휴대용 게임기를 더욱 오래 구동하는 방법
휴대용 전자 게임기는 배터리 같은 제한된 에너지로 높은 그래픽 품질과 현실감 넘치는 게임 경험을 제공해야 한다. 멀티 코어 중앙 처리 장치(CPU)‚ 강력한 그래픽 처리 장치(GPU)‚ 다중 위상 스위칭 레귤레이터를 도입하는 것은 프로세싱과 전원 공급 측면에서 뛰어난 성능을 달성하는 데 큰 도움이 된다.
글: 김치영 이사 / 맥심 인터그레이티드 모바일 전력 사업부 제품 정의·시스템 엔지니어링 그룹
<그림1> 휴대용 전자 게임기
CPU
휴대용 게임기 멀티 코어 CPU는 휴대용 애플리케이션의 제한된 에너지를 이용해 복잡하고 실감나는 게임 경험을 제공한다. 멀티 코어를 사용하면 더욱 빠른 속도로 여러 작업을 동시에 실행할 수 있다. 복잡한 작업을 다양한 코어에 분산시키면 전력 손실도 줄어든다. 작업이 적어지면서 각각의 CPU가 낮은 주파수에서 구동되기 때문이다.
GPU
휴대용 게임기 GPU는 고급 전력 관리 기술로 모바일의 제한된 전력 범위 내에서 꾸준히 증가하는 픽셀 프로세싱 부하를 처리한다. DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling) 기술 같은 시스템 레벨·로컬 클럭 속도 관리는 GPU 전력 소비를 최소화하고 데스크톱 콘솔에 가까운 그래픽 성능을 제공한다.
이동 환경
도킹 스테이션을 사용할 수 없을 때 휴대용 게임기는 단일 셀 리튬 배터리를 이용해 애플리케이션 프로세서(AP)‚ GPU‚ D램 모듈에 전력을 공급한다. 일반적으로 4Ah 용량의 리튬 배터리를 사용하는 게임기는 5시간 동안 작동하고 평균0.8A 전류를 소모하며 최대 전류는 몇 배 더 높아진다. 각각의 스마트 부하(AP‚ GPU‚ D램)는 소량에서 수십 암페어(Ampere)에 이르는 전류를 효율적으로 전달하는 다용도 스위칭 레귤레이터에서 전력을 공급받아야 한다.
다중 위상 벅 컨버터(Multi-Phase Buck Converter)
멀티 코어 CPU에 대해 설명된 방법과 유사하게 다중 위상 벅(스텝다운) 컨버터는 스마트 부하에 전력을 공급하는 가장 좋은 도구다. 한 개 클럭 주기를 거쳐 동일한 시간 간격으로 나눠진 4개의 위상에 전류를 분배하는 것은 단일 위상 아키텍처에 비해 여러 장점이 있다.
첫째‚ <그림 2>와 같이 4개의 인터리브된(interleaved) 위상은 출력 전류 리플(ripple) 제거를 보장한다. 진폭이 1/4일 때 총 리플 전류 주파수가 단일 위상 주파수의 4배에 이를 수 있는 점을 주목해야 한다. 높은 주파수면서 낮은 진폭을 보이는 리플 전류는 각 위상의 상대적으로 낮은 주파수 동작에서 발생한다. 리플 전류의 낮아짐은 출력에 필요한 커패시터(capacitor) 수가 줄어든다는 것을 의미한다. 그 결과 필요한 부품(BOM)도 감소한다.
<그림 2> 쿼드 다중 위상의 출력 전류 리플 제거
둘째‚ 다중 위상 구조는 단일 위상 구조보다 더 효율적이다. 단일 위상은 다중 위상의 4배에 해당하는 높은 주파수에서 동작해 전류 리플이 낮아지지만 스위칭 손실은 보다 커진다. 이 경우 두 위상 구조 모두 한 주기 내에서 전이(transition) 수는 동일하지만 쿼드 위상(quad-phase) 컨버터에서 발생하는 전이는 단일 위상 컨버터 전류의 1/4을 전달한다.
