2024년 3월 29일 금요일

T 기술기고문

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맥심 인터그레이티드, 저전력 웨어러블 의료기기의 성능과 집적기능 향상

저전력 웨어러블 의료기기의  성능과 집적기능 향상

글/ 프랭코 콘타디니
 
일반적으로 의료용 휴대 기기는 다음과 같은 매크로 블록을 필요로 한다
  • 전원 소스(일차 또는 충전식 배터리)를 다루는 배터리 관리
  •  센서에서 발생하는 신호를 조정하고 디지털 워드로 변환하는 아날로그 프런트 엔드
  •  수집된 신호에 대해 수치 연산을 수행하고 LCD에 이를 표시하거나 호스트에 유/무선 전송을 수행하는 마이크로컨트롤러
 
실제 구현에서는 최종 애플리케이션에서 요구하는 모든 기능을 제공하기 위해 다음과 같은 다양한 디스크리트 디바이스가 사용된다.
 
배터리 관리 블록은 실제로 배터리 절연 배터리 충전 연료 게이지 백라이트 전원 선형/스위칭 레귤레이터로 구성되는 반면 아날로그 프런트 엔드(AFE)는 통상 ADC DAC OPAMP 비교기(COMP) 아날로그 스위치 기준 전압(Voltage Reference)을 필요로 한다. 다양한 디바이스의 사용은 애플리케이션의 신뢰성과 비용 보드 공간에 영향을 미친다. 맥심 인터그레이티드가 새롭게 선보인 통합 솔루션은 이러한 제한을 극복하는 듀얼 칩 솔루션(Soc MCU와 PMIC)으로 -전체 성능을 향상시킨다.
 

<디스크리트 솔루션>

 

<통합 솔루션>
 
SoC MCU 보안 센서 측정 마이크로컨트롤러
 
맥심 인터그래이티드의 MAX32600은 Cortex M3 코어를 기반으로 하는 SoC로 POS 분야에 축적된 맥심 인터그래이티드의 오랜 경험을 바탕으로 고성능 아날로그 섹션과 신뢰성 보호 유닛을 제공함으로써 타 소자와 차별성을 높인 제품이다. 다양한 유/무선 통신 인터페이스는디바이스를 호스트(PC PDA 또는 스마트폰)에 연결하는 풍부한 옵션을 제공한다.
 

 
 
 
아날로그 섹션
 
16비트 500ksps SAR ADC는 아날로그 섹션의 코어 블록으로 높은 샘플링 레이트와 뛰어난 분해능을 제공한다. 마이크로컨트롤러 내부에 통합된 ADC는 입력 신호의 대역폭이 제한 될 경우 오버샘플링과 에버리징 기법을 사용해 분해능을 증가시킬 수 있다.
 
오버샘플링과 에버리징은 분해능의 추가적인 비트를 사용하여 실제로 SNR을 증가시킨다. 분해능의 추가적인 각각의 비트에 대해 신호는 다음과 같이 4배 오버샘플링된다.
 
fos = 4w . fs
 
여기서
w는 바람직한 분해능의 추가적인 비트 수
fS는 처음 샘플링 주파수 요구사항
fOS는 오버샘플링 주파수
 
ADC는 예를 들어 정기적 간격으로 데이터 버스트를 수집하고 DMA 데이터를 SRAM에 전달하여 프로세서를 깨우도록 구성할 수 있다.
 
ADC 인터페이스는 에버리징(2 4 8 16 32 64 128)을 위한 프로그래밍 가능한 버스트 샘플 레이트(Ts는 Ts_avg와 독립적) 및 프로그래밍 가능한 버스트 길이를 제공한다.
 
ADC 앞 차동 앰프는 1 2 4의 프로그래밍이득과 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V에서 프로그래밍기준 전압을 가져 동적 범위를 최대화할 수 있게 한다.
 
입력 신호는 구성 가능한 단일 종단/차동 멀티플렉서를 통해 선택한다.
비교 모드를 갖는 비전용 Op 앰프 4개와 SPST 스위치 4개를 사용하여 추가적인 신호 조정을 수행할 수 있다.
 
독립적인 기준 전압을 갖는 12비트 DAC 2개와 8비트 DAC 2개는 이전의 값으로 프로그래밍 가능하며 아날로그 부분을 완성한다.
 

 
보간 필터(1:2 1:4 1:8)는 동적 성능을 향상시키고 버스 대역폭을 감소시키는 데 사용할 수 있다.
 
