벅 부스트 전력 설계 - 웨어러블 IoT를 위한 실행 가능한 토폴로지

편집자 주: 웨어러블 사물 인터넷(IoT) 제품을 설계 시 상반된 선택이 필요하며, 이는 신뢰할 수 있고 안정적인 전력 시스템 설계에 대한 필요성을 강조합니다. 이 설계 시 구체적으로 고려해야 하는 사항에는 콤팩트한 물리적 크기, 무선 통신에 대한 종속성, 효율적인 배터리 구동 관리에 대한 필요성, 규정 준수 문제 등과 같은 웨어러블 제품의 특징이 포함됩니다. 이 기사에서는 벅 부스트 스위칭 조정기를 기반으로 하는 전력 시스템 설계를 통해 이러한 설계 문제를 해결 및 만족할 수 있는 방법을 설명합니다. 이렇게 하기 위해 상용 부품의 작동 사양을 살펴봅니다. 또한 LTE 셀룰러 트랜시버 모듈의 전력 요구 사항, 벅 부스트 스위칭 조정기의 성능 지표, 탄탈룸 커패시터의 부하 경감, ESR 및 정전 용량을 제공합니다. 마지막으로 전력 시스템 토폴로지 및 사용 사례를 제공하여 웨어러블 IoT 제품의 수요를 충족하는 벅 부스트 조정기의 실증적 성능을 보여줍니다.

소개

셀룰러 트랜시버의 성능은 전력 레일의 신뢰성과 안정성에 따라 달라집니다. 적절한 전력 마진, 접지면 크기 및 효과적으로 축소된 리플을 보장하는 설계를 선택해야 합니다. 배터리로 구동되고 조정기 표준의 적용을 받는 웨어러블 제품으로 설계를 압축할 경우 선택은 더욱 복잡해집니다.

이 기사에서는 웨어러블 IoT 장치 내에서 발생하는 일부 전력 설계 문제를 설명하고 상용 부품을 사용하여 이러한 문제를 해결하는 설계 토폴로지를 제안합니다. 전반에 걸쳐 중요한 설계 트레이드 오프를 설명하고 권장되는 완화 방법을 제시합니다. 이 기사의 궁극적인 목표는 강력한 전력 설계 토폴로지를 제공하여, 설계자에게 웨어러블 IoT 장치의 제약 내에서 작동하는 효율적인 솔루션을 제공하는 것입니다.

과제 정의: 신뢰성 및 안정성

이 기사에서 신뢰성은 무선 통신 트랜시버(이 경우 셀룰러 트랜시버)의 작동 범위 내에서 전압 레일을 제공하는 전력 시스템의 기능을 의미합니다. 또한 이 기능은 IoT 제품에서 예상되는 일반 전류 소비와 피크 전류 소비를 모두 충족하는 전류를 소싱하는 기능을 포함합니다.

안정성은 장치의 사양 내에서 전압 레일에 존재하는 리플로 정의됩니다. 이 리플은 조정기의 스위칭 특성 때문이거나, 전류 수요의 급격한 증가에 대한 과도 응답 때문일 수 있습니다. 원인에 관계없이 조정기의 응답 기능은 안정성을 결정하는 기반이 됩니다.

셀룰러 트랜시버의 강력한 성능

당연히, 셀룰러 트랜시버 모듈은 유례없는 수준의 채택 환경에서 크고 작은 장치에 대한 무선 연결을 지원하고 있습니다. 이러한 장치는 점점 통합되어, 기판 실장 전력 조정기, 온도 보정형 발진기, 정교한 코프로세서 등도 통합하고 있습니다. 하지만 이러한 모든 장치는 신뢰성과 안정성이라는 주요 전력 파라미터에 여전히 의존하고 있습니다.

다음 제품 샘플은 후자를 강조하기 위해 제공된 것입니다. 각 제품은 상용으로 제공되고 웨어러블 IoT 제품의 적절한 기반이 되지만, 전력 고려 사항은 필수입니다. 다시 말해서, 이러한 장치는 적절히 구동되지 않을 경우 최고의 성능과 기능을 발휘하지 못합니다.

u-blox

표 1은 MPCI-L201-02S-00 셀룰러 모듈에 대한 전력 파라미터를 자세히 보여줍니다.

