PDS 초저전력 구현을 위한 설계

저전력 구현과 관련하여, 제품은 거의 고전류 옵션이 없고, 크기가 작으며, 전력 관리에 최적화되어 있으며, 배터리 수명이 가능한 한 길게 지속되어야 한다는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 기준에 해당하는 제품에는 스마트폰, 스마트워치, 원격 모니터링 장치, 의료 기기 등이 포함되지만 이에 국한되지 않습니다.

PDS 설계와 전력 관리 측면에서, 초저전력으로 특징지어지는 모든 제품에 내재된 몇 가지 주요 요소는 매우 작은 기하학적 구조에서 효율적인 PDS를 설계하고, 전력 소비를 관리하며, 배터리 수명을 보존하는 것입니다. 원격 모니터링 장치와 같은 일부 제품 구현에서는 누설로 인한 전력 소모의 잠재적 원인으로부터 제거하기 위해 올바른 커패시터를 선택하는 것도 중요한 요소입니다. 이 기사는 이러한 역학에 초점을 맞춥니다.

아직 읽지 않았다면, 이 블로그는 PDS 설계의 진화, 전력이 흐르는 곳과 관련된 도전 과제, 성능 저하 측면에서 인덕턴스와 저항의 영향에 대해 집중하며, 전력 전달 시스템을 탐색하기 시작하기에 좋은 곳입니다.

그렇게 작은 제품에 너무 많은 기능

스마트 기술이 소형 폼 팩터로 구현되어 우리 일상 생활에서 너무나도 흔해져서, 이 기술이 없었던 시절을 상상하기 어려울 정도입니다. 그리고 이러한 기기 내에 포함된 기술의 진화와 정교함이 크게 발전하여, 우리가 의존하게 된 다양한 제품 기능을 구현하고 운영하는 데 있어서 우리가 경솔해졌습니다.

예를 들어, 전화기를 세로에서 가로로 회전할 때 화면이 정렬되도록 하는 기술은 우리가 과거에 슈퍼컴퓨터라고 불렀던 것입니다. 스마트폰에는 몇 개의 라디오, 하나 이상의 카메라, 화면, 내부의 프로세서, 그리고 전력을 소비하는 메모리 등 많은 기능이 있어, 다양한 전력 영역을 관리하는 것이 도전이 됩니다. 기기의 모든 전력 레일에는 PDS가 있으며, 스마트폰에 15-20개의 PDS가 있는 것은 드문 일이 아니라는 점을 기억하는 것이 중요합니다.

따라서 PCB 디자이너의 주요 업무는 각 전력 레일을 위한 충분한 영역을 보드에 확보하는 방법과, 출발점이 많지 않을 때 평면을 분할할 수 있는 충분한 방법을 찾는 것입니다.

예를 들어, iPhone 10(iPhone X)은 매우 얇은 PCB가 두 개 있습니다. 하나는 8층이고 다른 하나는 10층입니다. 두 보드 모두 양면에 부품이 있으며, 두 보드는 휴대폰 내부에서 서로 위에 겹쳐져 있습니다. 복잡한 IC들은 전혀 패키지가 없으며, 모두 범프 다이입니다. (범프 다이는 플립 칩이나 제어 붕괴 칩 연결(C4)로도 알려져 있습니다. IC들을 외부 회로와 솔더 범프로 연결하는 방법이며, 매우 작은 영역에서 IC들을 보드에 연결할 수 있게 합니다.)

그리고 이러한 밀집된 기하학적 구조 때문에, PDS를 관리하는 방법으로 평면 커패시턴스를 가질 여유가 없습니다. 모든 커패시턴스는 IC 내부에 직접 구축됩니다. 실제로, 이러한 제품을 개발하기 위해 필요한 설계 전문 지식은 매우 전문화되어 있으며, 전통적인 PCB 설계와는 매우 다릅니다.

전력 관리

그러므로, 초저전력 제품에 대한 두 가지 매개변수가 고려되었습니다—매우 작은 공간에 많은 기능과 하나의 장치에 여러 PDS가 있습니다. 전력 관리 측면에서, 휴대폰은 특정 기능이 활성화되지 않을 때 꺼지도록 설계되었습니다. 그리고, 바로 여기에서 PDS 작동을 확실히 하는 것이 중요합니다.

디자이너로서, 휴대폰 내의 모든 주요 전력 소비자를 관리하는 방법을 알아내야 합니다. 그래서 그들이 적절한 시간에 꺼지고 켜집니다. 대부분의 스마트폰에서 가장 큰 전력 소비자는 라디오입니다. 비디오, 사진, 대량의 데이터 등을 업로드할 때, 라디오는 지속적으로 켜져 있고 전력 소비가 높습니다. 중간에서 낮은 전력 사용 범위에는 문자 메시지 전송과 더 간단한 데이터 파일의 업로드가 있습니다. 전력 사용의 극단적으로 낮은 끝은 휴대폰과 휴대폰 타워 사이에 지속적으로 위치를 모니터링하는 "핑"이 발생하는 것입니다. 본질적으로, 휴대폰이 완전히 꺼져 있을 때만 어느 정도의 전력을 소비하지 않습니다.

배터리 보존

다음으로, 초저전력 제품 구현에서 아마도 가장 중요한 측면에 대해 알아보겠습니다: 배터리 수명을 최대한 길게 유지하는 것입니다. 스마트폰의 경우 배터리 수명은 중요한 기능이지만, 원격 모니터링 장치와 같은 다른 제품의 경우 전력 절약은 절대적인 필요성입니다. 이러한 유형의 제품 예로는 대형 송전선에 클립으로 부착되는 전력선 모니터가 있습니다. 대부분의 경우, 이러한 장치의 성능 요구 사항은 배터리가 적어도 1년은 지속되어야 한다는 것입니다. 하지만, 커패시터가 잘못된 유형이라면 누설되어 배터리가 원하는 것보다 훨씬 빨리 방전될 수 있습니다.

이론적으로, 커패시터는 완벽한 절연체여야 합니다. 하지만, 그렇지 않습니다. 커패시터가 80암페어의 전력 공급 장치에 사용되는 경우, 몇 마이크로암페어의 누설은 문제가 되지 않거나 큰 문제를 일으키지 않습니다. 하지만 배터리가 1년의 수명 주기를 가져야 한다면, 아무리 작은 커패시터 누설이라도 큰 문제가 될 수 있습니다. 일반적으로 초저전력 장치에 선택된 커패시터는 바이패스 커패시터로 사용되었던 것과 동일한 것들입니다(종종 탄탈럼 커패시터). 규칙적으로, 이들은 저누설이 아니며 실제로 그들에게 성능 기준이 아닙니다.

보통 세라믹 캐패시터는 누설 문제를 일으키지 않지만 가장 저렴한 편도 아니기 때문에, 원격 모니터링과 같은 초저전력 애플리케이션에 기본 선택 항목이 아닙니다. 선택한 캐패시터가 "누설 방지" 기능을 갖추고 있는지 확인하는 가장 좋은 방법은 해당 장치의 애플리케이션 노트를 읽는 것입니다. 누설 방지 기능이 명시되어 있지 않다면, 특별히 그러한 것으로 표시된 캐패시터를 찾는 것이 최선입니다.

초저전력 장치의 PDS 요구 사항은 표준 PCB 구현과 크게 다릅니다. 이러한 장치는 작은 폼 팩터, 고효율 PDS 설계 및 잠재적인 전력 소모 원천의 제거를 특징으로 합니다.

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