셋째‚ 다중 위상 아키텍처는 한 주기 내에서 필요한 총 전류가 역상(out-of-phase) 전류 4개의 합이기 때문에 보다 적은 수의 입력 커패시터가 필요하다. 여기서 시간에 따라 총 입력 전류를 분산시키면 단일 위상 동작과 비교했을 때 RMS(Root-Mean Square Velocity) 값이 감소하고‚ 이에 따라 입력 전류 리플 필터가 더 작아진다.
MAX77812 - 단일-쿼드 위상‚ 단일-쿼드 채널‚ 최대 20A‚ 설정 가능한 벅 컨버터
MAX77812는 단일–쿼드 위상‚ 단일–쿼드 채널로 구성이 가능한 고전류 벅(스텝다운) 레귤레이터다. MAX77812는 고효율의 소형 인쇄 회로 기판(PCB) 솔루션 풋프린트(footprint)‚ 높은 출력 전압 정확도‚ 빠른 과도응답(transient response)‚ 빠른 직렬 인터페이스 옵션을 통해 휴대용 게임기에서 애플리케이션과 GPU에 전력을 공급하는 이상적인 솔루션이다. 사용자는 MAX77812의 유연한 아키텍처로 ▲4(1개의 4위상 채널) ▲3+1(2개 채널‚ 1개의 3상 위상‚ 1개의 단일 위상) ▲2+2(2개의 2상 채널) ▲2+1+1(3개 채널‚ 1개의 2상 위상‚ 2개의 단일 위상) ▲1+1+1+1(4개의 단일 위상 채널) 등과 같이 다양한 위상을 구성할 수 있다.
단일칩 프로세싱 시스템 전력
단일 MAX77812로 적절한 위상 구성을 선택해 전체 휴대용 게임기에 전력을 공급할 수 있다. <그림 3>은 GPU‚ CPU‚ D램 메모리에 전력을 공급하기 위한 2+1+1 구성이다.
<그림 3> MAX77812 2+1+1 구성 다이어그램
재사용이 가능한 뛰어난 위상 구성
MAX77812는 유연한 아키텍처로 재사용이 쉽다. 예를 들어 처음에는 2+1+1 위상(GPU용 2위상‚ CPU용 1위상‚ D램용 1위상) 구성을 선택하더라도 MAX77812를 사용하면 향후 GPU에 더 많은 전류가 필요할 때3+1 구성(GPU에 3개 레일‚ CPU에 1개 레일)으로 전환할 수 있다. 부품 번호를 변경하지 않고 간단한 핀 스트랩핑(pin-strapping)만으로 가능하다. 여전히 D램을 위해 단일 위상 벅 레귤레이터를 추가해야 하지만GPU 다중 위상 벅 레귤레이터를 재설계하는 것보다 훨씬 수월하다. MAX77812의 유연성은 설계와 인증을 가속화해 제품을 더욱 빠르게 출시할 수 있도록 한다.
고속 직렬 인터페이스
MAX77812는 26MHz SPI(Serial Peripheral Interface) 고속 직렬 인터페이스로 구성돼 각 레귤레이터를 유연하게 제어할 수 있다. DVFS 동작과 출력-전압 램프 속도(ramp rate) 제어 기능은 모든 시스템 운영 상태에서 최적화된 성능을 제공하기 위해 신속한 출력 전압 조정을 지원한다. I²C 호환 가능한 2와이어(wire) 직렬 인터페이스인 것도 특징이다.
DVFS 동작
MAX77812 벅 레귤레이터는 DVFS 모드에서 명령어에 응답해 출력 전압을 신속하게 새로운 목표값으로 변경한다. 벅 레귤레이터는 최대 전류에 대한 제한뿐만 아니라 낮은 인덕턴스(inductance)와 적은 출력 전기 용량(capacitance) 때문에 높은 슬루 레이트(slew rate)로 동작할 수 있다. DVFS 동작은 짧은 기간 동안 매우 높은 전류 피크를 일으킬 수 있다. 예를 들어 100µF 커패시터로 부하되는 출력은 1µs에서 60mV(60mV/µs 슬루 레이트)까지 값을 올리려면6A 만큼의 전류가 필요하다. CPU와 GPU 전류 프로파일의 높은 변동성과 더불어 최대 전류 정격이 최대 20A인 전압 레귤레이터가 필요한 이유다.
