전력 반도체의 다양한 변화 속에서 ‘센서’ 주목

전원 전자공학을 통합한 전자공학 애플리케이션이 증가하고 있다는 것은 자명한 사실이다. 전력 반도체 시장은 계속 성장할 것이며 다양한 시장 전반에서 더 많이 등장할 것이다. 본지는 전자분야 전문지인 Electronic Design에 실린 2017년 전력 및 아날로그 전망 내용을 요약해봤다.

전원 모듈 및 레퍼런스 설계

 

디자이너들은 설계 속도 증가 및 공간 최적화를 위해 더 작고, 사용하기 쉬운 전력 모듈에 의존한다. 2017년 전력 모듈 산업에 어떤 트렌드가 영향을 미칠까?

전력 모듈에서 사용하는 반도체 및 패키징 기술은 상당 수준 발전했으며 해당 업계는 보다 고밀도, 저비용의 편리한 모듈을 개발하고 있다. 패키징 기술은 이산 설계와 비교할 때 그 크기는 작아지고 열적으로 보다 나은 성능을 갖게 되었다. 예를 들어, 기존의 대형 오픈 프레임으로 구성된 납 패키징이 작은 크기의 표면 장착형, 그리고 몰딩을 사용한 솔루션으로 발전하고 있다. 집적 인덕터(integrated inductor)가 장착된 TI의 TPS82130 3-A 17-V 스텝다운 컨버터 모듈(step-down converter module)이 그 예이다. 이 모듈은 최대 3A의 출력 전류와 17V의 입력 전압을 지원하며 크기는 3x2.8x1.5mm이다. 25x25x10mm인 Power Trends의 PT78HT305와 비교할 때 크기와 비용이 낮다. 또한, TPS82130은 이산 기기에 비해 크기가 40% 작다. 모듈을 설계해 다양한 범위의 애플리케이션에 활용해야 하며 일반적으로 EMI 요건 충족을 위해 시험을 하고 보다 넓은 온도 및 환경 조건에서 작동한다. 엔지니어들은 ‘단순히 모듈을 장착’할 수 있지만 제품의 수명주기 전반에 걸쳐 작동할 것으로 예상하고 있다. 모듈의 크기가 계속 작아지고 사용이 편해지면서 기술자들은 이산 설계와 비교할 때 모듈의 선택폭이 넓어진다. 전력 모듈이 수년 내에 전체적인 DC-DC 전력 시장에서 상당한 비율을 차지할 것이라는 예측은 과한 것이 아니다. 패키징 및 반도체 기술은 계속 발전할 것이며 업계는 모듈 밀도 및 비용에 있어 괄목할 발전을 보게 될 것이다. 

무선 전력 애플리케이션 및 DC-DC 변환

2016년 무선 전력 애플리케이션이 반도체 산업 내 많은 분야에서 등장하기 시작했으며 계속 강세를 보일 것으로 예상된다. 딥 러닝 및 데이터 센터 내 고압 송전선 사용 발전을 통해 전력 효율을 처리하는 새로운 대안을 이끌게 되었다.

무선 전력은 소비자 수요 증가와 함께 지속적은 관심을 얻게 될 것이다. HP, Dell, jjPlus 및 Witricity는 이미 Airfuel 표준에 기반한 제품을 발표하였다. 또한 Qi 표준을 기반으로 한 제품은 계속 빠른 성장세를 보일 것이다. 퀄컴은 Airfuel 포맷을 스냅드래곤 칩셋에 포함시켰으며 이를 통해 수억대의 휴대전화, 태블릿 및 크롬북(Crhomebook)에서의 무선 충전 기능 구현에 필요한 비용을 절감했다. 토요타와 GM과 같은 자동차 회사 또한 차량 내 무선 충전 기능을 갖추고 있다. 이케아와 같은 가구회사는 책상, 테이블, 램프 및 의자 팔걸이 등에 무선 충전기를 내장하고 있다. 서버는 전력 밀도의 제한을 받게 될 것이다. 

서버는 클라우드 컴퓨팅, 인공지능 및 딥 러닝으로 옮겨가고 있으며 이로 인해 서버 간 통신 요건이 기하급수적으로 증가하고 있다. 서버 팜 내에 극도로 빠른 컴퓨터를 사용해 다량의 평행 연산(parallel computation)이 증가하고 있는 상황을 처리해야 한다.

