기술기고문
5G 기지국 부품의 전원 공급을 위한 전원 솔루션 선택시 고려 사항
글: 아나로그디바이스(Analog Devices Inc.)
셀룰러 통신은 80년대 초 아날로그 셀룰러 네트워크가 도입된 이후 장족의 발전을 이루었다. 최근에는 시장이 4G에서 5G 네트워크 솔루션으로 이동하면서 셀룰러 통신 산업은 데이터 전송 속도, 낮은 지연, 용량, 사용자 밀도, 신뢰성에서 거대한 도약을 위한 토대를 마련하고 있다. 일례로 5G는 100배 빠른 데이터 속도, 10배 큰 네트워크 용량, 그리고 1ms 미만으로 획기적으로 낮춘 지연을 구현함으로써 수십 억 개에 달하는 연결된 기기들이 거의 언제 어디서나 사물인터넷(IoT)에 접속할 수 있게 해준다. 일반적인 5G 빔포밍 송신기는 디지털 MIMO, 데이터 컨버터, 신호 처리 부품, 증폭기, 안테나로 구성되며, 그림 1에서 이를 볼 수 있다.
FPGA를 위한 전원 공급
5G의 장점을 완벽하게 실현하려면 설계자는 고집적 마이크로파/밀리미터파 트랜시버, FPGA, 고속 데이터 컨버터, 더 작아진 5G 셀을 위한 고전력 저잡음 전력 증폭기(PA)를 통합함으로써 향후의 데이터 용량 요구를 충족하는 데 필요한 새로운 스펙트럼을 이용할 수 있는 고주파 무선 시스템을 필요로 한다. 또한 이 5G 셀은 신뢰성 높은 연결을 위해 MIMO(massive multiple input, multiple output) 기술을 적용할 수 있도록 보다 통합 수준이 높은 안테나를 포함할 수도 있다. 결국, 5G 기지국 구성요소들에 전원을 공급하려면 다양한 첨단 전원 장치가 필요할 수밖에 없다.
최신 FPGA와 프로세서는 첨단 나노미터 공정을 이용하여 제작된다. 초소형 패키지에, 낮은 전압(0.9V 미만)에서 높은 전류를 사용하여 빠른 속도로 연산을 수행하기 때문이다. 또한 차세대 FPGA는 연산 속도를 대폭 향상시키기 위해 더 낮은 코어 전압을 필요로 하지만 I/O 인터페이스에서는 더 높은 전압을 필요로 하며, DDR 메모리를 위한 추가 레일도 필요하다. 3,4,5 따라서 본질적으로 하나의 FPGA가 최적의 동작을 하려면 엄격한 허용오차, 서로 다른 전류 정격과 함께 여러 전압이 필요하다. 뿐만 아니라 손상을 방지하기 위해 이러한 전압 레일은 정확한 순서로 시퀀싱해야 한다. 이 같은 까다로운 요구 조건들을 충족하려면 최신 반도체 기술과 결합된 첨단 회로 토폴로지, 향상된 패키지 기술로 제작된 전원 장치가 필요할 수밖에 없다. 만약, 설계자가 적절한 전력 관리 솔루션을 사용하지 않는다면, 비효율에서부터 열 관련 문제, 기타 바람직하지 않은 성능 관련 문제까지 광범위한 위험이 나타날 수 있다.
고속 데이터 컨버터를 위한 무소음 전원 공급
마찬가지로 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 같은 고속 정밀 데이터 컨버터는 매우 낮은 잡음 및 DC 리플과 함께 1.3V, 2.5V, 3.3V와 같은 여러 개의 전원 레일을 필요로 한다. 일반적으로 이러한 고속 ADC 및 DAC는 공간이 제한된 조밀한 PCB에 배치된다. 따라서 이러한 고속 데이터 컨버터를 위한 전원 시스템을 설계할 경우 ADC 및 DAC의 전원 민감도는 가장 우선적인 고려사항이 되어야 한다.
