스마트 웨어러블 기기에 저전력 변환 IC 활용
  • 2015-09-07
  • 김언한 기자, unhankim@elec4.co.kr
  • 글|스티브 노스(Steve Knoth), 수석 제품 마케팅 엔지니어, 전력 제품 리니어 테크놀로지(Linear Technology Corporation)


극저 정지 전류 LTC3388 에너지 수집 벅 레귤레이터, 나노전력 소모에 사용하기 위한 LTC3331 에너지 수집 벅 레귤레이터, 쿨롬 카운터를 통합한 LTC3335 벅-부스트 레귤레이터를 사용함으로써 스마트 웨어러블 기기의 설계를 대폭적으로 간소화하고 향상된 성능을 달성할 수 있다.

한때는 걷거나 달릴 때 걸음수를 세는 만보기 같이 단순한 형태였으나, 오늘날 웨어러블 기기는 하루가 다르게 빠르게 진화하고 있다. 달리 말해 갈수록 더 “스마트”해지고 있다. 청각장애인용으로 음성을 진동으로 바꿔주는 조끼에서부터 구글 글래스, 첨단 피트니스 액티비티 트래커, 나이트비전 장비, 헤드업 영상 디스플레이에 이르기까지, 웨어러블 기기는 컨슈머, 군용, 산업용 시장에서 갈수록 더 메인스트림으로 자리를 잡아가고 있다.

“웨어러블(wearable)”하다는 것은, 사용자가 어떤 식으로든 장시간 착용할 수 있으며 제품을 착용한 결과로서 사용자 경험을 향상시키는 제품을 말한다. 더 나아가 “스마트” 웨어러블하다는 것은 여기에다 커넥티비티와 독립적인 데이터 처리 능력을 더한 것을 말한다. 웨어러블은 세부적으로 5개의 애플리케이션 분야로 분류할 수 있다.

피트니스/웰빙(액티비티 모니터, 피트니스 밴드, 풋팟, 심박 모니터 등), 인포테인먼트(스마트 글래스/고글, 스마트 워치, 영상 기기 등), 군용(나이트비전 장비, 헤드업 디스플레이, 엑소스켈레톤(exo-skeleton), 스마트 의복 등), 산업용(인체 착용 단말기 등)으로 구분할 수 있다(출처: IHS Electronics and Media, 2013년). 이들 각기 시장은 각기 나름대로의 시장 동력에 따라서 성장하고 있다. 군용 시장에서 시장의 동력이 되는 것은, 상황인식, 지도/경로, 전투 효율, 인명 구조 등을 향상시키고자 하는 것이다. 인포테인먼트 시장에서 동력은, 첨단 영상과 가상현실을 사용해서 게임 시장의 계속적인 성장세를 이어가고,

또한 스마트폰으로 무선 연결할 수 있는 기기의 종류를 늘려감으로써 IoT(사물인터넷)을 확대하도록 하는 것일 수 있다. 또한 웰빙 및 의료 시장에서 주된 시장 동력은 기대 수명을 높이고, 갈수록 높아지는 의료비와 보험 비용을 억제하고, 더 늦은 나이까지 건강한 삶을 유지하고, 병원에 머무는 시간을 줄이도록 하는 것일 수 있다.

생체통계를 활용한 더 나은 삶

생체통계(bio-stats)는 인체의 기본적인 기능들을 나타내는 생체 신호를 측정하는 것이다. 이러한 생체 신호들로는 체온, 맥박수/심박수, 호흡수, 혈압 등을 포함한다. 이러한 생체 신호들이 중요한 것은, 이러한 생체 신호들이 급격히 변화되면 건강이 나빠진 것이고, 그렇지 않으면 건강하다는 것을 나타내는 것이기 때문이다. 대형 병원과 개인 병원에서는 이러한 생체 신호들을 측정하기 위한 고가의 장비들을 잘 갖추고 있다.

