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머신 비전 시스템용 CMOS 이미지 센서

머신 비전 시스템용 CMOS 이미지 센서

제조라인 비전시스템 이미지

마이클 드루카, 온세미컨덕터 산업/보안 담당 상업화 전략 부장

머신 비전  시스템은 시스템이나 프로세스의 정보를 수집하고 판단을 내리는데에 영상 정보를 이용한다. 기본적으로 조명과 소프트웨어로 구성된 카메라 및 이를 구동시키는 이미지 센서는 머신 비전 시스템의 전반적인 운영 및 제작 품질 또는 생산성을 향상시키는 핵심 요소가 된다. 대표적인 고급 머신 비전 애플리케이션은 기본적인 측정, 계산, 점검 기능의 조합으로 이루어진다. 어떤 물체를 판단할 때에는 제시된 대상이 몇 개 존재하는지, 크기가 어떤지, 품질 수준은 어떠한지 등을 판단하게 된다. 예를 들어 머신 비전 시스템은 어떤 제품에 정확히 몇 개의 구멍이 뚫려 있는지를 확인할 뿐 아니라 각 구멍의 공간 및 모양도 확인한다. 머신 비전 시스템의 다른 애플리케이션으로는 로봇 팔을 이용해 대상을 들어올려 봄으로써 위치를 확인하거나 정확한 장소에 위치해 있는지를 확인하는 일이 있다. 그런가 하면 바코드 및 번호판이나 문자를 인식하거나 유체의 높이를 측정하기도 한다.

이러한 애플리케이션의 각 기능은 최종 카메라 시스템에 구체적으로 필요하며 최종적으로는 애플리케이션에 적용할 영상 감지기의 속성으로 구성된다. 영상 캡쳐 품질에 따라 영상을 분석하는 컴퓨터가 정확한 측정을 통해 정확한 결론에 도달할 수 있게 되므로 영상 캡쳐 품질의 최소 수준도 파악할 능력이 있어야 한다. 만약 캡쳐한 영상이 분석 및 사용에 불충분한 수준이라면 영상 캡쳐 품질의 수준이 가장 중요한 요소가 될 것이며 프레임 비율이나 렌즈 배율 및 크기 등의 기타 다른 특징들은 부수적인 요소일 뿐이다.

과거에는 머신 비전 애플리케이션을 높은 화질로 구현할 수 있어 CCD 이미지 센서가 통용되었다. 그러나 최근 발전된 CMOS 픽셀 디자인에 따라 다수의 다양한 최종 소비자들이 머신 비전 애플리케이션을 통해 구현하고자 하는 충분한 화질을 제공하므로 CMOS 이미지 센서 사용이 광범위하게 늘어나는 추세이다.

온세미컨덕터의 의 PYTHON시리즈 소자와 같은 최신의 CMOS 이미지 센서 플랫폼은 움직이는 물체에 대한 왜곡이 없이 캡쳐하는 글로벌 셔터 픽셀을 기본으로 한다. 픽셀 내부의 CDS(Correlated Double Sampling, CDS) 기능은 낮은 출력 노이즈를 가지며 칩 내부의 고정 패턴 노이즈 (Fixed Pattern Noise, FPN) 수정 기능은 화질을 유지시켜주는 역할을 한다. 10비트 아날로그 디지털 변환기 (ADC)와 60dB 다이내믹 레인지를 특징으로 하는 화질 특성은 머신 비전 시스템이 이러한 화질특징을 CMOS 플랫폼 운영에 효과적으로 활용할 수 있도록 한다.

머신 비전 시스템용 CMOS 이미지 센서

여러 머신 비전 애플리케이션들은 더 빠른 속도로 작동되어 생산성을 향상시켜야 하므로 고대역폭 해독을 지원하는 이미지 센서의 필요가 늘어난다. CMOS 플랫폼 출력 아키텍처가 이를 가능하게 하는데 그 이유는 디지털 출력이 CMOS 소자에서 사용 가능한 대역폭 증가를 위해 추가될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 32개의 독립 LVDS 출력을 사면 고해상도 PYTHON 소자가 CCD 표준 용량을 훨씬 웃도는 2,500만 화소출력을 위해 최대 80 fps 를 지원하며 10 GigE 및 USB 3.1 과 같이 최신의 컴퓨터 인터페이스를 초과하는 대역폭을 실현하게 해준다.

게다가 영상 감지기 배열의 한 부분을 해독할 때 관심 영역 (Region of Interest, ROI) 모드에서의 구동은 CMOS 출력 설계가 발휘할 수 있는 고유 융통성 영역은 이 소자에서 사용할 수 있는 프레임 비율을 더 증대시키게 된다.  제대로 설계가 되었다면 이 방식으로 구동한 경우 ROI 의 X, Y 비율에 의해 증가시키게 되므로 표준 디자인 (ROI의 X만을 증가시키는) CMOS 출력 디자인을 사용했을 때 보다 더 빠른 프레임 비율을 기대할 수 있게 된다.

예를 들어, PYTHON 5000 이미지 센서의 실제 프레임 비율을 표준 CMOS 산출 설계가 적용된 유사 500만 이미지 센서의 이론적인 프레임 비율과 비교해보면, 두 설계는 모두 전체 해상도에서 초당 약 100 프레임의 동일한 프레임 비율을 기록할 것이다. 그러나 영상의 720p (1280 x 720 화소) 영역을 해독해보면 PYTHON 소자에서 가능한 프

레임 비율은 거의 600 fps 정도의 수준으로 증가하며 표준 산출 설계의 경우 300 fps 만이 증가된다. 이렇게 빨라진 속도는 소자에서 가능한 전체 프레임 속도 비율을 최대화하는 차별화 기준이 된다.

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머신 비전 애플리케이션에서 캡쳐된 영상의 세부 내용을 정밀히 확인하기 위해 고해상도가 요구되기도 하는데 이는 데이터 가공 속도를 불필요하게 늦출 수 있는 과도한 정보가 캡쳐되지 않았음을 확인하는 과정을 통해 그 수준이 조정되어야 한다. 화소들은 적당한 종횡비에 맞게 구성되며 애플리케이션의 영상 캡쳐를 최적화 하기 때문에 적당한 화소 수 못지 않게 중요한다. 예를 들어, 픽 앤 플레이스 (Pick and Place) 애플리케이션에 사용되는 카메라는 렌즈의 전체 뷰에 걸쳐 영상 캡쳐를 최대화하기 위해 종횡비가 거의 1:1의 비율이다.

애플리케이션의 특정 영상에 맞도록 전반적인 영상 시스템을 최적화 하기 위해서는 서로 다른 분광 감도 (컬러, 흑백, 확장된 근적외선 (NIR)) 도 필요하다. 카메라 설계 및 제조 공정 설계를 최적화하기 위해 카메라 제조사는 최종 소비자를 위한 카메라 옵션의 모든 목록을 신속하고 효율적으로 개발하는데 최선을 다한다. 이를 위해서는 다양한 해상도 노트 및 색상 옵션을 포함하는 통합된 이미지 센서 제품 라인을 구성하는 것이 필수이다.

