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효율적으로 무선 제품의 전력요건을 최적화하는 전력관리 IC

글/최수철 지사장, 노르딕 세미컨덕터 코리아 

노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)의 nRF52 및 nRF53 시리즈 멀티 프로토콜 SoC는 임베디드 전원공급장치를 내장하고 있다. 이 디바이스들은 효율적으로 여러 전압 레일을 지원할 수 있으며, 전세계 수백만 개에 달하는 무선 제품에 전력을 공급하고 있다. 그렇다면, 노르딕이 자사 최초의 디스크리트 전력관리 IC인 nPM1100 PMIC를 출시한 이유는 무엇일까?

한 가지 이유는 일반적으로 SoC에 전원을 공급하고, 무선 기기의 배터리를 충전하는 외부 전압 레귤레이터에 대한 고객의 요구에 대응하기 위한 것이었다. 또 다른 이유는 강력한 프로세서와 고밀도 메모리가 내장된 동일한 실리콘 상에서 동작해야 하는 아날로그 전원공급장치 설계의 한계를 극복하기 위한 것이었다. nRF52 및 nRF53 시리즈 SoC에 사용되는 웨이퍼 제조공정 노드는 전원공급장치 설계에 일부 기술적 제약이 있으나, 별도의 실리콘에서 제조될 경우 이러한 제약사항들을 제거할 수 있다. 

노르딕의 아날로그 엔지니어들은 이러한 설계 제약에서 벗어나 nPM1100을 개발할 수 있었다. 이 PMIC는 USB 호환 입력 레귤레이터와 400mA 배터리 충전기 및 150mA DC-DC 스텝다운 벅 전압 레귤레이터를 내장하고 있다. 또한 이 제품은 과전압 및 과열 보호 기능도 포함하고 있다. 

노르딕은 nPM1100을 통해 현재 및 미래의 고객들이 무선으로 기기와 클라우드를 연결하는 것은 물론, 동일한 기기에 전원을 공급하고 충전할 수 있도록 지원한다. 이 PMIC는 소형 IoT 기기의 공간 제약 요건을 충족할 수 있도록 최소한으로 컴팩트하게 설계되었다. 주요 적용 사례로는 리모콘과 웨어러블, 개인용 의료기기 및 휴대용 센서 등이 있으며, 이는 많은 기능을 제공하면서도 제품의 크기는 작게 유지해야 하는 유형의 제품들이다. 

배터리 충전 기능

nPM1100은  JEITA(Japan Electronics and Information Technologies Industries Association) 인증 배터리 충전기를 내장하고 있으며, 이는 저항으로 선택 가능한 20mA ~ 400mA의 충전 전류와 4.1V 또는 4.2V를 선택할 수 있는 터미네이션 전압으로써 애플리케이션의 리튬이온 또는 리튬폴리머 배터리 팩을 재충전할 수 있다. 또한 이 충전기는 배터리 열 보호 기능이 포함되어 있으며, 자동 세류충전과 정전류 및 정전압 충전 등 3가지 충전 모드를 자동으로 선택할 수 있다. 

nPM1100 시스템 레귤레이터는 4.1V ~ 6.6V의 USB 입력 전압 범위에서 전원을 공급한다.(USB 케이블을 제거하면, 무선 제품 배터리는 즉시 충전 상태에서 전원 소스로 전환된다.) USB 연결을 통해 최대 500mA 출력 전류에서 3.0V ~ 5.5V의 비조정 전압을 애플리케이션에 공급할 수 있다. DC-DC 컨버터 요소는 시스템 레귤레이터 출력에서 전원을 공급받아 무선 제품에 최대 150mA를 공급할 수 있다(위에서 언급한 일반적인 타깃 애플리케이션에 충분함). 또한 최대 92%의 효율로 4개의 전압(1.8V, 2.1V, 2.7V, 3.0V) 중 하나로 입력 전압을 조절할 수 있다. 제품 설계 시에 디바이스의 두 개의 핀을 하이 또는 로우(로우/로우, 하이/로우, 로우/하이, 하이/하이 등)로 설정하여 공급전압을 선택할 수 있다. 

