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웨어러블과 히어러블을 위한 솔루션

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글/짐 해리슨(Jim Harrison), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

최근 몇 년간 수많은 웨어러블 기술 제품들이 소개되어왔다. 그 중에서도 히어러블은 웨어러블 기술의 가장 인기 있는 파생품으로 자리잡고 있다. 특히 무선 이어버드는 이동성과 전선으로부터의 자유가 제공되기 때문에 매우 인기가 많다. 이어버드는 음악·팟캐스트용 휴대전화 인터페이스, 보청기, 개인용 음성증폭기(PSAP, 보청기와 비슷하나 의료인증을 받지 않는 것이 특징) 등 3개의 분야에서 많이 사용된다.
세 가지 모두 조정 가능한 주파수 응답과 액티브 노이즈 캔슬링을 제공하는 경우가 많다. 일부 이어버드 제품에는 오프라인 재생을 위한 4GB 플래시도 탑재돼 있다. 모든 제품은 각 이어버드에 충전이 필요한 배터리를 사용한다.
다양한 유선 이어버드가 사용되고 있지만, 완전 무선 이어폰(TWS, True Wireless Studio) 제품이야말로 이어버드의 지향점이라고 할 수 있다. Statista에 따르면, 2018년 3분기에 전 세계 판매업체는 1,500만 대의 TWS 이어버드를 출하했다. 2019년 3분기의 경우 이 수치는 4,250만까지 상승했다. 충전식 히어러블 시장의 지속적인 성공은 이러한 소형 휴대용 장치를 신뢰할 수 있고 효율적인 전력 관리 시스템과 통합하는 데 달려 있다.
본 기사에서는 이어버드 기술의 가장 유망한 애플리케이션에 대해 논의하고, 전력과 데이터 전송을 관리하여 충전기와 히어러블 사이의 연결을 단순화하는 휴대용 장치의 전력 관리 솔루션에 대해 살펴보기로 한다.

(이미지 출처 : GO DESIGN/Shutterstock.com)

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히어러블은 사용자의 맥박을 측정하는 데 사용될 수도 있고, 마이크로폰이 포함된 제품의 경우에는 Google Assistant나 Amazon Alexa와 같이 디지털 어시스턴트가 포함된 컴퓨터와 스마트 기기에 음성 명령을 내리는 데 사용될 수 있다.
또한 히어러블은 백색소음과 핑크소음 발생기를 통합할 수 있는데, 이는 집중력, 휴식 또는 수면을 향상시키기 위해 거슬리는 주변 환경 소음을 들리지 않게 하는데 사용된다. 이런 애플리케이션들은 이어버드 시장을 크게 확대시킬 가능성이 높다.

충전식 설계

TWS 무선 히어러블 장치는 보통 4~8시간마다 제공된 케이스에서 배터리를 충전해야 한다. TWS 무선 히어러블 장치의 충전 방법은 시장 성공에 있어서 매우 중요하다.
충전 케이스의 경우에도 배터리가 있기 때문에 사용자는 이동 중에 히어러블을 충전할 수 있다. 충전 케이스는 USB 포트에서 충전하는 데 약 1.5시간이 걸린다.
대부분의 히어러블 장치는 충전 케이스에 3핀 커넥터를 사용하여 5VDC 및 통신 채널을 공급한다. 이 통신 채널은 충전 케이스와 히어러블 모두에서 배터리를 모니터링하는 데 사용된다.
또한 해당 접속부는 펌웨어 업데이트에도 사용된다. 또 어떤 모델들은 각각의 이어버드가 케이스에 놓였을 때를 감지하는 네 번째 핀을 가지고 있기도 하다.

더 나은 방법: MAX20340 전력 관리 IC

히어러블 기기의 크기를 고려할 때, 인터페이스에 접점이 서너 개 존재하는 것은 문제가 된다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 전원 핀에 통신 링크를 결합한 핀 두 개만을 연결하는 방법을 사용한다.
MAX20340 양방향 DC 전력선 통신 관리 IC는 전력과 데이터 전송을 단일 채널로 결합하는데, 이는 충전 케이스와의 인터페이스에 2개의 핀만 필요하다는 것을 의미한다(그림 1).

