기술기고문
SIMO 아키텍처로 스마트워치 배터리 수명 연장
단일 인덕터 멀티 출력(SIMO) 아키텍처 기반의 고집적도 전력관리반도체(PMIC)를 사용하면 스마트워치를 포함한 다양한 웨어러블 기기의 배터리 수명을 늘리고 폼팩터를 소형화할 수 있다. 맥심 ‘MAX77654’ PMIC는 독특한 SIMO 아키텍처 덕분에 작은 공간에서 더 높은 전력 효율을 구현한다.
스마트워치 시장은 수많은 신기능 및 애플리케이션으로 꾸준히 성장하고 있다. 개인 건강, 피트니스 제품에는 추적·알람·연결성 등의 새로운 기술이 적용되고, 긴급 지원 및 차량 상태 업데이트 기능으로 자동차를 제어할 수 있다. 방수, 내충격 기능은 물론 디스플레이도 더욱 선명해졌다. 고해상도 카메라, GPS 수신기, 작지만 강력한 스피커, 커다란 저장 공간을 비롯해 다양하고 새로운 기능이 스마트워치에 더해지고 있다.
소형 폼팩터 구현을 위해서는 초소형화된 전자부품과 배터리 수명 연장이 요구된다. SIMO 아키텍처는 매우 작은 공간에서 더 높은 효율로 전력을 제공하는 혁신적 전력관리 시스템을 제시하는 한편 초소형화된 웨어러블 기기를 위한 배터리 수명 연장을 가능하게 한다[그림 1].
[그림 1] 작동 중인 스마트워치
프로그래밍 가능한 SIMO 장점
고효율 솔루션은 공간을 최소화하고 배터리 충전기와 스마트워치에 전력을 공급하는데 필요한 레귤레이션을 하나의 칩에 통합한다. 스위칭 레귤레이터를 단일 인덕터에 구현하는 SIMO 벅 부스트(buck-boost) 컨버터는 공간을 줄여준다. 각 레귤레이터의 토폴로지는 프로그래밍이 가능해 배터리 전압 범위 내 또는 초과 전압에 대한 벅 부스트 작동은 물론 배터리 전압 미만의 전압에 대해 벅 부스트에 비해 높은 효율의 벅 작동을 제공한다.
또한 고주파수 운용 방식으로 소형 인덕터의 사용이 가능해 필요 공간을 더 줄일 수 있다. 두 개의 온칩 LDO(Low DropOut)는 잡음에 민감한 부하나 부하 스위치에 사용된다. [그림 2]는 고집적 SIMO PMIC 선형도며 단순화를 위해 외부 패시브는 표시하지 않았다.
[그림 2] 고집적 SIMO PMIC 선형도
SIMO 전력 수형도
[그림 3]은 시스템 전력 수형도로 각 레귤레이터의 출력 전압, 부하 전류, 효율 및 전력 손실(PD)을 보여준다. 5개 부하 중 3개는 고효율 SIMO 스위칭 레귤레이터에 의해 직접 전력을 공급받는다. 4번째와 5번째 부하에 대한 LDO도 SIMO에 의해 전력을 공급받으며 낮은 드롭아웃(2~1.8V)으로 90%의 높은 효율을 구현한다. 시스템 전체 효율은 86.2%로 매우 뛰어나다.
[그림 3] 고효율 SIMO의 전력 수형도
SIMO 컨버터
[그림 4]는 SIMO 컨버터의 블록 다이어그램(인덕터를 제외한 모든 부품)이다. 스위칭 레귤레이터는 손실값을 최소화해 전력을 전달하며 잘 설계된 아키텍처로 덕분에 스위칭 레귤레이터 각각에 인덕터를 하나씩 할당할 필요가 없다.
[그림 4] SIMO PMIC 전력 선형도
인덕터 전류 공유
이 히스테리시스(이력현상·hysteretic) 불연속 전류모드(DCM) 레귤레이터에서 인덕터는 전류가 항상 0으로 수렴하므로 공유가 가능하다. 벅 부스트 모드에서 이 인덕터는 M1, M4가 ‘ON’ 상태일 때 VIN/L의 비율로 전류를 축적한다. [그림 5]와 같이 이 전류는 프로그래밍된 제한값에 도달하면 선택된 SBBx 출력부로 M2 및 M3_x 트랜지스터를 통해 전달된다.