새로운 한계는 서버 자체의 밀도이다. 더 많은 서버를 집약시켜야 하며, 집약된 서버 내 기본 요소의 밀도를 높여 빠른 연산과 통신이 가능하도록 해야 한다. 열 배출, 그리고 에너지 효율적인 서버 제작을 통해 비용 절감은 물론 성능의 병목 현상을 제거할 수 있다.

OpenRack과 OpenCompute 프로젝트는 서버 자체 내부의 전압 분포를 높이고 있다. 이러한 접근방식은 전원 변환 시스템 내에서 질화 갈륨과 같은 신소재로의 이전을 포함해 전반적인 전력 소비를 20% 절약하고 서버 밀도를 약 30~40% 높일 수 있다. 

RF와 무선

통신 산업은 높은 주파수에서 보다 넓은 대역폭 스펙트럼을 확보하기 위해 치열한 계속 치열한 경쟁을 보일 것이다. 

RF, 마이크로파 및 밀리미터파 기술을 주도하는 두 가지 주요 트렌드가 존재한다. 하나는 광대역 연결에 대한 끝없는 요구, 다른 하나는 무선 감지 기술의 등장이다.

광대역 데이터의 기하급수적 증가는 무선 및 유선 통신 시스템을 기존의 대역폭에서 보다 효율적으로 사용할 수 있도록 하며, 업계는 고주파에서 더 넓은 대역폭 스펙트럼을 모색하고 있다. 무선 채널의 효율적 사용을 위해, 시스템 운영자는 다량의 MIMO, 다중 안테나 시스템 등 다중 광대역 데이터 스트림 전송, 즉 시스템의 복잡도와 전력 소비를 기하학적으로 추가하는 개념으로 옮겨가고 있다.

이러한 트렌드는 셀룰러 접속, 점대점 비율 및 위성 및 군용 통신 분야 등 데이터 전송율이 지난 6년간 매년 58% 정도 증가하고 총 모바일 데이터 트래픽이 2020년까지 연평균 45%로 성장할 것으로 예상되는 분야이다. 시스템 운영자의 경우, 더 높은 주파수 시스템을 사용하게 되면 데이터 전송율이 크게 높아지지만 진행상 도전과제 및 내재적으로 낮은 전력 효율로 인해 복잡성이 증가하게 된다.

빠르게 성장하고 있는 다른 시장으로는 무선 감지가 있다. 원래 군용 시스템에서 이산 솔루션을 통해 제공되던 이 기술은 운전자 지원을 위한 차량용 레이더, 드론 충돌 방지 및 스마트 교통 시스템 등과 같은 분야에서 활용하는 산업용 레이더 애플리케이션 및 공항 보안을 위한 밀리미터파 스캐너 등과 같은 다양한 무선 감지 애플리케이션을 활용하는 수준까지 발전했다.

무선 감지에 있어, 대역폭이 더 커진다는 것은 해상도가 높아짐을 의미하며 이는 더 높은 주파수를 향해 시스템이 발전하는 방식이다. 통신 부문과 함께 무선 감지는 다중 안테나(위상 배열) 시스템이며 이를 통해 정교한 빔 조향과 다중 빔 감지 형상이 가능하다.

인터페이스, 자동차

Interface IC는 보다 활동적이고 믿을 수 있는 높은 대역폭 디자인 단순화에 지속적으로 도움이 될 것이다. 맥심(Maxim)은 상호연결, 신호 변환, 전압 보호, 전류 보호 및 전기적 격리를 위해 인터페이스 IC 배열을 제안한다. 혜택을 입는 애플리케이션은 자동차, 통신 및 산업 등이 있다. 이러한 포트폴리오의 일부로는 유선 인터페이스 솔루션이 있는데 예를 들어 모바일 및 자동차 등 전반적인 비용 및 성능에 미치는 영향이 무선 통신을 방해하는 경우가 있기 때문에 이를 간과해서는 안 된다.

