Power Management
자료 제공: 페어차일드 / www.fairchildsemi.com/kr
스마트폰을 보다 오래 동안 사용하기 위해서 이러한 단말기의 사용 시간을 연장하기 위해 필요한 것은 무엇일까? 그리고 사용자들은 보다 작고 얇으면서 맵시 있는 단말기를 요구하고 있기 때문에 보다 큰 배터리를 사용하는 것은 선택사항이 아니다. 설계 엔지니어들은 전력관리 성능을 향상시킬 수 있는 방법들을 끊임없이 찾고 있으며, 이러한 조정이 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 3가지 영역에 집중하고 있다. 단말기에서 가장 많은 전력을 소모하는 베이스밴드 프로세서와 RF 트랜시버 이외의 3가지 영역은 전력증폭기(PA, power amplifier), 디스플레이, 애플리케이션/그래픽 프로세서이다. 이 3가지 영역이 왜 핵심인가?
배터리가 떨어지거나 끊임없이 재충전해야 하는 것 중에서 어느 것이 더 짜증스러운가? 사람들이 하루 24시간, 일주일 내내 연결되어 있는 오늘날의 세계에 이동통신 단말기, 특히 스마트폰이 전세계적으로 급속히 확산되면서 소비자들이 충분한 음성통화, 이메일, 문자 메시지, 웹 서핑 등을 할 수 있을 것 같지는 않다. 이동단말기에서의 이러한 모든 활동들은 배터리 수명을 소모시키며, 이러한 끊임없는 사용으로 인해 전화는 매우 빠르게 배터리 전력 표시기에 두려운 1개의 막대만을 남기게 된다.
스마트폰을 보다 오래 동안 사용하기 위해서 이러한 단말기의 사용 시간을 연장하기 위해 필요한 것은 무엇일까? 그리고 사용자들은 보다 작고 얇으면서 맵시 있는 단말기를 요구하고 있기 때문에 보다 큰 배터리를 사용하는 것은 선택사항이 아니다. 설계 엔지니어들은 전력관리 성능을 향상시킬 수 있는 방법들을 끊임없이 찾고 있으며, 이러한 조정이 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 3가지 영역에 집중하고 있다. 단말기에서 가장 많은 전력을 소모하는 베이스밴드 프로세서와 RF 트랜시버 이외의 3가지 영역은 전력증폭기(PA, power amplifier), 디스플레이, 애플리케이션/그래픽 프로세서이다. 이 3가지 영역이 왜 핵심인가? 최근에 사람들은 통화와 인터넷 서핑을 동시에 하며, 이것을 할 때 디스플레이 역시 일반적으로 켜져 있으며, 또한 PA는 기지국으로 음성 통화와 데이터를 전송하기 위해서 끊임없이 온 상태를 유지해야 하며, 마지막으로 당신이 비디오를 시청하거나 다른 애플리케이션을 실행하기 위한 웹사이트를 띄울 수 있도록 하기 위해서 애플리케이션 프로세서도 동작하고 있어야 한다.
바이패스 모드 제공하는 FAN5902
3G 네트워크용 PA는 수신 상태가 불량할 경우에 많은 전력을 소모하는데 3G 신호 충실도를 보장하기 위한 선형성 요구사항을 유지하면서 기지국에 연결하기 위해서 보다 높은 출력 전력이 필요하기 때문이다. 3G PA는 출력 전력 수준에 따라 전류를 소모하며, 이것이 높을수록 보다 많은 전류가 배터리로부터 소모된다. 데이터를 전송하기 위해서는 보다 높은 출력 전력이 필요하며, 따라서 보다 많은 전류를 소모한다. PA 전류 소모를 줄이는 데 사용되는 2가지 새로운 기법이 있다: DC-DC 컨버터와 포락선 추적(envelope tracking). DC-DC 컨버터가 스마트폰에 점점 더 많이 사용되고 있으며, 이것은 필요한 출력 전력 수준을 충족시키면서 소비되는 전류의 양을 최소화시킬 수 있는 수준으로 3G PA를 위한 공급전압을 낮춤으로써 동작한다. 이와 같은 솔루션을 실현하는 것은 2배의 이익을 제공한다-보다 긴 통화/데이터 사용시간과 보다 낮은 열 발생. 페어차일드 반도체의 바이패스 모드를 제공하는 FAN5902 800mA 6MHz 스텝-다운 DC-DC 컨버터는 3G PA를 위해 특별히 설계되어 전력소모를 낮추면서 연결 시간 성능을 연장시킬 수 있다.
