혁신적인 SiP 전력 모듈로 시스템 개발 간소화 및 가속화
규모가 큰 전자 기기 개발자 커뮤니티에서도 고급 전원 공급 장치 설계는 여전히 미스터리한 존재다. 전원 공급 장치에는 대다수의 시스템 개발자에게 부족한 전문 지식, 예를 들어 전원 공급 장치의 종류를 선택하거나 사양서 스펙을 맞추는 방법과 같은 지식이 필요하다. 개발자들이 전원 공급 장치 설계에 신경 쓰지 않아도 되는 기성품 솔루션을 선호하는 것은 어쩌면 당연한 일이라고 할 수 있다.
텍사스 인스트루먼트(TI ; Texas Instruments)의 SiP(Sistem-in-Package) 전력 모듈은 사용하기 편리한 전원 공급 장치용 솔루션으로 기성품이다.
SiP 모듈은 3차원 스택 부품을 이용해 하나의 패키지에 DC-DC 컨버터 전원 시스템을 통합하고 있다. 이로써 전원 밀도가 높아지고 설계를 간소화할 수 있어, 고객들은 출시 기간을 단축하는 동시에 매출 상승을 실현할 수 있다.
개발자들은 사전 테스트를 거친 PoL(Point-of-Load) 전원 공급 장치가 있는 디바이스 하나만 보드에 추가하면, 번거로운 전원 설계 없이 전문지식과 부가가치를 극대화하는 데 더 많은 시간을 할애할 수 있다.
모듈 부피의 밀도 트렌드
개발자는 200가지가 넘는 TI의 SiP 모듈 포트폴리오를 이용해 시스템 적합한 솔루션을 선택할 수 있다.
애플리케이션으로는 크게 통신 인프라, 데이터 관리, 사무 장비, 빌딩 자동화, 산업용 및 교통, 국방과 같은 대규모 성능 중심 시스템도 있고, 작게는 센서, 가전기기 및 소비자 전자제품, 휴대용 웨어러블과 같이 대체로 비용에 민감한 시스템들도 있다.
즉, 대부분의 전자 애플리케이션을 위한 저렴한 SiP 모듈이 존재하며, 모듈 선택과 구현을 수월하게 도와주는 심층 개발 툴들도 마련되어 있는 셈이다.
▲ 그림 1. 전력 모듈은 회로망에 배치되는 다운스케일링과 병행을 이룬다.
지난 25년간 TI는 매년 평균 20%의 모듈 크기를 감소해 왔다
복잡한 시스템일수록 간단한 솔루션 필요
전원 설계의 마법은 시스템이 더 작아지고 복잡해질수록 더 미스터리해지는 것 같다. 제품 소형화는 개발자에게 전원 시스템의 크기를 축소해야 한다는 압박감을 주며, 기동성은 배터리가 더 오래 작동하도록 쥐어짜야 한다는 압박을 부여한다.
효율적인 사용을 위해서는 새로운 장비일수록 사용 지점 가까이에서 더 높은 전압 입력을 수용할 수 있어야 한다. 그리고 고집적 시스템들에서는 복잡한 부하와 함께 여러 전압 및 전류 레벨들이 복잡한 전원 트리나 다양한 전원 공급 장치 스테이지, 또는 둘 다 이용해 구현되어야 한다. 회로 분석은 효율성, 크기, 비용 등을 조정한 여러 조합들로 다양하게 구현되기도 한다.
전원 공급 장치 토폴로지 역시 개발 결정을 복잡하게 만든다. 기존의 선형 전압 레귤레이터는 개발자에게 비교적 단순하고 유연하지만, 냉각하기 위해서는 상당한 공기의 흐름과 보드 공간이 필요하다. 그래서 SMPS(Switched-Mode Power Supplies)가 많은 애플리케이션에서 점차 호응을 얻고 있다.
SMPS의 높은 전원 효율은 열 발산에 필요한 공간을 줄여 주고, 휴대용 시스템의 배터리 수명을 늘려 주며, 라인 전원 장비의 운전 비용도 절감해 준다.
개발자들은 고주파수 스위치의 타이밍도 당연히 꼼꼼하게 제어해야 하지만, 그것이 나머지 시스템의 저주파수 회로를 간섭하거나 입력 전원 라인에 다시 전송되는 것도 막아야 한다. 또한 고주파수 스위치를 외부 잡음과 내부 와류로부터 보호해야 한다.
이 모든 요소가 개발 및 설계 디버깅, 제조 테스트 등의 난이도에 영향을 미친다. 또한 전원은 자체 안전 요건도 갖고 있기 때문에 프로세스를 더 복잡하게 만든다. 시스템 개발자는 이 복잡도에 압도당할 수 있고, 특히 전원 공급 장치 설계를 전담하는 전문가를 갖추지 못한 소규모 개발 팀이라면 더욱 더 그럴 것이다.
