T 기술기고문

100A Module 레귤레이터까지 진화의 여정

글 : 토니 암스트롱 (토니 암스트롱) / 아나로그 디바이스 

머리말
Module® 디바이스는 표면 실장 IC처럼 생겼지 만, 전력 변환 회로 구축에 필요한 모든 지원 소자들을 포함하고있다 . DC / DC 컨트롤러, MOSFET 다이, 자기 소자, 커패시터 , 저항 등 모든 소자들을 열 효율이 뛰어난 라미네이트 sub-스트레이트 위에 탑재 한 다음, 플라스틱 몰드 캡을 사용해서 몰딩한다. 이처럼 완벽하게 통합 된 전원 공급 장치 를 제공하므로 사용자는 간편하게 PCB 에 탑재하기 만하면된다.

위험 요소, 시간, 노력을 줄이면서도 성능을 향상시킬 수있는 솔루션을 제공 할 수 있습니다. 아나 로그 디바이스 (아날로그 장치)의 전문 성능 노하우가 집약 된, 하나의 IC와 같은 기능 팩터로 제공합니다. 아직, 양산이 부족할 것입니다. . 솔루션 모듈, 모듈 레귤레이터를 사용할 수 있습니다.

모듈 제품의 내부 구조를 살펴보세요. 패키지 모듈 LGA (land grid array) 나 BGA (ball grid array)를 사용한다. 반제품, 모듈 제품은 스위치 모드를 전환 할 수 있습니다. BT (bismaleimide triazine) 라미네이트 서브 스트레이트 및 그 밖의 특징들. 모듈 제품은 통합 성뿐 아니라 성능 및 그 성능도 향상되었습니다.

세계적으로 전원 설계 전문가들이 전원 설계 전문가가 필요합니다. 업계 통계에 관한 최신 정보 중국은이 정도입니다.
 
전원 설계 엔지니어와 관련한 시급한 문제로 다음 3 가지를들 수있다 :
이 일을 할 수있는 전문 인력 부족
설계에 따른 기능
촉박한 일정

이러한 문제 의식에서, 아나로그디바이스는 고객이 구입해서 바로 쉽게 사용할 수 있고, 고객이 필요로 하는 모든 성능 요건을 충족하는 통합적인 전원장치를 제공해야겠다고 생각했다. 또 다른 과제는 PCB 면적이 점점 더 중요해지고 있다는 것이다. 시스템 크기는 점점 더 작아지는데 기능은 갈수록 더 많이 통합될 것이 요구되기 때문이다. 이는 또 다른 어려움을 낳는다. 공간은 좁아지는데 많은 기능을 포함하려다 보니, 전력 소모는 커지는데 발열을 식히기 위한 공기 흐름이 제한적인 환경이 될 수밖에 없어 열 설계 제약이 갈수록 복잡해지는 것이다. 
끝으로, 점점 더 촉박해지는 개발 일정에 대한 압박도 빼놓을 수 없다. 흔히, 전원장치는 양산 착수까지 불과 몇 주밖에 남겨놓지 않고 맨 마지막에 설계하는 장치 중의 하나이기 때문이다.

PCB 면적은 대부분의 설계에서 핵심적인 우선 순위 과제다. 예를 들어, 대부분의 데이터 통신 및 텔레콤 보드는 여러 디지털 프로세서와 ASIC, 메모리를 탑재한다. 이러한 디바이스들은 PCB 상에서 구동되어야 하며, 전압 레벨은 12V ~ 48V 사이의 중간 시스템 버스 전압을 거친 다음, 각 디바이스에 맞춰 높게는 5V 이상에서부터 낮게는 0.6V에 이르기까지 다양하게 변환된다. 이와 동시에 시스템 설계자들은 갈수록 더 작아지는 폼팩터에 더 많은 기능을 포함해야 요구까지 충족해야 한다. 아마도 저 요구 사항은 서로 불가분의 관계일 것으로 보인다. 
 
