저전력 설계 구현하기
프로세서, 전력 컨버터, 주변기기
2023년 2월 13일
배터리 구동식 디바이스나 휴대용 디바이스에 대한 기대치는 지속적으로 높아지고 있으며, 설계 엔지니어들은 그 기대치를 더욱 높이고 있다. 공학적으로 어떤 장비나 컨슈머용 디바이스를 휴대용으로 만들 수 있다고 입증되면 엔지니어들은 그렇게 만들도록 압박을 받는다. 리튬 이온 배터리의 향상은 많은 휴대용 디바이스를 실용적으로 만들어주었다. Wi-Fi® 와 Bluetooth® 기술이 산업 자동화 시스템에서 유선 기술을 대체하고 있으며, 무선 통신은 이제 컨슈머용 및 의료 기기에서 광범위하게 사용되고 있다. 산업용 제어 시스템과 사물 인터넷(IoT) 장치는 더 작고, 가벼우며, 휴대가 가능해야 한다. 설사 휴대가 가능하지 않더라도, 소비 전력은 매우 낮아야 한다. 본 글에서는 엔지니어가 마이크로컨트롤러, 센서, 액추에이터와 같은 부품을 통해 설계 전반을 검사하고 전력 소비를 최소화할 수 있는 방법에 대해 살펴본다.
마이크로컨트롤러
일반적으로는 8비트 마이크로컨트롤러(MCU)의 프로그래밍이 32비트 MCU 프로그래밍보다 더 쉬운 일이지만, 훌륭한 하드웨어와 함께 제공되는 소프트웨어는 32비트 설계의 소비 전력을 줄이면서도 오늘날의 다양한 애플리케이션과 새로운 애플리케이션에 필요한 기능을 제공한다. 넓은 버스는 더 많은 에너지를 사용하는 경향이 있지만, 사이클당 수행할 수 있는 작업이 더 많으며, 사용하지 않을 때는 전원이 꺼지도록 할 수 있다. 8비트 아키텍처는 널리 사용되지만 주로 네트워킹 또는 통신을 처리할 때 한계에 도달하게 된다.
MCU의 전력 소비량은 클록 속도, 주변 장치 사용, 공급 전압, 메모리 활성화를 비롯한 다양한 변수에 따라 달라지기 때문에 항상 쉽게 알 수 있는 것은 아니다. 또한, 온도는 전력 성능에 영향을 미쳐 80°C일 때 초저전력(ULP) MCU의 공급 전류를 상온에서보다 10배 증가시킬 수 있다. 소프트웨어는 에너지 소비에 큰 차이를 만들 수 있기 때문에 엔지니어들은 이 분야에 능통한 제조사를 찾아야 한다.
전력이 매우 낮은 32비트 MCU에는 Arm® Cortex®-M0, Arm Cortex-M4, RISC-V, 이렇게 세 가지 주요 프로세서가 핵심적으로 존재할 것이다. 다음의 예시 제품들에서는 널리 사용되는 이 같은 프로세서들을 통합한다.
대표적인 마이크로컨트롤러 제품들
STMicroelectronics의 저비용 STM32C011 MCU는 32비트 Arm Cortex -M0+ 코어를 사용하며, 직접 메모리 액세스(DMA), 모터 제어 기능을 지원하는 4개의 16비트 타이머, 2개의 USART, 실시간 클록(RTC), 고속의 12비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 순환 중복 검사(Cyclic Redundancy Check, CRC)를 갖추었다. STM32C011은 3.0V를 사용하여 48MHz에서 실행 모드일 때 3800µA, 중지 모드일 때 80µA, 대기 상태일 때 8.0µA, 셧다운일 때의 경우에는 0.02µA만 소비한다. 이 IC 제품은 최대 32kB의 플래시 메모리와 6kB 또는 12kB의 SRAM을 갖추었으며, 중첩 벡터 인터럽트 제어 기능을 수행한다.
Texas Instruments는 저전력의 SimpleLink™ 무선 MCU 제품군 전체를 제공한다. 2.4GHz CC2651R3 디바이스에는 BLE, Zigbee, 802.15.4 낮은 데이터 전송률의 WPAN을 지원하는 48MHz Arm Cortex-M4 프로세서가 있다. 여기에는 352kB 플래시, 32kB 초저 누설 SRAM 및 8kB 캐시 SRAM이 포함된다. 이 MCU의 경우 활성 모드(CoreMark® 실행)에서 61μA/MHz로 CoreMark를 실행 중일 때 2.9mA, RTC 및 32kB RAM 조건의 대기 모드일 때 0.8μA, 셧다운 모드일 때 0.1μA가 필요하다. 해당 칩의 무선 통신의 경우 데이터 수신단(Rx)은 6.4mA를, 데이터 송신단(Tx)은 0dBm일 때 -7.1mA, +5dBm일 때 9.5mA를 소비한다. 해당 IC에는 AES 128비트 암호화 가속기, 진정한 난수 생성기(TRNG), 8채널 12비트 ADC, 온도 및 배터리 모니터가 있다.
