저 Iq LDO가 웨어러블 기기의 배터리 연장에 어떤 역할을 할까요?

정동작 전류(I_q)가 낮은 선형 LDO(저 드롭아웃 조정기)를 사용하면 웨어러블 기기와 무선 IoT(사물 인터넷) 장치의 배터리 수명이 연장될 수 있지만 성능이 저하됩니다. 이러한 성능으로는 과도 응답, 잡음 성능, 출력 전력 범위 등이 있습니다. 또한 정동작 전류는 전원 차단 전류, 즉 비활성 전류(I_d)와 혼동되는 경우가 많습니다. 정동작 전류와 비활성 전류는 서로 다르지만 두 전류 사이에 균형이 이루어져야 합니다. 전반적인 시스템 설계가 저전력 작동에 최적화되지 않으면 I_q나 I_d 최적화 모두 크게 도움이 되지 않습니다.

여기에서는 I_q와 I_d를 구별하고 각각이 소비 전력에 미치는 영향을 간략히 살펴보겠습니다. 그런 다음, 성능 트레이드 오프에 대해 알아보고 데모 기판을 포함하여 Microchip 및 Texas Instruments의 LDO를 예시로 살펴보겠습니다.

정동작과 전원 차단의 차이점

정동작과 전원 차단의 차이점은 준비 상태입니다. 정동작 상태에서는 시스템이 저전력 활성 상태로, 바로 작동 가능합니다. 비활성 모드라고도 부르는 전원 차단 상태에서는 시스템이 절전 상태로, 즉시 작동이 불가능합니다. 이러한 차이점은 장기간에 걸쳐 대기 상태를 유지하고(대부분 99% 이상) 대기 전류 소비량과 유효 전류 소비량에 큰 차이가 있는 무선 잠금 장치와 같은 배터리 구동 시스템에서 특히 중요합니다(그림 1). 정동작 전류를 통해 가벼운 부하에서의 전력을 계산할 수 있으며, 전원 차단 전류를 통해 장기간 배터리 수명을 확인할 수 있습니다.

그림 1: 무선 잠금 장치와 같은 다양한 무선 IoT 장치의 경우에는 활성 전류와 대기 전류 소비량 간의 차이가 큽니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

LDO와 같은 장치에서는 I_q와 I_d 간의 차이가 클 수 있습니다. 예를 들어 한 LDO에서 I_q는 25nA이고 I_d는 3nA입니다. I_q는 0.6µA이고 I_d는 0.01µA인 LDO도 있습니다. 물론 그렇게 간단한 것만은 아닙니다.

• 작동 온도로 인해 I_q와 I_d가 달라질 수 있습니다. 이는 장기간 고온에서 사용되는 장치의 경우 중요한 고려 사항이 될 수 있습니다.
• I_q가 낮은 장치의 경우 유동적인 부하 변화에 따른 응답 시간이 길어질 수 있습니다. 이 요인은 LDO마다 크게 다릅니다.
• I_q가 낮은 장치에서는 내부 잡음이 발생할 수 있어 잡음에 민감한 응용 분야에서 중요한 요인으로 작용하기도 합니다.
• LDO에서도 상당한 열이 발생할 수 있어 레이아웃 및 열 관리를 위한 규격서 지침을 준수해야 합니다. 그렇지 않으면 I_q와 I_d 성능이 저하될 수 있습니다.
• 무조건 낮은 I_q가 좋은 것은 아닙니다. I_q와 온스테이트 전류 소비량 간의 차이가 100배를 초과하는 경우에는 I_q가 높은 저렴한 LDO를 선택하는 것이 바람직합니다.

150mA 저 I_q LDO 및 데모 기판

입력 전압이 1.4V ~ 6.0V인 LDO가 필요하며 최대 150mA의 전류를 제공하는 단일 리튬 이온 배터리를 사용하는 시스템을 설계할 때에는 Microchip Technology의 MCP1711과 같은 LDO를 고려할 수 있습니다. 이 장치의 일반적인 I_q는 0.6µA이며 I_d는 0.01µA입니다. 전원 차단 모드가 되면 MCP1711의 전용 스위치를 통해 출력 커패시터가 방전되어 출력 전압이 빠르게 0으로 떨어집니다. MCP1711은 주위 온도 -40°C ~ +85°C의 작동 온도 범위를 가집니다.

다음과 같은 두 가지 전압 옵션과 두 가지 패키지 옵션을 제공하는 ADM00672 데모 기판을 사용하여 광범위한 입력 전압과 부하 범위에 걸쳐 MCP1711가 어떻게 작동하는지 확인할 수 있습니다.

• 1.8V_out, 입력 전압 3.2V ~ 6.0V, 5리드 SOT-23
• 3.3V_out, 입력 전압 4.0V ~ 6.0V, 4리드 1 x 1 UQFN

데모 기판에는 두 개의 회로가 서로 분리되어 있어 개별적으로 테스트할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: MCP1711 데모 기판에는 1.8V(위)와 3.3V(아래)를 제공하는 두 개의 독립적인 회로가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

빠른 과도 응답과 낮은 I_q

빠른 과도 응답과 낮은 I_q가 필요한 시스템의 경우, Texas Instruments의 TPS7A02를 활용할 수 있습니다. 이 장치는 정격 전류가 200mA이며 I_q는 25nA, I_d는 3nA입니다. 0.8V ~ 5.0V의 출력 전압을 지원하며, 이는 50mV 단위로 프로그래밍 가능합니다. 정착 시간 10μs 미만의 일반적인 과도 응답을 제공하며 부하가 1mA에서 50mA로 한 단계 변경될 때 언더슈트는 100mV입니다. 그림 3과 같이 응답의 속성은 부하 증가량과 감소량에 따라 달라집니다. TPS7A02 접합 온도는 -40°C ~ +125°C로 명시되어 있습니다.

그림 3: TPS7A02의 유동적인 부하 응답 속성은 부하 증가량(왼쪽) 부하 감소량(오른쪽)에 따라 달라집니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

결론

I_q는 긴 배터리 수명을 위한 설계를 할 때 고려해야 할 중요한 속성이지만, 이 외에도 다양한 요인을 고려해야 합니다. 장치의 작동 프로파일과 전력 소비 패턴에 따라, I_d도 중요한 고려 사항일 수 있습니다. 작동 온도와 같은 다양한 요인이 I_q와 I_d에 영향을 주며, 최적의 Iq 및 Id 범위가 존재합니다. 값이 낮다고 항상 좋은 것은 아닙니다.

추천 자료:

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