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글/ 에드윈 오모루이(Edwin Omoruyi) 선임 애플리케이션 엔지니어, 

       브렌든 소머스(Brendan Somers) 제품 마케팅 엔지니어, 아나로그디바이스(Analog Devices)

이 글에서는 높은 채널 밀도와 정밀도를 요구하는 PCB 설계 및 전자 측정 시스템에서 직면하는 과제를 혁신적으로 해결하기 위한 획기적인 정밀 스위치 제품을 소개한다. 이 스위치는 수동 부품에 대한 혁신적인 코패키징(copackaging) 기법과 라우트 스루(route through) 핀 기능을 포함하고 있어 PCB 공간 활용 측면에서 상당한 이점을 제공하고 스위치 채널 밀도를 크게 향상시킨다. 이와 함께 매우 낮은 스위치 저항은 측정 정확도를 높이고 전력 소모를 줄여 시스템 수준에서 열 관리를 도와준다.

이 스위치의 핵심적인 혁신은 많은 수동 부품들과, SPI(serial peripheral interface)로 독립적으로 제어되는 스위치를 독창적으로 통합한 데 있다. 저항과 커패시터를 스위치 패키지안에 통합함으로써 설계 엔지니어는 PCB 면적을 전례 없이 줄일 수 있는 이점을 얻는다. 이 설계 아키텍처는 PCB 면적을 최대 80%까지 대폭 줄여주므로 공간 제약이 중요한 관건이 되는 애플리케이션에 이상적인 솔루션이다.

라우트 스루(route through) 핀 기능은 PCB 설계 엔지니어에게 기존에 없던 혁신적인 솔루션을 제공한다. 이 기능은 SPI와 전원 공급장치 트레이스를 스위치를 통해 직접 효율적으로 라우팅할 수 있어 추가적인 비아(via)나 복잡한 라우팅 설정이 필요하지 않다. 이러한 단순화는 설계 복잡성을 줄여주고 스위치 채널 밀도를 크게 향상시켜 더욱 소형화한 고성능 설계를 가능하게 해준다.

PCB 면적을 절약하는 것 외에도, 이 스위치는 약 0.5Ω의 낮은 스위치 저항을 갖는다. 이러한 특성은 고전류를 처리할 때 측정 정확도를 높이고 발열을 최소화하는 데 매우 중요하다. 스위치 저항을 줄임으로써, 이 스위치는 자동 테스트 장비(ATE), 정밀 측정 및 제어 시스템을 비롯한 광범위한 애플리케이션에서 탁월한 신호 무결성과 정밀도를 제공한다. 뿐만 아니라 낮은 스위치 저항은 열 저항을 향상시켜 다양한 환경 조건에서도 신뢰할 수 있는 일관된 성능을 보장한다.

채널 수를 최대화할 때의 과제

채널 수의 최대화를 목표로 시스템을 설계하는 경우, PCB 면적은 주요한 고려 요소이다. 스위치는 시스템의 채널 수를 증가시키는 데 있어서 중요한 역할을 하는데, 스위치 수가 증가하면 스위치 자체는 물론이고 적절한 동작에 필요한 로직 제어 라인과 관련 수동 부품도 PCB 면적을 차지하게 된다. 그 결과, 스위치 제어에 필요한 추가적인 부품이 차지하는 공간으로 인해 확보할 수 있는 채널 수가 제한된다.

기존의 스위치 솔루션

채널 밀도를 높이기 위해 일반적으로 사용되는 솔루션 중 하나는 ADG1414와 같은 SPI 로직 인터페이스로 제어되는 8채널 스위치를 사용하는 것이다. 이 아키텍처를 구현하는 데는 4개의 GPIO 라인만 필요하고 표준 마이크로컨트롤러의 SPI 포트 하나만 사용하기 때문에, 병렬 인터페이스에 비해 상당한 이점이 있다. 여러 개의 스위치를 포함하는 시스템의 경우, 디바이스에 제공되는 데이지 체인 기능을 사용하여 모든 디바이스를 동시에 제어할 수 있다. 그림 1은 25개의 ADG1414 디바이스가 데이지 체인 모드로 구성되어 200개의 LED를 제어하는 예를 보여준다. 이 밖에 적절한 동작을 위해 3개의 디커플링 커패시터와 1개의 풀업 저항이 필요하다. 이 구성은 125개의 부품을 배치해야 하므로 약 2600mm²의 PCB 면적이 필요하다.

