USB-C, 웨어러블·모바일 기기 전력 관리에서 역할 확대

에너지 소비는 모바일 기술의 최우선 과제로 남아 있습니다. USB-C는 처음에 데이터 중심 커넥터로 구상되었지만, 이제는 휴대용 기기에서 선호되는 전력 관리 솔루션이 되었습니다.

전력 예산 증가와 충전 과제

스마트폰, 웨어러블, 피트니스 트래커, 태블릿, 노트북이 더 지능화됨에 따라 전력 예산이 확대됩니다. 적극적인 배터리 절약 기술에도 불구하고 많은 기기가 풀파워 사용 몇 시간 만에 방전되어 사용자가 다시 충전기를 찾아야 합니다. 설계자들은 따라서 에너지 니즈를 정확히 추정하고 고효율 전력 관리 회로를 설계해야 합니다.

무선 충전 아키텍처에서 충전 전력 중요성

무선 충전 아키텍처에서 필요한 충전 전력은 중요한 파라미터입니다. 수신 전력은 송신 전력, 거리, 송수신 코일 간 결합, 양쪽 코일 공차에 의존합니다. 급속 충전은 컨슈머 전자 시장의 핵심 차별화 요소이므로 제조사들은 충전 시간 단축을 끊임없이 추구합니다.

USB-C의 장점과 설계 과제

USB-C는 급속 충전, 초고속 데이터 전송, HDMI, VGA, DisplayPort를 통한 오디오-비디오 출력을 지원합니다. 다양한 기기에서 업계 표준으로 급속히 자리잡고 있습니다.

그러나 이 편의성은 설계자에게 비용을 수반합니다: 기존 모든 포트와 호환되고, 리버서블하며, 완전히 상호운용 가능한 USB-Type-C 커넥터를 만드는 것은 상당한 엔지니어링 과제를 제시합니다.

Figure 1: SM58IP04 단일 칩

Silicon Mitus 제품 포트폴리오

Silicon Mitus는 모바일 전자, LCD/OLED 디스플레이, 충전 액세서리를 위한 4개 제품군을 제공합니다. 포트폴리오에는 스마트폰 배터리 및 퀵차징 솔루션용 전력관리 IC(PMIC), 완전한 USB-Type-C 모듈, 무선 충전기, 디스플레이 전용 PMIC, Class-D 앰프와 고성능 코덱 같은 오디오 제품이 포함됩니다.

"우리는 이 시장에서 35억 개 이상의 IC를 출하했습니다."라고 서울 기반 아날로그 IC 전문기업 Silicon Mitus의 CEO Youm Huh는 말합니다. "자동차 PMIC와 인포테인먼트 오디오 모듈로도 확장 중이며, 유리 거울을 대체하는 후방 카메라 시스템의 전력 관리도 포함됩니다."

SM58IP04: 단일 칩 벅-부스트 USB-Type-C NVDC 충전기

Silicon Mitus는 최근 2S/3S 및 4S 배터리 구성용 단일 칩 벅-부스트 USB-Type-C 좁은 VDC(NVDC) 충전기인 SM58IP04를 출시했습니다. 벅과 부스트 모드 모두에서 최대 95% 효율을 제공하며 첨단 열 제어로 최대 6A 배터리 충전 전류를 지원합니다.

"SM58IP04는 컴팩트한 PCB 풋프린트와 비용 절감으로 컴퓨팅 분야에서 빠르게 채택되어 뛰어난 성능을 보여줍니다."라고 비즈니스 개발 VP Gianfranco Scherini는 언급합니다. "멀티셀 배터리 충전과 완전한 USB-Type-C 및 PD 지원을 결합합니다."

USB-Type-C 표준과 전력 전송

USB-Type-C 표준은 전력 전송과 높은 데이터 속도에 대한 시장 요구를 충족하면서 리버서블 커넥터를 제공합니다. USB-Type-C Power Delivery(PD)는 20V에서 최대 5A 전류를 지원하여 최대 100W 전력을 제공합니다. 이는 노트북과 고성능 주변기기에 이상적입니다. 이 수준에서 손상을 피하기 위해 적절한 보호가 필수적입니다.

"고효율 벅-부스트 토폴로지와 적극적 통합에 대한 우리의 집중이 결실을 맺었습니다."라고 Scherini는 말합니다. "고객은 USB-Type-C 전력 경로와 배터리 충전을 처리하는 단일 솔루션을 중요하게 여깁니다. SM58IP04로 모든 USB-Type-C 포트가 동일하게 동작하여 폼팩터 전반에 설계 유연성을 제공합니다. PD 3.0 사양은 임의 전압-전류 조합 협상을 가능하게 하여 최대 100W 전력 공급의 길을 엽니다."

열 관리의 중요성

열 관리는 에너지 절약 설계의 가장 큰 장벽으로 남아 있습니다. 디바이스 성능 발전은 열 방출에 대한 판돈을 올립니다. 반도체 제조사에게 패키징 품질은 열 방산과 전체 시스템 신뢰성을 결정합니다.

"열 관리는 특히 소비자들이 더 얇고 팬리스 노트북을 요구함에 따라 중요합니다."라고 Huh는 말합니다. "기기를 안전한 온도 한계 내에 유지하면서 사용자 편의를 보장해야 합니다."

기기가 충전기에 연결되면 목표는 배터리에 가능한 한 많은 전력을 빠르게 전달하는 것입니다. 노트북과 크롬북 애플리케이션에서 충전기는 종종 45-65W를 공급합니다. 효율 손실은 열로 변환되며, 심지어 0.5% 감소도 작은 PCB 영역에서 0.5와트를 소산시켜 국소 온도를 상승시킵니다.

Figure 2: SM58IP04 단일 칩 회로 레이아웃

따라서 설계자들은 정밀한 제어를 가능하게 하고 전력 손실을 줄여 디바이스 수명과 성능을 보존하는 고효율 아키텍처를 우선시해야 합니다.

"SM58IP04는 PCB로 열 흐름을 최대화하는 패키지로 고효율과 최적 열 방산을 모두 해결합니다."라고 Huh는 설명합니다. "높은 효율은 인클로저 내 열을 줄여 전체 시스템 온도를 개선합니다."

R&D 지원을 위한 새로운 디자인 센터

지속적인 R&D 지원을 위해 Silicon Mitus는 2017년 이탈리아 파비아에 새로운 디자인 센터를 열었으며, 숙련된 아날로그 설계자 풀을 활용합니다. 이 시설은 모바일 및 노트북 애플리케이션에서 USB-Type-C의 잠재력을 완전히 발휘하는 차세대 배터리 충전기를 제공할 수 있도록 장비되어 있습니다.

"우리는 노트북/크롬북용 USB-Type-C 배터리 충전기와 모바일 기기용 전압 분배 부품에 투자했습니다."라고 Huh는 말합니다. "SM58IP04의 출력 전압은 12.5mV 단위로 프로그래밍 가능하며 USB-PD 3.0의 20mV 스텝 요구사항을 완전히 준수합니다. 우리 포트폴리오는 내부 전력 변환을 우회하는 배터리 충전기 아키텍처를 가능하게 하여 주요 손실원을 제거하면서 케이블 전류를 3A 내로 유지합니다. 이는 3A 이상에서 비싼 e-마크 케이블 필요성을 없앱니다."

글로벌 PMIC 시장은 4.6% CAGR로 성장하여 2026년까지 564.8억 달러에 달할 것으로 예상되며, 더 스마트하고 효율적인 전력 관리 솔루션에 대한 수요 증가를 반영합니다.