도시바, 모바일 기기용 광부하 고효율 DC-DC 변환기 개발

[산업일보]
도시바(Toshiba Corporation) (도쿄증권거래소: 6502)는 일반 직류-직류(DC-DC) 변환기 보다 범위가 3배 이상 넓은 광부하 전류에서 효율성을 85% 이상 높인 모바일 기기용 직류-직류 변환기를 개발했다고 발표했다.

이번에 새로 개발한 변환기는 낮은 맥동의 상(相)을 신속하게 추가/폐기하는 구조에 크게 힘입어 경부하 상태에서는 전력 소모를 58% 이상 감소시키고 중부하 상태에서는 24% 이상 감소시킨다.

도시바는 미국 캘리포니아 주 샌프란시스코에서 2월10일 열린 2014년 IEEE(국제전기전자기술자협회)의 국제 반도체회로 학술회의(ISSCC)에서 이 신제품을 발표했다.

현재 사용되고 있는 프로세서는 다중 코어 디자인을 활용하기 때문에 다양한 전류 프로필을 갖고 있으며 광범위한 부하전류에서 효율성이 높은 직류-직류 변환기를 필요로 하고 있다. 이는 상(相)이라고 불리는 몇 개의 병렬 구조단위를 통해 전류를 전달하는 다상(多相)의 아키텍처를 이용해 구현했으며, 부하 상태에 따라 활성상(相)의 수를 조정해 변환기의 효율성을 최적화한다.

하지만 상(相)을 추가하거나 폐기하면 출력전압에 커다란 맥동이 생겨서 변환기 내의 전류가 갑자기 급증한다. 이 때문에 기존의 상(相) 추가/폐기 기법은 맥동에 대응하기 위해 용량이 1000μF 이상 되는 축전기를 탑재한 데스크톱PC와 같은 기기에만 적용이 가능하다. 이번에 도시바는 축전기를 93% 이상 감소시켜서 모바일 기기에 적용할 수 있는 새로운 상(相) 추가/폐기 기법을 개발했다. 이는 10mV 이하의 맥동 전압으로 상(相)을 1 스위칭 주기만큼 빠른 속도로 순조롭게 추가/폐기함으로써 실현됐다.

아키텍처는 주류 아날로그 제어 대신 디지털 제어를 바탕으로 구성했으며, 핵심 개념은 변환이 이루어지는 동안에 전류가 균형을 유지하도록 하는데 주안점을 두었다. 하지만 디지털 제어를 실현하려면 시스템의 전력 소모를 39% 증가시키는 아날로그-디지털 변환기가 필요하다. 도시바가 새로 개발한 하이브리드 제어구조는 아날로그-디지털 변환 하드웨어를 추가하는 대신, 시스템 내에서 기존 비교 회로(comparator)와 디지털-아날로그 변환기가 시분할해 아날로그를 디지털로 변환시킴으로써 이러한 전력 소모를 90% 이상 감소시킨다.