노령화와 의료 소비의 증가는 휴대용 의료기기 시장에서 사용되는 반도체에 대한 소비 증가로 이어져 2005년 1억7천1백만 달러에서 2013년에는 2억5천만 달러로 증가할 것이다. 이러한 제품들은 가정에서의 건강 모니터링, 예를 들어, 자가진단 및 치료를 위한 혈압, 혈중 산소농도, 혈당 측정에 필요할 것이다.

휴대형 의료장비 시장, MCU의 기능적 밀도와 저전력 요구

글│Len Staller, Marketing Manager, Silicon Laboratories

인구의 급속한 노령화와 함께 가정용 의료기기 시장이 높은 성장을 기록하고 있다. 의료비의 상승으로 인해 가정에서 건강을 모니터링하는 방식의 가정의료 서비스에 대한 수요가 한층 더 증가할 것이며 향후 10년간 의료에 대한 총 소비가 크게 증가할 것이다.

노령화와 의료 소비의 증가는 휴대용 의료기기 시장에서 사용되는 반도체에 대한 소비 증가로 이어져 2005년 1억7천1백만 달러에서 2013년에는 2억5천만 달러로 증가할 것이다. 이러한 제품들은 가정에서의 건강 모니터링, 예를 들어, 자가진단 및 치료를 위한 혈압, 혈중 산소농도, 혈당 측정에 필요할 것이다.

소비자 가전제품이 일반적으로 가격에 민감한 반면 소비자용 휴대형 의료기 시장은 시장에서의 성공을 위해 또 다른 엄격한 요건이 추가된다. 최우선적인 것이 이들 제품은 매우 신뢰도가 높아야 하고 정확해야 건강상의 문제들을 예방할 수 있다. 이러한 요건들은 미국의 FDA와 같은 정부기관에 의해 규제가 된다. 추가적으로 휴대형 의료기기는 다음의 사양을 갖추고 있어야 한다:

·사용의 편리성
·고도의 신뢰성 및 안전성(정부 규제)
·용이하고 안전한 연결성
·저전력(예; 긴 배터리 수명)
·광범위한 전압 지원(낮은 전압)
·높은 측정의 정확도
·소형
·저렴한 가격

예산 한도 내에서 소비자에게 이러한 사양을 제공하기 위해서 엔지니어들은 이산형 콤포넌트 디자인을 가지고 이러한 제품을 계속 디자인할 수는 없다. 반도체 업체들은 휴대형 의료기기 시장에 통합형 솔루션을 공급함으로써 엄격한 전원과 비용의 한도 내에서 성능과 신뢰도의 개선을 이루어야 할 것이다. 강력한 기기는 최저 공급 전류로 고성능을 제공할 수 있는 고도의 통합형 혼합신호 마이크로컨트롤러가 될 것이다.

통합형 혼합신호 마이크로컨트롤러

사용이 편리하다는 것은 단순 셀링 포인트 이상의 의미를 가진다: 이를 통해 조작자 에러에 의한 측정 에러를 줄일 수 있다. 이러한 장치들은 적절한 동작, 단순한 사용자 입력(예를 들면 소수의 버튼과 단순한 소프트웨어 메뉴) 그리고 대형의 보기 쉬운 디스플레이(예; 백라이팅을 갖춘 대형 LCD 디스플레이)를 위한 최소의 사용자 상호작용만을 필요로 해야 한다.

이를 지원하기 위해 MCU는 현장에서 프로그램 가능한 NV 메모리 저장장치(기본적으로 시스템 내 프로그램 가능한 플래시 메모리)를 필요로 할 것이다. 또한 융통성 있는 I/O 컨피규레이션이 제한된 핀을 최대한 활용하기 위해 유용할 것이다.

그림 1. USB 개인용 의료기기 클래스가 연결을 지원

오늘날 많은 장치들이 결과를 디스플레이하고 해석과 로깅을 최종 사용자가 처리하도록 하는데, 새로운 장치들은 단순한 연결성을 갖추고 결과를 자동으로 로깅 및 전송하게 될 것이다.

기본적으로 이는 결과를 추적하고, 정보를 의료 전문가, 치료사 또는 웹 기반의 애플리케이션에 안전하게 전송할 수 있는 소프트웨어를 갖춘 개인용 컴퓨터 또는 휴대형 의료기기가 될 것이다.

기술 기업들은 새로운 USB 장치 표준과 개인 건강 관리 장치(Personal Health Care Device; PHCD) 등급을 채택하여 널리 보급된 USB를 보다 잘 활용함으로써 제조사와 관계 없이 데이터와 메시지를 표준화된 방식으로 전송할 수 있게 될 것이다.

