유휴 상태 동안 효과적인 시간 유지를 통해 웨어러블의 배터리 수명 향상

사용자가 웨어러블 및 기타 개인용 전자 장치를 구매할 때 배터리 수명은 중요한 요소입니다. 배터리 수명을 최대화하기 위해 개발자는 일반적으로 사용자의 상호 작용이 필요할 때까지 마이크로 컨트롤러와 기타 전력 소비 부품을 저전력 절전 상태로 전환하여 장치의 유휴 시간을 연장하는 방법을 활용합니다. 하지만 최저전력 절전 모드 상태에서도 시스템에서 벽시계 시간(WCT)을 유지하고 예약된 이벤트를 관리하기 위해 정확한 실시간 클록(RTC)이 필요합니다.

개발자가 절전 상태에서 정확한 시간을 유지할 수 있도록 지원하는 옵션은 많지만, 전력 소비를 줄이는 동시에 설계 규모를 축소해야 하는 새로운 요구 사항을 충족하는 옵션은 일부에 불과합니다.

이 기사에서는 Maxim Integrated의 전력 효율적인 RTC 칩을 초저전력 마이크로 컨트롤러와 함께 사용하여 웨어러블, 사물 인터넷(IoT) 장치, 기타 크기 및 전력 제약이 있는 제품의 배터리 수명을 연장할 수 있는 방법을 보여줍니다.

기본 시간 유지

RTC는 대부분의 설계에서 실제 클록 및 캘린더에 따라 사용자 또는 다른 시스템과 상호 작용하는 데 필요한 기본적인 기능을 처리합니다. 본질적으로 RTC는 카운트다운 채널에서 누적되는 날짜 및 시간 데이터를 보관하는 일련의 레지스터와 수정 발진기 회로를 결합합니다(그림 1).

그림 1: 기본 RTC 시간 유지 회로에서 수정 발진기는 날짜 및 시간 데이터를 보관하는 레지스터를 업데이트하는 카운트다운 체인을 구동합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

이 기본 설계에서 RTC 장치는 시간 유지 정확성 및 기능에 대한 다양한 응용 제품 요구 사항을 충족하도록 고안된 광범위한 특징을 제공하도록 발전했습니다. 오늘날의 RTC 장치는 벽시계 시간 및 날짜뿐 아니라 다양한 작동 전압, 내부 메모리 기능, 포괄적인 기능을 지원할 수 있습니다.

하지만 응용 제품의 수가 증가하면서 RTC 장치를 선택할 때 시간 유지 기능만 고려하지 않습니다. 설계자가 웨어러블과 같은 소형 배터리 구동 제품에 대한 수요에 대응해야 하는 경우 시간 유지가 전체 시스템의 전력 소비에 미치는 영향은 높은 관심을 받습니다. 최저전력 절전 상태에서도 시스템에서 벽시계 시간을 유지해야 하므로 시간 유지 전류를 최적화하는 것이 이러한 제품의 중요한 요구 사항으로 새롭게 등장했습니다. 동시에 시간 유지 솔루션이 유용하려면 설계 단순성 및 실장 면적에 대한 엄격한 제약 조건을 충족해야 합니다.

마이크로 컨트롤러 RTC 트레이드 오프

일부 응용 분야에서 설계자는 별도의 RTC 장치를 추가할 수 없고 많은 마이크로 컨트롤러에 내장된 RTC 기능을 사용해야 합니다. 하지만 모든 마이크로 컨트롤러에 RTC가 내장되어 있는 것은 아닙니다. 일반적으로 응용 제품의 시간 유지 정확성 요구 사항을 충족하기 위해 RTC 출력을 주기적으로 재보정해야 합니다. 이러한 재보정을 수행하기 위해 하드웨어 및 소프트웨어를 추가해야 하는 것 외에도 클록 오차가 누적되어 오차가 재보정 임계값에 도달하기 전에 잘못된 데이터 시간 스탬프가 표시될 수 있습니다.