그림 1. WCDMA 신호 변조 및 1000mAh 리튬-이온 배터리 조건 하에서 FAN5902를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 3G PA의 통화 시간 분석. 전력 분배 기능은 DG09이며, GSAM의 화이트 페이퍼 "배터리 수명 측정 기법, v4.7(Battery Life Measurement Technique, v4.7)"에서 확인할 수 있다.
FAN5902은 전류 소모를 낮추기 위해서 베이스밴드 프로세서와 3G PA 모두와 함께 연동된다. 베이스밴드 프로세서는 이것이 기지국으로부터 수신하는 정보에 기반을 두어 PA의 출력 전력 수준을 설정하고 다음으로 이것을 FAN5902를 위한 공급전압과 PA에 대한 출력으로 전환한다.
PA의 공급전압과 전류를 동적으로 조정함으로써 FAN5902은 이동단말기의 통화 및 데이터 사용 시간을 최소 15%까지 연장시킬 수 있다. 독립형 3G PA와 FAN5902에 의해 지원되는 3G PA 사이의 DG09 전력 분배 기능 하의 성능을 나타낸 그림 1을 참조하라. 표 1은 다양한 조건 하에서의 성능을 요약한 것이다.
표 1. FAN5902를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 3G PA의 통화 시간을 다양한 조건 하에서 비교
통화 시간을 연장하는 것뿐만 아니라 DC-DC 컨버터 지원 솔루션은 열 발산 역시 낮출 수 있도록 해주어 단말기 또는 USB 동글/데이터 카드가 뜨거워지지 않도록 해준다. 아래 그림 2는 FAN 5902를 사용했을 때와 사용하지 않았을 때의 3G PA의 온도 프로파일을 나타내고 있다.
디스플레이는 PA 다음으로 많은 전력을 소비하며, 사용자가 연락처 정보를 찾거나 웹 서핑을 하거나 이메일을 읽거나 모바일TV/ YouTube짋 비디오를 시청하거나 그에 상관없이 항상 온 상태이기 때문이다. 현재 지배적인 디스플레이 기술은 TFT LCD 디스플레이이며, 백라이트로 백색 LED를 사용한다.
그림 2. POUT = 28dBm 조건에서 3G PA의 온도 프로파일: (a) VPA = 2.97V 조건에서 FAN5902를 사용한 경우, (b) VBAT = 3.70V 조건에서 PA만 사용한 경우, (c) VBAT = 4.20V 조건에서 배터리를 충전 하는 동안 PA만 사용한 경우
LCD 디스플레이가 대형화되고 있는 추세이며, 이것은 보다 많은 백색 LED가 효율적으로 디스플레이에 백라이트를 제공해야만 한다는 것을 의미하며, 다시 말해 보다 많은 전력이 디스플레이 자체뿐만 아니라 LED에 전력을 공급하는 데 필요하다는 것을 의미한다. 하이-엔드 피처폰과 스마트폰에 DBC(dynamic backlight control)와 ALC(auto luminous control)를 함께 사용하여 전류소모를 최소화시키는 동시에 사용자의 시각적 경험을 강화할 수 있다.
ALC는 주변 광 센서를 사용해야 하는 데 환경의 빛의 양을 감지한 다음 LED 드라이버 또는 애플리케이션 프로세서에 프로그램된 알고리즘에 기반을 두어 LED 전류를 설정하기 때문이다. 따라서 조명 조건에 따라 어둠 속에서는 LED 전류가 낮게 설정되고 직사광선 아래에서는 LED 전류가 극대화된다.
그림 3. (a) ALC와 DBC를 사용하지 않는 디스플레이. (b) ALC와 DBC를 사용하는 디스플레이
DBC는 디스플레이의 이미지/비디오 컨텐츠에 따라 LED 전류를 조정하는 기법이기 때문에 상대적으로 어두운 컨텐츠를 가진 비디오의 장면은 상대적으로 밝은 장면보다 낮은 LED 전류를 소비하게 된다. DBC는 그래픽 프로세서 또는 LCD 드라이버 IC의 PWM(pulse width modulation) 신호에 따라 전류를 프로그램하며, 디스플레이되고 있는 비디오 컨텐츠와 함께 끊임없이 변화한다. 그림 3a는 주변 광 수준(왼쪽 그래프)과 상응하는 LED 전류를 나타내기 위해서 페어차일드에서 사용하고 있는 소프트웨어 프로그램의 스크린 캡쳐 기능을 통해 동작하고 있는 ALC와 DBC를 나타낸 것이다. 이것을 적절하게 설명할 수는 없지만, DBC는 외부 PWM을 위한 "청색 막대"를 통해 활성화되었다는 것을 알 수 있으며, 정적인 PWM 수준이 이미지 또는 비디오 컨텐츠에 따라 높아지거나 낮아지게 된다. ALC와 DBC를 시연하는 페어차일드의 평가 키트 사진을 그림 3b에 나타내었다.
