임베디드 스터디 - 전원 관리 하드웨어

전원 관리 장치

• 임베디드 시스템을 보면 배터리나 어댑터는 보통 5V 또는 12V 를 공급하는데, 실제 SoC나 주변 IC들은 1.8V, 3.3V 등 다양한 전압을 요구함
• 이 때, 단순 저항 회로 구성으로 전압을 낮추면 다음 문제가 발생함
  • 옴의 법칙에 의해, 입력 부하가 바뀌면 저항 측 부하도 바뀌기에 출력 전압에 변동이 생김
  • 입력 부하가 높아지면 저항에서의 전력 손실도 선형적으로 증가함
• 따라서 별도의 전원 관리 하드웨어를 사용해 각 모듈에 전원을 공급함

LDO (Low Drop-Out) 레귤레이터

• 출력 전압의 피드백 제어를 통해 출력 전압을 일정하게 유지함
  • 출력 노이즈가 작음
  • 전압 변동이 작은 회로에서 사용
• 전압 차이가 크거나, 부하 전류가 크면 효율이 좋지 않음

DC-DC 스위치 컨버터

• 회로 구성 방식에 따라 종류가 다름
  • 비절연형 : 입력과 출력이 연결되어 있음
    • Buck
    • Boost
    • Buck-Boost
    • Cuk
  • 절연형 : 입력과 출력이 전기적으로 분리되어 있음
    • Flyback
    • Forward
    • Full-Bridge

Buck : 강압용

• 스위치가 고속으로 ON/OFF를 반복하며 인덕터에 에너지를 저장/방출
  • 스위치 ON : 인덕터에 에너지 저장, 부하에 전류 공급
  • 스위치 OFF : 인덕터에서 에너지 방출, 다이오드 환류(Freewheeling)를 통해 부하에 전류 공급, 캐패시터가 출력 리플 평활
• $V_{out} = D \times V_{in}$
  • D : 듀티 사이클

Boost : 승압용

• 스위치가 고속으로 ON/OFF를 반복하며 인덕터에 에너지를 저장/방출
  • 스위치 ON : 인덕터에 에너지 저장, 부하에 전류 공급
  • 스위치 OFF : 인덕터에서 에너지 방출, 인덕터의 역기전력이 $V_{in}$ ​에 더해져 $V_{out}$​으로 출력되어 승압됨
• \[V_{out} = \frac{V_{in}}{1-D}\]
  • D : 듀티 사이클

Buck-Boost : 강압-승압용

• 두 가지 종류가 있음
  • 반전형 Buck-Boost : 회로가 단순함
  • 4스위치 Buck-Boost : 극성 반전 없이 넓은 입력 전압을 커버함

Cuk

• Buck, Boost, Buck-Boost와 달리 커패시터를 에너지 매개원으로 사용함
  • 입출력 전류가 모두 연속적이라 리플이 적음
  • 스위치에 부하되는 전류가 큼

전원 출력 방식

• 자주 사용되는 두 가지 방식이 있음
  • PWM(Pulse Width Modulation)
  • PFM(Pulse Frequency Modulation)

	PWM	PFM
주파수	고정	가변
펄스 폭	가변	고정
강점	중·고부하, 출력 안정성	경부하, 효율
약점	경부하 시 스위칭 손실	고부하 시 출력 리플 큼

PMIC (Power Management IC)

• LDO, DC-DC, 배터리 충전회로, 전원 시퀀싱을 하나로 합친 IC칩
• Power Sequencing : 코어 셀부터 IO셀까지 순서대로 전원을 인가/차단하는 동작
  • 동시에 전체 셀에 전원을 인가하는 경우, IO핀 CMOS의 기생 다이오드 구조에 의해 전원 레일에 역류하는 현상이 발생함
  • 이 상태가 지속되면 Latch-Up, CMOS의 기생 사이리스터가 트리거되어 과전류 발생
• 전원 시퀀싱의 순서는 다음과 같음
  • 전원 인가 : 코어 전압 → 아날로그 전압 → I/O 전압
  • 전원 차단 : I/O 전압 → 아날로그 전압 → 코어 전압