오래가는 웨어러블 디바이스 전원 관리 설계

[테크월드=선연수 기자] 웨어러블 디바이스를 설계할 때는 전반적인 크기를 줄이고, 전력 예산을 충족하는 것이 중요하다.

전자는 기기 착용자의 편의성을 높이고 후자는 사용 시간을 늘려준다. 그러나 필수적인 2가지 요구 사항이 서로 상충하는 것이 문제다.

크기를 줄이고 전력도 낮추는 게 가능할까?

전자 부품은 계속 물리적인 크기를 줄이면서 새로운 기능은 더해 점점 복잡해지고 있다. 가용 배터리 자원으로 부담도 높아져, 배터리 관리 기술을 사용해 빠른 충전, 긴 충전 주기를 갖도록 해야 한다. 이를 위해서는 전원 관리 IC(PMIC, Power Management IC) 성능을 높여야 한다.

첨단 웨어러블 디바이스는 다양한 생체 지표를 모니터링할 수 있다. 디바이스 용도에 따라 중요한 파라미터(Parameter, 변수)는 달라질 것이며, 신체의 어느 부위에 착용하는지도 중요하다. 대부분은 건강·신체상태와 관련한 파라미터를 모니터링하기 쉬우면서 착용자가 데이터를 확인하기도 쉬운 손목이 적합한 부위로 꼽힌다.

폼팩터를 줄이면 초저전력 동작을 만족하기 어렵다. 단순하면서 가벼운 디자인일수록 소비자에게 통할 것이다. 엔지니어는 개발 시 이런 점을 고려해야 한다. 그러나 웨어러블 디바이스는 넣을 수 있는 배터리 크기에 제한을 받고 이로 인해 기기 사용 시간도 한정적이다. 많은 소비자가 불만스럽게 생각하는 점 중 하나가 충분하지 않은 배터리 시간이다.

에너지 관리 효율을 위한 전원 관리 설계

폼팩터에 의한 배터리 제약 내에서 전력 소모를 최소화하기 위해 설계팀은 다양한 회로 레이아웃을 고려해야 한다. 웨어러블 디바이스는 다양한 멀티미디어와 센싱 기능을 포함하고 충분한 배터리 성능을 지원하면서도 크기는 지나치게 크지 않아야 한다. 이를 위한 가장 좋은 해결책은 아날로그와 디지털 블록을 구분하고 이 블록을 필요에 따라 각기 최적화하는 것이다. 특정 기능이 필요하지 않을 때는 해당 영역을 끌 수 있도록 하거나, 어떤 영역은 실행을 계속 유지할 수 있도록 해야 하는 것이다.

보통 웨어러블 아키텍처는 마이크로컨트롤러(MCU), 메모리, 소형 디스플레이, 적합한 센서 메커니즘, 통신 IC, 보조적인 전원 관리 회로로 구성된다. 전원 관리 회로에는 충전을 관리하는 PMIC, 다수의 벅 컨버터, 블루투스·Wi-Fi 연결을 지원하는 다수의 LDO 전압 레귤레이터가 포함된다[그림 1].

웨어러블 디바이스의 전원 관리 시스템은 여러 개의 전원 레일을 다뤄야 한다. MCU용, 디스플레이용, 센서용 등 다수의 레일이 요구될 수 있다. MCU와 센서는 대부분 슬립 모드로 지내며, 특정 시간 간격을 두고 기능하거나 사용자의 입력에 응답하기 위해 깨어난다.

많은 웨어러블 센서는 최대 0.8V 전압으로 동작한다. 부하가 활동이 많으면(예를 들어서 심혈관 센서는 수초마다 샘플링함) MCU의 전류 소모가 MHz당 35~40µA까지 이를 수 있어, 초저전력 디자인을 달성하기 위해서는 이를 고려해야 한다.

전원 관리 시스템은 다음의 두 가지 방법으로 DC/DC 전원 변환을 수행할 수 있다.

레귤레이터는 크기, 유연성, 효율 등에서 차이를 보인다. 이로 인해 웨어러블 디바이스 설계 시 다음의 사항을 염두에 둬야 한다.

효율을 극대화하기 위해 적합한 전압 레귤레이터를 선택하는 것은 상당히 중요하다. 동적 모드와 대기 모드로 전류 소모를 평가하는 것도 필요하다. 확실하게 임피던스 매칭을 이룬 인터페이스를 사용함으로써 필요한 전류량을 낮추고 배터리 시간을 늘릴 수 있다. 르네사스(Renesas)의 LDO 컨트롤러 ISL9016은 각 채널로 최대 150mA의 전류를 공급할 수 있으며, ESR은 최대 200mΩ이고 정지 전류는 60µA대다[그림 2].

