휴대기기 애플리케이션의 배터리 수명을 최대화 할 때 다중 저전력 모드 관리, 전원장치 설계, 부품 선택 등 전력 소비를 최소화하기 위해 여러 가지 요인들을 고려해야 한다. 휴대형 애플리케이션에서 배터리를 오래 사용하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이 글에서 설명한 내용을 유용한 가이드라인으로 이용할 수 있을 것이다.
글│Juan Alvarez, 텍사스 인스트루먼트(TI)
휴대형 애플리케이션에서 배터리를 오래 사용하는 것은 쉬운 일은 아니다. 다중 저전력 동작 모드 관리, 전원장치 설계, 부품 선택 등 전력 소비를 최소화하기 위해 여러 가지 요인들을 고려해야 한다.
다중 저전력 동작 모드 관리
자원을 최적화함으로써 배터리 시간을 절약할 수 있다. 다음에 설명하는 5단계는 다중의 전력 동작 모드를 적절히 이용해서 전력 소비를 최소화하는 방법을 설명한 것이다. 배터리 수명이 10년인 연기 감지기(Smoke Detector)를 예로 들어 각각의 단계를 설명하고 있다. 광학적 연기 체임버(Smoke Chamber)를 이용해서 연기를 감지한다. 체임버 내에 IR 트랜스미터와 IR 수신기가 장착되어 있으며, 이 둘이 의도적으로 가시선 상에 있지 않다. 화재가 발생하면 연기 입자가 체임버 안으로 들어간다. 연기 입자가 IR 전송을 반사하면 IR 수신기가 IR 트랜스미터 신호를 픽업한다. 수신된 IR 수신기 신호는 20nA에서 200nA 사이로 극히 낮다. 비교기와 연산 증폭기를 이용해 신호가 검출된다. 비교기를 이용해서 IR 수신기로부터 수신되는 신호를 전압 레퍼런스와 비교해서 체임버 내에 연기가 존재하는지 판단한다. 연산 증폭기가 IR 수신기 신호를 107으로 증폭한다. 연기 감지기가 매 5초마다 기동해서 화재가 발생했는지 확인한다. 화재가 감지되면 LED가 켜진다. 일부 연기 감지기에는 가청 경보가 이용되지만 이 예에서는 다루지 않는다. 그림 1은 이 시스템의 블록도이다.
1단계: 최대 평균 전류 소비 계산
특정 애플리케이션의 전력 예산을 계산하는 가장 쉬운 방법이 배터리의 최대 평균 전류 소비를 계산하는 것이다. 이 계산은 배터리 수명과 배터리 선택에 따라 달라진다. 이 예에는 220mAh의 저렴한 CR2032 리튬 배터리를 선택했다. 배터리 수명이 10년인 CR2032의 결과적인 평균 전류 소비는 다음과 같다: 220mAh x (1000uA/mA) / (10years) /(8760hr / year) = 2.5uA
2단계: 대기 모드 동작
많은 배터리 사용 애플리케이션이 99% 이상의 시간 동안에 동작하지 않는다. 애플리케이션이 동작하지 않으면 CPU가 사용되지 않는다. 취침 모드이면 애플리케이션이 내부 타이머를 이용해 실시간 클록 동작을 수행하거나, 아니면 클록 시스템이 완전히 셧다운되고 외부 이벤트를 기다린다. 전력 소비를 절약하기 위해서는 시스템이 취침 모드일 때 전력 소비가 극히 낮은 마이크로컨트롤러를 선택해야 한다.
이 예에서는 연기 감지기가 화재를 감지하기 위해 매 5초마다 기동해야 하므로 애플리케이션이 취침 모드일 때 실시간 클록 동작을 필요로 한다. 취침 모드일 때 극히 낮은 전류 소비가 요구되므로 MSP430F2011을 MCU로 선택한다. 이 MCU가 8비트 또는 16비트 MCU 중에서 대기 전류 소비가 가장 낮다. 이 MCU가 3V로 대기 모드일 때 32kHz 수정발진기를 이용해 브라운아웃 리셋 보호(BOR; Brownout reset protection)를 포함해 최대 1.2uA의 전력을 소비한다.
