초창기 자동차에서 ‘항상 켜져 있는(always-on)’ 유일한 차량 내 구성품은 시계였다. 자동차 전자 설계와 기술이 발전함에 따라 이제는 시계 이외에도 다양한 구성품을 항상 대기 상태로 유지해야 한다. 현재 고급 차량에는 자동차가 비활성 상태일 때도 정보를 유지해야 하는 정교한 운전자 정보 시스템, 인포테인먼트 및 텔레매틱스 시스템이 표준으로 장착되어 있다. 중저가 차량에 첨단 기능이 사용되는 사례가 늘고 있기 때문에 이러한 애플리케이션 설계의 수요가 점차 증가하고 있는 추세이다. 운전자에게 실시간 데이터를 제공함으로써 모바일 오피스를 구축하는 기능을 늘리려면 시스템 차원의 과제가 선결되어야 한다. 최근 오랜 기간(6-8주) 공항에 주차해 두었던 첨단 차량에서 자동차 배터리가 완전히 방전되는 사례가 보고되고 있다. 이러한 문제는 시스템 아키텍트의 관심을 경부하에서 항상 켜져 있는 시스템의 소비 전력을 줄이는데 집중시키고 있다.
이 글은 자동차 전자 애플리케이션에 초점을 맞추었지만, 인슐린 펌프 같은 휴대용 의료기기나 대기 전력이 필요한 셋톱박스 등 배터리로 동작하는 애플리케이션을 포함하여 매우 다양한 분야에서 always-on 기능성을 필요로 하고 있다. 이러한 모든 기기들은 대기 모드에서도 일부 기본적인 기능을 유지할 수 있어야 한다는 공통점을 가지고 있다. 경부하에서 고효율을 제공하게 되면 다양한 애플리케이션에서 배터리 수명을 늘리고 에너지를 절약할 수 있다.
시스템 개발이 점점 복잡해지면서 시스템 설계자가 관리하고 해결해야 하는 새로운 문제가 생겨나고 있다. 가령 대기 시간이 증가하면 전력 수요가 증가한다(특히, 시스템이 완전 가동 중일 때). 따라서 이러한 시스템에는 보통 대기 모드와 완전한 동작 모드에 대해 별도의 전압 레일이 설치된다. 그 결과 동일한 전압을 가지는 경우에도 전용 전력 솔루션을 갖는 다른 레일이 필요해지게 된다.

넓은 부하 범위 효율 증가
과거에는 always-on 5V 레일을 만드는 데 대기 전류(Iq)가 매우 작은 리니어 LDO (Low Dropout) 레귤레이터가 사용되었다. 최근 기술 발전에 힘입어 더 적은 전압에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 always-on 레일에 대한 수요 또한 증가하고 있다.
오늘날 우리는 점차 많은 레일이 3.3V까지 내려가고 있는 것을 목격하고 있으며 미래에는 2.5V 이하로 떨어질 것으로 예상된다. 그러나 부하 전류는 떨어지지 않고 전반적인 전력 수요가 커짐에 따라 오히려 증가하고 있다. 따라서 LDO는 대부분의 경우 적합하지 않은 솔루션으로, 높은 부하 전류에서 전력 소모가 많기 때문에 효율이 매우 떨어져 점차 유용성을 잃고 있다.
lq LDO 솔루션은 출력 전류와 상관없이 가능한 최대 효율이 27.5%(Vin=12V, Vout= 3.3V, eta max=3.3V/12V=27.5%)에 불과하다. LDO 공급 전류를 무시한 수치이며 실제로는 효율이 이보다 더 낮다.
오늘날 출시되고 있는 많은 Iq LDO 솔루션은 부하 전류에 바이어스 전류를 채택하고 있다. 부하 전류가 작은 경우 위의 최대 효율 값에 가능한 한 가까워지도록 바이어스 전류가 최대한 작아지게 된다. 이 시점에서 조절 속도가 감소한다. 그 다음 부하가 합당한 수준만큼 높으면 보다 나은 부하 과도 전류 응답이 가능하도록 바이어스 전류가 증가한다. 그러나 전반적으로 시스템 복잡성이 증가하고 적은 Iq 전력 레일에서의 총 부하 전류가 커지는 현상은 피할 수 없다.
또한 시장에 출시된 대부분의 낮은 Iq, 높은 Vin의 LDO 솔루션은 최대 출력 전류가 100mA로 제한되며 더 높은 전류에서 사용할 수 있는 경우에도 시스템에서 총 전력소비 문제가 증가하게 된다.