시간이 지나면서 데이터의 무선 전송 연결은 편의성 증강을 위해 간단한 단거리 무선 연결과 함께 한층 용이하게 될 것이다. MCU는 정밀 오실레이터를 갖춘 통합형 USB 컨트롤러 등의 다양한 통합형 연결 인터페이스 방식을 제공할 필요가 있을 것이다.

단거리 무선 IC는 MCU와의 조합으로 무선 연결을 제공할 수 있을 뿐 아니라 통합형 솔루션도 제공된다. 어떤 방식이든지 통신 프로토콜 스택은 MCU에서 보다 많은 코드 공간을 필요로 할 것이며 풋프린트는 작아지고 메모리는 커지는 방식에 대한 수요가 증가할 것이다.

고속 CPU와 통신 옵션의 선택이 중요해지면서 모든 의료기기는 사람 건강의 특정 측면(예; 혈압 또는 산소 수준)을 계량화하기 위해 특정 신체적 변수를 측정할 것이다. 이는 광센서(혈중 산소), 전도(혈당), 압력(혈압) 그리고 온도의 측정을 필요로 하며 이러한 측정은 고도로 정확하고 일관성이 있어야 한다. 이 시장에서는 측정 오류로 인해 누군가의 건강에 치명적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

혼합 신호 MCU는 반드시 작은 공간 속에서 노이즈가 있는 디지털 프로세서와 통신 신호의 존재 속에서 우수한 아날로그 전압 측정 결과를 제공해야 한다. 이는 반도체 공급사가 직면한 가장 어려운 엔지니어링 문제가 될 것이며 이러한 사양은 특히 IC에 대한 저 배터리 전압의 문제와 직면할 때 제품 엔지니어가 엄격히 검사를 해야 한다.

측정은 반드시 노이즈와 왜곡이 낮아야 하고(신호 대 노이즈와 왜곡 비율이 양호해야 한다) 고도의 선형성을 보여야 한다. 고객은 측정 중에도 기능 관찰을 기대할 것이고 CPU가 실시간으로 결과를 중단시킬 수도 있으므로 CPU가 동작 중일 때에도 ADC 동작이 반드시 허용되어야 한다.

더구나 최저 배터리 전압 하에서도 모든 칩 사양이 허용되어야 하며 완전한 배터리 수명에서 측정할 수 없다면 MCU가 좋은 점이 무엇인가? 간단히 설명하면 이 시장에서 MCU 공급사들은 성능의 양보 없이 정밀한 아날로그 측정을 통합해야 한다.

배터리의 수명 선결과제

MCU 공급사가 해결해야 할 또 다른 문제는 최종 제품에서 배터리의 수명이 길어야 한다는 요구이다. ‘휴대형’이 의미하는 것은 장치가 배터리에 의한 전원공급 내에 있어야 한다는 것이다. 기본적으로 기능을 추가하면 보다 많은 전력 소모를 필요로 하지만 고객들이 사용해야 할 배터리가 더 커지거나 또는 빈번히 교체해야 하는 제품들은 제품 엔지니어들이 판매할 수는 없다.

MCU는 반드시 저 전력 전략의 3 부분을 지원해야 한다: 활성 전력이 낮아야 하고(MCU는 완전하게 동작해야 한다), 꺼진(또는 대기) 상태에서 전력이 낮아야 하며, 활성 상태에서 시간이 감소되어야 한다.

제품과 MCU는 오프 상태 또는 대부분의 시간에 보다 낮은 전력의 상태에 있을지라도 사용하지 않는 상태일 때 시계/달력 또는 알람과 같은 특정 종류의 기능은 흔히 유지가 될 것이다. 능동적 전력 소모가 중요하므로 활성화 되어 있는 시간을 최소화하는 것이 배터리 사용시간 연장의 핵심이다.

MCU 디자이너는 CPU 클럭을 활동상태로 유지하는 방법을 지속적으로 찾아내야 하며, 그리하여 신속한 측정을 위한 아날로그 회로가 MCU를 저 전력 상태로 돌려 보낼 수 있도록 해야 한다.

예를 들면 ADC 컨버터를 사용해 전압을 측정할 경우 전압 레퍼런스가 필요하다. 이러한 전압 레퍼런스는 기본적으로 측정이 가능하게 되기 전 켜지고 안정되기까지 수십 밀리 초가 필요하다. 이 시간에 MCU가 켜지고 배터리의 전력을 끌어간다.

그림 2. 신속한 활성화 시간과 동작 인터벌이 짧으면 배터리의 수명이 연장된다.

