[테크월드뉴스=이혜진 기자] 노르딕의 파워 프로파일링 키트(Power Profiling Kit)는 개발자가 성능 저하 없이 저전력 임베디드 설계의 전력소모를 최적화할 수 있도록 도와주는 저비용의 유연한 툴이다. 노르딕의 단거리 무선 시스템온칩(SoC·하나의 칩에 통합제어 시스템을 얹은 것)과 저전력 셀룰러 시스템인패키지(SiP)는 고성능을 제공하는 것은 물론, 배터리 수명을 극대화할 수 있도록 설계됐다. 그러나 실제 최종 제품의 성능은 개발자의 하드웨어 및 소프트웨어 설계에 따라 달라질 수 있다. 또한 멀티미터(테스터기)를 통해 개략적인 평균 전력소모량을 확인할 수는 있지만, 개발자가 제품의 순간적인 전력소모량을 조사하고, 전력 문제를 진단하기는 어렵다. 전력 분석기와 같은 계측기는 전력 프로파일링을 훨씬 더 효과적으로 수행할 수 있지만, 모든 엔지니어들이 사용하기엔 너무 과도하고, 비용도 많이 소요된다.
노르딕의 파워 프로파일러 키트 II(Power Profiler Kit II: PPK2)는 뛰어난 동적 측정 범위와 첨단 아날로그 측정 장치를 갖추고 있는 저비용의 휴대가 가능한 독립형 기기다. PPK2는 단일 마이크로 암페어에서 최대 1암페어에 이르기까지 저전력 임베디드 애플리케이션에서 일반적으로 볼 수 있는 모든 전력범위에 걸쳐 순간 및 평균 전력소모를 정확하게 측정할 수 있다. 분해능은 측정 범위에 따라 100나노암페어(nA)에서 1밀리암페어(mA)에 이르며, 저전력에 최적화된 시스템에서 볼 수 있는 작은 전력 스파이크까지 감지할 수 있다.
일반적인 전력 문제를 해결하는 법
무선 애플리케이션 설계는 복잡하지만, 전력소모를 유발하는 몇 가지 공통된 문제들이 있으며, 이는 설계의 전력소모를 최적화할 때 첫 번째로 고려해야 할 대상이다. 가장 일반적인 문제는 SoC가 의도하지 않거나 예상치 못하게 절전모드에서 웨이크업하거나 아예 절전모드로 전환되지 않는 경우다. 올바르게 코딩이 됐다면 SoC는 인터럽트로 웨이크업하고 이벤트를 처리한 다음, 즉시 절전모드로 다시 전환돼야 한다. 그러나 어떤 이유로 SoC가 다시 절전모드로 전환되지 않는다면, 설계자가 실제로는 프로세서가 아무런 동작을 하지 않도록 의도했다 하더라도 프로세서가 완전히 실행되는 대기 루프로 진입할 수 있다. 따라서 프로세서가 절전모드로 전환돼야 하는 시점에 실제로 프로세서가 동작하지 않는지 확인하기 위해 전류를 측정하는 것이 전력 프로파일링의 첫 번째 원칙이다.
초과 전력소모의 두 번째 원인은 불필요한 이벤트에 로깅하는 것이다. 로깅은 애플리케이션 설계의 개발 및 디버깅(오류 수정) 단계에선 매우 편리하다. 그러나 로깅을 위해 UART 또는 세거(Segger)의 실시간 전송 모듈(통신을 위해 디버깅 채널을 사용함)과 같은 주변장치를 사용하기 때문에 전력소모가 발생한다. 이런 로깅은 완성된 디바이스엔 필요하지 않기 때문에 개발자들은 배터리 수명을 단축할 수 있는 로깅을 비활성화해야 한다.
높은 전력소모를 유발하는 세번째 원인은 SoC가 의도한 것보다 더 자주 웨이크업하는 것이다. 예를 들어 타이머가 애플리케이션이 필요로 하는 것보다 더 자주 일부 센서 데이터를 읽기 위해 프로세서를 깨울 수 있다. 개발자는 센서 데이터를 읽어야 하는 빈도를 신중하게 고려해야 한다. 예를 들어 실시간으로 3D 위치를 계산하기 위해 자이로스코프(팽이의 원리를 이용해 기기의 움직임을 감지하는 기기) 및 가속도계를 사용하는 설계는 빈번하고, 빠른 샘플링이 필요하지만, 다른 애플리케이션의 경우엔 대략적인 디바이스의 위치만 필요할 수 있기 때문에 개발자는 샘플링 속도를 늦추고, 배터리 수명을 연장할 수 있다.
하드웨어 설계가 중요한 이유
이런 SoC 외에 무선 설계는 올바르게 사용하거나 적절하게 선택하지 않으면 배터리를 빠르게 소모시킬 수 있는 여러 하드웨어로 구성된다. 예를 들어 개발자는 가속도계와 같은 센서를 선택할 때 대기전류(디바이스가 유휴상태일 때 소모되는 전류)가 낮은 디바이스를 선택해야 한다. 또 이런 센서가 필요한 작업만 수행한 다음, 다시 절전모드로 전환되도록 해야 한다. 예를 들어 애플리케이션이 역전된 경우만 나타내면 되는 경우, 개발자는 가속도계가 역전이 발생할 때만 보고하도록 하고, 제품이 다른 방향으로 움직일 땐 보고하지 않도록 함으로써 전력을 절감해야 한다.
