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키네티스 MCU는 업계 최신의 저전력 공정 기술, 개별 애플리케이션에 최적화할 수 있는 다양한 저전력 작동 모드, 풍부한 저전력 지원 인간 대 기계 인터페이스 주변기기, 포괄적인 지원 제품군을 통해 이에 대응할 수 있는 최적의 입지를 갖추고 있다.
글: 파울로 크니르슈(Paulo Knirsch), 도니 가르시아(Donnie Garcia), 프리스케일 반도체 MCU 시스템 엔지니어링,
대니 바슬러(Danny Basler), 프리스케일 반도체 MCU 제품 마케팅
프리스케일 / www.freescale.com
키네티스(Kinetis) ARM Cortex-M4 마이크로 컨트롤러와 함께 약진하는 프리스케일의 저전력 기술이러한 노력의 가장 최근 수혜자는 ARM Cortex-M4 마이크로 컨트롤러의 새로운 키네티스 라인이다. 2010년 제4분기에 샘플 공급이 시작된 키네티스는 새로운 ARM Cortex-M4 코어를 기반으로 하는 최초의 브로드 마켓 복합 신호 MCU 제품군이며, 업계에서 가장 확장성이 뛰어난 ARM Cortex-M4 MCU 솔루션 중 하나이다.
초소형 설치 면적의 QFN 패키지 50MHz, 32KB 플래시 디바이스에서 플래시 메모리 1MB 및 산업용 중심의 주변기기 세트를 갖춘 150MHz 디바이스에 이르는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 호환 MCU 제품군이 탁월한 성능과 메모리 및 기능 확장성을 제공한다.
저전력은 키네티스 MCU 설계에서 주도적인 목표였다. 이는 프리스케일의 최신 90nm SG-TFS(Split Gate Thin Film Storage) 공정 기술 적용과, 다양한 절전 기능을 지원하는 광범위한 범용 및 애플리케이션 전용 주변기기에 반영되어 있다.
혁신적인 저전력 공정 기술
공정 기술은 모든 반도체 제품의 기본적인 빌딩 블록이며, MCU의 소비 전력을 결정짓는 핵심적인 요소이다. 키네티스 MCU는 극히 빠른 액세스 시간과 전하 손실에 대해 높은 내성을 제공할 뿐 더러 전력에 민감한 애플리케이션의 요구조건을 만족할 수 있도록 특별히 고안된 프리스케일의 SG-TFS 플래시 기술을 활용하는 최초의 솔루션이다.
프리스케일은 SG-TFS 비트 셀을 설계할 때 읽기 경로에 고속 저전압 트랜지스터를 활용하여 1.71V ~ 3.6V의 낮은 작동 전압을 달성했다. 1.5V 배터리 2개를 사용하는 애플리케이션의 경우, 일단 0.9V 정도에 도달하면 셀 수명이 급격히 저하된다. 이는 일반적으로 2V 이상으로 제한되는 기존 MCU에 비해 1.71V의 저전압 한계로 배터리 수명이 연장됨을 의미한다.
이와 같이 확장된 전압 범위는 플래시, SRAM, 프리스케일의 최신 플렉스메모리(구성 가능한 고내구성 EEPROM) 등과 같은 온칩 메모리뿐 아니라 아날로그 주변기기에도 적용되므로, 전력 곡선의 하단 측 에서도 지속적인 신호 측정 및 조절이 가능하다.
TFS의 전압 특성은 또한 저전압(일반적으로 1.2V)에서 작동하도록 신호의 고속 스위칭을 지원함으로써 신호의 작동 전류를 낮추는 데에도 기여한다. 작동 전류는 C*V^2*f에 비례하므로, V를 낮추는 것은 유효 전류의 플래시 구성요소에 크게 유익하다.
필수 전력 모드
대다수의 배터리 구동 애플리케이션에서 CPU는 대부분의 시간을 저전력 모드 또는 휴면 모드로 보내게 된다. 따라서 설계자들이 애플리케이션 요구에 따라 주변기기의 작동 시간과 복구 시간을 최적화하여 가용 에너지원을 최대한 끌어내도록 하려면, MCU가 전력 모드, 재가동 소스, 시동 시간의 적절한 조합을 제공하는 것이 필수적이다.
