개요
현대 데이터센터 전원 아키텍처에서 쿼터브릭(quarter brick, QB) 솔루션은 중간 버스 전압을 고성능 프로세서를 구동하도록 조절된 출력으로 변환하는 중요한 역할을 한다. 성능과 신뢰성에 대한 엄격한 요건을 충족하기 위해 디지털 전원 시스템 매니저(power system manager, PSM)의 통합이 필수 요소가 되고 있다. 새롭게 적용된 듀얼 채널 ±60V PSM은 정밀한 전압, 전류, 온도 텔레메트리를 위한 통합 16비트 ADC, 프로그래머블 시퀀싱, 온칩 서보 트림, 레일 트래킹, 자율적인 결함 관리 기능을 포함한다. 이러한 기능들은 48V 데이터센터 랙 애플리케이션에 필수적인 강력한 모니터링, 효율적인 디지털 제어, PMBus® 호환성을 보장한다.

 

이 글은 차세대 전원 서브시스템에서 고정밀 모니터링, 신뢰성 있는 시퀀싱, 첨단 디지털 제어를 달성하기 위한 QB 솔루션 레퍼런스 디자인에 PSM을 통합했을 때의 이점과 설계상의 과제를 중점적으로 살펴본다.

 

머리말
통신 및 데이터 통신 전원 시스템은 표준 쿼터브릭(QB) 풋프린트의 고효율 48 V 중간 버스와 핫스왑 가능한 DC-DC 컨버터에 점점 더 의존하는 추세이다. 최근 업계 표준은 PMBus® 인터페이스와 견고한 보호 회로의 통합을 의무화하고 있으며, 이는 랙 서버와 네트워크 장비를 위한 전원 솔루션이 디지털 기반 관리 방식으로 확실히 전환되고 있음을 보여준다.

 

 

LTC2971은 이러한 요구 사항을 충족하는 데 매우 적합한 솔루션이다. 이 디바이스는 –60V부터 +60V까지의 두 개의 조정된 전압 레일을 시퀀싱 및 트리밍하며, 프로그래머블 결함 대응 기능을 구현하고, 중요한 이벤트를 온보드 EEPROM에 기록한다. 기본 제공되는 PMBus 인터페이스는 표준 시스템 모니터링 아키텍처와의 원활한 통합을 가능하게 하며, 시퀀싱, 마진 테스트, 결함 감지, 텔레메트리와 같은 디지털 전원 시스템 관리(DPSM) 기능은 이제 복잡한 전원 플랫폼에서 필수 기능으로 간주된다. 내부 EEPROM과 독립형 워치독은 최소한의 호스트 개입으로도 자율적인 동작을 지원하여 전체 시스템 신뢰성을 더욱 향상한다.

 

QB 솔루션은 일반적으로 전압 트리밍을 위한 아날로그 조정 입력(VADJ)을 제공한다. PSM은 RUN/ENABLE, VOUT_SNS/FB, 온도 감지 핀과 직접 인터페이스하며, ISENSE 입력을 통해 인덕터 DCR 또는 외부 션트를 이용하여 출력 전류를 정밀하게 측정한다. 정밀 VDAC 출력은 저항 분배기를 통한 미세 출력 전압 조정을 가능하게 한다. 전원 보드에 PSM을 통합함으로써 설계 엔지니어는 PMBus를 통해 모든 레일 전압, 전류, 보드 온도에 대한 중앙 집중식 고정밀 디지털 텔레메트리를 확보할 수 있으며, 이는 종종 엄격한 데이터센터 성능 기준을 충족하기 어려운 기존 아날로그 모니터링 솔루션보다 훨씬 높은 정밀도와 유연성을 제공한다.

 

쿼터브릭(QB) 솔루션
2kW 쿼터브릭 솔루션 레퍼런스 디자인¹은 아나로그디바이스(ADI)의 최신 DC-DC 중간 버스 컨버터(IBC)와 결합 인덕터를 사용한 신뢰성 높은 4위상 아키텍처를 채택해 뛰어난 전원 전달 성능을 구현한다. 통합 텔레메트리는 연속적인 전압 모니터링, 신속한 결함 감지, I2C/PMBus를 통한 실시간 설정 기능을 제공한다. 표준화된 풋프린트 상에 설계된 이 솔루션은 다양한 고객 플랫폼과 원활하게 통합되며, 시스템의 유연성, 효율, 도입 용이성을 높인다(그림 1).

