성공을 거둔 모든 모바일 멀티미디어 기기의 가장 두드러지는 특징으로는 기기의 상영 시간을 들 수 있는데 이는 배터리에 저장할 수 있는 에너지의 용량과 통신 및 엔터테인먼트로 그 에너지를 전환하는 효율성의 기능이다.
모바일 멀티미디어 전송망에서의 전력 소비 최적화 [2]
글│압둘 어리프 (Abdul Aleaf), 수석 기술 마케팅 부장, 내셔널 세미컨덕터
성공을 거둔 모든 모바일 멀티미디어 기기의 가장 두드러지는 특징으로는 기기의 상영 시간을 들 수 있는데 이는 배터리에 저장할 수 있는 에너지의 용량과 통신 및 엔터테인먼트로 그 에너지를 전환하는 효율성의 기능이다. 이것이 중요한 이유는 배터리의 1회 충전으로 감상할 수 있는 상영 시간이 제한되어 있어 사용자 만족도에 직접적으로 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 애플사 iPhone의 성공에 크게 기여한 것이 바로 뛰어난 에너지 효율인데, 8시간 통화, 6시간 인터넷 보기, 250시간의 대기 모드를 자랑한다.
이러한 수치에 도달하기 위해 최적화된 모바일 멀티미디어 기기에 절전 효율이 높은 모든 메커니즘을 총 동원한다. 여기에 적응형 전압 스케일용 PowerWise® 기술이 포함되는데, 활발한 작동으로 전력 소모량이 큰 서브시스템의 전력 공급장치 전압을 스로틀하여 끊임없이 변하는 클럭 사이클 요구를 충족시키는 기술이다. 이 기술은 작동에 따른 클럭 속도 변동에 대응하여 CPU 및 DSP 코어의 전력 공급장치 전압을 스로틀하는 데 사용될 뿐만 아니라 그래픽 또는 비디오 프로세서 등의 고전력 주변기기 코어에도 적용될 수 있다.
고성능 멀티미디어 기기에는 전자파 장애(EMI)를 낮은 수준으로 유지하도록 최적화된 고대역폭 직렬 인터페이스를 필요로 하는 수메가픽셀 카메라 칩 및 LCD 디스플레이에 대한 고대역폭 인터페이스도 있다. 백라이트는 백라이트의 색 균형을 조정하는 기능과 높은 효율을 모두 제공하는 RGB LED 모듈로 구동한다.
스피커 드라이버에 브리지 구성과 차지 펌프를 구현함으로써, 보드 공간을 차지하고 저음(bass) 영역 오디오 성능을 저하시키는 값비싼 DC-차단 커패시터를 사용하지 않아도 된다. 스테레오 헤드폰이나 스피커/마이크 헤드셋용 잭을 자동으로 구성하는 Intellisense® 탑재 오디오 드라이버가 오디오 잭에서 전력 소모가 심한 단락과 근접 단락을 검출한다.
가치의 상당 부분이 고객 만족도에 따라 결정되는 제품에서는 예상 전력 범위 내 모든 부품을 극도로 정밀하게 감독한다. 불과 몇 년전까지만 해도 수백 밀리와트를 사용하는 시스템에는 여러 가지 전력 소비 부품이 있기 때문에 10밀리와트 정도는 별로 신경쓰지 않았다. 하지만 오늘날에 10밀리와트 소비는 상당한 전력 낭비로 간주된다. 시스템의 모든 칩에 대해 고도로 최적화된 솔루션이 있으며, 설계자가 시장에서 성공할 수 있는 높은 고객 만족도의 제품을 설계하려면 모든 솔루션에 대해 잘 알아야 한다.
저전력 디스플레이 아키텍처
디스플레이는 디스플레이 패널 자체뿐만이 아니라 비디오 인터페이스, 비디오 컨트롤러, 백라이트에서 중요한 에너지 소비품으로 대표된다.
·MPL(Mobile Pixel Link) 인터페이스 - 와이어 수와 전자파 장애(EMI)가 감소된 고대역폭 비디오 인터페이스를 제공한다.