 
디지털 파형 합성 및 동기화 회로를 사용한 ADC 샘플링과의 동기화 방식은코히어런트 파형 생성과 ADC 데이터 수집을 수행하여 임피던스 측정을 간편하게 구현할 수 있게 한다.
 

신뢰성 보호 유닛
 
임베디드 보안 기능
- 펌웨어 보호. 내부 배터리 백업 메모리에 저장된 키를 사용하여 플래시 및 SRAM을 암호화할 수 있다.
 
 
 

- 장치 인증. 대칭 및 비대칭 구조에 모두 적합한 임베디드 암호화 블록을 통해 수행된다.


저전력
 
다음과 같은 다양한 메커니즘이 전력 절감에 이용된다.
임베디드 코어는 24MHz에서 175uA/MHz의 동작 전류 RTC 작동 시 1uA 저전력 모드 전력을 절약하는 다중 전력 관리 모드 사용하지 않는 주변 장치의 동작을 정지시킬 수 있는 기능 등 다양한 특징을 갖는다.
 
6채널 DMA 컨트롤러는 슬립 모드에서 주변장치를 마이크로 전력으로 동작할 수 있게 하며 이러한 방식으로 ADC는 프로세싱이 필요할 때만 입력 채널을 스캔하고 데이터를 수집하며 코어를 깨우도록 프로그래밍할 수 있다.
 
유선 주변장치
 
다음과 같은 임베디드 주변장치가 포함된다.
- 물리적 인터페이스(PHY)를 갖는 USB 2.0 풀스피드 컨트롤러. USB 케이블에 직접 연결할 수 있어 보드 공간과 전체 시스템 비용을 줄여준다. 내장된 전압 레귤레이터는 USB 호스트에 연결될 때 주 전원과 VBUS 간 스마트 스위칭을 제공하므로 특히 배터리에서 VDD 전원을 공급받는 시스템에 유용하다.
 



- 최대 3개의 SPI 마스터 컨트롤러. 단일 또는 다중 슬레이브 시스템에서 최대 24MHz 데이터 전송 속도로 주변장치와 동시적으로 통신할 수 있게 한다. 송/수신 버퍼에 모두 DMA가 지원된다.
 
- I2C 버스 마스터/슬레이브. 다양한 종류의 다른 I2C 지원 주변장치와 통신을 수행한다. 마스터 및 슬레이브 프로토콜이 모두 지원된다.
 
- 2개의 USART(Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) 포트. 풀 듀플렉스 비동기 또는 하프 듀플렉스 동기 통신을 지원한다.
 
무선 주변장치 옵션
 
- 블루투스 v4.0 저전력 슬레이브. 2.400 ~ 2.4832GHz RF 주파수지원 무료 스택 소스 코드를 탑재하고 있으며 의료용 프로파일과 함께 사용할 수 있다.
 
- ISM 쿼드 밴드 트랜시버(315 433 868 915MHz). FFSK FMSK AFSK 변조 및 신속한 웨이크업의 다중 슬립 모드를 지원한다.
 
블루투스는 혈당 센서와 인슐린 펌프를 연결해 인공 췌장 애플리케이션을 구현하는데 이용할 수 있다. MAX32600의 임베디드 암호화 엔진은 추가적인 보안 계층을 구현하는 데 사용할 수 있다.
 
 

 
 
MISC 주변장치
 
- 4×32비트 타이머(각각 2×16비트 타이머로 분할 가능)
- 시간(TOD) 알람 기능을 갖춘 32비트 실시간 클록
- 전용 백업 전원 핀 및 트리클 충전
- 4× 프로그래밍 가능 전원 전압 검출기
- 독립적인 클록 소스와 윈도우 모드를 갖는 2× 프로그래밍 가능 워치독 타이머
- 최대 8개 GPIO 포트
- LCD 컨트롤러 96 128 또는 160 세그먼트
 
디바이스는 내부 링 발진기 크리스털 또는 외부 클록을 포함해 여러 가지 클록 소스 옵션을 갖는다. 48MHz PLL이 포함되어 있으므로 USB에 클록 소스는 필요 없다


 
내장된 탬퍼링 동적 센서가 트리거되면 키를 파괴하여 보호할 수 있다. 보안 공격은 FIPS 인증 의사 랜덤 생성기를 이용해 대처한다. 별도의 내부 링 발진기가 보안을 증대시키는 데 이용된다.


단일 칩 솔루션 MAX32600
 
이 SoC는 일차 전지로부터 전력을 공급 받으며2.2V의 전압에서도 동작이 가능해 저전압 동작 모드의 이점을 제공한다.
 
