전력 다이어트를 위한 설계

저는 가끔 배터리를 교체하고 재충전하는 사이에 전력이 소모된 개인용 전자 장치가 다시 제 기능을 할 수 있도록 끊임없이 돌보고 있다는 느낌이 듭니다. 전력 상태에 충분히 주의를 기울이더라도 피트니스 웨어러블 또는 Bluetooth 이어폰이 운동 중에 갑자기 멈춰버릴 때가 많고, 최악의 순간에 배터리가 꺼져버린 스마트폰에 대한 불평은 반복하지도 않겠습니다.

얼마 안 되는 개인용 전자 기기의 개별 경험을 수천 개의 배터리 구동식 장치로 이뤄진 사물 인터넷(IoT) 응용 분야와 비교해 보면, 이 응용 제품의 배터리를 관리하기가 얼마나 어려운지 쉽게 상상할 수 있습니다. 이러한 대규모 IoT 네트워크 역시 개인 장치와 마찬가지로 "상시 켜짐" 센서에서 즉각적으로 데이터를 가져오기를 원하기 때문에 전력 문제가 더욱 심각해집니다. 다행히 반도체 제조업체가 마이크로 컨트롤러의 전력 효율성을 높여가고 있고 처리 부담의 일부를 메인 프로세서에서 해소하고 있기 때문에 전력 소모가 많은 전자 기기의 문제점이 점점 줄어들고 있습니다.

고급 기술로 강화된 전통적 전력 관리

일반적인 마이크로 컨트롤러 기반 시스템의 관점에서는 작은 내장형 시스템의 전력 소비에 가장 큰 부분을 차지하는 메인 프로세서의 듀티 사이클에 중점을 둡니다. 설계자는 전력 소비가 가장 높은 활성 상태에서 프로세서가 유지되는 시간을 최소화하도록 배웁니다. 대신 전력이 제한된 시스템은 프로세서가 가능한 많은 시간 동안 절전 모드에 있을 수 있도록 설계됩니다. 주기적으로 센서의 데이터를 수집해야 하는 응용 제품의 경우, 개발자는 프로세서를 절전 상태로 두고 주변 장치 인터럽트를 사용하여 데이터를 수집하고 처리하는 동안에만 실행되게 한 다음 다시 절전 상태로 되돌릴 수 있습니다.

더 정교한 온칩 주변 기기의 등장으로 개발자는 프로세서가 절전 모드에 있는 시간을 연장할 수 있게 되었습니다. 마이크로 컨트롤러는 메인 프로세서를 전혀 실행하지 않고 센서 데이터를 수집할 수 있는 아날로그 디지털 변환기(ADC)와 같은 주변 기기를 주기적으로 통합합니다. 고급 마이크로 컨트롤러 아키텍처에서는 반도체 제조업체가 이 개념을 더욱 확장하여 완전 활성 및 완전 절전 사이의 중간 전력 모드를 지원하도록 제작합니다. 이러한 장치에서는 중간 전력 모드가 프로세서 코어, 온칩 메모리, 아날로그 주변 기기 및 디지털 주변 기기에 대한 다양한 개별 전력 도메인을 선택적으로 활성화할 수 있습니다.

Maxim Integrated의 Darwin 마이크로 컨트롤러와 같은 고급 프로세서 제품군은 응용 제품 기능과 성능 요구 사항의 저하 없이 전력 소비량을 줄이도록 설계된 다양한 메커니즘으로 이 접근법을 한 단계 더 끌어올립니다(“더욱 효율적인 스마트 장치 구축: 1부 MCU 및 PMIC를 통한 저전력 설계” 참조). 그 결과 개발자는 엄격한 전력 예산을 충족하기 위해 전력과 성능 간의 균형을 더 세밀하게 조절할 수 있습니다.

자체 프로세서를 사용하는 주변 기기

주변 장치 기능을 코어 처리와 분리하면서, 고급 마이크로 컨트롤러는 전용 프로세서를 통해 해당 주변 장치 서브 시스템을 개선했습니다. 예를 들어 Maxim Integrated의 Darwin 계열은 이 등급의 여러 장치와 마찬가지로 라운드 로빈 스케줄링 및 기타 고급 기능을 포함하여 직접 메모리 액세스(DMA) 작동을 지원하는 일반적인 단계를 넘어서 주변 장치 관리 장치(PMU)를 포함합니다.

