KRW | USD

웨어러블 설계에서 조정 가능한 저누설 LDO를 사용하여 배터리 수명 연장

작성자: Steven Keeping

Digi-Key 북미 편집자 제공

스위칭 전압 조정기는 고효율성으로 명성이 높으며, 배터리 수명을 연장하기 위해 웨어러블 장치의 전원 공급 설계에서 널리 사용됩니다. 그러나 이러한 조정기는 전기적 잡음이 심하고, 설계하기 복잡하고, 많은 공간을 차지하며, 상대적으로 비용이 많이 들 수 있습니다.

이에 비해 선형 조정기는 리플 없는 출력을 제공하면서 간단하고 콤팩트하며 경제적입니다. 하지만 부하 범위가 폭넓어 배터리 수명에 영향을 주기 때문에 일반적으로 스위칭 조정기보다 비효율적입니다. 하지만 저드롭아웃(LDO) 선형 조정기(“LDO”라고도 함)를 채택하고 가장 효율적인 영역에서 작동하도록 장치의 출력을 최적화하여 엔지니어가 스위칭 조정기의 전체 효율에 거의 상응하도록 조정할 수 있습니다.

그러나 주요 문제점은 여전히 남아 있습니다. 웨어러블 장치가 배터리 수명을 유지하기 위해 많은 시간 저전력 대기 모드로 작동하도록 설계되었다는 점입니다. 심지어 이러한 모드에서도 LDO는 상당한 내부 전류를 소비합니다. 적긴 하지만 이러한 전류 소비는 최종 제품의 배터리 수명을 단축합니다.

새로운 세대의 LDO 솔루션에서는 이 문제를 해결했습니다. 엔지니어는 이러한 장치를 사용하여 웨어러블이 저전력 모드에 있을 때 내부 내전력을 최소화하도록 출력 전류 및 드롭아웃 전압을 조정할 수 있습니다.

이 기사에서는 LDO를 선택하여 웨어러블을 구동하는 방법을 보여줍니다. 그런 다음 차세대 LDO를 사용하여 사용자 경험을 훼손하지 않으면서 효율성을 극대화할 수 있는 방법을 설명합니다.

LDO 또는 스위칭 조정기?

웨어러블 전원 공급 장치의 설계 공정에서 핵심 사항은 조정기를 결정하는 것입니다. 엔지니어는 스위칭 조정기와 LDO 중에서 선택해야 합니다. 장치마다 장단점이 있어 특정 응용 제품에 사용할 장치를 결정하는 것이 까다로울 수 있습니다. 자세한 내용은 선형 조정기의 장점과 단점 이해를 참조하십시오.

웨어러블의 선택을 어렵게 만드는 많은 설계 과제가 있습니다.

  • 콤팩트한 설계를 지원하는 소형 배터리 사용
  • 긴 배터리 수명 요구 사항
  • 민감한 전자 장치를 구동하기 위해 안정적인 공급 필요
  • 절전 상태에서 신속하게 해제하여 사용자 경험 향상

효율적인 스위칭 조정기는 배터리 수명 요구 사항을 해결할 수 있지만, 조정기의 고주파 작동으로 인해 상대적으로 높은 수준의 전자파 장해(EMI)가 발생하여 웨어러블의 민감한 마이크로 컨트롤러와 트랜시버에 영향을 줄 수 있다는 점은 주요 부정적인 면입니다.

전압 변환을 위한 스위칭 조정기를 채택하고 LDO를 직렬로 추가하여 장치 출력의 전압 및 전류 리플을 최소화함으로써 이 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 그런 토폴로지는 복잡성과 비용을 높이고 전원 공급 장치의 크기도 커지게 합니다.

대안은 안정적인 전압 공급을 위해 LDO를 사용하고 내부 내전력이 낮은 장치를 선택하고 조정기 입력 전압과 출력 전압의 차이를 최소화하여 효율성을 최대화하는 것입니다.

LDO 효율성 계산

LDO의 효율성은 접지 전류(IGND)와 입/출력 전압(VIN 및 VOUT)에 의해 결정됩니다. 효율성을 계산하는 수식은 다음과 같습니다.

