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웨어러블 기기로 우수한 전력 효율을 달성하기 위한 설계 기법들

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글/Chris Francis, Mouser Electronics

웨어러블 전자기기 시장이 빠르게 성장함으로써 2020년에는 시장 규모가 100억 달러 이상에 이를 것으로 전망된다. 그런데 기기 자체가 소형이고 그러므로 배터리도 소형이 되어야 하므로, 이러한 소형 기기로 수 일 또는 수 시간이 아니라 수 개월 또는 수 년의 배터리 수명을 달성하기 위해서는 세심함과 창의성을 필요로 한다. 이것은 다시 말해서 클록 스타트업 시간에서부터 MOSFET의 스위칭 시간에 이르기까지 모든 것들에 대해서 세심한 주의를 기울여야 한다는 뜻이다. 다음은 배터리 에너지를 마지막까지 최대한 활용하고자 할 때 유용할 수 있는 기법들을 나열하고 있다. 어떤 방법은 아주 미미한 양의 에너지만을 절약할 수 있고, 또 어떤 방법은 훨씬 더 많은 에너지를 절약할 수 있을 것이다. 소량의 에너지만을 절약할 수 있는 방법들이라 하더라도 여러 개를 합치면 상당한 양의 에너지를 절약할 수 있을 것이다.

슬립 모드

전원을 완전히 끌 수 없는 경우라 했을 때 전력을 절약할 수 있는 가장 확실한 방법은 기기를 되도록이면 많은 시간 동안 저전력“슬립(sleep)”상태에 있도록 하는 것이다. 그러려면 이 상태에서 깨어나게 하기 위한 수단이 필요하다. 이것은 시간적으로 주기적으로 하거나 또는 버튼 누름이나 물리적 동작 같은 이벤트(인터럽트)에 의해서 할 수 있다. 그런 다음에는 기기를 얼마나 자주 깨울 것이냐나 기기를 깨웠을 때 어떻게 동작하도록 할 것이냐 같이 여러 가지 파라미터들을 적절히 조절할 수 있다.

또한 동적으로 슬립 간격에 변화를 줄 수도 있다. 다시 말해서 어떤 일이 벌어지고 있느냐에 따라서 기기가 슬립 상태로 있는 시간 간격에 변화를 줄 수 있는 것이다. 예를들어서 피트니스 모니터링 기기라고 했을 때 동작이 있을 때는 데이터를 더 빈번하게 모니터링 및 기록하고자 할 것이나 동작이 느려지거나 멈추면 모니터링 간격을 늘림으로써 배리 전력을 절약할 수 있는 것이다.

I2C(IC간) 통신

I2C(Inter-IC) 통신은 풀업 저항을 사용하는데 이 풀업 저항이 전력을 소모한다(SPI는 풀업 저항을 필요로 하지 않는다). IC들 간에 핀 커패시턴스가 전력을 소모한다. 그러므로 되도록 전송하는 데이터 양을 최소화해야 한다. 예를 들어서 3.3V 전원으로 4개의 5pF 라인을 사용하고 이들 각각을 20MHz로 실행한다면 핀 커패시턴스만으로 660μA를 소모할 것이다(전류 = 0.5CVf에 따라서. C는 핀 커패시턴스이고, V는 전원 전압이고, f는 주파수이다). 이 핀 커패시턴스는 데이터를 보내고 받을 때의 모든 IC 커패시턴스를 합친 것이다. 이 전류는 IC 전류에 비하면 극히 적은 양이겠지만 항상 그런 것만도 아니다. 해당 기기의 동작에 따라서 달라질 수 있는 것이다. 바로 이러한 점에서 집적도가 높은 칩들이 가장 효율적인 것이다. 주변장치, RAM, 플래시 메모리에 대한 액세스가 모두 내부적으로 이루어지므로 이러한 주변장치나 메모리를 액세스하기 위해서 핀 커패시턴스를 수반하지 않기 때문이다. 핀 커패시턴스의 상당 부분은 ESD 보호 다이오드에 의한 것이다...(중략)