도시바(Toshiba)(도쿄증권거래소:6502)가 소형 코인 셀 리튬 배터리로 작동되는 사물인터넷 디바이스용 현 제품[2]의 전류를 50%로 감축하는 4.2버전 호환 저전력 블루투스(Bluetooth® low energy)[1] 시스템 온 칩(SoC)을 개발했다. 저전력 작동에 적합한 아날로그 회로 설계와 아키텍처 구성을 채택함으로써 상당히 긴 배터리 수명과 함께 수신 3.2mA(RX) 전송 3.5mA(TX)[3]의 전류 소비를 달성했다.
SoC는 RF(무선주파수)[4] 매칭 네트워크를 통합하고 외부 구성요소 수를 줄여 사물인터넷 디바이스의 소형화에 기여한다. 이 기술은 11월 8일 일본 도야마에서 열린 2016 IEEE 아시아 솔리드 스테이트 회로 회의(2016 IEEE Asian Solid-State Circuits Conference, A-SSCC)에서 발표됐다.
최근 사물인터넷의 급속한 발전은 광범위한 센서 정보를 수집하고 관리하는 스마트 워치와 스마트 밴드 같은 웨어러블 다기능 사물인터넷 디바이스를 구현했다. 특히 저전력 무선통신용으로 개발된 저전력 블루투스(Bluetooth® low energy)는 무게를 줄이고 배터리 수명을 늘리기 위해 많은 사물인터넷 디바이스에 사용된다. 일반적으로 수신 감도와 전송 파워 같은 무선 성능과 전류 소비 사이에는 균형이 있으며 기존의 저전력 블루투스 SoC는 한 번에 모든 요구조건을 만족시킬 수 없다. 따라서 웨어러블 사물인터넷 디바이스에 사용되는 다양한 배터리 유형을 사용하기 위해 3~4mA 사이의 저전류를 소비하는 저전력 블루투스 SoC가 반드시 필요하다. 저전력 블루투스 디바이스의 크기를 줄이기 위해 저전력 블루투스 SoC에 외부 구성요소를 포함하는 것이 효과적이라 해도, RF 매칭 네트워크가 내장된 저전력 블루투스 SoC의 수신기 민감도와 전송 파워를 디그레이드하는 것은 여전히 문제다.
도시바는 저전력 블루투스 SoC 전류 소비를 줄이기 위해 다음 3개의 기술을 도입했다. (1) 저전류 소비에 적합한 수신기 아키텍처 구성, (2) 고효율 파워 관리시스템, (3) 저전류 RF 디자인.
(1) 수신기 아키텍처는 발진기의 전류 소비를 줄이면서 기존 수신기 주파수의 반만 사용하는 로컬 신시사이저(local synthesizer)를 도입했다. 이 아키텍처는 복잡한 주파수 구성 때문에 간섭 신호에 취약한 측면이 있기는 하지만, 셀룰러 신호와 겹치는 것을 피할 수 있는 주파수 계획을 채택함으로써 간섭에 대한 내성을 달성할 수 있다.
(2) 레귤레이터(LDO: Low Drop Out)[5]의 파워 손실을 개선하기 위해서는 SoC로부터 LDO가 제거돼야 한다. DC-DC 컨버터의 잡음 스위칭으로 인한 성능 저하가 문제가 되기 때문에 위상 고정 루프[6]가 DC-DC 컨버터의 스위칭 주파수를 고정하고 저전력 블루투스에 의해 사용되는 밴드와의 간섭을 예방하기 위해 사용된다.
(3) TX와 RX가 단일 전압제어 발진기(VCO)를 공유할 수 있는 저전류 RF 디자인에서 VCO의 주파수 전환 범위는 상당히 광범위해 전류 소비를 증가시킨다. 각 VCO의 주파수 전환 범위를 좁히기 위해 VCO를 TX와 RX용으로 구분해 저전류 소비를 달성할 수 있다. 또한 전류 소비를 줄이기 위해 파워 증폭기에 스위칭 증폭기 기술이 도입됐다.
저전류 기술을 채택함으로써 도시바의 저전력 블루투스 SoC는 작동 전류 소비를 RX용은 3.2mA, TX용은 3.5mA로 감축하고 무선 성능을 개선했다. RX 감도는 93dBm, 출력 파워는 0dBm이다. 또한 65nm CMOS 프로세스로 제작된 SoC에서 모든 RF 매칭 네트워크를 통합해 외부 구성요소 수를 도시바의 현 제품에서 요구되는 19개에서 7개로 줄였다.
도시바는 12월 7일부터 대량생산을 시작하는 저전력 블루투스 제품에서 이 새로운 전류 소비 기술을 채택한다.
[1] 블루투스(Bluetooth®) 마크와 로고는 블루투스 SIG(Bluetooth SIG)의 소유 등록 상표다.
[2] 도시바의 “TC35667FTG" 제품과 비교 시
[3] 세계 최저 전류 소비, 2016년 7월 11일 도시바 조사 결과
[4] 무선통신에 사용되는 주파수
[5] 입력과 출력 간의 작은 전압차로도 작동되는 레귤레이터
[6] 피드백 제어에 의한 입력과 출력 신호의 위상과 주파수를 동기화하는 전자회로
[7] 엔지니어링 샘플은 2016년 10월부터 이용 가능
도시바 코퍼레이션(Toshiba Corporation)은 첨단 전자/전기 제품 및 시스템을 통해서 더욱 청정하고 안전한 일상생활을 지속시켜 주는 에너지 분야, 생활의 질을 지속시켜 주는 인프라 분야, 그리고 첨단 정보사회를 지속시켜 주는 스토리지 제품 등 3개의 전략적 사업에 세계적인 역량을 펼치고 있는 포춘지 선정 500대 글로벌 기업 중 하나이다. 도시바는 그룹의 기본 약속인 ‘인류에 헌신, 미래에 헌신’을 바탕으로 하여 국제 경영을 장려하고 있으며 미래의 세대들이 더 나은 삶을 사는 세상을 실현하기 위해 헌신하고 있다.
1875년 설립된 도시바는 현재 전 세계에 18만 8000여 명의 임직원을 보유하고 있는 550여개의 연결기업으로 구성된 글로벌 네트워크의 중심이며, 연간 매출은 5조 6000억 엔(미화 500억 달러, 2016년 3월 31일 현재)을 상회하고 있다. 자세한 사항은 도시바 웹사이트(www.toshiba.co.jp/index.htm)에서 확인할 수 있다.
비즈니스 와이어(businesswire.com) 원문 보기: http://www.businesswire.com/news/home/20161107005593/en/
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