최근 반도체 산업과 전자 시스템 설계 환경은 빠르게 변화하고 있다.

생성형 AI, 고성능 컴퓨팅(HPC), 데이터센터, 네트워크 장비, FPGA 및 ASIC 기반 시스템이 확대되면서 전원 설계에서 요구되는 전류 용량은 지속적으로 증가하고 있다.

특히 최신 프로세서와 가속기 칩은 매우 낮은 전압에서 수백 암페어에 이르는 전류를 요구하기 때문에, 전력 공급 장치는 더 높은 전류 밀도와 더 빠른 응답 특성을 동시에 충족해야 한다.

그러나 제한된 PCB 면적 안에서 높은 효율과 높은 출력 전류를 동시에 제공하는 것은 여전히 전원 설계에서 가장 어려운 과제다.

이러한 환경에서 최근 주목받고 있는 접근 방식이 바로 고집적 전원 모듈 기반 설계다.

컨트롤러, MOSFET, 인덕터 및 주요 수동소자를 하나의 패키지에 통합한 전원 모듈은 설계 복잡도를 줄이고 전력 밀도를 높이는 동시에 개발 기간을 크게 단축할 수 있다.

이러한 요구에 대응하기 위해 개발된 MPM3695 패밀리 전원 모듈은 고전류 애플리케이션을 위한 통합 전력 솔루션으로 설계되었다.

이 모듈은 PMBus 인터페이스를 통해 시스템에서 주요 파라미터를 모니터링을 하고 설정할 수 있으며, 여러 모듈을 병렬로 연결해 매우 높은 출력 전류를 구현할 수 있다.

단일 모듈에서 시작해 시스템 요구에 따라 확장할 수 있는 구조 덕분에 설계 유연성이 크게 향상된다.

MPM3695 패밀리는 다상 구조 기반의 제어 방식을 사용해 매우 빠른 과도 응답 특성을 제공한다.

이는 급격하게 변화하는 부하 조건을 갖는 FPGA, GPU, AI 가속기 전원 레일에서 특히 중요하다.

이러한 특성 덕분에 대용량 데이터 처리 시스템이나 고성능 컴퓨팅 플랫폼에서도 안정적인 전력 공급을 유지할 수 있다.

또한 모듈 내부에서 다상 인터리빙 구조를 사용해 전류를 분산시키므로 효율과 열 성능을 동시에 개선할 수 있다.
 

표1은 MPM3695 패밀리의 주요 제품 구성을 보여준다.

각 제품은 위상당 출력 전류와 패키지 크기, 확장 가능한 총 출력 전류 등에서 차이를 보이며, 설계자는 시스템 요구에 맞는 제품을 선택할 수 있다.

일부 제품은 최대 수백 암페어에 이르는 전류를 제공할 수 있으며, 여러 모듈을 병렬 연결하면 최대 800A 수준의 전류 공급도 가능하다.

또한 이 전원 모듈은 PMBus 기반의 디지털 인터페이스를 통해 출력 전압 마진, 오류 입계값, 파워굿(PG) 임계값 등을 손쉽게 설정할 수 있다.

이러한 기능은 시스템 전압이 변경되는 상황에서도 관련 파라미터가 자동으로 조정되도록 해 설계 과정에서의 수작업 설정을 줄이고 개발 속도를 높여준다.

■ 출력 전압 설정 방식

MPM3695 패밀리는 출력 전압을 설정하기 위한 두 가지 방법을 제공한다.

하나는 내부 저항 분배기를 사용하는 방식이고, 다른 하나의 외부 저항 분배기를 사용하는 방식이다.

각각의 방법은 설계 목적에 따라 장점이 다르기 때문에 시스템 요구사항에 맞게 선택할 수 있다.

먼저 내부 저항 분배기를 사용하는 방식은 전원 모듈 내부에 이미 설정된 분압 네트워크를 활용해 출력 전압을 설정하는 방법이다.

이 방식은 외부 부품 수를 줄이고 회로 구성을 단순화할 수 있다는 장점이 있다.

특히 PCB 공간이 제한된 시스템이나 설계 시간을 단축해야 하는 프로젝트에서 유용하다.
 

그림 1은 내부 저항 분배기를 사용하는 단일 모듈 구성의 대표적인 애플리케이션 회로를 보여준다.

