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IoT 설계 소형화를 위한 안테나 통합 SiP 솔루션
양대규 기자 | 승인 2018.05.31 17:30

[EPNC=양대규 기자] 점점 더 많은 기기들이 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), 스레드(Thread)와 같은 무선 프로토콜을 통해 인터넷에 연결됨에 따라 전자 엔지니어들은 새로운 과제에 직면하고 있다. 기존 디바이스의 한정된 공간 안에 어떻게 하면 무선 트랜스미터를 통합할 수 있을까? 그리고 어떻게 해야 디바이스 크기를 더 작게 만들 수 있을까? 인체공학적으로 사용하기 편하고 디자인적으로 세련된 IoT 제품을 원하는 소비자들의 요구를 충족하려면 어찌 해야 할까?

IoT 기기를 설계할 때 크기는 무선 성능이나 비용만큼이나 중요한 고려사항이다. IoT를 설계할 때 엔지니어들은 되도록이면 크기가 작고 RF 성능이 우수하며 가격이 저렴한 부품을 사용하려고 한다. 하지만 이러한 특성을 모두 갖춘 부품을 찾는다는 것은 결코 쉽지 않다.

반도체 제조 공정 노드가 계속해서 축소함에 따라 실리콘 다이 크기는 점점 더 작아지고 있다. IoT 구현을 위한 목적으로 디바이스의 제한적인 풋프린트 문제를 해결하기 위해서 MCU와 RF 프런트엔드를 통합한 SoC(System-on-Chip)이 등장했다(무선 MCU와 SoC). 하지만 SoC로는 안테나 문제를 해결할 수 없다. 안테나 설계는 개발자가 알아서 해결해야 한다. 아니면 편하게 안테나를 내장한 무선 모듈을 사용할 수도 있다. IoT 기기 설계의 소형화에서 가장 어려운 부분은 안테나를 위한 공간이 제한적이라는 것이다. 그러면서도 안테나는 효율적이면서 신뢰할 수 있는 무선 연결을 제공해야만 한다. 그러면 안테나 통합이 왜 어려운지 좀더 자세히 살펴보자.

SoC 활용의 이점
IoT라는 용어가 등장하기 전부터 전자업계에서는 M2M(Machine-to-Machine)이라는 용어를 사용했다. IoT 커넥티비티용으로 사용되던 부품들은 주로 GPRS 모뎀, 블루투스 직렬 케이블, sub-GHz 대역의 독자적 무선기술 같은 것들이었다. 이런 솔루션들은 크게 두가지로 나눌 수 있다. MCU와 무선 모뎀이다. 휴대폰에 사용하기 위한 디바이스라고 가정했을 때 기본적인 IoT 기능에 필요한 공간은 최소한으로 잡아도 50mm²였다.

반도체 공정기술이 발전하고 MCU와 RF 기능을 하나의 다이에 패키징할 수 있게 되면서 개발자들을 위한 새로운 가능성들이 열리기 시작했고, 단일 IC/SoC로 IoT 기기의 모든 기능을 구현할 수 있게 됐다. IoT 부품 아키텍처는 여러 이점들 때문에 무선 MCU를 채택하는 쪽으로 옮겨갔다. 단일 부품을 사용해서 IoT 기기를 설계할 수 있으므로 상당한 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 비용까지 낮출 수 있다. 따라서 최신 IoT 기기를 설계할 때는 SoC 기반 시스템을 사용하는 것이 크기 면에서 훨씬 유리하다.

안테나와 공간 문제
고도로 통합된 SoC를 사용하더라도 개발자들이 안고 있는 과제를 완전히 해결하지는 못한다. 안테나를 어떻게 할 것인가? 안테나를 위한 공간을 얼마나 확보해야 하나? 어떤 안테나를 선택할 것인가? 안테나를 내장한 모듈을 사용해야 할까? 안테나는 크기와 효율뿐 아니라 디튜닝 문제까지 포함한 여러 측면을 종합적으로 고려해야 한다. 

