‘만들까, 아니면 살까?’ 전원 설계의 딜레마 해결
10년 전만 해도 전자 시스템에는 몇 가지의 공급 전압 및 전류만 필요했으며, 일반적으로 이들 전압과 전류는 여러 회로에서 공유되었습니다. 또한 10년 전과 달리, 최신 전자 제품 설계는 초소형 설계와 모바일/휴대용 솔루션을 강조하는 경우가 많습니다. 최신 FPGA, 멀티 CPU, 그래픽 카드, RF/무선 하드웨어는 종종 복잡한 DC 전원 공급 장치를 필요로 합니다. 필요한 전원 공급 장치 솔루션의 다양성과 밀도 역시 이전 세대의 모바일 또는 휴대용 전자 제품보다 훨씬 더 많습니다. 이러한 복잡성으로 인해 시스템 및 전원 설계 엔지니어는 기존에 하던 대로 디스크리트 DC-DC 전원 공급 회로를 사내에서 직접 제작할 것인지, 아니면 전원 모듈을 구매하여 설계에 통합할 것인지, 즉, 제작할 것인가, 구매할 것인가를 놓고 고민하게 됩니다.
-
이번 포스트에서는 최신 전원 모듈 솔루션을 살펴보고, 이와 함께 이러한 솔루션이 고밀도 또는 부피/풋프린트가 제한된 전원 시스템 설계와 관련하여 결국 경제적으로 유리한 선택이 될 수 있는 이유에 대해 알아보겠습니다.
-
-
‘만들까, 아니면 살까?’ 전원 설계의 딜레마 해결 (출처: ijeab - stock.adobe.com)
-
만들까, 살까?
디스크리트 전원 솔루션을 자체적으로 설계 및 제작하려면 필요한 모든 부품을 조달하고 부품 및 제작의 품질을 보장하는 조달/공급망 역량이 필요할 뿐 아니라, 즉시 사용 가능한 높은 수준의 전문 지식까지도 필요합니다. 이러한 접근 방식은 솔루션을 설계, 평가, 테스트, 제조하기 위한 엔지니어와 기술자로 구성된 팀이 필요하기 때문에, 이 부분은 궁극적으로 많은 OEM에게 주된 제약으로 작용합니다. 크랙 설계 팀이 있더라도 테스트 및 제조 부분에서는 자체적인 전문 장비와 도구를 필요로 하는데, OEM이 이러한 장비와 도구를 보유하고 있을 수도, 그렇지 못할 수도 있습니다.
-
이 경우, OEM이 이러한 리소스를 보유하고 있더라도, 최신 디지털 및 RF 전자 시스템 설계를 위한 최신 전원 솔루션이 지나치게 복잡해서 OEM이 사내에서 자체적으로 접근할 수 있는 역량을 넘어설 수도 있습니다. 설령, OEM이 완벽한 전원 솔루션을 제작하는 데 필요한 모든 리소스뿐 아니라 검증 및 품질 관리를 수행하는 데 필요한 리소스까지 모두 보유하고 있다고 하더라도, 전원 설계에는 고려해야 할 다양한 요소들이 있는데, 이러한 요소들은 사용자가 전원 모듈 구매를 고려할 때 유리하게 작용할 수 있습니다.
-
※ 전원 솔루션의 제작 vs구매 분석 시 고려해야 할 핵심 요소들:
▶ 크기
▶ 무게
▶ 전력 밀도
▶ 효율
▶ 유연성
▶ 확장성
▶ 설계 주기
▶ 열 관리
▶ 조립
그림 1. 이 전원 모듈 이미지는 공간을 효율적으로 사용하면 어떻게 훨씬 더 작고 전력 밀도가 높은 솔루션을 만들 수 있는지를 보여줍니다. (출처: Vicor)
시중에 출시된 최신 품질의 전원 모듈은 고도로 숙련된 엔지니어와 기술자로 구성된 전담 팀이 설계 및 제작합니다.
-
또한 이러한 모듈은 수 차례의 최적화 과정을 거치면서 심도 깊은 인사이트와 고객 피드백을 반영하게 됩니다. 따라서 이러한 전원 모듈은 매우 컴팩트하고 효율적입니다.
-
즉, 이러한 모듈의 전력 밀도는 사내 전원 설계 팀이 경쟁력을 유지하면서 제품을 시장에 출시해야 하는 제한된 일정 내에 달성할 수 있는 수준을 훨씬 뛰어넘을 수 있습니다(그림 1).