온세미컨덕터가 제공하는 PYTHON시리즈 소자들은 VGA 부터 2500만 화소에 이르는 다양한 해상도에 40여 개가 넘는 다양한 옵션을 제공한다. 이 소자들은 흑백, 베이어 컬러 및 확장된 근적외선 감도 등 다양한 설정 옵션으로 제공되며 일 부 모델들은 저출력 설정으로도 가능하다.  그런가 하면 카메라 조립 과정에서 이미지 센서 보호를 위해 분리가 가능한 테이프와 함께 제공되는 경우도 있다. 카메라 제조사는 두 종류의 PCB만을 이용하여 전체 센서를 사용할 수 있으며 온세미컨덕터가 제공하는 완전한 개발 지원 서비스를 이용해 개발 시간을 단축할 수도 있다.

여전히 아주 특수한 애플리케이션 분야에서는 아직 CCD 이미지 센서가 선호되고 있는 상황이지만 머신 비전 애플리케이션에서는 영상 품질, 대역폭, 영상처리 유동성, 설정 유동성 등의 특징으로 인해 CMOS 이미지 센서 사용이 가속화되고 있다. 이러한 플랫폼의 소자를 이용한 영상 처리 성능은 산업용 영상에 필요한 성능과 기능을 새로운 단계로 도약시켜 준다.

 

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반도체 기술 발전에 따른 보청기 시장의 새로운 미래

반도체 기술 발전에 따른 보청기 시장의 새로운 미래

저자. 크리스토프 웰츨리 (Christophe Waelchli), ON Semiconductor

보청기보다 더 심한 기술적인 제약을 가진 애플리케이션은 얼마 되지 않는다. 고성능에 작은 크기이면서도 더 적은 전력을 소모하는 기기에 대한 요구가 가전 제품 영역보다 더 높아지는 추세이다.

그 중에서도 특히 보청기 산업은 현재 인구 노령화 및 중국, 인도 등 시장에서의 수요 증가 등에 힘입어 (여러 유명한 시장 조사 기관에 따르면) 연간 4-6% 성장세를 기록하고 있으므로 더욱 진보된 기술에 대한 필요성이 더해지는 경향이다. 즉, 더욱 다양한 환자들에게 더욱 향상된 기능을 제공하는 보청기에 대한 수요가 커지고 있다.

보청기 제조회사들은 더욱 세련된 디지털 신호 처리 (DSP) 기능을 집적시킨 반도체 솔루션을 이용해 다양한 사용자들의 요구를 만족시키게 된다. 아래의 내용에서 최신의 보청기에 적용된 DSP 기술 및 그 수행에 영향을 미치는 다양한 설계와 관련된 사항들을 자세히 설명하고자 한다.

간단히 말해 보청기가 다음과 같이 작동된다고 가정해보자. 우선 음파는 마이크를 통해 수신되어 아날로그 전기 신호로 변환된다. 아날로그 디지털 변환기는 수신된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 그런 다음 DSP 알고리즘을 이용하여 처리 과정을 거친다. 디지털 신호는 수신기를 통과하여 다시 보청기 사용자가 귀를 통해 인식하는 음파로 변환되기 이전에 아날로그 형태로 복귀된다.

이러한 보청기를 시각적으로 최소화하고 착용감을 향상시키기 위해 더욱 다양한 기능을 가진 새로운 모델들이 출시된다. 일반적으로 사용되는 귀걸이형 보청기 (Behind-The-Ear, BTE)는 외이도 더 깊숙한 곳에 자리하는 고막형 타입 (Completely-In-Canal, CIC) 및 초소형 타입 (Invisible-In-Canal, IIC) 또는 미니 귀걸이형 (소형BTE, OTE로 불리기도 하는)등으로 대체되기 시작했다. 이렇듯 “들리지만 보이지 않는” 보청기들은 기기를 구동하는 집적 회로에 이르기까지 전반적인 소형화를 필요로 한다.

주문 제작에 대한 필요성

오늘날 OEM회사들은 보청기 데이터 신호 처리용 자체 알고리즘 인식이 가능한 새로운 IC솔루션들을 찾고 있다. 이를 위해서는 동일한 핵심 DSP를 기반으로 개발된 다양한 보청기 모델을 위한 효율적인 “플랫폼” 전략 수립을 해야 한다.

예를 들면, 특정 알고리즘 집합으로 인하여 가벼운 수준의 난청이 유발될 수 있다. 그런가 하면 동일한 플랫폼을 적용한 고출력 보청기 또한 추가적인 이득 또는 기능 및 성능에 따라 심각한 수준의 난청이 유발될 수도 있다.

휴대용 전자 기기를 이용한 무선 연결

보청기와 스마트 폰 등 전자 기기 사이의 음성 신호 전달을 가능하게 하는 무선 기술 사용과 관련하여 흥미로운 사실이 있다. 2.4GHz 주파수대(Bluetooth® 및 Zigbee 무선 규격에 해당하는)를 활성화 하면 보청기 사용자가 전자 제품의 라디오 방송을 직접 들을 수 있게 된다. 예를 들어 사용자들은 소형 기기로부터의 음악 재생이나 전화 통화에 보청기를 수신기로 사용할 수 있다.

이뿐 아니라 무선 연결을 통하면 사용자와 기기 간의 상호작용도 가능해진다. 보청기 사용자는 다루기 힘든 릴레이 보조 용품의 도움 없이도 스마트 폰을 사용해 파라미터 및 (볼륨 조절과 같은) 설정 값을 조절, 변경할 수 있다. 이를 위해서는 엔지니어들이 무선 기술에 대한 최종 규격 없이도 저전력 블루투스와 같은 새로운 규격을 빠르게 받아들일 수 있어야 한다.

DSP 아키텍쳐 옵션들

여러 가지 종류의 DSP 아키텍쳐들이 최신형 반도체에 적용된다. OEM 엔지니어 팀은 보청기 디자인의 전체적인 효율성을 고려해야 하기 때문에 최종안을 확정하기 전에 가능한 옵션들을 놓고 심사숙고를 거듭해야 한다.

1. 폐쇄형 아키텍쳐
DSP는 폐쇄형 고정 기능의 아기텍쳐에 유선으로 연결되어 시스템의 동력 소비 및 크기를 최적화한다. 그러나 이 아키텍쳐를 활용하면 시스템의 유연성을 잃게 된다. 부수적인 파라미터의 조정이 가능하지만 IC의 필수 기능을 조절하려면 설계 작업을 다시 해야만 조정이 가능한데 이는 많은 비용과 시간이 소모된다.

2. 개방형 프로그래밍이 가능한 아키텍쳐
개방형 아키텍쳐를 이용하면 DSP 알고리즘 수정이 비교적 용이하게 되므로 OEM 회사들은 설계에 유연성을 얻게 된다. 그러나 제품 설계의 유연성은 최신 보청기의 동력 및 크기에 관한 요구사항을 만족시킬 수 없는 대형 제품에만 한정적으로 적용된다.

