고급 LDO를 통해 IoT 무선 센서 전원 공급 장치의 설계 과제 해결

사물 인터넷(IoT)은 대부분 온도, 습도, 압력, 진동, 가속, 공기 품질, 조명 강도 등의 무선 센서 모니터링 파라미터 네트워크에 의존하고 있습니다. 이러한 무선 센서는 Bluetooth 저에너지(Bluetooth LE) 또는 Zigbee 등의 저용량 및 낮은 듀티 사이클 교환을 특징으로 하는 단거리 RF 기술을 사용합니다. 라이브러리 기사 저전력 무선 기술 비교를 참조하세요.

이러한 무선 감지 장치의 사용량 모델과 전력 프로파일은 크기, 비용, 신뢰성, 안정성, 효율성 측면에서 전원 공급 장치 설계자에게 독특한 과제를 제시합니다.

이 기사에서는 이러한 과제의 근원을 설명합니다. 이어서 최신 저 드롭아웃(LDO) 선형 조정기 솔루션의 예를 소개하고 이러한 솔루션이 어떤 방식으로 무선 IoT 센서의 전원 공급 장치를 위한 우수한 기반을 제공할 수 있는지 설명합니다. 또한 설계자가 이러한 최신 솔루션을 최대한 활용하여 성공적인 설계를 통해 수익성을 향상하도록 보장하는 지침을 제안합니다.

스위칭 조정기와 LDO 비교

IoT 무선 센서는 다음과 같은 이유로 전원 공급 장치 설계자에게 과제를 부여합니다.

• 일반적으로 보통 크기의 배터리 전지에서 전력을 공급받지만 배터리 수명은 여전히 길어야 함
• 오랜 시간 동안 저전력 절전 모드로 유지되지만 신속하게 깨어나 데이터를 전송 및 수신하고 다시 바로 절전 모드로 전환되어야 함
• 일반적으로 RF 트랜시버 및 마이크로 컨트롤러를 모두 단일 칩에 통합함
• 작은 신호 변화를 측정함
• 대량으로 배포되므로 상대적으로 저렴하며 필요한 유지 관리가 적어야 함

센서에 전력을 공급하기 위해 설계자는 스위칭 전압 조정기, LDO 또는 두 가지 모두를 사용할 수 있습니다. 옵션마다 트레이드 오프가 있으므로 단순하게 선택할 수는 없습니다.

예를 들어, 스위칭 전압 조정기는 고효율성을 제공하므로 배터리 수명 연장에 적합한 선택입니다. 하지만 무선 센서가 ‘절전’ 모드일 때처럼 낮은 부하에서는 효율성이 떨어지는데 절전 모드는 전력 절감을 위해 많이 사용되는 모드이므로 문제가 됩니다. 또한 스위칭 조정기는 더 복잡하므로 설계 주기 시간과 잠재적 비용이 모두 커집니다. 그뿐만 아니라 스위칭 조정기의 고주파 작동으로 인해 발생한 전자파 장해(EMI)가 민감한 무선 단일 칩 시스템(SoC)의 마이크로 컨트롤러 및 트랜시버에 영향을 미칠 수 있습니다. 마지막으로 동일한 전파 방해가 센서의 작은 신호 변화에도 영향을 미쳐 측정 정밀도를 제한할 수 있습니다.

이와 대조적으로 LDO 선형 조정기는 매우 적은 EMI를 생성하며 상대적으로 사용하기에 간단하고 비용이 저렴합니다. 하지만 가변 입력 전압과 부하 범위에 관해서는 보통 LDO가 스위칭 조정기보다 효율성이 떨어집니다. 또한 스위칭 조정기의 벅/부스트 토폴로지가 아니라 강압(“벅”) 구성에만 사용할 수 있습니다. 이로 인해 이용 가능한 배터리 용량을 제한하기도 합니다.

또한 LDO는 무선 트랜시버가 절전 모드에서 신속하게 깨어나는 경우처럼 급속한 부하 변경에 대해 중간 정도의 과도 응답을 보이는 경향이 있습니다. 이는 전압 급증을 일으켜 센서 회로를 손상시킬 수 있습니다.

스위칭 조정기의 효율성, LDO의 전압 및 레일 간 안정성, 견고한 부하 지점(POL) 전달을 활용하기 위해 주로 두 가지 접근 방식을 결합합니다. 하지만 두 가지 방식을 결합한 토폴로지는 복잡성, 비용 및 크기뿐만 아니라 레이아웃 및 재고 관리 문제점도 가중시킵니다.