해결해야 할 과제들
열 관련 설계 제약은 갈수록 심해지고 있다. 점점 더 많은 기능들이 PCB에 담기면서 보드를 구동하는 데 필요한 전력은 계속 높아지는 데 반해, 히트 싱크 공간과 사용 가능한 에어 플로우 양은 제한적이라 냉각의 중요성이 커졌다. 설계자들이 특히 애를 먹는 것은, 시스템 내부가 과열되어 시스템의 성능이나 장기적인 신뢰성을 해치지 않도록 내부의 대기 온도를 한계값 이내로 유지해야 한다는 것이다.
 
최근에는 시장을 선점하려는 경쟁 압박 때문에 출시 일정이 갈수록 촉박해지고 있다. 이 때문에 전원장치 설계자들이 수일까지는 아니더라도 수주일 안에는 전력변환 회로의 설계와 검증 작업을 마쳐야 하는 압박을 받고 있다.
 
바로 이럴 때 Module 제품은 간편하면서도 검증된 전력변환 솔루션을 제공한다. 이들 제품을 사용하면 전원장치 디버깅을 위해 더 이상 밤을 샐 필요가 없다.
 
물론 이들 제품을 채택한 최종 시스템이 장기간 신뢰성 있게 동작하려면 엄격한 품질 요건을 충족하는 것 또한 중요하다. 그렇기 때문에 ADI는 혹독한 환경에서 장기간 견고하게 동작할 수 있도록 엄격한 품질 및 신뢰성 테스트를 하고 있다.
 
다음은 최초의 Module 제품인 LTM4600이 출시된 2005년 10월 이후 지금까지 테스트와 관련한 누적 집계이다:
2,200만 회 이상의 파워 사이클링 실시
고온에서 디바이스 작동 시간 500만 시간 이상
패키지 리드에서부터 PCB까지 어떤 접촉 문제도 일으키지 않으면서 10년 동안 1년 365일, 주 7일, 1일 24시간 연중 무휴로 잘 작동하는지 확인하기 위해 시스템에 탑재한 상태로 200만 시간 이상의 온도 사이클링
-65?C ~ +150?C로 2,500만 회 이상의 온도 사이클링
-65?C ~ +150?C로 1,600만 회 이상의 열 충격 사이클링. 기억해야 할 점은, 이 테스트가 최종 전원장치를 가지고 액상 환경(liquid-to-liquid)에서 이루어진다는 것이다.
 
최종 테스트 결과는 0.4 미만의 고장률(failures in time, FIT)을 나타냈다. 이는 10억 대의 디바이스가 1시간 동안 작동할 때 0.4대의 디바이스가 고장을 나타낸다는 뜻이다. 더 중요한 것은, 이 정도의 고장률을 완벽한 전원공급장치 상태에서 달성하고 있다는 것이다. 이와 비교해서 경쟁사들의 IC(패키지에 한 개의 실리콘만 포함)는 FIT가 이보다 높다.
패키지의 진화
모듈 패키지가 어떻게 진화 해 왔는지 캐시 보자. 2005 년에 첫 번째 모듈 제품으로 LTM4600 을 사용하여 LGA 패키지를 사용했습니다. 많은 VLSI 디지털 IC가 LGA 폼팩터 및 그와 유사한 LGA 후면 사용자들이 모듈을 선택한다. 이 생각은 한 동안은 유효합니다. 

그러다 BGA 패키지도 마찬가지입니다. 이유는 운이 좋았다. 먼저, LGA의 양산 제조 및 사용자가 BGA를 선택할 수 있습니다. 그러나, 동그란 핀입니다. 또, 유연하고 무연입니다. 많은 모듈 사용자들이 항공 우주 및 방산 부문 고객이되었습니다.


그림 1 : 모듈 레귤레이터의 BGA 패키지 회의

맨 처음 시작된 모듈 제품은 LTM4600이다. LTM4600은 4.5V ~ 20V 입력에 0.6V ~ 5.5V입니다., 15mm x 15mm x 2.82mm 표면 실장 LGA 패키지로 제공됩니다. 12VIN, 3.3VOUT으로 10A를 제공합니다. 90 %의 효율을 달성했습니다. 2005 년 10 월부터 다시 말하지만.

