[TECH REPORT] 초저전력 무선 IoT 애플리케이션에 최적화된 전력 관리 IC, nPM1300

[노르딕세미컨덕터코리아=최수철 지사장] 노르딕의 최신 전력 관리 IC인 nPM1300은 주요 시스템 관리 기능을 통합한 고집적 솔루션으로 최종 제품의 부품원가를 낮추고 공간을 절감할 수 있도록 지원한다.

블루투스 LE, 와이파이 또는 셀룰러 IoT 등과 같은 노르딕 세미컨덕터의 무선 기술은 복잡한 IoT 애플리케이션을 지원하는 동시에 에너지 소비를 최소화하고 배터리 수명을 연장할 수 있도록 설계됐다.

그러나 이런 효율적인 SoC나 컴패니언 IC 또는 SiP와 함께 사용할 수 있는 보다 더 효과적인 전력관리 솔루션도 필요하다. 공급 전압은 여러 전원 레일에 걸쳐 레귤레이션되고 분배돼야 하며 충전식 애플리케이션의 경우에는 외부 소스를 통해 배터리를 충전할 수 있어야 하기 때문이다.

프로세서 및 무선 솔루션이 아무리 효율적이라 하더라도 비효율적인 전력 관리 시스템으로 인해 배터리 수명이 저하될 수 있다. 또한 기존의 전력 관리 솔루션은 일반적으로 전압 레귤레이터, 배터리 충전기, 연료 게이지, 외부 워치독(Watchdog) 및 하드 리셋(Hard Reset) 등의 여러 칩으로 구성돼 있어 공간이 제한적인 설계에 부담을 가중시킬 수 있다.

노르딕은 자사의 nPM PMIC(Power Management IC) 제품군을 통해 저전력 및 공간 절감이 요구되는 IoT 제품의 효율적인 전력관리 및 공간 문제를 모두 해결했다.

이 제품군은 nPM6001(독립적으로 제어되는 6개의 전원 레일 지원)과 nPM1100(듀얼 모드로 구성 가능한 벅 레귤레이터 및 통합 배터리 충전기 지원) 및 가장 최근에 출시된 nPM1300으로 구성돼 있다.

특히 최상의 효율성과 소형화에 최적화된 nPM1300 PMIC는 블루투스 LE 설계에서 요구되는 필수 기능들을 하나의 소형 패키지 안에 통합함으로써 시스템 설계를 크게 간소화할 수 있도록 해준다.

▶지능형 전력 관리
nPM1300은 5mm x 5mm QFN32 및 3.1mm x 2.4mm WLCSP 패키지로 제공되며 이런 소형 폼팩터 내에 벅 컨버터 2개, 부하 스위치 2개, 배터리 충전기, USB-C 호환 입력, 운송모드(Ship Mode) 및 연료 게이지 기능을 통합하고 있다.

이런 고집적 기능을 통해 최대 8개의 칩과 관련 수동부품을 사용하는 기존 설계를 하나의 칩과 소수의 수동부품으로 전력 관리 회로를 간소화할 수 있다. 따라서 개발자들은 단 하나의 디바이스 만으로 매우 간단하게 PMIC의 상호 작용 및 구성을 처리할 수 있다.

또한 구성 코드를 생성할 수 있는 nPM 파워업(PowerUP) PC 앱이 지원되기 때문에 애플리케이션에 따라 nPM1300의 구성 프로세스를 더욱 간소화할 수 있다.

이런 높은 수준의 통합 기능 외에도 nPM1300은 일반적으로 기존 전력관리 시스템에서는 개별적으로 추가해야 하는 주요 시스템 관리 기능 또한 포함하고 있다. nPM1300은 이런 기능들을 통해 시장에서 가장 집적도가 높은 통합 PMIC로 주목받고 있다.

nPM1300의 첫 번째 시스템 관리 기능은 부팅 실패 복구다. 워치독이 활성화되기 전에 불안정한 전원 사이클로 디바이스 실행이 중단되는 이벤트가 발생하면 이 PMIC는 호스트 프로세서가 모두 정상임을 확인할 때까지 기다리게 된다. 해당 메시지가 나오지 않으면 이 PMIC는 연결된 모든 디바이스에 대한 전원 사이클을 재가동해 다시 부팅 복구 시도를 트리거하게 된다.

