웨어러블, 히어러블, 소형 사물인터넷(IoT) 제품을 설계할 때 소비자들이 원하는 풍부한 기능과 긴 배터리 수명을 구현하려면 어떻게 해야 할까? 최근 개최된 ‘웨어러블?히어러블 기기의 배터리 수명을 최대 20% 연장하는 방법’이라는 주제의 웨비나에서 일부 해답을 찾아본다.

일정, 메시지, 건강 지표까지 스마트워치로 확인하는 사용자들은 한 번 충전으로 오랫동안 사용할 수 있는 기기를 필요로 한다. 야외 활동 중 충전을 해야 하면 매우 번거로워지는데 소형 폼팩터들은 다른 저전력 전자제품과 마찬가지로 배터리 용량에 제한이 있다.

그렇다면 웨어러블, 히어러블, 소형 사물인터넷(IoT) 제품을 설계할 때 소비자들이 원하는 풍부한 기능과 긴 배터리 수명을 구현하려면 어떻게 해야 할까? 맥심 인터그레이티드 기술 담당 수석 가우라브 미탈(Gaurav Mital)과 모바일 사업부 기술 담당 수석 차핀 웡(Chapin Wong)은 최근 개최된 ‘웨어러블·히어러블 기기의 배터리 수명을 최대 20% 연장하는 방법’이라는 주제의 웨비나에서 일부 해답을 제시했다.

저전력 IoT 기기가 직면한 설계 과제

스마트워치는 물론 무선 이어폰, GPS 수신기, 소형 모니터, 그 밖에 저전력 IoT 디바이스가 직면한 설계 과제는 ▲제한된 설계 공간 ▲열 접촉에 대한 피부 민감성 ▲장시간 안정적인 작동 ▲저소음 ▲동작, 음성 제어, 결제 처리 등 전력 레일이 추가되는 부가 기능에 대한 수요 ▲제품 출시 기간 단축 등이다.

이 문제에 대한 해답은 단일 인덕터 멀티 출력(SIMO, Single-Inductor Multiple-Output) 벅 부스트(buck-boost) 아키텍처 기반의 전력관리 IC(PMIC) 같은 독특한 전력관리 솔루션에 있다. 기존 스위칭 레귤레이터 기술이 각 출력부에 별도의 인덕터가 필요한 반면 SIMO 전력관리 IC는 3개의 출력 채널을 지원하는 단일 인덕터를 제공한다.

출력 채널의 전압이 설정 임계점 밑으로 내려가면 전력 공급이 필요하다는 알림 신호를 받게 되는데, SIMO 전용 부하 스위치 컨트롤러는 인덕터 전류가 전류 한계에 도달하기 전까지 인덕터에 에너지를 저장하고 출력 커패시터(Capacitor)로 전송한다. 각 채널은 모든 설정된 전원 켜기, 끄기 시퀀스에 대해 따로 전력을 공급받을 필요가 없다. 부하용량은 최종 출력전압에 대한 모든 전류의 합계를 말한다.



초저전력 PMIC

MAX77654은 SIMO 벅부스트, 리플제거(Ripple Rejection) 기능이 적용된 두 개의 100mA LDO 전압 레귤레이터, 소형 리튬 배터리용 전력경로(Power-path) 충전기가 있는 초저전력 PMIC이다. 소형 저전력 사물인터넷 제품의 설계 과제를 해결하기 위한 전력 솔루션으로 MAX77654은 완전무선이어폰(TWS, True Wireless Stereo)에 ‘원 스톱 전력 관리 솔루션’을 제공한다.

완전무선이어폰은 긴 배터리 수명, 작은 인쇄회로기판(PCB) 공간에서 고효율 전력 레일을 지원하며 오디오 성능에 영향을 주지 않는 파워 오디오 모드가 특징이다. 초소형 폼팩터에 액티브 노이즈 캔슬링, 생체 인식 센서, 실시간 통역 기능을 적용한 최첨단 제품으로 분산형 또는 반분산형 전력 솔루션으로는 이러한 고성능 요구를 충족하기 어렵다. 하지만 MAX77654와 같은 SIMO PMIC는 이러한 수요를 충족한다.

솔루션의 크기가 29.7㎟으로 VOUT(1.8V)에서 0.3μA의 차단전류와 6μA의 작동전류와 함께 91%의 효율을 구현한다. 또한 초저소음 오디오 코덱에 전원을 공급하며 음성 품질을 저해하지 않고 배터리 수명을 최대 20%까지 향상한다.



스마트 안경은 마이크로컨트롤러, 진동모터, 블루투스, 다중 카메라로 구성되며, 모두 안경 프레임 손잡이에 위치한 얇은 PCB 스트립에 장착된다. MAX17270 나노파워 SIMO 벅부스트 컨버터와 같은 SIMO PMIC는 LDO와 직렬로 연동하여 안경용 카메라 모듈의 레일 3개(직렬 통신: 1.2V, 디지털 로직: 1.8V, 아날로그 회로: 2.5V)에 전력을 공급하는 고효율 부스터 역할을 수행할 수 있다.

분산형 방식은 벅 레귤레이터 3개, 인덕터 3개, LOD, 커패시터 8개 (24.59㎟ 솔루션 크기에 부품 15개) 장착이 필요한 반면, MAX17270 솔루션은 1개 디바이스에 LDO, 인덕터 한 개씩과 7개의 커패시터만 필요로 해 13.68㎟ 솔루션 크기에 10개의 부품만 있으면 된다.

스마트 안경의 화질은 카메라 전원 장치의 리플에 좌우된다. 인덕터의 전류 한계치를 프로그램 할 수 있으면 20mVp-p 이하의 매우 낮은 수준의 리플에 민감한 레일까지 전원을 공급한다. I2C를 통해 인덕터 피크 전류 한계치를 변경하여 출력 전류 리플을 20mV 미만으로 줄일 수 있다.

설치 공간이 작고, 외부 구성품이 적으면서 효율이 높아 배터리 수명을 연장해주는 전력 솔루션이 필요하다면, SIMO PMIC가 방안이 될 수 있다.