진정한 무선 피트니스 히어러블 제작 - 3부: 무선 전력 관리

편집자 주: 피트니스 히어러블은 잠재력이 크지만 생체 계측, 오디오 처리, 무선 충전이라는 세 가지 핵심 영역에서 중요한 설계 과제가 있습니다. 세 개의 기사로 구성된 이 시리즈에서는 각 과제를 하나씩 살펴보고 개발자가 초저전력 장치를 활용하여 피트니스 히어러블을 보다 효과적으로 제작할 수 있는 방법을 보여줍니다. 1부에서는 심박 및 SpO₂의 생체 계측에 대해 알아보고, 2부에서는 오디오 처리를 살펴보았습니다. 이제 3부에서는 피트니스 히어러블 설계를 위한 전력 관리 및 무선 충전용 솔루션을 설명합니다.

대부분의 응용 분야에서 전력 최적화는 기본 요구 사항이 되었지만, 피트니스 히어러블은 기존 "무선" 이어버드에서 발견되는 것보다 더 독특한 문제를 제기합니다. 후자는 오디오 스트리밍을 위해 Bluetooth 연결을 사용하지만 일반적으로 인라인 패키지에서 볼륨 제어 및 전력 커넥터와 함께 캡슐화되는 배터리에 대해 유선 연결을 유지합니다. 반면 진정한 무선 설계에서는 모든 유선 연결을 제거하므로, 제품 설계자는 각 이어버드를 위한 충전용 배터리를 제작해야 합니다.

따라서 시스템 엔지니어는 확장된 배터리 수명과 사용자를 위한 간단한 배터리 충전 공정을 보장하면서 엄격한 패키지 요구 사항을 준수할 수 있는 설계 솔루션을 찾아야 합니다.

이 기사에서는 이러한 설계를 기반으로 하는 생체 감지, 오디오 및 프로세서 장치를 위한 다양한 공급 레일을 공급하면서 배터리 수명을 연장하고 배터리 충전을 간소화할 수 있는 효과적인 접근 방법을 설명합니다. 그런 다음 무선 충전의 작동 방식을 설명하고, 개발자가 정교하고 진정한 무선 제품을 빠르게 구현하는 데 사용하고, 신속하게 확장되는 호환 가능 타사 충전 플랫폼 기반을 최대한 활용할 수 있는 표준 기반 무선 전력 솔루션을 소개합니다. Maxim Integrated, Analog Devices, STMicroelectronics, Texas Instruments와 같은 벤더의 솔루션을 소개합니다.

피트니스 히어러블에서 전력을 관리하는 방법

이 시리즈의 처음 두 기사에서 설명한 대로 엔지니어는 초저전력 SoC(시스템온칩) 생체 센서, 오디오 및 Bluetooth 장치를 활용하여 전력 소비를 최소화하고 배터리 수명을 연장할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 진정한 무선 피트니스 히어러블 설계의 경우 고집적 전력 관리 집적 회로(PMIC) 및 연료계 IC가 배터리 및 전력 관리를 위한 기반을 제공하므로 배터리 충전을 위한 무선 전원만 필요로 합니다. (이미지 출처: DigiKey, Maxim Integrated의 출처 자료에 기반)

포괄적인 기능과 함께 이 SoC는 저전력 작동 모드, 클록 또는 전압 게이팅 기능 또는 내부 전압 조정기를 다양하게 활용하여 단일 전원에서 다양한 전력 영역을 공급하기 위해 자체 전력 관리 기능을 통합합니다. 이러한 기능을 사용하여 전력 최적화 설계 구현을 간소화할 수 있지만 각 장치에 적합한 여러 전력 레일이 필요할 수 있습니다. 예를 들어, 이 시리즈의 앞부분에서 설명한 SoC(Maxim Integrated MAXM86161 생체 센서, MAX98090 오디오 코덱, ON Semiconductor의 RSL10 Bluetooth 마이크로 컨트롤러)는 다양한 공급 요구 사항을 나타냅니다(표 1).

