개요: 이 애플리케이션 노트에서는 고신뢰성 시스템에서 전압의 적절한 모니터링과 시퀀싱의 필요성에 대해 설명한다. 또한 전압 감시소자를 선택하는 주요 선택 기준을 제시하고, POR(power-on reset) 회로와 다중전압 모니터링 및 마진의 필요성에 대해 설명한다. 시스템 관리 회로에 대해서도 다룬다.
개요
대부분의 전자 시스템의 경우, POR(power-on reset)로 시스템의 전압을 모니터링함으로써 동작 시 적절한 초기화 작업을 거친다. 게다가 POR로 정전 상태를 감지하여, 메모리 오류나 시스템의 부적절한 동작을 야기할 수 있는 미연의 코드 실행 문제를 최소화한다. 하이엔드 시스템의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 시스템의 전원을 정확한 순서로 시퀀스할 필요가 있다. 이것은 시스템의 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, DSP 또는 ASIC에 손상을 가하거나 장기적인 신뢰성 문제를 야기할 수 있는 래치 업을 사전에 방지하기 위함이다.
전압 감시소자 및 POR을 이용한 전압 모니터링
시스템의 전원 전압을 모니터링하는 가장 간편한 방법은 비교기와 기준전압이 내장되어 있는 전압 감시소자(voltage detector)를 이용하는 것이다. 전원 전압이 전압 감시소자의 임계값 이하로 떨어질 경우, 전압 감시소자의 출력이 시스템의 마이크로컨트롤러에 전원 오류가 임박했음을 알려준다. 이러한 사전 경고는 마이크로컨트롤러에게 적절한 방식으로 시스템의 메모리를 백업하고, 전원을 온/오프시키며, 시스템을 차단하는 기회를 제공한다.
전압 감시소자가 파워 업이나 파워 다운 시 상태가 변경되면 리셋 발생까지 짧은 전달 지연(propagation delay)이 생긴다. 전달 지연은 전원 오류 경고에는 큰 문제가 안 된다. 하지만 대부분의 경우 마이크로컨트롤러의 리셋 입력은 파워 업 기간 동안에는 리셋 타임 아웃이라는 긴 지연 시간을 필요로 한다(시스템 클록과 전원이 안정화되고 마이크로컨트롤러가 리셋 상태에서 풀리기 전에 프로세서의 레지스터들이 초기화되어야 한다). POR(power-on reset) 즉, 마이크로프로세서 감시 IC는 이러한 리셋 타임아웃을 제공하기 때문에, 시스템이 완전히 초기화된 후에 마이크로컨트롤러가 동작하도록 해줄 수 있다. 또한 전원 전압이 파워 업 후에 일시적으로 POR의 임계값 이하로 떨어질 경우, 전원 전압이 POR 임계값 이상으로 돌아가는데 이와 동일한 지연을 인가한다. 파워 온 리셋은 몇 가지 서로 다른 고정 타임아웃과 임계 전압으로 이용할 수 있다. 어떤 POR은 커패시터로 조정가능한 타임 아웃 기간을 제공한다.
다중전압 시스템 모니터링
대부분의 시스템은 3.3V I/O 로직 전원을 모니터링한다. 보다 높은 신뢰성을 요하는 시스템의 경우, 파워 코어나 메모리와 같은 추가 전원을 모니터링할 필요가 있을 수 있다. 많은 다중전압 마이크로프로세서 감시소자는 이러한 작업을 수행할 수 있지만, 주어진 시스템의 특정 요건들은 설계자들이 선택해야 하는 수많은 사항들을 간편하게 줄여 줄 것이다.
대부분의 감시소자는 5V, 3.3V, 2.5V 및 1.8V와 같은 표준 전압을 모니터링하지만, 이외의 전압을 모니터링해야 할 때도 있다. 메모리, PLD, ASIC과 같은 다양한 부품들이 특유의 전원을 필요로 하기 때문이다. 따라서 외부 저항들이 필요없는 고정 임계값의 소자를 사용할 것인지 또는 필요에 따른 임계값의 변화를 수용할 수는 있지만 외부 저항들이 필요한 보다 유연한 가변 임계값의 소자를 사용할 지를 결정해야 한다. 고정 임계값 방식과 조정 임계값 방식을 결합한 소자는 최상의 솔루션을 제공할 수 있다. 시스템의 가장 낮은 전압을 모니터링하기에 충분히 낮은 기준전압을 가진 소자를 선택하는 것이 중요하다. 예를 들어, 1.2V의 기준전압을 내장한 소자는 0.8V, 0.9V와 1V 전원을 제대로 모니터링하지 못한다.