스위칭 솔루션으로 대체할
수 있는가?
이를 위해서는 높은 출력 전류에서 효율 문제를 쉽게 해결하는 스위칭 전력 솔루션이 필요하지만, 이 경우 경부하 조건에서 실질적인 회로 문제가 발생한다. 스위칭 전력공급장치를 사용하는 대부분의 자동차 전자 애플리케이션에서는 고정된 스위칭 주파수를 구성하는 펄스 폭 변조(PWM) 제어 구조를 이용한다.
PWM의 주요 장점 중 하나는 EMC (electro magnetic compatibility)를 예측하기가 훨씬 쉽고 필요한 경우 모든 필터링을 선택한 스위칭 주파수에 맞게 최적화 할 수 있다는 점이다. 그러나 불행히도 PWM 모드는 경부하 조건에서의 효율에 있어서 매우 제한적이다.
스위칭 손실과 스위칭 레귤레이터 자체의 동작 전류 소비로 인하여 전반적인 효율이 부하 값의 10% 미만으로 크게 떨어지며 최대 부하의 1% 미만인 부하에서는 효율성이 50% 미만으로 떨어질 수 있다. PWM 모드의 이러한 현상은 많은 개선이 선행되어야 대기 애플리케이션에 사용이 가능하다.

펄스 주파수 모드(PFM)
한 가지 가능한 대체 솔루션으로 PFM 제어 구조를 생각해 볼 수 있다. 이 경우 부하 전류가 낮아질수록 스위칭 주파수도 낮아지도록 부하 전류와 함께 스위칭 주파수가 변한다. 결과적으로 PFM 솔루션은 낮은 부하 전류에서 상당한 양의 스위칭 손실을 감소시킨다.
PFM 솔루션의 경우 관련 집적 회로(IC)가 더욱 단순해지고 그 크기가 작아지면서 스위칭 레귤레이터의 동작 전류 또한 감소한다. 이 때문에 넓은 부하 범위에서 효율이 개선되기는 하지만, 1mA 이하의 전류에서 최저 부하 범위에 충분한 정도까지로 개선되지는 않는다. 또 다른 단점은 스위칭 주파수가 일정하지 않기 때문에 EMC 예측이 어렵고 실제 응용 시 더 많은 노력이 요구된다는 사실이다. 결국 이 솔루션은 자동차 전자 애플리케이션에서 많이 채택되지 않고 있다.

히스테리시스 제어
또 다른 가능한 솔루션으로는 히스테리시스 제어 구조가 있다. PFM과 마찬가지로 스위칭 주파수가 경부하에서 일정하지 않으며 부하 감소 시 함께 감소하게 된다. 기본적으로 이 방법은 낮은 부하에서 효율 측면의 이점이 PFM 솔루션과 유사하다.
또한 높은 부하에서의 스위칭 주파수는 부품의 매개변수 및 동작 조건에 따라 크게 달라진다. 입력 전압, 부하 전류, 인덕터 값, 출력 커패시터, 그리고 특히 해당 ESR(Equivalent Series Resistor) 등은 모두가 스위칭 주파수에 많은 영향을 미칠 수 있다. 이러한 값 대부분은 온도의 영향을 받는다. 물론 이러한 요소들 모두로 인해 스위칭 주파수와 EMC 거동의 예측이 더 어려워질 수 있다.
버스트 모드
전형적인 버스트 모드 스위칭 레귤레이터는 일반적으로 고정 듀티 사이클을 갖는 또 다른 매우 간단한 제어 구조이다. 즉, 스위칭 주파수가 일정하며 넓은 부하 범위에서 얻을 수 있는 전체 효율이 우수하다.
최대 부하 및 최소 입력 전압에서 디바이스가 요구대로 수행되도록 스위칭 레귤레이터의 동작 조건을 설정해야 한다. 스위칭 노드의 결과 파형은 전체 동작 범위에서 100% 변조를 갖는 진폭 변조 신호처럼 보인다.
‘변조 주파수’는 입력 전압 및 부하 전류에 따라 달라지며 낮은 주파수 노이즈를 일으킬 수 있다. 이로 인해 ADC와 같은 아날로그 시스템에서 고조파와 오차가 발생할 수 있다. 따라서 고정 스위칭 주파수에서도 EMC 및 아날로그 성능의 예측이 더 어려워지므로 이 개념은 그다지 유용하지가 않다.

