휴대용 전자 시스템의 에너지 사용량 및 PCB 클러터를 줄여주는 스마트 드라이버

휴대폰, 휴대용 멀티미디어 플레이어(PMP), 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라(DVC), 이동식 의료 장비(PME), 위성위치확인시스템(GPS) 등과 같은 소형 휴대용 전자 시스템은 매년 그 성능이 진화하고 있으며 세대를 거듭할 때마다 새로운 사양이 추가되고 있다. 이에 따라 해당 주변장치 회로의 요구 사항이 갈수록 비슷해지고 있는데, 이는 전원, 포트 및 MMIs(Man-machine interfaces)에서 유사한 기술들을 활용하는데 그 원인이 있다.

켄 마라스코(Ken Marasco) / 아나로그디바이스 애플리케이션 엔지니어링 매니저

저전력으로 완벽한 기능을 구현하는 제품에 대한 요구
PMP, 디지털 카메라, DVC, 이동식 의료장비나 GPS, 휴대폰 등의 소형 휴대용 전자 제품들에서 제공되는 사양이 다양해지고 성능의 수준이 높아짐에 따라 다음의 세 가지 요인으로 인해 전력 소산율을 관리해야 할 필요성도 높아지고 있다.
1. 제품의 기능 및 사양이 다양해짐에 따라 기능 집적도와 그에 따른 소산밀도 역시 증가하고 있다. 반도체의 통합율을 높여 이러한 현상의 개선은 가능하나 그것만으로 기능 집적도와 손실 밀도 증가에 대한 문제를 해결하기에는 역부족이다.
2. 제품의 기능과 사양이 다양해짐에도 불구하고 휴대용 전자 제품을 보다 더 작게 만들려는 요구가 점차 커지고 있어 기능 집적도와 손실 밀도가 증가하고 있다. 여기서는 MMI에 따라 결정되는 기계적 요구 사항과 기계 및 전기적 견고성에 대한 기업의 표준에 따라 기능 집적도와 손실 밀도가 제한될 수 있다.
3. 제품의 크기가 점차 줄어들면서 에너지 소스의 사용 가능한 공간 또한 줄어들고 있다. 리튬-이온 에너지 소스 등을 통해 배터리 기술이 개선되면서 공간 감소의 추세와 저장 공간 간의 균형이 어느 정도 유지되고 있지만 공간 제약으로 인해 OEM 제품들은 대폭 증가한 1회 충전당 에너지 저장량을 충분히 활용하지 못하고 있다.
또한 OEM에서 전력 소산율 문제를 해결하기 위해 사용된 전력도 발전을 거듭해왔다. 첫 번째 레벨 전략에서는 DC-DC 컨버터, LDO, 배터리 관리 및 배터리 보호 회로를 통해 손실을 최소화 하는 에너지 관리 서브시스템의 효율에 중점을 두었다.
이러한 전력 서브시스템 중심의 접근 방식은 반도체 벤더가 이미 시장에 출시되어 있는 제품보다 손실율이 낮은 부품 및 통합형 디바이스를 생산해 낼 수 있는지의 여부에 따라 효과가 크게 좌우되었다. 이로 인해 OEM 엔지니어들은 부품 비용 및 패키지 크기 등과 같은 다른 문제들을 통해 에너지 효율의 균형을 맞추는 부품 선정 작업에 주로 매달리게 되었다.
이 전략은 상당히 효과적이지만 대부분의 부품 시장에서 이미 그 이점이 모두 실현된 바 있다. 또한 이는 대부분의 아날로그 및 아날로그 중심 혼성 신호 IC의 경우에는 효과적이지만 이 전략을 뒷받침하는 실제 부품들은 디지털 및 디지털 중심 혼성 신호 IC를 통해 주도된 지속적인 프로세스 축소로 인해 많은 이점을 얻지는 못하고 있다.
두 번째 레벨의 전략은 전력에서 벗어나 시스템 부분 또는 특정 시점에서 사용되지 않는 대규모 ASIC 부분으로 설명된다. 이 전략은 특히 라디오 링크 하드웨어 및 디스플레이 백라이트 등과 같이 에너지 사용량이 많은 부분에 적용할 때 효과적일 뿐 아니라 오디오 서브시스템, I/O 포트, 비휘발성 구성 메모리 등과 같은 중간 단계의 부하에 대한 전력 공급을 중단함으로써 1회 충전 주기당 작동 시간을 연장시킨다. 예를 들어 현재 생산되는 휴대폰은 20개 이상의 전력 도메인으로 작동한다.
라디오 및 디스플레이 백라이트 등과 같이 손실율이 높은 회로에서 유휴 전류를 통해 손실되는 전력을 절감하는 것 외에도 이 전략은 시스템에서 클럭 회로 부분을 셧 다운할 수 있을 때, 정지 손실(Quiescent Dissipation)을 줄이는 데 도움이 된다. IC 제작 공정에서 이전에는 상상할 수 없던 크기(얼마 전까지만 해도 불가능했던 90nm 노드가 이제는 일반적이며 반도체 제작 장비 제조업체는 이미 90nm 이후의 3세대를 향해 나아가고 있음)를 적극적으로 추진함에 따라 이 전략은 클럭 게이팅을 효과적으로 대체하여 유휴 전류를 줄이는 데 성공하게 되었다.
전력 손실율을 낮추는 전략은 시스템 설계업체, 소프트웨어 및 하드웨어 구현업체 및 ASIC 벤더의 엔지니어링 기여도에 따라 그 결과가 달라진다. 앞에서 말한 전략은 성공적이기는 하지만 부가적인 사양을 통한 애플리케이션 프로세서의 추가 작업량으로 인해 다소 제한을 받기 때문에 디자이너는 보다 크고 전력 소비가 더 많은 계산 모델을 활용할 수밖에 없게 되었다. 예를 들어 휴대폰 핸드셋의 경우 현재는 베이스밴드 및 보조 처리 리소스로 사용하던 ARM-7이 아닌 ARM-9 및 ARM-11을 사용하고 있다. 다른 휴대형 전자 제품도 정도만 조금 덜할 뿐 이와 유사한 추세를 나타내고 있다.
세 번째 전략은 성능에 관계없이 다양한 사양과 기능을 위해 사용되는 에너지를 줄이는 데 중점을 두고 있다. 한 가지 기법은 분산된 지능형 기능을 활용하여 베이스밴드 또는 애플리케이션 프로세서의 처리 성능 및 속도에 영향을 주지 않는 기능과 사양을 관리하는 것이다.
이 전략을 사용하면 프로세서에서 전체 기능을 반자율(Semi-autonomous) 주변장치 컨트롤러로 옮길 수 있다. 이를 통해 프로세서는 작동모드에서 해당 프로세서의 전체 성능이 요구되는 데이터 처리 또는 통신 속도가 아닌 사람이 직접 작동시켜 발생하는 작업 중에 슬립 상태로 전환할 수 있다. 이에 대한 예로 스마트 디스플레이 백라이트 드라이버를 꼽을 수 있다.

