다른 많은 애플리케이션과 마찬가지로 저전력 정밀 부품이 발전함에 따라서 이동형 무선 의료 장비가 빠르게 진화하고 있다. 하지만 다른 애플리케이션들과 달리 의료용 제품은 신뢰성, 사용 시간, 견고성에 대한 요구 기준이 훨씬 더 엄격하다. 그러므로 이러한 요구를 충족하려면 전원 시스템과 여기에 연관된 지원 부품들로 훨씬 높은 부담이 가해진다.
의료용 제품은 AC 메인, 배터리 백업, 주변 에너지 하베스트까지도 포함하는 다양한 전원 소스를 사용해서 적절히 동작하고 또 이들 다양한 전원들 사이를 매끄럽게 전환할 수 있어야 한다. 이와 함께 결함을 보호 및 허용하고 배터리로 작동할 때 사용 시간을 극대화하고 유효한 전원 소스를 사용할 수 있는 한은 시스템이 신뢰할 수 있게 동작하도록 하기 위해서 설계 작업에 많은 시간이 소요된다.
<글 : 토니 암스트롱(Tony Armstrong 리니어테크놀로지 전력 제품 마케팅 디렉터>
<자료제공 : 리니어테크놀로지 , www.linear.com>
현재 이동형 무선 의료 장비의 중요한 성장 동력이 되고 있는 중요한 흐름의 하나는 환자 돌봄이다. 특히 환자 자신의 가정에서 원격 모니터링 시스템의 사용이 증가하고 있다는 것이다.
이것은 주로 경제적인 이유 때문이다. 병원에서 환자를 돌보는 비용이 계속해서 상승함으로써 갈수록 더 부담스러워지고 있기 때문이다. 이러한 이동형 전자 모니터링 시스템은 환자로부터 수집된 데이터를 곧바로 병원의 감시 시스템으로 전송하기 위해서 RF 트랜스미터를 포함해야 한다. 그러면 이 데이터를 활용해서 담당 의사가 즉시적으로나 차후에 검사나 분석을 할 수 있다.
이러한 시나리오라고 가정했을 때 한 가지 확실히 해야 하는 것은 환자가 가정 내에서 사용하고자 적절한 의료 장비를 구비하기 위한 비용이 환자를 병원에서 지켜보기 위해서 입원시키고 있을 때의 비용보다 훨씬 덜 들어가야 한다는 것이다.
뿐만 아니라 환자가 사용하는 장비는 신뢰할 수 있어야 하고 오류가 없어야 한다. 그러므로 이러한 제품을 개발하는 회사나 개발자는 이러한 장비가 다중의 전원 소스를 사용해서 신뢰할 수 있게 동작하도록 해야 하고 또 한편으로는 병원으로 무선 데이터를 전송할 때 높은 신뢰성을 달성하도록 해야 한다.
그러기 위해서는 시스템 디자이너가 시스템을 설계할 때 전원 관리 아키텍처에 신중한 주의를 기울여야 한다. 이 아키텍처가 견고하고 유연하고 크기를 소형화하고 효율이 뛰어나도록 설계해야 한다.
◇ 당면 과제와 솔루션
무선 전송 기능을 사용하는 시스템에는 시스템 디자이너들이 흔히 선형 레귤레이터를 사용한다. 이렇게 하는 가장 큰 이유는 EMI와 잡음 방사를 최소화하기 위해서다. 그런데 스위칭 레귤레이터는 선형 레귤레이터보다 더 높은 잡음을 발생시키지만 효율이 훨씬 더 우수하다.
잡음과 EMI는 스위치 소자만 예측 가능하게 동작한다면 많은 민감한 애플리케이션에서 통제가 가능한 것으로 입증되고 있다. 스위칭 레귤레이터를 정상 모드로 정주파수로 스위칭 하고 스위칭 에지가 오버슈트나 고주파 링잉을 일으키지 않고서 매끈하고 예측 가능하다면 EMI를 최소화할 수 있다.
또 소형 패키지 크기와 높은 동작 주파수를 사용함으로써 레이아웃을 컴팩트 하게 하고 소형화할 수 있다. 이와 함께 ESR이 낮은 세라믹 커패시터를 사용함으로써 시스템에서 또 다른 잡음 요인인 입력 및 출력 전압 리플을 최소화할 수 있다.
현재 다기능 의료용 장비의 메인 입력 전력으로는 외부 AC/DC 어댑터를 거쳐서 24V 또는 12V DC 소스를 주로 사용한다. 이 전압을 다시 동기 벅 컨버터를 사용해서 5V나 3.xV 레일로 낮춘다. 그런데 이러한 의료용 장비들은 내부적인 포스트 레귤레이트 전원 레일의 수는 갈수록 많아지고 동작 전압은 갈수록 낮아지고 있다.
