웨어러블 기기의 전원 회로를 소형화하는 마이크로 PMIC

  • 2016년 09월호
  • 글|마크 쉐퍼드(Mark Shepherd), 토마스 카일(Thomas Kail), 스테판 크레스즐(Stephan Kreszl), ams

스마트폰이나 태블릿에 사용되는 전원 회로를 소형화하기 위해 설계자가 택할 수 있는 가장 효과적인 접근 방법은 기능을 통합하는 것이었다. 즉 많은 전원 시스템의 기능별 블록들을 가능한 하나의 전원관리 IC(PMIC)로 통합하는 것이다.

이제는 스마트폰을 밀어내고 웨어러블 디바이스가 새로운 기준으로 떠오르고 있다. 웨어러블은 스마트폰이나 태블릿에 비해서 전력 밀도에 대한 요구가 훨씬 더 높다. 스마트폰과 마찬가지로 스마트워치나 피트니스 밴드 같은 웨어러블 기기 역시 휴대용 컴퓨팅 기기로서, 프로세서 코어를 중심으로 다수의 센서, 무선 장치, 사용자 인터페이스 주변장치를 포함한다.

하지만 폼팩터가 훨씬 더 소형이며, 배터리에 사용할 수 있는 공간도 훨씬 더 줄어든다. 그런데 초기에 출시된 스마트워치 제품들에 대한 소비자들의 반응에서도 알 수 있듯이, 사용자들은 배터리 사용 시간에 굉장히 민감하며 자신의 웨어러블 기기를 스마트폰이나 태블릿을 사용할 때보다 더 자주 충전해야 한다는데 대해 심한 거부감을 가지고 있다.

웨어러블 설계자들은 소형화라는 궁극의 과제를 풀어야 하는 상황이다. 역설적이게도 웨어러블 설계자들은 스마트폰 OEM들에게는 효과적이었던 ‘통합’이라는 전략을 받아들일지를 여전히 망설이고 있다. 그도 그럴 것이 실제로 ‘웨어러블’이라는 범주에는 다양한 형태의 기기들이 포함되고 웨어러블 시장 역시 아직은 태동 단계인 상황에서는 다양한 기기들을 충족하는 통합적인 전원 IC(PMIC)를 정의하기가 쉽지 않기 때문이다.

그러나 이제 스마트워치나 피트니스 밴드 같이 손목에 착용하도록 설계하는 기기의 아키텍처에 있어서 새로운 경향이 나타나고 있다. 웨어러블의 전력 밀도 문제에 대해서 솔루션을 제공하는 새로운 차원의 마이크로 PMIC(microPMIC)가 등장하고 있는 것이다.

기존의 PMIC 시장 

전원 시스템 설계자들에게 PMIC라고 하면 대개는 퀄컴, 엔비디아, 인텔 등과 같은 애플리케이션 프로세서 업체들이 제공하는 특정한 프로세서 제품군에 최적화된 대형의 고전력 디바이스를 떠올릴 것이다. 이러한 PMIC는 해당 프로세서를 위한 이상적인 디바이스로서 전원을 공급해야 할 부하 조건에서 열손실 최소화를 고려해 소형화한 패키지로, 잘 조합된 레귤레이트된 출력을 정확히 제공한다. 범용적으로 사용되지 않는 프로세서라면 최적화된 PMIC가 없을 수도 있으나, 설계자가 선택한 애플리케이션 프로세서에 최적화된 PMIC가 출시돼 있다면 이 PMIC를 굳이 마다할 이유가 없을 것이다.

실제로 스마트폰이나 태블릿 시장은 불과 하나 또는 두 가지의 주된 프로세서 제품군이 장악하고 있다. 따라서 PMIC 업체들이 규모의 경제를 충분히 달성할 수 있으니 특정 프로세서용 제품을 개발할 가치가 있는 것이다.

하지만 웨어러블 시장은 프로세서 선택이 그 정도로 집중되지 않고 있어, 전력 반도체 회사들이 웨어러블용으로 거의 표준화된 프로세서 규격으로 새로운 PMIC를 내놓기가 어려운 것이다.

그렇다면 과연 OEM 설계자들은 자신의 요구에 꼭 맞는 표준적 PMIC를 이용할 수 있을까? 다양한 웨어러블 시장에 사용할 수 있도록 개발된 PMIC는 모든 시스템의 요구를 충족하지는 못할 것이며, 추가적인 디스크리트 전원 소자들을 필요로 하기 때문에 PMIC 사용의 이점들을 무효화할 것이다. 또 그 반대의 경우라면, 불필요한 기능들을 포함함으로써 PMIC의 전력 소모와 비용과 크기를 늘릴 것이므로 결국 최적화가 되지 않은 솔루션을 제공하게 될 것이다.
프로세서 선택의 다양성이 표준적 PMIC 공급을 저해하는 것이라면, 전력요구를 표준화할 수 있는 다른 방법은 없을까?

