계장기술(PROCON)

특별기고 더 적은 전력으로 더 많은 일을 하다

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 959회 작성일 20-12-15 14:54

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전력 수요가 지칠 줄 모르고 계속해서 증가함으로써 전력 밀도는 높이고, 시스템 비용은 낮추는 것이 필요해


지속적인 기술 혁신을 통해서 전력 밀도를 꾸준히 향상시킴으로써 점점 더 작은 공간으로 더 많은 전력을 집어넣을 수 있게 되었다.
그럼으로써 전자기기의 수명을 늘리고, 신뢰할 수 있는 디지털 연결을 이룰 수 있으므로 기업과 소비자들 모두에게 이득이다.
 


소비자들은 전자기기를 자신이 필요할 때 어느 때나 사용할 수 있기를 원한다. 우리는 이른 아침부터 늦은 밤까지 각종 전자기기에 의존해서 생활한다. 가상 회의에 참석하고, 좋아하는 텔레비전 프로그램을 스트리밍하고, 인터넷으로 연결한다.

TI의 부스트 및 다채널/다위상 DC/DC 팀을 이끌고 있는 세셀리아 스미스(Cecelia Smith)는 “현대 사회는 기술을 통해서 모든 것을 연결하고 있다. 우리가 날마다 랩탑이나 스마트폰에 얼마나 의존하고 있는지 생각해 보라. 또한, 클라우드의 서버를 통해서 화상회의 같은 애플리케이션이 가능하게 되었다. 이러한 모든 것들이 좀 더 효율적인 전력 공급을 필요로 한다”고 말했다.

코로나 바이러스가 발발함으로 인해서 재택근무가 확산되기 전에도(미국에서 노동 인구의 거의 절반이 원격근무로 전환) 디지털 서비스에 대한 수요는 계속해서 빠른 속도로 증가하고 있었으며, 데이터를 효율적으로 검색하고 저장하는 것이 필요했다. 여기에다 자동차 전기화, 5G 구축, 에너지 수요 증가 같은 흐름들이 가세함으로써 데이터와 전력에 대한 수요는 계속해서 증가하고 있다.

전력 밀도는 더 작은 공간으로 더 많은 전력을 집어넣고 전력을 더 효율적으로 활용하는 능력을 말하는 것으로서, 전자기기나 디지털 연결이나 운전 경험을 향상시키기 위해서 전력 밀도를 향상시키는 것이 중요하게 되었다.

TI의 고전압 전원 팀을 책임지고 있는 스티브 램버스(Steve Lambouses)는 “더 적은 전력으로 더 많은 일을 할 수 있게 하는 것이 중요한 과제가 되었다. 세상은 갈수록 더 많은 데이터를 원하고 있고, 갈수록 더 많은 디바이스들을 연결하고 있다. 출범을 앞두고 있는 5G 시스템이나 갈수록 보급률이 늘어나고 있는 전기차 및 하이브리드 전기차 같은 모든 시장으로 전력 밀도를 향상시키는 것이 요구된다. 소비자들은 데이터 다운로드 속도나 자동차 주행거리 같은 성능을 크게 향상시키면서도 배터리 크기나 전력 소모가 늘어나는 것은 원치 않는다. 또한 소비자들은 새로운 기술을 사용해서 신뢰성은 높이고, 비용은 낮추기를 원한다”고 말했다.

그러면 반도체 기술이 어떻게 전력을 더 작은 공간으로 더 효율적으로 제공함으로써 삶의 질을 향상시킬 수 있는지 알아보자.

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동일한 공간으로 더 효율적인 시스템 달성

인터넷을 검색하고, 이메일을 바이러스 공격으로부터 보호하고, 화상 통화를 가능하게 하는 데이터센터가 50, 000 평방피트 이상의 규모에 이르고 있다. 더 이상 확장할 수 있는 공간이 제한적이므로, 기존의 서버로 수요를 충당하는 것이 엔지니어들의 어려운 과제가 되고 있다.

TI의 아날로그 전원 제품 팀 책임자인 마크 개리(Mark Gary)는 “많은 사람들이 재택근무로 전환하면서 엔터프라이즈 컴퓨팅 수요가 폭발적으로 늘어나고 있으며, 클라우드 공간을 추가해야 하는 필요성을 높이고 있다. 데이터센터로 갈수록 더 많은 전력을 필요로 하고 있다. 그런데 서버룸으로 설치할 수 있는 랙은 제한적이므로, 갈수록 더 작은 공간으로 더 많은 전력을 집어넣는 것이 필요하다”고 말했다.

 열을 제거하는 것이 또 다른 중요한 문제이다. 온도가 높아지면 가동 비용을 증가시키고, 네트워킹 신호로 간섭을 일으키고, 성급하게 장비 고장을 일으킬 수 있다. TI의 벅 스위칭 레귤레이터 팀은 제품 세대를 거듭하면서 지속적인 혁신과 향상을 이룸으로써 적층식으로 더 높은 전력을 제공하면서 발생된 열을 효과적으로 소산시키는 전원 칩을 출시했다.