효율성 = IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100%

IGND는 LDO의 내부 회로를 작동하는 데 필요한 전류 즉, 입력 전류와 출력 전류의 차이입니다. 여기서 핵심 부분은 LDO의 정동작 전류(IQ) 즉, 외부 부하 전류가 0에 가까울 때 LDO의 내부 회로를 작동하는 데 필요한 전류입니다. 여기에는 오류 증폭기 작동 전류, 출력 전압 분배기, 과전류 및 온도 감지 회로 등이 포함됩니다.

효율성에 영향을 미치기 때문에 IGND 및 IQ는 LDO 규격서에서 핵심 사양입니다. 예를 들어 웨어러블을 구동하는 데 적합한 제품(예: MicrochipMCP1811BT-028/OT LDO)의 경우 IGND는 180µA(IOUT = 300mA일 때)이고 IQ는 250nA입니다. IOUT이 상승하면 IQ가 증가하고 그에 따라 IGND가 증가합니다. STMicroelectronics의 LDL112는 이 관계를 명확히 보여줍니다(그림 1).

STMicroelectronics의 LDL112 LDO에 대한 부하 전류 및 정동작 전류 그래프그림 1: 이 그래프는 STMicroelectronics LDL112 LDO의 부하 전류와 정동작 전류 간 관계를 명확히 보여줍니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

데이터를 기록하고 전송하는 웨어러블의 일반적인 부하를 충족하는 LDO(예: 수백 mA)의 경우 IGND는 IOUT에 비해 상대적으로 미미하므로, 효율성을 결정하는 주요 요소는 입력과 출력의 전압 차이가 됩니다.

예를 들어 VIN이 5V이고 VOUT이 3.3V인 LDO의 효율성은 66%입니다. 하지만 공급을 3.6V로 줄이면 이 값이 91.7%로 상승합니다. LDO의 전력 소비는 P = (VIN - VOUT) x IOUT으로 계산할 수 있습니다.

하지만 지금까지 입력 전압과 출력 전압의 차이를 최소화하여 LDO 효율성을 높일 수 있는 것은 장치에서 출력 전압을 적절히 조정하기 위해 적용되는 임계값이 있기 때문입니다. 이 최소 임계값을 드롭아웃 전압(VDROPOUT)이라고 합니다. STMicroelectronics의 LDL112와 같은 최신 장치의 경우 VDROPOUT은 350mV(3.3V, 1A 출력에서)입니다.

설계자는 VDROPOUT이 LDO가 더 이상 공급 전압을 조정할 수 없는 지점이라는 것을 인지해야 합니다. 전체 사양을 충족하려면 보통 LDO에 추가적인 "헤드룸 전압"이 필요합니다. 이 헤드룸 전압은 주로 VDROPOUT에 250mV ~ 500mV를 추가하지만 일부 LDO의 경우에는 최대 1.5V에 달할 수 있습니다. 입력 전압과 출력 전압의 차이를 결정할 때 VDROPOUT과 헤드룸 전압을 고려해야 합니다.

배터리 구동 장치를 위해 LDO에서 설계하는 방법에 대한 자세한 내용은 고급 LDO를 통해 IoT 무선 센서 전원 공급 장치의 설계 과제 해결을 참조하십시오.

LDO 성능 최적화

위에서 언급한 대로 전력이 제한된 설계에서는 LDO를 통해 전압 차이를 최소화하는 것이 좋습니다. 그러면 절전 효과로 인해 배터리 수명이 획기적으로 연장될 수 있습니다. 전력 예산이 매우 제한적인 경우 할 수 있는 일이 더 있습니다.

고려할 부분은 웨어러블이 저전력 모드 또는 "절전" 모드에 있을 때(예: 장치에서 마이크로 컨트롤러, 트랜시버 또는 GPS 기능을 사용하지 않을 때) 발생하는 전력 드레인이 있습니다. 이 모드에서 최종 제품의 전류 소비는 적지만 사용자가 작업 버튼을 누르거나 터치스크린을 활성화할 때 대기 시간을 최소화하기 위해 LDO는 활성 상태를 유지해야 합니다.

