오늘날의 휴대용 제품 설계는 제품에 전력을 공급하는 배터리에 대해 상반된 요건을 요구한다. 갈수록 기능성이 높은 컨텐츠는 더 많은 에너지를 필요로 하지만, 사용자들은 더 오랫동안 배터리를 사용할 수 있기를 원하고 있다.
배터리 구동식 마이크로컨트롤러 시스템에서 에너지 사용 최소화하기
글│앨런 웨스트윅(Alan Westwick), 실리콘 래버러토리스
오늘날의 휴대용 제품 설계는 제품에 전력을 공급하는 배터리에 대해 상반된 요건을 요구한다. 갈수록 기능성이 높은 컨텐츠는 더 많은 에너지를 필요로 하지만, 사용자들은 더 오랫동안 배터리를 사용할 수 있기를 원하고 있다. 그러나 제품의 폼팩터 축소화 및 비용 제약으로 인해 배터리 용량을 늘리기가 힘들어졌고, 결국 에너지 효율이 중요한 부분을 차지하게 되었다. 에너지 소비를 최소하기 위한 가장 일반적인 방식은 전류 드레인을 최소화하는 것이다. 그러나, 배터리의 에너지 용량은 전압, 전류, 시간의 산물이다. 그리고 상당한 에너지 효율을 달성하기 위해서는 이 세 가지 변수와 관련한 문제를 해결해야 한다. 사용자가 교체할 수 있는 배터리로 구동하는 마이크로컨트롤러 기반형 시스템은 온칩 전압 변환과 같은 기능을 활용한 각각의 변수를 해결하면서, 기존의 저전력 동작 모드를 지원할 수 있도록 설계된 MCU를 통해 다양한 이점을 얻을 수 있다.
배터리 특성
중저급의 대다수 휴대용 제품들은 사용자 교체 가능형의 1차적인 혹은 충전 가능형 배터리로 전력을 공급 받는다. 그림 1에서 보듯이, 이러한 대부분의 배터리들은 새 것일 때 1.2V~1.6V에 걸쳐 개별적인 셀 전압을 보유하며, 수명이 거의 다다랐을 때는 0.9V~1.0V의 셀 전압을 갖는다. 직렬로 연결된 이들 셀 가운데 2개는 3.2V~1.8V의 공급 전압을 제공할 것이다.
그림 1. 1개 및 2개의 일반적인 셀 배터리 팩을 위한 전압 범위
동작 시 MCU 전력 특성
일반적인 저전력 MCU 제품들은 듀얼 셀의 전압 범위에서 동작하도록 설계되었다. 대부분의 8비트 및 16비트 MCU로 사용되는 0.35μm CMOS 기술은 성능이 1.8V에서 견딜 수 있다고 해도 파워 서플라이에서 최대 3.6V까지 직접 동작이 가능하다. 디지털 로직은 더욱 작은 전압에서 더욱 느리며, 아날로그 스위치는 훨씬 더 높은 온-스테이트(on-state)를 갖는다. 성능 레벨은 배터리 전압을 추적할 것이다. 이것은 애플리케이션 요구와 거의 관련이 없다. 또한, 최소 배터리 전압에서 동작하기 위해 사용되는 디지털 로직은 더욱 높은 전압에서 더욱 많은 전류를 소모할 것이다.
CMOS 로직 게이트의 경우, 동적 전력 소비는 잘 알려진 관계식 P = C*V2*f로 주어진다. 여기서 C는 부하 커패시턴스이며, V는 공급 전압이다. f는 스위칭 주파수이다. 커패시턴스 조건은 설계 및 프로세싱 기술의 함수이며, 주파수 조건은 애플리케이션의 처리 요건의 함수이다. 전력 소비를 제어하기 위한 "빅 레벨"은 공급 전압이다. C80-51F9xx에 통합된 LDO(low drop-out) 전압 레귤레이터와 같은 온-칩 전압 변환을 추가하는 것은 MCU의 디지털 코어에서 안정된 1.8V 전원을 제공함으로써 상당한 동적 전력을 생성할 수 있다(그림 2참조).
