PMIC 역할과 종류, 전압을 여러 개로 나눠 주는 칩

집 안의 가전제품은 모두 같은 벽 콘센트에서 전기를 받지만, 쓰는 전압은 제각각입니다. 휴대전화 충전기와 노트북 어댑터, 전기면도기 충전기가 저마다 전압을 바꿔 주는 어댑터를 따로 달고 있죠.

스마트폰 한 대 안에서는 배터리 하나가 이 모든 가전의 콘센트 역할을 합니다. 프로세서와 메모리, 디스플레이, 무선 칩이 서로 다른 전압을 요구하기 때문에, 이를 나눠 주는 PMIC 역할이 꼭 필요합니다.

비유와 다른 점도 있습니다. 가정용 어댑터는 열이 조금 나도 전기요금 정도의 문제지만, 배터리 기기에서는 전압을 바꾸다 버려지는 에너지가 곧 사용 시간의 감소입니다. 게다가 전원을 켜는 순서까지 칩이 정해 놓은 규칙을 따라야 합니다.

칩마다 필요한 전압이 다른 이유

같은 스마트폰 안에서도 프로세서 코어는 1 V 안팎이거나 그보다 낮은 전압을 쓰고, 입출력 회로와 일부 메모리는 그보다 높은 전압을 씁니다. 코어 전압을 낮추면 전력 소모가 크게 줄기 때문에, 칩 설계자는 동작이 가능한 가장 낮은 전압을 향해 움직입니다.

아날로그 회로와 무선 회로는 전원의 잡음에 민감해서 깨끗한 전압을 따로 받아야 합니다. 같은 배터리에서 나오더라도 디지털 회로가 만드는 잡음이 섞이면 안 되기 때문입니다.

한편 리튬이온 배터리의 전압은 충전 상태에 따라 대략 3 V에서 4.2 V 안팎까지 계속 변합니다. 입력은 흔들리는데 출력은 정확해야 하니, 그 사이에서 전압을 일정하게 만들어 주는 회로가 필요해집니다.

PMIC 역할을 한 줄로, 변환과 순서와 보호

PMIC(Power Management Integrated Circuit, 전력관리 집적회로)는 배터리나 어댑터의 전원을 받아 여러 전압으로 바꾸고, 켜고 끄는 순서와 보호, 충전을 관리하는 칩입니다. 이때 한 가지 전압으로 공급되는 전원선을 레일(rail)이라고 부릅니다.

한 줄로 줄이면 변환, 순서, 보호입니다. 내부에는 LDO와 벅 컨버터 같은 변환 회로 여러 개와 제어 로직, 보호 회로가 한 칩에 들어 있고, 프로세서는 보통 I2C 같은 저속 통신으로 설정을 바꿉니다.

LDO, 남는 전압을 열로 버리는 간단한 방식

LDO(Low-Dropout Regulator, 저 드롭아웃 레귤레이터)는 입력과 출력 사이에 트랜지스터를 가변 저항처럼 넣고, 출력이 목표 전압에 맞도록 저항을 조절하는 회로입니다. 입력과 출력의 전압 차이는 이 트랜지스터에서 그대로 열이 됩니다.

그래서 LDO의 효율은 대략 출력 전압을 입력 전압으로 나눈 값에 가깝습니다. 가상의 수치로 계산해 보겠습니다.

입력과 출력의 차이가 클수록 손실이 커지는 구조입니다. 대신 스위칭이 없어서 출력이 조용하고 회로가 단순하며 부하 변화에 대한 응답이 빠릅니다.

이런 장점 때문에 LDO는 전압 차이가 작을 때, 그리고 잡음에 민감한 아날로그와 RF 회로의 전원으로 쓰입니다.

벅 컨버터, 스위치와 인덕터로 효율을 지키는 방식

벅 컨버터(Buck Converter)는 입력 전압을 낮추는 스위칭 방식의 DC-DC 변환기입니다. 스위치를 빠르게 켰다 껐다 하면서 인덕터에 에너지를 저장했다 내보내므로, 남는 전압을 열로 버리는 대신 필요한 만큼의 에너지만 출력으로 옮깁니다.

이상적인 경우 출력 전압은 입력 전압에 스위치가 켜진 시간의 비율, 즉 듀티비를 곱한 값입니다. 입력 3.8 V에서 1.0 V를 만들려면 듀티비가 1.0 ÷ 3.8 ≈ 0.26, 약 26%가 됩니다.

앞의 LDO와 같은 조건으로 두 방식의 손실을 비교해 보겠습니다.

같은 전류에서 열이 약 25배 차이가 나는 셈입니다. 대신 벅 컨버터에는 비용이 따릅니다. 스위칭 때문에 출력에 리플이라는 잔물결이 생기고, 인덕터와 캐패시터가 필요하며, 스위칭 잡음이 RF나 아날로그 회로에 간섭을 줄 수 있습니다.

부스트와 벅부스트, 전압을 올리거나 양쪽을 오가는 경우

부스트 컨버터(Boost Converter)는 입력보다 높은 전압을 만듭니다. 스위치가 켜져 있을 때 인덕터에 에너지를 모았다가, 스위치가 꺼지는 순간 입력 전압 위에 그 에너지를 얹어 출력으로 내보냅니다.

이상적인 출력 전압은 입력 전압을 (1 − 듀티비)로 나눈 값입니다. 3.7 V 배터리에서 5 V를 만들려면 1 − 3.7 ÷ 5 = 0.26이므로 듀티비는 약 26%입니다.