“2011년에 이 제품군으로 첫 제품을 출시한 이후로, 동일한 풋프린트로 전력 밀도를 두 배로 높이게 되었다. 이것은 데이터센터를 위해서나 5G 인프라의 기지국 시스템을 위해서나 대단한 진전이다. 5G 네트워크의 중추로서 가로등이나 전신주에 설치되는 소형 무선 액세스 포인트로 더 많은 전력을 제공해야 한다. 그렇게 함으로써 크기는 늘리지 않으면서, 더 빠른 데이터 전송을 지원할 수 있다”고 마크 개리(Mark Gary)는 말했다.


효율을 높이는 GaN과 합리적인 가격대의 전자기기

미국에서만 수십만 개의 이러한 5G 무선 액세스 포인트를 설치하고, 이들 각각으로 전원장치를 냉각하기 위해서 전기 팬을 사용해야 한다는 것을 상상해 보라. 이 팬이 고장으로 인해서 작동이 정지될 때마다 유지보수 인력을 현장으로 파견해서 문제를 해결하고, 시스템이 다시 가동되도록 해야 한다.

전원 관리 시스템에서 핵심적 부품이 전력을 빠르게 온과 오프로 스위칭하는 전기 스위치이다. 갈륨 나이트라이드(GaN)는 실리콘보다 훨씬 더 높은 주파수로 스위칭할 수 있으므로, 효율을 높이고 전원장치를 필요로 하는 공간을 줄인다. 냉각을 위해서 필요한 전기 팬을 제거할 수 있기 때문이다.

“GaN을 활용함으로써 전기차, 산업용 시스템, 의료 장비, 컨슈머 전자기기, 항공우주 및 방위 시스템으로 크기를 줄이고, 효율을 높이고, 신뢰성을 높일 수 있다. 그러면서 또한 비용을 훨씬 낮출 수 있다. 고객들이 비용을 추가하거나 크기를 늘리지 않으면서 전원장치 출력을 2~3배 높이는 것을 볼 수가 있다”고 스티브 램버스(Steve Lam bouses)는 말했다.

공간을 줄이는 것은 원자재를 줄이고, 부품수를 줄이므로 비용을 낮추는 것으로 이어진다. 그럼으로써 소비자들을 위해서 제품의 가격대를 낮추고 효율을 높일 뿐만 아니라, 남는 공간으로 다른 기능들을 추가해서 사용자 경험을 향상시킬 수 있다.

“다양한 산업 분야로 GaN 같은 혁신 기술을 사용해서 전력 밀도를 높이는 것이 요구된다. 자동차 분야로 GaN을 활용함으로써 전자장치의 크기를 줄일 수 있고, 이것은 자동차의 무게를 줄이고, 비용을 낮추는 데 기여한다. 그럼으로써 궁극적으로 갈수록 엄격해지는 연비 요건을 충족하고 이산화탄소 배출을 줄일 수 있다”고 마크 개리(Mark Gary)는 말했다.

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극소형 칩을 활용해서 강력한 솔루션 달성

의료용 장비, 원격 센서, 시험 계측 장비 같은 애플리케이션으로, 크기는 줄이면서 전력 밀도를 높이기 위해서는 부품 통합이 중요하다.

예를 들어 의료용 환자 모니터링 장비는 사람들을 위험한 수준의 전압으로부터 차폐하고, EMI(전자기 간섭)을 낮추기 위한 부품들을 필요로 한다. 신호를 방사하는 모든 전자 장비는 EMI를 발생시키고, 다른 전자 장비를 방해할 수 있다.

TI는 환자를 전력으로부터 차단하고 EMI를 낮추는 두 가지 일을 하는, 손톱 만한 크기의 칩을 출시했다. 이 칩을 사용함으로써 부품 수를 줄이고, 회로를 훨씬 작게 할 수 있다.

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“우리 회사의 통합적 트랜스포머 솔루션을 사용해서 E MI를 낮출 수 있다. EMI는 고객들이 많은 비용을 들여서 해결해야 하는 중요한 문제이다. 이제 고객들이 많은 비용을 들이거나 공간을 늘릴 필요 없이 콤팩트한 솔루션을 사용해서 디바이스 크기를 소형화할 수 있게 되었다”고 스티브 램버스(Steve Lambouses)는 말했다.

그럼으로써 의료용 모니터링 장비를 휴대용이나 웨어러블 제품으로 제공할 수 있으며, 이러한 제품을 사용해서 환자가 더 자유롭게 움직이고 이동할 수 있다.

“전력 밀도를 높이는 것은 다양한 애플리케이션과 다양한 시장 분야로 많은 것들을 가능하게 할 것이다. 엔지니어이자 소비자로서 우리는 앞으로 계속해서 더 많은 데이터를 필요로 하고, 갈수록 더 많은 디바이스들을 연결하고, 크기는 줄이면서 비용은 낮춰야 한다는 점을 잘 인식하고 있다. TI는 바로 이와 같은 요구를 충족하는 전원 관리 솔루션을 제공한다”고 세셀리아 스미스(Cecelia Smith)는 말했다.


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