표 1: 피트니스 히어러블 설계에서 기본 SoC의 전압 공급 범위 (표 출처: DigiKey, Maxim Integrated 및 ON Semiconductor의 출처 자료에 기반)

개별 전압 조정기 장치 대신 다중 레일 PMIC(예: Maxim Integrated MAX77654)는 더 간단한 단일 칩 솔루션을 제공합니다. 히어러블과 같은 공간 제약이 있는 저전력 응용 분야를 위해 특별히 고안된 MAX77654는 2.79mm x 2.34mm 패키지에서 세 가지 벅 부스트 스위칭 조정기 출력과 두 가지 저드롭아웃(LDO) 조정기에 6mA의 낮은 작동 전류와 0.3μA의 전원 차단 전류를 제공합니다. 개발자는 0.8V ~ 5.5V 사이의 조정된 출력을 제공하도록 MAX77654의 세 가지 벅 부스트 조정기를 50mV 단계로 개별적으로 프로그래밍할 수 있습니다. 마찬가지로 0.8V ~ 3.975V 범위의 출력을 제공하도록 두 LDO 조정기 출력을 25mV 단계로 프로그래밍할 수 있습니다.

단일 인덕터, 다중 출력(SIMO) 벅 부스트 조정기를 기반으로 하는 이 장치를 사용하면 단 몇 개의 부품만 추가하여 완벽한 전력 관리 솔루션을 제공할 수 있으므로 BOM 및 설계 실장 면적을 줄일 수 있습니다(그림 2).

그림 2: Maxim Integrated MAX77654 PMIC는 개발을 간소화하며, 장치의 SIMO 기술로 인해 단일 인덕터에서 두 가지 LDO와 세 가지 벅 부스트 조정기로 여러 프로그래밍 가능 전압 레일을 공급할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

완성형 시스템 내에서 MAX77654의 온/오프 컨트롤러 및 전력 시퀀서는 응용 분야에 필요한 특정 시퀀스에 따라 전력 레일을 가동하거나 종료하는 데 필요한 내부 전력 상태 전환과 타이밍을 관리합니다. 예를 들어, 피트니스 히어러블 설계에서 개발자는 개별 SoC 및 서브 시스템에 전력을 순차적으로 공급하여 피크 전류 수요를 줄이거나 오디오 아티팩트를 방지하도록 장치를 프로그래밍할 수 있습니다.

배터리 관리

시스템 전력 관리 기능 외에도 MAX77654는 USB를 포함한 광범위한 소스에서 95mA ~ 475mA의 프로그래밍 가능 정전류 충전 속도를 제공하는 완성형 리튬 이온 배터리 충전기를 통합합니다. Maxim의 Smart Power Selector 기술은 필요에 따라 입력 전원(CHGIN)에서 배터리(BATT) 및 시스템(SYS)으로 전력을 자동으로 전환합니다. 충전이 완료되면 Smart Power Selector는 입력 소스에서 배터리를 자동으로 분리합니다.

개발자가 장치 작동의 모든 측면을 모니터링하고 제어할 수 있도록 MAX77654는 포괄적인 상태 레지스터를 제공합니다. 개발자는 인터럽트 제어 레지스터를 설정하여 시스템 초과 전압 및 부족 전압, 온도, 충전 오류, 배터리 결함을 비롯한 광범위한 작동 조건과 결함을 호스트 프로세서에 경고하도록 장치를 프로그래밍할 수 있습니다.

하지만 소비자 가전 제품의 경우 개발자는 일반적으로 PMIC를 배터리 연료계 IC(예: Maxim Integrated MAX17260)와 결합합니다. 5.1mA의 전류만 소비하는 MAX17260은 Maxim의 ModelGauge m5 배터리 수명 예측 알고리즘을 사용하여 작동 중에 남은 배터리 수명을, 충전 중에 충전 완료 시간을 동적으로 예측합니다. 개발자는 작동 중에 남은 충전 상태가 지정된 임계값 이하로 떨어질 경우 호스트 프로세서에 대한 인터럽트를 생성하도록 장치를 프로그래밍할 수 있습니다. 피트니스 히어러블에서 개발자는 이 기능을 사용하여 전략에 따라 응용 제품의 성능을 정상적으로 저하시킬 수 있습니다. 예를 들어 생체 센서의 심박 업데이트 시간을 줄이거나, 오디오 대역폭을 줄이거나, 전력이 지속 가능한 한도 아래로 떨어지기 전에 사용자에게 경고할 수 있습니다.