이러한 많은 시스템들이 저전력 센서, 메모리, 마이크로컨트롤러 코어, I/O, 로직 회로 등을 구동하기 위해서 3.xV, 2.xV, 1.xV 레일들을 필요로 한다. 또한 의료용 장비는 중대한 장비이므로 대개의 장비들이 메인 전원이 어떤 이유로 중단된다고 하더라도 계속해서 동작할 수 있도록 배터리 백업 시스템을 포함한다.
전통적으로 저전압 레일은 스텝다운 스위칭 레귤레이터나 LDO 레귤레이터를 사용해서 제공한다. 하지만 이러한 유형의 IC들은 배터리 셀의 전체적인 동작 범위를 최대한 활용하지 못함으로써 장비의 가능한 배터리 사용 시간을 단축시킨다.
하지만 벅-부스트 컨버터(가변적 입력 소스로 동작하면서 전압을 스텝업도 하고 스텝다운도 할 수 있음)를 사용하면 배터리의 전체적인 동작 범위를 최대한 활용할 수 있다. 특히 배터리가 방전 프로파일의 끝에 가까워질 때까지 배터리에서 최대한의 에너지를 끌어낼 수 있으므로 동작 마진을 높이고 배터리 사용 시간을 연장할 수 있다.
그러므로 DC/DC 컨버터가 일차전지 시스템의 애플리케이션 요구를 충족하고 위에서 열거한 당면 과제들을 해결하기 위해서는 다음과 같은 특성들을 갖추어야 한다:
- 다양한 유형의 배터리 전원과 그에 따른 전압 범위를 수용하기 위해서는 벅-부스트 전원 변환 아키텍처여야 한다. 그래야 넓은 입력 전압 범위로 출력 전압을 레귤레이트 할 수 있다.
- 동작 모드로나 셧다운 모드로나 정지 전류가 극히 낮아야 한다. 그래야 배터리 사용 시간을 연장할 수 있다.
- 시스템 레일을 효율적으로 구동할 수 있어야 한다.
- 남아 있는 배터리 충전 상태를 판단하기 위해서 IC 정지 전류에 중대하게 영향을 미치지 않으면서 쿨롬을 정확하게 계수할 수 있어야 한다.
- 셀 보호와 관련해서 쇄도 전류를 감쇠하기 위해서 전류 제한 기능을 포함해야 한다.
- 풋프린트가 소형이고 경량이고 두께가 얇아야 한다.
- 첨단 패키징을 사용해서 향상된 열 성능과 공간적 효율을 달성해야 한다.
리니어테크놀로지가 최근에 새롭게 출시한 나노전력 LTC3335 벅-부스트 컨버터가 바로 그러한 제품이다. LTC3335는 쿨롬 카운터를 통합하고서 위의 모든 특성들을 갖췄다.
이 IC는 극히 낮은 정지 전류를 필요로 하면서 남은 배터리 용량을 알아야 하는 일차전지 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 또한 시스템 결함에 대한 검사에 쿨롬 카운터를 사용해서 배터리 장치나 부하 누설을 검출하고자 하는 애플리케이션에도 사용할 수 있다.[그림1 참조]
LTC3335는 나노전력 고효율 동기 벅-부스트 컨버터로서 정밀한 쿨롬 카운터를 내장했으며 최대 50㎃의 연속 출력 전류를 제공한다. 680㎁의 정지 전류만을 소모하고 피크 입력 전류를 5㎃부터 250㎃까지로 프로그램 할 수 있는 이 디바이스는 배터리 백업 이동형 의료 모니터링 시스템을 비롯한 다양한 유형의 저전력 배터리 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
1.8~5.5V 입력 범위로 동작하고 1.8V부터 5V까지 8가지 출력 중에서 사용자가 선택할 수 있으므로 출력보다 높거나 낮거나 같은 입력 전압을 사용해서 레귤레이트 된 출력을 제공할 수 있다.
또 LTC3335는 정밀(±5%의 배터리 방전 측정 정확도) 쿨롬 카운터를 통합함으로써 배터리 방전 곡선이 극히 평탄한 장기적 수명의 재충전불가능 배터리를 사용하는 애플리케이션에서 누적 배터리 방전을 정확하게 모니터링 할 수 있다.
더불어 LTC3335는 내부적으로 4개의 저(low) RDSON MOSFET을 통합하고 있으며 최대 90퍼센트에 이르는 효율을 달성한다.