 

 

쿼터브릭 솔루션의 주요 특성과 통합 필요성
LTC2971을 쿼터브릭 컨버터와 통합하면 여러 가지 핵심적인 이점들을 누릴 수 있다.

 

정밀 텔레메트리
PSM은 높은 분해능의 ADC를 갖추고 있어 전압과 온도를 정밀하게 모니터링한다. QB 보드에서 출력 전압과 온도는 약 ±0.5% ~ ±1.0% 범위의 정확도로 보고되며, 이를 통해 정밀한 전원 예산 관리가 가능해진다. 전압, 전류, 온도에 대한 신뢰성 있는 측정값은 솔루션이 다양한 조건에서 어떻게 동작하는지에 대한 깊은 통찰을 제공하며, 엔지니어는 성능을 안전한 범위 내에서 최대치까지 끌어올릴 수 있다. 텔레메트리 기반으로 EEPROM 매개변수 제한값을 설정하고 경고 임계값을 미세 조정함으로써 솔루션이 불필요한 결함을 일으키지 않으면서 항상 최고 성능을 유지하도록 할 수 있다(그림 2).

 

 

 

디지털 제어 및 시퀀싱
데이터센터에서는 QB 솔루션이 프로세서를 안전하고 적절한 타이밍에 구동하도록 보장하는 정밀한 전원 시퀀싱이 필수이다. PSM은 멀티 레일의 시작과 종료, 전압 마진 조정을 완전히 자동화하며, 시간 기반 시퀀싱뿐 아니라 레일 간 트래킹 시퀀싱도 지원한다. 또한 여러 QB 솔루션을 직렬로 연결해 확장 가능한 설계를 구현할 수도 있다. PSM의 DRV_EN/RUN 및 VOUT_EN 파라미터는 전원 인가 지연, 상승 시간, 시퀀싱 정책을 포함해 PMBus 명령으로 모두 프로그래밍할 수 있으며, 이로써 상호 연결된 모든 레일이 항상 일정한 방식으로 온·오프되도록 보장한다. 이렇게 제어된 시퀀싱은 각 전원 사이클에서 발생할 수 있는 과도한 오버슈트와 언더슈트를 최소화하여 데이터센터 랙의 신뢰성을 높여준다.

 

결함 관리
PSM의 핵심 장점 중 하나는 견고한 통합 결함 관리 기능과 이벤트 로그 기능이다. 전압 또는 온도 이상 발생 시 래칭 셧다운, 자동 재시도, 또는 제어된 램프다운을 트리거하도록 설정할 수 있다. 중요한 점은, 디바이스가 상태 정보와 텔레메트리를 RAM에 지속적으로 버퍼링하고 있다가 결함이 감지되면 이 데이터를 자동으로 비휘발성 EEPROM에 저장한다는 것이다. 이 블랙박스 기능은 고장 발생 시점의 전압, 전류, 온도 상태를 완전한 스냅샷으로 보존하여 정확한 근본 원인을 분석할 수 있게 한다. LTC2971 데이터시트의 개략도에서 볼 수 있듯이, 원형 버퍼는 결함 이벤트 발생 시 EEPROM으로 자동 전송된다. 기본적인 PMBus 결함 레지스터나 외부 워치독과 달리, PSM은 단순히 오류 플래그를 표시하는 것이 아니라 전체 동작 상태를 기록한다. 이러한 고급 기능들은 QB 솔루션의 신뢰성을 높이고, 수명 주기 분석을 지원하며, 지속적인 모니터링과 로깅을 통해 작동 수명을 연장하는 데 기여한다(그림 3).