최근 고신뢰성 시스템에 장착되는 전원 전압의 가짓수는 증가하여, 이제 10가지 이상의 전압이 일반화되고 있다. 다수의 전압을 모니터링할 때, 몇 개의 감시 소자를 이용할 수 있다. 오픈 드레인 출력을 갖는 다중전압 감시소자는 이런 상황에 안성맞춤인데 그 이유는 다중전압 감시소자의 출력들이 단일 출력으로 OR할 수 있기 때문이다. 그림 1은 두 개의 MAX6710을 사용한 실례이다. MAX6710은 여덟 가지 전압을 모니터링하는 동시에 하나의 리셋 시그널을 제공하도록 연결되었다.
그림 1. 오픈 드레인 출력을 갖는 두 개의 다중전압 감시소자는 여덟 가지 전압을 모니터링하고 단일 리셋 출력을 제공한다.
과전압 보호 회로
일부 전원은 저전압과 과전압 상태를 모니터링할 수 있어야 한다. 과전압 모니터링은 값비싼 프로세서와 ASIC의 손상을 방지할 수 있기 때문에 여러 시스템에서 필수 조건이 되고 있다. 일반적으로 두 가지 종류의 과전압 보호 회로를 사용한다. 과전압과 저전압 상태를 모니터링하는 영역 감시소자는 두 개의 전압 감시소자와 하나의 기준전압으로 구성될 수 있다. MAX6754와 같은 전용 영역 감시 IC를 대안으로 이용할 수 있다. 나머지 하나는 외부 p채널 MOSFET을 내장한 전압 보호 회로로, 전원 전압이 지정한 레벨을 초과할 경우, 전원을 차단시켜준다. 그림 2 참조.
그림 2. 감시 회로가 과전압 상태를 감지할 경우, p채널 MOSFET은 전원과의 연결을 차단한다.
전원 시퀀싱
DC-DC 전원 레귤레이터의 핀을 인에이블 시키거나 차단함으로써 간편하게 전원을 시퀀싱할 수 있다. 이런 "데이지 체인(daisy-chaining)" 구성 하에서, 전원이 처음 들어오면, POK(Power OK) 신호가 나타나면서 다른 회로에 전압이 허용범위 내에 있음을 알려준다. POK 출력은 두 번째 레귤레이터의 핀 차단 또는 핀 인에이블에 연결되고, 레귤레이터를 켜고 동작 상태도 만든다. 그림 3의 회로도는 이러한 관계를 보여준다. 보다 긴 시간의 지연이 필요한 경우, 일부 레귤레이터에서는 POR를 포함시키기도 한다. POR를 포함하면, 지연 시간이 지난 후에 다음 전원을 순차적으로 동작시킨다.
그림 3. 전원이 POK 출력을 갖추면 다른 전원들을 간편하게 시퀀싱할 수 있다.
POK 신호를 이용할 수 없다면, 전압 감시소자나 POR을 이용하여 전원의 출력을 모니터링할 수 있다. 감시소자나 POR 출력을 두 번째 전원의 셧다운 입력 또는 인에이블 입력에 연결시키기만 하면 된다. 모니터링한 전압이 지정 임계값을 초과하면 두 번째 전원이 동작한다. 특히 감시하고 있는 전압 레벨이 전원 감시소자의 트립 임계값 부근이라면 노이즈가 많은 전원에서 사용될 때 전원 감시소자가 레귤레이터를 불필요하게 여러번 껐다 켰다를 반복할 수 있다. 이런 상황이라면 POR 회로가 이런 현상을 최소화할 수 있다. 이것이 POR의 timeout period의 장점이다. 모니터링한 전압이 감시소자 임계값 이하로 떨어질 경우, POR 출력은 적어도 최소 리셋 타임아웃 시간 전에 모니터링한 전압을 임계값 위로 올려준 후, 출력한다. 전압은 감시소자가 재판단을 하기 위해서는 타임아웃 시간 동안 계속해서 리셋 임계값 이상을 유지해야만 하는데, 이것이 전원이 이런 반복 과정을 되풀이하지 않도록 해준다. POR를 이용하여 핀을 차단하거나 인에이블하는 신호를 발생함으로써 전원이 들어오는 시간을 제어할 수 있다. 즉, POR은 몇 마이크로초에서 1초 사이에 타임아웃을 재설정한다. 커패시터 조정 가능형 POR로 주어진 소자의 타임아웃 시간을 변경할 수도 있다.