그런데 이러한 생체 통계를 병원 시설 바깥에서도 비용을 많이 들이지 않고서 효과적으로 측정할 수 있게 된다면 삶의 질이 훨씬 더 향상될 것이다. 예를 들어 집이나 직장에서 라이프스타일이나 행동을 그 즉시 실시간으로 수정할 수 있다면 건강을 증진시킬 뿐만 아니고 수명을 연장할 수도 있고 생명을 구하기까지도 할 수 있을 것이다. 기기의 가격이 낮아지고 첨단 센서 기술이 결합함으로써 의료용 및 웰빙용 스마트 웨어러블이 폭발적으로 늘어나고 있다.

이러한 기기들로는 인체에 부착하는 단순한 형태의 “단일 생체 신호” 장비에서부터 센서가 가득 달린 정교한 전신 엑소스켈레톤에 이르기까지 다양한 유형이 있을 수 있다. 그런데 집적회로(IC) 설계의 관점에서는, 이러한 웨어러블 기기를 파티셔닝 하고 효율적으로 구동하도록 하기가 결코 쉽지만은 않은 과제다. 그렇다면 이 점을 살펴보기 위해 전형적인 스마트 웨어러블 기기라고 했을 때 코어 아키텍처를 살펴보자.

스마트 웨어러블의 코어 아키텍처

스마트 웨어러블 기기를 작동할 수 있게 하는 주요 요소들은 어떤 것들인가? 어떤 면에서는 스마트 웨어러블을 소형화된 임베디드 시스템으로 볼 수도 있을 것이다. 정확한 파티셔닝은 어떤 기기냐에 따라서 달라질 것이다. 하지만 전반적으로 말해서 스마트 웨어러블의 코어 아키텍처는 다음과 같은 조합으로 볼 수 있다:

마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러, 또는 유사한 IC
일정한 형태의 MEMS(micro-elect romechanical) 센서
소형 기계식 액추에이터
GPS(global positioning system) IC
블루투스/셀룰러/와이파이 커넥티비티/
데이터 수집/처리 및 동기화
이미징 소자, LED
컴퓨팅 자원
재충전가능 배터리 또는 일차전지(충전 불가능) 배터리 또는 배터리 팩
지원 소자

웨어러블 기기를 설계할 때의 중요한 설계 목표는 착용성/편의성을 위해서 폼팩터를 소형화하고, 무게를 경량화하며 배터리 사용시간/수명을 연장하도록 에너지 소모를 지극히 낮게 하는 것이다. 그런데 이러한 기기들을 최소한의 전류 소모만으로 효율적이고 정확하게 구동한다는 것이 그렇게 간단치만은 않은 과제이다. 스마트 웨어러블을 구동하기 위해서 주요 과제는 다음과 같은 것을 들 수 있다:

1) 배터리 사용 기기로 사용 시간을 연장하도록 하기 위해서는 무엇보다도 전원관리 IC를 사용해서 전류 소모가 낮도록 해야 한다. 그러기 위해서는 마이크로전력 또는 나노전력 변환 IC를 필요로 한다.
2) MEMS 센서는 잡음 없이 레귤레이션 하는 전원 소스를 필요로 한다. 액추에이터 또한 이러한 전원을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 레일들에는 출력 잡음이 낮은 LDO나 리플이 적은 스위칭 레귤레이터를 사용하는 것이 적합하다.
3) 블루투스/RF/와이파이/셀룰러 커넥티비티 시스템 역시 낮은 잡음을 필요로 한다. 이들 시스템에는 LDO 레귤레이터나, 또는 출력 전류가 높을 수 있으므로 LDO 포스트 레귤레이트 스위칭 레귤레이터나 리플이 적은 스위칭 레귤레이터가 적합할 수 있다.
4) 웨어러블의 “두뇌”라고 할 수 있는 프로세서 구동. ARM Cortex MCU, DSP, GPS 칩, FPGA 등을 구동하기 위해서는 다양한 전류대로 다양한 저전압 레일들을 필요로 한다. 이러한 레일들은 LDO나 스위칭 레귤레이터를 사용해서 구동할 수 있다.
5) 모든 웨어러블 기기가 재충전가능 배터리를 사용하는 것이 아니고, 어떤 기기는 일차전지(충전 불가능) 배터리를 사용할 수 있으므로 배터리를 교체하기까지 사용 시간을 연장할 수 있도록 해야 한다. 그러므로 배터리 사용 시간을 예측할 수 있도록 해야 한다.
6) 크기를 소형화하고 무게를 가볍게 하면, 웨어러블 기기를 사용자가 더 편안하게 착용할 수 있다. IC의 소형 패키지는 소형화된 솔루션 풋프린트를 가능하게 하고, 그럼으로써 기기를 더 소형화하고 무게를 가볍게 하는 데 도움이 된다.

