저전력 상시 작동 웨어러블 설계 방법: 1부 – 마이크로 컨트롤러 최적화

편집자 주: 전력에 최적화할 세 가지 영역을 중심으로 배터리 구동 상시 작동 웨어러블 전자 장치 설계에 관해 다루는 3부 시리즈의 1부입니다. 1부에서는 배터리 수명을 연장하고 충전 횟수를 줄일 수 있도록 마이크로 컨트롤러를 구성하는 방법을 설명합니다. 2부에서는 배터리를 올바르게 유지 관리하여 충전 간격을 늘릴 수 있는 방법을 살펴봅니다. 3부에서는 배터리 드레인을 최소화하면서 무선 연결을 유지하는 방법과 웨어러블용 무선 네트워킹을 살펴봅니다.

배터리 구동 웨어러블 장치가 널리 사용되면서 웨어러블 제조업체에서 경쟁력을 유지하기 위해 향상된 기능을 추가하고 있습니다. 소비자들이 지속적으로 이용하는 피트니스 시계의 경우 특히 그렇습니다. 이 시계는 항상 켜진 상태로 유지되며 사용자는 계속해서 새로운 기능과 향상된 성능을 추구합니다.

하지만 향상된 기능을 추가하는 경우 시계의 기능을 제어하고 모니터링할 수 있는 더 강력한 마이크로 컨트롤러로 전환해야 합니다. 그러면 배터리 수명이 단축되고 배터리를 더 자주 충전해야 해서 사용자 경험이 훼손되는 단점이 있습니다.

이 기사에서는 상시 작동 웨어러블용 마이크로 컨트롤러의 고유한 요구 사항을 설명하고, 저전력 모드, 자율 주변 장치를 비롯하여 상시 작동 웨어러블용 마이크로 컨트롤러를 구성하는 방법을 알아봅니다. 그런 다음 Texas Instruments의 16비트 마이크로 컨트롤러와 Maxim Integrated의 32비트 마이크로 컨트롤러를 살펴보고 주요 기능을 이용하여 웨어러블 설계를 유용하게 활용할 수 있는 방법을 보여줍니다.

상시 작동 웨어러블에서 마이크로 컨트롤러의 고유한 요구 사항

웨어러블의 경우 최종 사용자에게 가장 중요한 기능은 긴 배터리 충전 수명입니다. 온라인 리뷰에서 웨어러블 제품의 정확성과 기능을 칭찬받는다 하더라도, 충전 주기로 인해 리뷰에서 실망(별 1개)과 만족(별 5개)으로 갈릴 수 있습니다.

배터리 수명이 불만족스러울 경우 빈번한 충전으로 인한 불편함보다 훨씬 더 중요한 의미가 있습니다. 리튬 충전용 배터리는 자주 충전할 경우 총 용량이 손실되어 시간이 경과할수록 배터리 상태를 유지하는 데 어려움이 있습니다. 웨어러블용 배터리에 대해서는 2부에서 설명합니다.

또한 충전에 사용되는 커넥터가 튼튼하더라도 충전할 때마다 마모되므로 삽입/분리율에 제한이 있습니다.

웨어러블은 상시 작동하므로 지속적인 구동을 위해 마이크로 컨트롤러가 필요합니다. 따라서 웨어러블 전자 장치는 다른 소비자 장치와 전력 요구 사항이 다릅니다. 일반적으로 컴패니언 모바일 장치와 통신할 수 있도록 항상 준비 상태로 대기해야 하는 Bluetooth 저에너지(BLE) 연결이 있습니다. 웨어러블용 무선 연결에 대해서는 3부에 설명되어 있습니다.

웨어러블은 연결될 경우 모바일 장치와 데이터를 동기화할 수 있지만, 용도에 따라 모바일 연결 없이 몇 시간 또는 며칠 동안 독립적으로 작동할 수도 있어야 합니다.

시간 확인 이외에 스마트워치와 같은 웨어러블의 주요 용도는 I²C 및 SPI와 같은 직렬 포트에 연결된 외부 센서에서 입력을 지속적으로 모니터링하여 기록하는 것입니다. 여기에는 계보기의 걸음 수를 계산하는 특수 가속도계, 위치 추적 및 네비게이션 기능을 위한 GPS 무선 통신, 심박계 등이 포함될 수 있습니다. 대부분의 센서는 사용자가 개별적으로 켜고 끌 수 있지만 유능한 엔지니어가 모든 센서에서 최악의 상황을 대비하여 시스템을 설계해야 합니다.