벅 모드에서 M1 and M3_이 온 상태로, (VIN - VSBBx)/L의 비율로 인덕터에 전류를 축전하는 한편 전류를 출력부로 전달한다. 인덕터 전류가 사전 프로그래밍된 제한값에 도달하면 M2s는 ON으로 M1는 OFF로 전환해 인덕터에 있는 전력이 출력부로 송출된다.
벅 모드의 전체 사이클에서 볼 때 전류가 출력부에 전달되면 벅 부스트의 전류는 M2 and M3_x 트랜지스터가 ON 상태인 단계에서만 출력부로 전송된다. 사이클당 출력부로 전송되는 전류량이 많을수록 벅 컨버터의 아키텍처 효율이 높다.
출력부는 각자의 출력 오류 비교기에서 요청한 순서에 따라 FIFO(선입선출) 방식으로 서비스가 제공된다.
[그림 5] SIMO 전류 파형
[그림 5]와 같이 3개 스위칭 레귤레이터는 한 번에 하나씩 서비스가 제공되며 인덕터 전류는 0A가 되어 교차 레귤레이션 이슈를 방지한다.
부피 축소 및 배터리 수명 연장
소형 MAX77654 PMIC (WLP, 2.79mm x 2.34mm x 0.5mm)는 SIMO 스위칭 레귤레이터와 이 제품의 통합 LDO 덕분에 기존 설계 방식보다 41% 작은 PCB 공간에서 최소한의 손실로 전력을 전달한다. [그림 6]에서는 모든 PCB 액티브 및 패시브 구성품을 보여준다.
[그림 6] 최소의 보드 공간((19.2mm2)을 차지하는 SIMO PMIC 솔루션. 보드 공간이 19.2mm2에 불과하다.
뛰어난 효율성
필요할 때마다 언제든지 벅 모드를 프로그래밍할 수 있어 효율성이 매우 뛰어나다. [그림 7]에서 SIMO 벅 작동은 벅 부스트 작동에 비해 효율성이 10% 높음을 보여준다. 프로그래밍이 가능한 인덕터 피크 전류 한도(IP_SBBX)는 0.5A로 설정되어 있다.
[그림 7] 벅 vs. 벅 부스트 효율
일반적인 전력관리 방식
일반적인 스마트워치 전력관리 시스템은 [그림 8]에서 확인할 수 있다. PMIC는 배터리 충전기와 마이크로 회로에 전력을 공급하는 벅 컨버터, 디스플레이에 전력을 공급하는 LDO를 구현해준다. 듀얼 LDO인 두 번째 IC는 센서와 블루투스에 전력을 공급한다. 단순화를 위해 외부 패시브는 표시하지 않았다.
[그림 8] 일반적인 히어러블의 전력 흐름도
전력 측면에서 SIMO 장점
일반적 구현에 대한 전체 전력 수형도는 [그림 9]와 같다. 이처럼 전형적인 공간 제약형 솔루션에서는 LDO의 집중적인 사용으로 전체 효율이 73.8%에 불과하다.
[그림 9] 효율이 낮은 일반적 솔루션의 전력 수형도
[표 1]은 두 가지 솔루션의 전력 성능을 보여준다.
[표 1] SIMO와 기존의 일반 솔루션 성능
SIMO 솔루션은 효율이 우수해 배터리 소모가 적고, 전압 작동 범위가 최소 2.7V로 넓어 스마트워치의 작동 시간을 늘려준다.
크기 측면에서 SIMO 장점
[그림 9]에 나타난 모든 일반적 전력 흐름도에 대한 액티브 및 패시브 부품은 [그림 10]의 솔루션 도표에 설명되어 있다.
[그림 10] 일반적 히어러블 솔루션의 보드 면적 (32.4mm2)
일반적인 히어러블 솔루션이 보드에서 차지하는 면적은 32.4mm2로 SIMO 기반 솔루션의 19.2mm2보다 69% 크다. 이 회로는 상대적으로 낮은 수준의 집적도와 여러 LDO의 적용, 더 큰 패시브로 공간과 전력 측면 모두 효율이 낮다.
