전력 관리 IC(PMIC)란 무엇인가: 기능과 응용 분야

전력 관리 IC(PMIC)는 호스트 시스템의 전력 요구 사항을 관리하도록 설계된 일종의 집적 회로입니다. 이는 장치 내의 프로세서, 메모리 유닛 및 주변 장치와 같은 다양한 구성 요소에 전력을 효율적으로 분배, 조정, 변환 및 모니터링합니다. 컴팩트하고 배터리 구동 및 고성능 장치에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 PMIC는 산업 전반에 걸쳐 시스템 설계의 필수 요소가 되었습니다. 복잡한 시스템의 임베디드 및 애플리케이션 프로세서와 기타 구성 요소는 여러 전력 레일과 여러 전력 도메인을 필요로 합니다.PCB 제조의 전체 프로세스는 여기를 참고하세요.

이러한 유형의 시스템에서 전력 관리를 위해 개별 장치를 사용하는 것은 비용이 많이 들 수 있습니다. 여러 전압 조정기와 제어 회로를 단일 칩에 통합한 전력 관리 집적 회로(PMIC)는 완전한 전원 공급 솔루션을 구현하기 위한 훌륭한 옵션입니다. 이는 구성 요소 수와 PCB 보드 공간을 줄이면서 시스템 전력을 쉽게 관리하고 비용 효율적으로 관리할 수 있습니다. 본 글에서는 PMIC의 정의, 핵심 기능, 그리고 현대 전자기기에서의 폭넓은 활용 사례를 자세히 살펴보겠습니다.

PMIC 는 어떻게 작동하나요?

반도체 업계에서는 종종 PMIC를 ‘인체의 심장’**혈액을 기관에 공급하듯** 각 구성 요소에 적절한 전력을 공급하는 ‘전압 변환기’ 역할을 수행한다고 설명합니다. PMIC 는 배터리나 전원으로부터 들어오는 전압을 변환하고 조정하여, 회로의 각 부분에 적합한 전압을 공급합니다.

PMIC는 전력 시스템의 전압  시퀀싱을 처리하고, 다양한 부하에 전력을 공급하며, 과전압, 저전압, 과전류 또는 기타 열 문제로부터 보호 기능을 수행합니다. 따라서 PMIC 칩은 에너지 관리의 효율성을 높이고, 손상을 방지하며, 전자 장치의 배터리 수명을 연장시키는 데 기여합니다. 복잡한 시스템에서 PMIC는 다음과 같은 기능을 수행합니다:

• 전력 시퀀싱: 구동 시점에 맞춰 전압을 올리거나 내리고, 적절한 순서로 각 레일을 전환
• 전압 프로그래밍 가능성: 절전 또는 성능 향상 등 다양한 모드에 따라 전압을 자동 조정
• 모니터링 및 제어: 작동 중 들어오고 나가는 전압 및 전류와 열 한계를 모니터링하고, 구성 요소가 결함 조건에 반응하도록 신호를 보냄
• 다중 운영 모드: 적극적 전력 모드를 통해 시스템 전력 소비를 줄임

PMIC의 유형:

PMIC의 전력 관리 범위는 비교적 광범위하며, 전력 변환(DC-DC, AC-DC, DC-AC), 전력 전압의 분배 및 감지, 배터리 보호 및 충전, LED 제어 등을 포함합니다. 따라서 PMIC는 응용 분야와 기능에 따라 다양한 유형으로 분류됩니다.

1. 선형 레귤레이터:

특히 낮은 드롭아웃(LDO) 전압 레귤레이터는 입력(VIN)과 출력(VOUT) 사이에 작지만 안정적인 전압 차이로 지속적으로 안정된 전압을 출력합니다. 장점과 단점은 다음과 같습니다:

장점:

• 스위칭 노이즈 없음

• 간단한 설계(일반적으로 전압 기준, 증폭기 및 패스 요소로 구성됨)

단점:

• 열 발생량 많음, 효율 낮음

• 트랜스포머 권선 등으로 인해 크기가 큼

2. 스위칭 레귤레이터:

VIN 을 다양한 VOUT 으로 변환하며, 외부 인덕터와 커패시터를 사용해 출력을 평활화합니다. 선형 레귤레이터보다 효율이 높고 더 큰 출력 전류를 지원합니다. 종류는 다음과 같습니다:

• BUCK 컨버터: VOUT < VIN

• BOOST 컨버터: VOUT > VIN

• BUCK 컨버터: VOUT < VIN

BUCK 컨버터는 입력 전압(VIN)보다 낮은 출력 전압(VOUT)을 생성하는 스텝다운 전압 조정기입니다. BUCK 컨버터는 인덕터, 스위칭 FET(필드 효과 트랜지스터) 또는 다이오드, 커패시터 및 스위칭 제어 회로가 포함된 오류 증폭기로 구성됩니다.