프로세서를 통해 제어되는 백라이트: 미세 관리 비용
휴대형 전자 제품의 최종 사용자는 광범위한 주변광 조건에서 화면 표시 사항들을 선명하게 판독할 수 있기를 원한다. 첨단 휴대형 제품은 대개 광다이오드 또는 광트랜지스터를 사용하여 백라이트 드라이버 컨트롤에 대한 입력으로 주변광 레벨을 평가한다. 광센서는 DC 바이어스 형태의 자극, 증폭 및 아날로그-디지털 변환 또는 최소한 1~2개 레벨의 임계값 감지 등과 같은 신호 컨디셔닝 회로를 필요로 한다.
호스트 프로세서는 일반적으로 외부 부품을 통하거나 온칩 아날로그 I/O 핀에서 정기적인 데이터 변환을 통해 광센서 출력을 모니터링 한다. 이러한 모니터링은 초당 약 1회에서 수 회의 변환 속도로 발생되며 컨트롤러는 변환 결과를 평가하여 대개 완전한 태양광, 조명 상태가 양호한 실내 환경 또는 조명 상태가 흐릿한 환경(예: 거실, 식당 또는 나이트클럽) 등의 세 가지 레벨 중 하나로 그 원인을 판단하게 된다.
프로세서는 백라이트 드라이버에 대해 제어 신호를 발생시켜 LED 스트링에 세 가지 전류 레벨 중 하나를 제공함으로써 제어 프로세스를 완료하게 된다. 이러한 배열은 효과적이기는 하지만 효율적이라 할 수는 없다. 이는 일종의 미세 관리의 형태 즉, 작동 성능이 뛰어나지만 비용이 많이 드는 중앙 리소스가 작동 비용이 보다 저렴한 시스템의 일부로 전환해야 하는 프로세스를 감시하는 것이며 프로세서의 부담을 덜어내는 측면에서는 효과적이지 않다고 할 수 있으나 이를 통해 에너지 개선, 재고 절감 및 PCB 클러터 감소 등의 이점을 동시에 얻을 수 있다.

첫 번째 이점: 스마트 드라이버를 통한 프로세서 부담 감소
   ADP5520 스마트 백라이트 드라이버를 기반으로 한 측정 결과를 살펴보면 LED 드라이버의 마이크로컨트롤러 구성 제어를 통해 작동은 물론 디스플레이 조도의 자율적 관리가 가능하여 이를 통해 얻을 수 있는 에너지 절감 효과를 확인할 수 있다. ADP5520은 비동기식 부스트 컨버터, 프로그래밍 가능한 주변광 관리 부분, 상태 기기를 비롯하여 추가 시스템 절감 효과를 제공할 수 있는 구성 가능한 포트 확장기로 이루어져 있다.
부스트 컨버터는 스트링 전위가 24.5V나 되고 구동 전류가 30mA인 단일 직렬 스트링에서 백색 LED를 6개까지 구동할 수 있다. 주변광 측정 부분에서의 작동은 주변광 센서에 대해 모든 신호 컨디셔닝을 제공하며, 온칩 상태 기기 및 부스트 컨버터와 함께 작동할 경우 0~30mA 사이에서 128개의 전류 레벨을 구현할 수 있다.
ADP5520은 조명 제어 서비스의 역할을 수행하는 프로세서를 통해 다양한 모바일 핸드셋 사용 속도를 시뮬레이션 하는 테스트에서 즉시 1회 충전당 작동 시간을 15% 개선하는 데 성공했다(그림 1 참조). AD5520의 제어 방식에 주변광 감지 기능을 추가하면 기존 측정 대비 1회 충전당 대기 시간이 50% 개선된다. 이러한 곡선은 게임, 텍스트 및 이메일 검토/작성 또는 카메라 사용 등 RF가 필요하지 않은 핸드셋의 높은 상화 작용률을 시뮬레이션 한다.
제품을 보다 우아하게 보이고 싶은 디자이너는 온-오프로 전환하는 대신 빛의 레벨 사이에서 색이 서서히 사라지도록(Fade) 한다. 프로세서를 통해 제어되는 조명 기법을 사용하는 경우에는 색이 점점 사라지는 효과를 구현하기 위해 수많