프리스케일은 이에 대응하여 키네티스 MCU에 열 가지에 달하는 저전력 실행, 대기, 정지 모드와 함께, 다양한 재가동 소스(그림 1 및 2 참조)를 갖추었다. 각각의 실행 모드에는 대응하는 대기 및 정지 모드가 함께 제공된다. 프리스케일은 또한 가장 까다로운 전력 한계도 만족할 수 있는 몇 가지 저누설 모드와 새로운 LLWU(저누설 재가동 장치)도 소개했다. 실행 모드로 작동할 때 CPU는 최대 속도로 코드를 실행하며 최저 200μA/MHz의 소비 전력을 달성할 수 있다.
최대 버스 주파수가 필요하지 않은 기간에는 VLPR(초저전력 작동) 모드를 활용할 수 있다. 이 모드는 주변기기 및 LVD(저전압 감지) 기능을 정상으로 유지하면서 CPU 주파수를 2MHz로 제한하고 내장 전압 조정기를 대기 모드로 변경한다. MCU의 성능, 메모리, 주변기기 구성에 따라 600μA ~ 1mA에 달하는 VLPR LDD를 적용하면 이 모드에서 상당한 전력 절감을 달성할 수 있다.
대기 모드와 VLPW(초저전력) 모드 또한 CPU가 정지되며 플래시 및 플렉스메모리 프로그래밍이 불가능해진다는 점을 제외하면 각각에 상응하는 실행 모드와 유사하다. 주변기기 인터럽트가 활성화된 상태라면 MCU가 대기 모드에서 빠져 나와 예약된 작업을 실행한 다음 신속하게 저전력 상태로 복귀할 수 있다. 이를 통해 활성 및 저전력 상태 사이를 빈번하게 전환하는 애플리케이션에서 평균 전력을 최소화할 수 있다. 버스 주파수에 따라 실행 모드 LDD의 30 ~ 60% 사이까지 절감이 가능하다.
다양한 정지 모드는 특정 로직 및/또는 메모리의 상태 보존과 일부 또는 전체 전력 차단 기능을 제공한다. 복구 시간 4μS의 최저전력 모드인 LLS(저누설 정지) 모드는 일반적으로 1.2μA ~ 7μA의 LDD 범위를 가지며 내부 로직에 공급되는 전압을 줄이고 사용되지 않는 회로에서 발생하는 누설을 최소화한다.
VLLS(초저누설 정지) 모드는 한 단계 더 나아가 내부 로직과 RAM 메모리(선택적)의 전원을 차단함으로써 사용되지 않는 회로에서 발생하는 누설을 방지한다.
각 VLLS 모드 사이의 차이점은 RAM의 보존 단계와 관련이 있다. VLLS3 모드에서는 모든 RAM이 보존되며, VLLS2 모드에서는 일부 RAM이 보존되고, VLLS1 모드에서는 RAM이 보존되지 않지만 주요 애플리케이션 데이터를 저장할 수 있는 32바이트 레지스터 파일이 제공된다.
키네티스 MCU의 핵심적인 저전력 구성요소는 모든 저누설 정지 모드에서 재가동 모니터의 역할을 하는 LLWU(저누설 재가동 장치)이다. LLWU는 최대 16개의 외부 입력 핀(하강 에지, 상승 에지 또는 모든 트랜지션으로 프로그래밍 가능)과 사용자가 재가동 이벤트로 구성할 수 있는 내부 주변기기를 최대 8개까지 지원한다.
최저전력 모드에서는 저전력 타이머, 실시간 클록, 아날로그 비교기, TSI(터치 센서 인터페이스) 등의 몇몇 재가동 소스와 몇 가지 핀 인터럽트를 사용할 수 있다. 재가동 입력을 사용하도록 설정한 경우 MCU가 LLS 모드 또는 VLLS 모드 중 하나에 진입하면 활성화된다. 클록이 유효 전력의 최대 40%까지 소비하므로, 키네티스 MCU는 모든 모듈에 프로그래밍 가능한 클록 게이트 기능이 적용되어 있다. 이 기능은 실행 및 대기 모드에서 동일한 수준의 성능과 기능을 유지하면서 사용되지 않는 주변기기 클록을 차단한다.
이는 키네티스 디바이스에서 제공하는 다수의 통신 모듈 및 타이머를 고려할 때 특히 중요한 기능이다. 또한 비활성 메모리 및 로직을 차단하는 파워 게이팅 또한 채택되어 누설 전류를 한층 더 줄일 수 있다.