전력관리 디바이스를 선택할 때도 주의가 필요하다. 벅∙부스트 전압 레귤레이터(입력 전압보다 출력 전압을 낮춰주거나 높여주는 조절장치)와 로우드롭아웃(LDO∙Low Drop Out) 레귤레이터는 모두 일부 전력을 소모하기 때문에 가장 효율적인 구성요소를 선택하는 것이 중요하다.
하드웨어 설계에서 배터리 전력을 절감할 수 있는 또 다른 예는 아날로그-디지털 변환기(ADC∙Analog-Digital Converter)처럼 구성요소가 올바른 전압을 수신하도록 전압 분배기를 사용하는 경우다. 이 전압 분배기 회로는 션트 소자의 저항을 통해 최소한의 전력만 소모하도록 구성돼야 한다. 또 설계자는 신호 풀다운을 신중하게 설계해 전압을 접지에서 끌어오더라도 누설 전류를 최소화해 전력을 절감할 수 있도록 해야 한다.
전력소모를 측정하는 방법
해당 설계가 얼마나 많은 전력을 사용하고 있는지 확인하는 방법엔 여러 가지가 있다. 한 가지 설계 팁은 소프트웨어 구조를 상호 판독으로 쉽게 확인할 수 있도록 계획하는 것이다. 이렇게 하면 주변장치가 필요하지 않을 때 켜지지 않도록 파라미터(매개변수)를 변경해야 하는 지점을 보다 쉽게 파악할 수 있다. 또 개발자가 회로도와 데이터시트, 소스 코드를 분석해 전력소모와 관련한 많은 정보를 얻을 수 있다.
이외에도 개발자들이 애플리케이션 실행 시 발생되는 상황을 자세히 확인할 수 있는 많은 툴들이 제공되고 있다. 예를 들어 절전 주기 동안 높은 전력소모가 발생하는 경우 디버거를 이용해 디바이스가 절전 주기에 진입했을 때 실제 구성을 확인하고, 이상징후를 진단할 수 있다. 디버거의 한 가지 단점은 실행 중엔 절전모드의 전력소모량을 측정할 수 없다는 것이다. 또 다른 단점은 최종 제품의 측정을 위해 디버그 라인에 액세스할 수 없다는 점이다.
멀티미터는 전력 사용량을 측정하는 데 유용하며, 회로의 거의 모든 부분에 쉽게 연결할 수 있다. 그러나 멀티미터는 항상 평균 판독 값을 제공하기 때문에 평균 윈도우에 대한 지식이 없으면 세부 측정에 별다른 도움이 되지 못한다.
로직 분석기는 이벤트 타이밍을 확인하고 SPI 및 UART와 같은 디지털 프로세싱 프로토콜을 디버깅하는 데 유용하다. 또 이 계측기는 센서와 교환되는 트래픽(인터넷 사용량)의 시기와 방법을 보여준다. 로직 분석기의 단점은 비용 및 생산환경에 부적합하고, 전류소모에 대한 직접적인 정보를 제공하지 않는다는 것이다.
오실로스코프(Oscilloscope·전기현상의 파형을 눈으로 관찰하는 장치)는 높은 정확도와 넓은 대역폭으로 전력소모에 대한 좋은 정보를 제공할 수 있다. 그러나 전류가 아닌 전압을 측정한다. 정확한 전력 측정을 위해 설계자는 회로보드의 전력 경로에 배치된 저항의 전압 강하(전압이 갑자기 떨어지는 현상)을 측정해야 한다. 또 필요한 측정 범위를 설정하고 정확한 전력 프로파일링을 유지하기 위해 저항을 지속적으로 변경해야 한다. 오실로스코프의 또 다른 단점은 적절한 모델을 선택하기 위해 상당한 비용을 부담해야 한다는 점이다.
또 다른 대안은 전력 분석기다. 이 장치는 매우 정확하며 설계의 전력소모를 측정하기 위한 벤치마크(비교 기준)로 간주된다. 그러나 앞에서 언급한 것처럼 이 장치는 비용도 많이 소모되기 때문에 기업이 자체적으로 구비하고 있는 경우는 거의 없다.
노르딕의 PPK2는 기존 전력 분석기에 대한 저비용의 대안이면서도 종합적인 전력 프로파일링이 가능하다. PPK2는 전체 엔지니어링 주기에 걸쳐 사용할 수 있으며, 개발자들이 데스크에 두고 항상 사용할 수 있다. 또 노르딕의 개발 키트는 물론, 외부 하드웨어까지 모두 지원할 수 있다.
PPK2는 디버거가 필요하지 않으며 PC나 Mac과 USB로 연결하고, 노르딕의 데스크톱용 nRF 커넥트(Connect)에서 전력 프로파일링 소프트웨어 패키지만 다운로드하면 된다. PPK2는 온라인 전력 프로파일러도 제공한다. 온라인 프로파일러는 노르딕 제품의 이론적인 전력소모 레벨에 기반하기 때문에 해당 설계에 대한 적절한 전력소모 추정치를 제공할 수 있다. 이런 추정치는 PPK2가 실제 설계에서 측정한 것과 교차 참조해 모든 이상징후를 확인할 수 있다.
※이 기사는 노르딕 세미컨덕터 WQ(Wireless Quarter) 저널에서 제공된 것이다.
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