저전력 MCU, 센서, 무선 통신, 효율적 전력 공급 장치가 배터리 수명에 중요

스마트 및 커넥티드 제품의 크기는 계속 작아지면서 기능과 성능에 대한 기대는 높아지고 있다. 배터리도 크기는 작지만 수명이 길어지는 쪽으로 가고 있다. 배터리 수명을 효과적으로 늘리기 위해서는 낮은 대기 전류가 중요하다.

최근 체온 측정, 인슐린 투입, 심박수 모니터링을 위한 의료용 패치 등이 나오고 있다. 이러한 기기들은 긴 시간 안정적으로 작동해야 하는 것이 무엇보다 중요하다. 하지만 이 기기들은 사용되기 전까지 오랜 기간 비품실과 의약품 창고에 방치되어 있는 경우가 많다. 또, 스마트워치, 이어폰, 비디오 게임 컨트롤러는 빠른 충전 후 장시간 작동해야 한다. 

전기 계량기, 가스 탐지기, 빌딩 자동화 시스템 등 현장에서 쓰이는 수많은 센서의 경우 충전과 유지보수가 쉽지 않아 작동 시간이 반드시 보장돼야 한다. IoT 기기 대부분은 다양한 환경에서 장기간 안정적으로 작동하기 위해 배터리에 의존한다. 배터리 수명은 중대한 전환점을 맞았다. 


배터리 수명에 영향을 미치는 요인

배터리 수명에 영향을 미치는 핵심 인자는 무엇일까? 시스템 설계자는 마이크로컨트롤러(MCU)와 같은 중앙 제어 장치의 동작(active), 휴면(sleep), 동면(hibernate) 전류를 기반으로 배터리 수명을 측정한다. 관련 센서와 무선 통신 역시 MCU와 함께 작동한다. 물론 시스템의 모든 기능 블록에 에너지를 공급하는 전원 공급 장치 역시 매우 중요하다. 전원 공급 장치는 스텝다운, 스텝업 컨버터나 LDO(low-dropout)와 같은 레귤레이터로 구성된다. 일부 전원 공급 장치는 다수의 전력 아키텍처 또는 배터리 충전기까지 포함한 전력관리반도체(PMIC)를 포함한다
 
동작 전류 소비는 배터리 수명 연장에 중요한 요소로 배터리 실행 시간은 결국 각 전력 모드에서 소비된 시간에 영향을 받는다. 각 구성 요소의 대기 전류는 휴면과 동면 기능이 오래 실행될 때 결정적 요인이 된다. 이 경우 전원 공급 장치의 대기 전류는 시스템 대기 전력 소비의 가장 큰 원인이다. 수명이 1년인 40mAh, 1.55V 산화은 코인 셀 배터리로 작동하는 시스템을 살펴보자. 소비 전류를 약 4µA로 가정할 때 전류를 1 µA까지 줄이면 웨어러블 제품 수명은 3개월 가량 늘릴 수 있다.

배터리 수명 연장을 위해서는 대기 전류가 중요

대기 전류를 절대 과소평가해서는 안 된다. 전원 공급이 대기 모드 상태일 때 전력 소비는 대기 전류(I_Q)로 결정된다. 이는 회로가 어떤 부하도 발생시키지 않고 입력이 순환하지 않는 회로의 정적인 상태를 의미한다. 대기 전류는 명목상 여전히 전류이지만 경부하로 작동 시 시스템의 효율에 큰 영향을 미친다.
 
때때로 대기 전류는 셧다운 전류와 혼동된다. 대기 전류에서 시스템은 휴지(idle) 상태지만 언제든 깨어나 작동할 준비가 돼 있다. 사용자는 이런 방식의 기기를 원한다. 반대로 셧다운 전류에서 기기는 휴면(asleep) 상태다. 설계자는 경부하 상태에서 전원 공급의 전력 손실을 평가하기 위해 대기 전류를 이용한다. 반면 셧다운 전류는 기기의 전원을 껐으나 배터리는 레귤레이터에 연결돼 있을 때 배터리 수명을 측정하기 위해 이용된다.
 
기기는 배터리 수명 연장을 위해 저전력 MCU, 센서, 무선 통신, 효율적 전력 공급 장치와 같은 구성 요소로 설계된다. 몇몇 설계자는 배터리 전압이 낮은 수준으로 떨어질 때 배터리 수명을 늘리기 위해 부스트 컨버터를 선택한다. 그러나 이 방식은 적절한 컨버터를 선택하지 않는 이상 대기 전류를 높이고 배터리 방전을 가속화한다.
 
최종 제품의 폼팩터 역시 중요 고려 대상이다. 소비자와 설계자는 더 작고 가벼운 제품을 선호한다. 문제는 일반적으로 배터리가 전체 보드에서 가장 크고 무겁다는 것이다. 물론 배터리 크기는 줄일 수 있지만 이는 용량 감소, 즉 배터리 수명 단축으로 이어진다. 이 문제는 용량과 크기 간 균형을 맞추는 효율적인 전력 관리 기술로 귀결된다.
 
배터리 수명을 늘리는 방법 중 하나는 시스템의 전력 효율을 높이는 것이다. 시스템 내 MCU, 센서, 아날로그 프론트엔드(AFE), 기타 부하 회로는 배터리 전압과 다른 전압으로 구동돼야 한다. 따라서 각 회로마다 전용 DC-DC 컨버터가 필요하며 이 때 개별 컨버터는 효율 손실을 동반한다. 이 회로들은 또한 MCU를 지원하는 감시 IC와 같은 추가 부품을 필요로 한다. 전류 감지 증폭기, 온도 센서, 비교기와 같은 ‘보호’ 장치는 총체적 시스템 관리를 위해 부하 및 배터리 전류 관리를 돕는다. 상시 동작 되지 않고 수동 상태로 유지되는 제품의 인기가 높아지는 상황을 고려하면 전력 공급 장치의 대기 전류, 그리고 지원 부품과 보호 장치는 배터리 수명 연장의 핵심 요소다.
 
부스트 컨버터와 같은 전원 레귤레이터의 대기 전류 사양에 주목해야 한다. 대기 전류가 낮을수록 배터리 수명을 늘릴 수 있다. 오늘날 초소형 설계를 고려하면 낮은 대기 전류뿐 아니라 시장에 출시된 제품보다 더 작은 폼팩터를 구현하는 기술이 필요하다. 밀리암페어급 전류조차 배터리 수명에 영향을 줄 정도로 충분히 낮지 않다. 오늘날 웨어러블, 모바일, IoT 설계는 나노암페어급 전류를 필요로 한다.