POR 회로는 기타 파워 업 시퀀싱 조건들을 제어할 수도 있다. 예를 들어, 세 개의 전원을 갖춘 시스템에서, 세 번째 전원이 동작하기 전에 처음 두 개의 전원을 유효상태로 만들고 싶다고 가정해 보자. POK 출력이 없는 단일 레귤레이터가 처음 두 전원을 동작시키면, 듀얼 전압 POR을 이용하여 이 두 전압을 모니터링할 수 있다. 이럴 경우, 듀얼 전압 POR를 이용하여 두 전압을 모니터링한 후에, POR 출력이 세 번째 전원을 핀 에이블 또는 차단시킴으로써 시퀀스를 제어할 수 있다. 더 많은 수의 전원을 시퀀싱하려면, 다중전압 소자를 이용하면 된다. 예를 들어, 쿼드 전압 감시소자는 네 개의 전압을 시퀀싱하는데 적합하다. 또 멀티 전원 시퀀싱은 서로 다른 지연을 갖는 다중 리셋 출력을 갖춘 소자를 이용할 수 있다.
수동 소자 켜기
실버 박스(silver box)" 또는 "브릭(brick)" 전원을 이용할 경우, 각 전압을 추가 회로 없이 제어한 순서대로 항상 켜고 끄고 할 수 없다. 이 전원들은 5V, 3.3V, 2.5V 및 1.8V와 같은 표준 전압을 제공하는데, 이 전압들은 시스템 전체에 공급된다. 예를 들어, "브릭"은 3.3V 로직 전원과 1.8V 코어 전원을 서로 다른 IC에 제공할 수 있다. 일부 애플리케이션의 경우, 이 IC들은 서로 다른 파워 시퀀싱을 요구한다. 즉, 어떤 소자는 첫 동작을 위해 코어 전원을 필요로 하는 반면에 어떤 소자는 첫 동작을 위해 I/O 전원을 필요로 한다.
이러한 상황에서 전원을 시퀀싱하는 방법은 외부의 수동 소자를 통해 전원을 스위칭시키는 것이다. 그림 4는 전압 감시소자가 VCC1을 턴 온/오프 시키는 MOSFET 게이트에 연결된 것을 보여준다. n채널 MOSFET은 보다 높은 전압이 가능한 애플리케이션에 적합한데, 게이트에서 소스까지의 전압이 MOSFET을 완전히 향상시키기에 충분히 큰 전압을 제공할 수 있는 경우이다. 하지만, VCC1이 전압 감지시를 출력시키기에 충분이 높은 레벨에 도달하기 전에 VCC2가 발생한다면, 회로를 파워 업하는 동안 문제가 발생할 수 있다. 이럴 경우, VCC2는 전압 감시소자의 출력이 로우가 되도록 VCC1이 충분히 상승될 때까지 MOSFET을 향상시킬 것이다(즉, on 상태로 유지할 것이다).
그림 4. 보다 높은 전압을 사용할 수 있다면, 전압 감시소자는 n채널 MOSFET을 켜서 낮은 전압을 시퀀싱할 수 있다.
전압 감시소자와 p채널 MOSFET을 이용하여 보다 높은 두 번째 전압을 이용하지 않고도 이와 동일한 종류의 회로를 구현할 수 있다. 하지만 이런 회로는 저전압 전원에는 적합하지 않다. p채널 MOSFET의 높은 온 저항은 고전력 애플리케이션을 비실용적으로 만들기 때문이다.