두 가지를 결합하는 대신, 설계자는 LDO만 선택하되 해당 작동 효율성이 설계 요구 사항을 충족하도록 할 수 있습니다. 두 가지 특성인 “드롭아웃 전압”(또는 V_DROPOUT)과 평균 입력/출력 전압 차동이 매우 중요합니다.

드롭아웃의 중요성

기존의 선형 조정기를 사용할 경우, 입력/출력 전압 강하가 트랜지스터의 전압 오버헤드(약 2V)에 도달하면 기능이 저하됩니다. 이로 인해 효율성이 제한됩니다.

일반적인 LDO는 기존의 선형 조정기에서 계열 제어 소자로 사용되던 NPN 트랜지스터 또는 N형 MOSFET을 PNP 트랜지스터 또는 P형 MOSFET으로 대체합니다(그림 1). 이는 회로가 방출기(소스) 폴로오가 아니라 전류 소스가 되도록 변경합니다.

그림 1: LDO에서 직렬 소자는 포화에 가까운 상태에서 작동할 수 있는 P형 MOSFET입니다. 이는 기존의 선형 조정기에 비해 V_DROPOUT을 낮춰 효율성을 향상시킵니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

P형 MOSFET은 포화에 가까운 상태에서 작동할 수 있으므로 최소 입력/출력 전압 차이를 크게 줄일 수 있습니다. 이는 “드롭아웃 전압” 또는 V_DROPOUT이며 여기에서는 장치가 출력 전압을 적절하게 조정합니다. 우수한 LDO를 위한 V_DROPOUT은 일반적으로 200mV 미만입니다.

새로운 세대의 LDO 도입은 설계자에게 더 낮은 V_DROPOUT을 제공해 효율성을 더욱 높이고 절전 모드의 전류를 제한하며 이용 가능한 배터리 용량을 증대시킵니다. 앞에 언급된 바와 같이 무선 센서는 절전 모드에 머무는 시간이 훨씬 더 깁니다. 이는 전력 절감을 위한 것이지만 절전 모드에서 유지되는 시간이 99%에 도달할 수 있으므로 절전 모드의 전류 파라미터를 줄이는 전력 드롭아웃의 기능은 긴 배터리 수명에 있어 매우 중요합니다.

잡음 및 리플 억제

새로운 LDO도 더욱 안정적인 공급을 위해 향상된 전력 공급 제거율(PSRR)과 함께 향상된 과도 전압 응답과 입력 리플 필터링을 갖추고 있습니다. 설계자는 실장 면적, 수량 및 비용을 염두에 두면서 값을 높이고 출력 커패시터의 등가 직렬 저항(ESR)을 낮춰 LDO의 과도 응답을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

PSRR은 회로가 전원 공급 장치 입력 시 불필요한 신호(잡음 및 리플)를 얼마나 잘 억제할 수 있는지를 측정한 값입니다. 업계 표준 정의는 없지만 일반적으로 생성되는 등가(차동) 출력 전압에 대한 공급 전압 변화의 비율(데시벨, dB)로 정의됩니다.

PSRR은 주파수에 따라 달라집니다. 우수한 LDO의 벤치마크 수치는 1kHz에서 60dB ~ 110dB 사이입니다(그림 2).

그림 2: 플롯은 고성능 LDO에 대한 PSRR의 주파수 응답을 보여줍니다. 우수한 LDO의 벤치마크 수치는 1kHz에서 60dB ~ 110dB 사이입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

보통 무선 센서 등에 사용되는 배터리로 전력을 공급받는 직류(DC) 입력의 경우 AC 공급에 비해 불필요한 신호가 발생할 가능성이 훨씬 낮지만 가능성은 여전합니다. 양호한 PSRR을 갖춘 LDO는 전압 안정성을 보장하므로 관련 응용 분야에 이용할만한 가치 있는 투자라고 할 수 있습니다.

무선 센서 전원 공급 장치 설계 시 고려 사항

새로운 세대의 LDO가 무선 센서에 전력을 공급하기 위한 보장된 솔루션을 제공하기는 하지만 이 장치에는 설계 공정 중에 신중하게 고려해야 할 특성도 있다는 사실을 이해해야 합니다. 예를 들어 선형 조정기는 공급을 반전시킬 수 없으므로 전력이 공급되는 회로망에 음전압이 필요할 경우 음의 입력 전압이 필요합니다.

배터리 수명이 매우 중요한 무선 센서 응용 제품에서 두 번째로 중요한 고려 사항은 LDO가 벅 구성에서만 작동한다는 사실입니다. 이 제한으로 인해 배터리 입력 전압은 센서의 전자기기에 필요한 최고 전압보다 높아야 합니다.