Analog Devices MAX32670 초저전력 마이크로컨트롤러는 FPU(부동 소수점 장치)와 함께 Arm Cortex-M4 CPU를 사용한다. 해당 제품은 복잡한 센서 처리 기능과 AES 및 CRC 하드웨어 가속 엔진을 갖춘 산업용 및 IoT 애플리케이션이 타겟이다. 이 칩은 1.5V 코어용 LDO(Low Dropout) 레귤레이터를 갖추고 있으며 단일 1.7~3.6V 공급 전압에서 실행된다. 이는 100MHz에서 활성화될 때 5.0mA가 필요하며, 1.8VDD에서 백업 모드일 때 전체 메모리 보존 전력을 위해 2.6μA만을 필요로 한다. 이 칩은 최대 384kB의 플래시와 160kB의 SRAM을 갖추었으며 RAM 공간 전체에 걸쳐 오류 수정 코딩(ECC) 기능을 제공한다. 해당 제품은 저전력의 절전 모드에서도 펄스 카운팅과 PWM 생성을 가능하도록 만드는 2개의 저전력 타이머와 I2C, 50MHz SPI, UART를 제공한다.
Infineon Technologies CY8C4247LQQ-BL483 32비트 PSoC™ 4 MCU는 24MHz Arm Cortex-M0 코어(2.4GHz BLE) 뿐만 아니라 12비트,1MS/s SAR ADC, CAPSENSE™ 터치 버튼 인터페이스를 비롯하여 최대 256kB의 플래시와 32kB SRAM을 갖추었다. 이 디바이스는 전압 범위가 1.9~5.5V인 배터리로 전원을 공급받을 수 있다. 활성 모드의 공급 전류는 3MHz 플래시 프로그램 실행 중일 때 1.7mA인 반면 WCO(watch crystal oscillator)를 사용하는 딥 슬립 모드에서는 1.5μA에 불과하다. 최대 절전 모드의 경우 RAM 보존에 필요한 150nA이면 충분하다. 이 칩에는 각각 8개의 매크로셀이 있는 4개의 프로그래밍 가능한 논리 블록이 존재한다.
Microchip Technology ATSAML21E MCU는 Arm Cortex M0+ 코어와 48MHz 클록을 TQFP-32 패키지에 통합한다. 이 칩에는 전력 도메인 게이팅, SleepWalking, 초저전력 주변 기기와 같은 정교한 전력 관리 기술이 탑재되었다. 해당 제품은 활성 모드에서 35μA/MHz, 절전 모드에서 200nA를 소비한다. ATSAML21E는 1.62~3.63V 사이의 작동 전압에서 작동하며 5개의 독립적인 전원 도메인을 제공한다. 해당 IC에는 단일 주기 하드웨어 곱셈기, 마이크로 트레이스 버퍼, 16개의 외부 인터럽트, 1개의 마스크 불가능 인터럽트 및 16채널 DMAC가 있다. 또한 12채널 이벤트 시스템과 최대 5개의 16비트 타이머/카운터를 갖추고 있다. 3.3V에서 동작하는 모든 기능의 활성 전류는 약 85µa/MHz인 반면 유휴 전류는 12MHz에서 최대 200µA이다. 대기 전류는 1.5µA(또는 105°C에서 50µA)까지 떨어진다. 또한 해당 MCU 제품은 0.2µA만을 필요로 하는 VBATT 입력 구동 방식의 백업 상태도 지원한다.
NXP Semiconductors LPC55S66 MCU에는 150Mhz Arm Cortex-M33 코어뿐만 아니라 두 번째 M33 보조 프로세서가 존재하지만(그림 1), 소비 전력은 매우 낮다. M33 코어는 Armv8-M 아키텍처로 제작되었으며 TrustZone, FPU, 온더플라이 플래시 암호화/복호화 및 메모리 보호 장치(MPU)를 비롯한 고급 보안 기능을 갖추었다. 해당 제품에는 256MB 플래시와 144kB SRAM(640/320 옵션), 9개의 유연한 직렬 통신 주변 장치(USART, SPI, 고속 SPI, I2C, I2S 인터페이스)가 포함되어 있다. 또한 해당 IC 제품은 통합 DSP 명령, 보안 부팅 지원, HASH, AES, RSA, UUID, DICE, 동적 암호화 및 암호 해독, 디버그 인증 및 직렬 와이어 디버그(Serial Wire Debug, SWD)를 제공한다. CPU0의 SRAM에서 CoreMark 코드를 실행한 채 CPU1은 오프(OFF) 모드로 두고, 플래시 전원이 꺼진 상태에서 클록이 12MHz일 때 공급되는 전류는 0.9mA이다. 150MHz에서의 전류는 6.2mA이다. CPU0가 슬립(SLEEP) 모드, CPU1가 오프 모드이며 클록이 12MHz이면 VCC 전류는 0.7mA이 되며 딥 슬립 상태에서는 0.11mA까지 낮아질 수 있다.