웨어러블이 절전 상태인 경우 IOUT이 적으므로 IGND는 정상 작동 상태일 때보다 효율성에 더 큰 영향을 줍니다. 장치의 부하가 낮으므로 실제 전력 소비는 많지 않지만, 오랫동안 지속될 경우 배터리 수명에 중요한 영향을 미칩니다. 최소 내부 전류 드레인을 제공하면서 사양을 충족하는 LDO를 선택하여 IOUT이 낮을 때 손실을 최소화하는 것이 좋은 설계 습관입니다.

최신 LDO는 선택된 핀을 아래로 당겨서 장치를 전원차단 모드로 전환하는 옵션을 제공합니다. 그러면 IOUT을 IGND로 효과적으로 제한하여 장치가 부하에서 완전히 분리됩니다.

예를 들어 Microchip의 MCP1811A는 LDO 출력 전압을 켜고 끄는 데 사용되는 전원차단(“SHDN”) 입력을 통합합니다(그림 2). 장치는 1.8V ~ 5.5V 입력에서 작동하며 1V ~ 4V 범위에서 9개의 고정 출력 옵션을 제공합니다. LDO의 VDROPOUT은 400mV, 최대 출력은 150mA, IQ는 250nA, IGND는 80µA(IOUT = 150mA, VIN = 5V, VOUT = 4V일 때)입니다.

전원차단 모드를 지원하는 Microchip의 MCP1811A 구성도그림 2: Microchip의 MCP1811A는 전원차단 모드를 지원합니다. SHDN 핀 상승에 반응하여 조정 전압을 제공하는 데 걸리는 시간은 600µs ~ 1400µs 사이에서 달라집니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

SHDN 입력이 높으면(최소 70% VIN) LDO 출력 전압이 활성화되고 장치에서 조정 전압을 공급합니다. SHDN 입력이 낮아지면(최대 20% VIN) 조정 전압 공급이 해제되고 LDO가 저전류 전원차단 상태로 전환됩니다. 이 상태에서는 일반적으로 IQ는 10nA이고 IGND는 약 2µA입니다.

MCP1181A를 전원차단 모드로 전환하면 분명히 전력이 절약되는 긍정적인 면이 있지만, 시작 시간이 시스템 반응에 영향을 미치는 부정적인 면도 있습니다. SHDN 핀에서 시스템 잡음의 급격한 증가로 인해 LDO가 켜져서 배터리 전력이 낭비되지 않도록 하기 위해 차단 회로에서는 조정기를 켜기 전 SHDN 입력 상승 에지에서 400μs 지연을 적용합니다. 이는 운영적 관점에서 유용하지만 반응에 영향을 미칩니다. 사전 설정된 지연 시간이 경과한 이후에도 SHDN 입력이 높은 상태로 유지될 경우 조정기에서 부하 커패시터 충전을 시작하여 출력을 0V에서 최종 조정된 값으로 높입니다. 따라서 SHDN 입력을 켠 후 조정 전압을 제공하는 출력까지 걸리는 총 시간은 내장된 400μs 지연 시간과 출력 전압 상승 시간의 합계입니다. 이 상승 시간은 VOUT에 따라 200μs에서 1000μs까지 달라질 수 있습니다.

마찬가지로 ON Semiconductor의 NCP171 이중 모드 XDFN4 패키지 LDO는 ENA 핀을 아래로 내려서(0.4V 미만) 전원차단 모드로 전환할 수 있습니다. LDO의 고정 출력 전압 범위는 1.7V ~ 5.5V 입력에서 0.6V ~ 3.3V이고, VDROPOUT은 110mV입니다. 하지만 NCP171은 배터리 수명을 연장하기 위해 보다 정교한 시스템을 제공합니다. 이 시스템은 저전력 모드에서 정상 작동에 필요한 조정 전압 출력으로 전환할 때의 응답을 개선하는 데 도움이 됩니다.

활성 모드에서 LDO는 최대 80mA를 공급할 수 있지만, 저전력 모드를 사용하는 경우에는 LDO의 출력 조정 전압이 꺼지지 않는 대신 IOUT이 최대 5mA로 제한됩니다. LDO의 다른 부분이 조정에 사용되므로 IGND가 크게 감소하여 배터리 수명이 연장됩니다. 저전력 활성 모드는 LDO의 ECO 핀을 통해 선택할 수 있습니다(그림 3).

