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오늘날 에너지 발전, 변환, 분배, 저장, 사용에 이르기까지 보다 효율적인 에너지 에코시스템 전반에 걸쳐서 반도체 사용이 증가하고 있다. 실제로 2030년까지 미국의 에너지 흐름 80%가 반도체 디바이스를 통해 이루어질 것이라고 한다.1)

에너지 및 전원 관리 분야에서 ‘스마트’라고 하는 접두어는 스마트 그리드나 스마트 인버터와 같이 오래 전부터 빈번하게 사용되어 왔다. 갈수록 더 ‘스마트’를 지향하는 트렌드는 반도체가 대체 에너지와 솔리드 스테이트 트랜스포머, 지능형 계량기, 그 외 다양한 전력 애플리케이션을 위한 차세대 전자 기술에 보편적으로 사용되고 있음을 보여주고 있다.

스마트 파워는 지난 20여 년 동안 지속적으로 진화했다. 본래 스마트 파워는 전력 칩이 어떠한 상황에 대응해서 자동으로 조치를 취하는 것을 일컬었는데, 오늘날의 스마트 파워는 전력 칩이나 모듈의 보다 높은 수준의 지능과 훨씬 더 많은 “감지, 판단, 조치” 동작을 함축하고 있다.

최근에는 충전기의 크기가 작아졌을 뿐만 아니라 훨씬 더 지능적으로 동작한다는 것을 알 수 있다. 배터리 수명 단축 없이 보다 빠르고 효율적으로 충전하고, 시스템 요구에 유념하여 최적의 전력을 공급하며, 충전을 하지 않을 때는 작동을 정지한다.

최신 전원 관리 IC는 통신할 수 있고, 부하와 동작 모드를 인식할 수 있으며, 동적으로 파라미터를 조절하여 최적화된 성능을 제공할 수 있고, 첨단 신호 처리 알고리즘을 채택하고 있다. 이는 별개 시스템의 나머지 부분에 신뢰할 수 있는 전압 및 전류를 공급하는 일만 하던 전통적인 전력 모듈과는 많이 다른 모습이다.

몇 가지 주목할 만한 지능적 전원과 그 의미를 살펴보자.

커넥티드 전원
커넥티드 전원 IC와 모듈은 다른 모듈들이나 전체적인 시스템 요구를 인식함으로써 더욱 더 지능적으로 동작할 수 있는 것을 말한다. 서버나 기지국 같은 첨단 시스템에서 많은 전원 IC와 모듈은 상호간에 그리고 시스템의 나머지 부분과 통신하여 각기 다른 서브시스템들에 효율적으로 전력을 공급할 수 있다. 신뢰할 수 있는 전원 변환을 위해서는 실시간 텔레메트리, 제어, 센싱, 파워 사이클링이 필요하다. 이 모든 것을 하기 위해서는 통신을 할 수 있어야 한다. 전원 변환 모듈이 전체 스마트 시스템 제어에 일조하기 위해 PMBus(Power Management Bus) 같은 디지털 통신 인터페이스와 SMBus(System Management Bus)와 I2C 같은 여타 프로토콜들이 도입되었다. PoE(Power over Ethernet), USB 타입C, 무선 전원 Qi 표준 같은 전력 공급 프로토콜은 통신을 사용해서 전력 장치를 인식하고 그에 따라서 공급 전력을 알맞게 조절한다. 또한 흔히 전원 시스템 매니저를 사용해서 시스템 전원 분배와 모니터링을 하는데, 이를 하기 위해서는 시스템 내의 다양한 컨버터들과 통신해야 한다.