그림 1. 5G 시스템을 위한 빔포밍 송신기의 상위 수준 블록 다이어그램
아나로그디바이스(ADI)의 µModule® 사일런트 스위처(Silent Switcher®) 레귤레이터는 첨단 반도체와 패키징 기술의 장점을 결합함으로써 고속 데이터 컨버터의 효율, 밀도, 잡음 성능 요구를 만족하여 이러한 문제를 쉽게 해결할 수 있다. 사일런트 스위처 LTM8065가 이를 위한 좋은 사례이다. 이 제품은 이러한 디바이스에 전원을 공급하는 조용하고 더 작고 효율적인 솔루션을 제공한다. 기존의 디스크리트 솔루션과 달리 LTM8065는 데이터 컨버터의 동적 성능을 떨어뜨리지 않으면서 부품 수와 전원 보드 공간을 크게 줄일 수 있다. 단일 RoHS 준수 BGA 패키지는 스위칭 컨트롤러, 전원 스위치, 인덕터, 그 밖에 다른 모든 지원 부품을 통합하고 있다.
경우에 따라 전원전압 변동 제거비(PSRR) 성능을 극대화하기 위해 전원 경로에서 스위칭 레귤레이터 뒤에 선형 레귤레이터가 사용되기도 한다. ADP7118은 이러한 LDO(low dropout), 저잡음 선형 레귤레이터로서, 높은 출력 정확도와 낮은 잡음, 높은 PSRR, 그리고 탁월한 라인 및 부하 과도 응답으로 넓은 입력 전압 범위를 처리할 수 있다. 이 제품군에는 더 많은 제품들이 포함돼 있으므로 LTpowerCAD 및 LTspice® 같은 ADI의 소프트웨어 툴을 사용하여 해당 애플리케이션에 가장 적합한 제품을 선택할 수 있다.
PA 및 트랜시버를 위한 전력 관리
통합 트랜시버와 더 넓은 대역폭을 갖는 저잡음, 고전력 마이크로파/밀리미터파 PA를 통합하는 이러한 차세대 무선 시스템은 여러 전문적인 전원 기술을 사용해야 하는 디지털 제어 및 관리 시스템이 함께 제공되어야 한다. 예를 들어 질화 갈륨(GaN) 기반 저잡음 고전력 PA는 28V ~ 50V의 높은 전압을 필요로 하는 반면, FPGA 기반 제어 및 고속 ADC/DAC는 적절한 시퀀싱, 모니터링 및 보호 기능과 함께 여러 개의 낮은 전압을 필요로 한다.7,8 첨단 DC/DC 컨버터는 이러한 5G PA가 요구하는 높은 효율(>90%)과 전력 밀도, 저잡음 성능, 제어 특성을 제공할 수 있다.
이전 세대(4G)의 성능을 능가하는 차세대(5G) 제품을 공급해야 한다는 압박이 점점 심해지고 있는 가운데 타협의 여지는 없다. 따라서 기지국 RF 체인의 모든 측면에 전문성을 갖고 있고, 이러한 애플리케이션의 전원 공급에 필요한 전력 관리 툴에 대한 철저한 지식을 갖춘 ADI 같은 기업만이 오늘날의 5G 기반 PA 및 트랜시버에 정확한 전원 리소스를 제공할 수 있다. ADI는 전원 시퀀싱, 모니터링 및 보호를 포함하여 고효율 고밀도 DC/DC 컨버터 모듈에서부터 전력 관리 IC(PMIC), 초저잡음 선형 레귤레이터에 이르기까지 업계에서 가장 광범위한 고성능 Power by Linear™ 제품 포트폴리오를 갖추고 5G 신호 체인의 전원 공급과 관련한 보다 총체적인 접근방법을 제공한다.
ADI의 µModule 레귤레이터와 사일런트 스위처 서비스는 완벽한 전원 SiP(system in package) 솔루션으로서, 초소형 패키지에 최고 효율(>95%)의 정밀 전압과 전력 밀도를 제공하고 높은 신뢰성과 최저 수준의 EMI와 잡음을 실현한다. 이들 솔루션은 관심있는 무선 신호에 잡음이나 간섭을 일으키지 않으면서 최고의 전력 변환 효율과 밀도로 고성능 RF 시스템에 전원을 공급하도록 특별히 설계돼, 이러한 RF PA 및 기타 RF 회로에서 최고의 성능을 보장한다.
마찬가지로 여러 개의 레일이 필요한 회로에서 전원 시퀀싱 문제를 해결하기 위해 ADI는 2개 전원(ADM6819/ADM6820) 시퀀싱에서부터 17개 채널(ADM1266)에 이르는 시퀀서 제품군을 내놓고 있다. 또한 시스템이 정확히 효율적으로 안전하게 동작하도록 보장하기 위해서는 디바이스 전압, 전류 또는 온도 모니터링이 필수적이다. 이를 위해 ADI는 LTC2990 같은 제품도 제공한다.
