도시바 코퍼레이션(Toshiba Corporation)은 오늘, 동전 타입 리튬이온 배터리를 전원으로 하는 사물인터넷 기기에 사용되는 온 칩(on-chip) 단일 인덕터 다중 출력(SIMO) 직류-직류 변환기를 개발했다고 발표했다.

이번에 새로 개발된 변환기는 1 μW에서 50 mW까지의 부하 범위에서 65~86%의 효율성을 달성하는데, 이는 기존의 SIMO 직류-직류 변환기에 비해 100배 높은 수치로 사물인터넷 기기의 배터리 수명을 연장시켜준다. 이 개발 소식은 11월 9일 일본 도야마에서 개최된 ‘전기전자기술자협회 2016 아시아 고체소자회로 회의(IEEE 2016 A-SSCC)’에서 발표됐다.

전원 공급을 동전 타입의 소용량 리튬이온 배터리에 의존하는 IC는 사물인터넷 애플리케이션에서 점점 더 폭넓게 사용되고 있으며, 각 회로에서 최소한의 공급 전압으로 작동되어 전력을 절약할 필요가 있다. 종전의 직류-직류 변환기에서 다중 전압을 공급하려면 다중 외부 인덕터(multiple external inductor)가 필요했지만, SIMO 직류-직류 변환기는 외부 인덕터 하나만 있으면 된다. 기기의 생산 원가와 크기를 줄일 수 있다는 이런 장점 때문에 SIMO 직류-직류 변환기에 대한 연구개발이 활발하게 이루어졌다.

사물인터넷 기기는 대부분의 전력이 대기 모드(전력 소모가 1 mW 이하)에서 소모되고, 전력의 일부만 작동 모드(전력 소모가 수 십 mW)에서 소모되기 때문에, SIMO 직류-직류 변환기는 광범위한 부하 범위와 높은 전환 효율성을 지원해야 한다. 그러나 종래의 SIMO 직류-직류 변환기는 사물인터넷 애플리케이션용으로 설계되지 않았고, 폭넓은 부하 범위와 실용적인 효율성을 지원할 수 없었다.

도시바는 저 부하 범위 내에서의 SIMO 직류-직류 변환기 효율성을 개선하고, 상당히 민감한 기존의 제어회로 비교기(comparator)를 논리 게이트[1]로만 이루어진 새로운 제어회로로 대체해 전력 소모를 줄였다. 또한 새로 고안된 작동모드에 따라 출력 채널에 전류를 배분하는 스위치의 스위칭 주파수(switching frequency)를 줄였다. 결과적으로 도시바의 새로운 SIMO 직류-직류 변환기는 부하전력이 5 μW가 넘을 때는 80% 이상, 그리고 1 μW일 때는 약 65%의 효율성을 달성한다.

아울러 도시바는 수 십 mW의 부하 범위에서도 효율성을 향상시켰다. 종래의 아날로그 제어는 SIMO 직류-직류 변환기의 출력 채널 간 간섭을 막기 위해 채널을 전환하기 전에 상대적으로 긴 대기시간이 필요했는데, 이로 인해 수 십 mW의 부하 범위에서는 효율성이 크게 떨어졌다. 새로운 SIMO 직류-직류 변환기는 디지털 피드백 제어(digital feedback control)를 통해 대기시간을 최소화한다.

위 도해는 1 μW에서 50 mW에 이르는 부하 범위에서 65~86%의 실질적인 효율성을 달성하는 도시바의 SIMO 직류-직류 변환기 특성을 보여주고 있다(도해1). 전환 효율성이 60%를 넘는 부하 범위는 종래의 SIMO 직류-직류 변환기의 부하 범위보다 100배 더 넓은 것으로, 새로운 SIMO 직류-직류 변환기는 동전 타입 리튬이온 배터리로 작동되는 사물인터넷 기기의 배터리 수명을 늘려준다.

도시바는 앞으로 BLE(Bluetooth^® low energy)를 비롯한 사물인터넷 기기용 저-전력 IC에 SIMO 직류-직류 변환기를 사용할 계획이다.