Dialog Semiconductor의 DA14585 또는 Nordic Semiconductor의 nRF52832처럼 무선 감지에 사용되는 일반적인 Bluetooth LE SoC에 벅 구성의 전원 공급 장치로 전력을 공급할 경우 1.5V ~ 1.7V의 최저 입력 전압이 필요합니다.

이는 초기 배터리 선택에 영향을 미칩니다. 1.2V를 제공하는 단일 AA 니켈 카드뮴(NiCad) 전지는 사용할 수 없습니다. 또한 전압이 무선 SoC에서 요구하는 최소 수준 미만으로 떨어졌을 때도 배터리에 약간의 충전량이 남아 있을 수 있으므로 이용 가능한 총 배터리 용량에도 영향을 미칩니다. 무선 센서 응용 제품을 위해 보편적으로 Panasonic의 3V, 225mAh CR2032 리튬-망간 동전형 전지를 선택하지만, 이러한 요인은 배터리를 고려할 때 참작됩니다. 이 전지는 가벼운 무게(2.9g), 높은 방전 특성, 방전 중 안정적인 전압, 장기적 신뢰성을 특징으로 합니다.

LDO 효율성 향상을 위한 드롭아웃 전압 제한

LDO가 스위칭 조정기보다 전반적으로 효율성이 떨어지지만, 입력 및 출력 전압 간의 차이가 줄어들면 효율성이 상승합니다. 효율성 = V_OUT/V_IN. 이러한 현상의 원인은 전압 차이가 작을수록 LDO의 내부 회로망에서 소멸되는 전력이 더 낮아지기 때문입니다. 이는 열 관련 문제를 최소화하는 추가적인 장점을 제공합니다. LDO는 전압 차이가 충분히 적을 경우 95% ~ 99%의 효율성으로 작동됩니다.

우수한 설계 접근 방식은 적합한 입력 및 출력 전압을 선택함으로써 이용 가능한 배터리 용량으로 효율성을 트레이드 오프하는 것입니다. 배터리에 여전히 상당한 양의 에너지가 남은 상태에서 LDO가 드롭아웃할 경우 입력 및 출력 전압 간의 차이를 좁혀 효율성을 극대화한다는 점은 그다지 합리적이지 않습니다.

이는 다음과 같은 질문으로 이어집니다. 언제 LDO 드롭아웃이 발생하는가? V_DROPOUT에서 LDO의 직렬 소자(P형 MOSFET의 PNP 트랜지스터)는 트랜지스터의 드레인-소스 온 저항(RDS_ON)과 동일한 값의 저항기로 작용합니다. 지정된 부하 전류(I_LOAD)의 경우, V_DROPOUT = I_LOAD × RDS_ON입니다.

오늘날 LDO에 사용되는 PNP 트랜지스터 유형 또는 P형 MOSFET은 RDS_ON이 대략적으로 1Ω입니다. 다행인 것은 일반적인 무선 센서에서 작동 전류가 중간 정도이므로 V_DROPOUT이 상당히 낮아진다는 점입니다. 예를 들어 무선 센서 응용 제품의 일반적인 평균 전류 부하는 190A입니다. 따라서, V_DROPOUT = 190µV x 1Ω = 190µV입니다. 무선 데이터 전송 중에 무선 SoC의 I_LOAD는 7.5mA에서 피크며 이로 인해 V_DROPOUT을 7.5mV로 올릴 수 있습니다. 훨씬 더 크지만 여전히 상대적으로 낮습니다.

하지만 설계자는 V_DROPOUT이 LDO가 더 이상 공급 전압을 조정할 수 없는 지점이라는 것을 인지해야 합니다. 전체 사양을 충족하려면 보통 LDO에 추가적인 “헤드룸 전압”이 필요합니다. 이 헤드룸은 주로 V_DROPOUT에 250mV ~ 500mV를 추가하지만 일부 LDO의 경우에는 최대 1.5V에 달할 수 있습니다. 제조업체에서 해당 규격서에 헤드룸 전압을 기재하는 것은 훌륭한 관행입니다.

무선 센서가 초저전력 절전 모드여서 '활성' 상태를 유지하기 위해 전류가 거의 필요하지 않을 때 LDO는 약간의 전류를 계속해서 소모합니다. 우수한 LDO는 이 정동작 전류가 보통 마이크로 암페어 정도입니다. 별것 아닌 것처럼 들릴 수 있지만 장기간에 걸친 이 전류 소모는 배터리 수명에 중대한 영향을 미칠 수 있으며 특히 앞에서 언급된 바와 같이 무선 센서가 수명 대부분(최대 99%)을 절전 모드에서 보낸다는 점을 고려하면 더욱 그렇습니다. 설치에 센서 수십 개가 사용될 경우 문제는 몇 배로 증폭됩니다. 배터리 수명은 비용이 많이 드는 잦은 교체를 피하기 위해 상당히 중요해지고 있습니다.