그림 2. LDO 레귤레이터가 집적된 8비트 MCU
전압 변환의 장점
LDO 레귤레이터를 사용함으로써 얻을 수 있는 장점에 대해 설명하기 위해서는 CMOS 동적 전력 관계를 다시 언급하는 것이 도움이 된다.
P = C*V2*f = V*(C*V*f)
= V*I,(동적 전류가 I = C*V *f임)
동적 전류를 1MHz의 주파수와 특정 공급 전압으로 표준화하는 것은 일반적이다. 예를 들어, 하나의 보급형 저전력 MCU는 1.8V에서 MHz당 220μA의 동적 전류 소비를 갖는다. 서플라이 레귤레이션 없이, 이 같은 측정은 공급 전압이 3.2V일 때, MHz 당(220)¶(3.2/1.8) = 391μA까지 증가될 것이다. LDO를 이용해, 배터리 전류는 전체 공급 전압에 대해 MHz 당 220μA에서 고정될 것이다. 더욱더 성능이 향상된 최신 0.18μm CMOS 기술로 이전함으로써, 디지털 로직은 속도도 훨씬 더 빨라지고, 전력 소모도 20~ 30% 감소될 것이다. 이는 1.8V 미만의 전압에서 쉽게 동작이 가능하지만, 현재 이용 가능한 플래시 메모리 기술은 적어도 1.8V를 요구한다. 그리고 다양한 아날로그 주변부품은 성능 및 애플리케이션 조건 충족을 위해 1.8V 이상의 전원을 필요로 한다.
그림 1은 싱글 또는 듀얼 셀 구성이 1.6V에서 1.8V 사이의 전압을 제공하지 않는다는 것을 보여준다. 이 윈도우 내에서 MCU 코어 공급 전압을 선택함으로써, 듀얼 셀 모드에서는 LDO에 의해, 싱글 셀 모드에서는 인덕터 기반의 DC/DC 부스트 컨버터에 의해 전원이 공급될 수 있다. 주어진 배터리 구성의 경우, 전압 변환은 전체 배터리 수명에서 항상 다운 또는 업 상태가 되어 하나의 모드에서 다른 모드로의 동적 전환을 피할 수 있다. C8051F9xx 에 집적된 컨버터처럼 통합형 DC/DC 부스트 컨버터는 복잡도가 약간 증가하지만, 싱글 셀 동작을 구현함으로써 시스템 비용 및 크기면에서 상당한 이점을 제공한다.
LDO가 듀얼 셀 동작에서 전력을 대폭 절약할 수 있는 반면, DC/DC 부스트 컨버터는 전체 전력 효율이 LDO 보다 훨씬 높다. 다른 모든 것들이 동일한 조건일 때, 80% 효율의 DC/DC 부스트 컨버터를 이용한 1.8μm 의 싱글 셀 설계는 LDO를 이용하지 않는 0.35μm의 일반 듀얼 셀 설계에 비해 전력 소모량이 절반 밖에 되지 않을 것이다.
슬립 모드 조건
최고의 에너지 효율(및 배터리 수명)을 달성하는 것은 곧, MCU 동작이 웨이크업 모드 및 동작 모드에서 최적화되도록 하는 것을 의미한다. 따라서 디바이스는 매우 초저전력 슬립 모드에서 대부분의 시간을 소비한다. 일부 애플리케이션에서, 슬립 모드 전력은 전체 에너지 소모에 가장 많은 영향을 미치는 파라미터이다.
슬립 모드 전류를 최소화하기 위해서는 LDO와 DC/DC 컨버터를 셧 오프(shut off)함으로써 디지털 코어로의 전력을 차단해야 한다. 따라서 MCU가 빠르게 웨이크업 할 수 있도록 매우 빠르게 동작해야 한다. 슬립 모드(전력 관리 회로 및 RTC에서)에서도 기능을 수행하는 모듈은 0.9~3.2V의 레귤레이트 되지 않은 공급 전압에서 동작해야 한다. 디지털 코어 로직으로의 전력 공급 중단은 오프스테이트(off-state) 누설이 슬립 모드 전류로 흐르게 하는 것을 방지한다. 그러나, MCU는 슬립 모드 동안 RAM 컨텐츠와 모든 레지스터의 상태를 보존해야 한다.