이러한 센서에서 수집되는 데이터를 지속적으로 기록해야 합니다. 대부분의 사물 인터넷(IoT) 또는 소비자 모바일 장치에서 기록된 센서 데이터는 플래시, EEPROM 등과 같은 비휘발성 메모리에 저장됩니다. 하지만 플래시 또는 EEPROM에 대한 쓰기 작업은 많은 전류를 소비하여 웨어러블의 소형 배터리가 빠르게 방전될 수 있습니다. 더 나은 솔루션은 센서 데이터를 SRAM에 저장하는 것입니다.

SRAM에 쓸 경우 비휘발성 메모리에 쓸 때보다 훨씬 적은 전류가 소비됩니다. 마이크로 컨트롤러는 항상 켜진 상태로 유지되기 때문에 웨어러블을 끄거나 배터리를 충전하지 못해서 완전히 방전된 상태에서도 SRAM 센서 데이터가 지속적으로 유지되므로 안전합니다. 저장된 센서 데이터는 무선으로 전송되어 모바일 장치에 저장되므로, 전원이 꺼진 상태에서도 센서 데이터가 손실되지 않습니다.

마이크로 컨트롤러에서 전력 드레인을 최소화하는 중요한 기능으로 자율 주변 장치가 있습니다. 정확한 자율 방식은 마이크로 컨트롤러 제품군에 따라 다릅니다. 전력을 절감하는 다른 일반적인 기능으로는 전력 레지스터에서 비트를 설정하거나 지워서 나머지 마이크로 컨트롤러와 관계없이 사용되지 않는 주변 장치에 공급되는 전력을 비활성화합니다.

웨어러블을 위한 마이크로 컨트롤러 저전력 모드

상시 작동 웨어러블에서 마이크로 컨트롤러의 고유한 요구 사항을 파악한 후, 유용한 것과 유용하지 않은 것을 비롯하여 저전력 모드에서 수행할 작업을 결정하는 것이 중요합니다.

물론 웨어러블에서 최저 전력 모드는 웨어러블을 끈 상태입니다. 실수로 전력이 켜졌다가 꺼지는 것을 방지하기 위해 대부분의 웨어러블에서는 소프트웨어 제어 순간 푸시 버튼을 지정된 시간 동안 눌러서 켜거나 끕니다. 이 방식은 비용 효율이 낮고 실수로 켜질 수 있는 기계식 스위치보다 우수합니다. 하지만 엔지니어는 사용자가 장치를 거의 끄지 않는다고 가정해야 합니다. 따라서 장치를 절대 끄지 않는 경우와 가끔 끄는 두 가지 경우를 가정하여 웨어러블을 설계해야 합니다.

일반적으로 전력 관리 칩이 배터리 충전을 제어하고 마이크로 컨트롤러 및 센서의 전원을 켜고 끕니다. 전력 관리에 대해서는 2부에서 설명합니다. 전력 관리 칩이 웨어러블을 끄면 실시간 클록(RTC)에 공급되는 별도의 전력을 제외하고 마이크로 컨트롤러의 주 전력이 차단됩니다. 따라서 RTC만 작동하고 CPU, RAM 및 대부분의 주변 장치에 공급되는 외부 전력을 비활성화한 상태에서 작동할 수 있는 마이크로 컨트롤러가 필요합니다.

정확한 시간을 유지하려면 웨어러블이 꺼진 상태에서도 마이크로 컨트롤러 RTC가 작동해야 합니다. 따라서 RTC가 항상 켜진 상태로 유지되도록 마이크로 컨트롤러에 별도의 전력 핀이 있어야 합니다. RTC는 몇 나노암페어의 전류만 소비하는 저주파 32.768kHz 발진기에 의해 클록됩니다. 전력을 끄면 시간이 손실되는 스마트워치는 사용자 경험이 만족스럽지 못하므로 RTC를 비활성화하는 저전력 모드는 웨어러블에 적합하지 않습니다.

전력 절감을 위해 사용되지 않는 주변 장치와 CPU를 비활성화할 수 있습니다. RAM 콘텐츠가 항상 유지되어야 하므로, 전체 RAM 어레이를 비활성화하는 저전력 모드는 웨어러블에 적합하지 않습니다.

마이크로 컨트롤러 구성

웨어러블에 최적화된 마이크로 컨트롤러의 좋은 예로는 강유전체 임의 액세스 메모리(FRAM)가 탑재된 Texas Instruments의 MSP430FR2676TPTR 16MHz 마이크로 컨트롤러가 있습니다(그림 1). 이 장치는 두꺼운 유리를 통해 터치를 감지할 수 있는 저전력 주변 장치를 포함하는 Texas Instrument의 MSP430FR2676 16비트 MSP430™ CapTIvate™ 정전 용량 접촉 감지 마이크로 컨트롤러의 구성품입니다. 웨어러블에 사용되는 유리 화면은 정기적인 누름을 견딜 수 있을 정도로 두껍고 내구성이 뛰어나야 합니다. 따라서 CapTIvate 기술은 터치스크린이 탑재된 웨어러블에 적합합니다.

