[테크월드=선연수 기자]
스마트 스피커에 음성인식 인공지능(AI)과 고품질 프리미엄 사운드의 첨단 기능이 도입되면서 주거 환경의 질이 향상되고 있다. 스마트 스피커와 스마트 디스플레이는 비디오 도어벨, 조명 시스템, 온도조절기, 보안 시스템과 같은 다양한 홈오토메이션 디바이스들과 연동되면서, 스마트 홈네트워크의 제어 허브로서 빠르게 자리 잡고 있다.
크기는 더 작게, 기능은 더 많이
변화하는 시장에 뒤처지지 않고 경쟁에 앞서기 위해, 엔지니어들은 스마트 스피커의 크기와 발열은 줄이고 성능은 향상시키고자 골몰한다. 공간이 제약적인 애플리케이션의 보드 공간을 최소화하려면, 우수한 성능을 더 작은 패키지에 높은 효율로 제공하는 반도체 기기를 요구하게 된다.
스마트 스피커의 회로 보드는 오디오 시스템 온 칩(SoC, System on chip), 촉각 피드백 기반의 정전식 터치 휴먼 인터페이스 컨트롤러, LED 드라이버 엔진, Class-D 오디오 증폭기 등과 같이 사용자 경험에 직접적인 영향을 주는 핵심 부품들로 이뤄진다. 전원 관리 부품이 사용자 경험에 직접적인 영향을 주진 않는다. 그러나 시스템 작동을 위한 필수적인 요소로서 제품의 크기, 비용과 결부돼, 부품의 크기는 최소화하고 성능은 극대화하는 것이 중요해졌다.
스마트 스피커의 회로 보호
[그림 1]은 입력 전원 보호 회로를 나타낸다. 입력 보호는 스마트 스피커가 전원이 켜진 상태이거나 불안정한 전원에 연결됐을 때 전체 시스템을 보호해주는 중요한 회로다. 스마트 스피커는 외부 AC/DC 월 어댑터나 내부 스위치드 모드 전원 장치를 통해 구동된다. 이 회로는 결함 조건이 발생했을 때 하위 장치의 손상을 방지한다.
입력 전원에 관해 주로 고려해야 할 사항 중 하나는 비정상적으로 높은 전압이나 전류가 걸리는 상황이다. TI는 과전류 보호(OCP, Over Current Protection)와 과전압 보호(OVP, Over-Voltage Protection)를 위한 통합 솔루션과 개별 솔루션 모두를 제공한다.
과전류 보호를 위한 ADC 시스템
eFuse 기기는 결함이 발생하면, 전력 MOSFET을 사용해 하위 회로들을 차단함으로써 과전류·과전압 보호 기능을 제공한다. 또한, 스타트업 시 돌입 전류를 관리해 시스템 전압이 적절한 통제 속에서 상승할 수 있도록 한다. TI의 TPS2595는 18V/4A에 이르기까지 이와 같은 보호 기능을 제공하며, 이는 2×2mm 패키지로 제공된다.
과전류 보호를 위해서는 션트 저항 상의 전류를 측정하는 INA185와 같은 전류 검출 증폭기를 개별적으로 도입하는 것이 일반적이다. INA185의 출력은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 전달돼 측정 가치를 디지털화하거나, 비교기로 전달돼 마이크로컨트롤러로 즉시 통보된다. ADC 경로는 시스템으로 흐르는 전류를 정밀하게 측정할 수 있으나, ADC의 샘플링 주파수로 인해 지연시간이 발생한다. 비교기 경로는 더욱 적은 전력을 소비하면서도 약 1000배 더 빠른 속도를 제공하지만, 전류의 실제 값이 아닌 과전류를 지시하는 디지털 출력만을 제공한다.
ADC는 전류를 정밀하게 측정하고, 한계치 변경이 유동적으로 이뤄져야 하는 시스템에 적합하다. INA185는 ±0.2% 이내의 풀스케일 정확도를 제공하는 리드형 패키지의 초소형 전류 검출 증폭기다. 크기가 1.6×1.6mm에 불과한 이 기기는 보드 레이아웃을 최소화해야 하는 공간 제약적 시스템에 적합하다.
스마트 디스플레이 회로 보호
증폭기와 비교기 결합을 통한 과전류 보호
스마트 디스플레이는 시스템 전압이 18V 이상이기 때문에 더 빠른 과전류 보호 경고 조치가 필요하다. 이런 시스템에는 통합 eFuse 기기가 적합하지 않을 수 있다. 하지만 전류 검출 증폭기에 비교기를 결합하는 방법을 통해, 보드 공간을 최소화하면서도 동일한 기능을 유연성 높게 제공할 수 있다. 지연시간이 나노초 대인 TI의 비교기 TLV4041은 2㎂의 전원 전류만을 소모하며 간단한 제너 다이오드를 사용해 차단할 수 있다. INA185와 TLV4041을 결합한 솔루션은 5㎟의 크기로, 경쟁 기기 대비 응답 시간이 최대 50배 빠르다.
INA185 같은 증폭기에 빠른 비교기를 결합하면 시스템 전류가 사용자가 지정한 한계치를 초과했을 때 빠르고 정밀하게 과전류 보호 기능을 제공할 수 있다. 시스템의 필요에 따라 이 한계치를 수 밀리암페어부터 수 암페어까지 설정할 수 있다. TLV4041은 정밀(1% 온도 범위) 레퍼런스를 통합함으로써 전류 수준에 상관없이 정밀하게 감지를 할 수 있으며, 면적은 0.73×0.73mm에 불과하다.
[그림 2]의 개별 솔루션은 추가적인 온보드 레귤레이터가 필요 없어 보드 공간이 절약돼, 저·고전압 스마트 스피커 시스템에 적합하다. 동일한 회로를 여러 전압대의 다양한 스피커 모델에 활용할 수 있어, 개발의 복잡성을 덜어준다.
INA185(2.56㎟)와 TLV4041(0.533㎟)을 결합한 솔루션은 필요한 수동 소자들을 모두 포함해도 약 5㎟의 보드 공간만을 차지한다. 동일한 전류 검출 성능을 나타내는 경쟁 기기 대비 15% 더 작으며, 지연시간은 450ns에 불과해 범용 비교기에 전류 검출 증폭기를 사용한 것보다 훨씬 빠른 속도를 달성한다.
글: TI 제품 마케팅 엔지니어 아디트야 쿠루디(Aditya Kuroodi)
자료제공: 텍사스 인스트루먼트
이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2019년 11월 호에 게재된 기사입니다.
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