표 1: u-blox 전력 파라미터

기술 설명서에서 u-blox는 이 모듈을 구동하기 위한 몇 가지 매우 엄격한 요구 사항이 있습니다.

VCC 또는 3.3 Vaux 핀에 연결되는 스위칭 조정기는 모듈 VCC 또는 3.3 Vaux 요구 사항을 준수하기 위해 다음과 같은 전제 조건을 충족해야 한다는 특징이 있습니다.

• 전력 성능: 출력 회로와 함께 스위칭 조정기는 지정된 작동 범위 내에서 VCC 또는 3.3 Vaux 핀에 전압 값을 제공하고, TOBY-L2 또는 MPCI-L2 계열 규격서에 지정된 최대 변속기(Tx) 전력에서 Tx 버스트 중에 최대 피크/펄스 전류 소비를 제공할 수 있어야 합니다.
• 낮은 출력 리플: 출력 회로와 함께 스위칭 조정기는 깨끗한(저잡음) VCC 또는 3.3 Vaux 전압 프로파일을 제공할 수 있어야 합니다.
• 전압 강하는 400mV를 초과할 수 없습니다.

이러한 요구 사항 내에서 신뢰성과 안정성이라는 두 가지 중요한 측면이 강조됩니다. 전력 레벨이 적절한 전압 범위 내에 있고 리플이 최소화되어야 합니다. 흥미롭게도 '리플'은 이 사양 요구 사항 내에서 스위칭 리플과 전압 강하의 두 가지 유형으로 구분됩니다. 스위칭 리플은 고주파 리플로 간주될 수 있으며, 조정기의 스위칭과 관련이 있습니다. 전압 강하는 저주파 리플이며, 주로 높은 전류 부하에 빠르게 대응하지 못하는 전원으로 인해 발생합니다. 이 리플은 조정기의 성능과 관련이 있지만, 전력 경로 내의 과도한 저항 또는 유도 용량이 원인일 수도 있습니다.

마찬가지로 셀룰러 개발 키트 설계에 사용되는 조정기로 충분하지만, 벽면형 전력 구동 개발 키트 설계는 배터리 구동 웨어러블 응용 제품에 적합하지 않습니다. 또한 웨어러블 제품에 필수적인 설계의 물리적 공간 축소가 전력 경로 내에서 기생 저항과 유도 용량에 영향을 줄 수도 있습니다. 특히, 이러한 기생적 특징이 제품의 조정기 규정 준수를 위협할 경우 적절한 조정기를 선택하는 것만으로는 이 복잡한 문제가 해결되지 않고 추가적인 완화가 필요할 수 있습니다.

Digi

표 2는 XBC-V1-UT-001 셀룰러 모듈에 대한 전력 파라미터를 자세히 보여줍니다.

표 2: Digi 전력 파라미터

아래에 표시된 대로 기술 설명서에서 Digi는 이 모듈을 구동하기 위한 몇 가지 매우 엄격한 요구 사항이 있습니다.

• 전원 공급 장치 리플이 피크 간에 75mV 미만이어야 합니다.
• 전원 공급 장치가 3.3V(5W)에서 최소 1.5A를 공급할 수 있어야 합니다. 낮은 전압에서 작동할 경우 5W 요구 사항을 충족하려면 전원 공급 장치의 전류 용량이 높아야 합니다.
• XBee VCC 핀에 충분한 벌크 정전 용량을 적용하여 유입 전류 중에 전압을 최소 사양 이상으로 유지합니다. 셀룰러 통신을 처음 켜고 절전 모드에서 해제되는 동안 유입 전류는 약 2A입니다.
• 소형 고주파 세라믹 커패시터를 XBee 셀룰러 모뎀 VCC 핀에 아주 가깝게 배치하여 고주파 잡음을 줄입니다.
• 최소의 전압 강하로 피크 전류 요구 사항을 처리할 수 있도록 넓은 전원 공급 장치 트레이스 또는 전력면을 사용합니다. Colorado Electronic Product Design은 경부하(~0.5W)와 중부하(~3W) 간에 XBee VCC 핀의 전압이 0.1V 이상 차이 나지 않도록 전원 공급 장치와 트레이스를 설계할 것을 권장합니다.