부스트는 USB 장치에 5 V를 공급하거나 LED 백라이트를 켜는 것처럼 배터리보다 높은 전압이 필요한 곳에 씁니다. 그런데 출력을 3.3 V로 고정하고 싶은데 배터리 전압이 3.3 V의 위아래를 오가면 어느 쪽 변환기를 써야 할까요?

이때 쓰는 것이 벅부스트 컨버터(Buck-Boost Converter)입니다. 입력이 출력보다 높을 때는 낮추고 낮을 때는 올리는 식으로 양쪽을 오갈 수 있어서, 방전되어 가는 배터리에서 일정한 레일을 유지하는 데 적합합니다.

전원을 켜는 순서와 보호 기능

칩은 전원을 아무 순서로나 켜면 안 됩니다. 코어에는 전압이 들어왔는데 입출력 회로의 전원이 아직 없으면 의도하지 않은 전류 경로가 생길 수 있어서, 데이터시트가 전원이 올라가는 순서와 간격을 정해 둡니다. 이를 전압 시퀀싱(voltage sequencing)이라 하고, PMIC는 이 순서를 하드웨어로 지킵니다.

순서 못지않게 중요한 것이 소프트 스타트입니다. 전압을 한 번에 올리면 출력 캐패시터를 채우려는 큰 돌입 전류가 흘러 입력 전원이 흔들리므로, 출력을 서서히 올려 전류를 제한합니다.

보호 기능으로는 과전류, 과전압, 과열 차단이 기본입니다. 출력이 단락되거나 온도가 한계를 넘으면 해당 레일을 끄거나 전류를 제한해 칩과 배터리를 지킵니다.

배터리 충전과 잔량 관리

리튬이온 배터리는 충전 방식도 정해져 있습니다. 보통 전압이 낮을 때는 일정한 전류로 충전하는 정전류 구간을 거치고, 셀 전압이 상한에 가까워지면 전압을 고정한 채 전류를 줄여 가는 정전압 구간으로 넘어갑니다. 상한 전압은 셀의 화학 조성에 따라 달라지므로 배터리 규격서를 따릅니다.

충전 회로는 PMIC 안에 들어 있기도 하고 별도의 충전 IC로 나뉘기도 합니다. 여기에 배터리의 남은 양을 추정하는 잔량 측정 기능과, 과충전과 과방전, 온도 이상을 막는 보호 기능이 더해집니다.

화면에 보이는 배터리 퍼센트는 전압만이 아니라 전류와 온도를 함께 보고 추정한 값입니다. 그래서 같은 배터리라도 추운 날씨에는 잔량 표시가 갑자기 줄어드는 일이 생길 수 있습니다.

프로세서와 PMIC가 전압을 주고받는 방식

저전력 설계에서 프로세서는 부하에 맞춰 주파수와 전압을 함께 바꾸는 DVFS를 씁니다. 바꾸려는 전압 값은 프로세서가 요청하고, 그 요청을 받아 출력 레일을 새 값으로 옮기는 것이 DVFS 상황에서의 PMIC 역할입니다.

전압이 목표값에 도달하는 속도가 빨라야 전환에 드는 손해가 적습니다. 부하가 갑자기 늘어도 전압이 꺼지지 않도록 과도 응답이 빨라야 하고, 프로세서가 오동작하지 않도록 전압을 낮출 때는 여유를 둡니다.

PMIC를 둘러싼 흔한 오해

LDO는 효율이 나빠서 쓸모가 줄었다는 이해는 정확하지 않습니다. 전압 차이가 작거나 부하 전류가 작으면 LDO의 손실도 작고, 잡음이 적어서 스위칭 컨버터 뒤에 후단 정리용으로 붙여 쓰는 경우가 많습니다.

PMIC 하나가 시스템의 모든 전원을 담당한다는 생각도 단순화입니다. 전류가 큰 프로세서 코어 전원은 별도의 전력단이나 여러 개의 PMIC로 나누는 구성이 흔하고, 제품에 따라서는 PMIC 하나로 충분하기도 합니다.

LDO와 벅과 부스트와 벅부스트 비교 표

구분	LDO	벅 컨버터	부스트 컨버터	벅부스트 컨버터
전압 변환	입력보다 낮게	입력보다 낮게	입력보다 높게	높게도 낮게도
효율	Vout ÷ Vin에 가까움, 전압 차가 크면 열로 손실	높은 편, 부하에 따라 달라짐	높은 편, 부하에 따라 달라짐	구조상 손실이 더 붙는 편
출력 잡음	낮음	스위칭 리플 있음	스위칭 리플 있음	스위칭 리플 있음
외부 부품	캐패시터 위주	인덕터와 캐패시터	인덕터와 캐패시터	인덕터와 캐패시터
주 용도	아날로그와 RF 전원, 후단 정리	프로세서 코어와 메모리 전원	USB 5 V, LED 백라이트	배터리 전압이 출력 전압 위아래를 오가는 레일

핵심 정리

PMIC 역할은 배터리 하나의 전압을 칩마다 필요한 여러 전압으로 바꾸고, 켜는 순서와 보호, 충전을 관리하는 데 있습니다. LDO는 간단하고 조용하지만 효율이 Vout ÷ Vin에 묶이고, 벅과 부스트와 벅부스트 같은 스위칭 방식은 효율이 높은 대신 잡음과 부품이라는 비용을 치릅니다.

집 안의 어댑터로 돌아가 보면, 어댑터가 따뜻해지는 것은 에너지가 열로 새고 있다는 신호입니다. 전원 회로를 볼 때는 변환 방식이 무엇인지, 그 방식의 효율이 입력과 출력 전압의 차이에 얼마나 민감한지부터 따져 보면 선택의 이유가 보입니다.

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