스위칭 레귤레이터는 LDO보다 효율이 더 좋지만, 각기 다른 전압 레일을 지원하기 위해서는 인덕터가 여러 개 필요하기 때문에 웨어러블 디자인에 적용하는 것은 현실적이지 않다. 비용과 크기를 모두 증가시키기 때문이다. 웨어러블 디바이스를 위해서는 부품 수, BOM, 보드 공간을 늘리지 않는 단일 인덕터 다중 출력(SIMO, Single Inductor Multiple Output) 구성이 전원 관리 솔루션으로 선호된다.

맥심 인터그레이티드(Maxim Integrated)의 SIMO 벅-부스트 레귤레이터 IC ‘MAX77650’는 단일 인덕터를 사용해 회로 요구에 따라 넓은 범위에 걸쳐 최대 3개 출력 전압을 레귤레이트할 수 있다. 이를 통해 디스크리트 부품을 줄이고 공간을 절약할 수 있다[그림 3].

배터리 용량과 크기, 그리고 슈퍼커패시터

다양한 활용 사례 속에서 배터리 수명을 지키려면 어떻게 해야 할까? 스마트 워치는 단일 셀 리튬이온 배터리를 집어넣을 공간밖에 없다. 이 배터리의 전압은 3.8V고 용량은 130mAh부터 410mAh까지 있다. 재충전할 수 있는 소형 배터리로는 리튬이온이 가장 많이 사용되는 소재다.

배터리 관리·충전 시스템의 목적은 충전과 작동 시 전류, 전압, 온도를 정확하게 모니터링하는 것이다. 시스템 자체의 전력 소모를 최소화하고, 충전 시간을 빠르게 하고, 가용 배터리 전력을 극대화하도록 설계해야 한다.

단일 셀 리튬이온 배터리 충전용으로 설계된 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments)의 PMIC ‘BQ25100’은 비안정화 출력을 제공하는 저가격대 네트워크 어댑터를 사용할 수 있고, 리튬 폴리머와 같은 다른 배터리 소재도 취급할 수 있다.

리튬이온 배터리가 다른 배터리 기술에 비해 많이 채택되고 있지만, 슈퍼커패시터와는 전력, 크기, 사이클 횟수 측면에서 결코 경쟁 상대가 될 수 없을 정도다. 웨어러블 디바이스의 크기가 점점 작아지면서 내부 공간은 더 귀해지고 있다.

최근에는 슈퍼커패시터가 재충전 가능한 배터리를 대체함으로써 나노 기술에 기반한 새로운 에너지 저장 수단이 되고 있다. 슈퍼커패시터는 배터리와 달리 에너지 포집과 잘 맞고 충전도 수초 만에 가능하며, 충전 횟수는 거의 무한에 가깝다. 무라타(Murata)의 초박형 DMH 슈퍼커패시터는 20×20×0.4mm 패키지로 35mF 용량, 4.5V 공칭 전압, 300mF ESR의 사양으로 지원된다[그림 4].

초저전력 디자인에 의한 한계 없이 웨어러블 디바이스를 영구적으로 사용할 수 있도록 하는 보조적 에너지 소스로써 에너지 포집 솔루션에 대한 연구가 활발하다.

한 가지 흥미로운 예로, 마찰전기 충전을 들 수 있다. 이는 여러 물질 층의 상대적인 움직임을 활용해 소량의 전기 전류를 발생시키는 것이다. 물질들이 움직이면서 서로 마찰을 일으킬 때 전기 전하를 띠게 되고, 2개 전도 전극 사이에 여러 물질 층을 집어넣으면 사람이 일상적으로 생활하면서 움직일 때 수 µW 대의 전력을 생산해낼 수 있다. 이를 웨어러블 디바이스의 배터리 충전과 전원 공급의 보조 수단으로 이용하는 것이다.

결론

갈수록 전문적이고 효율이 좋은 하드웨어가 등장하면서, 웨어러블 시장은 모바일 디바이스 시장을 뒤쫓아 빠르게 성장하고 있다. 마이크로칩(Microchip)이나 아나로그디바이스(Analog Devices, ADI)와 같은 업체는 새로운 PMIC, SoC를 출시해 웨어러블 기술이 요구하는 에너지 효율, 컴퓨팅 성능, 크기 소형화에 대한 요구를 충족시킨다.

헤드셋이나 의료용 패치와 같이 기기의 크기가 작을 때는 배터리 용량이 제한될 수밖에 없다. 제품을 설계할 때 다양한 측면을 고려한다면, 가용 에너지를 1µA라도 더 절약하고 배터리 시간을 연장하는 솔루션을 찾아낼 수 있을 것이다.

글: 마크 패트릭(Mark Patrick)
자료제공: 마우저 일렉트로닉스

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 12월 호에 게재된 기사입니다.