장치 시간을 네트워크와 동기화하여 이러한 오차를 해결할 수 있지만, 저전력 설계 호출에서 네트워크 연결을 최소화하는 가장 좋은 방법은 전력 소비가 많은 무선 통신 트랜시버가 활성화되는 시간을 줄이는 것입니다. 마이크로 컨트롤러의 통합 RTC 기능을 사용하면 정확한 저전력 설계를 빌드하려는 개발자에게 많은 트레이드 오프가 제공될 수 있습니다.

Maxim Integrated의 Darwin 제품군과 같은 초저전력 마이크로 컨트롤러를 사용하면 저전력 작동에 맞게 특별히 고안된 특징 및 기능을 통해 이러한 문제를 해결할 수 있습니다(더욱 효율적인 스마트 장치 구축: 1부 MCU 및 PMIC를 통한 저전력 설계 참조). 예를 들어, RTC를 활성화하고 SRAM 보존을 사용하지 않는 저전력 "백업" 모드에서 초저전력 Maxim Integrated MAX32660 Darwin 마이크로 컨트롤러는 1.8V 공급 전압에서 약 630nA를 소비합니다. 백업 모드(및 모든 작동 모드)에서 RTC 회로는 대부분의 독립형 RTC 장치보다 낮은 450nA를 소비합니다.

배터리 수명을 최대화하려는 개발자를 위해 MAX32660은 훨씬 낮은 저전력 옵션을 제공합니다. 최저전력 백업 모드(SRAM 보존 안 함)에서 RTC를 비활성화한 상태에서 MAX32660은 200nA ~ 300nA만 사용합니다. RTC 지원 백업 모드 전류(630nA)와 RTC 회로 전류(450nA) 간 차이와 이 값 사이의 종속성은 회로에서 특정 작동 상태에 관여하는 활동에 따라 달라집니다. 물론 이 접근 방식에서 설계자는 마이크로 컨트롤러의 RTC보다 더 낮은 전류에서 더 정확하게 작동할 수 있는 외부 RTC 장치를 찾아야 합니다.

Maxim Integrated MAX31341B 저전력 RTC를 통해 개발자는 확장된 오프라인 작업에도 불구하고 클록 정확성 요구 사항을 충족하면서 고급 마이크로 컨트롤러에서 제공되는 초저전력 모드를 활용할 수 있습니다.

효과적인 시간 유지

Maxim Integrated MAX31341B는 공간 제약이 있는 배터리 구동 설계에서 소형 초저전력 RTC 장치에 대한 증가하는 요구를 해결합니다. 이전의 RTC와 달리 MAX31341B는 2mm x 1.5mm 크기의 소형 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)에 필수 기능을 통합하면서 기본 시간 유지 작업 중에 매우 적은 180nA의 전류만 소비합니다(그림 2).

그림 2: Maxim Integrated MAX31341B는 2mm x 1.5mm 패키지에 전체 RTC 기능을 통합하면서 180nA 시간 유지 전류를 소비합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

MAX31341B는 정확한 날짜 및 시간 데이터와 함께 많은 응용 제품에 사용되는 시간 기반 경고 기능을 제공합니다. 온칩 제어 논리는 장치의 ØINTA 및 ØINTB 핀을 통해 출력 인터럽트를 생성할 수 있는 경보 쌍과 카운트다운 타이머를 관리합니다. 개발자는 ØINTA를 CLKIN 입력으로 사용하여 외부 클록에서 RTC 카운터를 구동하도록 장치를 재구성할 수 있습니다. 마찬가지로 ØINTB를 CLKOUT으로 사용하여 원하는 나누기 카운터에 대한 레지스터 설정을 통해 지정된 프로그래밍 가능 출력 주파수에서 방형파를 출력할 수 있습니다.

D1 디지털 입력 핀 또는 AIN 아날로그 입력 핀에 대한 입력에 응답하여 인터럽트를 생성하도록 장치를 프로그래밍할 수도 있습니다. 아날로그 입력에서는 프로그래밍된 네 개 임계값(1.3V, 1.7V, 2.0V, 2.2V) 중 하나를 통해 AIN에 대한 신호가 상승하거나 하강할 때 인터럽트가 생성됩니다. 예를 들어, 이 모드에서 작동할 때 RTC 공급 전압이 임계값 이하로 떨어지거나 복원되면 MAX31341B는 호스트 프로세서에 신호를 전송하여 호스트가 적절히 작동하도록 할 수 있습니다.

