Nordic Semiconductor’s nPM2100 Power Management IC extends battery life of primary cell-powered Bluetooth Low Energy products

저전력 무선 연결 솔루션 분야의 글로벌 리더인 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)는 nPM 전력관리 IC(PMIC: Power Management IC) 제품군의 최신 모델인 nPM2100을 출시한다고 밝혔다. nPM2100 PMIC는 초고효율 부스트 레귤레이터와 다양한 에너지 절감 기능을 갖추고 있어 1차(비충전식) 배터리 애플리케이션의 배터리당 동작 시간을 대폭 연장할 수 있다. 이 제품은 무선 마우스와 키보드, 소비자용 자산추적 장치, 리모컨 및 신체 부착용 의료 기기 등과 같은 애플리케이션에 매우 적합하다.

유럽연합의 연구개발 정보서비스인 CORDIS(Community Research and Development Information Service)에 따르면, 전 세계적으로 매년 약 280억 개에 이르는 1차 전지가 폐기되고 있으며(참고자료 1), 1차 전지 제조를 위해 저장된 에너지의 평균 50배에 달하는 에너지를 소비하기 때문에 매우 비효율적인 에너지원으로 평가받고 있다(참고자료 2). 더욱이, 비효율적인 전력관리로 인해 저장된 에너지의 상당 부분이 낭비되고 있으며, 이로 인해 많은 배터리가 완전히 소모되기도 전에 폐기되는 사례가 반복되고 있다. 노르딕의 nPM2100은 부스트 레귤레이터와 1차 전지 연료 측정 등과 같은 독보적인 에너지 절감 기능을 갖추고 있어 전력관리의 비효율성 문제를 해결하는 동시에, 배터리가 폐기되기 전에 저장된 모든 에너지를 사용할 수 있도록 보장한다.

노르딕 세미컨덕터의 전략 및 제품 관리 부문 수석 부사장인 키에틸 홀스타드(Kjetil Holstad)는 “노르딕의 PMIC 제품군은 노르딕이 지속적으로 주력하고 있는 가장 낮은 전력소모를 자랑하는 IoT 솔루션 구현에 있어 매우 중요한 역할을 수행한다.”며, “새롭게 출시된 최초의 1차 전지용 PMIC를 통해 PMIC 라인업을 확장하고, 비충전식 제품을 위한 독보적인 전력 절감 기능을 제공할 수 있게 되어 기쁘게 생각한다. 이 제품을 통해 노르딕은 엔지니어링 팀의 뛰어난 기술 수준을 다시 한번 입증했다.”고 밝혔다.

설계자들은 nPM2100을 이용해 1차 전지에 저장된 에너지를 훨씬 더 많이 활용할 수 있도록 지원함으로써 제품의 배터리 교체 간격을 늘릴 수 있다

기에르 코사비크(Geir Kjosavik), PMIC 제품 디렉터 - 노르딕 세미컨덕터

노르딕 세미컨덕터의 PMIC 제품 디렉터인 기에르 코사비크(Geir Kjosavik)는 “모든 IoT 제품이 충전식 배터리나 에너지 하베스팅에 의존해 동작할 수 있는 것은 아니기 때문에 1차 전지는 당분간 사라지지 않을 것이다.”며, “설계자들은 nPM2100을 이용해 1차 전지에 저장된 에너지를 훨씬 더 많이 활용할 수 있도록 지원함으로써 제품의 배터리 교체 간격을 늘리거나 더 작은 배터리로 동일한 배터리 수명을 제공할 수 있다. 이를 통해 더 작고, 가볍고, 경제적인 제품을 구현할 수 있다.”고 말했다.

SoC 및 MCU를 위한 전력관리

nPM2100은 첨단 무선 멀티 프로토콜 제품인 노르딕의 nRF52, nRF53, nRF54 시리즈와 같은 저전력 SoC(System-on-Chip)나 마이크로컨트롤러(MCU)의 전원공급장치를 관리할 수 있다. 이 PMIC는 효율을 극대화하고, 소형화할 수 있도록 최적화되어 있으며, I2C 호환 TWI(Two Wire Interface)를 통해 구성이 가능하다. 이 인터페이스를 통해 쉽고 간편하게 출고 모드(Ship Mode) 및 정밀 배터리 연료 측정 등과 같은 다양한 첨단 기능을 설정할 수 있다. 또한, 이 PMIC는 직렬 통신의 대안으로 직접 제어 라인을 시간에 민감한 제어 기능으로 전환할 수 있는 두 개의 GPIO를 갖추고 있다.

