저전력 멀티프로토콜 무선 SoC를 통해 안전한 라인 전원 구동형 스마트 장치 설계 간소화

스마트 조명 및 건물 자동화를 위한 사물 인터넷(IoT) 장치는 간단한 제어 노드에서 더 높은 컴퓨팅 요구, 견고한 보안, 향상된 무선 주파수(RF) 성능을 지원하는 풍부한 기능의 커넥티드 시스템으로 빠르게 진화하고 있습니다. 이러한 장치 설계자는 멀티프로토콜 연결성, 고급 보안 기능, 전력 효율성을 포함한 다양한 요구 사항 간에 균형을 맞추고, 재료 명세서(BOM) 비용 및 시스템 복잡성을 최소화해야 한다는 압박이 점점 더 증가하고 있습니다. 무엇보다 필요한 것은 새로운 IoT 요구 사항을 충족하는 고급 무선 시스템 온 칩(SoC) 장치입니다.

이 기사에서는 새롭게 부상하는 IoT 장치 및 시스템 설계자가 직면한 과제를 살펴봅니다. 그런 다음 Silicon Labs의 차세대 무선 IoT SoC를 소개하고 이 제품이 고성능 프로세서와 여러 특수 서브시스템을 결합한 초저전력 아키텍처를 통해 이러한 과제를 해결하는 방법을 설명합니다.

다양한 요구 사항이 더 높은 통합으로의 전환을 이끄는 방식

LED 조명, 스마트 플러그, 스위치 등의 응용 제품에 사용되는 라인 전원 구동형 스마트 장치는 점점 더 짧은 개발 주기에서 향상된 기능을 제공해야 합니다. 이러한 장치의 설계자는 상시 작동 환경에서 예측 가능한 동작과 엄격한 BOM 목표를 유지하는 동시에, 더 높은 처리 성능, 여러 무선 표준, 강력한 보안을 통합해야 하는 높은 요구 사항에 직면해 있습니다.

무선 연결의 복잡성은 이러한 부담을 가중시킵니다. Bluetooth Low Energy(BLE), Zigbee, Thread, Matter가 점점 더 함께 공존하면서, 개별 프로토콜 또는 멀티칩 아키텍처 기반 솔루션이 복잡해지고 있습니다. 외부 부품을 통해 서로 다른 여러 프로토콜을 지원할 경우 개발 속도가 느려지고 비효율이 발생할 수 있습니다. 결과적으로, IoT 설계는 모놀리식 무선 SoC로 이동하고 있으며, 그 예로 응용 처리, 보안 기능, 무선 동작을 하나의 장치에 통합한 Silicon Labs의 SiMG301/SiBG301 Series 3 무선 SoC(그림 1)를 들 수 있습니다.

그림 1: 고급 무선 IoT SoC는 전체 기능 스택을 통합함으로써, 이전의 멀티칩 솔루션에 비해 더 높은 설계 효율성을 실현합니다(이미지 출처: Silicon Labs).

이러한 SoC는 고성능, 강력한 보안, 유연한 연결을 제공하는 고급 아키텍처를 통해, 설계자가 스마트 장치의 빠르게 변화하는 요구 사항에 더욱 효과적으로 대응할 수 있도록 합니다.

새로운 IoT 응용 분야의 여러 요구 사항을 충족하는 통합 아키텍처

SixG301 제품군은 라인 전원 구동형 스마트 장치에 필요한 전체 기능 스택을 통합합니다. 점점 더 복잡해지는 컴퓨팅 요구 사항을 충족하기 위해, SixG301 SoC는 디지털 신호 처리(DSP) 명령어와 부동소수점 연산 장치(FPU)를 갖춘 150MHz Arm Cortex-M33 프로세서 코어를 기반으로 합니다(그림 2). 프로세서 서브시스템은 이 코어를 온칩 랜덤 액세스 메모리(RAM), 동일 패키지에 통합된 플래시 메모리, 직접 메모리 액세스(DMA) 컨트롤러 및 디버그 인터페이스와 결합합니다. 이 아키텍처는 LED 조명을 위한 특화 기능을 포함하여, 연결성, 보안, 에너지 관리, 클록, 타이머 및 주변 장치를 위한 전용 하드웨어 블록을 통해 스마트 장치에 대한 광범위한 지원을 강화합니다.

그림 2: SixG301 무선 SoC 아키텍처는 응용 처리, 무선 연결성, 보안을 통합하여, 라인 전원 구동형 스마트 장치에서 확장 가능한 성능과 시스템 복잡성 감소를 제공합니다(이미지 출처: Silicon Labs).