임베디드 주변장치는 의료용 휴대 기기를 구현하는 데 필요한 모든 기능을 제공한다.
 
휴대용 의료 기기 충전 관리 솔루션 MAX14664 
 
전원 소스가 리튬 이온 충전식 배터리인 경우 완전한 배터리 관리를 위해 동반 칩 MAX14664를 사용할 수 있다.
 


 
먼저 배터리 측면부터 살펴보면 이 디바이스는 배터리 부분에 다음을 추가한다.
* 푸시버튼 제어 기능이 있는 배터리 실(Seal) 스위치. 디바이스 저장 수명을 보장한다.
* 혁신적 모델 게이지 기술에 기반한 연료 게이지. 타 솔루션과 달리 전류 감지 저항이 필요 없어 비용과 공간을 절감한다.
* 스위치 모드 배터리 충전기. PCB 핫스팟을 최소화해 온도에 민감한 파라미터를 측정하는 애플리케이션에서 측정 정확도를 높여준다.
* 전원 셀렉터. 소진된 배터리를 충전하면서 동작을 가능하게 한다.
* 최대 17V 출력 전압을 공급할 수 있는 부스트 레귤레이터. AMOLED 디스플레이 또는 백라이트를 위한 백색 LED에 전력을 공급한다.
* 독립적인 전류 프로그래밍 가능한3개의 LED 전류 싱크
 
USB 부분
* -5.5V 역전압 보호
* 28V 과전압 보호
* D+ 및 D-에 ESD 보호 다이오드
* 커패시턴스 측정에 기반한 케이블 검출
 
소자의 기능은 직렬 I2C 인터페이스를 사용하여 구성한다.
 
배터리 실
 
휴대용 의료 장비에 대한 공통적인 요구사항은 방전 없이 저장 수명을 유지하는 것이다. 이와 같은 방식으로 최종 사용자는 처음 사용 후 배터리 충전 필요 없이 디바이스를 동작할 수 있다.
 
이는 처음 사용할 때까지 배터리를 비연결 상태로 유지하는 스위치를 이용해 달성할 수 있다.
 
MAX14664 내부에 통합된 배터리 스위치는 I2C 버스 또는 외부 핀을 사용하여 제어할 수 있다.
 
공장에서 장비 테스트 후 I2C 명령 또는 적절히 연결된 SEAL 핀을 사용하여 배터리 연결을 해제할 수 있다.
 
USB 호스트에 처음 연결하거나 KIN 입력에 연결된 푸시 버튼을 활성화하면 배터리가 재연결된다.

 
VIO 전원을 기준으로 하는 KIN 활성화에 대한 정보는 KOUT 핀을 통해 웨이크업을 수행할 수 있는 CPU에 보고된다.
 
연료 게이지
 
MAX14664는 ModelGauge 기술을 기반으로 하는 연료 게이지를 통합하고 있어 전압 정보만 사용해 배터리 충전 상태(SOC)를 제공할 수 있다.
배터리의 매우 세부적인 비선형 모델은 배터리 특성과 동작을 처리할 수 있게 한다.
 
공장에서 배터리 특성화 후 Maxim에서 제공되는 모델은 CPU로부터 풀게이지 휘발성 메모리에 로드해야 한다.
 
다음은 ModelGauge의 성능을 보여주는 한 예이다.
그래프는배터리 충전 상태가 올라가고 내려감에 따라 랜덤 부하에서 랜덤 시간 동안의 충전을 보여준다.
초록색은 충전 기준 상태이고 빨간색은 ModelGauge충전 상태이다.
이것은 거의 동일한데 이들 두 곡선 간의 차이는 오른쪽 축에서 검정색으로에러로 표시된다.
에러는 최대 플러스/마이너스 4%까지 올라가며(통상 2% 이내) 일반적으로 0% 에러로 복귀한다. 따라서 일정한 충분한 시간에 특히 부하를 정지시킬 경우 에러는 사라진다. 이 기술은 쿨롱 카운터와 같은 축적 방식이 아닌 에러 감소방식을 채택하고 있다.