ON Semiconductor의 NCP171 구성도그림 3: ECO 핀을 통해 ON Semiconductor의 NCP171을 활성 모드에서 저전력 모드로 전환할 수 있습니다. 저전력 모드에서 IOUT은 최대 5mA로 제한되고, IGND는 크게 감소합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

ECO 핀이 접지 방향까지 내려가면 LDO는 저전력 모드로 전환됩니다. IQ는 55µA에서 50nA로 감소합니다. IGND에 미치는 영향은 그만큼 커집니다. 활성 모드에서는 IGND는 420µA(IOUT = 80mA)인데 비해 저전력 모드에서는 IGND가 2.5µA(IOUT = 5mA)입니다. 이 모드에서 내전력은 장치가 전원차단 모드에 있을 때보다 약간 더 높습니다. 공칭 활성 모드 출력 전압을 내부적으로 프로그래밍된 오프셋(50mV, 100mV, 150mV, 200mV) 중 하나만큼 줄여서 저전력 모드에서 전력 소비를 더 줄일 수 있습니다.

저전력 모드의 주요 이점은 일반 조정 전압 수요에 대한 반응 시간에 있습니다. ECO 핀을 VOUT까지 높이면 장치가 활성 모드로 전환되고 NCP171 LDO가 조정 전압과 100µs 미만에서 최대 80mA의 최대 IOUT으로 복원됩니다(그림 4).

저전력 모드에서 활성 모드로 전환되는 ON Semiconductor의 NCP171 구성도그림 4: NCP171을 저전력 모드에서 활성 모드로 전환하면 100µs 미만에서 조정 전압으로 복원됩니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

시동 시 NCP171은 기본적으로 ECO 핀의 상태에 상관없이 활성 모드로 설정되므로 목표 출력 전압에 빠르게 도달하여 안정화될 수 있습니다. 이 강제 활성 모드 기간은 일반적으로 35ms이며 이 시간 동안 출력 커패시터가 빠르게 충전되고 IOUT이 부하 수요에 맞게 신속하게 상승합니다.

저전력 모드에서 작동할 경우 전력 공급 제거율(PSRR) 즉, 입력 전압 상승을 제거하는 LDO의 기능 측정치가 낮고 전기적 잡음이 약간 증가하는 등 몇 가지 단점이 있습니다(그림 5).

저전력 모드와 활성 모드를 비교한 ON Semiconductor의 NCP171 그래프그림 5: NCP171이 저전력 모드에 있을 경우 PSRR은 일반적으로 활성 모드에 있을 때보다 더 낮습니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

NCP171 LDO는 STR-NCP171-EVK 평가 키트(EVK)와 함께 제공됩니다. EVK는 PC에서 실행되는 ON Semiconductor의 Strata Developer Studio 통합 개발 환경(IDE)에서 사용하도록 설계되었습니다. EVK는 USB 케이블을 통해 IDE에 연결되며 LDO의 기능(예: LDO 활성화/비활성화, 활성 모드와 저전력 모드 간 전환)을 실험하는 데 사용될 수 있습니다.

또한 엔지니어는 EVK 및 IDE를 사용하여 입력 및 출력 전압, 내전력, 장치 온도 등 LDO의 다른 작동 파라미터를 구성 및 모니터링할 수 있습니다.

결론

LDO를 신중하게 설택하면 안정적인 전압과 전류를 보장하면서 웨어러블의 전원 공급 장치 설계를 단순화할 수 있습니다. 설계자는 접지 전류가 낮은 LDO를 선택하고 입력 전압과 출력 전압의 차이를 최소화하여 스위칭 조정기에 근접하는 효율성을 실현할 수 있습니다.

웨어러블이 오랫동안 절전 모드로 있을 때 전용 핀을 통해 선택하여 내전력을 제한하도록 설계된 작동 모드를 제공하는 차세대 LDO 중 하나를 선택하여 웨어러블 배터리 수명을 더욱 개선할 수 있습니다. 설계자가 장치에 가장 적합한 설정으로 실험하여 배터리 수명을 최대화할 수 있도록 실리콘 제조업체에서는 일반적으로 평가 도구를 LDO와 함께 제공합니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Steven Keeping

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자