어떤 아키텍처를 선택해야 하는가?
위에서 논의한 스위칭 솔루션 중 어느 것도 가능한 최대 부하 범위에서 효율을 개선하기 위한 솔루션으로 선택될 수가 없다. 최상의 솔루션은 넓은 부하 범위에서 최상의 성능을 제공하도록 이러한 솔루션들을 조합하는 것이라고 판단된다.
따라서 다음을 조합한 디바이스를 제작할 수 있을 것이다.

쪾 경부하에서 높은 주파수를 제공하는 버스트 모드
쪾 경부하에서 효율 개선을 위해 스위칭하지 않을 때 바이어스 전류 감소
쪾 정상 부하에서 최상의 EMC 동작을 제공하는 PWM 모드
쪾 설계 유연성을 높이기 위한 동기화 및 조절 가능한 스위칭 주파수

솔루션 제안
LM26001은 위의 요구사항을 하나의 단일 디바이스에 결합한 모놀리식 스위칭 레귤레이터이다. 이 제품은 전력 대기 모드가 작은 애플리케이션의 고효율 요구사항을 위해 설계되었으며 최대 1.5A의 연속 출력 전류를 공급할 수 있다. 보통 대기 전류가 40μA 미만인 저전류 슬립 모드가 경부하 조건에서도 높은 주파수를 유지해준다.
이 제품은 넓은 입력 전압 범위에서의 정확한 조절을 위해 전류 모드 PWM 제어 구조를 사용한다. 또한 4.0V~38V의 넓은 입력 전압 범위를 지원하며 라인 과도 전류가 발생하는 동안 3V의 낮은 입력 전압으로 동작한다. 하나의 저항을 사용하여 150kHz~500kHz로 동작 스위칭 주파수를 조절할 수 있으며 외부 클록으로 동기화가 가능하다.
현재 사용되는 무선 대역으로부터 스위칭 주파수를 조정해야 하는 시스템에서 특히 동기화가 중요할 수 있다. 또한 여러 개의 스위칭 레귤레이터를 병렬로 사용할 경우 입력 커패시터가 받는 스트레스를 줄이기 위해 사용할 수 있다.
LM26001의 내부 블록 다이어그램인 그림 1에서는 전류 모드 PWM 스위칭 레귤레이터의 전형적인 요소를 보여주고 있다. 위에서 언급한 낮은 Iq 기능과 관련된 일부 추가 블록을 확인할 수 있다. 이러한 블록으로는 “Sleep Reset”, “Sleep Set”, “FPWM/Sleep Control”, “Switchover control” 등이 있다.
슬립 모드
슬립 모드는 기본적으로 버스트 단계(디바이스가 전환함)와 적은 대기 전류 단계(디바이스가 전환하지 않음)의 조합이다.
디바이스는 슬립 모드와 정상 동작 모드 간에 자동으로 전환할 수 있다. 가벼운 부하 조건에서는 피드백 핀(FB)의 전압이 증가하고 보상 핀(COMP)의 전압은 감소한다. COMP 전압이 0.6V 클램프 임계값에 도달하고 FB 전압이 정상보다 1% 가량 상승하면 슬립 모드가 활성화되고 전환이 중지된다(‘Sleep Set’ 블록).
레귤레이터는 디바이스가 전환을 재개하는 지점인 리셋 임계값(‘Sleep Reset’ 블록)으로 FB 전압이 떨어질 때까지 슬립 모드로 유지된다. 모든 신호는 블록 ‘PFWM/Sleep Control’에서 모니터된다. 이 1% FB 기간은 해당 출력 리플을 1%의 공칭 출력 전압으로 제한한다. 슬립 사이클은 부하 전류가 증가할 때까지 반복된다.
그림 2에서는 슬립 모드의 전형적인 스위칭 및 출력 전압 파형을 보여준다. 슬립 모드에서는 디바이스의 가능한 회로 요소가 모두 꺼져 대기 전류가 40μA로 줄어든다.부하 전류가 직접 측정되지 않고 COMP 전압을 통해 간접적으로 측정되기 때문에 디바이스가 슬립 모드와 정상 모드 간에 전환하는 임계값은 스위칭 주파수, 인덕턴스 및 듀티 사이클에 따라 변한다. 그림 3에서는 이러한 매개변수에 대한 종속성을 보여준다. 그럼에도 불구하고, 여전히 PWM 모드에서 동작하는 동안 가능한 최소 부하가 훨씬 더 작아진다. 적은 출력 전류에 대해 보다 나은 EMC 동작(버스트에서의 PWM)을 활용하기 위해 디바이스에는 forced-PWM 입력 핀이 사용된다. 따라서 마이크로컨트롤러에 의해 LM26001을 PWM 모드에서 동작하는 등의 활용이 가능하다.
이는 비용 효율에 따라 결정되지만 무선이 동작할 때와 같이 일부 상황에서는 이 방식이 보다 나은 옵션으로 인정받고 있다. 또한 시스템이 정상 동작하면 더 나은 부하 과도 전류 성능을 제공하므로 디바이스가 강제로 PWM 모드로 들어가야 한다. 디바이스가 PWM 모드로 들어가고 부하가 매우 낮은 값으로 떨어지면 출력에서 과도한 전압이 발생하지 않도록 슬립 모드로 바뀌게 된다.

