이 글에서는 작동 및 생산 과정에서 제품 설계를 더 효율적으로 하기 위해 온/오프 컨트롤러와 배터리 프레시니스 실(battery freshness seal)을 통합한 솔루션을 사용하는 방법에 대해 설명한다.

특히, 이 글에서는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 통합 온/오프 컨트롤러가 에너지 절약 기능, 보드 면적 최소화, 높은 ESD 등급 측면에서 어떠한 이점을 제공하는지에 대해 소개한다.

■ 전자 시스템의 에너지 효율 중요한 시대 도래

팬데믹으로 인해 온라인 자원에 크게 의존하는 하이브리드 구성의 도입이 빨라지면서 전자 시스템의 사용이 필수적으로 되었다.

이와 별개로, 2030년 유엔의 지속 가능성 의제로 인해 전자기기 제조회사들이 지속 가능성을 위한 노력을 강화해 나가는 것과 함께 전자 시스템의 에너지 효율 역시 더욱 중요해졌다.

이는 작동 중에는 물론이고 생산 과정에서도 에너지 효율을 높일 수 있는 솔루션의 필요성을 다시 한 번 강조한다.

■ 온/오프 컨트롤러를 활용한 에너지 효율 제고

자원의 효율적인 활용은 지속 가능성 목표를 달성하는 데 있어서 매우 중요하다.

이는 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 한 가지 간단한 방법은 불필요한 에너지 소비를 피하기 위해 사용하지 않을 때는 전자기기의 전원을 끄는 것이다.

또 다른 효과적인 방법은 효율적이고 신뢰성 높은 절전 메커니즘을 구현하여 제품 설계에 포함시키는 것이다.

온/오프 컨트롤러는 이러한 목표를 달성하는 데 있어 탁월한 역할을 하며, 특히 배터리 프레시니스 실(battery freshness seal) 기능을 할 수 있다.

이러한 컨트롤러는 사용하지 않을 때는 배터리로부터 전체 회로를 차단함으로써 배터리 수명을 연장하고 에너지를 절약하는 데 도움이 된다.

이는 제품의 보관 수명을 연장할 뿐 아니라, 대기 전력 소비를 줄임으로써 불필요한 배터리 방전을 최소화하여 에너지 낭비를 줄이는 데에도 기여한다.

이제부터는 이러한 컨트롤러가 작동 모드, 통합 기능 및 견고성 등을 통해 어떻게 에너지 절약에 기여하는지 살펴본다.

■ 대기 모드와 절전 모드를 통한 에너지 낭비 줄이기

소비가전 기기에서 흔히 겪는 문제 중 하나는 낮은 배터리 수준으로 인해 제품을 구매한 후 사용하기도 전에 배터리를 충전하거나 교체해야 한다는 점이다. 이는 비효율적인 에너지 자원 활용을 보여줄 뿐만 아니라, 사용자의 경험도 훼손한다.

이 문제를 해결하기 위해, 에너지 효율적인 배터리 구동 기기들은 저전력 손실 회로를 통합하거나 배터리 프레시니스 실을 사용한다.

배터리 프레시니스 실은 그림 1에서 볼 수 있듯이, 푸시 버튼을 누를 때와 같이 회로 활성화 신호가 인가되기 전까지 배터리를 연결된 회로들로부터 차단함으로써 배터리의 방전을 막는 온/오프 컨트롤러의 기능을 한다.

이 같은 회로 작동 방식은 흔히 ‘선적 모드(ship mode)’ 또는 ‘대기 모드(standby mode)’라고 하는데, 대기 모드는 보다 일반적인 용어이고, 선적 모드는 제품이 처음 사용되기 전 동안에 특별히 사용되는 용어다.

그러나 배터리 프레시니스 실을 사용하더라도, 배터리 방전은 계속 이루어져 시스템의 효율에 영향을 미칠 수 있다.

이 방전량은 회로의 대기 전력 소모 정도에 따라 다르다. 전력 소모가 최소화된 부품을 사용하면 이 문제를 해결할 수 있다.

예컨대 새롭게 출시된 MAX16169와 같이, 정격 대기 전류 소모량이 나노암페어 수준인 배터리 프레시니스 실을 탑재한 푸시 버튼 컨트롤러를 사용할 수 있다(그림 1).
 

