기기가 작아지면서 배터리 수명 요구사항은 까다로워진 반면 성능과 기능에 대한 기대는 그 어느 때보다 높다.

기기 배터리 수명을 효과적으로 늘리기 위해서는 낮은 대기 전류를 잘 알아야 한다. 웨어러블, 모바일, 스마트, 커넥티드 기기에 필수인 배터리 수명을 결정하는 낮은 대기 전류의 역할을 살펴보자.

중대한 전환점을 맞은 배터리 수명 

최신 웨어러블, 사물인터넷(IoT) 기기를 작동시키는 것은 무엇일까? 체온 측정, 인슐린 투입, 심박수 모니터링을 위한 의료용 패치는 긴 시간 안정적으로 작동해야 한다. 이 기기들은 사용되기 전까지 오랜 기간 비품실과 의약품 창고에 보관되지만 의사와 환자는 배터리가 잘 작동될 것으로 기대한다. 마찬가지로 스마트워치, 이어폰, 비디오 게임 컨트롤러는 더 나은 사용자 경험을 위해 충전 후 장시간 작동해야 한다. 어느 누구도 배터리를 끊임없이 충전하거나 기기가 갑자기 멈추길 바라지 않는다.

전기 계량기, 가스 탐지기, 빌딩 자동화 시스템 등 현장에서 쓰이는 수많은 센서의 경우 충전과 유지보수가 쉽지 않아 작동 시간이 반드시 보장돼야 한다. 헬스케어와 생체 센서, 웨어러블과 환경 센서 등 IoT 기기 대부분은 다양한 환경에서 장기간 안정적으로 작동하기 위해 배터리에 의존한다. 배터리 수명은 중대한 전환점을 맞았다.

글로벌 시장조사기관 글로벌 인더스트리 애널리스트에 따르면 배터리로 작동되는 휴대용 제품 세계 시장 규모는 2020년 8,654억 달러에 이를 것으로 전망된다. 오늘날 무선 네트워킹 시대에 유비쿼터스 모빌리티에 대한 수요가 높아진 결과다. 모든 IoT 노드는 작동을 위해 배터리가 필요하다. 2인 가구는 보통 30~60개 배터리를 사용한다. 물론 각 기기마다 고유 에너지 사용 패턴을 가진다. 그렇다면 배터리 수명은 어떻게 측정하고 대기 전류는 왜 중요할까?

배터리 수명에 영향을 미치는 요인 

상당수의 IoT 노드 기기는 제조된 이후 사용자에게 판매돼 전원이 켜질 때까지 셧다운(Shutdown) 모드로 선반 위에 보관된다. 이 같은 기기는 수명 주기 대부분을 대기 모드로 지내며, 주기적으로 깨어나 특정 작동을 수행하거나 클라우드에 데이터를 전송한다. 사용자가 운동할 때 상대적으로 짧은 시간 착용하는 웨어러블 피트니스 모니터링 기기가 대표적 사례다. 따라서 기기가 수동 상태일 때 전력을 더 많이 절감하는 방법을 찾아야 한다.

시스템 설계자는 마이크로컨트롤러(MCU)와 같은 중앙 제어 장치의 동작(Active), 휴면(Sleep), 동면(Hibernate) 대기 전류를 기반으로 배터리 수명을 측정한다. 관련 센서와 무선 통신 역시 MCU와 함께 작동한다. 물론 시스템의 모든 기능 블록에 에너지를 공급하는 전원 공급 장치 역시 매우 중요하다. 전원 공급 장치는 스텝업, 스텝다운 컨버터나 LDO(Low-DropOut)와 같은 레귤레이터로 구성된다. 일부 전원 공급 장치는 다수의 전력 아키텍처 또는 배터리 충전기까지 포함한 전력관리반도체(PMIC)를 포함한다.

동작 전류 소비는 배터리 수명 연장에 중요한 요소지만 배터리 실행 시간은 결국 각 전력 모드에서 소비된 시간에 영향을 받는다. 각 구성 요소의 대기 전류는 휴면과 동면 기능이 오래 실행될 때 결정적 요인이 된다. 이 경우 전원 공급 장치의 대기 전류는 시스템 대기 전력 소비의 가장 큰 원인이다. 수명이 1년인 40 mAh, 1.55V 산화은 코인 셀 배터리로 작동하는 시스템을 살펴보자. 소비 전류를 약 4 μA로 가정할 때 전류를 1 μA까지 줄이면 웨어러블 제품 수명은 3개월가량 늘릴 수 있다.

절대 과소평가해서는 안 되는 대기 전류 

전원 공급이 대기 모드 상태일 때 전력 소비는 대기 전류(IQ)로 결정된다. 이는 회로가 어떤 부하도 발생시키지 않고 입력이 순환하지 않는 회로의 정적인 상태를 의미한다. 대기 전류는 명목상 여전히 전류이지만 경부하 작동 아래 시스템의 효율에 큰 영향을 미친다.

때때로 대기 전류는 셧다운 전류와 혼동된다. 대기 전류에서 시스템은 휴지(Idle) 상태지만 언제든 깨어나 작동할 준비가 돼 있다. 사용자는 이런 방식의 기기를 원한다. 반대로 셧다운 전류에서 기기는 휴면(Asleep) 상태다. 설계자는 경부하 상태에서 전원 공급의 전력 손실을 평가하기 위해 대기 전류를 이용한다. 반면 셧다운 전류는 기기의 전원을 껐으나 배터리는 레귤레이터에 연결돼 있을 때 배터리 수명을 측정하기 위해 이용된다.