15mm x 15mm 모듈 레귤레이터의 열 성능을 선택할 수 있습니다. 열이 문제가 있습니다. BT의 라미네이트 서브 스트레이트를 사용하는 것이 중요하다. 이 소재의 서브 스트레이트는 열 특성이 우수합니다. PCB에서 열을 발산하는 것입니다. 패키지 상단면으로도 열을 빼내서 공기 중으로 발산 할 수 있습니다. 그래서 특수하게 설계된 히트 싱크를 패키지 내에서 내부적 MOSFET 과 인덕터 상단면으로 부착하고 패키지 를 밀봉했다 . 필요한 서 모듈 레귤레이터의 상단면으로이 히트 싱크를 노출합니다. 모듈 식 시스템 모듈을 확장 할 수 있습니다. 여기에 200 LFM의 에어 플로우를 더 이상 열 성능을 얻을 수 있습니다. 

모듈 레귤레이터의 진화와 개발은 계속 멈추지 않아도됩니다. 최근에는 더 많은 것을 얻을 수 있습니다.

그리고 초 초박형 모듈입니다. PCB는 다양한 시스템을 갖추고 있습니다. 랙형 시스템 시스템, PCB. 1.8mm와 1.9mm 인? 모듈 레귤레이터를 개발했다. PCB가 필요합니다.

다른 배경을 알고 나면 모듈이 있습니다. 모듈 식의 열 성능 향상은 그야말로 진화의 여정 인 셈이다. 


그림 2 : 모듈은 모듈에 의해

구성 될 수 있습니다. 모든 모듈을 확장 할 수 있습니다. VLSI 디지털 IC와 공동으로 할 수있다. 파란색은 온도가 넓습니다 (열 발산 낮음), PCB를 통해 공기 중력을 제거 할 수 있습니다.

열 성능 특성의 향상 및 추가, 모듈 레귤레이터. 그림 3에 소개 한 LTM4627 은 20V를 입력하십시오. LTM4638이다. 이 제품도 20V 입력이 가능합니다. 놀랍게도 마찬가지이다. 물론 체적으로 밝혀, LTM4638LTM4627 에 비해서 5.6 배나 더 작다. 

어디서나 점이, 외부 동작 조건 일이 조금만 차이가 나지 않는데 풋 프린트와 구현으로 공간이 없다. 아직 모든 성과를 4 년이 채 웁니다.



그림 3 : LTM4627 (15mm x 15mm x 4.92mm)과 LTM4638 (6.25mm x 6.25mm x 5.02mm)


범위가 넓은 100A 모듈
고전력 모듈 제품 사용자가 오래 전부터 계속 더 작고, 효율적으로 더 우수하고, 전력 효율이 더 높을 수 있습니다. 그러나 실제로는 말이다. 그럼에도 불구하고 ADI에 대한 요구는 진심으로 귀결 될 것입니다.

2013 ~ 2016 년 사이에 15mm x 15mm 풋 프린트의? 모듈 레귤레이터로 가능 당 26A부터 50A까지 가능합니다. 또한, 고전력 모듈 가변로 12V 입력, 1V 출력에서 ??90 % 변환 효율로 최대의 출력이 가능합니다. 10 %의 전력 효율이 가능합니다. 2016 년 후반에는 40A 이상 모듈로 88 ~ 89 % 대의 효율성을 달성했습니다.
 
물론 100A 다양한 모듈 레귤레이터로 진화하기
- 2010 년에는 Polyphase® 병렬 구성으로 12 개의 LTM4601을 사용해서 12V 입력, 1V 출력으로 (100A)를 제공 할 수 있었다.
- 2012 년에는 다상 병렬 구성으로 단지 4 개의 LTM4620을 사용해서 12V 입력, 1V 출력으로 (100A)를 제공 할 수 있었다.
- 2014 년에는 다상 병렬 구성으로 단지 3 개의 LTM4630을 사용해서 12V 입력, 1V 출력으로 (100A)를 제공 할 수 있었다.
- 2016년에는 Polyphase 병렬 구성으로 단지 2개의 LTM4650을 사용해서 12V 입력, 1V 출력으로 100A를 제공할 수 있게 되었다. 또 라인, 부하, 온도에 걸쳐서 ?1%의 총 DC 오차를 달성했다.
 
마침내, 2018년 11월에는 듀얼 50A 또는 단일 100A 출력 ?Module 레귤레이터로서 LTM4700을 출시하게 되었다. 그림 4는 이 디바이스를 보여준다.