다른 셀룰러 모듈과 마찬가지로 전력 레일의 안정성과 신뢰성이 주요 고려 사항입니다. 하지만 지시 사항은 더욱 구체적이며, 최대 리플 전압과 예상 유입 전류를 요구하고 회로 기판 레이아웃에 대한 몇 가지 유용한 힌트를 제공합니다.

벅 부스트 전력 토폴로지 – 배터리 구동 IoT 웨어러블을 위한 안정적이고 신뢰할 수 있는 솔루션

과제는 앞에 제시되어 있으며, 전력 시스템 설계 시 다음 요구 사항을 충족해야 합니다.

• 선택된 모듈의 작동 범위 내에서 전력 레일을 제공합니다.
• 모듈의 평균 전류 수요와 피크 전류 수요를 모두 고려하여 충분한 전류를 공급합니다.
• 리플 전압 최대값을 초과하지 않고 전력 레일에서 너무 높은 전압 강하를 허용하지 않으면서 앞서 언급한 모든 요구 사항을 충족합니다.
• 웨어러블 응용 제품에 적절한 물리적 공간에 한해 이 모든 요구 사항을 충족하고 이 제품의 사용 사례와 밀접한 관련이 있는 규정 준수 표준을 통과해야 합니다.

앞서 언급한 대로 셀룰러 모듈은 전력 시스템에 대한 엄격한 요구 사항이 있습니다. 제한된 물리적 공간 애에서 모든 요구 사항을 충족하면 되지만, 제품의 성공을 위해 고차원적인 고려 사항을 채택해야 합니다. 그림 1 토폴로지는 권장 방법을 캡처합니다.

그림 1: 상위 수준 벅 부스트 스위칭 조정기 구성도 (이미지 출처: Colorado Electronic Product Design)

이 토폴로지는 앞서 언급한 일부 일반적인 설계 대안보다 우수한 성능을 제공합니다. 아래에서는 이 권장 토폴로지의 각 측면, 각각의 해당 설계 과제, 변경을 완화하는 방법을 보여줍니다.

배터리 및 배터리 팩 저항

배터리 팩의 내부 저항은 배터리의 자체 저항보다 높습니다. 이는 웨어러블 응용 제품의 배터리 팩에 연결되는 보호 회로망, 상호 연결 전선, 퓨즈 및 기타 항목들 때문입니다. 표 3은 웨어러블 IoT 장치에 적절한 모델인 휴대 전화에 사용되는 평균적인 소형 리튬 폴리머 배터리 팩에 대한 분류 항목을 보여줍니다.

표 3: 배터리 팩 저항(항목별) (이미지 출처: Battery University Group)

1) 셀룰러 모듈을 배터리에 직접 연결

일반적인 전류 소비 중에 이 저항은 유의미한 전압 강하를 생성하지 않지만, 피크 부하에서는 배터리 전압을 기준으로 0.13V ~0.33V 강하될 수 있습니다. 전압 값은 제공된 셀룰러 모듈의 최소 전류 소비와 최대 전류 소비에 따라 다릅니다. 이 전압 강하가 모듈의 최소 작동 값 이하에서는 전력 레일에 큰 영향을 주지 않을 수도 있지만, 셀룰러 모듈의 사양을 벗어날 경우 전압 강하와 리플이 생성됩니다. 성능에 영향을 주므로 모듈을 배터리에 직접 연결하지 않는 것이 좋습니다.

2) 더 큰 정전 용량 사용

이 전압 강하를 극복하는 다른 방법으로 더 많은 로컬 정전 용량을 추가할 수 있습니다. 하지만 이 정전 용량은 전류 소비 기간 동안 제품의 전체 작동 온도 범위에서 충분한 전류를 계속 공급해야 합니다. 이 자체는 수동 부품에서 이행하기 까다로운 요구 사항입니다.

