IoT 및 모바일 기기를 위한 전압 조절기

전원 공급 장치와 전원 관리 시스템은 모바일 기기의 배터리 수명과 성능을 연장하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 시스템의 중요한 부분으로, 전압 조절기는 전원 공급 장치에서 출력 전압을 일정한 값으로 유지하도록 설계되었습니다. 모바일 또는 IoT 기기에 전압 조절기를 선택할 때 고려해야 할 여러 가지 사항이 있습니다. 이는 종종 소음, 열 관리, 규제에서의 편차 사이의 절충을 포함하지만, 이러한 점 사이에서 올바른 균형을 찾는 것은 다음 모바일 기기가 원하는 대로 작동하도록 하는 데 도움이 될 수 있습니다.

원하는 전압 조절기 기능

모든 전압 조절기는 특정 기능을 제공해야 합니다. 우선, 조절기는 배터리와 기기의 다른 하위 회로 사이의 전압을 상승시키거나 낮춰야 합니다. OLED와 같은 고전압 기기에는 상승 기능이 필요하며, 전압을 낮추는 기능은 디지털 CMOS 회로가 소비하는 전력을 줄여줍니다. 이는 배터리 수명을 연장하고 배터리 크기에 큰 영향을 주지 않으면서 추가 카메라 및 촉각 피드백과 같은 새로운 기능을 가능하게 합니다.

모바일 기기에서 소음 관리와 전력 분리는 신호 무결성을 보장하기 위해 중요합니다. Gbps 데이터 속도를 위한 최신 RF 변조 방식은 왜곡 및 간섭 아티팩트에 대해 엄격한 요구 사항을 제시합니다. 이는 전원 공급 장치에서 발생하는 전도 및 방사 EMI와 같은 모든 소음원에 주의를 기울여야 함을 의미합니다.

전력 분리 측면에서 좋은 전압 조절기는 배터리의 출력 전압 변화가 출력을 통해 일시적인 신호(예: 펄스 RF 전력 증폭기에 의해 도입된 것과 같은)를 전파하여 하류 회로에 영향을 미치는 것을 방지해야 합니다. 마지막으로, 스마트폰, 웨어러블 기기, IoT 또는 기타 기기와 같은 모든 모바일 기기에 대한 전압 조절기는 배터리 수명을 연장하면서도 작은 발자국과 낮은 비용을 가져야 합니다.

전압 조절기 토폴로지

선형 조절기: 이들은 일반적으로 참조 전압 생성기, 오류 증폭기, 전력 트랜지스터, 출력 전압을 모니터링하기 위한 저항 분배기 및 전력 버스의 전압을 안정적으로 유지하기 위한 디커플링 커패시터로 구성됩니다. pnp 및 pFET 트랜지스터를 기반으로 하는 저압강하(LDO) 조절기는 드롭아웃 중 트랜지스터 극성에 따라 다른 대기 전류 특성을 나타냅니다. pFET 트랜지스터는 드롭아웃 중에 거의 전류를 소모하지 않으며 대기 전류 상승이 없는 반면, nFET은 입력 전압이 상승하고 출력 전압에 가까워짐에 따라 대기 전류가 상승합니다.

선형 변환기의 장점은 낮은 소음과 리플, 작은 크기에서 중간 크기, 그리고 낮은 복잡성과 비용입니다. 단점은 하향 조작만 가능하며, 효율이 낮거나 중간 수준이지만 이는 부하 전류, 배터리 전압, 그리고 열 발산에 따라 달라집니다.

선형 조정기. The Fundamentals of LDO Design and Applications에서의 그림. Analog Devices에서 제공

스위치드 커패시터 조정기: 충전 펌프 컨버터로도 알려진 이들은 커패시터와 여러 스위치를 사용하여 입력 전압보다 높거나 낮은 출력 전압을 제공합니다. 이들은 입력에서 출력으로 에너지를 저장하고 전달하기 위해 디지털 스위치에 연결된 비행 커패시터를 사용합니다.

충전 펌프 컨버터의 장점에는 다른 전압 조정기에 비해 높은 효율과 낮은 방사 EMI가 포함됩니다. 이는 에너지 저장 및 전달을 위해 커패시터를 사용하고, 디지털 스위치를 제어하기 위해 소프트 스위칭 기술을 사용할 수 있기 때문입니다. 이 컨버터들은 출력 전압의 변화를 보상하기 위해 스위칭 주기 듀티 사이클에 의존하면서, 조절을 달성하기 위해 피드백을 사용하지 않습니다. 이 컨트롤러들은 보통 저전력 응용 프로그램에 제한됩니다.

스위치드 커패시터 조정기 회로도 및 입력/출력 파형

스위칭 조정기: 이 조정기들은 입력 전압을 올리거나(부스트) 내리거나(벅) 할 수 있으며, 그 극성을 반전시킬 수도 있습니다. 전형적인 벅-부스트 컨버터는 AC 신호를 생성하는 스위치 네트워크, 이 신호의 DC 성분을 출력으로 전달하는 저역 통과 필터, 그리고 AC 신호의 듀티 사이클이나 주파수를 변경하여 출력 전압을 조절하는 피드백 네트워크로 구성됩니다.

스위칭 조정기의 출력 전압 특성은 대부분 LC 회로로 구현된 저역 통과 필터의 품질에 크게 의존합니다. 출력 전압 리플 노이즈와 조정기 효율은 대부분 인덕터의 크기에 크게 의존하며, 더 큰 인덕터는 그들의 등가 시리즈 저항을 통한 더 큰 에너지 손실로 인해 리플을 줄이고 회로 효율을 감소시킵니다. 이 조정기 회로는 더 적은 열을 낭비하지만, 일반적으로 그들의 선형 대응물보다 더 복잡하고 크며 비쌉니다.