그 밖의 특징으로서 프로그래머블 방전 경고 임계값, 쿨롬 계수 액세스와 디바이스 프로그래밍을 위한 I2C 인터페이스, 파워 굿(Power Good) 출력, 5㎃부터 250㎃까지 8가지 피크 입력 전류를 선택할 수 있으므로 다양한 배터리 타입과 크기를 수용할 수 있다.
뿐만 아니라 LTC3335는 ?40도~+125도의 접합부(junction) 온도 범위로 동작하며 열 향상 20리드 3㎜×4㎜ QFN 패키지로 제공된다.
24V 또는 12V의 DC 입력으로 다양한 조합의 저전압 레일들을 제공하는 또 다른 방법은 다중 출력이 가능한 고전압 DC/DC 컨버터를 사용하는 것이다.
리니어테크놀로지의 4출력 모노리식 동기 벅 컨버터인 LT8602가 바로 그러한 제품이다. LT8602는 3V~42V 입력 전압 범위로 동작하므로 의료용 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
[그림2]에서 보듯이 4채널 디자인으로 2개 고전압 2.5A 및 1.5A 채널과 2개 저전압 1.8A 채널을 결합해서 낮게는 0.8V에 이르는 4개의 독립적 출력을 제공할 수 있으므로 현재 사용되고 있는 저전압 마이크로프로세서 코어를 구동할 수 있다.
또 LT8602는 동기 정류 토폴로지를 사용해서 최대 94퍼센트의 효율을 달성하고 버스트 모드(Burst Mode) 동작을 사용해서는 무부하 대기 시에 정지 전류를 30㎂ 미만으로 유지하므로(모든 채널 온(on)상태에서 측정) 배터리 사용 시스템에 사용하기에 적합하다.
잡음에 민감한 애플리케이션의 경우에는 LT8602에 소형의 외부 필터를 사용해서 펄스 스킵핑 모드로 스위칭 잡음을 최소화하고 CISPR25 클래스5 EMI 요건을 충족할 수 있다. 그러므로 데이터를 무선 전송하는 시스템에 곧바로 편리하게 사용할 수 있다.
LT8602는 스위칭 주파수를 250㎑부터 2㎒까지 프로그램 할 수 있으며 같은 범위로 외부 클록으로 동기화할 수 있다. 60ns 최소 온(on) 시간은 고전압 채널에서 2㎒ 스위칭 주파수로 16VIN 대 2.0VOUT 스텝다운 변환을 가능하게 한다. 고전압 VOUT2 채널이 2개 저전압 채널(VOUT3과 VOUT4)에 입력 전압을 공급함으로써 역시 2㎒로 스위칭 하면서 최저 0.8V까지 이르는 출력을 제공할 수 있다. 그러므로 그림 3에서 보는 것과 같이 극히 컴팩트한 4출력 솔루션을 달성할 수 있다.(단면으로 25㎜×25㎜ 이내)
LT8602를 사용함으로써 솔루션 풋프린트를 최소화할 뿐 아니라 2㎒ 스위칭 주파수를 사용함으로써 잡음에 민감한 주파수 대역을 피할 수 있다. 또 LT8602의 모든 채널이 모든 조건으로 1A 로드에서 드롭아웃 전압이 200㎷에 불과하므로 자동차 콜드 크랭크 같은 조건시에 뛰어나게 동작한다.
이와 함께 각 채널에 대해서 프로그래머블 파워온 리셋과 파워 굿 출력을 사용해서 시스템 신뢰성을 높인다. 또한 40리드 열 향상 6㎜×6㎜ QFN 패키지와 높은 스위칭 주파수를 사용해서 외부 인덕터와 커패시터 크기를 작게 할 수 있으므로 컴팩트하면서 열효율이 뛰어난 풋프린트를 달성할 수 있다.
또한 고유의 설계 기법들과 새로운 고속 프로세스를 사용해서 제조함으로써 넓은 입력 전압 범위에 걸쳐서 높은 효율을 달성하고 전류 모드 토폴로지는 신속한 트랜션트 응답과 뛰어난 루프 안정성을 달성한다.
◇ 맺음말
가정에서 환자 모니터링 용으로 무선 의료용 장비를 설계하는 디자이너는 많은 기술적 과제들을 해결해야 한다. 잡음 간섭 문제를 완화해야 하고 메인 전원이 중단되는 경우를 대비해서 백업 배터리로 동작할 수 있게 해야 하며 장비의 크기와 가격대를 낮춰야 한다. 리니어테크놀로지는 설계시의 이러한 모든 요구를 충족하는 다양한 솔루션들을 제공한다.
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