맺음말
ADI의 Power by Linear 제품 포트폴리오는 저잡음 LDO 레귤레이터, 낮은 EMI, 높은 통합 멀티레일 DC/DC 컨버터 µModule 디바이스, 사일런트 스위처 기술 및 전원 시퀀서, 모니터, 보호 회로를 포함한 다양한 전력 관리 IC로 구성되며, 이를 통해 ADI는 업계에서 가장 광범위한 전력 제품 라인을 공급하고 있다. 여기에는 LTpowerCAD와 LTspice 같은 소프트웨어 설계 및 시뮬레이션 툴을 비롯하여 5G 기지국 구성요소에 전원을 공급하는 데 필요한 모든 것이 포함된다. 이러한 툴은 이들 디바이스에 적합한 전력 관리 솔루션 선택 작업을 간소화해 5G 기지국 구성요소를 위한 최적의 전원 솔루션을 제공한다.
참고문헌
1 Kyungmin Park. “How 5G Reduces Data Transmission Latency.” EDN Network, May 14, 2018.
2 Thomas Cameron. “5G—The Microwave Perspective.” Analog Devices, Inc., December 2015.
3 Nathan Enger. “Care and Feeding of FPGA Power Supplies: A How And Why Guide To Success.” Analog Dialogue, November 2018.
4 Frederik Dostal. “Power Management for FPGAs.” Analog Dialogue, March 2018.
5 Afshin Odabaee. “Powering Altera Arria 10 FPGA and Arria 10 SoC: Tested and Verified Power Management Solutions.” Analog Devices, Inc.
6 Aldrick Limjoco, Patrick Pasaquian, and Jefferson Eco. “Silent Switcher µModule Regulators Quietly Power GSPS Sampling ADC in Half the Space.” Analog Devices, Inc., October 2018.
7 David Bennett and Richard DiAngelo. “Power Supply Management of GaN MMIC Power Amplifiers for Pulsed Radar.” Analog Devices, Inc., October 2017.
8 Keith Benson. “GaN Breaks Barriers—RF Power Amplifiers Go Wide and High.” Analog Dialogue, September 2017
셀룰러 통신은 80년대 초 아날로그 셀룰러 네트워크가 도입된 이후 장족의 발전을 이루었다. 최근에는 시장이 4G에서 5G 네트워크 솔루션으로 이동하면서 셀룰러 통신 산업은 데이터 전송 속도, 낮은 지연, 용량, 사용자 밀도, 신뢰성에서 거대한 도약을 위한 토대를 마련하고 있다. 일례로 5G는 100배 빠른 데이터 속도, 10배 큰 네트워크 용량, 그리고 1ms 미만으로 획기적으로 낮춘 지연을 구현함으로써 수십 억 개에 달하는 연결된 기기들이 거의 언제 어디서나 사물인터넷(IoT)에 접속할 수 있게 해준다. 일반적인 5G 빔포밍 송신기는 디지털 MIMO, 데이터 컨버터, 신호 처리 부품, 증폭기, 안테나로 구성되며, 그림 1에서 이를 볼 수 있다.
FPGA를 위한 전원 공급
5G의 장점을 완벽하게 실현하려면 설계자는 고집적 마이크로파/밀리미터파 트랜시버, FPGA, 고속 데이터 컨버터, 더 작아진 5G 셀을 위한 고전력 저잡음 전력 증폭기(PA)를 통합함으로써 향후의 데이터 용량 요구를 충족하는 데 필요한 새로운 스펙트럼을 이용할 수 있는 고주파 무선 시스템을 필요로 한다. 또한 이 5G 셀은 신뢰성 높은 연결을 위해 MIMO(massive multiple input, multiple output) 기술을 적용할 수 있도록 보다 통합 수준이 높은 안테나를 포함할 수도 있다. 결국, 5G 기지국 구성요소들에 전원을 공급하려면 다양한 첨단 전원 장치가 필요할 수밖에 없다.