무선 충전

MAX77654 PMIC와 MAX17260 연료계 IC를 결합하여 배터리 관리에 효과적인 솔루션을 제공합니다. 진정한 무선 피트니스 히어러블을 제작할 때 해결해야 할 마지막 중요한 과제는 적절한 충전 소스를 제공하는 것입니다. 정의에 따르면 해당 소스에서는 회선 전력 어댑터 또는 USB를 사용하는 기존 유선 방식을 활용할 수 없습니다. 이런 이유로, 무선 전력 기술 및 연결된 실리콘 솔루션의 사용 가능성은 손쉬운 솔루션을 제공합니다.

실제 무선 전력 방법에서는 1차 유선 코일과 2차 유선 코일 사이의 견고하게 결합된 유도 또는 동일한 공진 주파수로 작동하는 코일 쌍 사이의 느슨하게 결합된 공진 유도를 활용합니다("Inductive Versus Resonant Wireless Charging(유도 무선 충전과 공진 무선 충전 비교)" 참조).

수년 동안 소비자 가전 제품(예: 전기 칫솔) 또는 의료 제품(예: 보청기)을 충전하는 데 널리 사용되고 있는 유도 무선 전력은 최고급 전자 제품에 대해서도 안전하게 선택할 수 있을 정도로 완성된 장치 지원 단계에 도달했습니다. 따라서 개발자는 원칙적으로 Analog Devices LTC6990 전압 제어 발진기(VCO)에 의해 구동되는 송신기 코일에 대한 유도 결합 코일에서 전력을 수신하는 Analog Devices LTC4124 무선 리튬 이온 충전기보다 약간 작은 무선 전력 충전기를 구현할 수 있습니다. LTC4124 수신기 및 LTC6990 VCO와 함께 완성형 무선 전원 공급 장치 설계에서는 MOSFET, 일부 수동 소자 및 코일 쌍(예: Würth Elektronik 760308101216 7.2µH 수신기(RX) 코일 및 Würth Elektronik 760308103206 7.5µH 송신기(TX) 코일)만 필요합니다(그림 3).

그림 3: Analog Devices LTC4124 무선 전력 수신기 및 Analog Devices LTC6990 전압 제어 발진기를 사용하면 몇 가지 부품만 추가하여 완성형 독점 전원 공급 장치를 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

설계가 간소화되었지만 사용자가 세계 무선 전력 위원회(WPC) Qi 사양("Qi 호환 무선 충전" 참조)을 기반으로 하는 표준 무선 전력 제품을 빠르게 수용함에 따라 이전 무선 전력 솔루션은 소비자 가전 제품에 적합하지 않게 되었습니다. 위의 그림과 같이 독점 무선 제품 및 연결된 충전기에 맞게 고안된 그런 단순 설계에서는 수신기와 송신기 간 통신, 외부 물체 감지(FOD), WPC Qi 사양에 명시된 기타 요구 사항과 같은 핵심 기능이 부족합니다.

보다 정교한 무선 충전 공정을 활성화하는 외에도 Qi 호환 무선 전력의 빠른 수용은 저비용 무선 전력 송신기 플랫폼 상승을 촉진했습니다. 따라서 무선 전원이 필요한 피트니스 히어러블과 같은 소비자 가전 제품 개발자는 잠재적 사용자들이 기존의 기성 무선 충전 패드를 소유하고 있으며 해당 패드 사용을 선호할 것이라는 점을 예상하고 호환 무선 전력 수신기 설계에 주로 집중할 수 있습니다.