그림 1: Texas Instruments의 MSP430FR2676TPTR 초저전력 16비트 FRAM 마이크로 컨트롤러는 광범위한 주변 장치를 사용하며 최소한의 외장형 부품으로 단순한 웨어러블을 제어할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

MSP430FR2676TPTR은 Texas Instruments의 64Kb FRAM 프로그램 메모리를 탑재하여 플래시 마이크로 컨트롤러에 비해 적은 전력으로 더 높은 읽기/쓰기 성능을 실현할 수 있습니다. 이 장치에는 8Kb SRAM과 센서에 연결하는 데 필요한 I²C, SPI, UART 등을 비롯한 전체 주변 장치가 있습니다. 32 x 32 하드웨어 배율기는 곱셈을 가속화하여 전력 소비를 줄여줍니다.

마이크로초 ~ 몇 시간 간격으로 마이크로 컨트롤러를 절전 해제하도록 MSP430FR2676TPTR의 RTC를 구성할 수 있습니다. 이 기능은 센서 데이터를 주기적으로 처리하거나 센서 데이터를 모바일 장치에 무선으로 전송하는 등과 같은 작업을 수행하기 위해 CPU를 절전 해제하려는 경우에 유용합니다.

MSP430FR2676TPTR의 발진기 및 클록 시스템은 시스템 비용을 절감하고 낮은 전력을 소비하도록 설계되었습니다. 마이크로 컨트롤러는 네 가지 내부 생성 클록 소스와 정확도가 높은 두 가지 외장형 클록 소스를 지원합니다. 선택된 저전력 모드와 펌웨어 구성에 따라 펌웨어 제어를 통해 이러한 발진기를 활성화 및 비활성화할 수 있습니다. MSP430FR2676TPTR에는 주변 장치 실행을 위한 두 개의 클록, 즉 시스템 클록 주파수만큼 빠르게 실행될 수 있는 고속 서브 시스템 마스터 클록(SMCLK)과 저속 40kHz 보조 클록(ACLK)이 있습니다.

CPU와 기타 모든 장치를 활성화하는 활성 모드 외에도 MSP430FR2676TPTR은 구성 가능하고 복잡한 저전력 모드를 지원합니다. 특정 MSP430 저전력 모드에서 활성화되는 온칩 주변 장치는 펌웨어로 끌 수 있습니다. 따라서 저전력 구성을 맞춤 설정할 수 있습니다. MSP430FR2676TPTR 웨어러블의 경우 다음과 같은 저전력 모드(LPMx)를 적용할 수 있습니다.

• LPM0에서는 CPU를 제외한 모든 장치를 실행할 수 있습니다. 이 모드는 CPU의 개입 없이 자율 주변 장치를 활성화하여 최고 속도로 실행해야 하는 경우에 유용합니다.
• LPM3에서는 CPU, 고속 발진기 및 SMCLK를 비활성화합니다. 모든 활성화된 주변 장치는 절전 40kHz ACLK를 끌 수 있습니다. 이 모드는 버튼을 누르지 않으면 웨어러블이 유휴 상태로 전환되는 경우에 유용합니다. 직접 메모리 액세스(DMA)가 RAM에 데이터를 전송하는 동안 I²C 및 SPI와 같은 직렬 주변 장치가 자율적으로 실행되어 센서 데이터를 수집할 수 있습니다. RTC는 장치를 절전 해제하여 필요한 작업을 수행할 수 있습니다.
• LPM4는 RTC를 제외한 모든 장치를 끕니다. 그러면 SRAM도 꺼집니다. 이 기능은 사용자가 웨어러블을 끌 때 유용합니다.

MSP430FR2676TPTR은 1.8V ~ 3.6V에서 작동할 수 있으므로 3.6V 리튬 배터리용으로 적합합니다. RTC를 작동하고 최소의 주변 장치만 사용하는 이 마이크로 컨트롤러는 5µA 미만의 전류를 소비할 수 있습니다. 주 발진기를 작동하는 MSP430FR2676TPTR은 135µA/MHz(일반)를 소비합니다.

Maxim Integrated는 고성능 웨어러블을 위한 MAX32660GWE 32비트 마이크로 컨트롤러를 제공합니다(그림 2). 이 칩은 부동 소수점 처리 장치(FPU)가 탑재된 Arm® Cortex®-M4 코어를 기반으로 합니다. MAX32660에는 256Kb의 플래시와 96Kb의 SRAM이 있습니다. SRAM은 네 개의 섹터로 분할됩니다. 읽기/쓰기를 위해 센서를 활성화하거나, 전력 절감을 위해 콘텐츠를 유지하면서 읽기/쓰기를 비활성화하기 위해 낮은 절전 모드로 전환하거나, 섹터에서 전력을 제거하기 위해 센서를 완전히 비활성화할 수 있습니다.