초저전력 발진기(VLO)를 이용해서 전류 소비를 더 낮출 수 있다. VLO는 외부 부품을 필요로 하지 않는 내부 발진기이다. 12kHz 주파수로 동작하며 정격 전류 소비가 500nA 미만이다. 이 예에서는 외부 발진기를 이용한다. MSP430F2011이 2KB 플래시, 128 BRAM, 2개 포착 및 비교 레지스터를 이용한 타이머, 10개 범용 I/O(GPIO), 다중화 비교기를 포함함으로써 이 애플리케이션의 최소 요구를 충족한다.
3단계: 되도록 가장 높은 수준의 통합을 위한 계획
통합이 저속 직렬 통신 포트 대신에 레지스터를 이용해 아날로그 주변장치의 더 빠른 통신과 더 우수한 제어를 가능하게 한다. 외부 부품을 추가하지 않으므로 누설 전류를 최소화한다. 연기 감지기에는 내부 비교기가 이용되며 또한 외부 연산 증폭기가 필요하다.
4단계: 대기 모드일 때 외부 아날로그 부품 셧다운
낮은 대기 전류 부품이 언제나 온 상태로서 이들 부품과 관련된 안정화 시간을 필요로 하지 않으므로 우수한 것으로 평가된다. 휴대형 애플리케이션에서는 긴 대기 시간을 고려했을 때 안정화 시간을 무시할 만하다. 셧다운 기능이 있는 외부 부품을 이용하도록 한다. 셧다운 핀이 없는 부품의 경우에는 부품의 전류 소비가 포트 핀 사양을 초과하지 않는 한 GPIO로부터 직접적으로 부품을 구동하도록 한다. DSP와 같은 부품은 셧다운 모드가 상당한 양의 전류를 소비할 수 있다.
이러한 부품의 경우에는 외부 스위치를 이용한다. MCU가 GPIO를 이용해 스위치를 제어하며 부품이 사용되지 않을 때 전력 소스를 제거하기 위해 스위치를 정지시킨다. 그림에서는 IR 수신기가 10nV에서 200nV로 변화하므로 신호를 증폭하기 위해 연산 증폭기가 필요하다. TLV2760이 셧다운 모드 기능을 제공하며, 셧다운 모드일 때 최대 전력 소비가 50nA이다. 이 연산 증폭기의 안정화 시간은 13.5ms로서 무시할 만하다.
5단계: 동작 모드일 때의 전력 소비 최소화
대기 전류가 평균 전류 소비에 상당한 영향을 미치지만 동작 모드일 때의 전력 소비를 최소화하는 것도 중요하다. 전력 소비를 최적화하기 위해서는 다음과 같은 점에 유의한다.
가장 많은 전류를 소비하는 부품의 동작 시간을 최소화한다.
CPU는 되도록 자주 셧다운한다. 많은 경우에 CPU가 주변장치 또는 외부 부품이 작업을 끝내기를 기다렸다가 다음 프로세싱을 처리할 수 있다. 그러므로 CPU가 셧다운일 때 주변장치를 작동할 수 있는 MCU를 선택한다. 시간을 낭비하거나 배터리 시간을 소비하지 않도록 CPU가 신속하게 기동되도록 한다.
GPIO 및 주변장치 폴링(Polling)을 피한다. 동작 모드일 때 사용자 상호작용을 위해 GPIO를 검사하기 위해 CPU 오버헤드 및 시간이 낭비된다. 대신에 즉시 처리해야 할 사용자 입력이나 중요한 이벤트가 발생했을 때 CPU를 인터럽트하는 인터럽트 지향적 아키텍처를 이용한다.
표 1은 연기 감지기가 동작 모드일 때 CPU 및 외부 부품의 대략적인 전력 소비 프로파일이다. 비교기와 연산 증폭기가 안정화하는 동안 CPU는 셧다운시켰다. 가장 많은 전력을 소비하는 요소가 IR 트랜스미터이다. 그러므로 시간을 최소화하도록 IR 트랜스미터를 효율적으로 턴-온하고 턴-오프했다. 대기 및 동작 모드의 총 평균 전류 소비가 1.38uA로서 1.2uA인 최대 대기 전류 소비에 매우 가깝다. 10년 수명의 연기 감지기에는 2.5uA의 최대 평균 전류 소비가 요구되는데 총 평균 전류 소비가 1.38uA이므로 이 기준을 충족한다.
