고성능 PMIC, 상시 온(Always-On) 웨어러블과 IoT 디바이스 구동

움직임이 지속되는 웨어러블을 설계하려면 콤팩트한 폼팩터, 세련된 미학, 그리고 가장 중요하게는 전력 효율의 조화가 필요합니다. 이 요구를 충족하기 위해 엔지니어들은 배터리 수명을 연장하면서 기기를 가볍고 편안하게 유지하는 작고 고도로 통합된 전력관리 IC(PMIC)에 주목합니다. 이 IC들은 지속적 작동, 원활한 데이터 수집, 신뢰할 수 있는 연결성을 가능케 합니다. 이는 건강 지표를 추적하거나 사물인터넷(IoT)에 연결하는 웨어러블에 핵심입니다.

많은 헬스 웨어러블의 초석인 광학 센싱 정확도는 근본적인 전력 아키텍처에 크게 의존합니다. 초저전력 PMIC는 노이즈를 최소화하고 전압 조절을 최적화해 광용적맥파(PPG) 및 기타 광학 측정의 감도를 높입니다. 손목 착용 폼팩터에서 이는 움직임 중이나 다양한 주변광 조건에서도 더 정밀한 활력 징후 측정을 의미합니다.

지난 10년간 웨어러블 센서 수가 급증했습니다. 의료비 상승, '건강 광신도' 증가, 온라인 건강 데이터 확산이 원인입니다. 즉각적이고 실행 가능한 통찰에 대한 소비자 기대가 커짐에 따라 음성 인식, 제스처 제어, 지속적 모니터링 같은 고급 기능을 위한 더 높은 전력 수요를 지탱할 신뢰할 수 있는 전자장치 필요성도 커지고 있습니다.

전통적 리튬이온(Li-ion) 셀은 여전히 저전력 웨어러블에 쓰이지만, 고성능 디바이스가 요구하는 전력 밀도를 맞추기엔 역부족입니다. 업계는 따라서 더 작고 얇은 패키지와 급속 충전, 효율적 전압 변환, 포괄적 안전 모니터링을 지원하는 차세대 통합 전력관리 회로로 이동 중입니다.

웨어러블 PCB 설계는 소재 선택과 전자파 적합성(EMC) 요구사항 간 균형을 맞춰야 합니다. 엄격한 임피던스 제어와 세심한 트레이스 라우팅은 깨끗한 신호 전파, 간섭 감소, 전체 디바이스 무결성 유지에 필수적입니다.

PMIC 아키텍처

일반적 웨어러블 아키텍처는 SoC(시스템온칩), 메모리, 디스플레이, 센서, 전력관리 블록을 통합합니다. 전력 시스템은 보통 충전기, 벅 컨버터, 저드롭아웃 레귤레이터(LDO)로 블루투스나 와이파이 모듈에 전원 공급. 주요 설계 과제는 열 방출과 배터리 크기이며, 둘 다 올바른 PMIC 선정에 달렸습니다.

대다수 시스템은 충전기와 다중 조절 출력을 필요로 합니다. 예: 마이크로컨트롤러와 통신 인터페이스용 3.3V 및 1.2V 공급 버스. PMIC 내 고도로 구성 가능한 리니어 로드는 광범위한 리튬이온 케미스트리를 지원하고 배터리 온도 모니터링으로 안전성 강화. 양방향 I²C 인터페이스로 설계자가 디바이스 상태 구성·모니터링 가능, 통합 슈퍼바이저로 신뢰성 있는 동작 보장.

스위칭 레귤레이터(벅, 부스트)가 최고 효율을 내며, 저전압 LDO는 저잡음 애플리케이션에 선호됩니다. 최적 공급망은 종종 스위칭 공급만 독점 사용하지만, 각 스위치는 인덕터를 요구해 PCB 면적과 디바이스 두께를 늘릴 수 있습니다.

이 제약을 조화시키기 위해 많은 설계가 단일 입력 다중 출력(SIMO) 아키텍처를 채택해 여러 전력 버스를 한 IC로 통합합니다. SIMO PMIC는 대기 전류를 낮게 유지하면서 다중 조절 레일을 제공해 배터리 수명 연장과 중복 컴포넌트 제거로 BOM 절감을 동시에 달성합니다.

예: 맥심 인터그레이티드(Maxim Integrated) MAX20310은 두 개의 SIMO 벅-부스트 출력, 두 개의 LDO, 시퀀싱 컨트롤러를 통합. 리니어 레귤레이터가 파워 스위치 역할도 겸해 비활성 주변기기 차단으로 전체 효율 개선 (참조 Fig. 1).

Fig 1: MAX20310 블록 다이어그램. (이미지: Maxim Integrated)