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글/ 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) 전원 관리 전문가, 아나로그디바이스(Analog Devices)

이 글은 48V 또는 54V와 같은 고전압을 코어 전압(일반적으로 1V 이하)으로 단일 스텝으로 직접 변환할 수 있는 가능성을 다룬다. 이러한 변환 방식은 공간 절약과 효율 향상은 물론, 입력 전원 레일 설계와 관련된 비용 절감 효과도 제공한다. 12V 중간 버스를 사용해 동일한 전력을 전달하는 경우와 비교할 때, 고전압 버스를 사용하면 배선에 필요한 구리 양도 줄어든다.

2단계 전압 변환의 단점

데이터센터용 디지털 프로세서, 고성능 FPGA, 대형 AI 프로세서, 슈퍼컴퓨터의 공통점은 모두 코어 전압을 위한 전원 공급이 필요하다는 것이다. 코어 전압은 통상적으로 1V 이하이며, 전류 수준은 100A 이하에서 최대 1kA 이상까지 이른다.

고전류 저전압 전원 공급 장치를 구현하는 것은 상당한 도전 과제를 수반한다. 냉각 요건을 최소화하기 위해서는 높은 변환 효율이 필수적이며, 전원 회로와 부하(프로세서) 간의 기생 트레이스를 최소화하도록 콤팩트하게 구성되어야 한다. 이렇게 해야 부하 과도 응답 속도를 높이고 전압 레귤레이션 성능을 향상시킬 수 있다.

그림 1은 일반적인 전압 변환 아키텍처를 나타낸 것으로, 48V 입력 전압을 12V DC 링크 전압으로 변환한 다음, 두 번째 단계에서 1V 이하의 코어 전압으로 조정한다.

그림 1. 48V에서 0.8V 코어 전압으로 2단계로 변환하는 아키텍처

이 같은 2단계 변환 구조는 각 단계의 효율이 높더라도 전체 효율은 떨어지는 단점이 있다. 예를 들어, 각 변환 단계가 93%의 효율을 달성하더라도 누적 손실 때문에 총 효율은 약 87% 수준에 그친다(0.93 × 0.93 = 0.8649).

그림 2. 48V에서 0.8V 코어 전압으로 1단계로 변환하는 아키텍처

그림 2는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 μModule LTP8800-4A를 활용한 대안적 변환 아키텍처를 보여준다. 이 솔루션은 48V 입력을 단일 스텝으로 0.8V 코어 전압으로 직접 변환할 수 있으며, 100A의 부하 전류 조건에서 90% 이상의 효율을 제공한다. 또한 이 모듈은 출력에 최대 200A까지 제공할 수 있으며, 여러 개의 디바이스를 병렬로 동작시키면 고성능 프로세서 구동에 필수적인 1000A 이상의 전류를 공급할 수 있다.

LTP8800-4A를 활용한 1단계 변환 방식

LTP8800-4A와 같은 특수한 코어 전압 컨버터는 단일 스텝으로 0.5V에서 1.1V 범위의 코어 전압을 최대 200A의 고전류로 생성할 수 있다. 기존 벅 컨버터는 낮은 듀티 사이클과 관련하여 제약이 있다. 예를 들어 48V에서 0.5V로 변환하려면 약 1% 수준의 듀티 사이클이 필요한데, 기존 벅 컨버터로는 구현하기가 까다롭다. 최소 스위치-온 시간을 비롯한 스위칭 레귤레이터의 근본적인 제약들 때문에 높은 스위칭 주파수에서 이처럼 낮은 펄스 폭 비율(듀티 사이클)을 달성하는 데 한계가 있고, 이는 결국 효율 저하로 이어진다.

DC 링크 전압 단계를 없애면 시스템 구성이 단순화되기 때문에 한 번의 전력 변환 단계만 있으면 된다. 이 방식은 공간을 절약할 뿐 아니라, 48V 또는 54V의 높은 공급 전압을 직접 코어 전압 컨버터로 인가하므로 구리 배선 요구량을 줄여 비용도 최적화할 수 있다.

그림 3. LTP8800-4A 모듈로 소형 폼팩터 구현

그림 3은 LTP8800-4A 모듈을 특징으로 하는 소형 폼팩터를 예시한 것이다. μModule 디바이스를 활용하면 기존 회로 설계의 복잡성을 피하면서도 우수한 전원 공급 회로를 구현할 수 있다. 결과적으로 회로는 콤팩트해지고, 디지털 부하에 인접한 회로 보드에 손쉽게 통합할 수 있다.

최신 코어 전압 컨버터, 예를 들어 앞서 언급한 μModule 디바이스는 PMBus 연결을 통해 첨단 디지털 제어 기능을 제공하므로 전압, 전류, 온도, 오류 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 내부 EEPROM은 다양한 설정과 오류 로그를 저장할 수 있다. 또한, 디지털 인터페이스를 통해 전원 컨버터의 제어 루프를 세밀하게 조정할 수도 있다.

결론

48V에서 코어 전압으로 직접 변환할 수 있는 새로운 모듈은 전원 공급 아키텍처에 대안적인 접근을 제공한다. 이 방식은 전원 설계를 소형화할 뿐만 아니라 탁월한 효율까지 달성할 수 있다.

저자 소개

프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전원 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학교에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전원 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원공급장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전원 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다.(frederik.dostal@analog.com)