따라서, 코드 실행은 오프 상태가 되는 지점에서 바로 시작할 수 있다. 여기에는 연속적인 공급 전압 모니터링(또는 "브라운아웃 검출") 같은 형태가 요구되는데, 이는 공급 전압이 최소 보유 전압(retention voltage) 미만으로 떨어질 때 스테이트가 손상을 입지 않도록 하기 위함이다.
결국, 이 MCU는 외부 트리거 이벤트가 발생했거나 또는 내부 타이머에 의해 웨이크업 되어야 하는 상황에서 슬립모드로 전환될 수 있어야 한다. 이에 따라 크리스털과 RC 오실레이터 옵션 모두를 제공하는 것이 선호되는 편이다. 장시간 배터리 수명을 보장하기 위해, 일반적인 칩 레벨 슬립 모드 전류(브라운아웃 검출기 및 32.768 KHz 크리스털 오실레이터 포함)는 1μA 미만이 되어야 한다. 예를 들어, C8051F9xx는 브라운아웃 검출기를 비롯해 슬립 모드(듀얼 셀 모드 2μs, 싱글 셀 모드 10μs 미만)에서 고속 웨이크업을 포함해 50nA의 초저 슬립 모드 전류를 갖는다.
동작 모드에서 소요되는 시간 최소화하기
MCU가 슬립 및 액티브 모드 간에 전환하는 동안에는 더욱 더 높은 전류 상태에 있게 되지만, 그렇다고 어떤 의미 있는 작업을 하는 것도 아니다. 고속 웨이크업 시간은 전력을 아끼고, 시리얼 포트 동작에서 웨이크업 같은 시간에 민감한 트리거링 이벤트에 빠르게 반응한다. 고속 시스템 클럭을 위해서는 시작이 느린 크리스털 오실레이터를 사용하는 것보다 정확하고, 빠르게 시작하는 온칩 오실레이터를 사용하는 것이 좋다. 아날로그 모듈의 스타트업 동작은 동작 모드에서 소비되는 시간에 영향을 미칠 수도 있다.
외부 디커플링 캡을 사용하는 전압 레귤레이터나 레퍼런스를 설정하는데에는 밀리초가 걸릴 수 있다. 액티브 모드일 때, 디지털 코어는 최대 클럭 주파수에서 동작해야 한다. 그 이유는 이렇게 함으로써 더 많은 클럭 사이클에서 정적 전류 소비를 효율적으로 상환해 "MHz 당" 측정을 낮출 수 있기 때문이다. 공급 전압 및 클럭 모니터, 레퍼런스 회로, LDO, 시스템 클럭 오실레이터 처럼 모든 정적 전류 소스가 포함된다면 이 계측은 더욱 유용하다.
고집적 솔루션의 이점
외부 LDO 레귤레이터나 DC/DC 부스트 컨버터를 이용한 일반적인 MCU를 이용하면 완벽하게 집적된 솔루션의 성능을 따라잡을 수가 없다. 통합 디바이스는 계속해서 사이즈도 훨씬 더 작아지고 가격도 저렴해질 것이다. 통합 전압 컨버터는 MCU 코어의 요건에 대해 맞춤화 될 수 있기 때문에 더욱 더 높은 효율성을 갖게 될 것이다. 마지막으로, 외부 전압 컨버터는 슬립 모드에서 셧 오프될 수 없다. 그 이유는 그렇게 되면, MCU가 공급 전압을 잃기 때문이다. 외부 DC/DC 부스트 컨버터는 대기 MCU에 전력을 공급할 수 있는 "대기" 모드를 갖는다. 그러나 대기 모드 전류는 일반적으로 배터리에서 측정되는 수십 마이크로암페어 내에 있게 된다.