 

그림 1〉은 스마트워치 디자인을 나타낸다. MCU는 ARMⓡ 프로세서 코어를 채택한 다양한 표준 디바이스 중에서 선택할 수 있을 것이다. 하지만 전체 시스템의 기본적인 아키텍처는 많은 수의 스마트워치가 공통적일 것이다. 거의 모든 설계가 생체 및 환경 센싱 포지셔닝 정보와 사용자 및 통신 인터페이스를 포함할 것이다.

따라서 PMIC 업체들이 이러한 공통적 아키텍처를 표준으로 삼는다면, 웨어러블 기기의 전원 시스템용으로 다수 OEM 제품의 전력 요구를 충족하거나 또는 거의 충족하는 통합 솔루션을 개발할 수 있을 것이다. 메인 프로세서와 블루투스 및 GPS 무선은 1.8V 전원으로 동작한다. 이것은 스텝다운 레귤레이터로 제공할 수 있다.

다른 기능 블록들은 3V 전원을 필요로 한다. 이러한 장치에는 디스플레이와 심박 모니터 같은 센서들이 포함된다(〈그림 1〉에서는 ams의 AS7000 바이오센서 모듈로 표시). 또한 햅틱 피드백을 제공하는 브러쉬리스 DC(BLDC) 모터는 펄스 전력을 제공하는 별도의 절연형 전원을 필요로 할 것이다.

기존에는 이러한 전원 시스템 설계에 다음과 같은 여러 디스크리트 전원 IC들이 필요했다.

- 독립형 배터리 차저
- 1.8V 전원용 스텝다운 레귤레이터
-  BLDC 모터용 햅틱 피드백 드라이버 또는 LDO
-  3V 입력을 필요로 하는 디스플레이 및 센서용 LDO

하지만 이 방법은 소형화 구현에 반하는 것이다. 디바이스 자체로도 넓은 보드 풋프린트를 필요로 할 뿐만 아니라 시스템의 나머지 부분들과 연결하기 위한 보드 트레이스를 위해서도 공간을 필요로 하기 때문이다. 여기에 복사 방사를 관리해야 하고, 다수의 소자를 사용함으로 인해서 어셈블리 비용이 증가하고, 다수의 디스크리트 소자를 사용하면 신뢰성도 떨어질 수 있다는 점에서 전반적으로 보드 레이아웃 상의 어려움을 초래할 수 있다.

이에 비해 마이크로 PMIC는 설계에 통합하기가 수월하며 보드 레이아웃이 좀 더 간단하다. 바로 이러한 디바이스가 ams가 웨어러블용으로 내놓은 마이크로 PMIC 제품인 AS3701이다. 이 디바이스는 〈그림 1〉과 같은 시스템에 사용하기에 적합하도록 설계됐다. 또한 AS3701은 0.4 mm 피치 간격의 4 mm2 칩스케일 패키지(CSP)로 되어 있으므로 상당한 공간을 절약할 수 있다.

이 패키지에 전원 경로 관리 기능을 포함한 포괄적인 선형 배터리 차저, 다중 전원 레일, 보호 기능, 시퀀싱 기능, MCU로의 I2C 인터페이스를 통합하고 있다.

 

AS3701의 소형화된 풋프린트는 비용과 공간을 절약할 수 있다. 〈그림 2〉는 〈그림 1〉에 나타낸 웨어러블 기기의 보드 레이아웃을 보여준다. 또한 AS3701은 안쪽의 볼(ball) 3개를 제거함으로써 비아 접속을 손쉽게 할 수 있다.

이 같은 소형 풋프린트의 마이크로 PMIC가 스마트워치의 복잡한 전원요구를 얼마나 잘 충족할 수 있을까?

 

AS3701A는 다중 전원 레일 소스로서 2개의 200 mA LDO, 1개의 500 mA 스텝다운 DC-DC 컨버터, 2개의 40 mA 프로그래머블 전류 싱크/GPIO를 포함하고 있다(그림 3). 〈그림 1〉을 보면, AS3701A로 제공하지 못하는 전원 레일은 AS7000의 LED로 공급하기 위한 5V 입력인데, 이것은 별도의 디스크리트 부스트 컨버터를 사용해서 제공한다.

 

동기식 스텝다운 컨버터는 절전 기능들을 포함한다. 동적 전압 스케일링과 1MHz ~ 4 MHz의 선택 가능한 주파수를 사용해서 다양한 부하 수준에 따라서 효율을 극대화할 수 있다. <그림 4>에서는 1 mA부터 300 mA에 이르기까지 부하를 공급할 때 높은 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 이 디바이스가 2 mm × 2 mm 패키지에 통합하고 있는 기능 블록의 수를 고려했을 때 이는 대단한 성능인 것이다.

