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SIMO 스위칭 레귤레이터로 소형기기의 배터리 효율성 높이기 ②
웨어러블엑스포(Wearable Expo) 현장에 전시된 히어러블 디바이스 [source=ITBizNews DB]

지난 글에 이어 이번 글에서는 SIMO 디바이스를 사용한 배터리 전원 시스템 설계방법과 실제 히어러블 제품에 적용된 사례를 알아보겠다.

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 제공하고 있다. 그 중 MAX77650/MAX77651은 센서, 마이크로컨트롤러(MCU), 블루투스와 오디오에 전력을 공급하기 위한 기능과 배터리 충전 기능이 하나의 칩에 통합되어 있다. 

LDO를 사용하는 방식에 비해 전체 시스템 효율은 8.9% 포인트 높다. 이 디바이스는 마이크로파워 SIMO 벅 부스트 DC/DC 컨버터는 물론 잡음에 민감한 애플리케이션을 위해 리플이 작은 150mA LDO도 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)에 옵션으로 직렬 저항을 연결할 수 있다. 

누화를 더욱 줄이고 발진을 방지하기 위해 디바이스는 항상 불연속 전도 모드(DCM)로 작동하므로 각 사이클 종료 시 인덕터 전류가 0이 된다. 이 PMIC는 각 블록의 대기 전류(출력당 1μA)가 낮기 때문에 최종 애플리케이션의 배터리 사용 시간을 연장할 수 있으며 고주파 작동 기능을 제공해 작은 인덕터 사용이 가능하다. 

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 다비이스에 적용된 사례
히어러블 기기는 1개 이상의 광학센서나 관성 MEMS 센서를 사용하고 LED도 함께 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. 

전력 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.

 

글 : 캐리 델라노(Cary Delano) / 모바일 전력 부문 엔지니어 / 맥심인터그레이티드
     가우라브 미탈(Gaurav Mital) / 모바일 전력 부문 수석 엔지니어 / 맥심인터그레이티드

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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