3. 부분적 프로그래밍이 가능한 특수 용도의 개방형 프로그래밍 아키텍쳐
폐쇄형 아키텍쳐와 개방형 프로그래밍 가능한 아키텍쳐의 속성 중 원하는 것을 결합한 대체 구조들이 출시되고 있다. 부분적 프로그래밍이 가능한 아키텍쳐의 경우 필수 DSP 기능이 소프트웨어의 추가 공간 내부에 추가 프로그래밍 가능한 DSP 부품과 병행으로 배치되어 로직 블록에 내장된다. 유연성이 다소 보장되긴 하지만 부분적 프로그램이 가능한 아키텍쳐는 여전히 폐쇄형 아키텍쳐와 비교하면 현저하게 많은 동력을 소모한다.

그러나 특수 용도의 개방형 프로그래밍 가능한 아키텍쳐는 다른 접근법을 제시한다. 우선 DSP 아키텍쳐는 애플리케이션 요구 사항을 심층 분석해 설계되면 특정 애플리케이션의 특정 신호 처리를 다루도록 최적화되어 있다. 이를 통해 개방형 아키텍쳐의 자유로운 소프트웨어 프로그래밍 및 폐쇄형 구조의 동력 효율을 보장하면서도 디자인 배치가 좋은 적절한 반도체 기하학이 사용된다. 이러한 아키텍쳐를 통해 현재 OEM회사들이 요구하는 플랫폼이 가능해진다.

온세미컨덕터의 Ezairo® 7100는 초소형의 정교한 시스템 온 칩 솔루션으로 차세대 보청기 시장을 겨냥한다. 이 칩 솔루션은 아날로그식 사용자가 직접 이용하는 방식과 ARM® Cortex™-M3 프로세서 및 24비트 쿼드코어 DSP(특수 용도 개방형 프로그래밍 가능한 구조 기준)를 단일 반도체 다이로 통합한다. 폐쇄형 아키텍쳐 및 개방형 프로그래밍 가능한 아키텍쳐가 통합된 IC는 최대 운영 속도 10.24Mhz로 작동할 때 0.7mA이하로 표시된다.

이를 통해 시스템의 동력 소모가 제한된다. 이와 함께 엔지니어들은 설계의 유연성(조정 가능한 알고리즘을 이용하여)도 확보하게 되므로 경쟁사보다 더욱 뛰어난 보청기 제품을 설계하는 것이 가능해진다.

반도체 기술 발전에 따른 보청기 시장의 새로운 미래

결론적으로 말하자면, 보청기 시장의 기술력은 급변하는 기술 혁신과 신생 시장에 발맞추어 늘 변화한다. 강한 경쟁 의식과 빠르게 진화하는 시장의 요구에 의해 제품 수명은 더 짧아지고 다양해진다.

온세미컨덕터의 프로그래밍 및 특수 용도 아키텍쳐에 DSP 기술을 활용하면 엔지니어들은 기능이 더 풍부하면서도 더 작은 크기로 사용자 편의와 만족을 기대할 수 있는 보청기를 개발할 수 있을 것이다.

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지능형 배터리 관리 기능으로 진화하는 충전기 제품들

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글_ 매튜 타일러 (Matthew Tyler)
전략 사업 개발부 디렉터, 온세미컨덕터

지속적으로 증가하고 있는 휴대용 전자기기 분야에 커다란 영향을 주는 동적 요소들이 셀 수 없을 정도로 많다. 스마트폰이나 태블릿 PC와 같은 휴대용 전자기기들이 다양하고 광범위한 기능 외에 타 기기와의 호환성도 제공해야 함에 따라 제조업체들은 어떤 것이 경쟁적인 시장에서 경쟁사 대비 우위를 차지할 수 있는지에 대한 방향을 찾고 있다. 그러면서도 이러한 제품들은 기능이 집약된 단순한 형태를 지녀야 한다.

대부분의 경우 요즘의 공공 생활의 라이프 스타일은 언제, 어디서나 상호 연결성이 유지되는 것에 더욱 중점을 두어서 성능들이 발전되고 있다. 그런데 이러한 개별 기능 하나 하나가 함께 모여서 하나의 제품을 구성하게 될수록 배터리 수명은 확연히 짧아지게 되므로 하루를 지내는 중에도 충전을 해야 하는 휴대용 제품들의 수요가 늘어나는 추세이다.

이러한 수요가 늘어남에 따라 보조배터리 제품 산업이 번창하고 있다. 과거 십 년을 비교했을 때 이 시장은 현재 연간 약 20%의 복합 성장률(CAGR)로 2020년까지 연간 178억 달러 시장 규모에 이를 것으로 보인다. (Markets&Markets 조사 기준) 이러한 시장이 계속 커질수록 탁월한 차별화를 가진 제품들이 더욱 많이 개발될 것이므로 충전기 제품 공급자들은 이에 부응하는 소비자 요구에 더욱 신속히 반응해야 할 것이다.

제품에 대한 기대치의 상승
시장이 성숙해 갈수록 저 많은 고객들은 자신이 선택한 보조배터리의 특정 기능보다 많은 것들을 기대하게 되므로 단순히 충전만 하는 기능만으로는 더 이상 새로운 제품으로 인정을 받지 못하는 실정이다. 따라서 제품 공급자들은 고객들에게 다음과 같은 요소들을 실제로 보여주는 제품들을 제공해야 하는 압력을 받게 된다.

1) 보다 빠른 충전 속도- 사용자의 불편함을 감소하기 위해서는 휴대용 전자 제품이 충전기와 연결되어 충전되는 시간이 가능한 짧아져야 한다. 고전압을 지원하는 고전력 USB 충전방식과 증가된 전류 용량을 처리할 수 있는 USB type-C 커넥터의 출현은 충전 시간을 더욱 짧게 해 줄 것이다.
2) 세련되고 고유의 스타일을 가진 제품- 충전이 필요한 휴대용 전자 기기가 고품질을 유지해야 하듯이 휴대용 보조배터리의 심미적인 기능도 강조되어야 한다. 앞서가는 최신형 스마트폰을 구매하는데 수 십 만원을 소비하는 고객들로서는 싸구려처럼 보이는 구식 디자인의 보조배터리를 별로 달가워하지 않을 것이다. 차세대 휴대용 보조배터리는 휴대용 기기와 동일한 개발 흐름을 따라야 보이지는 않으면서도 작고 정교한 형태를 띄어야 한다.
3) 대용량 충전- 소비자들은 확연하게 가격 대비 크기와 관련해 보조배터리가 가능한 한 많이 충전되기를 원하게 된다.
4) 보다 고도화된 기능성- 세부 동작 데이터와 유용한 진단 운영 매커니즘에 보다 쉽게 접근할 수 있도록 간단히 요약해 볼 수 있는 기능도 포함해야 한다.
5) 다양한 스마트폰 제조업체의 고유 충전 프로토콜과 호환되는 기능은 퀄컴의 ’급속 충전’ 기술에서 보듯이 이미 구현되었다. 앞으로 이는 더욱 필수 사항이 될 것이며 조만간 다양한 프로토콜을 지원하는 기능도 필요해질 것이다.
6) 보다 효율적인 보호 기능- 작은 크기에 충전 전류가 커지게 되는 조건에서 보조배터리는 더 높은 온도 스트레스에 노출됩니다. 특히 외부 기기의 스펙과 온도에 맞추어야 하는 것과 같은 부적합한 환경에 사용되는 경우에 그러하다.

