대기전류(IQ)가 극히 낮은 LTC3388 에너지 하베스팅 벅 레귤레이터와 LTC3553 리튬 배터리 차저 및 벅 레귤레이터/LDO 콤비네이션 PMIC를 이용함으로써 다양한 미래형 웨어러블 기기의 배터리 사용 시간을 연장하고 전반적인 성능을 향상시킬 수 있다.

스마트 웨어러블 시장이 폭발적으로 성장하고 있다. 구글 글래스(Google Glass)에서부터 첨단 피트니스 액티비티 트래커, 헤드업 영상 디스플레이, 혈압측정기에 이르기까지, 군사용, 산업용, 하이엔드 컨슈머 시장으로 다양한 유형의 웨어러블 기기가 등장하고 있다. 이들 웨어러블 기기는 갈수록 더빠르게 진화하고 갈수록 더 “지능화”하고 있다. “웨어러블(wearable)”은 사용자가 상당한 시간 동안 착용할 수 있는 제품임을 의미하는 것으로 제품을 착용함으로써 사용자 경험을 향상시킬 수 있다.

스마트 웨어러블 기기는 다른 기기와의 접속 기능과 독립적 처리 기능을 추가한 것이다. 2018년에 이르면 웨어러블 시장 규모가 1억 3,000만 대로 증가할 것으로 전망된다(출처: PwC, 2014년 10월). 웨어러블 시장은 다시 세부적으로 5개 애플리케이션 분야로 구분할 수 있다: 피트니스/웰빙(동작 모니터링, 피트니스 밴드, 풋팟, 심박 모니터링 등), 헬스케어/의료용(산소포화도 측정기, 보청기, 혈압 측정기 등), 인포테인먼트(스마트 글래스/고글, 스마트 워치, 이미징 기기 등), 군용(헤드업 디스플레이, 엑소스켈레톤, 스마트 의복 등), 산업용(인체 착용 단말기 등)
(출처: IHS Electronics and Media, 2013년). 이들 애플리케이션 분야는 각기 다른 시장 동력에 의해서 움직이며 각기 다른 속도로 도입되고 있다.

웰빙과 의료용 분야에서 시장 동력은 기대 수명의 증가, 되도록이면 더 늦은 나이까지 건강한 삶을 유지하고자 하는 욕구, 병원 입원 기간을 단축하고자 하는 요구 등을 들 수 있을 것이다. 군용 분야에서는 상황 인식, 지도/경로, 전투 효율, 인명 구조를 향상시키고자 하는 요구를 들 수 있다. 산업용 분야에서 주된 동력은 생산 라인의 효율과 추적 능력을 향상시키고자 하는 것이다.

끝으로 인포테인먼트 분야에서는 첨단 영상과 가상현실로 무장한 게임 시장이 폭발적으로 성장하고 있으며 무선으로 스마트폰에 연결하고 IoT(사물 인터넷)의 일부가 될 수 있는 기기의 숫자가 갈수록 빠르게 늘어나고 있다는 점을 들 수 있다.

스마트 웨어러블의 구조와 과제

그렇다면 스마트 웨어러블 기기를 좀더 자세히 살펴보도록 하자. 스마트 웨어러블 기기는 극히 소형화된 임베디드 시스템이라고 생각할 수 있다. 정확히는 어떤 기기냐에 따라서 달라지겠으나, 대체적으로 스마트 웨어러블 기기의 핵심 구조는 마이크로프로세서(MPU) 또는 마이크로컨트롤러(MCU) 또는 유사한 IC, 일정한 형태의 MEMS 센서, 소형화된 기계식 액추에이터, GPS(Global Positioning System) IC, 블루투스/셀룰러 커넥티비티, 이미징 장치, LED, 컴퓨팅 자원, 배터리 또는 배터리 팩, 지원 소자로 이루어졌다고 할 수 있다.

웨어러블 기기의 가장 중요한 목표는 크기를 소형화하고 무게를 가볍게 함으로써 착용성/편의성을 높이고 에너지 소모를 극히 낮추도록 해서 배터리 사용 시간을 연장하는 것이다. 웨어러블은 통상적으로 높지 않은 온도로 동작하는(“cool”한) 제품인 것은 확실하지만, 최소한의 전류로 배터리를 충전하면서 웨어러블 기기를 효율적으로 정확하게 구동하는 것은 또 다른 문제이다.

IC를 이용해서 스마트 웨어러블 기기를 구동할 때 해결해야 할 과제들로는 다음과 같은 점을 들 수 있다:

- 배터리 사용 기기에서 배터리 사용 시간을 연장하기 위해서는 IC의 전류 소모가 낮도록 해야 한다. 그러므로 마이크로전력 변환 IC라면 이상적일 것이고, 나노 전력이라면 더더욱 좋을 것이다.
- 어떤 웨어러블 기기 구조에서는 단일 셀 리튬(4.2 V)이 아니라 2x 리튬(8.4 V) 배터리 같이, 다중 배터리 기법을 이용할 수 있다.
이렇게 하면 용량을 높이고 시스템 사용 시간을 연장할 수 있을 것이다. 하지만 그만큼 더 높은 전압의 IC를 필요로 한다.
- MEMS 센서로 공급되는 전력은 노이즈가 낮고 리플이 적은 전원 소스로부터 공급되어야 한다. 이러한 레일에는 LDO가 출력 리플이 낮기 때문에 적합할 것이다.
- 블루투스/RF 접속 시스템 레일 역시 낮은 노이즈를 필요로 한다. LDO를 바로 사용하거나 출력 전류가 높을 때에는 스위칭 레귤레이터 뒤에 LDO를 위치시키는 구조가 적합할 것이다.
- 프로세서 전력(웨어러블 기기의 “두뇌”라고 할 수 있음). TI OMAP, ARM Cortex MCU, DSP, GPS 칩, FPGA 등을 사용하게 되며 이 칩들은 저전류에서부터 고전류에 이르기 까지 다양한 수준의 저전압 레일들을 사용한다. 이들 레일은 LDO나 스위칭 레귤레이터를 이용해서 구동할 수 있을 것이다.
- 배터리는 과충전을 방지하기 위해서 충전 시에 주의를 기울여야 한다. 과충전은 배터리 사이클 수명을 단축할 수 있다. 온보드 종료 알고리즘을 이용한 정밀한 배터리 차저를 이용함으로써 셀 수명을 연장할 수 있다.
- 크기가 콤팩트하고 무게가 가벼우면 사용자를 위해서 웨어러블 기기의 편의성을 높일 수 있다. 콤팩트한 패키지를 적용한 IC는 소형 솔루션 풋프린트를 달성할 수 있으므로 기기의 폼팩터를 더 소형화할 수 있을 것이다.
- 다양한 기능을 통합한 웨어러블 제품을 위해서는 다수의 시스템 레일을 필요로 한다.

그러므로 이 점에 있어서 다중 출력 레귤레이터나 전원관리 IC(PMIC)가 잘 맞을 것이다. 끝으로 온보드로 배터리 차저를 통합하고서도 콤팩트한 IC라면 더욱 더 높은 수준의 통합과 유연성을 가능하게 할 것이다.

IQ가 극히 낮은 IC 솔루션

그렇다면 애플리케이션의 요구를 충족하고 위에서 열거한 문제들을 해결하는 IC 솔루션이 되기 위해서는 다음과 같은 특성들을 갖춰야 한다는 것을 알수 있다:

- 동작 모드이든 셧다운 때이든 정지 전류가 극히 낮아야 한다.
- 다양한 유형의 전원 소스를 수용할 수 있도록 입력 전압 범위가 넓어야 한다.
- 다중의 시스템 레일을 효율적으로 구동할 수 있어야 한다.
- 과충전을 방지하기 위해서는 배터리 충전 전압이 정밀해야 한다.
- 리튬을 비롯한 널리 이용되는 배터리 소재들을 충전할 수 있어야 한다.
- 온보드 충전 종료 알고리즘을 이용해서 간편하면서 자율적인 충전 동작이 가능해야 한다(마이크로컨트롤러 불필요).
- 솔루션 풋프린트가 소형이고 두께가 얇아야 한다.
- 향상된 열 성능과 공간적 효율을 가능하게 하는 첨단 패키징이어야 한다.

리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 극저 IQ LTC3388/-x 벅 레귤레이터 제품군과 LTC3553 벅 레귤레이터 및 단일 셀 리튬 배터리 차저 콤비네이션 PMIC가 바로 그와 같은 특성을 갖춘 제품들이다.

LTC3388은 정지 전류가 극히 낮은 동기 벅 컨버터로서 2.7 V~20 V 입력 전원으로 최대 50 mA의 연속적 출력 전류를 공급할 수 있다. LTC3388은 무부하 동작 전류가 720 nA에 불과함으로써 “keep-alive” 전원과 웨어러블을 비롯해 다양한 유형의 배터리 사용 및 저 정지 전력 애플리케이션에 이용하기에 적합하다. 또한 LTC3388은 히스터리시스 동기 정류를 이용해서 넓은 부하 전류 범위에 걸쳐 효율을 극대화한다.

LTC3388은 15 μA~50 mA에 이르는 부하에 대해서 90% 이상의 효율을 달성하며 레귤레이션에 720 nA의 무부하 정지 전류만을 필요로 함으로써 배터리 시간을 연장하게 한다. 또한 3mm × 3mm DFN 패키지(또는 MSOP-10)인 데다 5개의 외부 소자만을 필요로 한다는 점까지 더함으로써 다양한 유형의 저전력 애플리케이션으로 극히 간소하면서 콤팩트한 솔루션 풋프린트를 가능하게 한다. 그림 1은 LTC3388을 이용한 애플리케이션 회로의 예를 보여준다.

고도로 통합적인 PMIC

LTC3553은 리튬이온/폴리머 배터리 사용 휴대기기 애플리케이션에 이용하기 위한 마이크로전력 다기능 PMIC이다. LTC3553은 소형화된 3mm ×3mm QFN 패키지로 USB 호환 리니어 PowerPath™ 제어 매니저, 독립형 배터리 차저, 200 mA 고효율 동기 벅 레귤레이터, 150 mA LDO, 푸시버튼 컨트롤을 모두 통합하고 있다. 그림 2는 애플리케이션 회로의 예를 보여준다.

대기 모드 시에 저전류로 동작하는 애플리케이션에서는 이 IC의 핀 선택 가능 대기방식(Standby Mode)을 이용함으로써 배터리 드레인 전류를 불과 12μA 이내로 낮출 수 있으며, 그러면서도 모든 출력으로 레귤레이션을 유지한다(그림 3의 그래프 참조). LTC3553은 개인 내비게이션 기기(PND), 미디어 플레이어, 의료용 및 산업용 휴대기기, 그 밖에 배터리 용량이 작고 낮은 전력을 소모하는 소형 배터리 사용 휴대기기 애플리케이션에 적합하다.