또한 nPM1300의 하드 리셋 기능은 하나 또는 두 개의 버튼을 이용해 중단된 디바이스의 전원 사이클을 재가동할 수 있도록 해준다. 하드 리셋 기능을 지원하는 주변장치 칩도 있지만 이 기능을 직접 PMIC에 구현하면 공간을 절감하고, 보다 편리하게 이용할 수 있다.

이외에도 노르딕 PMIC는 최대 절전모드도 지원한다. 이런 절전모드에서는 PMIC의 필수 요소에만 전원을 공급하게 되며 타이머를 실행(나노암페어 수준의 전류만 소모)해 미리 정의된 기간 후에 PMIC를 웨이크업 할 수 있다. 이 타이머는 버튼을 눌러 중단시킬 수도 있다.

다른 PMIC와 마찬가지로 nPM1300 또한 워치독 타이머가 포함돼 있다. 이 워치독은 PMIC의 필수 요건으로 소프트웨어 충돌과 같은 이벤트가 발생하면 PMIC에 배터리 충전을 중단하도록 명령할 수 있다. 또한 워치독은 호스트 프로세서를 리셋하거나 시간 초과 시 전체 시스템에 대한 전원 사이클을 재가동할 수 있다.

nPM1300의 마지막 시스템 관리 기능은 전원장애 경고다. 이 기능은 예를 들어 배터리가 곧 방전되거나 제거된 경우 또는 방전된 배터리가 충전 중일 때 메인 전원의 플러그가 분리된 경우 사용된다.

전원장애 경고는 호스트 프로세서에 대한 전용라인을 사용하여해 전원 장애에 대한 경고를 보내게 된다. 이런 경고를 통해 백업 커패시터에 저장된 예비 에너지로 전원이 제한되어 있음을 호스트에 알리게 된다.

한편 이 PMIC를 위한 평가키트(EK : Evaluation Kit)인 nPM1300 EK가 지원된다. 이 EK를 이용하면 nPM1300을 간단하게 평가하고 코드를 작성할 필요 없이 구성이 가능하다.

또한 nPM 파워업 앱(노르딕의 SDK인 데스크톱용 nRF 커넥트(nRF Connect for Desktop)에서 제공됨)에 연결하면 직관적인 사용자 인터페이스를 통해 nPM1300의 모든 설정을 간단하게 구성할 수 있으며 이후 구성된 코드를 사용자 애플리케이션 소프트웨어에 구현할 수 있도록 내보내기 기능도 지원된다.

이런 EK와 앱을 이용하면 하드웨어 엔지니어는 코드를 작성할 필요 없이 nPM1300을 구성할 수 있으며 소프트웨어 엔지니어는 별도로 데이터시트를 파악할 필요가 없다.

▶정밀 연료 게이지
다른 많은 경쟁 솔루션들과 달리 nPM1300은 외부 부품이 필요 없는 매우 정밀한 연료 게이지 기능을 갖추고 있다.

이 디바이스는 배터리로 들어오거나 나가는 전류를 지속적으로 측정하고 시간이 경과하면 이를 합산해 총 셀 전하량을 결정하는 쿨롬 카운터(Coulomb Counter)의 정밀도와 함께 배터리 전압 측정의 낮은 전력소모 및 단순성의 이점을 모두 겸비하고 있다.

배터리 전압 측정은 매우 간편하기 때문에 널리 사용되는 연료 게이지 기법이다. 이는 배터리 전압이 방전돼 감소되면 동작하기 때문에 특정 시간에 측정된 전압은 셀의 남아 있는 에너지 보유량을 판단할 수 있는 좋은 지표가 될 수 있다. 그러나 이런 측면에서 만족스러운 결과를 제공할 수는 있지만 대체로 정확하지 못하다는 단점이 있다.

노르딕은 쿨롬 카운터 및 배터리 전압 측정과 nPM1300의 연료 게이지 기능을 비교한 몇 가지 실험을 수행했다. 배터리 전압 계산은 완전히 충전된 상태에서 쿨롬 카운터에 비해 거의 20%에 가까운 오차를 보였으며 충전량이 방전되면서 10%로 감소했다. 반면 nPM1300의 연료 게이지는 최악의 경우에서도 쿨롬 카운터에 비해 최대 2%의 오차를 보였으며 이 수치는 배터리가 방전되면서 대부분 1% 이내로 감소했다.