설계자에게 SixG301 제품군은 다양한 요구 사항을 충족하는 확장형 솔루션을 제공합니다. Bluetooth 연결을 목표로 하는 스마트 장치 설계를 위해, SiBG301 Bluetooth SoC 계열은 BLE, Bluetooth mesh 및 독점적 2.4GHz(기가헤르츠) 응용 분야를 지원합니다. SiMG301 멀티프로토콜 SoC 계열은 동일한 Bluetooth 옵션을 지원하는 동시에 Zigbee, Matter over Thread, OpenThread를 포함한 저속 데이터 통신 무선 네트워킹을 위한 IEEE 802.15.4 물리 계층(PHY) 및 매체 접근 제어(MAC) 계층 지원을 추가로 제공합니다. 각 제품군 내의 개별 제품은 최대 512KB(킬로바이트)의 RAM과 최대 4MB(메가바이트)의 보안 XIP(Execute-In-Place) QSPI(쿼드 직렬 주변 장치 인터페이스) 플래시를 포함한 추가 구성 옵션을 제공합니다. 구성 옵션에 관계없이, SixG301 SoC 제품군의 모든 제품은 차세대 IoT 장치에 필요한 동일한 기능을 공유합니다.

고급 IoT 응용 제품은 강력한 연결성에 의존하며, SixG301 제품군은 이러한 응용 분야의 전형적인, 밀집된 고간섭 환경에서도 안정적으로 작동하도록 설계되었습니다. 이 제품군의 저전력 무선(LPW) 라디오(그림 3)는 라디오 프로세서 코어, RAM, 전용 송신/수신 신호 경로를 통합하여 완전한 연결 서브시스템을 제공합니다.

그림 3: SixG301 SoC의 통합 LPW 라디오 서브시스템은 전용 송신/수신 경로를 통해 강력한 연결성을 지원합니다(이미지 출처: Silicon Labs).

LPW 서브시스템은 신뢰할 수 있는 연결성을 유지하는 데 필요한 송신 전력 및 수신기 감도를 제공하도록 설계되었습니다. 이 서브시스템은 1mW(밀리와트) 기준 최대 +10dB(데시벨)의 출력 전력(dBm)을 지원하여, 안테나 배치나 인클로저 제약 조건이 문제가 될 수 있는 라인 전원 구동형 설치에서도 신뢰할 수 있는 링크 마진을 제공할 수 있습니다. 수신 측면에서 이 라디오는 Bluetooth 중심 및 멀티프로토콜 IoT 설계에 필요한 감도를 제공합니다. 모든 SixG301 장치에서 Bluetooth/BLE에 사용되는 125kbit/s(킬로비트/초) 가우시안 주파수 편이 변조(GFSK)의 경우 수신 감도는 -106.8dBm입니다. 또한 SiMG301 장치에서 802.15.4에 사용되는 250kbit/s 오프셋 직교 위상 편이 변조(O-QPSK)의 경우 수신 감도는 -106.3dBm입니다.

보안 및 에너지 효율성을 향한 끊임없는 추구

유연한 무선 연결 옵션은 고급 IoT 응용 제품의 핵심 요소입니다. 그러나 이러한 연결과 IoT 장치의 보안은 견고한 하드웨어 기반 보안 역량을 끊임없이 추구하는 데 달려 있습니다. SixG301 장치는 Silicon Labs의 다계층 Secure Vault 보안 기술 중 최고 수준인 Secure Vault High를 기반으로 한 하드웨어 기반 보안 아키텍처를 통합하고 있습니다. 또한 Platform Security Architecture 인증 프레임워크에서 최고 수준인 PSA Certified Level 4 인증을 획득했습니다. 이 인증을 받기 위해서는 장치가 확장 가능한 사이드채널 공격과 결함 주입 공격을 포함하여 고도화된 소프트웨어 및 하드웨어 공격에 대해 강력한 보호를 제공해야 하며, 이러한 보호 기능은 모두 Secure Vault High 등급에 포함되어 있습니다.

이 보안 아키텍처는 자체 프로세서를 갖춘 전용 보안 엔진을 사용해 하드웨어 신뢰점(RoT)을 구축함으로써, 암호화 기능과 민감한 데이터를 주 Cortex-M33 애플리케이션 코어로부터 분리합니다. 이러한 분리는 애플리케이션 소프트웨어가 손상되더라도 암호화 키와 보안에 중요한 연산은 보호된 상태로 계속 유지되도록 보장합니다. Arm TrustZone은 하드웨어 수준에서 보안 코드 실행과 비보안 코드 실행을 강제 분리하고, 안전한 키 관리는 물리적 복제 방지 함수(PUF) 기술을 사용해 전원 인가 시 고유한 키를 생성합니다. 이 키가 추출되거나 복제되지 않도록 하기 위해, 해당 키는 암호화 엔진에만 표시되고 장치의 전원이 차단될 때까지만 유지됩니다.