뛰어난 정확성으로 전력 절감
V2/R로 전력이 공급되기 때문에 정확도가 1% 떨어지면 2%의 전력이 낭비된다. 이는 효율 곡선에서 수치가 2% 정도 떨어지는 것과 동일하다. MAX77812의 높은 초기 설정값의 정확도(±0.5%)와 위상 미분형 원격 감지 피드백을 통해 부하 시점에서 직류(DC) 및 교류(AC) 정확도가 매우 높아진다.
절전 모드
MAX77812는 전력을 절약하기 위해 저부하에서 저전력 스킵(LP SKIP) 모드로 동작하고 과부하 시에 펄스 폭 변조(PWM)로 자동 전환된다(자동모드). 이러한 전환은 느린 과도응답으로 고출력 전압 과도 스파이크를 유발한다. 또한 일반 스킵 모드는 강제 PWM(forced PWM)에 근접하는 빠른 과도응답에도 사용할 수 있다.
향상된 과도응답
저속 전압 레귤레이터의 출력은 포지티브 과도 부하 아래로 감소하고 부하가 작동에 필요한 최소 전압을 공급받도록 더 높은 곳에 배치해야 한다. 그 결과 전력이 낭비되고 더 많은 열이 발생해 배터리 수명이 단축된다. 맥심의 ETR(Enhanced Transient Response)은 출력 전압을 모니터링하고 높은 슬루 레이트에서 적절히 출력 단계를 조정해 동급 최강의 성능을 보장한다
만약 시스템이 과부하 애플리케이션을 예측할 수 있다면 가장 좋은 전략은 부하 단계 변경 직전에 PWM 모드(FPWM = 1)를 강제로 실행하는 것이다. 이를 통해 출력 전압 저하에 대한 허용치를 최저로 줄이고 출력 전압은 가능한 낮게 설정해 효율성을 높일 수 있다. <그림 4>는 강제 PWM 모드에서 MAX77812의 뛰어난 과도응답을 보여준다. 
<그림 4> 강제 PWM 모드 상 MAX77812의 과도응답
뛰어난 효율을 제공하는 MAX77812
MAX77812의 통합 전력 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 향상된 기능은 다른 쿼드 위상 솔루션에 비해 뛰어난 효율을 제공한다. <그림 5>(2520 크기 인덕터)효율성 비교 그래프는 MAX77812가 경쟁 솔루션에 비해 효율이 최대 7%(15A) 높다는 것을 보여준다.
<그림 5> MAX77812의 효율성이 주는 혜택
소형 크기
MAX77812는 소형 인덕터와 커패시터를 갖춘 초소형 PCB 공간에서 세계 최고 수준의 성능을 구현한다. 프로그래밍 가능한 전류 제한은 시스템의 실제 요구 사항에 부합하도록 인덕터 크기를 최소화한다. <그림 6>은 78.75mm2 공간만을 차지하는 MAX77812의 PCB 풋프린트를 보여준다.
<그림 6> MAX77812의 소형 PCB
MAX77812는 일반적으로 0.64mm 높이‚ 64-범프(bump)‚ 0.4mm-피치(pitch) WLP 패키지로 이용 가능하다.
단일-쿼드 위상‚ 단일-쿼드 채널의 고전류 벅 레귤레이터인 MAX77812는 고효율‚ 소형PCB 크기‚ 높은 출력 전압의 정확성‚ 빠른 과도응답‚ 직렬 인터페이스 옵션을 특징으로 해 휴대용 게임기의 멀티 코어 CPU와 GPU 전력 공급에 이상적인 솔루션이다. 벅 레귤레이터의 유연한 아키텍처 덕분에 사용자는 원하는 위상으로 구성할 수 있다. MAX77812를 사용한 기기는 사양 변경에도 쉽게 적응하며‚ 이에 따라 설계‚ 인증‚ 시장 출시 기간을 단축할 수 있도록 한다.