이렇게 프로세서 기능을 프로세서 코어 외부로 분산시킴으로써, 오늘날 가장 효율적인 전력 감소 및 성능 향상 접근법의 토대가 마련되었습니다. 이 트렌드의 가장 확실한 사례 중 하나는 IoT 또는 기타 연결형 응용 제품용으로 설계된 고급 마이크로 컨트롤러에 내장된 암호화 하드웨어 가속기입니다. 알고리즘 실행의 속도를 높여주는 전용 가속기를 통해 장치가 더 빠르게 저전력 상태로 돌아갈 수 있습니다.

이 트렌드의 더 흥미로운 사례는 Texas Instruments의 SimpleLink 제품군과 같은 무선 마이크로 컨트롤러에서 찾아볼 수 있습니다. 예를 들어 Texas Instruments의 CC2640R2F Bluetooth 저전력(BLE) 무선 마이크로 컨트롤러에는 Arm® Cortex®-M3 메인 프로세서에 전용 Arm Cortex-M0 프로세서 및 무선 주파수(RF) 트랜시버로 구성된 전용 BLE 서브 시스템이 결합되어 있습니다(그림 1).

그림 1: Texas Instruments의 CC2640R2F BLE 장치와 같은 고급 무선 마이크로 컨트롤러는 에너지 효율적인 Arm Cortex-M0 프로세서 코어를 사용하여 무선 연결을 유지하고 Arm Cortex-M3 메인 프로세서는 절전 상태를 유지함으로써 전력 소비를 최적화합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

메인 프로세서가 응용 제품을 실행하는 동안 개발자는 Cortex-M0 프로세서를 사용할 수 없으며 BLE 프로토콜 스택만 실행합니다. 전력 사용이 효율적인 Cortex-M0 코어는 메인 프로세서가 절전 모드에 있는 동안 저전력 상태로 계속 작동할 수 있으므로, 이 마이크로 컨트롤러는 빠듯한 전력 예산에 부담을 주지 않으면서 상시 켜짐 연결성을 제공할 수 있습니다.

물론 상시 켜짐 기능의 필요성은 연결성을 위한 요구 사항에 국한되지 않습니다. 감지 응용 제품이 증가함에 따라 사용자는 자신의 장치가 온도, 움직임, 공기 질 및 기타 특성의 변화에 즉각 반응하기를 기대합니다. 일반적인 방법을 사용할 경우 이 상시 켜짐 기능을 구현하려면 마이크로 컨트롤러가 연속적으로 활성 모드에서 작동하고 중요 이벤트에 대한 데이터를 수집 및 검사해야 합니다.

고급 센서의 경우 개발자는 인터럽트 트리거에 대한 최소 및 최대 임계값을 프로그래밍할 수 있으므로, 임계값을 벗어나는 이벤트가 발생할 때까지 마이크로 컨트롤러를 절전 모드로 유지할 수 있습니다. 하지만 일부 응용 제품에서는 이 임계값 기능도 부족할 수 있습니다. 예를 들어 상시 켜짐 동작 센서의 경우 걷기, 달리기, 등반, 계단 오르기, 회전 또는 기타 활동을 구분하기 위해 측정된 가속도 또는 방향의 패턴이나 변화를 인식해야 합니다. 이 경우 고급 임계값 지원 센서를 사용하더라도 호스트 마이크로 컨트롤러는 이러한 특성 변화를 식별하기 위해 활성 상태를 유지해야 합니다. 대신 STMicroelectronics의 LSM6DSOX 센서 모듈은 내장된 유한 상태 신호 발생기 및 결정 트리 처리 엔진 덕분에 관심 항목의 패턴을 식별할 수 있습니다.

개발자에게 있어 자율 주변 장치 작동, 전용 처리 엔진 및 로컬 센서 처리와 같은 기능은 배터리 구동식 설계에서 전력 다이어트를 시작하도록 돕는 여러 방법 중 일부일 뿐입니다.

참고 자료:

더욱 효율적인 스마트 장치 구축: 1부 - MCU 및 PMIC를 통한 저전력 설계 - https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2018/oct/build-more-effective-smart-devices-part-1-low-power-design-mcus-pmics