RTSL(RoT와 Secure Loader)을 사용하는 보안 부팅은 인증된 펌웨어만 실행되도록 보장하며, AXiP(인증된 Execute-In-Place)는 이러한 보호를 런타임 코드 검증까지 확장합니다. 또한 자율 하드웨어 암호화 가속기는 암호 알고리즘과 프로토콜 처리를 주 프로세서의 부담에서 덜어줍니다. 이러한 기능은 SixG301의 침투 방지 기능과 결합되어, 설계자가 펌웨어 업데이트를 인증하고 자격 증명을 보호하며 IoT 응용 제품에서 신뢰를 유지하는 안전한 고성능 장치를 구현할 수 있도록 지원합니다.

최소한의 전력 소모를 지향하는 에너지 관리는 상시 작동하는 라인 전원 구동형 작동을 지원하는 데 있어 동일하게 중요한 역할을 합니다. SixG301 장치는 클록 및 주변 장치 전력 게이팅과 함께, 성능과 전력 소모 간 균형을 동적으로 조정할 수 있도록 여러 실행 모드를 제공합니다. 활성 모드(EM0)에서는 모든 주변 장치와 발진기 소스를 사용할 수 있는 상태에서 호스트 프로세서가 코드를 실행하며, 150MHz에서 While 루프 실행 시 일반적으로 47µA/MHz(메가헤르츠당 마이크로암페어), CoreMark 실행 시 62µA/MHz의 전류를 소모합니다. 절전 모드(EM1)는 모든 주변 장치를 사용 가능한 상태로 유지하면서, 프로세서는 비활성화되지만 시스템 이벤트 발생 시 신속한 절전 해제(웨이크업)가 가능하도록 대기합니다. 이 모드에서는 클록 구성에 따라 일반적인 전력 소모가 33µA/MHz 이하로 감소합니다.

최소한의 활동만 필요한 구간에서는 차단 모드(EM4)를 통해 장치 대부분의 전원을 차단함으로써, 백업 실시간 카운터(BURTC)를 사용하지 않을 경우 전력 소모를 0.26µA에 불과한 수준까지 낮출 수 있으며, 저주파 발진기로 BURTC를 실행하는 경우에도 0.75µA입니다.

이러한 모드를 유연한 클록 및 주변 장치 게이팅과 함께 활용하면, 설계자는 응용 제품에 필요한 전력과 성능 간의 균형을 정밀하게 달성할 수 있습니다.

통합 아날로그 기능으로 스마트 조명 장치 설계를 단순화하는 방법

SixG301 장치는 다양한 IoT 응용 분야에서 점점 더 요구되는 기능과 함께, 스마트 조명 응용 분야에 특히 적합한 아날로그 및 전력 기능을 통합하고 있습니다. 단색 및 조정 가능한 흰색 LED 전구 응용 제품에 전력 효율적인 솔루션을 제공하도록 설계된 온칩 LED 전치 구동기(LEDDRV) 서브시스템(그림 4)은 충전 펌프와 2개의 게이트 구동기 채널을 통합해 FET(전계 효과 트랜지스터)를 직접 구동하며 따뜻한 흰색 및 차가운 흰색 LED 스트링을 제어하기 위해 전용 구동기 칩을 대체합니다.

그림 4: LEDDRV 서브시스템은 효율적인 LED 전류 조절에 필요한 전체 기능 세트를 제공합니다(이미지 출처: Silicon Labs).

LEDDRV 주변 장치는 전류 모니터링과 과전류 보호를 포함한 제어 신호 및 모니터링 기능을 제공하여, LED 전류 조절을 단순화합니다. 예를 들어, 일반적인 단일 채널 LED 조명 응용 분야의 경우 설계자는 LEDDRV 출력을 LED 스트링을 구동하는 외부 전력 FET에 연결하기만 하면 되며(그림 5), AC 전압, 드레인 전압, 피크 전류 감지에 GPIO(범용 입출력) 포트를 사용합니다.

그림 5: 통합 LEDDRV 주변 장치는 외부 전력 FET 및 감지 회로와 인터페이스되어, 조정 가능한 흰색 조명 응용 제품에서 LED 전류를 조절합니다(이미지 출처: Silicon Labs).