그림 1: 듀얼 코어 및 모든 주변 장치를 보여주는 NXP LPC55S66 마이크로 컨트롤러 블록 다이어그램. (출처: NXP Semiconductors)
Silicon Labs EFR32BG22 무선 Gecko Bluetooth 5.2 시스템 온 칩(SoC)은 초저 송신 및 수신 전력 (0dBM에서 3.6mA Tx, 2.6mA Rx)과 보안이 강화된 단일 코어 Arm Cortex-M33 CPU를 결합하여 활성 상태에서는 27µA/MHz, 절전 모드에서는 1.2µA의 값을 나타내게 된다. 이 디바이스는 최대 10년의 코인 셀 배터리 수명을 가능하게 하며 최대 512kB의 플래시와 32kB의 RAM을 제공한다. 해당 제품은 RoT(Root of Trust) 및 보안 로더를 통한 보안 부팅, 12비트 또는 16비트 ADC, DMA, 이중 I2C 포트 및 26개의 범용 I/O 핀이 특징이다. 작동 범위는 단일 전원에서 1.71~3.8V이다.
Espressif Systems 는 Xtensa 또는 RISC-V CPU로 RF SoC 및 모듈을 만든다. 모든 디바이스는 2.4GHz 802.11b/g/n Wi-Fi 및 Bluetooth 5 저에너지(LE)를 지원한다. ESP32-C3FH4 는 400kB SRAM(캐시용 16kB) 및 384kB ROM과 함께 160MHz RISC-V 코어를 사용하는 저전력 SoC 제품이다. 또한 해당 칩에는 14개의 프로그래밍 가능한 GPIO, DMA 컨트롤러, SAR ADC 및 온도 센서가 탑재되어 있다. 모뎀이 유휴 상태이고 CPU가 실행 중일 경우 공급 전류는 23mA이다. VDD 가 3.3V이며 SPI, Wi-Fi 전원이 꺼져 있고, 모든 GPIO의 임피던스가 높은 가벼운 절전 모드에서의 공급 전류는 130µA에 불과하다.
센서
최근 몇 년 동안 대부분의 센서 제품들에 요구되는 전력이 크게 감소했다. 낮은 전력 소비와 비용 절감 등의 추세는 기계 및 건강에서부터 통신 시스템, 애완 동물 및 환경에 이르기까지 거의 모든 것을 모니터링하는 설계를 가능하게 했다.
대표적인 센서 제품들
STMicroelectronics는 컨슈머 모바일, 의료 및 소매 애플리케이션을 위한 성능 향상과 새로운 기능을 지원하는 다양한 MEMS(micro-electro-mechanical system) 센서를 제공한다. 이 디바이스는 매우 낮은 전력으로 작동하는 엣지 애플리케이션에 어댑티브 머신 러닝 기능을 제공한다. 전하 변화(QVAR) 감지 채널은 정전하의 변화를 모니터링하여 접촉을 감지한다. 애플리케이션으로는 수분 및 응축 감지, 사람 존재 감지, 활동 모니터링 및 인원 수 카운팅이 포함된다.
ST의 MEMS 포트폴리오에는 LPS22DF 기압 센서와 방수 LPS28DFW 기압 센서가 포함되어 있으며, 이 센서는 1.7µA의 낮은 활성 공급 전류와 0.5hPa의 절대 압력 정확도를 제공한다. LIS2DU12 3축 가속도계는 액티브 안티앨리어싱(antialiasing) 기능과 함께 탁월한 초저전력 아키텍처를 제공하며 100Hz에서 3.5µA만 소비한다.
전력 변환
오늘날 대부분의 충전식 배터리 구동 설계는 단일 리튬 이온(Li-ion) 셀을 사용하지만, 기본적인(비충전식) 설계는 이산화망간 리튬으로 만들어진 코인 셀을 사용한다. 일반적으로 리튬 이온 충전지의 최종 충전 전압은 4.2V이고 방전 종료 전압은 3.0V이다. 3V CR2032 코인 배터리의 방전 컷오프는 2.0V이며, 최대 충전 지점은 3.2V이다. 많은 MCU에는 내부 레귤레이터가 있으며 이 같은 전압을 직접 처리할 수 있다.