운영 데이터 표시 기능
초창기의 보조배터리는 단지 남은 충전량을 불빛으로 보여주는 단순한 기능만 있었다 이후 개발된 모델들은 사용자가 얼마나 충전을 했는지를 대략적으로 보여주는 간단한 표시기를 제공하게 되었다. 그러나 이러한 상호 연관적인 기능은 제대로 발달하지 못한 형태였다. 스마트폰 또는 다른 휴대용 기기에 충전되는 배터리들이 보다 상위 레벨의 유저 인터페이스를 지원해야 한다고 가정한다면 이러한 기능을 사용해보는 것은 어떠한가?

휴대용 보조배터리에서 스마트폰 사이에 USB인터페이스를 이용하여 데이터를 전송하게 되면, 다양한 파라미터 값들이 표시될 수 있다. 이는 사용자 경험을 높여주게 되므로 보조배터리 공급회사들은 자사의 제품이 다른 제품군들보다 두드러지는 기능을 제공하게 된다.

안전 기능 보장하기
휴대용 보조배터리가 과열되어 불이 나는 위험한 사례가 이미 여러 번 있었는데, 그것은 부적절한 사용이나 아니면 제품 자체가 결함이 있는 경우의 문제이다. 표준 보조배터리는 비적합한 온도 레벨에서 얼마 동안 충전하는 것과 같은 이슈들을 다루는데 필요한 ‘지능적’ 판단 기능을 갖추지 못했었다.

그러나 차세대 보조배터리는 충전하는 공간에서 주변을 감지하는 모니터링 시스템을 지원하기도 한다. 이로 인해 주변 환경의 영향을 인지해 고려해야 할 성능이 요구된다. 궁극적으로 향후 개발될 충전기는 보다 포괄적인 안전 장치를 필요로 할 것이다. 그러므로 위험 요소가 발생되는 조건에서는 매우 신속한 반응도 가지게 된다.

배터리 충전 기술의 새로운 접근
전력 반도체 소자를 제공하는 업체들은 수많은 요구에 부응하는 기능을 지원할 수 있는 매우 풍부하고 높은 레벨의 통합된 하드웨어를 보조배터리 제조업체들에게 공급할 필요가 있다. 온세미컨덕터는 보조배터리 시장이 성장해온 방향을 초기에서부터 인식하고 있으며, 그 결과 이러한 변화를 지원할 수 있는 획기적인 기술을 개발해오고 있다.

온세미컨덕터가 출시한 LC709501 보조배터리 충전 플랫폼은 차세대 보조배터리 제품들에게 적용되도록 고집적 싱글칩 솔루션을 엔지니어들에게 제안한다. 컴팩트한 보드는 업계를 선도하는 전력 밀도를 제공하며, 그 결과 공간 제약적인 차세대 디자인에 최상의 설계 솔루션이 된다. 이 소자는 IOS, Android, Window 등 여러 OS 환경에 연계되는 앱에 호환되어 어떤 종류의 스마트 기기와도 인터페이스를 구현하게 될 것이다.

이 칩에는 USB 2.0Full Speed 호스트 컨트롤러가 통합되었고 USB Type-C 연결성도 제공된다. 이 플랫폼은 다른 종류의 전압 공급을 감지할 뿐 아니라 승압 충전과 바이패스 충전 기능을 지원할 수 있다.. 5V, 9V, 12V 출력 전압을 지원할 수 있으며, 다른 기기에 연결되어 사용되도록 Quick Charge(급속 충전) 기능과 Fast Charge(빠른 충전) 기능도 제공한다.

이 플랫폼은 과전류 감지 기능, 과전압 감지, 안전 타이머, 이중 배터리 보호, 온도 감지 모니터링등과 같은 폭넓은 기능을 포함해 수많은 보호 메커니즘들을 수행한다. 배터리의 수명을 고려한 충전 알고리즘을 적용하여, 에너지 저장 용량을 최대화하며 그로 인해 배터리 수명도 연장될 수 있으며, 안전성을 강화하는 기능도 제공한다.

일단 보조배터리가 스마트폰과 연결되면 혁신적인 보조배터리 충전기 앱이 초기에 실행되므로 아이콘이 스마트폰 스크린 앞면에 나타날 것이다. 사용자가 아이콘을 클릭하면 배터리에 남은 에너지 비율 정보와 완전 사용까지의 소모 시간 정보, 충전 모드가 실행될 때의 보조배터리 주변 환경 온도와 상태(이미 완료된 충전 주기의 숫자를 기반으로)를 알려주게 된다. 그 뿐 아니라 이러한 앱의 유저 인터페이스에 회사 로고를 통해 기기의 브랜드를 추가하여 보여주는 기능도 제공한다.

결론
현대의 라이프 스타일은 조만간 보조배터리 제품들의 다양하고 뛰어난 활용 기능을 계속적으로 요구한다. 보다 나은 운영의 효율성, 개선된 사용자 경험 및 신뢰도 증가 등에 관한 수요가 늘어나게 됨에 따라 보다 복잡하고 정교한 제품들의 개발이 필요하게 되며 이와 관련된 성능의 수준도 올라가게 된다.

이에 따라 미래의 보조배터리들은 단순한 전원 관리 변화가 아닌 휴먼 기계 인터페이스(HMI)로서 역할을 하게 될 것인데 이는 곧 감지와 보호 기능 요소가 수반되어야 함을 의미한다.

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[테크] 개념을 현실로 변화시키는 산업용 사물인터넷 혁신 기술

산업용 사물인터넷의 구성 요소들

저자. Wiren Perera, IoT Strategy, ON Semiconductor

사물인터넷(IoT)은 산업 자동화, 보안 및 감시 분야, 빌딩 자동화와 같은 분야에서 증가하는 상호 연결성을 포함한 산업 분야의 사물인터넷 개념을 새롭게 만들고 있다. 제조 응용 분야의 산업인터넷은 다목적이면서도 신속한 대량 생산을 위한 스마트 공장들을 가능케 함으로써 생산 제조 분야의 혁명을 가져올 만큼 위대한 잠재력을 가지고 있다.

유선 인터넷 또는 무선 네트워크를 통해 연결되는 장비 및 설비에 임베디드된 작동 장치와 센서들을 사용하는 산업용 사물인터넷은 생산성을 증대하는 능력, 자동 실시간 감지 제어 및 조정 기능들을 통해 공급 체인을 더욱 전례 없이 활성화시키고 있다.