연료 게이지 능동 전류는 23µA이며 방전 전류가오랫동안 충분히 낮은 상태에 있는 것이 관찰되면 디바이스는 자동으로 하이버네이트 모드로 들어가고 여기에서 4µA 모드로 들어간다. 전류 감지가 존재하지 않아도 연료 게이지는 충전율 출력을 가지고 있으므로 사용자에게 시간당 방전 또는 충전 퍼센트를 알려준다. 따라서 전류 감지가 없으므로 실제로 암페어가 탐지되지 않지만 시간당 충전/방전율과 퍼센트를 볼 수 있다. 또한 몇 가지 Alert(경고) 기능이 제공된다. 저충전 경고와 1% 충전 상태 변화 경고 그리고 고/저전압 경고가 있다.
이러한 경고는 시스템이 일부 발진기까지 포함해 완벽하게 셧다운하도록 함으로써 4µA의 백그라운드 모드까지 내려가도 경고를 이용해 모든 것을 깨울 수 있기 때문에 시스템 전력을 감소시키는 데 이용할 수 있다.
 
배터리 충전기
 
스위치 모드 배터리 충전기는 전력 소모를 최소화하는 데 사용되며 이는 충전 과정 동안 적은 용량을 측정해야 하는 경우 정확도를 손상시킬 수 있는 PCB 핫스팟을 방지한다.
전류는 동작 모드에 따라 조절된다.
 
* 프리퀄 모드
 
배터리 전압이 프리퀄 임계 전압(I2C를 통해 2.4V ~ 3.1V 사이에서 프로그래밍 가능)보다 작을 때 전류는 0.1C 미만으로 제한된다.
 
* 고속 충전 모드
 
이 CC/CV 모드에서 전류는 50mA ~ 500mA 범위에서 25mA 스텝으로 프로그래밍된 고속 충전 전류에 따라 조절된다.
 

 
AUTOSTOP 모드가 작동되도록 설정되었다면 프로그래밍된 정전압(3.5V ~ 4.4V)에 도달하고 전류가 프로그래밍된 값(12.5mA ~ 150mA)으로 떨어지면충전이 종료되며또한 I2C 명령을 사용하여 정지할 수 있다.
 
충전블록은 또한 배터리 서미스터를 통해 배터리 온도를 모니터링한다. 온도 정보는 안전한 종료를 위해 전압 및 고속 충전 전류를 배터리 온도에 따라 수정하는 JETA 권고를 구현하는 데 사용할 수 있다.
 

전원 셀렉터
 
시스템에 공급되는 전압(SYS)은 VB가 허용 가능한 범위 내에 있을 때 USB에서 제공되며 VB가 존재하지 않을 때는 BAT에서 제공된다. 이는 자동으로 발생한다.
 
부스트 레귤레이터
 
인덕터 기반 부스트 컨버터는 OLED 디스플레이 또는 LCD 백라이트용 백색 LED 스트링에 필요한 높은 전압을 발생시킬 수 있다.
출력 전압은 I2C를 통해 6V ~ 17V 사이에서 1V 스텝으로 조정할 수 있다.
트루 셧다운 스위치는 부하를 완벽하게 분리하여 전류 소비를 최소화한다.
 

 
전류 싱크
 
3개의 독립적인 선형 전류 레귤레이터를 부스트 컨버터로부터 발생된 전압에 직접 연결할 수 있으며 전류는 32.5mA까지 25스텝으로 조절할 수 있다. 디밍을 위해 PWM 신호를 사용할 수 있다.
 

USB 기능
 
디바이스는 Vbus에 인가되는최대 -5.5V 역전압과28V의 과전압에 대해 보호된다. 이는 모조 USB 배터리 충전기가 장치에 손상을 주지 못하도록 방지한다. 시스템 전압 SYS는 최대 6.6V의 Vbus 전압에 대해 5V로 레귤레이션된다. 더 높은 Vbus 전압이 존재하는 경우 SYS는 분리되어 장치를 보호한다.
 

HBM에 따른  ±15kV ESD 보호가 VP DP DM 핀에 제공된다.
USB 측에 구현되는 또 다른 기능은 케이블 검출로 업스트림 포트가 오프(OFF)되어 Vbus가 존재하지 않거나 케이블이 디바이스 측에만 연결되어 있을 때에도 케이블 존재를 검출할 수 있다.
 
디바이스는 업스트림 포트에 연결된 커패시터와 케이블 커패시턴스를 측정하고 Vbus가 존재하지 않으면 작은 전류를 주입한다.
검출에 사용되는 임계값은 USB를 통해 20pF 40pf 60pF 80pF로 프로그래밍할 수 있으며 다양한 PCB 레이아웃과 커넥터 유형을 사용할 수 있다.

결론
 
새로운 통합 회로를 사용하면 공간을 절약하고 전력 이용을 극대화하면서 의료 장비에 더 많은 커넥티비티를 추가해 무한 확장 가능한 스마트폰에 연결할 수 있다.