최신 FPGA와 프로세서는 첨단 나노미터 공정을 이용하여 제작된다. 초소형 패키지에, 낮은 전압(0.9V 미만)에서 높은 전류를 사용하여 빠른 속도로 연산을 수행하기 때문이다. 또한 차세대 FPGA는 연산 속도를 대폭 향상시키기 위해 더 낮은 코어 전압을 필요로 하지만 I/O 인터페이스에서는 더 높은 전압을 필요로 하며, DDR 메모리를 위한 추가 레일도 필요하다. 3,4,5 따라서 본질적으로 하나의 FPGA가 최적의 동작을 하려면 엄격한 허용오차, 서로 다른 전류 정격과 함께 여러 전압이 필요하다. 뿐만 아니라 손상을 방지하기 위해 이러한 전압 레일은 정확한 순서로 시퀀싱해야 한다. 이 같은 까다로운 요구 조건들을 충족하려면 최신 반도체 기술과 결합된 첨단 회로 토폴로지, 향상된 패키지 기술로 제작된 전원 장치가 필요할 수밖에 없다. 만약, 설계자가 적절한 전력 관리 솔루션을 사용하지 않는다면, 비효율에서부터 열 관련 문제, 기타 바람직하지 않은 성능 관련 문제까지 광범위한 위험이 나타날 수 있다.
고속 데이터 컨버터를 위한 무소음 전원 공급
마찬가지로 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 디지털-아날로그 컨버터(DAC) 같은 고속 정밀 데이터 컨버터는 매우 낮은 잡음 및 DC 리플과 함께 1.3V, 2.5V, 3.3V와 같은 여러 개의 전원 레일을 필요로 한다. 일반적으로 이러한 고속 ADC 및 DAC는 공간이 제한된 조밀한 PCB에 배치된다. 따라서 이러한 고속 데이터 컨버터를 위한 전원 시스템을 설계할 경우 ADC 및 DAC의 전원 민감도는 가장 우선적인 고려사항이 되어야 한다.
그림 1. 5G 시스템을 위한 빔포밍 송신기의 상위 수준 블록 다이어그램
아나로그디바이스(ADI)의 µModule® 사일런트 스위처(Silent Switcher®) 레귤레이터는 첨단 반도체와 패키징 기술의 장점을 결합함으로써 고속 데이터 컨버터의 효율, 밀도, 잡음 성능 요구를 만족하여 이러한 문제를 쉽게 해결할 수 있다. 사일런트 스위처 LTM8065가 이를 위한 좋은 사례이다. 이 제품은 이러한 디바이스에 전원을 공급하는 조용하고 더 작고 효율적인 솔루션을 제공한다. 기존의 디스크리트 솔루션과 달리 LTM8065는 데이터 컨버터의 동적 성능을 떨어뜨리지 않으면서 부품 수와 전원 보드 공간을 크게 줄일 수 있다. 단일 RoHS 준수 BGA 패키지는 스위칭 컨트롤러, 전원 스위치, 인덕터, 그 밖에 다른 모든 지원 부품을 통합하고 있다.
경우에 따라 전원전압 변동 제거비(PSRR) 성능을 극대화하기 위해 전원 경로에서 스위칭 레귤레이터 뒤에 선형 레귤레이터가 사용되기도 한다. ADP7118은 이러한 LDO(low dropout), 저잡음 선형 레귤레이터로서, 높은 출력 정확도와 낮은 잡음, 높은 PSRR, 그리고 탁월한 라인 및 부하 과도 응답으로 넓은 입력 전압 범위를 처리할 수 있다. 이 제품군에는 더 많은 제품들이 포함돼 있으므로 LTpowerCAD 및 LTspice® 같은 ADI의 소프트웨어 툴을 사용하여 해당 애플리케이션에 가장 적합한 제품을 선택할 수 있다.
PA 및 트랜시버를 위한 전력 관리
통합 트랜시버와 더 넓은 대역폭을 갖는 저잡음, 고전력 마이크로파/밀리미터파 PA를 통합하는 이러한 차세대 무선 시스템은 여러 전문적인 전원 기술을 사용해야 하는 디지털 제어 및 관리 시스템이 함께 제공되어야 한다. 예를 들어 질화 갈륨(GaN) 기반 저잡음 고전력 PA는 28V ~ 50V의 높은 전압을 필요로 하는 반면, FPGA 기반 제어 및 고속 ADC/DAC는 적절한 시퀀싱, 모니터링 및 보호 기능과 함께 여러 개의 낮은 전압을 필요로 한다.7,8 첨단 DC/DC 컨버터는 이러한 5G PA가 요구하는 높은 효율(>90%)과 전력 밀도, 저잡음 성능, 제어 특성을 제공할 수 있다.