지금까지 SIMO 아키텍처 기반의 고집적 PMIC로 스마트워치의 전력부를 구성하는 장점과 함께 낮은 집적도의 일반적인 솔루션을 PCB 공간 및 전력 소비 측면에서 비교했다. MAX77654 PMIC는 특유의 SIMO 아키텍처 덕분에 더 작은 크기에서 더 높은 출력을 제공함으로써 스마트워치 및 휴대용 초소형 기기의 배터리 수명을 늘리고 폼팩터를 줄여준다.
스마트워치 시장은 수많은 신기능 및 애플리케이션으로 꾸준히 성장하고 있다. 개인 건강, 피트니스 제품에는 추적·알람·연결성 등의 새로운 기술이 적용되고, 긴급 지원 및 차량 상태 업데이트 기능으로 자동차를 제어할 수 있다. 방수, 내충격 기능은 물론 디스플레이도 더욱 선명해졌다. 고해상도 카메라, GPS 수신기, 작지만 강력한 스피커, 커다란 저장 공간을 비롯해 다양하고 새로운 기능이 스마트워치에 더해지고 있다.
소형 폼팩터 구현을 위해서는 초소형화된 전자부품과 배터리 수명 연장이 요구된다. SIMO 아키텍처는 매우 작은 공간에서 더 높은 효율로 전력을 제공하는 혁신적 전력관리 시스템을 제시하는 한편 초소형화된 웨어러블 기기를 위한 배터리 수명 연장을 가능하게 한다[그림 1].
[그림 1] 작동 중인 스마트워치
고효율 솔루션은 공간을 최소화하고 배터리 충전기와 스마트워치에 전력을 공급하는데 필요한 레귤레이션을 하나의 칩에 통합한다. 스위칭 레귤레이터를 단일 인덕터에 구현하는 SIMO 벅 부스트(buck-boost) 컨버터는 공간을 줄여준다. 각 레귤레이터의 토폴로지는 프로그래밍이 가능해 배터리 전압 범위 내 또는 초과 전압에 대한 벅 부스트 작동은 물론 배터리 전압 미만의 전압에 대해 벅 부스트에 비해 높은 효율의 벅 작동을 제공한다.
또한 고주파수 운용 방식으로 소형 인덕터의 사용이 가능해 필요 공간을 더 줄일 수 있다. 두 개의 온칩 LDO(Low DropOut)는 잡음에 민감한 부하나 부하 스위치에 사용된다. [그림 2]는 고집적 SIMO PMIC 선형도며 단순화를 위해 외부 패시브는 표시하지 않았다.
[그림 2] 고집적 SIMO PMIC 선형도
SIMO 전력 수형도
[그림 3]은 시스템 전력 수형도로 각 레귤레이터의 출력 전압, 부하 전류, 효율 및 전력 손실(PD)을 보여준다. 5개 부하 중 3개는 고효율 SIMO 스위칭 레귤레이터에 의해 직접 전력을 공급받는다. 4번째와 5번째 부하에 대한 LDO도 SIMO에 의해 전력을 공급받으며 낮은 드롭아웃(2~1.8V)으로 90%의 높은 효율을 구현한다. 시스템 전체 효율은 86.2%로 매우 뛰어나다.
[그림 3] 고효율 SIMO의 전력 수형도
SIMO 컨버터
[그림 4]는 SIMO 컨버터의 블록 다이어그램(인덕터를 제외한 모든 부품)이다. 스위칭 레귤레이터는 손실값을 최소화해 전력을 전달하며 잘 설계된 아키텍처로 덕분에 스위칭 레귤레이터 각각에 인덕터를 하나씩 할당할 필요가 없다.
[그림 4] SIMO PMIC 전력 선형도
인덕터 전류 공유
이 히스테리시스(이력현상·hysteretic) 불연속 전류모드(DCM) 레귤레이터에서 인덕터는 전류가 항상 0으로 수렴하므로 공유가 가능하다. 벅 부스트 모드에서 이 인덕터는 M1, M4가 ‘ON’ 상태일 때 VIN/L의 비율로 전류를 축적한다. [그림 5]와 같이 이 전류는 프로그래밍된 제한값에 도달하면 선택된 SBBx 출력부로 M2 및 M3_x 트랜지스터를 통해 전달된다.
벅 모드에서 M1 and M3_이 온 상태로, (VIN - VSBBx)/L의 비율로 인덕터에 전류를 축전하는 한편 전류를 출력부로 전달한다. 인덕터 전류가 사전 프로그래밍된 제한값에 도달하면 M2s는 ON으로 M1는 OFF로 전환해 인덕터에 있는 전력이 출력부로 송출된다.