소프트웨어 제어를 위해 프로세서는 타이머 블록에서 생성되는 2개의 PWM(펄스 폭 변조) 채널을 통해 LEDDRV 블록과 인터페이스하며, 이를 통해 정밀한 조광 및 색온도 혼합을 구현할 수 있습니다. 이 접근 방식은 설계자가 펌웨어를 통해 부드러운 조광 곡선과 따뜻한 흰색에서 차가운 흰색으로의 전환을 구현할 수 있도록 합니다. 또한 과열 작동을 방지하기 위해, 설계자는 에너지 관리 장치에 통합된 온도 센서 또는 외부 센서의 측정값을 기반으로 소프트웨어 제어를 사용해 LEDDRV 블록을 비활성화할 수도 있습니다.

LEDDRV 블록은 또한 이중 구동기 및 직접 구동 구성을 지원하여, 설계자가 기본적인 2채널 구성에서 확장하거나 서로 다른 전력 스테이지 토폴로지에 맞게 조정할 수 있도록 합니다. 이러한 조명 지향 기능을 SoC에 직접 통합함으로써, SixG301 장치는 라인 전원 구동형 조명 시스템에서 집적도 향상, BOM 비용 감소, 설계 소형화를 구현합니다.

평가 및 시제품 제작 리소스를 통해 개발 가속화

Silicon Labs는 평가와 시제품 제작을 가속화하도록 설계된 하드웨어 및 소프트웨어 리소스를 통해 SixG301 개발을 지원합니다.

SixG301 익스플로러 키트(SIXG301-EK2719A)(그림 6)는 USB 전원 구동형 개발 플랫폼으로, 설계자에게 콤팩트하고 낮은 비용의 진입점을 제공합니다. 4MB 플래시와 512KB RAM을 갖춘 SiMG301 모듈을 기반으로 한 이 기판은 추가 센서와 주변 장치를 위한 소켓과 커넥터를 제공합니다. 또한 가상 COM 포트와 패킷 트레이스 인터페이스를 갖춘 온보드 J-Link 디버거를 통해, 설계자가 추가 장비 없이도 펌웨어 개발과 라디오 평가를 수행할 수 있습니다.

그림 6: SIXG301-EK2719A는 커넥터와 온보드 J-Link 디버거를 갖춘 콤팩트한 USB 전원 구동형 개발 플랫폼을 제공하여 신속한 시제품 제작을 지원합니다(이미지 출처: Silicon Labs).

고급 개발과 세부적인 성능 특성화를 위해 SixG301 Flash Pro 키트(SIXG301-PK6037A)(그림 7)는 SI-MB4002A BRD4002A Wireless Pro 키트 메인보드와, 4MB 플래시를 탑재한 SIXG301-RB4407A 플러그인 라디오 기판 또는 8MB 플래시를 탑재한 SIXG301-RB4408A 플러그인 라디오 기판을 결합합니다. 메인보드는 통합 디버깅, 고급 에너지 모니터링, 시스템 수준 통합 테스트를 위한 포괄적인 주변 장치 브레이크아웃을 제공하며, 두 가지 플러그인 라디오 기판 모두 512KB RAM을 탑재한 SiMG301, 매칭 네트워크, 인쇄 회로 기판(PCB) 안테나를 포함하고 있습니다.

그림 7: SixG301 Flash Pro 키트는 기능 집약적인 메인보드와, 디버그 및 성능 특성화를 위한 플러그인 라디오 기판 및 포트를 결합합니다(이미지 출처: Silicon Labs).

SixG301 익스플로러 키트와 SixG301 Flash Pro 키트는 모두 Silicon Labs의 Simplicity Studio 개발 환경에서 작동하며, 이 환경은 구성 마법사, 예제 프로젝트, Simplicity 소프트웨어 개발 키트(SDK)에 대한 접근을 제공합니다. 이러한 리소스를 통해 설계자는 초기 평가부터 시제품 제작을 거쳐 생산 준비가 완료된 설계까지 효율적으로 진행할 수 있습니다.

결론

LED 조명, 스마트 플러그, 스위치를 위한 라인 전원 구동형 스마트 장치를 담당하는 설계자는 최소한의 비용으로 고성능, 신뢰성, 멀티프로토콜 연결성, 강력한 보안, 에너지 효율을 제공해야 한다는 압박이 점점 더 커지고 있습니다. Silicon Labs의 SiMG301 및 SiBG301 차세대 Series 3 무선 SoC는 관련된 개발 도구와 함께 이러한 요구 사항을 지원하며 신속한 개발을 위한 확장 가능한 기반을 제공합니다.