이전 세대(4G)의 성능을 능가하는 차세대(5G) 제품을 공급해야 한다는 압박이 점점 심해지고 있는 가운데 타협의 여지는 없다. 따라서 기지국 RF 체인의 모든 측면에 전문성을 갖고 있고, 이러한 애플리케이션의 전원 공급에 필요한 전력 관리 툴에 대한 철저한 지식을 갖춘 ADI 같은 기업만이 오늘날의 5G 기반 PA 및 트랜시버에 정확한 전원 리소스를 제공할 수 있다. ADI는 전원 시퀀싱, 모니터링 및 보호를 포함하여 고효율 고밀도 DC/DC 컨버터 모듈에서부터 전력 관리 IC(PMIC), 초저잡음 선형 레귤레이터에 이르기까지 업계에서 가장 광범위한 고성능 Power by Linear™ 제품 포트폴리오를 갖추고 5G 신호 체인의 전원 공급과 관련한 보다 총체적인 접근방법을 제공한다.
ADI의 µModule 레귤레이터와 사일런트 스위처 서비스는 완벽한 전원 SiP(system in package) 솔루션으로서, 초소형 패키지에 최고 효율(>95%)의 정밀 전압과 전력 밀도를 제공하고 높은 신뢰성과 최저 수준의 EMI와 잡음을 실현한다. 이들 솔루션은 관심있는 무선 신호에 잡음이나 간섭을 일으키지 않으면서 최고의 전력 변환 효율과 밀도로 고성능 RF 시스템에 전원을 공급하도록 특별히 설계돼, 이러한 RF PA 및 기타 RF 회로에서 최고의 성능을 보장한다.
마찬가지로 여러 개의 레일이 필요한 회로에서 전원 시퀀싱 문제를 해결하기 위해 ADI는 2개 전원(ADM6819/ADM6820) 시퀀싱에서부터 17개 채널(ADM1266)에 이르는 시퀀서 제품군을 내놓고 있다. 또한 시스템이 정확히 효율적으로 안전하게 동작하도록 보장하기 위해서는 디바이스 전압, 전류 또는 온도 모니터링이 필수적이다. 이를 위해 ADI는 LTC2990 같은 제품도 제공한다.
맺음말
ADI의 Power by Linear 제품 포트폴리오는 저잡음 LDO 레귤레이터, 낮은 EMI, 높은 통합 멀티레일 DC/DC 컨버터 µModule 디바이스, 사일런트 스위처 기술 및 전원 시퀀서, 모니터, 보호 회로를 포함한 다양한 전력 관리 IC로 구성되며, 이를 통해 ADI는 업계에서 가장 광범위한 전력 제품 라인을 공급하고 있다. 여기에는 LTpowerCAD와 LTspice 같은 소프트웨어 설계 및 시뮬레이션 툴을 비롯하여 5G 기지국 구성요소에 전원을 공급하는 데 필요한 모든 것이 포함된다. 이러한 툴은 이들 디바이스에 적합한 전력 관리 솔루션 선택 작업을 간소화해 5G 기지국 구성요소를 위한 최적의 전원 솔루션을 제공한다.
참고문헌
1 Kyungmin Park. “How 5G Reduces Data Transmission Latency.” EDN Network, May 14, 2018.
2 Thomas Cameron. “5G—The Microwave Perspective.” Analog Devices, Inc., December 2015.
3 Nathan Enger. “Care and Feeding of FPGA Power Supplies: A How And Why Guide To Success.” Analog Dialogue, November 2018.
4 Frederik Dostal. “Power Management for FPGAs.” Analog Dialogue, March 2018.
5 Afshin Odabaee. “Powering Altera Arria 10 FPGA and Arria 10 SoC: Tested and Verified Power Management Solutions.” Analog Devices, Inc.
6 Aldrick Limjoco, Patrick Pasaquian, and Jefferson Eco. “Silent Switcher µModule Regulators Quietly Power GSPS Sampling ADC in Half the Space.” Analog Devices, Inc., October 2018.
7 David Bennett and Richard DiAngelo. “Power Supply Management of GaN MMIC Power Amplifiers for Pulsed Radar.” Analog Devices, Inc., October 2017.
8 Keith Benson. “GaN Breaks Barriers—RF Power Amplifiers Go Wide and High.” Analog Dialogue, September 2017
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