웨어러블 기기의 전원 시스템을 위해서는 전력 밀도와 긴 배터리 사용 시간도 중요한 요구사항이지만 특정한 최소성능 요건 역시 충족해야 한다. 특히 잡음 및 열 손실과 관련해서 그렇다.

 

GPS 모듈은 피크-대-피크 전압 리플 잡음에 특히 민감하다. 50 mV가 통상적으로 허용할 수 있는 최대치다. AS3701A의 DC-DC 컨버터는 높은 안전성 마진을 제공한다(그림 5).

스마트워치의 마이크로 PMIC로 공급하는 부하들 대부분은 50 mA보다 훨씬 낮을 것이다. 센서는 수십 마이크로 암페어 대의 전류를 사용하기도 한다. 이것은 다시 말해서 열 부하가 매우 작다는 것이므로 소형 마이크로 PMIC 패키지로 이를 용이하게 처리할 수 있을 것이다.

가장 높은 피크 전류를 사용하는 것은 햅틱 모터이다. 햅틱 모터의 기동 전류는 최대 100 mA에 이를 수도 있지만, 기동 후에는 빠르게 낮아진다. 파워업 전압 요건을 충족하기 위해서는 초기 기동 전압이 충분히 높아야 한다. 이에 관해서는 모터의 데이터시트에서 확인할 수 있을 것이다.

AS3701은 프로그래머블 LDO를 통해 넓은 범위의 전압 설정을 선택할 수 있어 이 요구를 충족한다. 햅틱 모터의 온/오프 펄싱과 램프 효과와 소프트 진동 프로파일 제공을 위한 출력 전압의 동적제어는 I2C 인터페이스를 통한 프로그래밍에 의해 조절된다.

마이크로 PMIC의 이점 

설계자가 특정한 프로세서용 PMIC를 사용할 수 있으면 굳이 마다할 이유가 없을 것이라고 앞에서 말한 바 있다. 그렇다면 스마트워치용 마이크로 PMIC는 어떨까?

여러 개의 디스크리트 전원 소자를 사용해서는 그처럼 소형 풋프린트를 달성할 수 없다는 것은 확실하다. 〈그림 1〉이 새로운 스마트워치나 피트니스 밴드 디자인의 기능을 거의 근접하게 표현하고 있다고 가정하면, AS3701과 같은 마이크로 PMIC는 거의 꼭 맞는 솔루션을 제공할 것이다.
또한 마이크로 PMIC를 선택하는 설계자들에게 추가적인 이점들도 제공한다.

 

첫 번째는 단일 전원 디바이스를 사용하기 때문에 어셈블리가 용이하다는 것이다. 마이크로 PMIC의 또 다른 이점은 손쉽게 설계할 수 있다는 것이다. 〈그림 6〉은 AS3701 평가 보드와 함께 제공되는 GUI의 화면 캡처다. 이 화면에서 볼수 있듯이 스텝다운 레귤레이터와 LDO에 대해서 다양한 출력 전압을 간편하게 프로그램할 수 있다.

또한 이 GUI를 사용해서 파워업 시퀀싱을 설정하고, 배터리의 다양한 기능과 타입에 따라 충전 기능을 설정할 수 있다. 또한 마이크로컨트롤러가 어느 때나 I2C 인터페이스를 통해서 이들 모든 레지스터를 재설정할 수 있으므로, 예컨대 설계자가 실행 중에 출력 전압을 변경하거나 대기 모드로 전환할 수 있다.

마이크로 PMIC를 사용하면 애플리케이션의 요구를 충족하도록 전원 성능을 최적화하는 유연성이 제한될 것이라고 언뜻 생각할 수도 있으나, PMIC로 프로그래밍이 가능하므로 극히 소형화된 풋프린트의 단일한 통합 디바이스를 사용하면서도 모든 레일을 어느 때든 적절하게 공급할 수 있다.

결론 

스마트워치와 피트니스 밴드의 아키텍처는 환경 및 생체 센서, 무선 커넥티비티, 마이크로컨트롤러 같은 기능 블록들을 포함하면서 점점 더 표준화되고 있다. 이에 따라 마이크로 PMIC라고 하는 표준적인 통합 전원 디바이스가 새롭게 등장하게 됐으며 센서, 무선, 프로세서가 요구하는 각기 다른 전력 출력을 충족할 수 있게 됐다.

이 글에서는 스마트워치의 전원 시스템에 AS3701 같은 마이크로 PMIC를 사용함으로써 사용자들은 보드 풋프린트를 상당히 절약할 수 있고, 전력 밀도를 크게 향상시킬 수 있는 이점을 가질 수 있다.

그 밖에도 마이크로 PMIC를 사용하면 어셈블리 비용을 절감하고 보드 레이아웃이 간편하며, 설계 및 프로그래밍 툴을 사용할 수 있는 이점을 누릴 수 있다. 

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