또한 AIN 입력은 MAX31341B의 전력 관리 기능에서 중요한 역할을 합니다. 즉, 기본 전압 공급 소스가 사용할 수 없거나 임계값 아래로 떨어지더라도 장치에 대한 전력을 유지할 수 있도록 합니다. MAX31341B를 사용하는 개발자는 충전용 배터리, 슈퍼 커패시터와 같은 외부 전압 소스를 하드웨어 설계에 간단히 추가할 수 있습니다. 마찬가지로 해당 소프트웨어를 간단히 설정할 수 있습니다. 장치의 전력 관리 레지스터에서 몇 가지 설정을 통해 자동으로 전력을 관리하도록 장치를 구성하면 됩니다.

이 모드에서 프로그래밍된 경우 MAX31341B AIN 핀은 선택 가능한 제너 다이오드와 원하는 충전 전류 레벨을 설정하는 세 가지 내부 저항기 경로로 구성된 세류 충전 체인의 출력 역할을 합니다(그림 3).

그림 3: 개발자가 체인 및 충전 전류 레벨을 프로그래밍 방식으로 구성할 수 있도록 Maxim Integrated MAX31341B RTC는 세류 충전 체인을 통합합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

이 모드에서 일반적인 작업을 할 경우 장치는 기본적으로 기본 전압 소스 VCC로부터 µA 레벨에서 세류 충전 전류를 소비합니다. 이와 동시에 MAX31341B는 AIN 포트를 사용하여 백업 공급 전압 레벨을 따르도록 VCC와 백업 소스를 모두 모니터링합니다. VCC가 AIN 핀에서 측정된 전압 아래로 떨어지면 MAX31341B는 자동으로 세류 충전 체인을 비활성화하고 AIN을 통해 전원을 백업으로 전환합니다.

개발 지원

Maxim Integrated는 평가 기판 겸 해당 평가 소프트웨어 응용 제품인 MAX31341EVKIT를 통해 MAX31341B의 하드웨어 구성 및 프로그래밍 기능에 관심 있는 설계자를 지원합니다. 평가 키트의 회로도에 표시된 대로 개발자는 MAX31341B를 백업 전압 소스(예: Eaton의 KW-5R5C334-R 슈퍼 커패시터)에 직접 연결하여 백업 하드웨어 설계를 구현합니다(그림 4).

그림 4: Maxim Integrated MAX31341EVKIT 기판 회로도의 이 섹션에서는 시간 유지 전압 공급 백업을 위해 MAX31341B에서 AIN 핀과 충전용 전압 소스(예: 평가 기판에 사용되는 Eaton KW-5R5C334-R 슈퍼 커패시터)를 직접 연결해야 합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

USB를 통해 MAX31341B RTC 평가 기판에 연결된 개인용 컴퓨터에서 실행 중인 평가 소프트웨어는 장치 시간 유지 결과를 모니터링하고 인터럽트 및 레지스터를 설정하기 위한 일련의 탭을 제공합니다. 이 소프트웨어를 사용하여 개발자는 전력 관리 모드에서 작동하도록 장치를 설정하고 세류 충전 경로를 구성하기 위한 장치 옵션을 탐색할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: Maxim Integrated MAX31341B RTC 평가 키트 소프트웨어는 장치 레지스터를 설정하고 특수 기능(예: 전력 관리 모드, 세류 충전 체인 구성)을 프로그래밍하기 위한 일련의 메뉴를 제공합니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 4에 표시된 회로도에 제안된 대로 MAX31341B RTC로 구축된 시스템 설계는 하드웨어 인터페이스의 기능별 제품 구성도처럼 간단합니다(그림 6).

그림 6: 개발자는 수정 발진기, 선택적 백업 전압 소스, 일부 수동 소자 부품 만으로 시스템 설계에 Maxim Integrated MAX31341B RTC를 추가할 수 있습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

백업 전압 소스와 마찬가지로 필요한 외부 수정을 통합하는 데 별도의 부품이 필요하지 않습니다. 이전 RTC 장치와 달리 MAX31341B에서는 등가 직렬 저항(ESR)이 최대 100kΩ인 수정을 사용할 수 있으므로 이전 장치보다 더 폭넓은 수정 옵션을 제공합니다.

