블루투스 5.1 SoC: IoT 기기를 위한 초소형 저비용 솔루션

블루투스 저에너지(BLE)는 배터리 구동 가젯이 수개월 또는 수년간 작동하게 하는 단거리, 저전력 무선 링크를 가능하게 하며 IoT 생태계의 중추가 되었다. 피트니스 트래커, 스마트워치, 기타 웨어러블의 폭발적 성장은 업계 전반에 걸친 BLE 채택을 가속화했다.

일반적인 블루투스 장치(그림 1)는 호스트와 컨트롤러로 구성된다. 호스트는 블루투스 스택과 호스트 측 애플리케이션 로직을 실행하고, 컨트롤러는 클래식 블루투스(BR/EDR) 또는 BLE용 베이스밴드 연산을 처리한다. 둘은 호스트-컨트롤러 인터페이스(HCI)를 통해 통신한다.

그림 1: 블루투스 싱글 모드 및 듀얼 모드 아키텍처 블록 다이어그램.

BLE는 블루투스 4.0에서 처음 등장했으며, 이후 4.1과 4.2 개정에서 점진적 개선이 있었다. 진정한 도약은 블루투스 5에서 왔는데, 2Mbps 데이터 속도, 240m로 4배 커버리지 증가, 상당한 전력 절약 개선을 도입했다.

2018년 말 발표된 블루투스 5.1은 위치 기능을 추가하여 이러한 이점을 기반으로 구축했다. 표준은 도착 각도(AoA)와 출발 각도(AoD) 두 가지 포지셔닝 기술을 지원하여 장치가 미터 수준 정확도로 서로의 위치를 결정할 수 있게 한다.

오늘날 대부분의 웨어러블은 작은 배터리로 수개월 또는 수년간 구동할 수 있는 비용 효율적인 초저전력 솔루션을 제공하기 때문에 BLE에 의존한다. 다이얼로그 세미컨덕터(Dialog Semiconductor)는 세계에서 가장 작고 에너지 효율적인 블루투스 5.1 SoC라고 부르는 DA14531을 도입했다. 동반 모듈은 개발을 간소화하고 IoT 배포를 위한 더 넓은 기회를 연다.

스마트본드 타이니(SmartBond TINY) SoC는 통합 메모리와 포괄적인 아날로그 및 디지털 주변기기 세트를 갖춘 32비트 ARM Cortex-M0+ 코어를 중심으로 구축되었다. 이러한 기능을 밀접하게 통합함으로써 다이얼로그는 BLE 솔루션의 풋프린트를 줄이면서 높은 성능을 유지한다. 대량 생산 시 SoC의 BLE 기능은 최저 $0.50에 추가될 수 있다.

2.0×1.7mm 패키지는 전자 스타일러스, 선반 라벨, 비콘, 자산 추적용 액티브 RFID 태그 같은 공간 제약 장치에 DA14531을 이상적으로 만든다. 이 칩은 카메라, 프린터, 무선 라우터 같은 프로비저닝이 필요한 애플리케이션에도 적합하다.

DA14531은 커넥티드 의료 분야로 무선 연결을 확장한다. 잠재적 사용 사례로는 흡입기, 약 디스펜서, 체중계, 체온계, 혈당 측정기(그림 2)가 있다.

그림 2: DA14531 블록 다이어그램.

2.0×1.7mm 패키지에 들어 있는 스마트본드 타이니는 전작보다 약 절반 크기라고 다이얼로그는 말한다. SoC는 완전한 저에너지 블루투스 시스템을 형성하기 위해 단일 클록 소스와 전원 공급 장치인 단 6개의 외부 구성요소만 필요로 한다(그림 3). 이 최소 풋프린트는 설계자가 사실상 모든 RF 모니터링 설계에 칩을 통합할 수 있게 한다.

"외부 구성요소는 정말 제한적입니다. 두 개의 커패시터가 필요합니다. 특정 조건에서는 파워 인덕터를 생략할 수 있습니다."라고 다이얼로그 세미컨덕터의 블루투스 저에너지 아메리카 제품 마케팅 매니저 아드리 반 메이예렌(Adrie Van Meijeren)은 말했다.

그림 3: 알칼리 배터리 셀 구동 시스템 다이어그램 - 부스트 구성.

모듈의 설계는 작은 배터리에서도 수명과 신뢰성을 보장하며, 고객을 자체 플랫폼 인증의 부담에서 해방시켜 시간, 노력, 비용을 절약한다. DA14531의 통합 DC/DC 컨버터는 1.1V~3.3V의 넓은 입력 범위를 지원한다.

"배터리와 DC/DC 컨버터와 관련하여, 우리는 3V 코인 셀 배터리 외에도 모든 1.4V/1.5V 배터리와 작업할 수 있습니다. 부스트 컨버터가 온보드에 있으므로 비용이 절감됩니다. DC/DC 효율은 인덕터 품질에 약간 의존하지만 약 85% 효율을 달성할 수 있습니다."라고 반 메이예렌은 설명했다.

"DC/DC 기능은 특히 일회용 배터리에 중요합니다. 이 배터리들은 종종 15mAh 정도의 작은 용량을 가집니다. 부스트 컨버터의 기동 전류가 인덕터와 커패시터를 제한하며, 우리는 6mA~96mA 사이에서 설정할 수 있는 전류 제한기를 제공하여 배터리 상태에 관계없이 모든 배터리에서 시작할 수 있습니다."라고 그는 덧붙였다.

BLE의 초저전력 소비로 많은 애플리케이션이 단일 소형 배터리로 4~5년 동안 실행될 수 있으며, 이는 간헐적으로 작은 데이터 버스트만 교환하는 장치에 필수적이다.

다이얼로그는 SoC를 통합하고 두 개의 mikroBUS 헤더와 아두이노 인터페이스를 제공하여 확장 기능을 제공하는 DA14531 스마트본드 타이니 개발 키트도 제공한다(그림 4).

그림 4: DA14531 스마트본드 타이니 개발 키트 프로.

블루투스는 스마트폰부터 노트북까지 전 세계 약 82억 대의 장치에 존재한다. 시스코(Cisco)는 2020년까지 500억 개 이상의 스마트 기기가 사용될 것이며, 블루투스 SIG가 그중 최대 1/3을 지원할 것이라고 예측한다.

시장에 수십억 개의 BLE 지원 장치가 있는 상황에서 애플리케이션 범위는 사실상 무한하다. 프로젝트에 BLE를 선택하려면 폼팩터, 전기적 특성, 원하는 기능, 소프트웨어 개발 도구, 기술 지원을 신중하게 고려해야 한다.