이는 금속 산화물 반도체 필드 효과 트랜지스터(MOSFET)의 온-오프 시간을 변조하고 인덕터에 전력을 공급하여 작동합니다. BUCK 컨버터의 높은 효율성은 MOSFET이 완전히 켜지거나 꺼진 상태에서 생성됩니다. 이는 선형 전압 조정기에서처럼 켜짐과 꺼짐(저항) 사이의 중간 상태에서 작동하지 않습니다.

MOSFET 의 온/오프 타이밍을 조절해 인덕터에 전력을 공급하며, 효율적인 전압 변환을 위해 스위칭 모드(PWM 또는 PFM)를 사용합니다. 이는 배터리 수명 연장, 시스템 온도 감소 및 소형화에 크게 기여합니다.

벅 컨버터는 USB 전원공급, 스마트폰, 태블릿 등 다양한 전자 장치에서 널리 사용됩니다.

BOOST 컨버터: VOUT > VIN

부스트 컨버터는 입력 전압(VIN)에서 출력 전압(VOUT)을 조정하는 부스트 과정입니다. 예를 들어, 부스트 컨버터는 DC 입력 전압을 3.3V에서 5.0V 출력 전압(VOUT)으로 증가시켜야 할 때 유용하다는 것이 입증되었습니다. 이러한 전압 증폭은 리튬 이온 또는 리포 배터리를 사용하는 많은 응용 분야에서 일반적으로 볼 수 있습니다.

부스트 컨버터는 저항성 회로(인덕터, 전계 효과 트랜지스터[FET] 또는 다이오드, 커패시터 및 스위치 제어 회로가 포함된 에러 증폭기)와 매우 유사한 구성 요소로 구성되지만 연결 방식이 다릅니다. MOSFET의 온타임을 조정하고 인덕터에 전력을 공급하여 작동합니다.

버크-부스트 컨버터: VOUT는 VIN보다 낮거나 높거나 같게 유연하게 조정 가능

버크-부스트 컨버터는 "스위칭 모드 컨버터"로, 버크 컨버터와 부스트 컨버터의 원리를 단일 컨버터 모델(조정기)로 결합한 것입니다. 이는 입력 전압과 출력 전압의 넓은 범위를 관리할 수 있습니다. 제어 회로는 MOSFET의 온오프 시간을 조정하여 원하는 출력 전압(VOUT)을 달성하기 위해 입력 전압을 감소시키거나 증가시킵니다.

PMIC의 주요 기능

• 전압 조정
• 전력 시퀀싱
• 배터리 관리
• 전력 경로 제어
• 열 관리
• 전력 모니터링 및 진단

개별 부품 VS PMIC

현대 전자 시스템은 보통 PCB 기반이며, PCB 는 여러 액티브/패시브 부품으로 구성됩니다. 전원 관리 분야에서 개별 소자로만 해결하기 어려운 문제들을 대비하여, 반도체 업계는 PMIC 라는 통합 솔루션을 개발했습니다. PMIC 는 DC-DC 변환, LDO 회로, 전력 시퀀싱, 전압 프로그래밍, 모니터링, 다중 동작 모드 지원 등 복잡한 전력 트리 관리를 위한 다양한 기능을 하나의 칩으로 통합합니다.

결론:

전력 관리 IC(PMIC)는 현대 전자의 핵심 요소로, 다양한 산업에서 에너지 효율적이고 컴팩트하며 신뢰할 수 있는 전력 공급을 가능하게 합니다. 장치가 더 작은 공간에서 더 많은 기능을 요구함에 따라 PMIC의 역할은 더욱 중요해질 것입니다.

PMIC는 여러 전력 기능을 단일 칩에 통합함으로써 성능과 배터리 수명을 향상시킬 뿐만 아니라 설계를 단순화하고 비용을 절감합니다. 스마트워치에서 전기차에 이르기까지, 올바른 PMIC를 이해하고 선택하는 것은 더 스마트하고 효율적인 시스템을 구축하는 데 필수적입니다.