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SIMO 스위칭 레귤레이터 : 히어러블 및 웨어러블 디바이스의 배터리 시간 연장

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글/Cary Delano, Distinguished Member of Technical Staff, and Gaurav Mital, Principal Member of Technical Staff, Mobile Solutions Business Unit,

     Maxim Integrated

히어러블이나 웨어러블 같은 극소형 디바이스에 대해서 소비자들은 크기는 되도록 작으면서 배터리 시간은 오래 가기를 바란다. 하지만 디바이스 크기를 작게 하려면 배터리 용량이 제한될 수밖에 없다. 이 글에서는 바로 이러한 경우에 사용하기 적합한 것으로서 SIMO(single-inductor multiple-output) 아키텍처를 기반으로 한 스위칭 레귤레이터에 대해서 설명한다.
SIMO 아키텍처와 낮은 대기전류로 공간 제약적 전자제품의 배터리 시간을 연장할 수 있다.
이 글에서는 SIMO 기술과 이 기술이 어떻게 작동하는지에 대해서 좀더 깊이 있게 이해할 수 있도록 하였다. 또한 이 글에서는 SIMO 레귤레이터를 채택함으로써 기존 솔루션과 비교해서 절반 미만의 공간으로 동일한 기능을 달성하면서, 전력 소모와 부품 수는 줄이는 전원 관리 IC(PMIC)를 소개한다.

극소형 디바이스의 배터리 시간 요구 충족

이어버드(earbud) 같은 디바이스를 장시간 착용할 때 중간에 다시 충전을 해야 한다면 무척이나 성가실 것이다. 그러므로 소비자들은 히어러블, 웨어러블, 여타의 배터리로 작동되는 극소형 전자 디바이스에 대해서 배터리로 장시간 사용할 수 있는 것을 요구한다.
하지만 이와 같은 사용자 요구를 충족하도록 설계한다는 것이 말처럼 쉽지만은 않다. 제약적인 폼팩터를 충족하려면 작은 리튬이온 배터리를 사용해야 하며, 이러한 배터리로 다음 충전 때까지 되도록 오래 사용할 수 있게 해야 한다. 그런데다가 이러한 디자인을 이루는 서브시스템들의 각기 다른 다양한 전압 요구를 충족해야 한다.
이러한 시스템에 적합한 솔루션이 바로 SIMO 아키텍처이다. 많은 기능을 통합함으로써 외부 여러 소자들을 제거할 수 있기 때문이다. 그러면 SIMO 아키텍처가 어떤 것이고 어떻게 작동하는지 살펴보자.

SIMO 아키텍처

기존의 다중 스위칭 레귤레이터 토폴로지는 각각의 스위칭 레귤레이터로 각기 인덕터를 필요로 한다(그림 1). 인덕터는 크기가 크고 비싸므로 소형 폼팩터 제품에 사용하기에는 불리하다. 또 다른 방법은 선형 레귤레이터를 사용하는 것이다. 선형 레귤레이터는 빠르고, 컴팩트하고, 잡음이 낮으나, 전력 소모가 높다. 또 다른 대안으로는, 다중의 LDO와 DC-DC 컨버터를 함께 사용하는 하이브리드 기법이 있을 수 있다. 이 구성은 전력 소모와 열 발산은 중간 정도이나 LDO만 사용하는 것보다는 디자인의 크기가 커진다.
이 글에서 설명하는 벅-부스트(buck-boost) SIMO 컨버터는 하나의 인덕터로 3개까지의 출력 전압을 레귤레이트할 수 있다. 벅-부스트 토폴로지는 벅(buck) 기능만 제공하는 SIMO에 비해서 각기 채널을 지원하기 위해 더 적은 시간을 필요로 하므로 인덕터를 더 잘 활용할 수 있다. 벅 기능 SIMO 는 출력 전압이 배터리 전압에 가까워질수록 문제가 된다. 인덕터를 너무 오래 필요로 함으로써 다른 채널에 영향을 미치기 때문이다.
LDO로는 절대로 부스트 기능을 제공할 수 없다. SIMO는 하나의 인덕터를 필요로 하므로 최소한 하나의 부스트 전압을 필요로 하는 솔루션은 거의 언제나 벅-부스트 SIMO 를 사용하는 편이 낫다. 인덕터 포화 전류(Isat)는 인덕턴스가 70%로 떨어졌을 때의 전류를 말하는 것으로서, 특정한 코어 소재 및 구조로 인덕터 코어 크기에 따라서 결정된다. SIMO 아키텍처는 하나의 인덕터를 사용하므로 각기 별도의 DC-DC 컨버터를 사용하는 것에 비해서 다음과 같은 이점들을 제공한다:
• 시스템이 허용하는 한에서 (Z축) 높이에 대한 제약이 줄어든다.
• 기존 솔루션과 비교해서 여러 인덕터를 사용할 필요가 없으므로 비용을 절감하고 풋프린트를 줄일 수 있다.
• 대부분 시간에 각기 다른 기능들이 동시적으로 사용되지 않으므로 시간 다중화를 할 수 있다. 이 기능은 특히 총 전원 전류가 각기 출력 요구량을 합친 것보다 낮을 때 유용하다. 예를 들면 이벤트들이 각기 다른 레일 전압을 사용해서 순차적으로 발생될 수 있다.
예를 들어서 블루투스 시스템의 경우에 데이터를 다운로드하고 나서 기능을 작동할 수 있다. 그러므로 무선에 쓰이는 전력과 기능 작동에 쓰이는 전력이 각기 다른 시점에 사용된다. 그러므로 SIMO 인덕터에 필요로 하는 총 Isat(인덕터 포화 전류)은 각기 별도의 컨버터들로 필요로 하는 것보다 더 적다.
• RMS(인덕터 전류 정격) - 채널들을 시간 다중화 하지 않더라도, 피크 전력 소모가 동시적으로 일어나지 않으므로, 이 점이 또한 총 인덕터 Isat 요구량을 낮출 수 있다...(중략)