정지 전류가 지극히 낮은 IC 솔루션

그렇다면 위에서 언급한 과제들과 웨어러블 애플리케이션의 요구를 충족하는 IC 솔루션이 되기 위해서는 다음과 같은 특성을 갖춰야 할 것이다:

동작 모드와 셧다운 모드에 극히 낮은 정지 전류
다양한 전원 소스를 사용할 수 있도록 넓은 입력 전압 범위
시스템 레일을 효율적으로 구동할 수 있을 것(일부 시스템은 5V 이상의 높은 전압일 수 있음)
배터리 사용 시간을 예측할 수 있도록 IC 정지 전류(배터리 소모)에는 심각하게 영향을 미치지 않으면서 쿨롬(coulomb)을 정확하게 잴 수 있을 것.
소형, 경량, 로우 프로파일(낮은 두께) 솔루션 풋프린트
향상된 열 성능을 달성하고 공간을 절약하는 첨단 패키징

바로 이러한 특성을 갖춘 제품들이 리니어 테크놀로지가 최근 출시한 극저 Iq LTC3388/-x 벅 레귤레이터, 나노 전력 LTC3331 에너지 수집 레귤레이터, 쿨롬 카운터를 통합한 LTC3335 벅-부스트 컨버터이다.

LTC3388은 정지 전류가 극히 낮은 동기 벅 컨버터로서, 2.7V~20V 입력 전원으로 최대 50mA의 연속 출력 전류를 공급할 수 있다. LTC3388은 무부하 동작 전류가 720nA에 불과함으로써 다양한 유형의 배터리 사용 애플리케이션과 “keep-alive” 전원이나 웨어러블 같은 저전력 애플리케이션에 사용하기에 이상적으로 적합하다. 또한 히스터리시스 동기 정류를 사용해서 넓은 부하 전류 범위에 걸쳐서 효율을 극대화한다.



또한 15uA부터 50mA에 이르는 부하에 대해서 90% 이상의 효율을 달성하며 레귤레이션을 유지하면서 무부하로 720nA의 정지 전류만을 필요로 함으로써 배터리 수명을 연장한다. 또한 3mm×3mm DFN 패키지(또는 MSOP-10)이고 5개의 외부 소자만을 필요로 함으로써 다양한 유형의 저전력 애플리케이션으로 간소하면서 콤팩트한 솔루션 풋프린트를 가능하게 한다. 그림 1은 LTC3388을 사용한 애플리케이션 회로 예를 보여준다.

LTC3388/-x 시리즈의 제품 특징은 다음과 같이 요약할 수 있다:

레귤레이션을 유지하면서 720nA 입력 IQ (무부하), VIN = 4V
레귤레이션을 유지하면서 820nA 입력 IQ (무부하), VIN = 20V
UVLO 시에 400nA 입력 IQ
2.7V~20V 입력 동작 범위
최대 50mA 출력 전류
핀을 사용해서 출력 전압 선택 가능:
- 1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.5V (LTC3388-1)
- 2.8V, 3.0V, 3.3V, 5.0V (LTC3388-3)
고효율 히스터리시스 동기 DC/DC 변환
대기 모드이면 벅 스위칭 정지
10리드 MSOPE 또는 3mm×3mm DFN 패키지

나노전력 정지 전류 ICs-LTC3335 및 LTC3331

LTC3335는 온보드로 정밀 쿨롬 카운터를 통합한 나노전력 고효율 동기 벅-부스트 컨버터로서, 최대 50mA의 연속 출력 전류를 공급할 수 있다. 정지 전류가 680nA에 불과하고 피크 입력 전류를 최저 5mA부터 최대 250mA까지 프로그램할 수 있는 이 제품은 웨어러블과 IoT 기기를 비롯한 다양한 유형의 저전력 배터리 사용 애플리케이션에 적합하다.

