전력 효율성이 높은 IoT 애플리케이션을 디자인하기 위해서는 전원의 종류에 따른 적합한 설계가 이뤄져야 하며, 전원에 관련된 개별 부품보다는 전체 시스템 관점에서 전력 효율성이 재고돼야 한다는 전문가 의견이 제기됐다.

E4ds 웨비나는 15일 마이크로칩 테크놀로지의 김기범 수석의 ‘IoT 센서를 위한 전력 효율적인 솔루션 설계와 손쉬운 커넥티비티 구축’을 주제로 웨비나를 진행했다.

김기범 수석은 “아날로그 설계에 만병통치약과 같은 솔루션은 없다”며 “타협과 선택이 아주 중요하다”고 전했다.

이어 그는 “아날로그 디자인은 설계 초기단계에서 시작해야 하며, 시스템 접근 방식을 통해 파워 예산을 정의하고, 애플리케이션의 비용, 성능을 고려해야 한다”고 말했다.

전력 효율성은 △동작 모드와 절전 모드 △와이파이 연결 및 통신 △센서 및 전원 관리와 같은 모든 구성요소와 관련이 있는 복잡한 주제다.

김 수석은 전력 효율성이 높은 IoT 애플리케이션을 디자인하기 위해서는 전원의 종류에 따른 적합한 설계가 이루어져야 하며, 전원에 관련된 개별 부품보다는 전체 시스템 관점에서 전력 효율성이 재고돼야 한다고 밝혔다.

또한 시스템의 전력 효율성을 담보하기 위해서는 설계 초기단계부터 고려돼야 한다고 언급했다.

저전력 유무선 통신 솔루션의 적용이나 컨트롤러의 연산 부하를 줄여주는 시큐어엘리먼트(Secure element)의 사용, 동작모드에서 컨트롤러의 동작을 최소화하는 지능형 주변장치를 내장한 MCU의 사용 등도 전력 효율성 확보를 위한 중요한 방법이다.

오늘날의 IoT 설계, 특히 센서 설계에서는 △배터리 수명 연장 △다중센서 애플리케이션 △성능의 상향 평준화 △통신표준 준수 △데이터 및 통신보안의 필요성이 대두되고 있다.

이런 경향은 배터리 구동 애플리케이션에 가장 중요한 전력 소비 감소와 관련이 있다.

IoT 시스템 내에 각 부품이나 솔루션은 시스템 접근 방식을 통해 평가하여 신중하게 선택해야 전력 소비를 효과적으로 관리할 수 있다.

■ 배터리로 구동되는 솔루션에 최고의 전력 효율성 설계

김 수석은 배터리로 구동되는 솔루션에 최고의 전력 효율성 설계를 위한 방안에 대해 전력 효율적인 애플리케이션 구축을 위해서는 시스템 아키텍쳐를 우선으로 정의하고, 전력 효율적인 최적의 구성요소들을 선택하는 시스템 접근 방식이 필요하다고 설명했다.

이 시스템 접근 방식은 애플리케이션의 요구사항을 만족시키실 수 있는 좋은 전략이다.

모든 설계에 적합한 단일 솔루션은 없다.

시스템 접근 방식이 아니라면, 애플리케이션의 적합한 솔루션을 찾지 못할 수도 있다.

김 수석은 전원 설계 프로세스에 대해서도 발표했다.

일반적인 전원 설계 프로세스는 요구사항을 정의하는 것에서부터 시작된다.

동작 시퀀스, 파워 버짓(Power budget) 등을 정의한 후 적합한 부품이나 솔루션을 선정한다.

이후 평가보드 등으로 성능을 시뮬레이션하고 솔루션을 검증한다.

■ 전력 효율적 IoT 센서 설계를 위한 전원 선택 절차

전력 효율적 IoT 센서 설계를 위한 전원 선택 절차는 배터리 충전이 가능한 전원을 사용할 수 있는 환경인지 확인하는 것부터 시작한다.

전원이 있는 경우, 배터리 충전이 가능한 상황이므로 어떤 충전 배터리가 필요한지 확인한다.

이 때 온도 범위, 용량, 충방전 속도, 내부 임피던스 등을 고려해보아야 한다.

주변에 전원이 없다면 충전이 불가능하므로, 어떤 일반 배터리가 필요한지 확인해야 한다.

마찬가지로 온도 범위, 용량, 방전율 등을 고려해야 한다.

이런 조건들은 시그널 체인이나 전원 관리 설계에 많은 영향을 준다.

두 번째는 동작 프로파일을 정의하는 것이다.

보통 IoT 센서는 절전 모드와 활성 모드가 주기적으로 반복되며, 모드에 따른 소비 전류가 달라진다.

또, 활성 모드에서는 무선 통신, 센서 감지, OTA와 같은 수행하는 작업에 따른 전력 소비량이 상이하다.

따라서 가장 중요한 것은 앞서 정의한 동작 프로파일을 기반으로 애플리케이션에서 요구하는 파워 버짓을 계산해보는 것이다.

세 번째는 배터리의 수명을 추정하는 것이다.

배터리별로 최적부터 최악의 동작 조건까지 고려하여 추정해야 하며, 필요 시에 적용 가능한 각기 다른 무선이나 보안 솔루션별로도 계산해보는 것이 좋다.

마지막으로 앞서 검토했던 내용과 함께 배터리 크기와 가격을 고려해 적합한 배터리를 선택하면 된다.

한편, 각각 설계 요구에 가장 적합한 전력 효율적인 솔루션을 전략을 파악하고 작성할 수 있는 팀 구성원을 보유하는 것은 많은 이점과 높은 가치를 갖는다.

가치를 제공할 수 있도록 마이크로칩은 효율적이고 최적화된 IoT 센서 설계를 위한 고유 포트폴리오에 30년 이상 투자하고 있다.

전력 공급 및 신호 체인을 위한 저전력 아날로그 제품, 초저전력 마이크로 컨트롤러, 통신 솔루션, IoT 보안 솔루션 등을 보유하고 있다.

효율적인 제품 설계를 돕기 위해 마이크로칩은 평가보드, 디자인 리뷰 서비스, 기술 교육, 소프트웨어 및 각 분야 전문가의 현장 지원 등의 기술지원을 제공한다.

마이크로칩은 IoT 애플리케이션을 위한 전력 효율이 높은 아날로그 제품을 보유하고 있다.

이 제품들은 높은 정확도, 전력 효율성, 낮은 소비 전력 및 저전압 작동, 안정성 등 강점을 가지고 있다.

설계에 적합한 아날로그 제품을 식별할 수 있도록 트리링크(Treelink), MPLAB 아날로그 디자이너 및 MPLAB 민디를 제공하고 있으며, 직접 아날로그 솔루션을 선택하고 시뮬레이션 할 수 있도록 지원한다.

클럭웍스 컨피규레이터(ClockWorks Configurator)는 애플리케이션 요구에 맞도록 오실레이터 및 클럭 생성기를 사용자 정의할 수 있는 간편한 온라인 도구다.

클릭 몇 번으로 주파수, 온도, 패키지 크기 등에 따라 부품을 프로그래밍할 수 있으며 48시간 내에 맞춤형 샘플을 주문할 수 있다.