산업 사물인터넷에 있어서 핵심이 되는 개발 트렌드는 반도체 제조공장들에서 시작된 혁신 가능한 기술들과 솔루션들에 상당히 크게 의존하고 있다. 이러한 기술은 개념상으로 설계된 생산 구조를 현실 작업 현장에 구현하게 만드는 변화의 과정을 확실하게 해준다.

산업용 사물인터넷의 구성 요소들
그림 1. 산업용 사물인터넷의 구성 요소들

산업용 사물 인터넷은 M2M 혹은 임베디드 연결성과 같이 다른 이름으로 불리우기도 했지만 사실 오랜 시간 동안 걸쳐서 발전되어 왔으며 최근 더욱 구체화되고 있다. 고객 지향형 사물인터넷이 계속 발전해 응용 분야가 급성장함에 따라 제조와 서비스 산업들은 이러한 흐름과 보조를 맞추어 제조 시스템의 생산성을 보다 증대시키기 위한 방법을 모색하게 되었다.

산업용 사물인터넷분야의 경우 사물인터넷의 하위 시스템을 매우 빠르고 거대하게 성장하게 만드는 중요한 부분이 있는데, 그것은 운영적 기술과 정보 기술간의 연결이 보다 긴밀해지고 발전된다는 것이다. 결국 산업용 사물인터넷은 사물인터넷을 구성하는 수많은 연결 ‘요소’들의 숫자를 매우 많이 증가시킬 것이다.

측정할 수 없다면 발전시킬 수도 없다

유명한 학자 피터 드러커가 “ 당신이 그것을 측정할 수 없다면, 그것을 발전시킬 수 없다”는 말을 한 적이 있는데 이는 산업용 사물인터넷이 가지는 철학의 핵심을 찌른 명언이다. 데이터의 반응과 분석을 완전하고 신속하게 많이 측정해 그 과정들마다 빠른 개선안을 내놓으면 이 모든 사항이 글로벌 비즈니스 영역의 여러 분야에서 영향을 미칠 것이다. 그러나 우리가 더욱 더 이러한 트렌드를 측정할수록 매우 자주 보다 정확하게, 보다 많은 변수들을 분별, 측정해야 한다.

센서는 산업용 사물인터넷 분야의 근간을 이루는 핵심 요소이다. 현존하는 기술들과 관련된 여러 영역의 소프트웨어가 수익 증대를 가져올 수 있지만 진정한 발전의 요소는 보다 많은 변수들을 구체화시킬 장이 필요하다는 것이다. 우리가 감지하는 새로운 모든 변수들은 중요한 변화 창조의 기회를 가져올 뿐 아니라 시스템을 보다 스마트하게 만든다. 센서들은 실로 산업용 사물인터넷을 가능케 할 뿐 아니라 그로 인한 여러 가지 능력을 확장해주는 ‘눈, 귀, 양손’ 이라고 할 수 있다.

전통적인 센서들은 계속 진화되어 왔다. 즉 우리는 온도, 광선, 위치, 레벨, 습도, 압력 그리고 이전보다 다른 여러 가지 변수들을 측정할 수 있다. 그러나 센서들이 보다 소형화되고 저렴해지며 기기 내에 내장될수록 이러한 센서들은 사실 기능이나 적용에 있어서 매우 제한을 받게 되었다. 영상 기반의 감지 센서는 이러한 제한 요소를 해결해주고 있는 데 일단 기계가 실제로 대상을 감지할 수 있다면 거의 모든 것이 가능하게 되는 것이다.

비전 감지 센서를 프로그램화 할 수 있게 됨에 따라 훨씬 다양한 기능 작동이 가능해졌으며 비전 시스템이 놓치거나 잘못 인지하는 요소들도 감지할 수 있게 되었다. 그런가 하면 통제 불가능한 상황들이 초래하는 과정들의 변화도 절묘하게 색상으로 감지되는 추세이다. 산업용 사물인터넷은 범용 센서들이 더욱 기본적인 사항을 측정하도록 하겠지만 여전히 정지 화상 및 동영상 기반의 센서 감지 기능이 추가됨에 따라 스마트 시스템을 보다 유연하고 가치 있게 만들어 줄 것이다.

생산 라인과 공장들은 하나의 제품에서 다른 제품으로 이동하기 위해 또는 복잡한 제품을 연속적으로 만들기 위해 라인을 재구성하게 되는데 이에 따라 비전 시스템들은 더 이상 수동으로 새로 세팅되거나 재구성 할 필요가 없어진다. 하나의 제어 프로그램에서 다음 단계로 넘어가는 데에는 간단한 변화만 있어도 되는데 이를 통해 비용과 시간, 인력을 절약하게 되며 작업자들이 저지를 수 있는 실수들도 제거하는 게 가능해지고 있다.

‘산업용 데이터의 인터넷’

많은 분야에서 데이터는 이러한 혁명을 가져온 열쇠라고 할 수 있다. 센서는 신뢰할 수 있는 항목의 점검, 균형, 불필요한 중복 검사를 통해 데이터를 가져오지만 사후 공정은 공장들의 제조 과정들을 제어, 증진시키는데 필요한 능력과 소중한 정보를 제공한다.

사람이 시스템에 타이핑으로 정보를 입력하는 시대는 이미 오래 전 일이다. 그 당시에는 속도도 매우 느리고 비용도 비쌀 뿐 아니라 에러가 발생하기 쉬우며 지속적이지 못한 환경이었다. 바코드 스캔하는 기술 조차도 큰 진전을 보지 못하는 상태지만 산업용 사물인터넷 분야는 실로 많은 데이터를 요구하고 있다.

실시간 센서는 알람이 울리는 비율에 데이터를 생성 할 수 있다. 종종 3개의 기능이라고 불리는 양, 다양성, 속도에 의해 제품 기능이 구체화되는데 ‘빅데이터’는 오래된 관계형 데이터베이스로 분석, 관리될 수 없다. 전통적인 계산형 컴퓨팅의 분야들의 입지는 더욱 위축되고 있으며 빅데이터는 클라우드에 의존한다. 왜냐하면 대형 데이터 분석은 이러한 대형 데이터들이 배분된 클러스터에 걸쳐 설정, 저장되며 멀티 소스에서 나오는 진행형 데이터와 결합된 데이터의 플랫폼을 필요로 하기 때문이다.

기계들은 학습하고 이해할 수 있다. 데이터 수집 작업을 할 때 소프트웨어는 인간의 소비 성향과 관련된 데이터의 패턴과 트렌드를 찾게 되는데 이러한 목적으로 소프트웨어가 제공된다. 기계 학습은 유사한 데이터 수집 방법을 따르지만 정보의 결과는 기계에서 기계로 바로 이동되어 수정과 개선 과정들을 실시간으로 경로에 따라 정확히 진행시킨다.