nPM2100은 1차 전지 애플리케이션을 대상으로 설계되었다. 지원되는 배터리로는 직렬로 연결된 하나 또는 두 개의 AA/AAA/LRxx 배터리와 단일 3V LiMnO2 셀 등이 있으며, 단일 또는 이중 셀 산화은 배터리와 공기 아연(Zinc-Air) 코인 셀 배터리도 지원한다. 또한, nPM2100의 입력 전압 범위 내에서 동작하는 다른 모든 1차 배터리에도 사용할 수 있다.

nPM2100은 0.7V ~ 3.4V의 입력 범위에서 전원을 공급받아 1.8V ~ 3.3V의 출력 범위를 제공하는 부스트 레귤레이터를 갖추고 있다. 이 레귤레이터는 최대 150mA의 전류를 공급할 수 있으며, 0.8V ~ 3V의 출력 범위에서 최대 50mA를 공급하는 부하 스위치 및 LDO에 전원을 공급한다. 이 레귤레이터는 150nA의 정전류(IQ) 소모와 50mA에서 최대 95%, 10µA에서 90.5%의 전력 변환 효율을 제공하는 시장에서 가장 효율적인 부스트 레귤레이터 중 하나이다.

저전류 출고 모드 및 휴면 모드

nPM2100 PMIC는 배터리가 삽입된 상태로 제품을 운송할 수 있도록 저전류 출고 모드를 제공한다. 이 출고 모드는 버튼이 없는 제품의 경우, 전기 연결이 끊어졌을 때 출고 모드에서 웨이크업할 수 있는 특허 출원 중인 ‘BTW(Break-to-Wake)’ 기능을 비롯해 여러 웨이크업 옵션과 35nA의 슬립 전류(Sleep Current)를 지원한다.

또한, 이 PMIC는 일정 시간 후 웨이크업할 수 있는 초저전력 웨이크업 타이머도 갖추고 있으며, 이는 출고 모드와 동시에 실행할 수 있다. 이 타이머는 SoC나 MCU에 대한 전원을 차단하는 것보다 더 깊은 절전 상태를 설정할 수 있다. 이외에도, nPM2100은 휴면 모드에서 총 전류 소모량이 200nA 미만에 불과하다. 이러한 낮은 전류 소모를 통해 센서 네트워크 상의 센서와 같이 간헐적으로 블루투스 LE(Bluetooth® Low Energy) 애드버타이징(Advertising) 기능을 이용하는 애플리케이션에서 배터리 수명을 최대 3배까지 연장할 수 있다.

노르딕 제품군 중 최저전력을 소모하는 무선 SoC인 nRF54L15의 경우, 주기적으로 블루투스 애드버타이징을 수행하기 위해 깨어날 때, SoC 자체의 최저전력 시간 지정 대기모드를 이용하는 것과 비교하여 nPM2100의 휴면 모드를 이용할 때 예상되는 배터리 수명 개선효과는 다음과 같다:

• 2.5분 웨이크업 간격: 배터리 수명 25% 증가
• 4분 웨이크업 간격: 배터리 수명 50% 증가
• 9분 웨이크업 간격: 배터리 수명 2배 증가
• 60분 웨이크업 간격: 배터리 수명 3배 증가

정밀 알고리즘 기반 연료 측정

nPM2100은 일반적으로 1차 전지용 PMIC에서 지원되지 않는 정밀 알고리즘 기반 연료 측정 기능을 갖추고 있다. 잔여 에너지를 추정하는 일반적인 방식은 배터리 전압을 측정하고, 방전 곡선에서 파생된 룩업 테이블(LUT: Look-Up Table)을 이용하는 것이다. 그러나 이러한 방식은 정확성이 떨어지기 때문에 배터리가 완전히 소모되기 전에 배터리를 교체하게 하거나, 더 심각한 경우에는 예기치 않게 배터리가 방전되는 상황을 초래할 수도 있다. 반면, nPM2100은 호스트 마이크로프로세서에서 실행되는 전압과 온도에 기반한 연료 측정 기능을 지원하여 보다 정확하게 배터리 잔량을 측정하고, 사용자가 배터리의 모든 에너지를 안심하고 사용할 수 있도록 해준다. 이러한 소프트웨어 기반 연료 측정 기능은 배터리에 최소한의 부하만을 추가한다.