애플리케이션 요건에 따라 최대 400mA까지 배터리 충전기로 공급할 수 있다.(우선순위는 애플리케이션이기 때문에 100mA 이상 요구되는 경우, 배터리 충전 전류는 감소하고, 충전 주기는 증가한다.) 이 충전기는 공칭 3.6V 또는 3.7V 리튬이온이나 리튬폴리머 배터리를 선택한 터미네이션 전압까지 높일 수 있다. 충전 방식은 일반적인 리튬이온 프로파일(세류 충전(필요한 경우), 정전류 및 마지막으로 셀 충전을 위한 정전압)에 따라 충전 중에 배터리가 손상되지 않도록 한다. 충전 속도는 보통 1C(예를 들어, 400mAh 배터리를 1시간 이내에 완충)이며, 더 작은 배터리에서는 2C 충전 속도까지 가능하다. 충전기는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 서미스터를 갖추고 있어 배터리 팩(3번째 배터리 입력을 통해)을 위한 열 보호 기능을 제공한다. nPM110의 충전기는 자체적인 열 보호 기능도 갖추고 있다. 디바이스가 너무 뜨거워지면 작동을 중단하고, 냉각되면, 감소된 충전률에 따라 충전을 재개한다. 

높은 효율성 또는 공간 절감?

nPM1100 기반 전원공급장치를 위한 외부 부품 선택은 개발자가 가장 긴 배터리 수명에 중점을 둘 것인지, 아니면 가장 컴팩트한 제품을 설계할 것인지에 따라 달라질 수 있다. 

nPM1100은 듀얼 모드, 높은 전류를 공급하는 경우에는 PWM(Pulse Width Modulation), 낮은 전류 부하로 동작하는 경우에는 히스테리스 동작(Hysteretic Operation)을 이용해 넓은 부하 범위에서 높은 수준의 효율을 달성한다. 이 PMIC는 규정 요건에 따라 최고 효율을 제공하는 모드로 자동 전환된다. 그러나 SoC의 무선 기능이 동작 중인 경우에는 EMI(Electromagnetic Interference)를 최소화하기 위해 nPM1100은 PWM 모드로 전환된다. 

반면 더 작은 크기의 회로 풋프린트를 구현하기 위해 일부 효율성을 절충할 수도 있다. 이 PMIC는 2.075mm(L) x 2.075(W)mm x 0.5mm(H)에 불과한 WLCSP(Wafer Level Chip Scale Package)로 제공된다. 이 칩은 주변 부품이 거의 필요하지 않도록 설계되었으며, 외부 인덕터만 있으면 된다. 최대 효율을 얻기 위해서는 PMIC 크기에 해당하는 인덕터가 필요하고, 회로의 면적은 약 27mm2를 차지한다.(노르딕의 레퍼런스 설계 기준) 반면 크기를 최소화하기 위해 더 작은 인덕터를 선택하고, 효율을 일부 희생할 수 있다.(최고 효율은 인덕터의 직렬저항과 포화특성에 크게 좌우된다.) 이를 통해 약 88%의 효율로 약 23mm2 크기의 회로를 구현할 수 있다.(nPM1100을 위한 하드웨어 설계 및 인덕터 선택과 관련한 설계 팁을 제공하는 노르딕 기술백서는 bit.ly/3FuhzAt에서 확인할 수 있다.)

효율적인 회로를 통해 작은 배터리를 사용함으로써 배터리 수명을 유지하면서도 공간을 확보할 수 있다는 점을 기억해야 한다. 또한 이러한 솔루션은 비용도 절감할 수 있다. 

[그림 1] 노르딕_nPM1100_애플리케이션 블록 다이어그램: nPM1100은 USB 호환 입력 레귤레이터와 400mA 배터리 충전기 및 150mA DC-DC 벅 전압 레귤레이터로 구성되어 있다.