·자동 새로고침 모드 - 고화질 비디오가 필요하지 않을 때(예, 음악 감상 또는 무선 통화 중) 비디오 인터페이스 및 비디오 컨트롤러를 셧다운할 수 있다. 온-칩 프레임 버퍼 메모리가 클럭, 음악 트랙 선택, 전화번호부, 문자 메시지에 유용한 저해상도 이미지를 지원한다.
·RGB LED 백라이트 드라이버 - 전체 밝기 범위에서 낮은 전력으로 향상된 화이트 밸런스를 제공한다. 밝기와 화이트 밸런스를 주위 온도 및 광 상태로 자동으로 조정한다.
MPL(Mobile Pixel Link) 인터페이스
MPL는 비트맵 디스플레이에 LPC (Low Pin-count), 낮은 EMI, 높은 에너지 효율을 특징으로 하는 인터페이스를 제공한다. MPL의 여러 가지 기능으로 다음과 같은 목표를 달성할 수 있다.
·신호 회선 수 감소 - 병렬 비디오 데이터 버스를 직렬 인터페이스로 대체하여 일반적으로 28개 정도의 신호 회선을 3내지 4개로 대폭 줄일 수 있다. 그 결과 상호연결 배선(대개 주 회로 보드와 평판 디스플레이 모듈 사이의 플랫 케이블 또는 플렉스 회로)이 간단해지고 EMI 방출 안테나 수가 줄어든다.
·스위치 전류 감소 - 전류 모드 신호가 TTL 및 LVCMOS 레벨과 비교하여 스위칭 전류를 대폭 감소시킨다.
·전압 스윙 감소 - TTL 및 LVCMOS의 1.8V에 비해 신호의 전압 스윙이 20 mV에 불과하다.
그림 1은 평판 디스플레이 드라이버에 대한 MPL 인터페이스 구조를 보여주고 있다. MPL은 고대역폭 비디오 인터페이스를 제공하고, SPI 인터페이스는 디스플레이 드라이버의 레지스터에 대한 액세스를 제공한다. 비디오 데이터가 전송되지 않는 동안 MPL 인터페이스를 셧다운하여 절전 효과를 한층 높일 수 있다.
그림 1. MPL(Mobile Pixel Link) 인터페이스
LM2512A MPL 시리얼라이저는 비디오 컨트롤러 및 MPL에서 병렬 비디오 버스 간에 인터페이스를 제공한다.
LM2512A는 MPL을 통한 전송용 18비트와 최대 3개의 제어 신호로 디더링되는 24비트 RGB 비디오를 직렬화할 수 있다. 온-칩 256 × 8 조회 테이블은 색상별로 독립적 색 보정 옵션을 제공한다. LM2512A의 조회 테이블과 제어 레지스터를 프로그램하는 데에는 SPI 인터페이스를 사용한다.
FPD95120 평판 디스플레이 드라이버에는 통합된 MPL 리시버가 있다. MPL 인터페이스가 부족한 디스플레이 드라이버의 경우, MPL 디시리얼라이저를 사용하여 18비트 병렬비디오를 재생성할 수 있다.
자동 새로고침 모드
FPD95120에는 온-칩 230-kbit 부분 디스플레이 메모리가 있어, MPL 인터페이스의 셧다운을 가능하게 하는 비디오 입력이 없을 때 디스플레이를 새로 고칠 수 있다. 이러한 상황은 사용자가 비디오를 감상하지 않거나 웹 검색을 하지 않을 때 발생하지만 문자 메시지나 MP3 트랙 재생 목록은 계속 할 수 있다. MPL 인터페이스가 셧다운된 동안에는 FPD95120의 디스플레이 메모리에 액세스하는 데는 SPI 인터페이스가 사용된다. 이것은 240 × 320 픽셀 이하 해상도 이미지 표시(픽셀당 3비트) 또는 320 × 720 해상도 이미지 표시(픽셀당 1비트)를 새로 고친는 것을 지원한다.