요즘은 고효율 전력 변환이 당연시 여겨지는 추세지만, 설계 시 전류가 매우 낮으면 충분한 효율을 내기 어려울 수 있다. 배터리 구동식 설계의 경우 시스템은 낮은 배터리 전압과 높은 배터리 전압에서도 작동해야 한다. 이 같은 경우에는 LDO 선형 레귤레이터가 적절할 수 있지만, 조정된 충전 펌프가 낮은 전류에서 매우 효율적일 수 있다.
대표적인 전력 컨버터 제품들
Texas Instruments TPS62743 은 정동작 전류가 360nA에 불과한 초저전력 DC-DC 강압 컨버터 제품이다. 이 디바이스는 DCS-Control™ 토폴로지를 사용하며 2.2µH 인덕터와 10µF 출력 커패시터를 통해 1.2MHz의 일반 스위칭 주파수로 작동한다. 절전 모드의 경우, 이 디바이스는 경부하 효율을 10µA의 전류 부하 범위로 확장한다. 입력 전압 범위는 2.15~5.5V이며, 최대 전류는 300mA이다. 일단 작동하기 시작하면 해당 디바이스는 2.0V 입력까지 작동하므로 단일 Li-MnO2 코인 셀에서 바로 작동할 수 있다.
Torex Semiconductor XC9265 시리즈 강압 DC/DC 컨버터에는 0.4Ω N 및 P 채널 스위칭 트랜지스터가 내장되어 있을 뿐만 아니라 단락 보호 및 저전압 차단 기능도 탑재되어 있다. 펄스 주파수 변조(PFM)를 사용하는 이 칩은 0.05V 단위로 1.0~4.0V(±2.0%)의 고정 출력 전압에서 동작하며 매우 낮은 전류 부하까지 조절한다. 입력 전압은 2.0~6.0V이며, 최대 출력 전류는 200mA(XC9265A/C) 또는 50mA(XC9265B/D)이다. 공급 전류는 0.5µA에 불과하다.
솔리드 스테이트 계전기
솔리드 스테이트 계전기 제품들은 초저전력 설계에 실질적으로 활용될 정도로 향상되었다. 작은 배터리로 구동되는 장치에서 알람이나 제어 밸브와 같은 외부 장치를 구동할 수 있다는 점은 커다란 이점이 될 수 있다.
대표적인 계전기 제품들
Omron G3VM201D MOSFET 계전기(그림 2)에는 약 1.6V에서 0.5mA(최대 2mA)의 트리거 순방향 입력 전류를 필요로 한다. 상시 개방, 광절연, SPST 스위치 출력은 4핀 표면 실장 패키지로 200V AC/DC 부하에서 최대 200mA를 처리한다. 절연 내력(Dielectric Strength)은 1초 간 5000VAC 이며, 일부 모델은 전류 제한 기능이 있다.
그림 2: Omron G3VM201D 저구동 전류 절연 솔리드 스테이트 계전기에는 단 0.5mA의 트리거 순방향 입력 전류가 필요하다. (출처: Omron)
Panasonic AQY4C 는 I/O 절연 전압이 200VRMS인 AC/DC, 이중 용도(dual-use) PhotoMOS, 상시 폐쇄 계전기 제품이다. 해당 칩의 정격 출력은 60V 및 0.15A이다. 필요한 입력 전류는 0.2mA에 불과하며 입력 전압은 3~5V이다. 출력 저항은 일반적으로 4Ω이다. 해당 제품은 소형 4핀 3.5mm TSON 패키지로 제공된다.
맺음말
초저전력과 무선 기술의 결합은 21세기 오늘에 이르기까지 최고의 트렌드 중 하나라고 할 수 있다. 이는 배터리로 구동되는 새로운 컨슈머 및 의료 기기 뿐만 아니라 다른 설계에도 적용되는 말이다. 예를 들면, 차량의 계기판에서 저전력 소모를 우선시하려면 더 작고 가벼운 배선이 필요하며, 이를 통해 에너지 절약을 실현할 수 있다. 이는 거의 모든 산업 제어 장치나 IoT 장치에 해당되기 때문에 설계 엔지니어들은 정보에 입각한 현명한 부품 선택을 통해 수많은 시스템과 제품들을 향상시킬 수 있게 될 것이다.
저자 소개
짐 해리슨(Jim Harrison)은 전자 공학자로 1989년부터 산업 자동화 및 과학 기기 회사에서 선임 설계 엔지니어링 직책을 수행했다. 2004년 그는 글을 집필하기 시작했고 Electronics Products Magazine의 Hearst Business Media에서 선임 편집자로 근무했다. 그는 현재 Lincoln Technology Communications의 컨설턴트이다.