호스트의 측면에서 MAX31341B는 프로세서와 상호 작용을 위한 간단한 I²C 직렬 인터페이스(예: Maxim Integrated MAX32660 Darwin 마이크로 컨트롤러)를 제공합니다. 이 인터페이스를 사용하면 호스트에서 실행 중인 소프트웨어 코드에서 일부 명령어만 사용하여 MAX31341B 작업을 관리하고 단일 버스트에서 또는 순차적으로 시간 및 날짜 데이터에 액세스할 수 있습니다.

MAX32660 및 MAX31341B를 사용하여 개발자는 정확한 시간 유지에 의존하는 많은 응용 제품의 요구 사항을 충족하는 초저전력 설계를 구현할 수 있습니다. 실제로 일반 수정 발진기에서 발생하는 RTC 클록 오차는 일부 응용 제품, 특히 폭넓은 온도 범위에서 작동해야 하는 응용 제품에서 문제가 될 수 있습니다.

일반 RTC 설계에서 사용되는 소리굽쇠 수정 발진기에서 온도 턴오버 지점(오차율 변경이 0이 되는 지점)을 기준으로 온도가 상승하거나 하강하면 오차율(ppm)은 증가합니다. 대부분의 32kHz 수정에서 온도 턴오버 지점의 범위는 20°C ~ 30°C입니다. 이 범위를 벗어나면 일반 수정에서 -0.02ppm/°C ~ -0.04ppm/°C² 온도 계수를 나타내어 고온과 저온 상태에서 두 자리수 오차율로 이어집니다.

예를 들어, MAX31341EVKIT 평가 기판에 사용되는 ECS의 ECS-.327-6-12-TR 수정에 대한 규격서에는 각각 25°C 및 -0.03ppm/°C²의 턴오버 온도와 온도 계수에 대한 공칭 값이 나와 있습니다. MAX31341B RTC 클록의 오차율은 그림 7에 표시된 대로 이러한 특성을 따릅니다.

그림 7: Maxim Integrated MAX31341B RTC 클록 오차는 수정의 온도 계수에 의해 결정되는 속도로 수정의 온도 턴오버 지점에서 멀어지는 외부 수정 발진기의 성능에 따라 결정됩니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

극한의 온도에서 나타나는 20ppm 오차율에서도 해당 클록 오차는 약 1분/월에 불과합니다. 브리지에 내장된 구조적 무결성 모니터에 비해 개인용 피트니스 웨어러블에서는 이 오차율이 다양한 영향을 미칠 수 있습니다. 중요도가 낮은 데이터의 경우 네트워크 리소스를 통한 주기적 수정으로 충분할 수 있습니다. 중요 응용 제품의 경우 설계자는 중요 데이터와 연결된 시간 스탬프에서 RTC 오차를 보정하거나, -40°C ~ +85°C 전체 온도 범위에서 안정성이 5ppm으로 지정되는 SiTime의 SIT1552AI-JE-DCC-32.768E와 같은 온도 보정형 수정 발진기(TCXO)를 사용해야 할 수 있습니다.

결론

확장된 유휴 기간 중 전류 소비가 공간 제약이 있는 소형 장치(예: 웨어러블 및 기타 모바일 제품)의 배터리 수명을 제한하는 중요한 요소로 새롭게 등장했습니다. 이 기간 동안 시스템에서는 일반적으로 대부분의 부품이 저전력 절전 상태로 전환되더라도 현재 시간 및 날짜를 정확히 유지할 수 있어야 합니다. 통합된 실시간 클록 기능을 사용하는 초저전력 마이크로 컨트롤러에서는 최저 수준의 전력 소비를 실현할 수 없습니다.

저전력 솔루션을 제공하도록 특별히 고안된 Maxim Integrated의 RTC 장치를 사용하는 개발자는 나노 암페어 수준에서 정확한 시간 유지 기능을 유지할 수 있습니다. 따라서 유휴 기간 중에 다른 시스템 부품을 최소 작동 절전 모드로 전환하여 모바일 장치의 배터리 수명을 최대화할 수 있습니다.