운송기간 중 저전류 소모

제조된 무선 제품을 소비자가 구매하기까지 몇 개월이 걸릴 수 있다. 따라서 이 기간 동안 배터리가 저전압 임계값 아래로 떨어지면서 성능이 저하되거나 파손되는 것을 방지하기 위해서는 배터리가 완전히 방전되지 않도록 하는 것이 중요하다. 이와 함께 항공사 규정에 따라 배터리로 동작하는 제품들은 운송 전에 저전력 소비 상태로 전환되어야 한다. 또한 소비자가 제품을 받고 충전할 필요 없이 즉시 전원을 켤 수 있다면 유용할 것이다. nPM1100은 이러한 요구사항을 충족할 수 있도록 저전류 소모 ‘운송모드(Ship Mode)’로 전환이 가능하다. 

운송모드로 전환하면, nPM1100의 전류 소모는 470nA이다. 일부 경쟁 디바이스들은 10nA 미만의 운송모드를 유리한 이점으로 강조하고 있지만, 리튬이온 셀의 자체 방전 전류와 비교하면 이는 크게 중요하지 않다. 배터리는 한 달에 약 3%의 비율로 자체 방전된다. 이는 일반적인 웨어러블 기기의 셀에서 6μA ~ 7μA 전류가 방전되는 것과 같으며, PMIC의 자체 운송모드 전류에 비하면 훨씬 큰 수치이다. 

제품이 운송모드로 전환되기 전에 배터리가 50% 충전된 웨어러블 기기를 예로 들어보자. 노르딕의 PMIC가 장착된 제품은 6개월 후 약 30.6% 충전 상태로 방전될 것이며, 이에 비해 경쟁 디바이스가 탑재된 제품은 약 31.9%의 충전 용량이 남게 될 것이다. 이 정도의 차이는 소비자에게 큰 영향을 미치지 않는다. 중요한 점은 재충전 시까지 웨어러블 기기가 얼마나 오래 동작하는가이며, 이는 웨어러블 기기를 정상적으로 사용할 때 PMIC가 얼마나 효율적으로 작업을 수행하는지에 따라 결정된다. 

[그림 2] nPM1100_평가키트(Evaluation Kit): nPM1100 PMIC는 커스텀 하드웨어를 만들 필요 없이 기존 애플리케이션으로 칩의 기능을 테스트할 수 있는 평가 키트(EK: Evaluation Kit)가 함께 제공된다. nPM1100 EK는 PMIC 회로의 고효율(92%) 구현에 기반하고 있다. 이 EK는 nRF52 또는 nRF53 DK와 함께 동작이 가능하다. 또한 노르딕의 파워 프로파일러 키트2(PPKII)와 함께 사용하여 실제 전력소모량을 측정할 수도 있다. 일반적으로 보드 레이아웃에 따른 구성은 EK의 DIP 스위치로 변경할 수 있다. 

다음 단계는?

nPM110 PMIC는 노르딕 PMIC 제품군 중 첫 번째 제품이다. 향후 경쟁 제품에서는 제공되지 않는 독보적인 시스템 관리 기능을 갖춘 칩들이 추가로 출시될 예정이다. 이러한 기능이 도입되면, 고기능 휴대용 무선 제품을 보다 쉽고, 저렴하게 설계할 수 있을 것이다. 

노르딕 PMIC 제품군의 또 다른 제품은 많은 컨슈머 제품 및 IoT 센서에 사용되는 코인 셀과 같은 비충전식 배터리를 대상으로 한다. 이 디바이스는 배터리에서 가능한 최대한의 에너지를 추출하여 사용수명을 연장함으로써 무선 제품의 수명기간 동안 필요한 교체 배터리 수를 줄이고, 지속가능성에 기여할 수 있다. 이 PMIC 설계에는 배터리의 출력 전압이 떨어지면, 남아있는 용량을 모두 추출할 수 있는 스텝다운(벅) 및 스텝업(부스트) 기능이 모두 포함되어 있다. 노르딕의 비충전식 셀을 위한 PMIC는 충전기 요소를 포함할 필요가 없다. 

보다 자세한 정보는 노르딕 기술 웨비나인 ‘업계에서 가장 컴팩트한 전력관리 솔루션 소개’ 자료(bit.ly/3ntv7Gi)에서 확인할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
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