키네티스 MCU에는 저전력 상태에서 지속적인 시스템 작동을 지원함으로써 추가적인 유연성을 제공하는 저전력 타이머가 포함되어 있다. 이 타이머는 범용 타이머로 사용하거나, 또는 온칩 비교기와 함께 비교기 출력 펄스를 측정하는 데 사용할 수 있다. 끝으로, LVD(저전압 감지) 장치는 두 가지 저전압 감지 트립 포인트와 각 트립 포인트당 네 가지의 경고 단계를 지원한다. 이 기능은 공급 전압에 변동이 있을 경우 초기화 또는 인터럽트를 발생시켜 메모리 내용과 MCU 시스템 상태를 보호하도록 구성할 수 있다.
저전력 터치 센서
모든 키네티스 MCU에는 프리스케일의 최신 Xtrinsic 터치 센서 기술이 포함되어 있다. Xtrinsic은 터치 작동식 버튼, 슬라이더 및 로터리 사용자 인터페이스의 구현을 통해 기존 기계식 푸시 버튼 스위치에 대한 현대적인 대안을 제시한다.
터치 센서 인터페이스는 심미적인 매력 이외에도 설계 유연성, 낮은 유지보수 필요성, 다양한 감도 수준 및 오버레이 표면을 지원하는 기능을 제공한다. 이러한 장점으로 인해 첨단 소형 가전을 넘어 일반 가전제품, 의료용 디바이스, 산업 제어 패널까지 도입이 확장되고 있다. TSI(터치 센서 입력) 모듈은 활성화된 경우 최소한의 전류 가산만으로 모든 저전력 모드에서 작동이 가능하다는 추가적인 장점을 제공한다. 따라서 이전까지 구현할 수 없었던 광범위한 배터리 구동 애플리케이션에 터치 센서 기술을 적용할 수 있는 길이 열렸다.
TSI 모듈 내에는 저전력 모드와 실행 모드에 별도의 스캔 간격을 적용하는 내부 정기 스캔 장치가 포함되어 있다. 사용자는 긴 스캔 간격을 설정하여 전력 소비를 최소화할 수 있다. 반대로 실행 모드에서는 빠른 터치 응답이 가능하도록 스캔 간격을 줄일 수 있다.
그림 3에 나온 것처럼 TSI 모듈에는 TSI 이벤트가 감지될 때까지 CPU가 휴면 모드를 유지하도록 최대 및 최저 정전용량 임계값을 프로그래밍할 수 있다. 터치가 일어나면 순간적인 전극 정전용량이 임계값으로 정의된 범위를 벗어남이 감지되며, 이어서 TSI 인터럽트가 발생되며 CPU가 신속하게 재가동된다. 터치 센서 입력의 처리가 완료되면 MCU는 저전력 상태로 자유롭게 복귀할 수 있다. TSI 모듈은 외부 구성부품 없이 전극당 하나의 핀을 사용하여 최대 16개의 전극/버튼을 지원하므로 시스템 비용을 절감할 수 있다.
또한 최저 0.02fF의 정전용량 측정 분해능을 제공하므로, 두꺼운 유리, 플라스틱, 플렉시 글래스 오버레이에 사용할 수 있다. 더구나 전극 샘플링 통합 및 오류 감지 하드웨어는 노이즈가 많은 산업 환경에서 중요한 고려 사항인 시스템 내구성을 높여준다.
몇 가지 애플리케이션의 경우 키패드, 로터리 및 슬라이더 사용자 인터페이스를 구현해야 한다. 프리스케일은 이를 지원할 수 있도록 CodeWarrior IDE(통합 개발 환경)과 완벽하게 호환되는 TSS(터치 센서 소프트웨어) 라이브러리를 제공한다.
TSS 라이브러리에 포함된 기능으로는 환경 문제를 방지하는 지능형 자동 캘리브레이션 메커니즘, 노이즈 제거 알고리즘, 어떤 전극 배열도 지원하는 최적화 버퍼 구조, 데모 및 애플리케이션 예제 일체가 함께 제공되는 전극 특성 분석용 PC GUI 애플리케이션 등이 있다.
저전력 세그먼트 LCD
세그먼트 LCD 디스플레이는 전력에 민감한 여러 애플리케이션에서 명령어 제공, 시스템 상태 모니터링, 작동/기능 진행 상태 표시 또는 결과 표시에 흔히 사용된다. 대부분의 시스템에서 LCD는 상태, 배터리 상태 또는 단순한 시간 정보를 표시할 수 있도록 저전력 모드에서도 항상 전원이 공급된다. 따라서 LCD에서 소비하는 전력이 배터리 사용 시간에 악영향을 주지 않도록 하는 것이 필수적이다.