여러 개의 전원을 시퀀싱하는 좀 더 쉽고 신뢰할 수 있는 방법은 MAX6819와 같이 모니터링 기능과 시퀀싱 기능 모두를 수행하는 소자를 사용하는 것이다 (그림 5 참조). 이런 종류의 IC는 리셋 회로를 통해 첫 번째 전압을 모니터링하여, 이 전압이 세부사양 범위 내에 있는 지 그 여부를 확인해 준다. 즉, 전압이 사양 범위 내에 있으면, IC는 MOSFET 드라이버를 이용하여 MOSFET을 구동한다. 내장된 차지 펌프가 이차 전원에 고정 전압을 더하고, 더해진 전압이 MOSFET 게이트에 인가된다. MOSFET 게이트는 게이트-소스 전압이 MOSFET을 완전히 향상시키기에 충분히 높게 보장해 준다.
그림 5. 첫 번째 전원이 동작한 후, MAX6819는 두 번째 전원을 켠다. MAX6819의 온보드 차지 펌프는 MOSFET을 향상시켜 온 저항을 최소화 시켜준다.
마지닝 기능(Margining Function)
수많은 종류의 텔레콤, 네트워킹, 스토리지 및 서버 장비의 제조과정에서, 튼튼하고도 신뢰성이 높은 시스템을 만들기 위해 "마지닝(margining)"이라고 부르는 과정이 주로 사용된다. 마진은 시스템(또는 프로세서)의 평가를 포함하는데, 이는 전원을 일반적인 레벨에서 벗어나도록 만들어서 수행한다. 이 레벨을 변경하는 일반적인 방법은 디지털 포트(digital pot)나 전류 DAC로 피드백 루프를 변경시켜 DC-DC 컨버터의 전원을 조정하는 것이다. 그림 6은 전원에 마진을 주는 여러 가지 방법 가운데 두 가지를 보여준다. 그 밖의 일반적인 방법으로는 디지털 인터페이스를 통한 전원의 출력을 프로그래밍하거나, 전원을 트리밍하는 방법이 있다. 모든 전원을 어떤 레벨(예를 들어, ±5% 또는 ±10%)로 증가시키거나 감소시킬 경우, 서로 다른 정도의 마진 제어에는 "통과/실패" 접근방식이 있다. 마진 제어는 미세조정법을 이용하여 전원을 보다 작은 크기(예를 들어, 10mV 또는 100mV)로 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 이와 같은 방법으로 시스템의 성능을 보다 자세하게 평가해 볼 수 있다.
그림 6. 전압 마진을 수행하는 두 가지 간단한 기법은 디지털 포트나 전류 DAC를 DC-DC 컨버터의 피드백 루프에 추가시키는 방법이다.
ADC를 사용하여 이들 값을 보다 정확하게 측정할 수 있다. 이러한 기능을 위해서는 마이크로컨트롤러의 범위 안에 들어 있는 ADC를 사용하는 것이 좋다. 하지만 공급되는 전원이 마이크로컨트롤러를 사양 이하로 떨어지게 만들 경우, 내부 기준전압이 허용치를 벗어날 수 있으므로 ADC의 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 또한 마지닝 과정에서 리셋 출력을 연결하지 않거나 디스에이블 시킴으로써 시스템이 계속해서 동작할 수 있도록 할 필요가 있다. 그렇지 않으면 시스템이 리셋되어 시스템이 실패하는 전원 전압 레벨을 발견할 수 없게 된다. 이러한 마지닝 기능을 수행하는 것은 대형 시스템에서는 꽤 지루한 작업일 수 있다.
단일 소자 내에서의 모니터링, 시퀀싱 및 마지닝 작업 통합
대부분의 프로세서는 두 가지 전압을 필요로 하는데, 하나는 코어 구동 전압이고, 다른 하나는 I/O 구동 전압이다. DSP, ASIC, 네트워크 프로세서 및 비디오 프로세서와 같은 그 밖의 소자들은 최고 다섯 가지의 전원 전압을 필요로 할 수 있다. 단일 시스템 내에서 감시 회로가 열 개 이상의 전압을 모니터링하고 시퀀싱하는 것은 그리 흔하지 않다. 이들 시스템 내의 전원 전압 수가 계속해서 증가하므로, 이들의 모니터링, 시퀀스 및 마진에 필요한 IC 수도 증가한다. 따라서 비용이 상승되고 더 많은 보드 공간이 소요된다. 전압 임계값이나 리셋 타임아웃 시간과 같은 파라미터를 변경해야 한다면, 새로운 소자를 필요로 할 수 있다. 게다가 시퀀싱 순서를 변경하는 것은 꽤 복잡한 작업이다.