 

 

PMBus 통합
데이터센터 규격에는 PMBus 프로토콜을 지원하는 견고한 통신 인터페이스가 필수적으로 요구된다. PMBus 규격을 준수하는 디바이스인 PSM은 업계 표준을 따르며 기존 시스템 관리 플랫폼과 자연스럽게 통합된다. 상태 모니터링과 제어 기능은 표준 PMBus 명령을 통해 완전히 접근할 수 있으며, LTpowerPlay®를 지원하여 설정 작업을 간소화한다. 이를 통해 설계팀은 전압 레일, 한계값, 시퀀싱과 같은 레지스터 설정을 오프라인으로 정의한 뒤 EEPROM에 직접 프로그래밍할 수 있어 개발 기간을 크게 단축할 수 있다. 또한 FAULTB 핀의 양방향 동작은 여러 디바이스가 필요에 따라 결함 라인을 공유 또는 분리할 수 있게 함으로써 결함 이벤트를 유연하게 관리할 수 있게 한다. 서보 트리밍과 시퀀싱을 포함한 이러한 디지털 제어 기능들은 순수 아날로그 솔루션에 비해 고급 전원 관리 구현을 훨씬 효율적으로 달성할 수 있는 경로를 제공한다.

 

구현 결과
QB 솔루션 보드의 성능²에서 PSM은 IBC 동작, 입력 전압, 성능 지표를 안정적으로 모니터링하는 모습을 보여주었다. PMBus 텔레메트리는 보정된 벤치용 디지털 멀티미터(DMM) 측정값과 일관되게 안정적으로 유지되었다. 결함 주입 테스트에서는 오류가 발생한 채널을 디바이스가 정확하게 래치 오프하고, MFR_FAULT_LOG 레지스터에 이벤트를 올바르게 기록하는 것이 확인되었다. 시스템 레벨 검증에서는 통합된 디지털 전원 관리 기능이 추가적인 노이즈나 불안정을 유발하지 않았으며, 제어된 소프트스타트 알고리즘은 게이트 드라이버 쇼트스루를 효과적으로 방지해 깨끗한 출력 파형을 구현했다. I2C 인터페이스는 통신 요구에 따라 100 kHz ~ 400 kHz까지 프로그래밍할 수 있으며, 전압 및 온도 측정값은 직접 측정한 값과 각각 ±0.1%, ±0.5% 오차 범위 내에서 매우 근접한 결과를 보였다(그림 4).

 

 

종합적으로, 이러한 결과들은 LTC2971이 고정밀 모니터링, 세밀한 제어, 풍부한 진단 데이터를 제공함으로써 쿼터브릭 전원 솔루션을 한층 강화한다는 점을 보여준다. 또한 PMBus 호환성을 갖추고 있어 최신 통신 시스템에서도 상호운용성 문제를 최소화하며 쉽게 적용할 수 있다(그림 5).

 

 

결론
LTC2971 PSM을 QB 솔루션 레퍼런스 디자인에 통합하면 DC 전원 시스템에 상당한 이점을 제공한다. 온칩 16비트 텔레메트리 입력은 까다로운 DC 정확도 요구를 충족하는 고정밀 모니터링을 가능하게 한다. 내장된 시퀀싱과 폐루프 트림 기능은 멀티 레일 전원의 온·오프를 정밀하게 제어할 수 있게 하며, PMBus 인터페이스는 최신 랙 관리 인프라와의 원활한 통합을 보장한다. 자율형 결함 로그 기능은 아날로그 회로만으로는 구현하기 어려운 고급 진단 기능을 제공한다. 이러한 기능들은 설정, 보정, 안정적인 버스 동작 등 추가적인 설계 고려사항을 요구하지만, 그러한 부담에 비해 신뢰성, 가시성, 제어성 측면에서 얻게 되는 개선 효과가 일반적으로 더 크다. 통신 및 데이터센터 애플리케이션에서 자동화되고 네트워크 기반으로 관리되는 전원 서브시스템에 대한 요구가 증가함에 따라, PSM과 같은 디바이스는 차세대 전원 셸프를 위한 견고한 디지털 제어와 정밀 텔레메트리를 구현하는 표준 빌딩 블록으로 자리잡을 것으로 보인다.

 

다만, 9개 이상의 전원 솔루션을 병렬로 구성해야 하는 경우에는 PMBus 주소 제한 때문에 PSM의 이점이 줄어들 수 있다. 이러한 경우에는 더 확장된 주소 기능을 제공하는 ADI의 다른 PSM IC가 더 적합하다.

 

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