그림 1. 25개의 ADG1414 디바이스를 보여주는 PCB 레이아웃 예시

향상된 패키지

그림 2와 같이 수동 부품을 스위치 패키지에 직접 통합함으로써 설계 엔지니어는 전례 없는 수준으로 PCB 면적을 절약할 수 있다. ADGS2414D는 V_DD, V_SS 및 RESET/V_L 전원 공급장치 핀을 위한 디커플링 커패시터를 통합하고 있어 외부 디커플링 커패시터가 필요하지 않다. SDO 핀을 위한 풀업 저항도 통합하고 있다. 스위치 회로의 여러 다이들을 적층함으로써, 이 스위치는 전체 시스템 풋프린트를 크게 줄이며, 4mm × 5mm LGA 패키지로 제공된다.

그림 2. ADI의 혁신적인 적층형 트리플 다이 솔루션

라우트 스루 핀

시스템에 여러 개의 디바이스를 사용하는 경우, 라우트 스루 핀 기능은 채널 밀도를 높여 더욱 소형화한 레이아웃을 구현할 수 있게 해준다. 이 기능은 디바이스 간에 전원 공급장치 라인과 디지털 라인이 매끄럽게 통과하도록 도와준다. V_DD, RESET/V_L 및 GND 전원 공급장치 라인뿐 아니라 SCLK, CS, SDI 및 SDO 디지털 라인을 패키지 상단과 하단 핀에서 모두 사용할 수 있다. 이들 라우트 스루 핀은 PCB 라우팅을 간소화하고 여러 디바이스를 연결할 때 비아의 필요성을 줄여준다. 그림 3은 데이지 체인 모드로 구성된 4개의 ADGS2414D 디바이스에 라우트 스루 핀을 사용하여 레이아웃의 전체 크기를 최소화하는 PCB 레이아웃 예를 보여준다.

그림 3. 라우트 스루 핀 기능을 사용한 PCB 레이아웃 예시

ADI 스위치 솔루션

앞서 언급했듯이 그림 1의 일반적인 스위치 솔루션은 125개의 부품을 약 2600mm²의 PCB 면적에 배치해야 한다. 이에 반해, 수동 부품의 혁신적인 코패키징과 8채널 스위치의 라우트 스루 핀 기능을 사용하면 훨씬 더 높은 밀도의 새로운 PCB 설계를 달성할 수 있다. 그림 4는 200개의 LED를 25개의 ADGS2414D 스위치로 제어하는 동일한 애플리케이션을 보여준다. 여기에서도 데이지 체인 기능을 사용하여 모든 디바이스를 동시에 제어할 수 있다. 

주목할 점은 이 레이아웃에는 수동 부품이 없어 스위치를 양쪽 면에서 각 디바이스 간에 통상 1mm 간격으로 매우 가깝게 배치할 수 있다는 것이다. 이 설계를 사용할 경우, 약 800 mm²의 PCB 면적에 25개의 디바이스만 배치하면 되므로 PCB 면적을 70% 줄일 수 있다. PCB 면적을 절감하는 것 외에도 100개의 수동 부품을 줄임으로써 제조 비용을 크게 절감하고 제품 품질과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

그림 4. 25개의 디바이스가 탑재되는 PCB 레이아웃 예시

낮은 스위치 저항

PCB 면적을 줄이는 것 외에도, ADGS2414D는 통상 0.5Ω의 현저히 낮은 스위치 온 저항을 자랑한다. 낮은 저항은 측정 신호 체인 내에서 전압 강하(I × R)를 최소화하여 시스템 수준에서 전반적인 정확도를 향상시킨다. 높은 채널 밀도의 애플리케이션에서 향상된 정확도는 채널 간 변동을 감소시키고 보정 주기를 줄임으로써 비용 절감과 제품 테스트 수율 증가 효과를 제공한다.

