2004년 여름, 스티브 슈니어와 그의 배우자는 표준 초음파검사를 통해 쌍둥이가 태어날 예정이라는 것을 알게 되었다. 몇 주 후, 또 한번의 초음파 검사를 진행하면서 세 번째 아기가 있다는 것을 발견했을 때 그들은 놀라움을 감출 수 없었다.

TI 스위칭 레귤레이터 사업부의 시스템 엔지니어인 스티브는 원치 않는 잡음 또는 초음파 시스템의 신호 간섭이 이러한 현상의 배경이 되었을 것이라 생각했다. 

스티브는 “잡음이 큰 문제가 될 수 있는 의료 영상 장치 및 무선 인프라를 다루기 전에는 중요성을 체감하지 못했다”고 말했다. 앞서 언급한 세쌍둥이는 어느덧 대학 입학을 앞둔 청년들로 성장했다.

저잡음 및 정밀 기술에 대해 자세히 알아보기

스티브가 이러한 경험을 한 후로부터 약 20년이 지난 지금, 기술은 크게 진보했다. 하지만 시스템 잡음을 완화하고 신호 품질을 개선하여 정밀 신호 체인을 활성화하는 방법을 찾는 것은 여전히 다양한 업계의 설계 엔지니어에게 어려운 과제이다. 

시스템 성능에 미치는 잡음의 영향 이해

복잡한 전원 시스템을 작동할 때 잡음 없이 조용한 것이 최고지만, 이러한 환경이 보장되는 경우는 거의 없다. 잡음은 모든 구성 요소에서 발생하는 전기 부산물로, 전자기 간섭(EMI) 및 열 등 여러 소스를 통해 발생할 수 있다. 잡음은 신호를 손상시켜 오류, 계산 오류 또는 잘못된 해석으로 인해 시스템의 정확도와 안정성에 영향을 줄 수 있는 측정 왜곡을 초래한다.

또, 잡음은 전자 시스템이 온도 변동 및 전압 변동과 같은 외부 영향에 더 취약해지게 만들 수 있다. 이러한 외부 요인은 잡음을 추가로 증폭하여 더욱 부정확하게 만들 수 있다.

의료 영상 장비 등의 민감한 시스템에서 과도한 잡음은 흐릿하거나 부정확한 영상으로 이어질 수 있다. 또한 잡음은 테스트 및 측정 장비의 정확도와 정밀도에 부정적인 영향을 주어 부정확한 결과를 초래할 수 있다. 

전기차의 정밀도 구축

잡음으로부터 야기되는 과제는 신호의 정밀도가 안전과 성능에 중추적인 역할을 하는 전기차를 설계하거나, 자율주행 시스템을 개발하는 자동차 엔지니어에게 특히 중요하다.

TI의 응용 연구소인 Kilby Labs의 전력관리 연구 및 개발 책임자인 제프 모로니(Jeff Morroni)는 “전기차의 경우, 외부 잡음에 취약한 안전성 또는 주차를 위한 민감한 시스템들이 잡음을 발생시키는 고전력 구성 요소와 가깝게 배치된다”며 “이것이 바로 TI의 저잡음 및 정밀 기술이 해결하고자 하는 것”이라고 말했다.

민감한 시스템은 열과 물리적 응력으로 인해 발생하는 소음을 견딜 수 있을 정도로 견고해야 한다. 차량이 방지턱과 부딪히는 경우, 신호 정확도에 영향을 미칠 수 있는 충분한 응력이 발생할 수 있다.

잡음은 자율주행 시스템의 작동에 영향을 줄 수 있으며, LIDAR 시스템은 허위의, 또는 잘못 해석될 수 있는 신호 또는 이미지를 만드는 "고스팅(ghosting)"을 경험할 수 있다. 한편, 전기차 혁명을 추진하는 리튬 이온 배터리는 과열될 경우 불안정해질 수 있으며 안전상의 위험으로 이어질 수 있다.

왜곡을 최소화하고 잡음을 줄이는 전원관리 장치는 신호 전송 및 조절 체인에 사용되므로 선명한 신호를 구현하는 데 필수적이다. 또한 이러한 전원 장치는 클로킹 IC 및 정밀 ADC(아날로그-디지털 컨버터)와 DAC(디지털-아날로그 컨버터)에 전원을 공급해 완전한 저잡음 및 고정밀 신호 체인을 구현한다.