자동차에 추가된 운전자 지원 특성은 안전을 개선하는 기능으로 차량에 추가될 것이다. 이러한 예로는 사고 회피를 위한 비전 시스템을 사용할 수 있도록 차량에 추가되는 광학 카메라의 증가가 있다. 이러한 새로운 시스템은 차량 전체를 대상으로 한 고속 비디오 분산이 필요하다. 이러한 기능을 통해 비전 시스템 데이터 처리에 필요한 연산 능력이 상당 수준 증가할 것이며 결국 보다 효율적인 전원 관리를 필요로 한다. 

IGBT와 SiC-MOSFET 게이트 드라이버

전력 전자공학 시장은 이전보다 훨씬 빠르게 움직이고 있다. 기존의 산업, 재생 가능 및 추적 부문에 더해, 에너지 저장 시스템, 마이크로 그리드 및 DC 충전기 등과 같은 새로운 애플리케이션이 등장하고 있으며 전력 반도체 부분에 대한 새로운 수요를 이끌고 있는데 특히 포장, 게이트-드라이버 기능성 및 소형화 측면에서 더욱 그러하다.

또한, 자동차 업계가 전기차로 옮겨가고 있는 시점에서 IGBT 및 SiC-MOSFET IC, 그리고 이와 결합된 게이트 드라이버에 대한 도전과제가 생겨나고 있다. 고전압 IGBT(1.7kV, 3.3kV 및 최대 6.5kV) 및 고전압 SiC-MOSFET(1700V-3.3kV)에 사용하는 새로운 패키지를 도입함으로써 게이트 드라이버는 필요한 격리 및 게이트-구동 기능을 새로운 모듈의 상단에 가용한 축소된 공간에서 사용할 수 있도록 해야 한다. 마지막으로, 게이트 드라이버는 이러한 새로운 패키지 기술을 관리해야 한다. 이러한 발전으로 인해 여러 게이트 드라이버가 더 이상 적절하지 않다. 또한, 넓은 범위의 SiC-MOSFET 게이트 전압은 게이트 드라이버가 더 높은 변환 주파수를 사용하기 때문에 사용할 수 있어야 한다; 보다 빠른 단락 회로 탐지(2µs 이내)도 필요하다.

EV 자동차 시장에서 분명히 확인되는 현상은 온칩 전류 및 온도 감지 사용이다. 기존의 DC-링크 측정에 더해, 보다 정교한 오류 보고 및 관리가 필요하다. 고급 제어 및 게이트 드라이버를 활용한 신기술은 전기적으로 격리된 온칩 전류 및 온도 감지 데이터를 제공할 수 있어야 한다. 

센서

데이터는 모든 곳에 존재하며 센서는 바로 그 심장부에 있다. 센서를 사용해 20년 전에는 꿈도 꾸지 못했던 수준까지 네트워크를 확장할 수 있었다. 

기술의 다음 ‘킬러앱(killer application)’이 무엇이 될지에 대해 그 누구도 모르지만 모든 킬러 앱이 센서에 의존할 것이라고 확신한다. 이렇게 작고, 강력한 솔루션은 아날로그 및 디지털 세상 사이의 인터페이스를 만들어 인간의 감각을 모방할 것이다.

의학 분야는 미래가 어떻게 될지에 대해 보여주는 좋은 예시이다. 보건 비용이 높아지면서 의료 기기의 휴대성이 높아지고 있다. 위험에 처한 당뇨 환자의 경우 자동으로 혈당 수치를 측정하는 스마트 워치를 착용하고 데이터를 병원으로 직접 전송해 모니터링할 수 있도록 하여 문제가 없는 경우 환자의 일상 생활을 방해하지 않는 방식을 취한다.

동일 선상에서 심박수, 혈압 및 기타 형태의 혈액 분석 등을 환자의 집에서 확인할 수 있다. 마치 의사와 실험실을 환자에게 가져다주는 것과 같다. 병원 방문 회수를 줄이고, 비용을 낮추며, 보다 환자에 독립적인 시스템은 앞으로의 이점에 있어 일부에 불과하다.

미래에는 이러한 해결책이 보다 정밀해지면서 의사와 의료진은 센서 및 비디오 백업 등 기타 도구를 사용해 측정한 활력 징후를 사용하여 원격으로 진단할 수 있을 것이다. 환자, 특히 고령 환자에게 있어 삶의 질을 개선하고, 보건 안전과 독립성을 개선할 것이다.

김진희 기자 (atided@hellot.net)