필요한 엄청난 양의 정전 용량을 고려할 때 이 방법은 더욱 복잡해집니다. 커패시터의 전류 방정식을 기반으로 합니다,

방정식 1

이 방정식을 풀어서 주어진 전압, 전류 및 기간에 대해 필요한 정전 용량을 계산할 수 있습니다.

방정식 2

u-blox 부분을 참조할 때 높은 전류 펄스가 0.6ms(4.615ms/8) 동안 생성될 수 있습니다.

그림 2: u-blox 전류 소비 프로파일 (이미지 출처: u-blox)

그렇다면 0.26V의 전압 강하를 극복하기 위해 2A의 전류를 0.6ms 동안 공급하는 데 얼마나 많은 정전 용량이 필요합니까? 위의 방정식을 사용하여 계산된 값은 4.62mF(4.62 X 10-3 Farad)입니다. 일반적으로 등가 직렬 저항(ESR)이 낮은 가장 큰 세라믹 커패시터는 약 680μF이며 일반적으로 표면 실장 부품이 아닙니다. 일부를 병렬로 배치하고 전압 강하, 온도 차이 및 허용 오차 범위를 모두 고려해야 합니다. 값이 큰 탄탈룸 커패시터가 있지만 이 커패시터를 사용할 경우 ESR이 공급 가능한 전류량을 제한합니다. 또한 부품의 바람직하지 않은 기생 속성을 고려하여 일부를 병렬로 배치해야 합니다.

커패시터를 여러 개 사용해야 하므로 이미 한정적인 웨어러블 제품 내의 소중한 회로 기판 공간을 차지하고 BOM 비용이 크게 증가합니다. 뿐만 아니라 배터리를 교체하거나 전력 경로 내에 변경이 있을 때마다 정전 용량을 다시 설계해야 합니다. 이러한 제한으로 인해 정전 용량 방식 솔루션은 이 설계 고려 사항을 해결하는 데 문제가 될 수 있습니다.

벅 부스트 스위칭 조정기

이 조정기는 이 전력 설계 토폴로지의 핵심입니다. 이 섹션에서는 두 상용 벅 부스트 조정기를 살펴봅니다. 각 조정기는 웨어러블 IoT 응용 제품에 적합한 옵션입니다. 하지만 자세히 살펴보기 이전에 그런 조정기의 필요성을 설명하는 데 유용한 몇 가지 사항이 있습니다.

1) 벅 조정기로는 충분하지 않음

현재 셀룰러 모듈을 배터리에 직접 연결하는 것은 적절한 설계 옵션이 아니라고 주장하기도 합니다. 하지만 이 섹션에서는 한 걸음 더 나아가 벅 조정기를 사용하면 배터리에 직접 연결할 때보다 성능이 향상될 수 있으나 대부분의 웨어러블 IoT 사용 사례에는 적합한 설계 옵션이 아니라고 주장합니다. 부스트가 필요하며, 그 이유는 다음과 같습니다.

그림 3: 방전 전류가 0.2C, 0.5C 및 1C일 때의 리튬 배터리(3.7V 공칭) 방전 곡선(이미지 출처: Innovative Battery Technology)

배터리 잔량이 20%일 때 배터리의 전압이 2.8V ~ 3.7V 범위 내에 위치할 수 있습니다. 이제 전압이 3.0V 아래로 떨어지면 부족 전압 보호 회로망이 배터리를 분리할 수 있습니다. 이에 근거하여 잔량이 20%인 배터리의 '유효' 전압 범위는 3.7V ~ 3.0V라고 간주합니다. 벅 조정기는 출력 전압보다 크거나 같은 입력 전압이 필요하다는 사실과 이 정보를 결합하면 설계 딜레마가 뚜렷해지기 시작합니다.

VOUT를 3.3V로 설정하고 벅 조정기를 사용할 경우 셀룰러 모듈이 피크 전류를 당겨오는 동안 배터리가 유지할 수 있는 값이 최소 가용 배터리 전압입니다. 단, 이 값은 3.3V 이상이어야 합니다.

수학적으로 효율은 다음과 같이 계산합니다.