그림 2. RGB LED 백라이트 드라이버
RGB LED 백라이트 드라이버
고화질 디스플레이에는 다양한 밝기 설정, 온도, 여러 벤더의 평판 디스플레이에서 백색을 유지하는 고순도 백색 광원이 필요하다. 기존 백색 LED 솔루션은 백색 LED 벤더에 의해 결정된 고정 색 균형만을 제공한다. RGB LED 광원은 빨강(R), 녹색(G), 파랑(B) LED 출력을 결합하여 백색광을 합성함으로써 각 기본 색용 드라이버의 펄스 폭 변조를 통해 색 균형을 조정할 수 있도록 한다.
LP5520 RGB 백라이트 드라이버에는 -40℃부터 120℃까지 16℃의 증분으로 각 LED 색에 대한 밝기-온도 함수 곡선을 유지하는 사용자 프로그래밍이 가능한 캘리브레이션 메모리가 있다. LED와 인접해 장착된 LM20 온도 센서를 통해 LP5520은 다양한 온도 범위에서 화이트 밸런스를 자동으로 유지할 수 있다. 온-칩 12비트 A/D 컨버터에 대한 2차 입력은 외부 포토다이오드로 주위 광 레벨을 모니터하기 위해 사용 될 수 있다. 호스트 마이크로컨트롤러는 I2C/SPI 인터페이스를 통해 LP5520의 제어 레지스터에 액세스하여 LED 강도를 강제 적용할 수 있다.
LP5520의 고효율 부스트 컨버터는 2.9~5.5V 사이의 입력 전압 범위를 수용하며, 5V부터 20V까지 1V의 증분으로 프로그래밍이 가능한 출력 전압을 생성한다. 적응형 모드는 LED 드라이버 출력을 감시하고 부스트 전압을 최소 유효 값으로 감소시켜서 에너지를 절약한다.
오디오 출력 최적화
음악 감상 또는 무선 통화용으로 사용되는 기기에서는 특히 오디오 복합시스템의 전력 소모량이 클 수 있다. 오디오 복합시스템의 전력 최적화에 사용되는 기술은 다음과 같다.
·스피커 드라이버 구성 - 브리지 및 차지 펌프 드라이버가 대용량 DC 차단 커패시터를 제거하고 오디오 저음 영역의 성능을 개선한다.
·Intellisense® 출력 장치 인식 - 자동으로 헤드폰 모드(모노 대 스테레오)를 감지하여 모노 모드에서는 추가 오디오 채널을 차단한다.
스피커 드라이버 구성
오디오 복합시스템에서 전력 소모가 가장 큰 부품은 사실상 기계적인 동작을 수행하는 스피커 드라이버이다. 따라서 오디오 블록의 이 부분에서 절전 효과를 가장 높일 수 있다. 그림 3은 일반적인 드라이버 구성을 보여준다.
그림 3. 스피커 드라이버 구성
DC 차단 커패시터가 한 개인 단일 종단 드라이브가 가장 간단한 구성이다. 한 공급장치에서 작동되는 간단한 오디오 드라이버의 출력에는 AC 및 DC 구성 요소가 모두 있고, 커패시터를 삽입하여 DC 구성 요소를 차단하는 것이 필수적이다. DC 구성 요소는 사운드 생성을 위해 어떠한 기능도 수행하지 않으면서 오디오 예상 소비 전력에는 계산되므로 에너지 낭비를 초래한다. 브리지 구성에서는 스피커 양 종단이 동일한 DC 구성 요소이면서 반대 극성 AC 구성 요소로 구동되므로 DC 오프셋이 취소된다. 스피커를 흐르는 전압은 두 출력 사이의 전압차이다. 차지 펌프를 사용한 단일 종단 드라이브에서는 내부 접지면 아래 전력 공급장치에 의해 출력이 접지면을 중심으로 집중될 수 있다. 그림 4는 세 가지 구성의 파형을 보여준다.
그림 4. 스피커 드라이버 파형
한 공급장치에서 작동되는 단순 드라이버가 생성하는 출력은 DC 오프셋 전압을 중심으로 집중된다. 이 오프셋을 차단하지 않으면, 8~32Ω이면 거의 완전 단락되는 스피커나 헤드폰 코일을 통해 전류가 흐르게 된다. DC 차단 커패시터는 비용과 크기를 증가시키고 저음 성능을 떨어뜨리는 단점이 있다.