푸시 버튼을 누르면 배터리가 부하에 연결된다.

예컨대 그림 1의 경우, 배터리는 마이크로컨트롤러(MCU), 보안 디지털(SD) 모듈, GPS 모듈 등에 연결된다.

또한 MAX16163/MAX16164에서 볼 수 있는 절전 모드(sleep mode) 기능을 활성화하면, 배터리 수명을 더욱 연장할 수 있다.

이 기능은 특정 시간 동안 주기적으로 시스템을 켜고 끄면, 시스템 내부의 디바이스들이 주기적으로 깨어나 작업을 완료한 다음 다시 절전 모드로 돌아가게 한다.

이 기능은 장치가 간헐적으로 작동하는 사물인터넷(IoT)과 같은 무선 모니터링 애플리케이션에서 특히 유용하다.

대기 모드 동안 전력 소비를 줄임으로써 전반적인 에너지 효율이 향상된다.

그림 2는 그림 1과 같이 배터리가 시스템에 연결될 때 일어나는 ACTIVE_STATE와 비교하여, 절전 모드 동안 전력 소비가 얼마나 감소하는지를 보여주는데, 이는 SLEEP_TIMER 상태로 표시된다.
 

■ 통합 솔루션의 자원 절약 성과

PCB 제조 분야에서 에너지를 절약하기 위한 모범 사례는 책임감 있는 자원 관리를 수반한다. 여기에는 전원공급장치에 부품을 더 적게 사용하고, 사용하는 부품은 더 작고 더 가벼운 것을 사용하는 자원 절약(dematerialization) 조치가 포함된다.

이는 여러 기능을 하나의 패키지로 통합함으로써 구현할 수 있으며, PCB에서 차지하는 면적을 줄여 결과적으로 최종 완제품 제조 시 에너지를 절약할 수 있다.

예를 들어 그림 3은 MAX16150과 MAX16169에는 부하 스위치와 푸시 버튼 디바운서(debouncer) 기능들이 통합되고, MAX16163/MAX164에는 추가 타이밍 기능이 포함되어 있는 모습을 보여준다.

MAX16150과 MAX16169도 이와 유사한 블록 다이어그램을 가지고 있다.
 

또한 그림 4는 통합 솔루션이 일반적으로 실시간 클럭, 부하 스위치 및 푸시 버튼 컨트롤러를 사용하는 딥 슬립 모드 및 선적 모드(ship mode)에 대한 기존 접근 방식을 어떻게 개선했는지를 보여준다.

MAX16163/MAX16164 통합 솔루션은 솔루션 크기를 60% 축소할 뿐만 아니라, 동일한 기능을 수행할 때 배터리 수명을 20% 더 늘린다.
 

■ 더 높은 ESD 등급의 부품으로 시스템 수준의 견고성 향상

IC에 정전기 방전(ESD) 보호 회로를 통합하는 것은 열악한 환경에서의 신뢰성을 보장하기 위해 매우 중요하다.

이러한 IC는 지속적이고 안정적으로 작동해야 하므로 외부 서지에 대한 적절한 보호가 필요하다.

시스템 설계자는 부품 수준의 ESD 테스트를 위한 인체 모델(human body model, HBM)과 시스템 수준의 테스트를 위한 IEC 61000-4-2 모델과 같은 ESD 테스트 방법을 고려한다.

부품 수준의 ESD 테스트는 IC가 제조 공정을 견딜 수 있는지를 보장하기 위해 수행된다.

이 HBM은 충전된 인체가 IC에 닿았을 때 시스템에 고장을 일으킬 가능성이 있는 ESD가 IC를 통해 접지로 방전되는 시나리오를 시뮬레이션 한다.

시스템 수준 ESD 테스트는 낙뢰 보호를 포함한 실제 애플리케이션에서의 다양한 동작 조건에서 일시적인 이벤트들을 견딜 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.

이러한 요구 사항을 충족하도록, 출시 제품 제품들은 실제 세계의 과도 응답 조건들을 시뮬레이션 하는 IEC 61000-4-2 ESD 기준에 따라 엄격한 테스트를 거쳐야 한다.