시스템 차원의 전력 최적화
최신 휴대폰은 배터리 전력을 연장하고 간섭을 줄이기 위해서 기지국으로부터의 거리에 따라서 방사 전력을 조절한다는 것을 모르는 사람도 많을 것이다. 실제로 많은 시스템들이 무엇을 전송하느냐에 따라서 아주 재빠르게 전력을 조절한다. 전력 증폭기용 전원 공급 장치를 무선 신호 포락선(envelope)을 추종하도록 변조함으로써 RF 전력 증폭기의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 오늘날의 최신 충전기는 배터리의 저장된 전하, 화학물질 소재, 온도를 모니터링 하여 빠르고 효율적인 충전을 위해 자동으로 전류와 전압을 최적화할 수 있다. 지능형 충전기가 배터리의 SoC(state of charge: 충전 상태)와 SoH(state of health: 건전도)를 지속적으로 모니터링하고 그에 따라서 적합하게 충전 전류와 전압을 조절할 수 있다.

서버에 사용되는 첨단 프로세서는 스마트 파워 관리 모듈로 자신의 동작 모드에 관한 사전 경고를 전송할 수 있어 전원 전환을 더 효율적이다. 또한 프로세서가 전원 모듈로 자신의 하드웨어 특성을 피드백할 수 있어 프로세서에 적합한 전압 레벨을 판단하고 적응식 전압 스케일링(AVS)이 가능하다.

실시간 전원 컨버터 조절
전원 컨버터 역시 갈수록 효율이 우수해지고 있다. 전원 컨버터는 피드백 루프를 사용해서 적절한 전력 공급을 제어한다. 스위치드 모드 전원 공급 장치(SMPS)는 기본적으로 폐쇄 제어 루프를 사용해서 컨버터의 과도현상 및 정상상태(steady-state) 성능을 판단하고, 고효율 컨버터에는 주로 아날로그 제어 루프가 사용되어 왔다. 스마트 파워용으로 사용하기 위해서 다수의 첨단 적응식 제어 알고리즘들이 오래 전부터 연구되어 왔으나, 최근 들어서야 스위칭 모드 전원 컨버터에 포괄적인 디지털 및 혼합신호 루프들이 도입되고 있다.

디지털화와 신호 처리에 따른 부담은 이제는 충분히 타당화할 수 있게 되었다. 특히 추가적인 디지털 회로로 인한 효율상의 불리함을 무시할 만한 고전력 애플리케이션이라면 더욱 그렇다. 혼합신호 및 디지털 제어를 위한 이러한 회로는 PID(proportional-integral-derivative) 제어 루프를 위한 로직 회로에서부터 고전력 및 전문적인 알고리즘에 사용하기 위한 정교한 프로세서 기반 제어 루프에 이르기까지 다양할 수 있다. 더불어 다양한 부하 조건으로 성능을 최적화하기 위해 전원 컨버터 파라미터를 실행 중에 조절할 수 있다면 경부하와 대부하 모두로 효율을 향상시키고 동적 응답을 향상시키며, 사용 편의성을 향상시킬 수 있으므로 매우 바람직하다.

많은 주요 IC 및 아키텍처 측면의 혁신들에 힘입어 고주파 소프트 스위칭, 다위상 컨버터, 신호 처리 알고리즘을 사용한 루프 제어 같은 스마트 파워 관리가 진화하고 있다. 또 한편으로는 반도체 프로세스 기술의 발전으로 첨단 바이폴라 CMOS DMOS(BCD) 프로세스가 개발됨으로써 단일 칩으로 아날로그, 디지털, 전력 소자를 통합할 수 있게 되었다. 또한 GaN(질화갈륨)이나 실리콘 카바이드(SiC) 같은 혁신 기술을 사용함으로써 전력 트랜지스터의 성능 지표들을 비약적으로 향상시킬 수 있게 되었다.

에너지 에코시스템 전반에 걸쳐서 전력을 관리하는 문제가 갈수록 더 중요해짐에 따라, 반도체 업계는 스마트 파워 변환에 갈수록 더 주의를 기울이고 있으며, 끊임 없이 효율을 향상시키기 위하여 고심하고 있다.

TI의 전원 관리 제품 포트폴리오는 컨트롤러, 드라이버, 전력 소자를 비롯해서 모든 시장 분야에 사용 가능한 포괄적인 지능형 전원 솔루션을 포함하고 있다.