그림 4. ALC와 DBC를 구현한 FAN5702의 시스템 블록 다이어그램
ALC와 DBC 모두 지원
I2C 인터페이스를 제공하는 페어차일드의 FAN5702 180mA 충전 펌프 LED 드라이버는 ALC와 DBC를 모두 지원할 수 있도록 설정될 수 있다. 주변 광 센서는 애플리케이션 또는 베이스밴드 프로세서에 연결되며, 입력을 확보하여 알맞은 LED 외부 조명 조건들에 대한 알고리즘에 기반을 두어 전류 수준을 결정한다.
다음으로 이 데이터는 I2C 인터페이스를 통해 FAN5702으로 전달되어 LED 전류를 설정한다. FAN5702의 PWM/EN 핀은 PWM 동작을 위해 프로그램되며, 결과적으로 LCD 드라이버 IC에 연결되어 디스플레이의 이미지/비디오 컨텐츠에 따라 PWM 신호를 FAN5702에 전달한다. 그림 4는 ALC와 DBC를 모두 사용하는 FAN5702의 시스템 블록 다이어그램이다. 이동단말기의 디스플레이를 위해 ALC와 DBC를 적용함으로써 전력소모를 최대 50%까지 절감할 수 있다.
상당한 전력소모가 발생하는 세 번째 영역은 애플리케이션 또는 그래픽 프로세서이며; 디스플레이가 온 상태이면 이 칩셋은 전속력으로 동작하고 있을 것이다. 하지만, 이 프로세서가 항상 완전 성능으로 동작하는 것은 아니다. DVS(dynamic voltage scaling)라고 하는 기법은 칩셋이 상대적으로 낮은 전력 수준으로 동작할 때를 이용한다. 이것은 공급전압을 상대적으로 낮은 코어 전압으로 낮출 수 있고 칩셋이 감소된 클록 주파수로 동작할 수 있게 해주어 상대적으로 낮은 전류소모 특성을 달성할 수 있도록 해주기 때문에 이동단말기와 기타 휴대형 전자기기에 이상적인 솔루션이다. 이것을 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다:
p ┃ fV2
여기서 전력 (P)는 코어 전압 (V)의 제곱과 클록 주파수 ( f)의 곱에 비례한다. 그러므로 프로세서 클록 주파수가 빠를수록 전력소모는 높아진다. 하지만, 코어 전압이 낮아지면 전력소모는 이차적으로 감소한다.
애플리케이션 프로세서는 최적의 전력 변환을 위해 I2C 인터페이스를 제공하는 FAN5365 6MHz 800mA/1A 스텝-다운 DC-DC 컨버터를 통해 전력을 제공 받을 수 있다. I2C 인터페이스는 칩셋의 처리 성능 요구사항들을 충족시키기 위해서 12.5mV 단계로 0.75V에서 1.975V까지 전압을 동적으로 프로그램하는데 사용된다. FAN5365는 웹사이트에서 비디오를 시청할 때 최대 처리 성능을 지원하기 위해 1.2V의 코어 전압을 애플리케이션 프로세서에 공급할 수 있지만, 시청이 끝나면 상대적으로 낮은 수준의 동작을 위해 0.8V로 낮아진다.
간단하면서도 복잡한 기법을 모두 사용하여 이동단말기와 특수한 스마트폰의 전체 전력관리 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 방법들이 있다. 이동단말기의 PA, 디스플레이, 프로세서 코어를 위해 이러한 전력관리 솔루션 중 하나 또는 3가지 모두를 구현함으로써 설계자들은 상당한 전력을 절감하여 동작 시간을 연장시킬 수 있다. 이 모든 것은 사용자를 행복하게 하기 위해서 실행해야 한다는 것을 유념해야 하는 데 반드시 주의해야 할 것은 단말기가 중요한 시간에 배터리 전력을 잃지 않게 하면서 사용자가 단말기를 빈번하게 재충전하지 않도록 해야 한다는 것이기 때문이다.
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