데이터 발전과 많은 업무량을 처리하기 위해 클라우드가 유익한 해답을 가져다 준다. 클라우드는 글로벌 회사들의 장벽들을 제거해야 하는 솔루션을 제공한다. 예를 들면 중국의 스마트 공장에서 일어난 문제들이 유럽의 어느 지역에서도 유사하게 발생할 수 있기 때문에 미리 예방해주거나 문제 발생시 즉시 대응이 가능하게 해준다.

클라우드는 정보의 사용가용성을 모기업, 근거리 근무자, 근거리 고객과 공급자까지도 확장시켜준다. 날마다 사용하는 휴대용 기기의 증가는 즉각적으로 정보의 흐름을 가져올 수 있는 연결 환경을 제공한다. 결함 내용이 공급자에게 알려지면 고객은 그 제품이 생산 현장의 담당자에게 인지되어 재확인 과정을 겪은 뒤 바로 수리가 될 시점을 알게 된다. 이처럼 자동화된 정보의 흐름은 필요한 정보와 가치를 기업 및 관련 산업계에 가져다 준다. 스마트 공장환경에서의 기계는 함께 소통하고 문제를 풀어나갈 수 있게 되는 것이다.

미래를 가능하게 하는 것

산업용 사물인터넷의 성장 가능성을 가로 막고 있는 가장 도전적인 과제중의 하나는 전력 전압이다. 산업용 사물인터넷에서 작동이 일어나는 위치에 배치되는 센서에 안정된 전력을 공급하는 것이 문제로 대두되고 있다. 상승하는 에너지 비용은 두 말할 것도 없이 산업용 사물인터넷 센서의 과잉 전압과 관련이 있다.

산업용 사물 인터넷을 실현키 위해 개발된 특별한 센서들은 네 개의 속성을 가진다. 바로 셀프 파워 기능, 데이터 수집, 상태 알림 그리고 타 장치와 연결될 수 있는 성능이다. 이는 미래 지향적인 밑그림으로서 에너지 하베스팅(버려진 에너지를 수확하여 전력으로 재활용하는 기술)용 무선 인터넷 기반의 센서들이 산업용 사물인터넷을 가속화 해주는 조건들이다.

이러한 센서들의 새로운 재탄생에는 온도, 습도, 압력, 센서 거리 감지도 등 물리적이고 다양한 변수들을 측정하는 성능이 필요할 뿐 아니라 직류 전원 소스의 사용 없이도 데이터와 통신할 수 있어야 한다. 예를 들면 온세미컨덕터는 최근에 무 배터리(battery-free), 무 마이크로 컨트롤러 (microcontroller-free) 기능의 무선 환경을 지원하는 센서류를 출시했다.

에너지 하베스팅 무선 센서
그림 2. 에너지 하베스팅 무선 센서

이러한 기술은 보다 많은 종류의 센서를 만들 수 있게 함으로써 이전에 불가능했던 장비들과의 연결성도 가능하게 해준다. 울트라 슬림 형태의 원가 절감형 소자는 공간적으로 제한되었던 장소나 전통적인 센서들이 접근할 수 없었던 영역에 감지 기능을 제공해 산업용 사물인터넷의 많은 애플리케이션들을 제공한다. 바이오 센서 데이터 융합 과정에 있어서도 이와 유사한 발전들이 헬스케어 산업 분야에 있어 사물인터넷 성장의 원동력이 될 것이다.

실제로 이러한 센서들이 에너지 하베스팅 방법을 통해서 전력을 자체적으로 획득하는 기술 혁신이 일어났다. 에너지 하베스팅은 미래의 다양한 분야에 더 많은 것을 약속해준다. 원리는 새로운 것이 아니지만 풍력이나 조류 간만의 차를 이용한 에너지 등 대규모의 신재생 에너지의 많은 부분을 공유, 적용한다. 주변의 환경 에너지를 자유롭게 축적하고 필요에 맞게 활용할 수 있는 능력은 센서들이 자체적으로 작동할 수 있게 해줄 것이다. 이러한 자원들은 태양이나 풍력 에너지 등 매우 다양하고 풍부한데 그 대상이 운동 에너지, 열경사도, 신체 온도 그리고 청각 소음과 같은 분야로 까지 확대되고 있다.

물리적인 실제 제품

산업용 사물인터넷이 충분히 잠재 능력에 도달하게 하려면 해당 정보의 중요한 부분을 잘 활용해야 한다. 피드백 과정을 완수해 바이너리 데이터가 물리적인 액션이 일어나도록 바꾸어야 한다. 간단한 on-off 또는 ‘bang-bang’ 컨트롤은 반도체 스위치 애플리케이션을 통해서 쉽게 구체화되었지만 여전히 여러 산업용 제어기는 더 복잡해지는 추세이며 비례적인 컨트롤이나 아직 신속한 정도는 아니지만 주의가 필요한 포지셔닝을 필요로 한다. 즉 로봇의 팔을 정밀 작업 모드로 작동시키기 위해서는 환경을 제어하거나 장비 내 핵심 부분의 온도를 낮추는 팬부터 밸브 조정용 모터, 서보 혹은 정밀한 스테퍼 모터 등 여러 가지 중요한 물리적 요소들이 필요하다는 의미이다.

산업용 사물 인터넷의 급속한 발전과 더불어 이러한 엑츄에이터 작동기 및 관련 컨트롤러들도 비슷한 발전을 해오고 있다. 모터 컨트롤에 필요한 이 솔루션들은 매우 빨리 사라지고 있으며, 앞서가는 새로운 기술의 집적된 전원 모듈로 대체되는 추세이다. 전원 스테이지, 드라이버, 싱글 모듈의 보호 및 제어 로직 등을 단일 모듈에 하나의 시스템들로 제공하게 되면 설비의 설치 및 실행을 보다 간단하고 소형, 경량에 가능하게 해주는 매우 고집적도의 솔루션이 된다.

보다 넓은 영역으로 확대되는 애플리케이션

하나의 통합된 제조 프로세스에 필요한 센서 기술들의 폭넓은 애플리케이션 영역은 새로운 도전 과제를 가져왔다. 완벽한 센서와 액츄에이터로 가득한 스마트 공장 건설에 필요한 여러 전문 지식 기술은 엔지니어들의 전문성을 뛰어 넘는 분야로서 반도체 등 부품 공급업체들이 감당해야 할 몫이 되고 있다.

완벽하게 통합된 하드웨어 및 소프트웨어의 발전 환경은 최종 제품에 특정한 기능들을 맞춤형으로 적용시키는 핵심적 요소이다. 모듈 방식은 이러한 플랫폼들이 새로운 임베디드 솔루션을 기반으로 한 산업용 사물인터넷 및 사물인터넷의 기능과 도구에 적용되어 재빨리 응용분야를 확대하는 중이다. 오픈 소스 지원 방식 또한 중요한 부분으로서 폭넓은 에코 시스템과 상호 운용이 사물인터넷의 성공을 이끄는데 핵심 역할을 해주고 있다.

