인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요, 답변 남겨드립니다.

Power budget을 잡을 때 가장 중요한 것은 단순히 데이터시트의 동작 전압 범위를 그대로 적용하는 것이 아니라, 실제 회로에서 안정적으로 동작할 수 있는 기준점을 설정하는 것입니다. 대부분의 반도체 소자는 데이터시트에 최소 전압(VDD_min), 최대 전압(VDD_max), 그리고 일반적으로 권장되는 전압(Nominal Voltage)을 명시하고 있습니다. 예를 들어 STM32F103 MCU의 경우 2.0V에서 3.6V까지 동작이 가능하다고 되어 있지만, 실제 설계에서는 주변 소자들(예: Ethernet PHY, ADC, DAC 등)과의 호환성을 위해 3.3V 전원을 기준으로 설계하는 것이 일반적입니다. 이는 전압 변동과 온도 조건, 공정 편차를 고려했을 때 가장 안정적으로 동작할 수 있는 전압이 3.3V이기 때문입니다.

전류 소모량을 예로 들어보겠습니다. MCU가 동작 모드에서 50mA, PHY가 120mA, ADC가 30mA를 소비한다고 가정하면 합산 전류는 200mA가 됩니다. 하지만 실무에서는 전원 공급 장치나 LDO, DC-DC 컨버터를 선택할 때 이 값에 여유를 두어 설계합니다. 보통 1.2배에서 1.5배 정도의 마진을 잡는데, 이는 실제 동작 시 발생할 수 있는 피크 전류, 온도 상승에 따른 전류 증가, 또는 미래에 기능이 추가될 가능성까지 고려하기 위함입니다. 따라서 위의 예시에서는 최소 300mA 이상의 용량을 가진 전원 소자를 선택하는 것이 적절합니다.

전압 드롭과 리플도 고려해야 합니다. LDO를 사용할 경우 드롭아웃 전압이 반드시 고려되어야 하는데, 예를 들어 입력 전압이 5V이고 3.3V를 출력해야 한다면, LDO가 정상적으로 동작하기 위해서는 최소한 3.5V 이상의 입력 전압이 보장되어야 합니다. 또한 부하 변화에 따라 전압이 순간적으로 떨어지는 현상(Transient Drop)이 발생할 수 있으므로, 출력단에 Low ESR 캐패시터를 충분히 배치하여 안정성을 확보해야 합니다. 이때 전압은 ±5% 이내에서 변동하도록 설계하는 것이 일반적입니다. 즉, 3.3V Rail이라면 3.135V에서 3.465V 범위 내에서 동작해야 하며, 이 범위가 벗어나면 오동작 가능성이 있습니다.

소자별 최적 전압은 실제 사용 목적에 따라 달라집니다. 예를 들어 일부 ADC는 1.8V Rail에서 구동이 가능하며, 이 경우 전력 소모가 줄어드는 장점이 있습니다. 하지만 보드 전체에 이미 3.3V Rail이 존재한다면 굳이 1.8V를 별도로 만들기보다는 3.3V에서 동작시키는 것이 전원 구조를 단순화하는 데 유리합니다. 반면 고속 디지털 회로나 저전력 설계가 중요한 모바일 기기에서는 전력을 줄이기 위해 1.2V나 1.8V Rail을 적극적으로 활용하는 경우도 많습니다.

결국 Power budget을 작성할 때는 첫째로 데이터시트에 기재된 동작 전압 범위가 아니라 권장 전압을 기준으로 삼아야 하고, 둘째로 각 소자의 최대 전류 소모치를 합산하여 전원 공급 장치를 설계해야 하며, 셋째로 전압 드롭, 리플, 피크 전류 등 실제 동작 환경에서 발생할 수 있는 요소를 고려하여 최소 20% 이상 마진을 두는 방식으로 설계하는 것이 현업에서 가장 안정적인 방법입니다.

안녕하세요, 인프런 AI 인턴입니다. 박진호님께서 질문하신 Power budget 작성 시 최적의 구동 전압 설정에 대해 간단히 설명드리겠습니다.

Power Budget 작성 시 구동 전압 설정

1. 데이터시트 참조: 각 소자의 데이터시트를 참조하여 권장하는 구동 전압 범위를 확인해야 합니다. 데이터시트에는 보통 최소 전압, 최대 전압, 그리고 권장 동작 전압이 표시되어 있습니다. 이 중 권장 동작 전압을 따르는 것이 일반적인 관행입니다.

2. 최적 전압 선택:

   • MCU(마이크로컨트롤러): 대개 1.8V, 3.3V, 또는 5V 레벨에서 동작합니다. 하지만 최적의 전압은 열 방출이나 전력 소비를 최소화하면서 안정적으로 동작할 수 있는 범위 내의 값입니다.
     
   • PHY(물리 계층 칩): 네트워크 장치의 경우, 3.3V나 2.5V에서 많이 동작하지만, 특정 프로토콜이나 스펙에 따라 다를 수 있습니다.
     
   • ADC(아날로그-디지털 변환기): 입력 전압의 레퍼런스가 매우 중요한데, 종종 2.5V, 3.3V 등이 사용됩니다.
     

3. 전압 드롭 고려: 전원 공급 회로의 설계 시 전압 드롭을 고려하십시오. 이는 PCB 설계에서 트레이스 길이와 폭, 전류 흐름 등에 의해 결정됩니다. 따라서 전원 입력 시 전압 드롭을 충분히 예측하고, 이를 보상하기 위해 약간의 여유 전압을 두어야 합니다.

4. 상황별 변동 용량: 저전력 모드나 절전 기능이 있는 경우, 특정 상황에서의 전압 변동을 고려해야 합니다. 이 경우 전압의 안정성과 기능성을 동시에 고려하는 것이 중요합니다.

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