기존에는 IoT 설계용으로 역F형(inverted-F) 같은 PCB 트레이스 안테나가 주로 사용돼 왔다. BoM(Bill of Materials) 비용을 절감할 수 있기 때문이다. 그런데 프린티드 PCB 안테나는 통상 25x15mm에 이르는 큰 크기를 갖고 있어 결과적으로 IoT 기기를 엄청나게 크게 만든다. 모듈에 사용할 경우에는 또 다른 단점이 있다. 하우징 소재로 인해서 디튜닝 문제가 발생하기 쉽기 때문에 올바로 동작하도록 하려면 최종 제품 어셈블리 시에 각별한 주의가 필요하다. SoC 설계에서 안테나 튜닝은 설계 공정의 엄연한 한 부분을 차지하며 특별한 전문성을 필요로 한다. 이런 설계에서 프린티드 안테나는 다른 안테나 유형들과 전혀 다르지 않다. 

안테나 제조회사들은 안테나 설계를 간소화할 수 있도록 꽤 오래 전부터 크기면에서 유리한 ‘칩 안테나’를 제공해 왔다. 칩 안테나는 크게 두 가지 유형으로 구분할 수 있다.

* 접지면과 결합되지 않고 비교적 큰 여유 공간(Clearance area)을 필요로 하는 안테나. 이러한 안테나로는 단극(Monopole) 안테나와 역F형 안테나를 들 수 있다. 

* 접지면과 결합되고 안테나 하단에 비교적 작은 여유 공간을 필요로 하거나 또는 여유 공간을 아예 필요로 하지 않는 안테나. 

두 가지 유형의 안테나 모두 여유 공간이나 접지 플레인, PCB 크기에 있어서 특정한 공간적 요건을 충족시켜야 한다. 따라서 IoT 설계에서 RF 기능에 필요한 공간을 계산할 때는 여유 공간을 고려해야 한다. 이 영역에는 어떤 부품이나 트레이스를 배치하지 말아야 한다. 즉, 설계자가 IoT 기기에 필요한 공간을 계산할 때, 안테나를 위한 PCB 크기뿐 아니라 필요한 여유 공간과 하우징으로부터 안테나를 떨어트려야 하는 간격까지 고려해야 한다.

IoT 설계를 코인 셀 전지 크기로 만들기 위해서는 안테나 효율을 절충해야 할 때도 있다. 크기를 작게 하면 할수록 RF 성능과 관련한 효율은 떨어질 수밖에 없다. 크기가 10mm² 미만인 디바이스는 휴대폰에 사용 했을 때 대략 10m의 블루투스 커넥티비티를 제공할 수 있다. 이 정도면 대부분의 개인용 IoT 기기에서 적당한 수준이다.

그런데 이 치수가 20mm²에 가까워지면 RF 효율은 크게 향상돼, 휴대폰으로 최대 20~40m까지도 커넥티비티 구현이 가능하다. 크기가 40mm²라면, 최대의 효율로 최대의 성능을 달성할 수 있다. 블루투스 4.2 규격일 경우에는 동일한 두 기기 간에 최대 60~400m까지도 가능할 수 있다.

지그비 같은 802.15.4 프로토콜을 사용하면 가시 거리(Line-of-sight)로 500m 이상의 거리도 연결할 수 있다. 따라서 애플리케이션의 필요에 따라서 안테나 성능이나 효율과 PCB 크기의 관계를 잘 고려해야 한다. 대부분의 칩 안테나는 PCB 접지면을 안테나 구성의 일부로 사용하기 때문이다. 또한 디자인 내에서 안테나/모듈의 위치도 중요하기 때문에 설계자는 여유 공간이나 접지 등을 잘 고려해, 설계 내에서 최적의 위치를 결정해야 한다.

외장 안테나 사용 시 장단점
설계 과정에서 블루기가(Bluegiga) 모듈에 관한 통계에 따르면, 거의 50%에 이르는 IoT 고객들이 다양한 안테나 패키징 옵션 중에서 외장 안테나 사용을 검토하고 있다. 외장 안테나는 UFI 커넥터 등을 통해서 하우징에 통합할 수 있는 안테나를 말한다. 하지만 이 중 10%만이 외장 안테나를 채택하고, 90%의 고객들은 칩 안테나를 내장한 모듈을 선택한다. 

