2018년 12월 16일 일요일

T Technical Report

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소형 기기 배터리 작동 시간 연장하는 SIMO 스위칭 레귤레이터

이어버드(earbud)‚ 스마트워치‚ 게임 컨트롤러 등 배터리로 작동하는 휴대용 디바이스는 보다 발전된 배터리 성능으로 사용자 경험을 개선해야 한다. 하지만 설계자는 작은 전자 제품 폼팩터에서 배터리 수명을 연장해는 데 어려움을 겪는다. 적절한 전력 관리 아키텍처를 사용하면 이 같은 문제를 해결하고 사용자 만족도를 눈에 띄게 높일 수 있다. 

- 캐리 델라노(Cary Delano) / 맥심 인터그레이티드 모바일 전력 솔루션 엔지니어
- 가우라브 미탈(Gaurav Mital) / 맥심 인터그레이티드 모바일 전력 솔루션 수석 엔지니어

 
▲피트니스 추적기와 같은 휴대용 전자제품은 배터리 수명이 길어야 사용자가 만족한다.  
 
작은 풋프린트(footprint)에서 높은 효율 달성
히어러블(hearable) 디바이스용 일반 전력 관리 시스템에는 보통 배터리 충전기‚ 벅 컨버터(buck converter)‚ 저전압 레귤레이터(LDO)를 제공하는 전력 관리 IC(PMIC)가 탑재된다. 예를 들어 듀얼 LDO는 블루투스와 오디오에 전력을 공급할 수 있다. LDO가 멀티 레일에서 사용되기 때문에 일반적으로 제품 실행 시 전체 효율은 70% 미만이다. LDO를 대신해 스위칭 레귤레이터를 사용하면 효율을 높일 수 있지만 각 스위칭 레귤레이터를 각각의 전압 레일에서 사용하기 위해서는 출력마다 별도 인덕터가 필요하다. 인덕터의 크기와 가격을 고려하면 이 같은 작동 방식은 초소형 전자제품에 실용적이지 않다. 
 
SIMO(Single-Inductor Multiple-Output) 아키텍처는 특히 소형 리튬이온 배터리로 작동되는 제품에 뛰어난 효율을 제공한다. 맥심의 SIMO 벅 부스트 레귤레이터 MAX77650은 넓은 출력 범위에서 최대 3개 출력 전압을 조정하는 단일 인덕터가 제공된다. 여러 개별 구성 요소가 필요치 않아 기존 아키텍처보다 전체 풋프린트를 절약하고 효율을 높여준다.  
 
▲SIMO 아키텍처 블록 다이어그램
 
SIMO는 이 아키텍처를 통해 각 출력에 높은 효율을 제공할 수 있다. 이 컨버터는 디바이스 전체에서 0에 가까운 전압으로 스위치를 작동시키기 때문에 기존 유도형 스위칭 컨버터의 전력 소비를 낮은 수준으로 유지한다. SIMO 디바이스도 저손실 스위치를 이용해 인덕터를 각 출력에 시분할한다. 이 기술은 벅 부스트 컨버터와 마찬가지로 높은 효율을 제공한다.
 
< SIMO 아키텍처와 기존 전력 관리 솔루션 비교 >
매개 변수 기존 솔루션 SIMO SIMO 장점
  리튬(Li)+ 배터리 전류   49mA       43.4mA      5.6mA 절약
시스템 효율 69.5%  78.4%   효율 8.9% 포인트 증가 
최소 Li+ 배터리 전압   3.3V LDO 로 인한 3.4V   2.7V  더 많은 에너지 방출
 
인덕턴스(inductance)가 기존 값의 70%로 감소했을 때 전류 측정치인 인덕터 포화 전류(ISAT)는 주어진 코어 재료와 구조에 대한 인덕터 코어 크기에 기반한다. SIMO 아키텍처를 사용하는 단일 인덕터는 개별 DC-DC 컨버터를 사용하는 것보다 아래와 같은 여러 장점이 있다.
 
