글. 제이콥 닐센 (Jakob Nielsen), 온세미컨덕터 (www.onsemi.com)
초 저전력이라는 단어는 반도체 산업 내에서 자주 통용되지만 특히 블루투스(Bluetooth®) 저 에너지로 구동되는 무선 시스템 온 칩(SoC) 을 언급할 때에는 특히 더 중요한 기술이다. 그러나 무선 SoC 기능과 대상 애플리케이션의 요구 사항에 따라 이 “초 저전력”에 필요한 사항은 항상 명확하지도 않으며 적용 가능한 것도 아니다.
그렇다면 블루투스 저 에너지 기술 기반 기기를 진정한 저전력으로 구동하기 위해서 시스템 레벨의 설계자들은 어떤 기능을 찾아야 하는가?
IoT 엣지 노드 소자 또는 “커넥티드” 헬스 및 웰니스 애플리케이션의 경우, 블루투스 저 에너지 무선 SoC 간의 시스템 전력 소비 수준을 비교할 때 설계자들은 적어도 다음의 변수들을 고려해야만 한다:
- 전력 변환. 대부분의 블루투스 저 에너지 무선 SoC는 다른 배터리들의 요구 사항을 충족시키기 위해 넓은 입력 전압 레벨에서 작동한다. 그러나 배터리 전압은 대부분 블루투스 저에너지 RF 경로의 작동 전압뿐만 아니라 온칩 플래시, 프로세싱 코어 및 메모리의 작동 전압과 다른 경우가 많다. 그러므로 효과적인 “온 칩” 전력 변환은 최소한의 전력 소비를 위해 매우 중요하다.
- 작동 사이클링. 착류 (Rx) 및 전달 전류 (Tx)는 전력 예산을 감안할 때 확실히 중요하다. 그러나, 대부분 블루투스 저 에너지 애플리케이션의 모순은 실제로 아무것도 하지 않는 시간대에서 발생한다. 데이터의 샘플링, 전송 및 수신은 대게 매우 낮은 데이터 속도에서 발생하므로 종종 기기의 절전 전류가 애플리케이션의 전체 전력 예산에서 주요 요소로 여겨지곤 한다.
빠르게 발전하는 IoT 및 “커넥티드” 헬스 및 웰니스 애플리케이션의 필요에 부응하기 위해 온세미컨덕터는 최근 업계 최저 전력을 제공하는 멀티-프로토콜 Bluetooth®5 인증 무선 SoC인 RSL10을 선보였다.
RSL10의 경우 일반적으로 배터리로 작동하는 애플리케이션 (예: 1.5V AAA 배터리, 3V 2032 코인 셀, 1.25V 10A ZnAir 배터리를 사용하는 기기)과 정상 작동 시 처리량이 상대적으로 낮은 애플리케이션에서 “초 저전력” 특성이 시작된다.
RSL10의 블루투스 저 에너지 RF 경로는 1.1V 에서 “기본적으로” 작동한다. 그러나 1.1V 에서 3.6V까지의 배터리 전압을 확실히 수용하도록 하기 위해 이 칩은 효과적인 “온 칩” DC/DC 변환뿐만 아니라 적절한 전압으로 시스템의 다른 부분에 전력을 공급하는 정류 기능도 제공한다.
예를 들어 여러 의료용 및 무선 센싱 IoT 애플리케이션에 사용되는 3V 2032 코인 셀로 이 칩이 작동되는 경우 다음과 같은 절전 모드 전류를 얻을 수 있다:
- 외부 핀으로부터의 웨이크 업을 가지는 25 nA
- 외부 핀 또는 내부 타이머의 웨이크 업을 가지는 40nA
- 외부 핀 또는 내부 타이머로부터의 웨이크 업을 가지는 100nA 및 8Kb RAM 유지
대부분의 대체용 블루투스 저 에너지 무선 SoC는 유사한 모드를 유지하기 위해 2~3배의 전류를 필요로 한다.
또한 RSL10은 Rx 모드에서 3.4Ma, Tx 모드에서 4.6Ma를 소비하는데 두 경우 모두 새로운 블루투스 5 표준에 의해 설정된 2Mbps 데이터 속도를 사용해 가능하다.
그렇다면 과연 개발자들이 애플리케이션의 작동 사이클링에 대한 지식을 기반으로 배터리 수명 시간을 계산해야 할 실제 시나리오에서 어떻게 이 수치들이 적용될 수 있을까?
원격 감지 애플리케이션이 작동 수명의 2초마다 한 번씩 활성 블루투스 저 에너지 송신 부하 사이클에 있는 경우가 아래 이미지에 예시되어 있다. 여기에서 보듯이 애플리케이션의 잔여 시간은 전력 모드 (외부 핀에서 웨이크-업)에 있거나 혹은 데이터를 전송/수신하지 않는다.
24 바이트 페이로드 (송신 전력 0dBm)의 완전한 애드버타이징 이벤트 (advertising event)의 경우는, RSL10은 7밀리 초 동안 약 700Ua를 소비하게 된다. 이 스펙을 이용하면 블루투스 저 에너지 전력 소비를 배터리 사용 능력에 맞도록 쉽게 연결할 수 있다.
온세미컨덕터는 미국 캘리포니아주 산타클라라에서 열린 Internet of Things World의 부스(#931)에서 RSL10의 실제 전력 소비의 장점들에 대한 시연을 한 바 있다.
RSL10에 대한 더 자세한 내용은 아래 RSL10 개요 비디오를 확인하면 된다.