SiP 모듈은 전원 설계 시 곤란한 점을 없애 주고 개발 프로세스를 완화함으로써 개발자가 제품에 최대한 가치를 더할 수 있도록 한다.
▲ 그림 2. 간소화된 QFN 모듈 어셈블리 플로우
빠른 개발 속도로 시장 출시기간 단축
SiP 모듈 사용이 개발에 미치는 영향은 제품이 성공하는 데 결정적인 요인이 될 수 있다. 다넬 그룹(Darnell Group)의 보고서에 따르면, SiP 모듈 기반 설계는 개별 DC-DC 레귤레이터 기반 설계보다 인력을 45% 줄일 수 있다. 이와 같이 큰 개발시간 단축은 조기 출시로 인한 매출 및 수익 증대라는 측면에서 차이가 커질 수 있다.
또한 BOM(Bill of Materials) 절감과 줄어든 마운팅 단계들은 제조를 간소화하고 테스트 통과율을 높여 전체적인 신뢰성까지 향상시킨다. 추가 부품을 구매해 재고를 보유해야 하는 비용 관리도 크게 줄어든다.
이 모든 이유를 살펴봤을 때, SiP 모듈이 개별 솔루션에 비해 단순히 비용 효과만 갖고 있는 것은 아니다. 이는 시장에 선보이는 제품을 성공시키는 열쇠가 될 수도 있다.
고급 패키징과 유연한 옵션
SiP 모듈은 전원 제품용 패키지 제조에 관한 TI의 오랜 전문 지식을 활용하고 있다. 이 모듈은 공간을 최소화하기 위해 임베디드-다이 라미네이트, 구리-클립 통합, 스틸드 인덕터 및 기타 고급 3D 스태킹 기법을 사용하고 있다. 넓은 구리 리드를 가진 듀얼 프레임 구조와 기타 열 발산 기법들이 제품 라인 전체에 걸쳐 탁월한 열 특성을 달성한다. 뛰어난 열 응답성을 가진 이 모듈은 넓은 온도 범위에서 작동하므로 현장에서 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
EMI(Electromagnetic Interference)를 최소화하여 SiP 모듈이 호스트 시스템과 호환되도록 하는 설계 기법들도 중요하다. 이 디바이스는 표준 및 시스템 운영 조건에 적합한지 확인하기 위해 EMI, 온도, 진동, 기타 주변 요소들에 대해서 다양한 배터리 특성 테스트를 받는다.
현재 존재하는 복잡한 시스템들은 다양한 전압 레벨에서 작동하는데, SiP 전력 모듈은 멀티 전압 레일을 지원할 수 있다. 앞으로 다양한 PoL 전압 레일들을 다루는 여러 입력 전압들과 입력 옵션들이 수용된 모듈들을 통해 이례적으로 다양한 응용이 가능해질 것이다.
이러한 기능들의 진짜 효과는 늘어난 전원 밀도로 디바이스 풋프린트, 트레이스 및 쿨링 등에 필요한 보드공간이 절약된다는 것이다. 디바이스가 줄어들면 전원 밀도는 해마다 약 25%씩 늘어나는데, 이는 미래 세대의 완제품 설계에서 보다 많은 공간 절약 옵션들을 이용할 수 있게 해줄 것이다.
SiP 모듈 패키지의 종류
폭넓은 SiP 모듈 포트폴리오는 다양한 애플리케이션들과 여러 제조 환경에 유연성을 제공하고 있다. 리드, 무연 옵션들이 다양한 마운팅 및 최종 사용 조건들을 지원하며, 소형 패키지들은 공간이 중요한 요소인 초소형 솔루션을 가능하게 한다. 모든 모듈 주변부 신호들은 단순한 접근성으로 디버깅과 테스트가 쉽게 이루어질 수 있도록 한다.
패키지 옵션들은 납(Pb)이 없으며, 유해물질 제한 지침(Restriction on Hazardous Substances ; ROHS) 법령과 습도 감도에 관한 J-STD-020을 준수하고 있다.
1. QFN 모듈
첨단 시스템에 최대한 압축하기 위해, TI는 QFN(Quad Flat No-lead)으로 전원 공급 장치 모듈을 제공하고 있다. 패키지 인 패키지 기술과 발달된 제조 공정을 이용, QFN은 멀티레벨 보드 및 고급 마운팅 기법을 가진 시스템의 이점들을 제공하고 있다.
