MCU 저전력(전력 소비) 회로 설계 방안과 기법 (전자회로 저전압 공급)

MCU 저전력(전력 소비) 회로 설계 방안과 기법 (전자회로 저전압 공급)


MCU - 에너지 최저 소모를 위한 설계방안 (전력 소비, 저전력 방안)

사물 인터넷을 목표로 하는 대부분의 MCU는 동일한 CPU 기술, Arm Cortex-M 프로세서를 기반으로 한다. 이 프로세서는 더욱 단순한 애플리케이션용으로 비용 및 전력 효율성에 대해 최적화된 Cortex-M0+부터 부동 소수점과 DSP 동작이 필요한 복잡한 고성능 애플리케이션에 최적화된 Cortex-M4까지 다양하다.


ARM CPU는 코드 크기, 성능, 효율성 측면(저전력, 저전압)에서 기준을 제공하지만, 활성 또는 완전 휴면 모드에서 MCU의 실제 전력 소비의 경우, 대부분의 극소 전력 소비 능력은 전적으로 MCU 판매업체에 달려 있다. 활성 전력 소비는 프로세스 기술 선택, 캐싱, 전체적인 MCU 아키텍처로부터 상당한 영향을 받을 수 있다. MCU 휴면 전력 및 CPU 휴면 상태에서 사용 가능한 페리페럴 기능은 전적으로 MCU 설계 및 아키텍처에 따라 결정된다.


EEMBC Working Group이 2단계 ULPBNench 기준과 관련해서 설명한 바와 같이, 페리페럴은 극소 에너지 소비로 시스템을 동작할 때 중요한 역할을 한다. 대부분의 애플리케이션의 경우, 임의 기능들은 항상 작동 상태를 유지해야 한다. (예비 전력이 항상 필요하다는 의미로 최저 소모에 반한다는 뜻)

예를 들면, 유량계 애플리케이션의 경우, 모니터링 교대가 필요할 수 있으며, 제어판의 경우 손가락 근접성을 등록할 것이다.


가능한 최저 애플리케이션 전력 소비(저전력 실현)를 실현하기 위해 MCU는 CPU와 많은 기능을 수행하는 다른 페리페럴을 휴면 상태로 유지하면서 완전 휴면 상태로 기능을 수행함으로써 자체 전력 소비를 최소화할 뿐만 아니라 가능한 한 언제든지 작동 주기를 조절해 센서와 다른 부품의 전력 소비를 최소화해야 한다.


휴면 상태는 일반적으로 에너지 감소를 위해 클록 게이팅 또는 파워 게이팅을 다양한 조합으로 사용해 휴면 상태를 유지할 수 있는 클록과 메모리, 페리페럴에 영향을 준다.


이와 같은 방식의 단점은 응답 시간이다.


EEMBC president Markus LevyMCU 저전력(전력 소비) 회로 설계 방안과 기법 (전자회로 저전압 공급), EEMBC president Markus Levy


CPU 클록 게이팅으로 간단하게 CPU를 휴면 상태로 전환하면 거의 즉각적인 구동을 가능하게 하면서 전력 소비를 현저히 감소시킬 수 있다. 이 기술은 MCU와 해당 클록 주파수에 따라 전력 소비를 수십 밀리암페어에서 1밀리암페어 이하로 감소시킬 수 있다. MCU는 페리페럴이 자동 작동 상태를 유지하는 한 다른 모든 기능을 사용할 수 있으며, 페리페럴에 데이터를 제공할 수 있는 DMA 엔진 또는 이와 유사한 MCU 기능이 있다. 


전력 소비를 더욱 최소화하기 위해, 다양한 MCU 페리페럴에 공급되는 전력을 차단해 MCU의 전력 소비를 한 자릿수 마이크로 암페어에서 수백 나노 암페어로 감소하여 저전력을 달성할 수 있다.


하지만 이 방식은 고려해야 할 사항이 아니다.