MAX77812에 대한 더 자세한 내용은 맥심 홈페이지에서 확인 가능하다.
글: 김치영 이사 / 맥심 인터그레이티드 모바일 전력 사업부 제품 정의·시스템 엔지니어링 그룹
<그림1> 휴대용 전자 게임기
휴대용 게임기 멀티 코어 CPU는 휴대용 애플리케이션의 제한된 에너지를 이용해 복잡하고 실감나는 게임 경험을 제공한다. 멀티 코어를 사용하면 더욱 빠른 속도로 여러 작업을 동시에 실행할 수 있다. 복잡한 작업을 다양한 코어에 분산시키면 전력 손실도 줄어든다. 작업이 적어지면서 각각의 CPU가 낮은 주파수에서 구동되기 때문이다.
GPU
휴대용 게임기 GPU는 고급 전력 관리 기술로 모바일의 제한된 전력 범위 내에서 꾸준히 증가하는 픽셀 프로세싱 부하를 처리한다. DVFS(Dynamic Voltage and Frequency Scaling) 기술 같은 시스템 레벨·로컬 클럭 속도 관리는 GPU 전력 소비를 최소화하고 데스크톱 콘솔에 가까운 그래픽 성능을 제공한다.
이동 환경
도킹 스테이션을 사용할 수 없을 때 휴대용 게임기는 단일 셀 리튬 배터리를 이용해 애플리케이션 프로세서(AP)‚ GPU‚ D램 모듈에 전력을 공급한다. 일반적으로 4Ah 용량의 리튬 배터리를 사용하는 게임기는 5시간 동안 작동하고 평균0.8A 전류를 소모하며 최대 전류는 몇 배 더 높아진다. 각각의 스마트 부하(AP‚ GPU‚ D램)는 소량에서 수십 암페어(Ampere)에 이르는 전류를 효율적으로 전달하는 다용도 스위칭 레귤레이터에서 전력을 공급받아야 한다.
다중 위상 벅 컨버터(Multi-Phase Buck Converter)
멀티 코어 CPU에 대해 설명된 방법과 유사하게 다중 위상 벅(스텝다운) 컨버터는 스마트 부하에 전력을 공급하는 가장 좋은 도구다. 한 개 클럭 주기를 거쳐 동일한 시간 간격으로 나눠진 4개의 위상에 전류를 분배하는 것은 단일 위상 아키텍처에 비해 여러 장점이 있다.
첫째‚ <그림 2>와 같이 4개의 인터리브된(interleaved) 위상은 출력 전류 리플(ripple) 제거를 보장한다. 진폭이 1/4일 때 총 리플 전류 주파수가 단일 위상 주파수의 4배에 이를 수 있는 점을 주목해야 한다. 높은 주파수면서 낮은 진폭을 보이는 리플 전류는 각 위상의 상대적으로 낮은 주파수 동작에서 발생한다. 리플 전류의 낮아짐은 출력에 필요한 커패시터(capacitor) 수가 줄어든다는 것을 의미한다. 그 결과 필요한 부품(BOM)도 감소한다.
<그림 2> 쿼드 다중 위상의 출력 전류 리플 제거
둘째‚ 다중 위상 구조는 단일 위상 구조보다 더 효율적이다. 단일 위상은 다중 위상의 4배에 해당하는 높은 주파수에서 동작해 전류 리플이 낮아지지만 스위칭 손실은 보다 커진다. 이 경우 두 위상 구조 모두 한 주기 내에서 전이(transition) 수는 동일하지만 쿼드 위상(quad-phase) 컨버터에서 발생하는 전이는 단일 위상 컨버터 전류의 1/4을 전달한다.
셋째‚ 다중 위상 아키텍처는 한 주기 내에서 필요한 총 전류가 역상(out-of-phase) 전류 4개의 합이기 때문에 보다 적은 수의 입력 커패시터가 필요하다. 여기서 시간에 따라 총 입력 전류를 분산시키면 단일 위상 동작과 비교했을 때 RMS(Root-Mean Square Velocity) 값이 감소하고‚ 이에 따라 입력 전류 리플 필터가 더 작아진다.