벅 모드의 전체 사이클에서 볼 때 전류가 출력부에 전달되면 벅 부스트의 전류는 M2 and M3_x 트랜지스터가 ON 상태인 단계에서만 출력부로 전송된다. 사이클당 출력부로 전송되는 전류량이 많을수록 벅 컨버터의 아키텍처 효율이 높다.
출력부는 각자의 출력 오류 비교기에서 요청한 순서에 따라 FIFO(선입선출) 방식으로 서비스가 제공된다.
[그림 5] SIMO 전류 파형
[그림 5]와 같이 3개 스위칭 레귤레이터는 한 번에 하나씩 서비스가 제공되며 인덕터 전류는 0A가 되어 교차 레귤레이션 이슈를 방지한다.
부피 축소 및 배터리 수명 연장
소형 MAX77654 PMIC (WLP, 2.79mm x 2.34mm x 0.5mm)는 SIMO 스위칭 레귤레이터와 이 제품의 통합 LDO 덕분에 기존 설계 방식보다 41% 작은 PCB 공간에서 최소한의 손실로 전력을 전달한다. [그림 6]에서는 모든 PCB 액티브 및 패시브 구성품을 보여준다.
[그림 6] 최소의 보드 공간((19.2mm2)을 차지하는 SIMO PMIC 솔루션. 보드 공간이 19.2mm2에 불과하다.
뛰어난 효율성
필요할 때마다 언제든지 벅 모드를 프로그래밍할 수 있어 효율성이 매우 뛰어나다. [그림 7]에서 SIMO 벅 작동은 벅 부스트 작동에 비해 효율성이 10% 높음을 보여준다. 프로그래밍이 가능한 인덕터 피크 전류 한도(IP_SBBX)는 0.5A로 설정되어 있다.
[그림 7] 벅 vs. 벅 부스트 효율
일반적인 전력관리 방식
일반적인 스마트워치 전력관리 시스템은 [그림 8]에서 확인할 수 있다. PMIC는 배터리 충전기와 마이크로 회로에 전력을 공급하는 벅 컨버터, 디스플레이에 전력을 공급하는 LDO를 구현해준다. 듀얼 LDO인 두 번째 IC는 센서와 블루투스에 전력을 공급한다. 단순화를 위해 외부 패시브는 표시하지 않았다.
[그림 8] 일반적인 히어러블의 전력 흐름도
전력 측면에서 SIMO 장점
일반적 구현에 대한 전체 전력 수형도는 [그림 9]와 같다. 이처럼 전형적인 공간 제약형 솔루션에서는 LDO의 집중적인 사용으로 전체 효율이 73.8%에 불과하다.
[그림 9] 효율이 낮은 일반적 솔루션의 전력 수형도
[표 1]은 두 가지 솔루션의 전력 성능을 보여준다.
[표 1] SIMO와 기존의 일반 솔루션 성능
SIMO 솔루션은 효율이 우수해 배터리 소모가 적고, 전압 작동 범위가 최소 2.7V로 넓어 스마트워치의 작동 시간을 늘려준다.
크기 측면에서 SIMO 장점
[그림 9]에 나타난 모든 일반적 전력 흐름도에 대한 액티브 및 패시브 부품은 [그림 10]의 솔루션 도표에 설명되어 있다.
[그림 10] 일반적 히어러블 솔루션의 보드 면적 (32.4mm2)
일반적인 히어러블 솔루션이 보드에서 차지하는 면적은 32.4mm2로 SIMO 기반 솔루션의 19.2mm2보다 69% 크다. 이 회로는 상대적으로 낮은 수준의 집적도와 여러 LDO의 적용, 더 큰 패시브로 공간과 전력 측면 모두 효율이 낮다.
지금까지 SIMO 아키텍처 기반의 고집적 PMIC로 스마트워치의 전력부를 구성하는 장점과 함께 낮은 집적도의 일반적인 솔루션을 PCB 공간 및 전력 소비 측면에서 비교했다. MAX77654 PMIC는 특유의 SIMO 아키텍처 덕분에 더 작은 크기에서 더 높은 출력을 제공함으로써 스마트워치 및 휴대용 초소형 기기의 배터리 수명을 늘리고 폼팩터를 줄여준다.
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