1.8V~5.5V 입력 범위로 1.8V부터 5V까지 8가지 사용자 선택 가능한 출력을 제공하므로 입력 전압이 출력보다 높든지, 낮든지, 같든지 조정된 출력을 제공할 수 있다. 또한 이 디바이스는 정밀(±5% 배터리 방전 측정 정확도) 쿨롬 카운터를 통합함으로써 장기적 수명의 재충전 불가능 배터리 사용 애플리케이션에서 누적 배터리 방전을 정확하게 모니터링 할 수 있다(이러한 애플리케이션은 많은 경우에 배터리 방전 곡선이 지극히 평탄하다).

적합한 애플리케이션으로는 무선 센서, 원격 모니터링, 리니어 테크놀로지의 Dust Networks SmartMesh 시스템 등이다. LTC3335는 내부적으로 4개의 RDSON이 낮은 MOSFET을 통합하고 있으며 최대 90%에 이르는 효율을 제공한다. 그 밖의 특징으로서 방전 경고 임계값을 프로그램할 수 있고, 쿨롬 카운팅 액세스와 디바이스 프로그래밍을 위한 I2C 인터페이스를 제공하고, Power Good 출력을 제공하며, 5mA부터 250mA까지 8가지 피크 입력 전류를 선택할 수 있으므로 다양한 유형의 배터리 타입과 크기를 수용할 수 있다는 점을 들 수 있다.
 
LTC3335는 -40℃~+125℃의 동작 접합부 온도 범위로 이용할 수 있으며, 열 향상 20리드 3mm×4mm QFN 패키지로 제공된다. 그림 2는 LTC3335를 사용한 애플리케이션 회로의 예를 보여준다.

LTC3335의 제품 특징은 다음과 같이 요약할 수 있다:

680nA 입력 정지 전류(무부하로 출력/레귤레이션 유지)
1.8V~5.5V 입력 동작 범위
출력 전압 선택 가능: 1.8V, 2.5V, 2.8V, 3V, 3.3V, 3.6V, 4.5V, 5V
쿨롬 카운터를 통합함으로써 배터리 방전 정확하게 측정
±5% 배터리 방전 측정 정확도
피크 입력 전류 프로그램 가능: 5mA, 10mA, 15mA, 25mA, 50mA, 100mA, 150mA, 250mA
최대 50mA 출력 전류
최대 90% 효율
다양한 배터리 크기에 따라서 쿨롬 카운터 프리스케일러 프로그램 가능
방전 경고 임계값 프로그램 가능
I2C 인터페이스
로우 프로파일(0.75mm) 20리드(3mm×4mm) QFN 패키지

LTC3331은 포괄적인 에너지 수집 솔루션으로서, 최대 50mA의 연속 출력 전류를 공급할 수 있으며 수집 에너지를 사용해서 배터리 수명을 연장할 수 있다. 10mA 션트를 통합함으로써 수집 에너지를 사용해서 재충전가능 배터리를 충전할 수 있으며 배터리 부족 차단 기능을 사용해 배터리가 심각하게 방전되지 않도록 한다.



수집 에너지로부터 부하로 레귤레이트 전력을 공급할 때는 배터리로부터 200nA의 전원 전류만을 필요로 하며, 무부하 상태에서는 배터리로 동작할 때 950nA만을 필요로 한다. LTC3331은 고전압 에너지 수집 전원장치, 배터리 차저, 동기식 벅-부스트 DC/DC 컨버터를 통합하고 있으며, 무선 센서 네트워크 같은 에너지 수집 애플리케이션으로 단일의 연속적 레귤레이트 출력을 제공할 수 있다.