MAX77812 - 단일-쿼드 위상‚ 단일-쿼드 채널‚ 최대 20A‚ 설정 가능한 벅 컨버터
MAX77812는 단일–쿼드 위상‚ 단일–쿼드 채널로 구성이 가능한 고전류 벅(스텝다운) 레귤레이터다. MAX77812는 고효율의 소형 인쇄 회로 기판(PCB) 솔루션 풋프린트(footprint)‚ 높은 출력 전압 정확도‚ 빠른 과도응답(transient response)‚ 빠른 직렬 인터페이스 옵션을 통해 휴대용 게임기에서 애플리케이션과 GPU에 전력을 공급하는 이상적인 솔루션이다. 사용자는 MAX77812의 유연한 아키텍처로 ▲4(1개의 4위상 채널) ▲3+1(2개 채널‚ 1개의 3상 위상‚ 1개의 단일 위상) ▲2+2(2개의 2상 채널) ▲2+1+1(3개 채널‚ 1개의 2상 위상‚ 2개의 단일 위상) ▲1+1+1+1(4개의 단일 위상 채널) 등과 같이 다양한 위상을 구성할 수 있다.
단일칩 프로세싱 시스템 전력
단일 MAX77812로 적절한 위상 구성을 선택해 전체 휴대용 게임기에 전력을 공급할 수 있다. <그림 3>은 GPU‚ CPU‚ D램 메모리에 전력을 공급하기 위한 2+1+1 구성이다.
<그림 3> MAX77812 2+1+1 구성 다이어그램
재사용이 가능한 뛰어난 위상 구성
MAX77812는 유연한 아키텍처로 재사용이 쉽다. 예를 들어 처음에는 2+1+1 위상(GPU용 2위상‚ CPU용 1위상‚ D램용 1위상) 구성을 선택하더라도 MAX77812를 사용하면 향후 GPU에 더 많은 전류가 필요할 때3+1 구성(GPU에 3개 레일‚ CPU에 1개 레일)으로 전환할 수 있다. 부품 번호를 변경하지 않고 간단한 핀 스트랩핑(pin-strapping)만으로 가능하다. 여전히 D램을 위해 단일 위상 벅 레귤레이터를 추가해야 하지만GPU 다중 위상 벅 레귤레이터를 재설계하는 것보다 훨씬 수월하다. MAX77812의 유연성은 설계와 인증을 가속화해 제품을 더욱 빠르게 출시할 수 있도록 한다.
고속 직렬 인터페이스
MAX77812는 26MHz SPI(Serial Peripheral Interface) 고속 직렬 인터페이스로 구성돼 각 레귤레이터를 유연하게 제어할 수 있다. DVFS 동작과 출력-전압 램프 속도(ramp rate) 제어 기능은 모든 시스템 운영 상태에서 최적화된 성능을 제공하기 위해 신속한 출력 전압 조정을 지원한다. I²C 호환 가능한 2와이어(wire) 직렬 인터페이스인 것도 특징이다.
DVFS 동작
MAX77812 벅 레귤레이터는 DVFS 모드에서 명령어에 응답해 출력 전압을 신속하게 새로운 목표값으로 변경한다. 벅 레귤레이터는 최대 전류에 대한 제한뿐만 아니라 낮은 인덕턴스(inductance)와 적은 출력 전기 용량(capacitance) 때문에 높은 슬루 레이트(slew rate)로 동작할 수 있다. DVFS 동작은 짧은 기간 동안 매우 높은 전류 피크를 일으킬 수 있다. 예를 들어 100µF 커패시터로 부하되는 출력은 1µs에서 60mV(60mV/µs 슬루 레이트)까지 값을 올리려면6A 만큼의 전류가 필요하다. CPU와 GPU 전류 프로파일의 높은 변동성과 더불어 최대 전류 정격이 최대 20A인 전압 레귤레이터가 필요한 이유다.