영상 감지 능력을 예로 들어보자. 이것은 하드웨어 관점으로 볼 때 제품 설치를 위한 비디오 프로세싱 기술을 요구하는데 당연히 데이터 스트림을 포함한 여러 영상 처리 과정들을 실행하도록 이미지 프로세싱 소프트웨어도 필요로 한다. 이러한 영역에 있어서 디자인 설계 주기들을 가속화하기 위해서 온세미컨덕터는 ‘MatrixCamTM (VDK).’비디오 개발 키트와 같은 툴을 통해 엔지니어 고객들과 관련 지식들을 함께 공유하고 있다.

한편 최근에 출시된 에너지 하베스트 무선 센서용 사물인터넷 개발 키트들은 센서 데이터를 클라우드로 이동해 애플리케이션 개발을 확산시키고 있다. 여러 반도체 솔루션 제공업체들 또한 전문적인 지식들을 이용해 개발 키트나 레퍼런스 디자인을 제공함으로써 산업용 사물인터넷의 급속한 발전에 매우 중요하게 기여하고 있다.

에너지 하베스트 무선 센서를 지원하는 IoT 사물인터넷 개발 키트
그림3. 에너지 하베스트 무선 센서를 지원하는 IoT 사물인터넷 개발 키트

모두를 함께 하나로 엮어 내는 것

센서, 데이터, 액츄에이터들은 산업용 사물 인터넷의 매우 중요한 요소이다. 그러나 통신하고 데이터를 공유하며 명령어를 전달하고 실행하는 도구가 없이는 어떠한 산업용 사물인터넷도 존재 할 수 없다.

그런데 산업용 사물인터넷의 요구 조건들을 검토해보면 모든 기준들과 프로토콜이 만족스러운 것 만은 아니다. 스마트폰용 개인 통신망이나 단일 공급자 기준만을 위한 기술들은 거의 성공하지 못할 것이므로 산업용 사물인터넷 플랫폼은 고유의 프로토콜과 Thread, SIGFOX, EnOcean, M-BUS, KNX, ZigBee®, 등 다양한 기준들을 지원해야 한다. 소프트웨어 무선 기술의 채택은 단 하나의 플랫폼만으로도 멀티 프로토콜을 지원하게 해준다.

ZigBee와 Thread 는 매우 보완적인 것들이므로 이러한 프로토콜 뒤에 존재하는 기술 연합체들이 스마트 홈 내에서 더욱 널리 적용되도록 추진해야 한다. Thread 는 IP 기반의 네트워킹 프로토콜로서 안전하고 쉽게 수 백 개의 소자들을 서로 연결시켜주는데 직접적으로 클라우드에 접속이 가능한 ‘low-power 802.15.4’ 메쉬 네트워크용 오픈 기준에 기반을 두고 있다. 보안과 상호 운용성은 Thread 가 핵심적으로 구현하는 가치의 두 가지 요소이다.

이와는 정반대로 SIGFOX는 넓은 지역에 설치된 고정형 또는 이동성 스마트 도구나 센서들을 이용해 낮은 대역폭에서 상호 통신을 제공하는 광대역 네트워크를 가능하게 해준다. 운송용 컨테이너 또는 차량들 추적 시스템, 스마트 시티 장비나 오일 펌프 및 파이프 라인 등 지리학적으로 넓게 분포된 자산들과의 통신 등이 애플리케이션의 예이다.

결론

산업용 사물 인터넷은 산업 자동화에 놀랄만한 변화를 가져오고 있으며 공장과 제조 과정의 자율적 연계성도 보다 가깝게 이끌어준다. 근거리에서 개별 소자를 하나의 네트워크로 제어, 모니터링, 확인할 수 있는 기능은 최상의 효과를 산업용 애플리케이션에 가져다 준다. 산업용 사물 인터넷의 성공에 있어 중요한 핵심은 센싱, 컴퓨팅 및 제어 기술을 탄력적이고 에너지 효율적인 방식을 이용해 효과적으로 매슁, 연결하는 것이다.

산업용 사물인터넷 시대의 급속한 발전과 혁신은 관리의 효율성, 운영비의 절감, 보다 빠른 회복력, 셀프 러닝, 프로세스의 진보 등 측면에서 기업의 이익을 확실하게 증대시켜준다. 이러한 산업용 사물인터넷의 미래를 더욱 촉진시키기 위해 유수의 반도체 회사들이 관련 기술을 더욱 활발히 개발 중이다.

이러한 점들을 종합해보면 스마트 공장들이 전 세계의 휴대용 기기들에게 다음과 같은 메시지를 보낼 날도 머지 않았다. “문제가 있었지만, 바로 수정되었고 모든 것이 스케줄에 맞추어 돌아가고 있음” 산업용 사물 인터넷은 이렇듯 새로운 세계로 계속 진군 중이다! [제공. 온 세미컨덕터]

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[테크] 웨어러블 및 사물인터넷(IOT) 기기를 위한 PMIC 컨버터의 이점

wearable 웨어러블

제목: 웨어러블 및 사물인터넷(IoT) 기기를 위한 고급 이력모드 제어 기능을 갖춘 PMIC 컨버터의 이점

최근에 웨어러블 제품과 사물인터넷(loT)의 발전으로 적은 공간을 차지하면서 효율은 높고 IQ은 낮은 통합 전원관리 IC(PMIC)의 필요성이 더욱 높아지고 있다. 이력 모드 제어 기능이 있는 스위치 모드 DC/DC 컨버터도 이제 코인 셀이나 리튬 이온 배터리로 작동하면서 이런 사양에 맞는 PMIC 솔루션이 요구되고 있다.

|글| 안젤로 페레이라 (Angelo Pereira), 설계 엔지니어, HVAL / 텍사스 인스트루먼트

 

전형적인 웨어러블 제품은 대부분의 시간을 절전모드나 저전력 상태로 있다가 사용자 동작이 있거나 시간 지정 이벤트 발생 시, CPU에서 데이터를 처리하거나 무선/유선 링크를 통해 정보를 전달한다. 예를 들어 Bluetooth® 기술을 구현하여 심박을 모니터 하는 웨어러블 슬레이브 디바이스에서 하루 기준의 연결 시간은 한 시간 미만, 절전모드에서는 10 ~ 20μA 정도의 전력만을 소모한다. 연결 중 25 ~ 50mA의 전력을 소모하는 피크 시간은 3밀리초도 채 되지 않는다. 즉 디바이스가 절전상태이든 활성상태이든 전원 공급장치의 성능을 최적화 해야 한다는 의미이다. 또한 공간 제약과 배터리의 화학적 조성 역시 외부 패시브에 제한적이다.