그림 4: LTM4700은 단일 패키지로 100A 출력 전류를 제공할 수 있다.


그림 5: LTM4700 100A Module (89.6% 효율)
 
그림 5는 LTM4700이 작동할 때의 열화상 이미지를 보여준다. 12V 입력, 1V 출력으로 100A 전류를 제공하면서 높은 변환 효율을 달성하며 200 LFM의 에어플로우만을 사용하고 있다. 에너지 효율이 우수하므로 데이터 센터 인프라의 냉각 요구를 낮출 수 있다.
 
LTM4700의 특징을 요약하면 다음과 같다:
100A 출력이 가능한 ?Module 디바이스이다. 2개의 50A 출력을 제공할 수도 있다.
스텝다운으로 12V 입력, 1V 출력으로 100A를 제공하면서 200 LFM 에어플로우만을 사용해서 90%에 근접하는 변환 효율을 달성한다. 동작 온도 범위에서 최대 DC 오차는 ?0.5%이다.
풋프린트 크기는 15mm x 22mm x 7.82mm이다.
 
듀얼 50A 또는 단일 100A 출력을 제공할 수 있다는 점 외에도, LTM4700의 또 다른 특징은 PMBus I2C 인터페이스와 전원 시스템 관리(PSM) 기능을 포함한다는 것이다.
 
따라서 다음과 같은 작업들을 할 수 있다:
디지털 통신 버스를 통해서 전압 구성, 복잡한 온/오프 시퀀싱 정의, OV(over-voltage)나 UV(under-voltage) 한계 같은 결함 조건 정의, 스위칭 주파수나 전류 한계 같은 전원장치 파라미터 설정이 가능하다.
또한 이 통신 버스를 통해서 입력 및 출력 전압, 입력 및 출력 전류, 입력 및 출력 전력, 내부 및 외부 온도 같은 주요 동작 파라미터를 리드백 할 수 있으며, 일부 제품은 에너지 소비 측정 작업도 할 수 있다.
사용자가 자신의 설계에 대해 매우 정밀하게 폐쇄 루프 마진 테스트를 할 수 있으며, 전원장치 전압을 정밀하게 트리밍 할 수 있다.
PSM 디바이스는 신뢰성과 품질을 높인다.
서보 루프를 사용해서 제품의 수명 전반에 걸쳐서 높은 전원 정확도를 유지하고 신뢰성을 높일 수 있다.
PSM 디바이스의 리드백 기능을 사용해서 회로내 테스트 시에 테스트 커버리지를 향상시킬 수 있으며 결함 가능성이 있는 디바이스를 걸러낼 수 있다.
최종 제품의 수명 동안 내내 PSM 디바이스가 주요 파라미터들을 계속해서 모니터링한다. 전압, 전류, 온도 추이를 모니터링해서 전원 시스템의 상태를 파악할 수 있다. 양호한 시스템 시그니처를 포착한 다음에 이와 대조해서 시스템 고장이나 고장 징후를 식별할 수 있다.
맺음말
최초의 모듈 레귤레이터 제품으로서 LTM4600 이 출시 된 때가 2005 년이다. 이 제품은 15mm x 15mm x 2.8mm LGA 패키지입니다., 12V 입력, 1.2V에서 10A를 제공합니다. 13 년 후, LTM4700 은 12V 입력, 1V에서 100A를 제공함 89.6 % (200 LFM 에어 플로우). 어디 끝이있다. ADI의 설계자들은 계속해서 더 나은 성능을 발휘할 수있다.


소개 저자
토니 암스트롱 (토니 암스트롱, tony.armstrong@analog.com )은 아나 로그 디바이스 (아나 로그 디바이스) 전원 선형에 의해 ™ 제품 그룹의 제품 마케팅 디렉터이다. 전력 변환 및 관리 제품 및 관련 제품. 리니어 테크놀로지 (Linear Technology), 실리 코닉스 (Siliconix), 셈텍 (Semtech), 페어차일드 스탠 컨덕터 (Fairchild Semiconductors), 프로세서 (Intel)에서 마케팅, 운영, 운영을위한 영국 맨체스터 대학에서 응용 수학을 전공했다.