뛰어난 정확성으로 전력 절감
V2/R로 전력이 공급되기 때문에 정확도가 1% 떨어지면 2%의 전력이 낭비된다. 이는 효율 곡선에서 수치가 2% 정도 떨어지는 것과 동일하다. MAX77812의 높은 초기 설정값의 정확도(±0.5%)와 위상 미분형 원격 감지 피드백을 통해 부하 시점에서 직류(DC) 및 교류(AC) 정확도가 매우 높아진다.
절전 모드
MAX77812는 전력을 절약하기 위해 저부하에서 저전력 스킵(LP SKIP) 모드로 동작하고 과부하 시에 펄스 폭 변조(PWM)로 자동 전환된다(자동모드). 이러한 전환은 느린 과도응답으로 고출력 전압 과도 스파이크를 유발한다. 또한 일반 스킵 모드는 강제 PWM(forced PWM)에 근접하는 빠른 과도응답에도 사용할 수 있다.
향상된 과도응답
저속 전압 레귤레이터의 출력은 포지티브 과도 부하 아래로 감소하고 부하가 작동에 필요한 최소 전압을 공급받도록 더 높은 곳에 배치해야 한다. 그 결과 전력이 낭비되고 더 많은 열이 발생해 배터리 수명이 단축된다. 맥심의 ETR(Enhanced Transient Response)은 출력 전압을 모니터링하고 높은 슬루 레이트에서 적절히 출력 단계를 조정해 동급 최강의 성능을 보장한다
만약 시스템이 과부하 애플리케이션을 예측할 수 있다면 가장 좋은 전략은 부하 단계 변경 직전에 PWM 모드(FPWM = 1)를 강제로 실행하는 것이다. 이를 통해 출력 전압 저하에 대한 허용치를 최저로 줄이고 출력 전압은 가능한 낮게 설정해 효율성을 높일 수 있다. <그림 4>는 강제 PWM 모드에서 MAX77812의 뛰어난 과도응답을 보여준다.
<그림 4> 강제 PWM 모드 상 MAX77812의 과도응답
뛰어난 효율을 제공하는 MAX77812
MAX77812의 통합 전력 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)의 향상된 기능은 다른 쿼드 위상 솔루션에 비해 뛰어난 효율을 제공한다. <그림 5>(2520 크기 인덕터)효율성 비교 그래프는 MAX77812가 경쟁 솔루션에 비해 효율이 최대 7%(15A) 높다는 것을 보여준다.
<그림 5> MAX77812의 효율성이 주는 혜택
MAX77812는 소형 인덕터와 커패시터를 갖춘 초소형 PCB 공간에서 세계 최고 수준의 성능을 구현한다. 프로그래밍 가능한 전류 제한은 시스템의 실제 요구 사항에 부합하도록 인덕터 크기를 최소화한다. <그림 6>은 78.75mm2 공간만을 차지하는 MAX77812의 PCB 풋프린트를 보여준다.
<그림 6> MAX77812의 소형 PCB
MAX77812는 일반적으로 0.64mm 높이‚ 64-범프(bump)‚ 0.4mm-피치(pitch) WLP 패키지로 이용 가능하다.
단일-쿼드 위상‚ 단일-쿼드 채널의 고전류 벅 레귤레이터인 MAX77812는 고효율‚ 소형PCB 크기‚ 높은 출력 전압의 정확성‚ 빠른 과도응답‚ 직렬 인터페이스 옵션을 특징으로 해 휴대용 게임기의 멀티 코어 CPU와 GPU 전력 공급에 이상적인 솔루션이다. 벅 레귤레이터의 유연한 아키텍처 덕분에 사용자는 원하는 위상으로 구성할 수 있다. MAX77812를 사용한 기기는 사양 변경에도 쉽게 적응하며‚ 이에 따라 설계‚ 인증‚ 시장 출시 기간을 단축할 수 있도록 한다.
MAX77812에 대한 더 자세한 내용은 맥심 홈페이지에서 확인 가능하다.
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