전원 관리 IC는 상시 작동 웨어러블, IoT 장치에 사용

유용한 웨어러블 장치를 만들기 위해 많은 기능이 결합됩니다. 폼 팩터, 디자인 및 에너지 효율성은 작업을 올바르게 수행할 뿐만 아니라 편안하고 매력적이며 사용하기 쉬운 장치를 구현하는 데 필수적이며 생산성, 건강 및 라이프스타일을 개선하는 새로운 방법을 제공합니다. 상시 작동형 웨어러블 및 사물 인터넷(IoT) 장치 설계자의 목표는 배터리 사용 시간을 연장하는 동시에 폼 팩터를 축소하는 것인데, 이는 초소형 고집적 전력 관리 IC(PMIC)로 달성할 수 있습니다.

웨어러블의 광학 감지 정확도 역시 큰 관심사이며, 이는 PMIC 선택을 비롯한 다양한 기술적 요인의 영향을 받습니다. 초저전력 PMIC는 건강 애플리케이션을 위한 광학 측정의 감도를 최적화하는 회로 아키텍처를 통합합니다. 새로운 PMIC는 예를 들어 보다 정확한 생체 신호 측정을 위해 손목에 착용하는 폼 팩터에서 광학 감지에 대한 최고 감도를 가능하게 합니다.

최근 몇 년 동안 유통되는 웨어러블 센서의 수가 기하급수적으로 증가했습니다. 이는 의료비 증가부터 건강에 대한 집착을 특징으로 하는 라이프스타일인 "건강 광신도"의 증가에 이르기까지 다양한 요인 때문입니다. 게다가 인터넷 덕분에 소비자들은 이제 건강에 관한 정보에 거의 무제한으로 쉽게 접근할 수 있게 되었습니다. 웨어러블 의료 분야에서 신뢰할 수 있는 솔루션을 설계하려면 신뢰할 수 있는 전자 장치가 필요합니다. 히어러블 및 스마트워치와 같은 장치에 필요한 높은 기능은 더 많은 에너지 소비를 수반합니다.

더 작고 더 얇은 패키지에 대한 지속적인 추세는 충전을 용이하게 하는 새로운 세대의 통합 전력 관리 회로를 필요로 합니다. 리튬 이온(Li-ion) 전지와 같은 웨어러블 기술에 적합한 기존 배터리는 센서 및 전력 수요가 낮은 기타 웨어러블 장치에 적합할 수 있지만 음성 및 제스처 인식, 모니터링 및 감지.

웨어러블 장치용 인쇄 회로 기판(PCB) 설계는 전자파 적합성 요구 사항을 준수하는 올바른 레이아웃과 재료 선택 모두에 대해 많은 고려가 필요합니다. 웨어러블 PCB는 훨씬 더 정밀한 임피던스 제어가 필요하며, 이는 레이아웃의 필수 요소인 더 깨끗한 신호 전파를 가져옵니다.

PMIC 아키텍처

일반적인 웨어러블 장치 아키텍처에는 SoC(시스템 온칩), 메모리, 디스플레이, 센서 및 전원 관리 블록이 포함됩니다. 일반적인 전력 관리 시스템에는 충전기, 다양한 벅 컨버터, Bluetooth/Wi-Fi 연결을 위한 LDO(저드롭아웃 조정기)가 포함됩니다. 예를 들어 스마트 워치에서 설계 문제는 본질적으로 소산 관리와 배터리 크기입니다. 이 모든 것은 적절한 PMIC 장치 선택을 포함합니다.

대부분의 시스템에는 마이크로컨트롤러 및 통신 프로토콜을 위한 3.3V 및 1.2V 공급 버스와 같이 공통 회로 기능을 위해 조절되는 충전기와 다양한 출력이 필요합니다.

PMIC의 고도로 구성 가능한 통합 선형 로더는 광범위한 리튬 이온 배터리를 지원하며 추가 안전을 위한 배터리 온도 모니터링을 포함합니다. 양방향 I ² C 인터페이스를 통해 설계자는 장치 상태를 구성하고 모니터링할 수 있습니다. PMIC의 아키텍처에는 감독 기능이 있는 컨트롤러도 포함됩니다.

벅 및 부스트 컨버터가 있는 전원 공급 시스템이 가장 효율적입니다. 저전압, 저드롭아웃 선형 레귤레이터는 저잡음 장치에 선호되지만 에너지 효율성이 중요한 요소가 될 수 있습니다. 최적의 공급 시스템은 스위칭 전원 공급 장치의 독점적 사용으로 나타납니다. 이 접근 방식의 단점은 각 스위치에 인덕터가 필요하므로 PCB 공간과 웨어러블 장치의 크기가 증가한다는 것입니다.

결과적으로 회로에는 SIMO(단일 입력, 다중 출력) 아키텍처를 사용하여 다양한 전원 버스를 통합하는 단일 전원 관리 솔루션이 필요합니다. 다중 출력을 제공함으로써 SIMO 접근 방식은 컨트롤러의 낮은 대기 전류와 함께 웨어러블 디자인의 배터리 수명을 연장합니다. 레귤레이터는 손실을 최소화하면서 에너지를 제공하고 아키텍처는 일부 중복 구성 요소를 제거하면서 BOM을 절약합니다.

한 가지 예는 2개의 SIMO 벅-부스트 출력과 2개의 LDO 및 시퀀싱 컨트롤러와 같은 기타 전원 관리 기능을 결합하는 통합 전원 관리 회로인 Maxim Integrated의 MAX20310입니다. 선형 조정기는 시스템 주변기기의 비활성 부하를 차단할 수 있는 전원 스위치로도 사용할 수 있습니다( 그림 1 ) 효율성을 개선합니다.

그림 1:MAX20310의 블록 다이어그램. (이미지:Maxim Integrated)