PMIC 내부 구조 이해하기 – 전원관리 IC는 어떻게 동작할까?

스마트폰이나 AI 모듈, 고성능 SoC를 사용하는 시스템의 회로도를 보면 수많은 전원 레일이 등장합니다.
예를 들어 0.9V, 1.0V, 1.2V, 1.8V, 2.8V, 3.3V 같은 다양한 전압이 각각의 블록에 공급되어야 하고, 이 전압들은 정해진 순서와 타이밍에 맞게 켜져야 합니다.
이 모든 것을 수동으로 구성하려면 수십 개의 DCDC 컨버터, LDO, 시퀀싱 회로, 보호 회로가 필요하겠지만,
이 복잡함을 단 하나의 칩으로 통합해주는 것이 바로 PMIC(Power Management Integrated Circuit)입니다.
PMIC는 단순히 전원을 공급하는 칩이 아니라, 시스템 전체의 전력 흐름을 통제하는 컨트롤 타워입니다.
이번 글에서는 PMIC의 정의, 내부 구성 블록, 각 기능의 역할, 대표 제품, 실무 설계 시 고려할 점까지 단계적으로 설명드리겠습니다.

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PMIC란 무엇인가요?

PMIC는 Power Management IC의 약자로, 하나의 칩에 복수의 전원 제어 기능을 통합한 전력관리용 집적회로입니다.
보통 SoC나 AP(Application Processor), FPGA, AI 칩 등 전원 구조가 복잡한 디바이스와 함께 사용되며,
멀티 채널 DCDC 컨버터, LDO, 시퀀서, 보호 회로, 통신 인터페이스(I2C/SPI)까지 함께 내장되어 있습니다.
즉, 단순한 전원 공급 장치가 아니라, 시스템 전원 아키텍처 전체를 제어하는 똑똑한 전원 관리자라고 할 수 있습니다.

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내부 블록 구성 – 무엇이 들어 있을까?

PMIC의 내부는 다음과 같은 블록으로 구성되어 있습니다:

• Step-Down (Buck) 컨버터: 고전압 → 저전압 변환, 효율적 전원 공급
• LDO 레귤레이터: 잡음 민감한 회로에 깨끗한 전압 공급
• 시퀀서 및 소프트 스타트 회로: 전원 순서 및 기동 타이밍 제어
• 전압/전류/온도 감시 회로: 실시간 상태 모니터링
• 보호 회로 (UVLO, OTP, OCP 등): 회로 이상 시 자동 차단
• I2C/SPI 인터페이스: MCU나 SoC와 통신하여 설정 제어
• Non-Volatile Memory(NVM): 설정값 저장, 전원 복원 시 유지

이러한 복잡한 기능들이 하나의 IC 안에 집적되어 있어, 설계자는 외부 회로 없이 복잡한 전원 구조를 구현할 수 있게 됩니다.

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왜 PMIC가 필요한가요?

멀티 전압 시스템에서는 전압을 공급하는 것만큼 순서, 타이밍, 보호, 제어가 중요합니다.
예를 들어 AI SoC를 구동할 때는 Core → SRAM → I/O 순서로 전압이 켜져야 하고,
각 전압이 기준에 도달해야 다음 단계가 진행되는 전원 시퀀싱이 필수적입니다.
PMIC는 이러한 시퀀싱을 내부 로직과 PG(Power Good) 연동으로 자동으로 처리하며,
온도나 과전류, 과전압 상태도 실시간 감지해 정교한 전원 관리가 가능합니다.
이 때문에 최근의 고집적 시스템에서는 PMIC 없이 시스템을 설계하는 것이 사실상 불가능에 가깝습니다.

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실제 PMIC 예시 – TI, Renesas, Richtek 등

대표적인 PMIC 제품으로는 다음과 같은 예시가 있습니다:

• TI TPS65217: AM335x 프로세서용, 3채널 Buck + LDO + 배터리 충전기 내장
• Richtek RT5036: USB-PD 기반 멀티 출력 PMIC
• Renesas ISL91211: 스마트폰, 웨어러블용 초소형 PMIC
• Analog Devices LTC3676: 최대 8개 전원 채널, 프로그래머블 시퀀서 내장

각 PMIC는 특정 SoC나 응용 환경에 맞춰 최적화되어 있으며, 보통 레퍼런스 디자인과 함께 제공되어 빠른 개발이 가능합니다.

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I2C/SPI 설정 – 소프트웨어 기반 전원 제어

PMIC는 대부분 I2C 또는 SPI 인터페이스를 통해 MCU 또는 SoC와 통신합니다.
이 방식으로 각 전원 채널의 출력 전압, 소프트 스타트 시간, 시퀀싱 타이밍, 보호 조건 등을 동적으로 제어할 수 있습니다.
예를 들어, 절전 모드에서는 일부 전원을 OFF, 부하가 늘면 특정 전압을 1.0V → 1.2V로 증가시키는 등의 제어가 가능합니다.
또한 상태 정보(전압, 온도, 알람 등)를 읽어 시스템 제어에 반영할 수도 있어, 전력 설계와 시스템 소프트웨어의 긴밀한 연동이 가능합니다.

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PMIC 설계 시 고려할 점

• 부하 조건과 전류 요구량 분석 → 채널 수와 용량 선정
• 전원 시퀀싱 요구 조건 확인 → 설정 가능한 시퀀서 내장 여부
• 잡음 민감 회로 위치 파악 → LDO 채널에 배정
• 통신 인터페이스 호환성(MCU I2C/SPI)
• 외부 부품 최소화 vs 유연성 균형
• 패키지 크기 및 발열 관리 고려

또한, 일부 PMIC는 OTP(One Time Programmable) 구조이므로, 초기 설정 실수 시 칩 전체를 교체해야 할 수도 있어 사전 시뮬레이션과 신중한 설정이 필수입니다.

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PMIC과 discrete 전원 구성의 차이

 

항목	PMIC 방식	개별 전원 (DCDC, LDO) 방식
통합도	매우 높음	낮음 (외부 회로 많음)
회로 크기	작고 간결	넓은 보드 면적 필요
제어 유연성	I2C/SPI로 동적 제어	정해진 값 고정
개발 난이도	복잡한 설정 필요	회로 설계가 간단
비용	단가 높음	단품 조합으로 저렴 가능

고성능, 고통합이 필요한 시스템일수록 PMIC의 채택률이 높고, 단순 소형 회로나 저전력 디바이스는 여전히 discrete 방식이 주를 이룹니다.

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PMIC는 전원 설계의 마스터 컨트롤러

PMIC는 단순한 전원 공급 장치를 넘어, 시스템 전체 전력 흐름의 관리자 역할을 수행하는 핵심 부품입니다.
회로 단순화, 안정성 향상, 제어 유연성 확보 등 다양한 장점 덕분에,
현대의 고집적 회로에서는 PMIC 없이 전원 설계를 구성하는 것이 더 어렵습니다.
특히 MCU, SoC, AI 칩이 다수의 전원을 요구하는 시대에는,
PMIC를 얼마나 정확히 이해하고 설계에 통합하느냐가 제품의 품질과 신뢰성을 좌우하는 핵심이 됩니다.