-
전원 모듈 설계 팀의 헌신과 그들의 많은 리소스를 고려할 때, 최신 프리미엄 모듈은 본질적으로 설계의 유연성과 확장성을 위한 다양한 기능들도 함께 제공합니다.
-
또한 전원 모듈 전담 설계 엔지니어는 최신 전력 반도체 설계 지식을 접할 수 있는 이점을 누릴 수 있으며, 이제 가장 작은 패키지에 최고의 성능을 조합한 모듈을 제공할 수 있습니다.
-
이러한 효율성은 일반적으로 열 관리를 용이하게 할 뿐만 아니라, 새로운 균일한 평면 패키징 및 모듈 설계는 열 관리 히트 싱크 및/또는 능동형 공랭식 설계를 크게 간소화합니다(그림 2).
그림 2. 전원 모듈 솔루션은 일반적인 디스크리트 전원 솔루션보다 훨씬 더 작은 실장 면적과 높은 효율을 제공할 수 있습니다. (출처: Vicor)
-
-
모바일 또는 배터리 기반 설계 고려 사항
정보 네트워크에 무선으로 연결되어 처리, 감지, 작동하는 에지 전자 시스템이 점점 더 증가하는 추세입니다. 이는 전자기기 제조사들이 최종 사용자의 니즈를 충족하기 위해 제품을 더 작고, 더 가볍고, 더 이동/휴대할 수 있게 만들려는 움직임과도 일치합니다. 이러한 최신 에지용, 휴대용 전자 솔루션은 배터리 기술의 발전으로 에너지 및 전력 밀도가 높아졌음에도 불구하고 크기, 무게, 전력 효율에 있어서 매우 엄격한 제약을 받고 있습니다.
-
전력 효율이 낮은 전력 전자기기로 효율이 높은 솔루션과 동일한 성능을 내려면 크기와 무게를 늘릴 수밖에 없기 때문입니다. 따라서 무게와 크기가 중요한 요건이 될 때는 훨씬 더 크고 효율이 떨어지는 디스크리트 전원 솔루션을 자체 설계하기보다, 더 효율적이면서 컴팩트한 전원 모듈을 사용하는 것이 낫다는 근거가 바로 여기에 있습니다.
-
바이코(Vicor)의 전원 모듈 솔루션
바이코(Vicor)는 고성능 전원 모듈 분야의 선도기업으로서 OEM이 스스로 혁신을 이뤄낼 수 있도록 전원 모듈 기술 혁신에 많은 투자를 하고 있습니다. 바이코 전원 모듈은 크기/무게, 효율, 품질, 확장성 등 모든 주요 성능 범주에서 일반적인 디스크리트 전원 모듈 솔루션보다 우수한 것으로 입증되었습니다.
-
하나의 예로 바이코 제로 전압 스위칭(Zero-Voltage Switching, ZVS) 벅-부스트 레귤레이터를 들 수 있습니다. 이러한 고밀도 시스템 인 패키지(SiP) 전원 모듈은 일반적인 스루홀 인덕터의 일부에 불과한 솔루션 크기에 액세서리 부품, 컨트롤러, 전원 스위치를 통합하고 넓은 입력 범위의 DC-DC 레귤레이터를 제공합니다. ZVS 벅-부스트 레귤레이터의 고주파 스위칭 기능과 고급 제어 기능을 통해 보다 컴팩트하고 효율적인(800kHz 이상의 FSW에서 98% 이상의 효율) 전원 모듈을 구현할 수 있습니다. 또한 외부 필터링 구성 요소의 크기를 줄여 저속 스위칭 솔루션과 동일한 성능을 달성합니다. 이 레귤레이터 제품은 단일 와이어 전류 공유 특징 덕분에 병렬 연결이 가능하므로 본질적으로 확장성이 뛰어납니다.
특정 전원 설계에 맞는 전원 솔루션을 직접 설계하여 제작할 것인지, 아니면 구매할 것인지를 결정할 때 고려해야 할 요소는 많습니다. 그러나 최신 기성품 전원 모듈은 수년 간의 전용 개발과 고급 기능을 통해 전원 설계 팀이 설계를 생산에 적용해야 하는 제한된 시간 내에 디스크리트 전원 솔루션으로는 달성하기 어렵거나 불가능한 성능과 밀도 수준을 제공합니다.