그림 2: Maxim Integrated MAX32660은 상시 작동 웨어러블 전자 장치용으로 특별히 설계되었습니다. 전력을 절감하기 위해 이 장치는 웨어러블 응용 제품에서 외장형 센서에 연결하는 데 필요한 장치만으로 주변 장치 수를 최소화합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

MAX32660은 최대 96MHz로 작동 가능하며, 작동하는 모든 주변 장치가 85µA/MHz의 전류만 소모합니다. 전류 소모를 최소화하고 패키지 크기를 줄이기 위해 SPI 2개, I²C 2개, UART 2개를 포함하여 웨어러블에서 최소의 주변 장치만 사용합니다.

이 장치는 내장형 발진기 2개, 즉 펌웨어로 비활성화할 수 있는 96MHz 고속 내장형 발진기와 저전력 모드에 상관없이 상시 작동하는 저전력 8KHz 링 발진기를 지원합니다. 32.768kHz 발진기는 외부 수정을 사용하고 RTC에 사용됩니다. 이 세 발진기를 사용하여 CPU 및 주변 장치를 클록할 수 있습니다.

펌웨어에서 주변 장치를 끌 수 있습니다. 또한 펌웨어에서 주변 장치의 클록을 비활성화하여 소중한 나노암페어 전류를 절약할 수 있습니다.

웨어러블 요구 사항에 따라 RTC는 활성 모드에서 펌웨어를 통해 의도적으로 비활성화하지 않는 모든 저전력 모드에서 상시 작동합니다. RTC와 클록은 “상시 작동 도메인”으로 지정된 별도의 섹션에 위치합니다. 이 도메인은 나머지 마이크로 컨트롤러와 분리되므로 펌웨어가 오작동하거나 RTC가 변조되어도 영향을 받지 않습니다.

활성 모드 외에도 MAX32660은 웨어러블 전자 장치용으로 특별히 맞춤 설정된 세 가지 저전력 모드를 지원합니다.

• 절전 모드에서는 CPU는 꺼져 있고 활성화된 주변 장치가 자율적으로 실행될 수 있습니다. 이 모드는 웨어러블이 유휴 상태일 때 센서 데이터를 DMA에 기록하여 저장하려는 경우에 유용할 수 있습니다. 활성 주변 장치는 CPU를 활성 모드로 전환할 수 있습니다.
• 최대 절전 모드에서는 RTC에 대한 32.768kHz 클록을 제외한 CPU 및 주변 장치의 모든 내부 클록이 차단됩니다. 펌웨어에서 최대 절전 모드로 전환되면 96MHz 내부 클록을 자동으로 끄도록 구성할 수 있습니다. 데이터 SRAM 및 모든 주변 장치 레지스터를 포함한 모든 RAM 콘텐츠는 유지됩니다. 이 기능은 전력 절감을 위해 웨어러블을 끄지만 전원을 다시 켜면 꺼진 상태로 재시작해야 하는 점진적 종료 모드가 필요한 웨어러블에 유용합니다.
• 백업 모드는 최저 전력 모드입니다. RTC를 제외하고 CPU 및 모든 주변 장치에 대한 클록과 전력이 차단됩니다. 기본적으로 SRAM에 대한 모든 전력이 비활성화됩니다. 이 기능은 전력을 절약하기 위해 SRAM을 유지하지 않고 사용자가 웨어러블을 끌 때 유용합니다. 하지만 이 모드에서는 네 SRAM 섹터를 낮은 절전 모드로 선택적으로 유지하여 메모리 콘텐츠를 유지할 수도 있습니다. 이 기능은 적은 추가 전류를 소비하면서 최소한의 상태를 유지해야 하는 웨어러블에 유용합니다.

MAX32660은 1.71V ~ 3.63V의 전압이 필요하므로 3.6V 리튬 배터리로 작동할 수 있습니다. 또한 이 마이크로 컨트롤러에는 자급형 전력 관리 장치가 있으며, 외부 부품을 제거하여 핀 수를 줄입니다. 또한 외장형 배터리를 모니터링하고 배터리 충전 상태 정보를 정확히 제공하여 웨어러블의 사용자 인터페이스에 표시할 수 있는 배터리 게이지를 지원합니다.

결론

상시 작동 웨어러블 전자 장치는 엔지니어에게 고유한 과제를 제공합니다. 웨어러블은 꺼진 것처럼 보이더라도 약간의 전력을 소비합니다. 하지만 그림과 같이 설계자는 설계에 기능을 추가하고 구성 가능한 저전력 모드를 사용하여 배터리 수명을 유지 및 연장할 수 있습니다.