방정식 3

이 방정식을 재배열하면,

방정식 4

벅 조정기의 효율이 90%일 경우 3.3V * 2.5A = 8.25W를 제공해야 합니다(u-blox 모듈을 설계하는 경우). 즉, 입력 전력은 8.25W/0.9 = 9.2W이어야 합니다.

방정식을 적용하면,

방정식 5

배터리의 공칭 값이 3.7V일 때 입력 전압은 2.49A를 공급해야 하지만, 이는 벅 조정기에 공급되는 전류이며, 배터리 팩의 계열 저항을 처음으로 통과해야 합니다. 따라서 실제 배터리 전압은 조정기 입력의 전압과 배터리 팩의 계열 저항을 통과하면서 강하되는 전압의 합계입니다. 즉, 3.7V + (2.49A * 0.13Ω) = 4.02V입니다. 따라서 배터리 팩의 계열 저항에 대해 0.32V 강하가 실현됩니다.

이는 이 배터리가 가질 수 있는 최소 가용 값이 3.3V + VSeries_Resistance = ~3.62V라는 것을 의미합니다. 배터리 팩의 전압이 이 값보다 아래로 떨어질 경우 벅 조정기의 입력 전압은 더 이상 출력 전압보다 크거나 같지 않으므로, 규정을 충족하지 않습니다. 이 규정 위반은 셀룰러 모듈의 전력 레일에서 전압 강하를 생성하고 리플 전압 및 강하 요구 사항을 위반하게 됩니다. 성능이 저하됩니다.

2) 추가 고려 사항

요약하면 벅 부스트 조정기의 부스트 부분에서 시스템이 배터리 팩 용량의 최종 20%에 접근할 수 있습니다. 벅 부스트를 사용할 때 배터리에서 조정기에 전력을 지속적으로 공급하는 한 모듈의 전력 레일이 유지되므로, 배터리 잔량이 남아 있는 한 중간에 작동이 멈추는 일이 없습니다.

벅 부스트 조정기를 사용할 때 배터리 잔량의 마지막 20%는 이전 80%보다 더 빠르게 소비됩니다. 입력 전압이 설정된 출력 전압 이하로 떨어질 경우 더 많은 입력 전류가 필요하기 때문입니다. 하지만 배터리 팩의 최대 방전 전류를 선택할 때 이 전류 증가를 고려해야 합니다.

3) 제품 예 – Renesas ISL91110

다음 그래프는 이 부품의 기능을 보여줍니다. 이 부품은 경부하 작동에서 중부하 작동으로 자동 전환됩니다. 그 결과 출력 전유의 전체 작동 범위에서 효율이 향상됩니다.

그림 4: Renesas ISL91110 효율 및 V_IN 비교 (이미지 출처: Renesas)

그림 5: Renesas ISL91110 0A ~ 2A 부하 과도(V_IN = 3.6V, V_OUT = 3.3V). (이미지 출처: Renesas)

4) 제품 예 – ON Semiconductor FAN49103

이 부품도 경부하 작동에서 중부하 작동으로 자동 전환됩니다. 파라미터가 3.4V(3.3V에 대조됨)로 설정된 출력 전압을 위한 것이지만, 이 부품은 이 예제 응용 제품에서 작동합니다.

그림 6: ON Semiconductor의 FAN49103 효율 및 I Load(mA) 비교 (이미지 출처: ON Semiconductor)

그림 7: ON Semiconductor의 FAN49103 0A ~ 2A 부하 과도(V_IN = 3.6V, V_OUT = 3.4V) (이미지 출처: ON Semiconductor)

로컬 커패시터

로컬 커패시터는 두 가지 중요한 기능을 수행합니다. 즉, 부하 전류의 급격한 증가를 처리하는 로컬 에너지 저장 장치를 공급하고 성능을 저해할 수 있는 고주파 과도 및 리플 전압을 필터링합니다.

설계 레이아웃 내에서 권장 커패시터 배치가 중요합니다. 실현 가능한 가장 깨끗한 전압 레일에서 셀룰러 모듈을 구동하도록 배치해야 합니다. 즉, 셀룰러 모듈 바로 옆에 있는 커패시터의 ESR 및 ESL이 가장 작아야 합니다. 실제 정전 용량 등급이 피코패러드(pF) 범위 이내일 수 있습니다. C0G 세라믹 커패시터를 사용하는 것이 좋습니다.