이 스위치는 채널당 최대 850mA의 규격으로 높은 스위칭 전류를 처리할 수 있다. 이 기능은 고전류 스위칭 애플리케이션에서 특히 유용하다. 그러나 스위치에서 전력 손실로 인한 열 관리는 중요하며, 특히 열 관리가 까다로울 수 있는 높은 채널 밀도의 애플리케이션에서는 더욱 중요하다. 여기에서도 낮은 스위치 온 저항은 열의 형태로 발생하는 전력 손실(I² × R)을 감소시키는 데 핵심적인 역할을 한다. 이 기능은 시스템 내에서 온도 안정성을 보장하고 과열 문제를 방지하도록 도와준다.

데이지 체인 모드

그림 5에서 보듯이, ADGS2414D는 데이지 체인 구성으로 여러 개의 디바이스를 연결할 수 있게 지원한다. 이 구성에서 모든 디바이스는 동일한 CS, SCLK 및 V_L 라인을 공유한다. 하나의 디바이스의 SDO는 다음 디바이스의 SDI에 대한 연결을 구성하여 시프트 레지스터를 생성한다. 하나의 단일 16비트 SPI 프레임은 체인의 모든 디바이스가 데이지 체인 모드로 들어가도록 명령하는 데 사용된다. 이 모드에서 SDO는 8-사이클 지연된 버전의 SDI이므로, 원하는 스위치 구성을 체인의 한 디바이스에서 다음 디바이스로 전달할 수 있다.

그림 5. 데이지 체인으로 연결된 2개의 ADGS2414D 디바이스

오류 검출 기능

ADGS2414D는 SPI의 프로토콜 및 통신 오류를 검출할 수 있다. 오류 검출 기능은 세 가지가 있는데, 잘못된 SCLK 카운트 오류 검출, 잘못된 읽기/쓰기 주소 오류 검출, CRC 오류 검출이 그것이다. 각각의 오류 검출 기능은 오류 구성 레지스터에서 대응하는 인에이블 비트를 사용하여 활성 또는 비활성화할 수 있다. 또한 이러한 각각의 오류 검출 기능을 위해 오류 플래그 레지스터에 오류 플래그 비트가 있다.

ADGS2414D는 PCB 설계 및 전자 측정 기술에 획기적인 솔루션을 제공한다. 수동 부품의 혁신적인 코패키징, 라우트 스루 핀 기능, SPI 인터페이스, 낮은 스위치 저항은 PCB 면적을 크게 줄여주고 채널 밀도를 증가시키며 측정 정확도를 향상시킨다. 이 제품은 멀티다이(multidie) 패키징을 채택함으로써 아나로그디바이스(ADI)의 현재 스위치 제품이 제공하는 것과 동일한 수준의 업계 최고 스위치 성능을 그대로 유지한다. 이 디바이스의 출시로, 설계 엔지니어는 스위치 채널 밀도를 크게 증가시킬 수 있는 혁신적인 정밀 스위치 솔루션을 활용할 수 있게 됐다.

저자 소개

브렌든 소머스(Brendan Somers)는 아나로그디바이스(Analog Device) 아일랜드의 계측 사업부 제품 마케팅 엔지니어이다. 1993년 볼튼 대학에서 전기전자공학 우등 학사 학위를 받고 졸업했다. 2012년에 ADI에 입사하여 정밀 컨버터를 담당해 왔으며, 최근 스위치 및 멀티플렉서 기술 그룹에 합류했다. ADI 입사 전에는 자동차 산업 및 제품 제조 분야에서 15년 이상 전자 설계 엔지니어로 근무했다.

에드윈 오모루이(Edwin Omoruyi)는 아나로그디바이스 아일랜드의 계측 사업부 선임 제품 애플리케이션 엔지니어이다. 2007년 리머릭 공과대학에서 전자시스템 공학 우등 학사 학위를 받고 졸업한 후 2010년에 리머릭 대학에서 초대형 집적회로(VLSI)로 우등 석사 학위를 받았다. 2010년부터 2018년까지 ADI 차량용 캐빈 전장 사업부에서 애플리케이션 엔지니어로 근무한 후 2023년에 ADI에 재입사했다. ADI 입사 전에는 자동차 산업 및 제조 분야에서 AD/ADAS 감지 애플리케이션 시스템 설계 엔지니어로 재직했다.