일반적으로 배터리 전압 측정의 부정확성은 배터리 온도의 변화로 인해 더욱 악화된다. 20분 동안 배터리 온도가 -10℃ ~ +50℃까지 변화하는 극한의 테스트에서 전압 측정 기법은 쿨롬 카운터에 비해 최대 30%의 오차를 보인 반면 nPM1300의 연료 게이지의 오차는 최대 4%에 불과했다.

넓은 온도 범위에 걸쳐 높은 정확도를 제공하는 노르딕의 연료 게이지 기능의 핵심은 호스트 프로세서에서 구동되는 소프트웨어 알고리즘이다. (박스기사 ‘정확한 배터리 충전량 측정하기’ 참조)

정확한 배터리 충전량 측정하기

nPM1300 PMIC의 정확한 연료 게이지 기능의 핵심은 호스트 프로세서에서 실행되는 노르딕의 독보적인 알고리즘이다. 노르딕의 nRF5340 SoC에 사용된 Arm Cortex-M33과 같은 임베디드 프로세서는 다른 애플리케이션 코드에 전혀 영향을 주지 않으면서도 이런 알고리즘을 실행할 수 있는 충분한 성능을 갖추고 있다.

호스트 프로세서는 PMIC로 들어오고 나가는 전류 흐름과 배터리 단자 전압을 모니터링하는 전압 분배기의 출력, 그리고 배터리 온도를 제공하는 서미스터 등의 정보를 이용한다.

이런 전류와 전압 및 온도 정보를 이용해 호스트 프로세서는 노르딕이 개발한 알고리즘을 기반으로 배터리의 충전 상태를 정확하게 판단하게 된다. 초당 단 한 번의 판독으로 정확한 측정값을 얻을 수 있으며 데이터를 위해 요구되는 메모리는 몇 킬로바이트에 불과하다.

초당 측정 주파수에 대한 전력소모는 일반적으로 호스트 프로세서 오버헤드에 약 4μA만 추가하게 된다. 호스트 프로세서가 절전모드 상태에서는 연료 게이지를 측정하지 않지만 절전모드가 해제되면 즉시 새로운 측정을 수행하여 배터리의 전류 충전 상태를 확인할 수 있다.

이 알고리즘을 통해 정확한 결과를 도출하기 위해서는 먼저 배터리 특성을 ‘학습’해야 하지만 최종 제품이 계속해서 동일한 유형의 배터리를 사용한다면 한 번만 수행하면 된다.

이런 학습은 적절한 저항성 부하를 제공하기 위한 것으로 nPM-FG(Fuel Gauge) 보드를 갖춘 EK와 nPM 파워업 앱을 이용해 처리할 수 있다. 학습 프로세스는 앱이 정확한 배터리 모델을 구현할 수 있도록 각기 다른 온도에서 3번에 걸쳐 반복되며 그런 다음 이 모델을 구성 코드와 함께 애플리케이션 소프트웨어로 내보낼 수 있다.

nPM1300은 칩 내에 주요 시스템 관리 기능을 통합해 공간을 절감할 수 있는 효율적이고 콤팩트한 PMIC다. 또한 매우 정확한 연료 게이지 기능도 갖추고 있다. 이 PMIC는 노르딕의 최신 4세대 블루투스 LE SoC 중 하나인 nRF54H20과 nRF5340 및 nRF52840 SoC와 함께 구동이 가능하며 다른 제조사의 디바이스와도 이용할 수 있다.

또한 노르딕의 셀룰러 IoT 솔루션인 nRF9160 SiP와 함께 이 PMIC를 이용하면 주변장치에 전력을 공급하고 배터리 충전도 수행할 수 있다. 이 SiP는 자체적으로 통합 고효율 전력관리 회로를 포함하고 있기 때문에 PMIC로부터 레귤레이션되지 않은 전압을 공급받을 수 있다.

개발자들은 노르딕의 SoC 및 SiP와 nPM1300 PMIC를 사용해 배터리에서 RF 신호에 이르기까지 무선 제품의 에너지 경로를 최적화하고 배터리 수명을 극대화할 수 있다.