   • 비용 및 풋프린트 감소
   • 이용 가능한 부품 값의 수치화
   • 최종 디바이스의 여러 기능이 동시에 사용되지 않을 때 시분할 다중화(time multiplexing)를 통해 필요한 ISAT를 공유한다.
     이는 다양한 레일 전압을 이용해 순차적으로 발생하는 이벤트에 유용하다. 
   • 평균화 - 채널이 시분할 다중화되지 않은 경우에도 서로 다른 기능의 피크 전력 소비가 동시에 발생하지 않아
     총 인덕터 ISAT 요구 사항을 낮춘다. 
 
SIMO 아키텍처와의 상충요소(tradeoffs)를 해결하는 방법
단일 인덕터는 대체 출력에 상당량의 전력을 공급해 SIMO 디바이스의 리플(ripple) 전압이 더 높은 편이다. SIMO에 과부하가 걸리면 시간에 제한이 생겨 각 채널 서비스가 지연될 수 있기 때문에 출력 전압 리플이 증가한다. SIMO 아키텍처는 기존 아키텍처보다 누화(crosstalk)도 더 많다. 
 
맥심은 이런 단점을 효과적으로 관리하는 다양한 SIMO PMIC를 제공한다. 그 중 MAX77650/MAX77651은 센서‚ 마이크로컨트롤러(MCU)‚ 블루투스‚ 오디오에 전력을 공급하기 위해 배터리 충전과 제어 기능을 통합한다. 전체 시스템 효율은 8.9% 포인트 높다. 이 디바이스는 마이크로파워 SIMO 벅 부스트 DC-DC 컨버터는 물론 잡음에 민감한 애플리케이션에 리플 제거 기능을 포함한 150mA LDO를 제공한다. 버스 신호의 누화와 언더슈트(undershoot)를 최소화하면서 버스 라인의 고전압 스파이크로부터 디바이스 입력을 보호하기 위해 시리얼 데이터 라인(SDA) 및 시리얼 클록 라인(SCL)과 직렬로 연결된 옵션 저항기도 제공한다. 누화를 더욱 줄이고 발진을 방지하기 위해 디바이스는 항상 불연속 전도 모드(DCM)로 작동해 각 사이클 종료 시 인덕터 전류가 0이 된다. 두 가지 PMIC는 각 블록의 대기 전류(출력당 1μA)가 낮기 때문에 최종 애플리케이션의 배터리 사용 시간을 연장한다. 고주파 작동 기능을 제공해 작은 인덕터 사용이 가능하다. 이 디바이스는 2.75mm X 2.15mm X 0.7mm WLP 패키지로 제공된다. 
 
벅 부스트 토폴로지(topology)는 각 채널에 빠르게 전력을 제공해 벅만 탑재된 SIMO에 비해 인덕터를 효율적으로 사용한다. 벅만 탑재된 SIMO를 사용하면 출력 전압이 배터리 전압 수준에 달할 시 인덕터 사용 시간이 길어져 다른 채널에 영향을 준다. 일반적으로 최소 1개 이상의 부스트 전압이 필요한 솔루션은 벅 부스트 SIMO를 탑재해야 효과적이다. 
 
히어러블 적용 사례
히어러블 기기는 1개 이상의 광학 또는 관성 MEMS 센서를 통합하고 LED도 사용한다. 광전용적맥파(PPG)를 사용하면 통합 광학 센서는 맥박과 혈중 산소 포화도 등 건강 데이터를 측정할 수 있다. 이런 디바이스에 필요한 광도를 생성하기 위해서는 전형적인 리튬이온 배터리가 제공하는 전압보다 더 높은 전압 영역(4~5V)에서 LED가 작동해야 한다. 이를 위해 벅 부스트를 설계에 추가하거나 인덕터 및 커패시터(capacitor)를 추가하면 공간을 차지하게 된다. 전략 소모량을 높이는 방법도 있지만 배터리 크기가 작아야 하는 소형 디바이스에는 바람직하지 않다. SIMO 벅 부스트 기술을 활용하면 출력 중 한 가지를 활용하고 원하는 전압(최대 5.2V)으로 설정해 LED를 구동하고 센서 성능을 향상시킬 수 있다.