실제 제한 사항

하지만 일반적으로 사용 가능한 무선 충전 제품을 활용하려면 설계적 관점에서 근본적인 변화가 필요합니다. 대략적으로 효과적인 결합 및 전력 전송을 위해서는 크기가 비슷하고 2차 대 1차 코일 유도 용량 비율이 일반적으로 한 자릿수인 잘 맞는 송신기 및 수신기 코일이 필요합니다. 따라서 피트니스 히어러블에 맞도록 지름이 매우 작은 코일을 사용한다면 사용자가 기대하는 빠른 충전 시간을 충족하기 위해 무선 전력 시스템 설계가 복잡해질 수 있습니다. 또한 코일 간 배치 및 위치 지정에 대한 매우 허용 오차 범위가 엄격하기 때문에 맞춤형 케이스 또는 기타 실장 설비를 사용하여 이어버드 코일을 충전 코일에 가깝게 일관되게 배치하는 제품 설계가 필요합니다.

이러한 과제로 인해 진정한 무선 이어버드 제품은 일반적으로 Qi 호환 무선 수신기를 이어버드 케이스 안에 내장하는 보다 실용적인 접근 방식을 취합니다. 이어버드를 케이스 안에 넣을 때 각 이어버드에 내장된 핀이 케이스 바닥에 내장된 전력 접점에 닿게 됩니다. 따라서 케이스를 호환되는 타사 무선 충전 패드에 배치하면 전력이 패드에서 케이스 수신기까지 무선으로 흐르고 거기서 접점을 통과하여 이어버드까지 흐르게 됩니다. 이 접근 방식으로 피트니스 히어러블의 무선 충전을 구현하면 문제가 훨씬 더 간단해지므로 광범위한 Qi 호환 무선 전력 수신기에서 이 방법을 지원합니다.

무선 수신기 솔루션

다행히 개발자는 WPC Qi 표준을 지원하도록 특별히 고안된 광범위한 무선 전력 수신기를 찾을 수 있습니다. 실제로 사용 가능한 장치는 표준 무선 전력 전송을 지원하기 위한 최소 요구 사항을 충족하며 전체 시스템 설계를 간소화하도록 설계된 기능을 제공합니다. 예를 들어, 동급의 많은 장치와 마찬가지로 STMicroelectronics STWLC03 무선 전력 수신기는 사용자가 외부 전력 어댑터 또는 USB를 통해 충전 케이스에 전력을 공급할 수 있도록 고안된 간단한 무선 충전 비활성화 방법을 지원합니다(그림 4).

그림 4: 동급의 다른 장치와 마찬가지로 STMicroelectronics STWLC03 무선 전력 수신기는 외부 전원이 감지되면 무선 전력 전송을 비활성화하는 간단한 옵션을 제공합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

또한 많은 Qi 호환 무선 전력 수신기는 배터리 충전 기능을 통합하여, 개발자가 무선 충전을 사용할 수 없거나 편의상 케이스에 배터리를 추가하여 백업 전력으로 사용할 수 있도록 지원합니다. 예를 들어, Texas Instruments BQ51050B는 배터리 팩에 간단히 연결하기만 하면 사전 충전, 고속 충전 정전류, 정전압의 3단계 충전 시퀀스를 지원합니다(그림 5).

그림 5: Texas Instruments BQ51050B 무선 전력 수신기는 최소한의 추가 개발 노력으로 배터리 팩 충전을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

외부 공급과 배터리 충전을 지원하는 외에도 Qi 호환 무선 전력 수신기는 스마트폰과 같은 모바일 제품으로 다른 제품을 무선으로 충전하는 새롭게 등장한 피어 투 피어 충전 시나리오도 지원할 수 있습니다. 예를 들어, Maxim Integrated MAX77950은 기존 무선 전력 사용을 지원하면서 최소한의 추가 개발 작업을 필요로 하는 피어 투 피어 충전도 지원합니다(그림 6).