이 방식에서는 최소한의 외부 부품만으로 전원 회로를 구성할 수 있어 전체 설계를 간소화할 수 있다.

반면 외부 저항 분배기를 사용하는 방식은 출력 전압을 보다 세밀하게 조정할 수 있는 유연성을 제공한다.

이 방법은 특정 전압 레일이 필요한 맞춤형 설계나 열 관리 및 레이아웃 최적화가 중요한 시스템에서 유리하다.

또한 전압 조정 범위를 넓게 설정할 수 있어 다양한 프로세서 전원 요구 조건에 대응할 수 있다.
 

그림 2는 외부 저항 분배기를 사용한 전형적인 애플리케이션 회로를 보여준다.

이 구성은 내부 분압 방식보다 외부 부품이 추가되지만, 출력 전압을 더 정밀하게 설정할 수 있다는 장점이 있다.

■ 고전류 애플리케이션위한 확장 구조

AI 서버, 데이터센터 가속기, 고성능 네트워크 장비와 같은 최신 시스템에서는 단일 전원 레일에서 수백 암페어의 전류가 요구되는 경우가 많다.

이러한 요구를 충족하기 위해 MPM3695 패밀리는 모듈 병렬 연결 구조를 지원한다.

여러 개의 모듈을 병렬로 연결하면 각 모듈이 전류를 분담하면서 전체 출력 전류를 확장할 수 있다.

또한 자동 인터리빙 구조를 통해 위상 간 전류가 균형을 이루도록 설계되어 있어 전류 분배와 효율을 동시에 개선할 수 있다.

이 방식은 고전류 시스템에서 전력 밀도를 높이는 동시에 열 분산을 개선하는 효과도 제공한다.

특히 고성능 FPGA, ASIC, GPU 전원 공급에서는 부하 변동이 매우 빠르게 발생하기 때문에 전원 회로의 응답 속도가 중요하다.

다상 구조 기반 전원 모듈은 이러한 환경에서 매우 빠른 과도 응답 특성을 제공해 안정적인 전압을 유지할 수 있다.

■ 통합 전원 모듈이 제공하는 설계 장점

최근 전력 설계 트렌드는 단순히 높은 효율을 넘어 전력 밀도, 설계 단순성, 개발 속도까지 동시에 고려하는 방향으로 변화하고 있다.

이러한 흐름 속에서 통합 전원 모듈은 기존의 디스크리트 전원 설계 대비 여러 가지 장점을 제공한다.

첫째, 주요 전력 소자와 제어 회로가 하나의 패키지에 통합되어 있기 때문에 설계 복잡도가 크게 감소한다.

둘째, 최적화된 내부 레이아웃을 통해 전력 경로가 짧아져 효율과 열 특성이 개선된다.

셋째, 검증된 모듈 기반 설계 덕분에 시스템 개발 기간을 단축할 수 있다.

이러한 특성은 특히 AI 컴퓨팅, 데이터센터, 통신 인프라, 산업용 컴퓨팅 장비와 같이 고전류와 고전력 밀도를 요구하는 애플리케이션에서 더욱 큰 가치를 제공한다.

■ 결론

전자 시스템의 성능이 계속 향상됨에 따라 전원 설계 역시 더 높은 전류와 더 높은 전력 밀도를 요구받고 있다.

이러한 환경에서 통합 전원 모듈 기반 설계는 전력 효율, 시스템 안정성, 설계 단순성 측면에서 중요한 대안으로 자리 잡고 있다.

MPM3695 패밀리와 같은 고전류 전원 모듈은 유연한 출력 전압 설정 방식과 확장 가능한 전류 구조를 통해 다양한 시스템 요구에 대응할 수 있다.

또한 PMBus 기반 디지털 제어 기능을 통해 시스템 모니터링과 설정을 간소화할 수 있어 차세대 고성능 전자 시스템의 전력 설계에 효과적인 솔루션을 제공한다.

※ 기고자

정태훈 기술지원 이사는 MPS(Monolithic Power Systems)에서 기술지원을 담당하고 있으며, 산업용 및 컨슈머용 제품 지원에 집중하고 있다. 산업용 어플리케이션에서 요구하는 정밀 제어 및 센싱, 전력 변환 및 관리분야에서 16년 이상 경험을 쌓아온 엔지니어다. 특히 모듈 제품을 통해 고객사의 요구사항과 어려움을 함께 해결해 나가는 노력을 하고 있다.