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예를 들면, MCU의 모든 기능을 휴면 상태로 전환해서 전력 소비를 거의 0으로 만들 수 있는데, 실제 이런 부품은 휴면 상태가 불가능하고 전력 스위치에서 전력이 누출되기 때문에 -보다는 클 것이다. 그러나 모든 기능을 휴면 상태로 전환한 상태에서 MCU는 더 이상 유용하지 않으며, 실제 애플리케이션의 경우, 이와 같은 에너지 모드는 애플리케이션이 필요로 하는 기능을 제공하지 않기 때문에 거의 사용이 불가능하다.


이에 MCU를 더욱 완전한 휴면 상태로 만들기 위해서는 기능 요구 사항과 함께 이에 따른 휴면 전력의 균형을 맞추어야 한다.

최상의 방식으로 이와 같은 균형을 이루는 MCU는 가장 최적으로 휴면 상태를 유지해서 에너지를 가장 많이 절감할 수 있을 것이다. 일부 MCU 기능은 애플레키여선 성능에 간접적으로 관여하지만, 완전 휴면 모드에서 활성화될 수 있어야 한다. 절전을 위한 전압 저하 감지기(BOD)가 한 예이다.


EEMBC Logo MCU 저전력MCU 저전력(전력 소비) 회로 설계 방안과 기법 (전자회로 저전압 공급)

BOD 연속 작동은 전력 차단 시, 신뢰성 있는 기능 수행 또는 안전 정지를 유지하기 위해 필수적이다. 애플리케이션에 에너지를 공급하기 위해 배터리 또는 에너지 하비스팅 장치를 사용하는 경우, 애플리케이션 사용 기간 동안 전압을 MCU 요구 사항 이하로 감소시킬 수 있다.


이와 같은 상황은 유선 애플리케이션에도 적용할 수 있다.

정전으로 유선 공급 문제가 발생했다고 가정하자.


저전력 전력 공급은 MCU에 오류를 발생시킬 정도로 충분한 시간 동안 필요한 전압 이하를 유지할 수 있으며, BOD를 활성화하지 않은 상태에서, 오류 발생 MCU는 정의되지 않은 작동을 계속 진행할 것이다.


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이처럼 BOD는 불안정 공급 상태에서도 MCU 작동이 항상 정확하게 정의되도록 보장하기 위한 중요한 요소이다. MCU의 총소비전력을 평가할 때, BOD 전력 소비를 고려하는 것이 중요하다. 모든 MCU 판매업체들이 BOD 활성 상태에서 에너지 모든 전력 소비를 명시하지 않는다. 또한, 더욱이 완전한 휴면 상태를 가정한 후, 사용할 수 있는 기능 형태를 검토하는 것도 중요하다.


휴면 상태에서 애플리케이션 지원이 되지 않는다면, 이와 같은 지원을 위해 MCU를 더욱 자주 활성 상태로 유지해야 하며, 이에 따라 애플리케이션 전력은 수십 배 증가할 것이다. 검증할 수 있는 에너지 소비량에 대한 정보가 없는 경우, 개발자들은 자신들의 애플리케이션에서 에너지 소비량을 검토하기 위해 MCU 스펙을 상세하게 분석해야 하지만, 이 경우에도, 필요한 상세 정보를 찾을 수 없을 수 있다.


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예를 들면, 다양한 MCU 제조업체들이 구현한 휴면 상태는 직접 비교가 불가능하므로 에너지 효율성을 공정하게 비교하기 어렵다. 기술자들 또한 휴면 상태에서 영향을 받거나 받지 않는 특정 회로 부분에 대한 상세한 정보가 없이 가정해야 하는 경우도 있다. 이 경우, 신뢰할 수 있는 유일한 솔루션은 실제 상황에서 경험적으로 전력 소비를 측정하는 것이다.


이 같은 방식은 개발자가 한 개 이상의 MCU를 평가해야 하는 경우, 상당히 어려운 과정이며, ULPBench 등 기준은 모든 기능을 평가할 수 있는 수준에 도달하는 경우 쓸모가 없게 될 것이다. 기준이 포괄적인 시스템 수준 전력 소비 측정이 가능한 수준으로 발전할 때까지, 자신들의 애플리케이션 에너지 효율성을 검증하고 하는 개발자들은 저전력 MCU 기능에 대해 연구할 필요가 있을 것이다.


출처 - 전자기술 2015년 10월호 87p~89p

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