또한 무선 센서 응용 제품에 사용된 LDO는 양호한 과도 전압 및 부하 응답을 제공해야 합니다. 무선 센서의 전력 예산을 관리하는 핵심 요소는 장치가 데이터를 전송 또는 수신해야 할 때, 상대적으로 높은 송/수신 전류의 지속 기간을 최소화하기 위해 가능한 한 빨리 전송 또는 수신하도록 보장하는 것입니다. 절전 모드에서는 무선 SoC가 수십 나노암페어를 소비하지만 전송 또는 수신 시에는 전류 소비량이 수백 배로 급증합니다.

이로 인한 LDO의 과도 응답은 빠른 부하 전류 변화에 대한 출력 전압 변화로 정의됩니다(그림 3).

그림 3: 출력 부하의 빠른 변화에 대한 과도 전압 응답은 무선 센서 응용 제품의 LDO 성능에 관한 중대한 지표입니다. 여기에 표시된 것은 고성능 LDO의 응답입니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

과도 응답에 영향을 미치는 주요한 요소는 LDO의 제어 피드백 루프의 이득 대역폭입니다. 부하 과도가 보정 루프의 응답보다 빠른 경우 링잉이 발생하여 EMI로 이어질 수 있습니다. 저부하 무선 센서 응용 분야의 핵심 문제는 이 분야가 기존 LDO 조정기가 더 낮은 루프 이득으로 인해 어려움을 겪는 영역이라는 점입니다. 새로운 일부 LDO는 부하가 매우 적거나 없는 조건에서 루프 이득을 높이기 위해 저전류 모드 회로를 사용하여 제로 출력 전류에 이르는 향상된 과도 응답을 도출합니다.

무선 센서 문제를 충족하는 LDO

무선 센서의 전압을 조정하는 LDO의 핵심 작동 파라미터는 다음과 같습니다.

• 낮은 RDS_ON(작동 전류 범위 전반에서 V_DROPOUT을 최소화하기 위함)
• 낮은 오버헤드 전압
• 낮은 정동작 전류
• 양호한 PSRR
• 양호한 과도 부하 응답
• 양호한 저부하 루프 이득

다른 중요한 요인으로는 패키지 크기, 필요한 주변 소자 개수, 비용이 있습니다.

Texas Instruments의 TPS7A10 LDO는 무선 센서 응용 제품에 적합할 수 있습니다. 콤팩트한 1.5mm x 1.5mm 패키지로 제공되며 0.75V ~ 3.3V의 입력 전압 범위, 0.5V ~ 3.0V의 출력 전압 범위를 제공합니다. 지정된 부하, 라인, 온도 변화에 대해 1.5% 내로 안정적입니다. 출력 범위는 위에 설명된 Dialog Semiconductor 또는 Nordic Semiconductor 예의 입력 전압 요구 사항과 일치합니다(1.5V ~ 3.6V).

일반적인 무선 센서 작동 조건에서, TI 칩의 V_DROPOUT은 300mA에서 수십 밀리볼트(70mV(최대)(V_OUT > 1.0V)) 정도이며 LDO의 전압 오버헤드는 약 250mV입니다. LDO는 300mA를 소싱할 수 있고 정동작 전류는 몇 마이크로 암페어 정도입니다. 또한 TI는 아날로그 센서에 사용된 프로세서의 더 낮은 코어 전압에 전력을 제공하기 위해 LDO를 사용하도록 제안합니다. LDO의 PSRR은 60dB(1kHz 기준)입니다. TI는 부하가 매우 낮은 상태에서 루프 이득을 높이는 저전류 모드 회로망을 통합하여 과도 응답을 강화했습니다.

실험 목적 및 설계를 시작하도록 돕기 위해 TI는 TPS7A10EVM-004 평가 모듈도 제공합니다. 단일 LDO가 탑재된 이 제품은 엔지니어가 다양한 작동 조건에서 TPS7A10의 작동과 성능을 손쉽게 평가하도록 지원합니다(그림 4).