에너지 수집 전원장치는 AC 또는 DC 입력을 수용할 수 있는 전파(full-wave) 브리지 정류기와 고효율 벅 컨버터로 이루어졌으며, 압전(AC), 태양광(DC), 자기(AC) 소스로부터 에너지를 수집할 수 있다. 수집 에너지를 사용할 수 없을 때는 재충전가능 배터리 입력이 벅-부스트 컨버터를 구동한다. 이 컨버터는 최대 4.2V에 이르는 전체적인 배터리 전압 범위로 동작하며 입력이 출력보다 높든, 낮든, 같든 레귤레이트 된 출력을 제공할 수 있다. 수집 소스를 이용할 수 없을 때는 LTC3331이 자동으로 배터리로 전환한다.

LTC3331의 에너지 수집 입력은 3V~19V AC 또는 DC 전압 범위로 동작할 수 있으므로 다양한 유형의 압전, 태양광, 자기 에너지 소스에 사용할 수 있다. 또한 LTC3331은 입력 저전압 록아웃 임계값 설정을 3V부터 18V까지로 프로그램 할 수 있으므로 애플리케이션이 에너지 수집 소스를 이의 피크 전력 전달 수준으로 가동시킬 수 있다.

그 밖의 특징으로서 출력 전압과 벅-부스트 피크 전류 한계를 핀을 사용해서 프로그램 할 수 있으며, 슈퍼커패시터 밸런서를 통합하고, 입력 보호 션트를 통합하고 있다는 점을 들 수 있다. LTC3331은 열 향상 5mm×5mm QFN 패키지로 제공된다. 그림 3은 LTC3331을 사용한 애플리케이션 회로의 예를 보여준다.

LTC3331의 제품 특징은 다음과 같이 요약할 수 있다:

입력 우선순위기(Input Prioritizer)를 포함한 듀얼 입력 단일 출력 DC/DC 컨버터
에너지 수집 입력: 3.0V~19V 벅 DC/DC
배터리 입력: 최대 4.2V 벅-부스트 DC/DC
10mA 션트 배터리 차저의 부동 전압 프로그램 가능: 3.45V, 4.0V, 4.1V, 4.2V
배터리 부족 차단 기능
극히 낮은 정지 전류: 무부하로 950nA
슈퍼커패시터 밸런서 통합
최대 50mA 출력 전류
DC/DC 출력 전압, 벅 UVLO, 벅-부스트 피크 입력 전류 프로그램 가능
저손실 전파 브리지 정류기 통합
입력 보호 션트: VIN≥20V일 때 최대 25mA
5mm×5mm QFN-32 패키지



맺음말

스마트 웨어러블 시장이 최근 몇 년 사이에 폭발적으로 성장하고 있다. 스마트 웨어러블 시장은 헬스/피트니스, 의료용, 인포테인먼트, 군용, 산업용 등의 다양한 제품들을 포함한다. 다양한 방식의 센서를 채택한 새로운 유형의 의료용 또는 웰빙용 웨어러블 기기는 병원 시설 밖에서 심박수나 혈압 같은 주요 생체 통계를 모니터링 할 수 있음으로써 더욱 더 예방적이며 건강한 삶을 가능하게 한다.

스마트 웨어러블 기기의 코어 아키텍처는 제품 유형에 따라 달라지겠으나 모든 스마트 웨어러블은 기본적으로 마이크로컨트롤러, MEMS 센서, 무선 커넥티비티, 배터리, 지원 소자로 구성된다. 저전류 웨어러블 기기를 구동하는 것은 결코 쉽지 않은 과제이다. 다행히 리니어 테크놀로지는 이러한 용도로 사용하도록 저전력으로 지극히 뛰어난 성능을 달성하는 첨단 제품들을 내놓고 있다.

극저 정지 전류 LTC3388 에너지 수집 벅 레귤레이터, 나노전력 소모에 사용하기 위한 LTC3331 에너지 수집 벅 레귤레이터와 쿨롬 카운터를 통합한 LTC3335 벅-부스트 레귤레이터를 사용함으로써 스마트 웨어러블 기기의 설계를 대폭적으로 간소화하고 향상된 성능을 달성할 수 있을 것이다. 
 

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