바이어스 전류 감소
앞에서 언급한 것처럼 슬립 모드에서는 전류 소비를 줄이기 위해 불필요한 모든 블록이 완전히 꺼진다. 또한 VBIAS 핀이 출력 전압(예:3.3V 또는 5V)에 연결된 경우 “Switchover Control”이라는 블록이 일부 동작 전류를 처리한다. 따라서 디바이스가 주로 작은 전압에서 동작하도록 함으로써 효율이 더 높아지는 장점이 있다.
실제 결과
그림 4에서는 몇 가지 필수 외부 구성부품을 갖는 전형적인 애플리케이션을 보여준다. 이 구현은 LM26001의 평가 보드에도 사용된다. 300kHz에서 동작하며 4V~38V의 입력 전압 범위를 지원하고 최대 출력 전류가 1.5A로 3.3V 출력 전압을 공급한다. LM26001의 TSSOP 패키지는 ‘노출된 패드’가 있는 16핀이다. 패키지 본체 아래에 있는 이 노출된 패드는 5mm×6.4mm에 불과한 작은 크기의 패키지로 38K/W의 열 성능을 제공한다. 결과적인 효율 측정 결과를 보여주는 그림 5에는 부하가 50mA 이하인 전류에 대해 효율이 크게 개선되는 것으로 나타나 있다. 예를 들어 2mA에서 효율이 여전히 80%(5Vout)로, 이는 FPWM 모드에서보다 30% 이상 높은 수치이다.
넓은 부하 범위에서 효율적인 동작이 요구되는 스위칭 레귤레이터는 최신 자동차 전자 환경에서 반드시 필요한 요소이다. 경부하에서 동작 시 소비되는 공급 전류가 40μA인 LM26001이 이 과제를 만족시키고 있다. 스위칭 내부 바이어스 공급 장치의 조합, 각각의 장점을 살릴 수 있는 곳에 사용되는 여러 스위칭 모드의 조합(모드들 간 명확한 스위치), 그리고 넓은 부하 전류 범위 등을 통해 LM26001은 공급장치에서 끌어오는 전류를 줄이고 전자 설계를 보다 유연하게 할 수 있다.