지금은 이러한 값이 작은 커패시터도 고주파 필터링을 제대로 수행하지만 에너지 저장 장치가 작습니다. 이 목표를 위해 수백 마이크로패러드 범위의 더 큰 탄탈룸 커패시터를 셀룰러 모듈의 전원 공급 장치 핀에서 가장 멀리 배치합니다. 그렇다고 해서 이 커패시터가 멀리 떨어져 있다는 것은 아니며, 여전히 가깝지만 앞서 언급한 세라믹 커패시터만큼 가깝지는 않다는 것을 의미합니다. 이 대형 커패시터의 다른 중요한 특징은 예상 과도 전류의 기본 주파수에서 ESR이 낮다는 것입니다. 100KHz에서 100mΩ의 ESR이 권장됩니다.

그림 8은 MPCI u-blox 셀룰러 모듈의 권장 레이아웃을 보여줍니다.

그림 8: u-blox MPCI-L2 계열의 권장 로컬 커패시터 레이아웃 체계 (이미지 출처: u-blox)

그림 8에서 C1 – C3은 값, ESR 및 ESL이 낮은 C0G 커패시터입니다. C4 – C5는 0.1μF ~ 10μF 범위 이내의 세라믹입니다. C6은 과도 부하 전류의 기본 주파수에서 낮은 ESR에 대한 값이 큰 탄탈룸입니다.

부하 경감이 완화되도록 정격 전압을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 세라믹 커패시터의 경우 특히 그렇습니다.

이 섹션은 몇 가지 상용 커패시터로 마무리됩니다. 해당 파라미터가 제공됩니다.

1) KEMET

부품 번호: T520D337M006ATE045

정전 용량: 330μF

허용 오차 범위: 20%

정격 전압: 6.3V

ESR @ 100KHz: 45mΩ

2) Panasonic Electronic Components

부품 번호: 6TPF470MAH

정전 용량: 470μF

허용 오차 범위: 20%

정격 전압: 6.3V

ESR @ 100KHz: 10mΩ

레이아웃 설계 고려 사항

선택된 부품별로 특정 레이아웃 권장 사항이 규격서에 열거되어 있지만 효율적인 저잡음 성능을 발휘하는 몇 가지 일반 레이아웃 지침이 있습니다.

1) 접지 및 전력 포어

가능하면 다각형 포어를 사용합니다. 입력 전압, 출력 전압, 인덕터 및 접지 모드에 연결할 경우 특히 그렇습니다. 간단히 말해서 이러한 평면에서는 스퓨리어스 또는 스위칭 전류를 포함하는 전류 흐름에 대해 낮은 저항과 낮은 유도 용량을 제공하므로 구리를 아까지 마십시오. 그림 9는 Linear Technology의 LTC3113 벅 부스트에 대한 권장 최상위 계층 레이아웃이며, 선호되는 구리 포어를 보여줍니다.

그림 9: Linear Tech의 LTC3113 권장 최상위 계층 레이아웃 (이미지 출처: Linear Technology)

2) 스너버

기생 저항과 유도 용량을 줄이기 위해 최선을 다하고 있지만 이는 크기 제약이 있는 웨어러블 설계입니다. 따라서 접지면과 전력면이 필요한 만큼 크지 않습니다. 이 레이아웃 조항은 RC 스너버 회로 배치를 허용해야 합니다. 이러한 부품을 처음부터 채울 필요는 없지만 설계자는 이 회로에서 방출을 줄여야 하는 경우 실장 면적을 할당하는 것이 좋습니다.

이러한 기생 소자는 스위치 전류 내에서 링잉을 발생합니다(그림 10).

그림 10: 벅 조정기 스위칭 인덕터 전류 내 링잉 (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

앞서 언급한 대로 공간 요구 사항을 충족하려면 이를 피할 수 없습니다. 그림 11 스너버 회로는 이러한 스퓨리어스 에너지를 접지로 돌립니다. 그렇지 않으면, 이러한 발진으로 인해 설계의 방출이 규정 준수를 위해 허용되는 한도를 벗어날 수 있습니다. 스너버 회로는 공간 제약이 있는 조정기를 진정시키는 데 유용한 도구입니다.