잡음을 줄이는 구체적인 장점 중 하나는 전기차의 주행거리다. 전기차 배터리의 전압 신호를 더욱 정확하게 측정할수록 한 번의 충전으로 더 멀리 달릴 수 있다. BQ79718-Q1과 같이 밀리볼트까지 측정할 수 있는 고정밀 배터리 모니터 및 밸런서는 이러한 주행거리를 대폭 개선할 수 있다. 

제프는 “10%~15% 수준의 향상을 기대할 수 있으며, 이는 단순히 전압을 보다 정확하게 측정하는 능력을 통해 가능하다”며, “이는 배터리 비용 측면에서 고객이 직접 누릴 수 있는 가치로 직결된다”고 말했다.

저잡음 기술로 설계 시간과 비용 절감

잡음을 최소화하려면 신호 체인의 모든 연결을 포렌식으로 살펴봐야 한다. 반도체는 본질적으로 다른 부품의 성능에 영향을 미칠 수 있는 잡음을 발생시킨다. 하지만 수동 필터링, 제어 기술 및 기타 고유한 공정 기술을 사용하여 이러한 잡음을 “침묵”시킬 수 있다. 또한 저잡음 LDO(저손실 레귤레이터), 벅 컨버터 및 전압 레퍼런스와 같은 전원 구성 요소 역시 낮은 시스템 잡음을 달성하는 데 도움이 된다.

지난 수십 년 동안 저잡음 LDO는 집적도가 높고 매우 민감한 애플리케이션에서 가능한 가장 깨끗하고 정밀한 공급 레일을 제공하는 기능으로 인해 저잡음 전력을 제공하기 위한 업계 표준으로 사용되어 왔다. 예를 들어, TPS7A94는 고출력 전압 정확도와 매우 높은 전원 공급 제거 비율로 시장에서 가장 낮은 출력 잡음 공급 장치를 제공하여 시스템 성능을 저하시키지 않는 깨끗한 공급 레일을 생성할 수 있다.

한편, TI의 TPS62913/2 시리즈 벅 컨버터는 전력 전압을 조절하기 위해 LDO를 사용하지 않고도 전원 공급 장치 아키텍처의 잡음을 줄일 수 있는 기능을 갖추고 있습니다. 또, LDO보다 조금 더 많은 잡음이 생길 수 있으나 공간 및 비용을 절감하고, 효율성을 높이며, 전력 손실과 열 문제를 줄일 수 있다.

데이터 변환 시스템의 기본 구성 요소인 전압 레퍼런스 역시 잡음을 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 전압 레퍼런스는 신호 체인에 오류를 방지하기 위해 탁월한 안정성이 필요하다. 초고정밀 전압 레퍼런스인 REF70은 저잡음 및 ADC에서 추가 비트를 언록킹하고 정밀 측정을 지원하는 업계 최고의 벤치마크를 제공한다.

전압 레퍼런스 및 감시기 사업 부문의 리더인 케이틀린 위겐호른(Katelyn Wiggenhorn)은 "ADC에서 DAC까지 모든 구성 요소는 전압을 참조해야 하기 때문에, 전압은 신호 체인 설계의 초석이라고 할 수 있다”며, “잡음이 많으면 시스템 측정이 사양을 벗어날 수 있으므로 이를 줄이는 것이 중요하다. 이런 경우 전체 시스템을 오프라인으로 전환하여 디버깅하고 보정해야 한다. 이 보정 주기를 늘릴 수 있다면 더 많은 처리량과 더 적은 다운 시간으로 고객에게 진정한 가치를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

잡음은 전원공급장치 아키텍처의 필연적인 부산물이지만, 엔지니어들은 TI의 저잡음 및 고정밀 기술을 채택함으로써 더 작은 설치 공간과 더 낮은 비용으로 업계 최고의 정확성을 가진 시스템을 설계할 수 있다.

스티브는 "잡음은 수많은 애플리케이션의 민감한 시스템에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 세쌍둥이의 아버지이자 엔지니어로서 이를 잘 알고 있다"며, "지난 18년 동안 이러한 잡음을 줄이기 위해 많은 노력을 해왔지만, 여전히 어려운 과제들이 남아 있다. TI의 지속적인 혁신은 엔지니어가 문제를 해결하고 시스템 성능을 크게 개선하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

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