브리지 구성에서는 커패시터를 반드시 실리콘으로 대체하여 180도 위상이 다른(반전된) 출력 두 개를 생성한다. 두 신호는 접지면에 대한 DC 오프셋을 갖지만 스피커가 접지면에 연결되므로 과도 전류가 흐르지 않는다. 이 기술의 단점은 두 스피커가 공통 접지면을 공유하는 표준 3 컨덕터 스테레오 헤드폰 인터페이스와 호환되지 않는다는 점이다.
차지 펌프가 회로로 커패시터를 반환하지만 높은 작동 주파수 때문에 DC 차단 커패시터보다 작을 수 있다. 차지 펌프는 접지면 아래의 출력을 구동할 수 있고, 그 결과 출력 신호는 순수한 AC전류이게 된다. 이 구성의 장점은 두 스피커가 모두 공통 접지에 대해 구동되기 때문에 표준 헤드폰과 호환된다는 점이다.
LM4982 헤드폰 앰프는 차지 펌프 구성을 사용하여 두 헤드폰 출력을 지원한다. LM49100 Boomer® 오디오 복합시스템에는 모노 스피커용 출력과 스테레오 헤드폰용 출력이 별도로 있다. 스피커 출력은 브리지 구성을 사용하는 반면, 헤드폰 출력은 차지 펌프 구성을 사용한다. 두 칩 모두 I2C 인터페이스를 통해 호스트 마이크로컨트롤러로부터 볼륨 조절을 지원한다. LM4982는 두 입력과 두 출력 사이에 듀얼 앰프인 더 단순한 아키텍처이다. 49100에는 세 개의 오디오 입력이 있으며, 입력 채널 라우팅 및 믹싱에 대한 다양한 구성을 통해 스피커 채널 1개와 헤드폰 채널 2개를 구동한다.
Intellisense® 출력 장치 인식
다목적 휴대용 기기에는 다양한 종류의 헤드셋이 사용될 수 있다. 가령, 음악 감상용 스테레오 헤드폰에서 무선 통화용 마이크 장착 모도 헤드셋 등이 있다. Intellisense 기술을 사용하면 기기 드라이버의 자동 구성을 통해 동일한 잭에 둘 중 하나를 연결할 수 있다. 그러면 모노 기기이고 하나의 출력이 접지면으로 단락될 때 스테레오 신호를 구동하는 불필요한 전력 소모가 방지된다.
LM4982 헤드폰 앰프가 헤드폰이 꽂힌 것을 탐지하면, 왼쪽/오른쪽 출력 모두에 소량의 전압을 공급하고 부하를 통해 결과 전류를 감지한다. 앰프에 연결된 부하가 9Ω 이상이면 구동 앰프가 최대 전력 모드가 된다. 부하가 3Ω 이하일 때는 LM4982가 접지와의 단락으로 간주하여 해당 드라이버를 셧다운한다. Intellisense 기능은 오른쪽 채널이 단락될 때 LM4982를 모노 모드로 전환한다. 또한 왼쪽 채널도 접지와 단락되면 두 앰프를 모두 셧다운하여 보호 효과를 높인다. Intellisense 기능은 I2C 인터페이스의 명령을 통해 설정 및 해제할 수 있다.
결론
소비자가 긴 통화 및 상영 시간을 요구하므로 설계자는 시스템의 모든 부품에서 고도로 최적화된 실리콘 구성요소를 찾게 된다. 주요 부품의 전력 소모량이 적어지면, 가능한 통화 및 상영 시간을 결정하는 데 있어 전력 소모량이 작은 부품들의 비중이 커진다. 따라서 제품을 성공적으로 설계하려면 전력 소모량을 줄여주는 모든 도구를 잘 알아야 한다. 내셔널 세미컨덕터에서는 모바일 멀티미디어 기기의 최신 설계에 사용되는 주요 전력 소모원 부품용으로 최적화된 솔루션을 제공한다.