그림 4: TI의 TPS7A10EVM-004 평가 모듈은 열 및 레이아웃 설계 지침을 제공하는 동시에 엔지니어가 TPS7A10 LDO를 손쉽게 평가할 수 있도록 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

Maxim Integrated도 무선 센서 응용 제품을 위한 우수한 LDO 옵션인 MAX8636ETA+를 제공합니다. 이 장치는 2mm x 2mm 패키지로 제공되며 2.7V ~ 5.5V의 입력 전압 범위에서 작동합니다. LDO는 두 가지 출력을 제공합니다. 하나는 2.6V ~ 3V로 구성 가능하며 다른 하나는 1.5V ~ 2.8V로 구성할 수 있습니다. 두 출력 모두 최대 300mA를 제공합니다. 일반적인 무선 SoC 부하에서 V_DROPOUT은 수십 밀리볼트(100mA 기준 90mV(최대)) 정도입니다. 일반적인 정동작 전류는 두 LDO가 켜진 상태에서 약 54μA입니다. MAX8636ETA+의 PSRR은 60dB(1kHz 기준)이며 확실한 과도 부하 응답을 제공합니다.

음전압 레일이 필요한 경우 Analog Devices의 LT3094 초저잡음, 초고도 PSRR LDO가 적합할 수 있습니다. -1.8V ~ -20V 범위의 음전압 입력 이외의 다른 특성은 TI 및 Maxim Integrated 장치와 유사합니다. 크기는 3mm x 3mm이며 출력은 최대 -19.5V입니다. 출력 전류는 500mA(최대)에 이를 수 있습니다.

LT3094의 V_DROPOUT은 100mA 미만의 전류에 대해 200mV이며, 정동작 전류는 3A이고, 1kHz에서 PSRR은 60dB이며 과도 응답도 견고합니다. 이 장치는 잡음 제거를 위해 다른 LT3094 LDO와 병렬로 작동할 수 있습니다.

Analog Devices는 LT3094용 데모 기판인 DC2624A를 공급하는데 이는 잡음을 최소화하고 LDO의 PSRR을 최대화하기 위한 최상의 회로 레이아웃 및 부품 명세서(BOM)에 관한 유용한 가이드를 제공합니다.

실용적인 구현 예시

TI, Maxim, Analog Devices의 LDO는 모두 위에 설명된 Dialog 또는 Nordic Semiconductor 장치와 같은 SoC를 사용하는 무선 센서의 전압 조정에 적합한 옵션입니다. 예를 들어 SoC가 배터리 전력의 주요 소비원이고, 선택된 배터리가 Panasonic CR2032인 단순한 응용 제품을 고려해 보겠습니다. 무선 SoC는 입력 전압 범위 1.5V ~ 3.6V에서 작동합니다. 초기에 배터리는 공칭 3V를 공급합니다.

선택한 LDO의 출력이 2.5V로 선택된 경우 무선 SoC의 입력 전압 사양이 충족됩니다. 배터리가 완충되었을 때(즉, 3V 공급) LDO의 효율성은 83%입니다. 평균 무선 센서 작동 전류가 190A인 상태로 20˚C에서 1000시간 작동한 후에도 배터리는 여전히 약 2.7V를 공급하며 효율성이 거의 93%까지 향상되었습니다.

1000시간 이상의 작동으로 전압 출력이 대략적 선형 감소했다고 가정하면 LDO의 평균 효율성(지속적인 190A 부하일 경우)은 88%입니다. 드롭아웃 전, 센서에 유용하게 전력을 공급하는 데 배터리 에너지의 약 74%(평균 효율성 88% x 이용 가능 용량 84%)가 사용되었습니다(그림 5).

그림 5: 일반적인 무선 센서 평균 전류 부하가 190A인 상태로 20˚C에서 작동할 경우 CR2032 배터리는 1000시간 동안 2.7V를 웃도는 전압을 유지할 수 있습니다. (이미지 출처: Panasonic)

결론

무선 지원 IoT 센서는 앞으로도 대량으로 사용될 것으로 전망되므로 설계 엔지니어는 작동 및 절전 모드 중에 전력 소비를 최소화하는 가장 좋은 방법을 고려해야 합니다.

스위칭 조정기가 일반적으로 효율성이 더 우수하지만 무선 감지 장치의 전력 프로파일과 사용량 모드에서는 LDO에 비해 효율성 이점이 급속히 줄어듭니다. 또한 신세대 LDO는 효율성 차이를 좁히는 한편, 향상된 PSRR과 더욱 빠른 과도 부하 응답을 제공합니다.

LDO의 설계 단순성, 비용 효율성, 콤팩트한 크기, 저잡음과 함께, 무선 IoT 센서를 위한 독립형 전원 공급 장치로서의 LDO 사용을 신중하게 고려해볼 가치가 있습니다. 하지만 LDO의 장점을 최대화하기 위해서는 무선 센서 전자 기기의 전압과 전류 요구 사항에 더 근사하게 일치하는 것을 선택하는 것이 중요합니다.