공기 관련 전자 장비는 MIL-STD-1275(차량), MIL-STD-704/DO-160(항공기)과 같은 트랜션트 보호 규격을 충족시켜야 한다.
하지만 전압 서지, 스파이크, 리플에 대한 보호는 모든 고신뢰성 시스템에 요구되며, 전적으로 이러한 용도에 이용하기 위한 제품들이 출시되고 있다.
실리콘 프로세스 기술이 진화함에 따라, 이제는 레귤레이터 IC가 100V 혹은 그 이상에 이르는 입력 전압으로 동작할 수 있게 되었으며, 전용 트랜션트 보호 IC는 추가적인 기능과 제어를 제공하고 있다.
그림 3에서 LTC4364는 27V(사용자 설정 가능)의 클램프 출력을 제공하여 하위 레귤레이터를 트랜션트로부터 보호하며, 입력 단락 회로나 전원 차단/리셋 조건 시 출력을 유지할 수 있다.

디지털 전원 시스템 관리

이와 같은 신제품들은 아날로그 전원 레귤레이션의 장점에 2와이어 PMBus I2C 디지털 인터페이스 프로토콜을 기반으로 한 디지털 제어를 결합함으로써 전원 시스템을 원격 관리할 수 있다.
텔레메트리, 진단 데이터를 이용하여 부하 조건을 모니터링하고 결함 기록을 판독하며, ±0.25% 정확도로 트리밍 및 마지닝 할 수 있으므로 시스템 효율과 신뢰성을 극대화시킨다. 이러한 시스템은 주기적인 유지보수 일정에서 상황에 따른 유지보수로 전환할 수 있으며, 시스템 결함이 발생하기 전에 미리 성능이 저하되는 것을 알아차릴 수 있다.

Steve Munns  / Linear Technology Corporation