기기는 배터리 수명 연장을 위해 저전력 MCU, 센서, 라디오, 효율적 전력 공급 장치와 같은 구성 요소로 설계된다. 또 첨단 노드 CMOS 제조 공정(Advanced-Node CMOS Fabrication Processes)과 같은 설계 기술 역시 전력 소비를 낮추어 배터리 수명에 영향을 미친다. 몇몇 설계자는 배터리 전압이 낮은 수준으로 떨어질 때 배터리 수명을 늘리기 위해 부스트 컨버터를 선택한다. 그러나 이 방식은 적절한 컨버터를 선택하지 않는 이상 대기 전류를 높이고 배터리 방전을 가속화한다.

최종 제품의 폼팩터 역시 중요 고려 대상이다. 소비자와 설계자는 더 작고 가벼운 제품을 선호한다. 문제는 일반적으로 배터리가 전체 보드에서 가장 크고 무겁다는 것이다. 물론 배터리 크기는 줄일 수 있지만 이는 용량 감소, 즉 배터리 수명 단축으로 이어진다. 따라서 설계자는 반드시 효율 높은 전력 관리 기술을 이용해 용량과 크기 사이의 균형을 맞춰야 한다. 이 문제는 용량과 크기 간 균형을 맞추는 효율적인 전력 관리 기술로 귀결된다.

부스트 컨버터와 같은 전원 레귤레이터의 대기 전류 사양에 주목해야 한다. 대기 전류가 낮을수록 배터리 수명을 늘릴 수 있다. 오늘날 초소형 설계를 고려하면 낮은 대기 전류뿐 아니라 시장에 출시된 제품보다 더 작은 폼팩터를 구현하는 기술이 필요하다. 밀리암페어급 전류조차 배터리 수명에 영향을 줄 정도로 충분히 낮지 않다. 오늘날 웨어러블, 모바일, IoT 설계는 나노암페어 급 전류를 필요로 한다.

최적의 부스트 컨버터 선택 

부스트 컨버터는 출력 전압이 전원 전압보다 큰 DC-DC 컨버터다. 업계 분석에 따르면 VIN(5V) 부스트 전력 관리 회로 부문이 부스트 컨버터 시장에서 가장 빠르게 성장하고 있다. 〈그림 3〉은 전 세계 부스트 컨버터 시장 예상 매출을 보여준다. 이 같은 성장을 주도하는 IoT 애플리케이션의 요구 사항에 따라 설계자는 더 낮은 전압, 더 긴 배터리 수명, 더 작은 크기를 지원하는 부스트 컨버터를 선택해야 한다.

배터리 수명을 늘리는 최적의 부스트 컨버터를 선택하려면 다음 핵심 기준을 면밀히 살펴야 한다.

1. 대기 전류: 대기 전류가 낮을수록 부스트 컨버터는 시스템 대기 모드에서 배터리 수명을 더 잘 보존한다.

2. 트루 셧다운(True Shutdown): 셧다운 시 입력에서 전류 출력을 차단함으로써 최종 제품의 효율을 개선하고 수명(Shelf Life)을 연장한다. 부스트 컨버터에 통합될 경우 값비싼 외부 컴포넌트가 필요 없다.

3. 입력 전압 범위: 배터리가 거의 ‘방전된’ 상태에서 구동할 수 있다.

4. 효율: V_IN, V_OUT, I_OUT으로 측정되는데 퍼센트가 높을수록 배터리 수명 연장에 더 효과적이다. μA 레벨에서 90% 이상 효율이 이상적이다.

벤더의 전력 관리 기술 실적 역시 중요하다. 오랫동안 다양한 산업에서 모든 고객에게 첨단 기술을 제공하고, 전문 지식과 제품을 끊임없이 개선해 온 업체를 선택해야 한다. 일부 벤더는 설계 사양을 기반으로 효율 곡선과 부품 비용을 평가하기 위한 온라인 시뮬레이션 툴을 제공한다. 평가 키트와 보드는 다양한 크기의 시제품을 신속하게 설계하고, 초소형 패키지는 비용과 크기에 민감한 설계에 필수적이다.

트루 셧다운 기능을 내장한 초저 대기 전류 부스트 컨버터 

맥심의 초저 대기 전류(300 nA)와 트루 셧다운 기술을 장착한 부스트(스텝업) DC-DC 컨버터는 긴 배터리 수명이 필요한 애플리케이션에 적합하다. ‘MAX17222’ 나노파워 부스트 레귤레이터는 인덕터 전류 제한이 0.5A다. 트루 셧다운 기술로 순전류나 역전류 없이 입력에서 출력이 끊어진다. 출력 전압은 단일의 표준 1% 레지스터를 이용해 선택할 수 있다.

MAX17222는 부하 전류에 따라 최저 400 mV 입력 전압에도 출력이 계속 조정되는 포스트-스타트업 ETP(Enable Transient Protection) 기능을 제공한다. MAX17222 부스트 컨버터는 0.88×1.4 mm² 6범프 WLP와 6핀 uDFN 패키지 형태로 이용 가능하고, 최대 95% 효율로 발열을 최소화한다.

배터리 수명 연장을 목표로 설계할 때 대기 전류 영향을 과소평가해서는 안 된다. 최종 제품의 전력적 특성을 이해해야 확실한 목표를 설정할 수 있다. 내부 부품을 고려해 나노암페어 범위에서 가능한 한 최저 대기 전류를 공급하는 회로를 선택해야 한다. 낮은 대기 전류에 트루 셧다운, 낮은 입력 전압 범위, μA급의 고효율과 같은 사양을 결합하면 매 충전마다 긴 작동 시간을 보장하는 스마트, 커넥티드 제품을 만들 수 있다.