[그림 1] 웨어러블 디바이스
[그림 1] 웨어러블 디바이스

PMIC에서 DC/DC 컨버터의 역할

[그림 1], [그림 2], [그림 3]은 일반 웨어러블 디바이스, 프로그래머블 유선 온도조절장치, 스마트 지불 단말기의 구성도이다. 애플리케이션 별로 매개변수 사양에는 차이가 있지만 효율적인 DC/DC 컨버터와 함께 통합 PMIC를 사용하여 한 개의(혹은 여러 개의) 부하 디바이스에 전원을 공급할 수 있다(32bit 프로세서 코어, 메모리(플래시, DDR), I/O 버스, 디스플레이 및 모터나 센서 와 같은 주변장치).

절전모드에서 활동모드로 프로세서의 상태가 바뀌면 단계적 부하 전류 프로파일 상 빠른 시동과 빠른 과도현상 응답이 요구된다. RF 인터페이스 표준을 지키려면 잡음은 FM 전송 등의 특정한 대역에서 벗어나도록 하여야 한다.

[그림 2] 프로그래머블 유선 온도조절장치
[그림 2] 프로그래머블 유선 온도조절장치

[그림 3] 스마트 지불 단말기
[그림 3] 스마트 지불 단말기

기존 이력 제어 방식의 한계

PMIC에 사용한 단상, 이력 PWM 스위치 모드 컨버터는 매우 낮은 부하(30mA 미만)부터 매우 높은 부하(최고 3A)까지 부하 요건에 적합하도록 설계되었다. 기존 스위치 컨버터의 구성도는 [그림 4]에 나타내었다. 주로 비교 회로와 드라이버 회로의 지연 때문에 루프가 지연되므로, 이런 컨버터 제어 방식으로 과도현상 응답 속도를 높일 수 있다. 제어 회로는 이력 기능이 있는 비교 회로에 이상적인 오류 증폭기가 더해진 구성으로, 클록 제네레이터는 필요하지 않다(참고문헌 1). 기본 컨버터의 경우 피드백 신호가 인덕터의 전류에 근접하므로 위상 보상이 필요 없다. 참고문헌 1에 실린 스위치 주파수 방정식은 아래와 같다:

TI 기술기사

여기에서 VIN은 컨버터로 들어가는 입력 전압, VH는 비교 회로의 이력, D는 원하는 출력 전압(VOUT)으로 설정한 PWM 신호 사용률, tRC = RFCF는 피드백 네트워크의 시간 상수, tD는 한정된 컨버터의 유한 전달 지연 수치로써 드라이버 단계의 지연 및 출력 브리지 지연이 포함된다. 이런 변수를 [그림 4]에 나타내었다(참고문헌 2의 그림 1). 분명한 것은 fS은 D에 대해 일정하지 않아 무관한 스펙트럼 구역에 스퍼(spur)를 일으키거나 공명을 유도하여 전원 공급장치 네트워크에 전압 이탈 현상을 야기할 수 있다. 이 시나리오는 전통적인 이력 제어 방식에서 주된 사안이었다.

[그림 4] 과거의 이력 제어 벅 컨버터
[그림 4] 과거의 이력 제어 벅 컨버터

개선된 DC/DC 컨버터를 장착한 PMIC

텍스트 인스트루먼트(TI)는 기존의 이력 제어장치의 한계를 어느 정도 극복한 PMIC를 여러 종류로 공급하고 있다. TPS65910, TPS65911, TPS65912, TPS80032, TPS65218와 같은 디바이스에는 주파수 전환 시 보다 정밀한 제어가 가능한 단상 컨버터가 여러 개 장착되어 있다. 또한 L과 C 중 한 가지만 택하도록 선택의 폭도 줄여 시스템 통합을 간소화하였다. [표 1]에는 PMIC 디바이스의 몇 가지 주요 기능 및 장점을 소개하였다.

[표 1] TI PMIC 디바이스의 주요 장점
[표 1] TI PMIC 디바이스의 주요 장점

TI의 폭넓은 PMIC 포트폴리오의 수많은 독자 기능으로 문제를 구체적으로 해결할 수 있다. TPS65910 제품군에서는 스위치 모드 전원 공급장치(SMPS)(VDD1 및 VDD2)로 동적 전압 범위(DVS) 조절이 가능하여 프로세서 코어 전압 레일에 적합하다. TPS65911x 제품군의 SMPS(VDD1 및 VDD2)로 출력 전압 스위치 슬루(slew) 레이트를 프로그램 할 수 있을 뿐만 아니라 ON 타임을 50ns 이하까지 조절할 수 있다. 이런 특징으로 스위치 주파수는 더 높아지고 출력 리플은 감소하며 인덕터가 차지하는 공간도 줄어든다. TPS80032는 특허 받은 온칩, 고정 주파수 PWM 제어 기능이 있어 기존의 이력 벅 컨버터보다 스위치 주파수 확산 범위가 훨씬 정밀하다.

참고문헌 3 ~ 6에 예시로 든 SMPS 컨버터는 모두 칩 자체에 전환형(고압측) FET의 한 쪽이나 전환 및 정류기(저압측) FET 양쪽에 모두 과전류 보호장치가 구현되어 있다. 돌입 전류를 제한하기 위한 내부 연시동 회로는 프로세서를 지원하는 또 하나의 기능이다. 이렇게 개선된 SMPS 컨버터는 1.0 ~ 2.2μH(1.5μH 타입) 범위의 외부 유효 L값 범위와 4 ~ 15μF 범위의 출력 C값에 대해서도 최적화 되어 있다. 선택한 인덕터는 DCR과 ISAT의 정격에 맞아야 한다. 인덕턴스가 높을수록 리플 전류는 감소하지만 과도현상 응답(di/dt) 품질은 떨어진다. 낮은 ESR용으로 X5R이나 X7R 유전체를 넣은 소형 세라믹 출력 커패시터 형태로 사용할 수 있다. 입력 커패시터도 낮은 ESR을 권장하며, 세라믹 4.7μF에 전기분해/탄탈룸(tantalum) 커패시터를 추가하면 전원 소스와 컨버터 간 거리가 멀 때(예를들어, 벽면 어댑터 등) 발생하는 공급 유동을 줄일 수 있다.

TI PMIC로 전원 공급장치 요건에 부합하며 작고 에너지 효율적인 웨어러블, 휴대형 및 산업용 디바이스를 개발하는 보다 자세한 방법은 아래 제품 정보에서 살펴볼 수 있다.

 

참고문헌
1. T. Nabeshima et.al. “이력 PWM 컨트롤러를 갖춘 벅 컨버터의 분석 및 설계 시 고려사항”, 제35회 연례 IEEE 파워 일렉트로닉스 전문가 컨퍼런스 2014, vol. 2, pp 1711-1716
2. P. Li et.al., “고주파수 멀티위상 이력 DC-DC 컨버터를 위한 고정된 지연 루프 동기화 방식”, Solid-State Circuits의 IEEE 저널, 2009년 11월, Vol. 44, No. 11, pp 3131-3145
3. TPS65910 데이터시트, http://www.ti.com/product/tps65910
4. TPS65911x 데이터시트, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps659113.pdf
5. TPS80032 데이터시트, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps80032.pdf
6. TPS65218 데이터시트, http://www.ti.com/product/tps65218

 

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