회로의 복잡성 수준을 낮추기 위한 한 가지 방법은 모니터링과 시퀀싱 기능을 결합한 프로그래밍 가능한 시스템 관리 IC를 사용하는 것이다. 이들 소자는 프로그래밍이 가능하기 때문에 변경 사항들을 손쉽게 처리해 줄 수 있다. 또한 시제품 및 제조 과정에서 설계에 부품을 변경하는 작업이 필요 없다. 이 부품들의 경우 대부분 직렬 인터페이스를 통해 내부 레지스터를 프로그래밍할 수 있다. 내부 레지스터는 이들 소자를 구성하고 임계 레벨 및 지연을 설정한다. 즉, 온 보드 EEPROM은 레지스터의 컨텐츠를 저장한다.
그림 7은 몇 가지 시스템 전원을 모니터링하고 스퀀싱하도록 설정된 MAX6870 시스템 관리 소자를 보여준다. +12V 버스 전압이 임계값(MAX6870 내에 저장되어 있음)을 초과하여 공급될 경우, MAX6870 출력 중 하나가 거의 동시, 또는 약간의 지연 후에 +5V 전압 레귤레이터(역시 MAX6870 메모리 내에 저장되어 있음)를 인에이블 시킨다. +5V 레귤레이터가 동작하고 이에 상응하는 임계값으로 출력된 후에, +3.3V 전원이 동작한다. 그런 다음, 남은 전원이 이와 동일한 방식으로 연속적으로 파워 업한다. 단, MAX6870이 n채널 수동 소자를 강화할 때, +5V 스위칭 전원을 이용하는 경우는 제외한다.
그림 7. 프로그래밍 가능한 시스템 관리 소자는 전압 모니터링과 시퀀싱에 대한 유연한 방법들을 제공한다.
이와 같은 종류의 시스템 관리 소자를 프로그래밍하여 리셋 회로 및 워치독 타이머와 같은 추가적인 감시 기능들을 제공할 수 있다. 이들 소자는 또한 아날로그 입력 및 디지털 입력을 통한 전원 전압 이외의 파라미터들을 모니터링할 수 있다. 그림 7의 회로에서, AUXIN_(아날로그 입력)과 GPI_(디지털 입력)는 온도 판독(reading) 및 전원 전류감지 판독을 모니터링한다. MAX6870은 이들 판독을 디지털화하는 10비트 ADC가 내장되어 있다. 즉, 마이크로컨트롤러가 디지털화된 판독의 상태를 모니터링한다. 온도 센서와 전류감지 모니터는 각각 오류 발생(다시 말하자면, 온도 또는 전류가 지정 범위를 초과하는 경우)을 지시해 주는 비교기 출력을 갖추고 있다. 각 비교기 출력은 MAX6870 GPI(general-purpose input)에 연결되어 있다. MAX6870은 오류 상태가 발생할 경우, 하나 이상의 전원의 전원을 차단하도록 구성할 수 있으며, 이를 통해 +12V 전원 상의 부하를 줄일 수 있다.
내장된 ADC는 전원의 마지닝 작업을 간편하고도 정확하게 할 수 있도록 해준다. 각 전원의 출력 전압은 마지닝 과정 동안 ADC 레지스터를 통해 읽을 수 있다. 마지닝 입력은 또한 출력을 디스에이블 시키거나 전원에 마진이 주어졌을 경우, 출력을 인식 상태로 프로그래밍화할 수 있다. 따라서 마진 과정에서 시스템을 재설정하는 경우를 사전에 방지해 준다.
결론
하이엔드 시스템에서 전압을 모니터링, 시퀀싱, 마지징 하는 방법에는 여러 가지가 있다. 새로운 시스템 관리 소자는 오늘날 시스템 설계자들이 직면해 있는 복잡한 문제들을 해결해 준다. 새로운 완전 통합형 소자는 기존 솔루션의 대안책으로 단일 소자 내에서 보다 많은 기능과 유연성을 제공하므로, 보드 공간과 비용을 절감하고 설계 시간을 단축시켜 준다.
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