그림 11: 벅 조정기의 권장 RC 스너버 위치 (이미지 출처: ROHM Semiconductor)

3) 페라이트 비드

마지막 권장 사항은 출력 전력과 함께 전달되는 지속적인 고주파 잡음을 해결하는 것입니다. 핵심 주파수에서 적절한 감쇠를 위해 선택된 고전류 페라이트 비드를 벅 부스트 조정기의 출력과 직렬로 배치합니다. 이때 조정기의 출력과 벅 바이패스 커패시터 사이에 배치해야 합니다.

사례 연구 – u-blox SARA 모듈을 구동하는 LTC3113

SARA 모듈은 3G 셀룰러 트랜시버입니다. 앞서 언급한 셀룰러 모듈과 마찬가지로 이 모듈은 순간적으로 많은 전류를 소비하여 계열 저항으로 인해 배터리의 전압이 감소할 수 있습니다. 그림 12의 LTC3113 벅 부스트 스위칭 조정기용 회로 설계는 이 설계에 대해 안정적이고 신뢰할 수 있는 3.3V 전력 레일을 유지하기 위해 사용되었습니다.

그림 12: 사례 연구 LTC3113 벅 부스트 스위칭 조정기 회로 (이미지 출처: Colorado Electronic Product Design)

이 조정기 설계는 그림 12와 같이 배열된 로컬 바이패스 커패시터와 결합하여 모든 작업 전류 소비에서 안정적인 전력 레일을 생성합니다. 그림 13 범위 도표에서는 SARA에서 소비되는 전류(파란색), 벅 부스트 조정기에서 수신되는 3.3V 전압의 출력 전력 레일(녹색), 이 레일의 입력 배터리 전압 및 하락(자주색) 및 출력 전력 레일에서 측정된 리플 전압(주황색)을 캡처합니다.

그림과 같이 이 큰 전류 스파이크는 조정된 3.3V 출력 레일에서 하락 또는 큰 리플을 발생하지 않습니다. 하지만 입력 레일의 하락을 초래합니다.

그림 13: 사례 연구 LTC3113 벅 부스트 스위칭 조정기 회로, ~0.9A 모듈 전류(파란색), 3.3V 출력 레일(녹색), 배터리 입력 레일(자주색) 및 3.3V 출력 레일 리플(주황색)을 소비하는 SARA 모듈 (이미지 출처: Colorado Electronic Product Design)

다시 말해서 출력 레일의 안정성과 신뢰성은 최소 리플의 단선 3.3V에서 일관되게 유지됩니다. 하지만 배터리 입력 레일에서는 ~0.32V 감소가 발생하며, 이는 SARA 모듈 사양과 이 기사에 언급된 다른 모듈의 사양을 벗어납니다. 벅 부스트 조정기는 예상되는 모든 조건에서 이러한 전류 스파이크를 수용하고 셀룰러 모듈의 작동에 적합한 전력 레일을 유지할 수 있습니다.

결론

설계 엔지니어는 웨어러블 IoT 설계에서 해결해야 할 일련의 과제가 있으며, 전력 시스템은 많은 과제를 수렴하여 배치됩니다. 벅 부스트 조정기 토폴로지는 셀룰러 모듈의 작동 조건 범위에서 안정적이고 신뢰할 수 있는 전력 레일을 제공하여 이러한 변화를 직접 해결합니다. 신중한 설계 작업이 필요하지 않다는 것은 아닙니다. 오히려 올바른 설계 관행을 따르면 이 토폴로지가 작동한다는 것을 의미합니다. 웨어러블 IoT 설계가 소형화될수록 성능에 대한 기대치도 커집니다. 콤팩트 고성능 웨어러블 IoT 설계를 구동할 경우 강력한 이 토폴로지를 고려하십시오.

감사의 말씀: Linear Tech/Analog Devices와 CEPD(Colorado Electronic Product Design)의 임직원 여러분께 특별히 감사를 전합니다.