전원장치 설계
휴대기기 애플리케이션에서 긴 배터리 수명을 달성하기 위한 또 다른 측면이 배터리 및 레귤레이터 선택을 포함한 전원장치 디자인과 관련된 것이다. 더 효율적인 설계를 통해 배터리 수명을 연장하기 위한 몇 가지 설계 도움말을 살펴보자.
도움말 1: 단일 전압 소스를 이용한다
시스템에 다중의 전압 소스를 포함하면 더 많은 전력이 소모되고 비용이 높아진다. 다중의 전압 소스가 더 많은 레귤레이터를 필요로 하며 이들 레귤레이터가 지속적으로 전류를 소비하므로 배터리 수명을 단축한다. 또한 다중의 전압 소스를 추가하면 레벨 쉬프터와 레귤레이터가 필요하므로 비용이 높아진다. 휴대기기 애플리케이션에는 3V 전원장치가 널리 이용되고 있으며 대부분 부품이 3V이고 효과적인 아날로그 성능을 위한 적절한 전압을 제공한다.
도움말 2: 되도록 리튬 셀 배터리를 이용한다
다른 배터리 기술에 비해 리튬 셀 배터리가 가장 안정적인 전압 소스 출력을 제공하므로 배터리 수명을 연장한다. 낮은 피크 전류 용량이 단점인데 길고 높은 피크 전류가 필요할 때는 알칼라인 배터리가 적합하다.
도움말 3: 넓은 동작 범위의 부품을 이용한다
배터리 수명을 극대화하기 위해서는 넓은 동작 전압을 지원하는 부품을 이용한다. 모든 배터리 기술의 전압이 시간이 지남에 따라 낮아진다. 예를 들어 알카라인 배터리는 선형적으로 낮아진다. 넓은 동작 전압 범위를 지원하는 부품이 배터리 수명을 극대화할 수 있다. 2.7V에 비해 2.2V의 전압 범위를 지원하면 2AA 배터리의 배터리 수명을 2배로 연장할 수 있다.
도움말 4: 다중 전압 소스의 전력 관리
경우에 따라서는 다중 전압 소스가 필요하다. 예를 들어 DSP 또는 32비트 MCU 기반의 시스템을 살펴보자. 이러한 시스템은 일반적으로 대기 전류 소비가 매우 높으며 I/O 및 코어 CPU를 지원하기 위해 3.0V 및 1.8V와 같이 다중의 전압 레일을 이용한다. 저가형의 소형 MCU를 추가해서 이들 전압 레일이 사용되지 않을 때 셧다운할 수 있다.
부품 선택
시중에는 다양한 부품들이 판매되고 있다. 앞에서도 언급했듯이 부품 선택이 배터리 수명을 연장하기 위한 중요한 요소이다. 다음과 같은 질문을 통해 다양한 MCU 옵션을 비교해 볼 수 있을 것이다.
대기 모드에 관련된 질문
- 애플리케이션의 가장 많은 시간을 차지하는 대기 모드의 최대 전류 소비는 얼마인가?
- 브라운아웃 리셋(BOR) 보호의 최대 전류 소비는 얼마인가?
- 최대 핀 누설 전류는 얼마인가?
동작 모드에 관련된 질문
- MCU가 얼마나 빠르게 기동하며 고속 안정 내부 발진기를 제공하는가?
- 폴링을 피할 수 있는 MCU의 인터럽트 기능은 무엇인가?
- CPU가 사용되지 않을 때 셧다운할 수 있도록 주변장치를 사전에 구성하고 외부 이벤트로 구동할 수 있는가?
또한 다음과 같은 질문을 통해서 다양한 아날로그 부품을 비교해 볼 수 있을 것이다.
- 셧다운 기능을 이용할 수 있는가?
- 부품이 얼마나 빠르게 안정화하는가?
- 해당 기능을 MCU에 통합할 수 있는가?
다중 저전력 모드 관리, 전원장치 설계, 부품 선택에 관해 휴대기기 애플리케이션의 배터리 수명을 극대화하고자 할 때 앞서 설명한 내용을 유용한 가이드라인으로 이용할 수 있을 것이다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 08월호>