HBM과 IEC 61000-4-2 ESD 테스트 두 가지 방식 모두 충전된 사람이 전자 시스템에 정전기를 방전하는 상황을 시뮬레이션하지만, IEC 61000-4-2 표준은 부품 수준의 ESD와는 여러 면에서 다르다.
 

표 1은 HBM 테스트에서의 피크 전류가 IEC 61000-4-2 테스트의 펄스 전류보다 5.6배 낮다는 것을 보여준다.

인가(strike) 횟수 측면에서도, 부품 수준의 HBM 테스트는 양 방향(양/음) 각 1회씩만을 고려하는 반면, IEC 61000-4-2 시스템 수준의 테스트는 IC의 테스트 통과를 확인하기 위해 양과 음에 대해 각각 최소 10회 이상의 인가 횟수를 요구한다.

이는 시스템 엔지니어들이 해당 IEC 61000-4-2 기준을 통과하기 위해서는 훨씬 높은 HBM 등급의 부품을 고려해야 한다는 것을 뜻한다.

예를 들어 MAX16150과 같이 HBM ESD 등급이 +15 kV인 시스템은 IEC 61000-4-2의 ±2 kV 등급을 충족할 수 있다.

마찬가지로 MAX16163/MAX16164 및 새로운 MAX16169와 같이 +40 kV HBM ESD 등급을 가진 부품은 IEC 61000-4-2의 ±6 kV 기준을 충족하는 데 도움이 될 수 있다.

ESD 등급이 높을수록 더 가혹한 환경에 대해 견고성이 높다는 것을 나타낸다.

이는 현장에서의 작동 중단을 최소화하여 시스템의 신뢰성을 향상시킬 뿐만 아니라, 고장 발생 가능성을 낮춤으로써 제품의 교체 빈도도 줄여준다.

ADI의 온/오프 컨트롤러와 배터리 프레시니스 실은 모든 핀에 ESD 보호 구조를 적용하여 취급 및 조립 중 발생할 수 있는 정전기 방전에 대한 보호 기능을 제공한다.

뿐만 아니라 입력 스위치 단에도 추가적인 보호 기능이 구현되었다. 이러한 실들의 높은 HBM ESD 등급은 IEC 61000-4-2 규격을 충족하는 시스템 설계에 기여한다.

■ ADI 푸시 버튼 온/오프 컨트롤러 에너지 효율 향상 핵심

에너지 효율을 높이기 위한 지속적인 노력의 핵심은 공장 내 제품 생산에서부터 현장 운영에 이르기까지의 에너지 낭비를 줄이는 데 도움이 되는 부품을 사용하는 것이다.

이 글에서는 ADI의 푸시 버튼 온/오프 컨트롤러와 배터리 프레시니스 실 제품이 대기 모드와 절전 모드를 통해 에너지 낭비를 줄이고, 통합 기능을 통해 생산 시 에너지와 PCB 보드 면적을 절약하며, 현장에서는 더 높은 ESD 등급을 통해 시스템의 견고성을 높이는 데 어떻게 도움이 되는지를 살펴보았다.


※ 저자 소개
브라이언 안젤로 보레스(Bryan Angelo Borres)는 멀티마켓 전력 동부 사업부문의 고성능 감시기 그룹에 속해 있는 전원 애플리케이션 엔지니어이다. 마푸아 대학교 전력전자공학 석사 학위를 취득했으며, 현재 동대학원 전자공학 석사 과정에 있다. 브라이언은 전력 전자 설계 연구 및 개발 분야에서 5년 이상의 경력을 쌓았다.

노엘 테노리오(Noel Tenorio)는 아나로그디바이스(ADI) 필리핀에서 고성능 감시기 제품을 담당하고 있는, 멀티마켓 전력 사업부의 제품 애플리케이션 매니저이다. 그는 2016년 8월에 ADI에 입사했으며, 그 전에는 SMPS 연구개발 회사에서 6년간 설계 엔지니어로 근무했다. 바탕가스 주립대학에서 전자통신공학 학사 학위를, 마푸아 대학교 전력전자공학과에서 전기공학 전공으로 대학원을 졸업하고 전자공학 석사 학위를 취득했다. 감시기 제품 담당 전에는 열전기 냉각기 컨트롤러 제품을 위한 애플리케이션 지원을 맡았다.