현재 대부분의 전자제품에는 반도체가 들어가 있으며, 이 반도체는 IC(Integrated Circuit) 형태로 집적화 되어있다. 이 IC들을 사용하기 위해서는 전력을 공급해줘야 하며, 공급해줘야 하는 전압과 전류에 대한 스펙이 정해져 있는데, 이것은 제품마다 매우 다양하다. 그렇기 때문에 전압, 전류 스펙이 서로 다른 IC들을 그냥 연결해서 사용하면 정격 전압이 다르기 때문에 서로 호환이 안 되어 사용을 못할 뿐만 아니라, Maximum Rating이 낮은 IC는 망가질 수도 있다.
그렇다면 전압, 전류 스펙이 다른 IC들끼리는 함께 사용하지 못하는 것일까? 그렇지 않다. 공급 전압을 바꿀 때에는 주로 'Voltage converter'라고 불리는 소자를 사용해서 전압을 변경시켜 공급해준다. 다른 소자에서 12V 전압이 출력되어도 입력 12V에 출력 3.3V인 Voltage converter가 있으면 3.3V의 전압을 다른 IC의 입력 전압으로 사용 할 수 있는 것이다.
그런데 전압을 바꿔주는 소자는 Voltage converter 뿐만 아니라 'Level shifter'도 존재한다. 이름은 컨버터와 비슷한 느낌인다. 하지만 분명 활용처가 다르다. 정체가 뭘까? Level shifter는 Voltage converter와 어떤 점이 다른 것일까?
사전적 정의
우선 voltage converter의 정의부터 살펴보자. 위키백과에서 따온 글이다.
| "A voltage converter is an electric power converter which changes the voltage of an electrical power source. It may be combined with other components to create a power supply." |
위키백과에 쓰여있듯이 voltage converter는 Power source의 공급 전압을 바꿔주는 소자다. 공급 전원 자체를 통째로 바꿔주는 것이다.
* Voltage Converter에는 동작 방식에 따라 Linear Regulator와 Switching Regulator로 분류할 수 있으며, 전압을 강하시키는 컨버터는 Buck Converter라고 하며, 승압시키는 컨버터는 Boost Converter라고 한다. 둘 다 가능하면 Buck-boost Converter라고 한다. 이에 대해선 별도 포스팅할 것이다.
그럼 Level shifter는 어떨까? 위키백과 정의를 보자.
| "A level shifter (level translator), in digital electronics, also called logic-level shifter or voltage level translation, is a circuit used to translate signals from one logic level or voltage domain to another, allowing compatibility between ICs with different voltage requirements, such as TTL and CMOS." |
굵게 표시된 글씨가 보이는가? level shifter는 Power를 다루는게 아니라 Signal의 전압을 바꿔준다. Power source의 전압을 바꿔주는 voltage converter와 활용처가 분명히 다른 것이다. 여기서 Signal은 Power를 제외한 모든 Analog/Digital signal을 말한다. 굳이 표현하자면, Voltage converter는 에너지의 전압을 바꾸는 것이고, level shifter는 정보의 전압을 바꾸는 것이다.
보드의 전압을 바꿀 때는 VDD(Power supply voltage)를 바꿀 때도 있지만, 현재 사용 중인 Signal의 전압을 바꿔야 할 때도 있다. Signal 전압을 바꾸기 위해서 level shifter를 사용하는 것이다.
* level shifter는 level translator 또는 level Transceiver라고 표현하기도 한다.
다이어그램
위 그림은 Voltage converter와 level shifter의 대략적인 역할과 활용도를 나타낸 다이어그램이다. Voltage converter는 그 자체로도 동작할 수 있으며, 달아놓는 저항값에 따라 출력 전압 값이 결정된다. 하지만 level shifter는 변환하기 전의 전압과 변환 후의 전압을 Power로 각각 공급해줘야 하며, Signal의 출력 전압은 출력단에 입력해준 Power 값에 의해 결정된다.
회로도
좀 더 구체적으로 보자. voltage converter는 칩에 달린 저항에 따라 출력 전압값이 결정된다고 했다.
위는 TI사의 Voltage converter 중 하나다. SW(스위칭레귤레티어 출력을 의미) 단과 FB(Feedback) 단에 달린 저항값의 대소에 따라 출력 전압 Vout이 결정된다. 그래서 전원 공급은 VIN에만 넣어주면 되고, 출력 전압은 사용자의 저항값 선정에 의해 결정된다.
level shifter는 다르다. 입력단 전원과 출력단 전원을 각각 공급해줘야하며, 출력 Signal의 전압은 출력단에 넣어준 파워의 전압에 의해 결정된다.
위 그림은 TI사의 level shifter 중 하나를 가져온 것이다. VCCA에 입력 쪽 전압을 공급해주고, VCCB에 출력 쪽 전압을 공급해주는 것이 보인다. 입력 단에 연결되어있는 SoC는 5V signal을 사용 중이며, 출력 단에 연결되어있는 GPS Module은 1.2V signal을 사용 중이다. 중간에 level shifter가 5V의 signal을 1.2V로 변환해서 GPS Moudule로 전달하고 CIPO 신호를 받아서 다시 5V로 변환하여 SoC로 돌려준다. 전압을 변환하기 위한 저항은 보이지 않는다. 애초에 출력 전압 결정이 피드백 루프가 아닌 외부 공급 전원에 의해 결정되기 때문이다. 이와 같이 Voltage converter와 Level shifter는 동작 메커니즘부터 확연히 다르다.
level shifter 대신 Voltage converter?
만약 변환해야하는 Signal 전압이 하나뿐이라면 voltage converter를 써도 되지 않을까?
어차피 저항 달아주면 전압은 맞출 수 있으니 굳이 핀이 여러 개인 level shifter를 안 써도 되지 않을까?
아니, 안 된다. 전류 때문이다.
위는 TI사의 Buck converter의 리스트를 가져온 것이다. 출력 전류의 단위가 주로 A단위다. 물론 출력 전류가 1A가 안 되는 제품도 존재하지만, 그마저도 가장 낮은 출력 전류 값이 수백 mA다. 그럼 level shifter는?
level shifter의 출력 전류는 수십 mA수준이다. 가장 큰 경우도 30mA정도다. 어떤가? 출력 전류가 Voltage converter와 크게 차지 나지 않은가? 이것은 Signal line이 애초에 큰 전류를 필요로 하지 않기 때문이다. Power Supply의 경우엔 공급된 전류를 여러 용도로 사용해야 하기 때문에 충분한 크기의 전류가 필요하겠지만, Signal의 경우 말 그대로 '나 여기 있다.(1) 나 여기 없다(0)' 정도만 알려주면 되기 때문에 굳이 큰 전류가 필요 없는 것이다. (동작하는 데 굳이 큰 전류가 필요하지 않다면 이왕이면 낮은 전류를 쓰는 게 좋다. 소비 전력 측면에서도 그렇고, 감전 위험을 낮추기 위한 측면에서도 그렇다.)
대부분의 IC의 Signal이 들어오는 pin에는 큰 전류를 견딜 수 있는 설계가 되어있지 않다. 그래서 signal의 전압을 바꾸기 위해 Voltage converter를 사용했다면 빠른 전류가 들어가서 IC가 전류를 견디지 못하고 망가질 위험이 있다. Signal 전압을 변환하고 싶으면 전류 때문이라도 반드시 level shifter를 써야한다.
정리
Power supply voltage를 바꾸고 싶으면 Voltage converter (Linear regulator 또는 Switching regulator)를 사용한다.
Signal voltage를 바꾸고 싶으면 Level shifter (level translator 또는 level transceiver)를 사용한다.
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