[그림 1] MAX20340은 초소형 9범프, 1.358mm2 WLF 패키지로 제공된다(출처: 마우저 일렉트로닉스)

이 문제에 대한 이상적 솔루션인 MAX20340은 1.2A까지의 충전 전류에 대해 양방향 166.7kbps 비트 전송률의 I2C 링크와 전력 관리를 제공한다. 이 장치는 충전 케이스(마스터)와 청각 장치(슬레이브)에 모두 사용된다.

“또한 이러한 최적화 방법은 이어버드가 더 빠른 속도로 충전될 수 있다는 것을 의미하기도 한다.”

또한 MAX 20340에는 자동 슬레이브 감지 기능이 있어 충전 케이스가 히어러블 장치가 도킹되었음을 인식하기 위한 홀 효과 센서나 전용 핀이 필요하지 않다.
이 칩은 높은 ESD 보호 기능을 포함하고 있어 추가적인 TVS 다이오드가 필요하지 않다. 마스터 IC는 시스템 다이어그램(그림 2)에 표시된 바와 같이 각 이어버드 내 주소 지정 가능한 슬레이브 IC가 위치한 충전 케이스에 있다.

최적화된 충전 방법

히어러블의 충전 케이스에는 일반적으로 배터리 및 USB 커넥터의 두 가지 전력 공급원이 포함된다. 외부 벅-부스트 변환기는 선택한 소스를 조절하여 안정적인지 확인한다.
그림 2는 Maxim MAX20340 전력 관리 IC를 사용하는 히어러블의 충전 시스템 다이어그램이다. MAX20343 초저 대기 전류, 3.5W 출력 벅 부스트 조정기를 MAX20340과 함께 사용하여 히어러블 장치의 전력 손실을 줄일 수 있다. MAX20340은 간헐적으로 2개의 이어버드 배터리 전압을 조회하여 해당 정보를 케이스 쪽의 마이크로컨트롤러에 전달한다.

[그림 2] MAX 20340을 사용한 이어버드 충전 시스템 다이어그램. 이 다이어그램은 충전 케이스에 위치한 마스터 IC와 각 이어버드의 감지 가능한 슬레이브 IC를 보여준다. 충전 스테이션에는 USB, 전력 경로(power-path) 충전기, 벅 부스트 변환기도 포함된다(출처: Maximum Integrated)

그런 다음 MCU는 선형 충전기에 필요한 이어버드 배터리 전압과 오버헤드를 일치시키도록 벅-부스트 변환기의 출력 전압을 조정한다. 이는 케이스 사이드 배터리의 에너지 손실을 최소화하고 이어버드에서 발산되는 열을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한 이러한 최적화 방법은 이어버드가 더 빠른 속도로 충전될 수 있다는 것을 의미하기도 한다. 이 MAX20343은 16범프, 1.77mm x 2.01mm, 0.4mm 피치 WLP 또는 12핀, 2.50mm x 2.50mm, 0.5mm 피치 FC2QFN 패키지 중에서 선택할 수 있다. MAX 20343 평가 키트인 MAX20340EVKIT# 또한 구매 가능하다.

결론

히어러블은 웨어러블 시장에서 인기 있는 파생품이다. 완전 무선 이어버드는 빠르게 인기를 얻고 있다. 누가 걸리적거리는 선을 필요로 하겠는가? 좋은 무선 이어버드 디자인을 위해서는 어떤 세련됨이 필요하다.
물론 이 작은 장치들은 크기가 제한되어 있지만 배터리의 전력 관리는 매우 중요하다. 이어버드 케이스와 두 장치의 시너지가 필수적이다. MAX20340은 그 시너지를 제공할 수 있으며, MAX20343 벅-부스트 조정기와 결합하면 최상의 전력 관리를 제공하게 된다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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