키네티스 K30 및 K40 MCU 제품군에는 주로 저전력 시스템용으로 개발된 최대 320 세그먼트의 다양한 3V 및 5V LCD 패널을 지원하는 유연한 세그먼트 LCD 컨트롤러가 포함되어 있다. 이 MCU 제품군은 64KB에서 512KB의 플래시 사양을 제공한다. LCD 컨트롤러는 초저누설 정지 모드를 포함하여 모든 CPU 작동 모드에서 가동된다. 칩이 초기화 중인 경우를 제외하고, MCU 나머지 부분의 개입 없이 화면에 정보가 표시된다.
핵심적인 기능은 원하는 세그먼트를 1/8초, 1/4초, 1/2초, 1초, 2초, 4초, 8초 간격으로 켜고 끌 수 있는 점멸 작동 모드를 통해 디스플레이의 해당 부분에 주의를 끌거나 또는 단순히 50%의 오프 사이클 동안 소비 전력을 절감하는 기능이다. 점멸 기능 또한 LCD 모듈의 작은 일부분에서 실행되므로 CPU, 버스 또는 MCU의 나머지 부분을 재가동하지 않고 실행 가능하다.
공백 화면 점멸 기능은 모든 세그먼트를 끄며, 대체화면 점멸 기능은 구성 가능한 점멸 주기 동안 다른 디스플레이 데이터를 표시할 수 있다. 이 기능을 사용하면 그림 4에 나온 것처럼 저전력 모드에서 빠져 나오지 않고도 LCD 점멸이 가능하므로, 더 낮은 MCU 평균 소비 전력을 달성할 수 있다.
외부 구성부품 수의 최소화 또한 시스템 배터리 수명 연장에 기여하며, LCD 컨트롤러는 단 4개의 외부 콘덴서로 구성 가능한 전하 펌프를 통해 프런트플레인 및 백플레인 디스플레이 신호를 생성한다. LCD에 사용할 데이터 또한 LCD에 가장 가까운 위치 즉, 패드 셀에 보관된다. LCD 데이터가 칩 심층부의 레지스터에 위치하지 않으므로, 짧은 데이터 경로로 중앙 집중형 레지스터와 I/O 핀 사이의 로딩을 해결하는 데 필요한 드라이브가 제거되며, LCD 드라이버 전압 영역 내의 감소가 가능하다.
이러한 저전력 기능이 결합되면 수많은 가전, 산업, 무선 LCD 최종 제품의 가용 수명을 연장할 수 있다. LCD 컨트롤러의 추가적인 기능에는 비용이 많이 소요되는 하드웨어 재설계 없이 LCD 설계 변경이 가능하도록 소프트웨어를 통해 어떤 LCD 핀이든 프런트플레인 또는 백플레인으로 구성할 수 있는 기능과, 잘못된 디스플레이 판독을 방지하는 혁신적인 세그먼트 오류 감지 기능, 백플레인, 프런트플레인 또는 GPIO 기능을 지원하는 다목적 LCD 핀 등이 있다.
저전력 솔루션 지원
프리스케일은 키네티스 제품군을 통해 혁신적인 첨단 저전력 MCU 솔루션을 제공하고자 노력하고 있다. 이는 MCU 자체뿐 아니라 MCU를 지원하는 개발 툴과 설계 리소스에도 적용된다. 키네티스 MCU에는 포괄적인 애플리케이션 노트, 레퍼런스 디자인, 교육 자료 세트가 지원된다.
또한 혁신적인 전원 디버그 및 분석 툴이 통합된 IAR Systems Embedded Workbench IDE를 포함한 강력한 타사 툴 조합이 솔루션을 보완한다.
이러한 특징은 소프트웨어 개발자에게 소비 전력 면에서 프로그램의 실행 내용 중 핵심 이벤트를 매핑하고, 전력 프로파일에 적합하도록 소스 코드를 수정할 수 있는 역량을 제공한다.
오늘날 애플리케이션의 요구는 단순한 저전력을 넘어서고 있다. 저전력이 점점 더 많은 최종 제품에서 핵심 요구사항이 됨에 따라, 폭넓은 성능, 메모리, 주변기기 옵션 세트와 결합되어야 하는 일이 늘어나고 있다.
키네티스 MCU는 업계 최신의 저전력 공정 기술, 개별 애플리케이션에 최적화할 수 있는 다양한 저전력 작동 모드, 풍부한 저전력 지원 인간 대 기계 인터페이스 주변기기, 포괄적인 지원 제품군을 통해 이에 대응할 수 있는 최적의 입지를 갖추고 있다. Kinetis MCU에 대한 자세한 내용은 사이트(www.freescale.com/kinetis)에서 확인할 수 있다.
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