그림 6: 기존의 여러 무선 충전 구성을 지원하는 외에도 Maxim Integrated MAX77950 무선 전력 수신기는 피어 투 피어 무선 전력 전송을 지원합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

무선 전력 개발 지원

무선 전력 기능 및 연결된 장치의 지속적인 진화에도 불구하고 개발자는 개발 기판, 설계 안내서, 응용 참고 사항 등 준비된 개발 지원 리소스를 공급할 수 있습니다. 예를 들어, 이 기사에 언급된 각 무선 전력 장치는 연결된 개발 키트와 함께 제공됩니다.

LTC4124 무선 전력 수신기의 경우 Analog Devices는 송신기 기판과 수신기 기판을 모두 제공하여 높은 수준의 수신된 충전 전류에서 무선 전력 전송을 시연하는 일련의 키트를 제공합니다. Analog Devices DC2769A-A-KIT 및 DC2769A-B-KIT 키트는 각각 10mA 및 25mA의 충전 전류를 시연합니다. 주로 앞서 설명한 LTC4124 설계를 기반으로 하는(그림 3 참조) 송신기 기판에서는 Analog Devices LTC6990 VCO를 사용하고, 수신기 기판에서는 Analog Devices LTC4124 무선 수신기를 사용합니다. 높은 충전기 전류를 시연하기 위해 Analog Devices DC2770A-A-KIT 및 DC2770A-B-KIT는 LTC4124 기반 수신기 기판에서 각각 50mA 및 100mA 충전 전류를 제공하지만, 각 키트의 송신기 기판은 Analog Devices LTC4125 무선 전력 송신기를 기반으로 합니다.

장치와 관련해서 STMicroelectronics는 STWLC03 무선 전력 수신기를 위한 STEVAL-ISB036V1 평가 기판을 제공하고, Texas Instruments는 BQ51050BEVM 평가 기판을 제공하여 BQ51050B 무선 전력 수신기 개발을 지원하며, Maxim Integrated는 MAX77950 무선 전력 수신기를 위한 MAX77950EVKIT 평가 키트를 제공합니다. 평가 키트 하드웨어와 함께 각 제조업체에서는 일반적으로 맞춤형 설계를 구축하는 개발자를 위해 BOM, 회로도, 물리적 설계 안내서를 비롯한 전체 설계 리소스를 제공합니다.

소프트웨어 개발을 위한 드라이버 및 평가 소프트웨어는 일반적으로 즉시 다운로드할 수 있거나 요청 시 제공됩니다. 예를 들어, Maxim Integrated MAX77950 평가 키트 소프트웨어 패키지를 사용하면 개발자가 Windows® 10 컴퓨터와 MAX77950EVKIT를 USB로 연결하여 MAX77950 레지스터 및 구성을 모니터링하고 수정할 수 있습니다. 그러면 통합 마이크로 컨트롤러가 공유 I²C 버스를 통해 MAX77950을 업데이트합니다(그림 7).

그림 7: Maxim Integrated MAX77950 평가 키트 소프트웨어 패키지 및 연결된 설명서에서는 다양한 장치 구성이 무선 전력 성능에 미치는 영향을 개발자가 파악할 수 있도록 다양한 MAX77950 장치 설정을 안내합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

결론

진정한 무선 피트니스 히어러블 설계에서는 설계자가 고급 무선 충전 기술의 사용을 촉진하면서 보다 효과적인 시스템을 구현해야 한다는 과제가 주어집니다. 위에서 설명한 바와 같이 고집적 PMIC 및 연료계 IC는 전력 및 배터리 관리를 위한 효과적인 솔루션을 제공합니다. 무선 전력의 경우 표준 기반 무선 전력 장치의 사용은 개발자에게 피트니스 히어러블 제품에서 무선 충전 기능을 구현할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다. 이러한 표준 솔루션을 사용하여 개발자는 빠르게 확장되는 호환되는 타사 무선 충전 플랫폼 기반을 최대한 활용할 수 있는 정교하고 진정한 무선 제품을 빠르게 구현할 수 있습니다.