왜 엔지니어들은 자신의 설계에 외장 안테나를 널리 사용하지 않는 것일까? 여기에는 크게 두 가지 이유가 있다. 첫째, 외장 안테나는 미관상 좋은 디자인을 구현하기가 어렵다. IoT 기기를 떨어트렸을 때 안테나가 부러지기도 쉽다. BoM과 어셈블리 비용도 크게 늘어난다. 또한 칩 안테나 기반으로 잘 설계된 RF 디자인과 UFI 안테나 커넥터를 통해서 연결하는 외장 안테나를 탑재한 RF 디자인을 비교했을 때, 외장 안테나를 사용한 쪽이 효율면에서 특별히 더 유리하지 않다. 

외장 안테나 사용이 유리할 경우는 디바이스 하우징이 금속으로 만들어져, ‘패러데이 새장(Faraday cage)’을 형성함으로써 RF 신호가 디바이스 안으로 들어가기가 어려운 경우다. 또한 최대의 성능이 절대적으로 필요하거나 어셈블리 비용이나 심미성이 떨어지는 기계적 디자인을 감당할 수 있는 경우에도 외장 안테나를 사용할 수 있다.

하우징
안테나를 사용하는 IoT 기기를 설계할 때는 기계적 디자인과 하우징에 따라서 안테나 디튜닝을 방지할 수도 있고 일으킬 수도 있다. 안테나로부터 방출되는 RF 복사는 주변 소재의 영향을 받는다. 안테나가 금속이나 플라스틱에 닿으면 디튜닝이 발생할 수 있으므로 안테나가 하우징의 플라스틱 또는 금속 소재와 닿지 않도록 떨어트려야 한다. 이 때, 안테나 유형마다 디튜닝에 대한 민감도가 크게 다를 수 있다. 일반적으로 단극 안테나는 접지면 결합 안테나보다 좀더 민감한 편이다.

실리콘랩스의 SiP 모듈은 특별한 패키징 방법으로 디튜닝 문제를 해결한다. 안테나를 서브스트레이트 내에 매립함으로써 인접한 플라스틱 하우징과의 접촉을 차단하는 것이다. 따라서 이 SiP 모듈은 설계 상 어디에나 자유롭게 배치할 수 있어, 디바이스 크기를 줄이기가 훨씬 더 용이하다.

SiP의 이점
실리콘랩스는 IoT SoC에서의 전문성과 최근 인수한 블루기가의 안테나 설계 경험을 바탕으로 SoC 모듈의 장점과 극소형 풋프린트를 결합한 SiP 모듈을 제공하고 있다. 이 SiP 모듈의 안테나 이격 영역을 포함한 전체 풋프린트는 50mm²를 조금 넘는다. 따라서 남는 공간에는 또 다른 부품을 탑재할 수도 있다.

실리콘랩스의 BGM12x SiP 모듈은 저전력 블루투스용으로 적합하도록 설계 면적을 최소화할 수 있게 설계됐다. 6.5x6.5mm 크기에 ARM 코어텍스-M4F 코어 기반 MCU와 플래시, RAM, 안테나, 5.0x3.0mm의 작은 여유 공간을 포함한 솔루션을 제공한다. 또한 이 SiP 모듈은 필요한 모든 수동 소자를 통합하고 있어, 설계자가 레이아웃 지침을 따른다면 모든 RF 관련 문제를 피할 수 있으며, 스포츠나 피트니스 기기 등의 웨어러블과 홈 오토메이션 시스템에 적용할 수 있다.

다음은 SiP 모듈을 사용한 설계시의 유의사항이다.

* 프로토콜 업데이트와 유지보수를 위해서는 무선 SoC와 플래시 아키텍처에 기반한 SiP 모듈을 사용한다.
* PCB 이격 영역을 적게 요구하는 고도로 통합적인 소형 SiP 모듈을 사용한다.
* 하우징과 근접하더라도 디튜닝을 발생시키지 않는 안테나를 내장한 SiP 모듈을 사용한다.
* 레이아웃 가이드라인을 철저히 따른다. 여유 공간의 크기, SiP 모듈 위치 선정, PCB 가장자리로부터의 간격에 주의를 기울인다.

이 네가지 원칙들만 잘 따른다면 극히 소형화된 IoT 기기를 성공적으로 설계할 수 있을 것이다.

글: 톰 노드만(Tom Nordman), 파시 라히칼라(Pasi Rahikkala)
제공: 실리콘랩스(Silicon Labs)

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양대규 기자  yangdae@epnc.co.kr

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