구리 리드 프레임과 플라스틱 피복은 가장 낮은 열 경로를 가능하게 하여 탁월한 안전 운전 면적 성능을 달성하고 있으며, 짧은 전기 경로와 폐회로 마그네틱은 동급 최강의 EMI 보호를 제공하고 있다. 이 모듈은 사용이 편리하고 모든 신호에 접근 가능하며, 보정과 프로그래밍은 이미 통합되어 있다.
2. MicroSiP 모듈
휴대용 및 웨어러블 전자 기기처럼 소형화된 시스템에서, 패키지의 크기는 면적 측면에서도 중요하지만 부피와 무게 면에서도 중요하다. TI의 플러그인 MicroSiP 모듈은 이러한 애플리케이션에 필요한 부분을 제공한다.
모듈 안에는 고성능 라미네이트 기판과 함께 임베디드 PicoStarTM 멀티 채널 전원 관리 디바이스를 갖추고 있으며, 이와 함께 개별 능동 부품들이 톱 사이트에 위치하고 있다. 개별 솔루션 보드 공간의 절반 밖에 차지하지 않는 MicroSiP 모듈을 통해, 시스템 레벨의 설계에서 새로운 차원의 탄력성을 발휘할 수 있다.
▲ 그림 3. MicroSiP 단면
3. 리드 모듈
산업용 시스템은 혹독한 환경에서 사용될 때가 많고 열, 진동, EMI 보호 요건이 엄격한 경우도 많다. 이와 같은 타입의 시스템을 위해, TI는 리드 모듈 패키징 기술을 이용해 플립 칩이나 전도된 다이를 듀얼 리드 프레임 위에 올리고 있다. 듀얼 리드 프레임은 전기 경로를 짧게 해 동급 최강의 EMI 보호를 달성하며, 열 패드를 가진 구리 리드 프레임은 탁월한 열 성능을 발휘할 수 있게 한다.
이 패키지에서는 칩 위에 능동 부품들을 쌓아 공간 절약 완성형 전원 시스템을 제공하고 있으며, 외부 리드로 마운팅을 단순화해 접근하기 쉽게 하고 있다. 이러한 모듈은 혹독한 환경에서 사용할 수 있도록 견고한 옵션들을 갖추고 있다.
▲ 그림 4. 리드 모듈 구조의 예시
설계 지원 및 제조
SiP 전력 모듈은 TI WEBENCH® 디자인 툴에서 최대한 활용할 수 있으며, 설계 엔지니어들은 이를 통해 단시간에 전원 애플리케이션을 설계할 수 있다.
그리고 WEBENCH에 들어 있는 편리한 전문가 분석을 통해, 개발자들은 설계에 나서기 전에 시스템 레벨 및 공급 레벨에서 가치 비교를 실행할 수 있다.
이 툴들은 사용자의 단순한 정보 입력으로도 산업용, 통신용, 기업용, 개인용 전자 기기는 물론, 오토모티브 장비에 이르기까지 모든 전원 부하 필요성에 맞춰 여러 가지 TI 디자인 옵션들을 내놓을 수 있다. 개발자들은 공간, 비용, 효율 및 성능 등을 조정한 다양한 조합들로 중요한 전원 공급 장치 결정을 빠르고, 쉽게 내릴 수 있다. SiP 모듈에 대한 추가 지원으로 평가 보드, 레퍼런스 디자인, 기술 문서 및 교육 등이 제공된다.
TI는 SiP 모듈의 모든 기능을 강화해 사용 편의성, 제품 라인, 유연성, 전원 밀도를 높이는 데 매진하고 있으며, 개별 전원 제품은 물론 전력 모듈에 대해 다양한 포트폴리오를 제공하고 있다. SiP 뒤에는 탄력적인 제조 능력과 강력한 패키징 및 신뢰성 연구소 등 모듈 개발과 검증에 필요한 TI의 전원 전문 지식이 뒷받침하고 있다.
미래를 움직이다
소형화, 멀티 전원 레일, 더 많은 전력 효율 토폴로지의 필요성 등 늘어난 복잡도로 인한 압력들이 전원 공급 장치 시스템 설계를 훨씬 더 어렵게 하고 있다.
다행히도 TI의 SiP 전력 모듈은 사용하기 편리한 완성형 DC-DC 컨버터와 함께 여러 애플리케이션 및 제조 요건에 맞춰 다양한 옵션들을 제공하고 있다.
SiP 모듈은 전원 밀도를 높여 출시기간을 단축시킴으로써 여러 애플리케이션 분야에서 새로운 시스템을 위한 비용 효과적인 옵션이 되고 있다. 대형 멀티 채널 장비부터 아주 작은 웨어러블 전자 액세서리까지, TI의 SiP 모듈은 미래를 위한 혁신 시스템들을 움직이고 있다.
Usman Chaudhry 외 공저 _ 텍사스인스트루먼트
(Charles DeVries, Steven Kummerl, Chong Han Lim)