실리콘 랩의 C8051F920은 많은 저전력 MCU처럼 마이크로초 내에 활성화 되지만 온칩 전압 레퍼런스 역시 2 마이크로 초 내에 활성화되도록 디자인 되어 있어 정확한 ADC 측정이 신속하게 시작될 수 있다. 이 ADC는 또한 CPU의 개입 없이 신속하게 많은 측정을 누적하여 결과를 향상시키고 동시에 활성화 시간을 최소화하도록 디자인 되어 있다. 활성화 시간이 짧을수록 배터리에서 사용되는 전류는 적으며 결과가 양호하다.

새로운 배터리 사용 컨피규레이션과 기술 지원

또 다른 중요한 동향은 새로운 배터리 사용 컨피규레이션과 기술 지원과 관련되어 있다. 충전 가능 배터리는 널리 보급되어 있으며 기본적으로 보다 높은 전압 지원이 필요하며 통합형 온칩 전압 레귤레이터가 필수적이다. 최근의 동향은 공급자의 내장 배터리 공급을 최종 소비자가 기대할 때 단 하나의 알카라인 배터리를 사용하여 제품 크기를 줄이거나 또는 비용을 절감한다.

그림 3. MCU는 배터리에 의해 공급되는 광범위한 전압을 지원해야 한다.

최근까지 이는 적절한 MCU 동작을 위해 알카라인 배터리 전압을 올리기 위한 DC-DC 스위칭 레귤레이터의 비용과 공간을 필요로 했다(알카라인 배터리는 0.9까지 유용한 수명을 가지고 있다). 이들 스위칭 레귤레이터는 전압 측정에서 대규모의 노이즈를 유발할 뿐 아니라 계속 켜진 상태를 유지해야 MCU가 수면 모드에서 활성화되기 때문에 전력과 배터리 수명의 비용이 필요하다.

신형 MCU는 통합형 DC-DC 레귤레이터를 제공하기 때문에 엔지니어들이 이러한 문제를 해결할 수 있다. 그 결과 노이즈, 비용, 풋프린트가 감소하며 컨트롤이 우수해져 DC-DC 레귤레이터가 꺼지도록 하며 MCU는 저 전력 상태로 유지되어 배터리의 수명을 연장한다. 비록 이 레귤레이터가 통합되어 있지만 실질적인 저전력, 단일 배터리 솔루션을 위해서는 여전히 시스템의 나머지 부분에 부스트된 전압 공급을 외부적으로 출력해야 한다.

배터리 전력 사용을 줄이고 새로운 배터리 기술을 지원하기 위해서는 지속적인 통합과 이러한 사양들이 휴대형 의료기기 디자인 지원에 필수적이다.

결론

MCU 공급사들이 지속적으로 상기의 사양들을 혁신하고 통합하지만 MCU의 단가와 풋프린트가 증가한다면 이는 그렇게 도움이 되지 못할 것이다. 최종 목표는 엔지니어들이 보다 가격이 낮고 작은 솔루션을 공급하는 것이다. 이러한 솔루션은 반드시 소재와 크기의 목록이 감소되어야 한다. 최상의 MCU는 충분한 CPU 속도, 통합된 연결성, 메모리, 그리고 우수한 아날로그 주변장치들을 최소의 폼팩터에서 충분히 제공해야 한다.

다시 말하면 반도체 공급사들은 기능의 양보 없이 기능적 밀도를 증가시켜야 한다. 아래의 예를 살펴보면 64kB의 플래시 코드 저장, 4kB의 데이터 RAM, 1개의 ADC, 2개의 전압 레귤레이터(LDO 및 부스트 레귤레이터)가 16mm2의 공간 내에 집적되어 있다.

이것으로 성능 또는 배터리 수명의 희생 없이 칩 상에서 완벽한 측정과 인터페이스 시스템이 허용된다. 제품 디자이너들은 주의 깊게 올바른 주변기기 세트로 이와 같은 MCU를 선택함으로써 엄청난 비용/성능의 장점을 얻을 수 있다(예; 메모리, I/O, 통신 주변기기들).

엔지니어외 제품 매니저는 매우 큰 압박을 받고 있으며 비용, 크기, 성능을 개선해야 한다. 해답은 혼합 신호 IC를 고도로 집적함으로써 최소의 폼팩터로 최상의 성능을 요구하고 있는 시장에 그러한 솔루션을 공급하는 것이다. 기능적으로 밀도 있는 MCU는 휴대형 의료장비 시장을 이끄는 원동력이 될 것이며 이를 제공하는 사람들은 고속으로 성장하고 있는 이 시장부문의 혜택을 누릴 수 있을 것이다.