선형 및 스위치 모드 조정기를 결합하는 것은 모바일 장치에서 여러 공급 전압을 생성하기 위한 일반적인 기술입니다. 전원 공급 장치 설계자는 특정 부회로에 대한 최적의 회로 솔루션을 선택하기 위해 전원(배터리)과 부하의 특성을 고려해야 합니다. 예를 들어, 모바일 장치 프로세서가 점점 더 미세한 트랜지스터 아키텍처(10nm 이하)를 사용하여 제작됨에 따라, 그들의 공급 전압 및 전류 요구 사항이 감소하고, 조정기 회로의 대기 전류가 부하 전류의 더 큰 비율을 차지하며 회로 효율에 더 큰 영향을 미칩니다.

모바일 제품을 위한 전압 조정기

Maxim Integrated, MAX8863

MAX8863 선형 전압 조정기는 소형 5핀 SOT23 패키지에서 최대 120 mA의 출력 전류를 제공하는 더 높은 신뢰성의 공급 전압(2.5 V에서 6.5 V)을 제공합니다. 이 장치는 PMOS 패스 트랜지스터를 사용하여 80 µA의 공급 전류가 부하에 관계없이 독립적으로 유지됩니다. 이러한 장치는 다양한 신호 표준으로 작동하는 휴대 전화나 기타 IoT 장치와 같은 배터리로 작동하는 휴대용 장비에 이상적입니다. 외부 저항 분배 네트워크를 사용하여 출력 전압을 조정할 수도 있습니다:

장치는 Dual Mode^™ 작동 기능을 특징으로 합니다: 출력 전압이 사전 설정되어 있거나 외부 저항 분배기를 사용하여 조정할 수 있습니다. 기타 기능으로는 저전력 셧다운, 단락 보호, 열 셧다운 보호, 역전지 보호가 있습니다. [MAX8863 데이터시트에서]

MAX8863의 변형 모델인 MAX8864는 자동 방전 기능도 포함하고 있습니다. 이 기능은 장치가 셧다운 모드로 설정될 때 출력 전압을 지상으로 활성 방전합니다.

Maxim Integrated에서, 기능 블록 다이어그램

Maxim Integrated, MAX1576

모든 사람들은 셀피를 찍는 것을 좋아하며, 많은 사람들이 노트북을 통해 화상 회의를 해야 합니다. 이러한 활동과 LED를 많이 사용하는 장치는 특정 구성 요소에 대해 안정적인 출력을 제공할 수 있는 전압 조정기가 필요합니다. MAX1576 스위치 캐패시터 조정기는 모바일 장치에서 백라이트 및 카메라 플래시를 조절하기 위해 설계되었으며(24핀 얇은 QFN, 4 mm x 4 mm 패키지), 최대 8개의 흰색 LED를 지원합니다. 백라이트용으로 4개의 LED는 최대 30 mA까지 구동할 수 있으며, 플래시 그룹의 나머지 4개의 LED는 LED당 최대 100 mA까지 펄스할 수 있습니다:

MAX1576은 두 개의 외부 저항을 사용하여 주요 및 플래시 전체 스케일(100%) LED 전류를 설정합니다. LED 디밍을 위해 그룹별로 직렬 제어 또는 2비트 논리에 따라 4개의 제어 핀을 사용합니다. ENM1과 ENM2는 주요 LED를 전체 스케일의 10%, 30%, 또는 100%로 설정합니다. ENF1과 ENF2는 플래시 LED를 전체 스케일의 20%, 40%, 또는 100%로 설정합니다. 또한, 단일 와이어 직렬 펄스 디밍 제어를 위해 제어 핀 쌍을 연결합니다.

MAX1576 스위치 캐패시터 조정기의 핀 다이어그램 및 예제 회로 (MAX1576 데이터시트에서)

Analog Devices, LT1738

Analog Devices의 LT1738 스위칭 레귤레이터는 초저잡음을 가진 슬루율 제어 DC/DC 컨트롤러입니다. 스위칭 레귤레이터는 PWM 스위칭 신호로 인해 상당히 소음이 많다고 알려져 있지만, LT1738은 외부 N-채널 MOSFET 스위치에서 제어된 전압 및 전류 슬루율을 사용합니다. 이 장치는 유사한 전력 출력 및 발자국을 가진 다른 스위칭 레귤레이터보다 훨씬 덜 강렬한 방사 소음을 방출하여 새로운 모바일 및 IoT 장치에 사용하기에 탁월한 선택입니다.

전류 및 전압 슬루율은 스위칭 파형의 고조파 내용과 효율성을 최적화하기 위해 독립적으로 설정할 수 있습니다. LT1738은 효율성에서 약간의 손실만으로 고주파 고조파 전력을 최대 40 dB까지 줄일 수 있습니다. LT1738은 단일 스위치 토폴로지에 최적화된 전류 모드 아키텍처를 사용합니다...내부 오실레이터는 스위칭 고조파의 더 정확한 배치를 위해 외부 클록에 동기화될 수 있습니다.

LT1738 스위칭 레귤레이터의 블록 다이어그램 (LT1738 데이터시트에서).

다음 모바일 또는 IoT 장치는 사용 가능한 수명을 연장하기 위해 전력을 보존하고 적절하게 관리해야 합니다. 모바일 및 IoT 애플리케이션에 특별히 설계된 올바른 전압 레귤레이터 및 기타 구성 요소를 사용하여 이를 실현할 수 있습니다. 다음 제품에 가장 적합한 옵션을 결정하기 위해 Part Selector 가이드를 사용해 보세요.

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