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개인 및 광대역 네트워크를 통해 IoT 응용 제품에 연결 추가



글/Digi-Key 유럽 편집자 제공


RF 기술 없이는 IoT를 상상할 수 없을 것이다. 19세기 이후부터 전자기 에너지의 변조, 전송, 수신에 사용된 기술 및 기법은 크게 발전했다. 시작은 초라했지만 현재는 전 세계적으로 영향력 있는 기술이 되었다. IoT는 이 이야기의 새로운 장을 열고 있다.
RF 기술 사용에 대한 법률 또한 크게 변경되었지만 오늘날에는 현대 생활의 모든 면에 영향을 미치는 라이선스프리 솔루션이 많이 있다. 특정 제약을 준수하는 한 누구나 기성 장치를 사용하여 라디오 ‘네트워크’ 서비스를 제공할 수 있다. 이로 인해 산업 및 상업의 단면이 변화하고 있다.
원칙은 동일하게 유지되고 있지만 디지털 신호 처리 개발의 적지 않은 영향 덕분에 변조 기술은 크게 바뀌었다. IoT를 대상으로 하는 무선 솔루션에 대한 수요가 이제는 개인 및 광역 네트워킹 기술의 혁신을 주도하고 있다. 무선 기술의 사용에는 지역 제한을 준수하고, 보안 위협을 관찰 및 대응하며, 네트워크 내에서 호환성을 유지하는 것과 관련하여 자체적인 요구 사항이 있다. 실리콘 수준에서의 프로토콜 및 구현은 이러한 문제를 해결할 수 있는 좋은 방법이다.

새로이 대두되고 있는 Bluetooth 5

개인 영역 네트워크(PAN)의 관점에서, Bluetooth를 능가할 수 있는 기술은 없으며 Bluetooth 5의 등장으로 인해 그에 대한 관심이 더 증가하고 있다. 이 최신 사양은 메쉬 네트워킹(장치 간 직접 연결을 허용하는 토폴로지)를 지원하여 중앙 허브의 필요성을 제거하는 강력한 업그레이드 버전이다. 이로 인해 Bluetooth PAN은 사실상 해당 크기나 장치 개수 측면에서 제한이 없으며 이는 IoT에서 확실한 이점이다.
기타 유용한 개선 사항에는 범위, 페이로드의 크기, 전력 소비 등이 있으며 이로 인해 Bluetooth의 적용성이 향상되고 결과적으로 서비스 가능한 장치 개수가 증가된다. Bluetooth 5를 지원하는 첫 번째 통합 장치는 Dialog Semiconductor의 DA14586이다. 이 고집적 SoC는 응용 코드를 위한 ARMⓇ CortexⓇ-M0 코어, 링크 층을 위한 전용 프로세서, AES 128비트 암호화 프로세서의 3개 프로세서를 갖추고 있다. 또한 2.4GHz 무선 트랜시버와 단선 안테나를 위한 지원을 통합한다.
DA14586 같은 장치는 소형 크기, 높은 수준의 통합, 낮은 전력 요구 사항 덕분에 웨어러블 장치에 이상적이다. 이러한 응용 분야에서 이 안테나는 PCB 상에 구현되어 BOM 및 총 시스템 실장 면적을 더욱 줄일 수 있다. 일반적으로, 이는 이상적인 사용 사례이지만 모든 RF 설계와 마찬가지로 특정한 예방 조치를 취해져야 한다.
예를 들어, 장치는 가능한 한 많은 바이어스를 사용하여 연결된 양호하고 견고한 접지면과, 고주파에서 작동하는 부품 간에 교차 결합을 최소화하기 위해 전체적인 소형 풋프린트를 필요로 한다. 이러한 요구 사항은 가장 일반적인 안테나 형식인 역 F형 안테나(IFA) 구현을 지원하는 다층 PCB를 사용하면 가장 손쉽게 충족할 수 있다. Bluetooth 링크에 적용될 경우, 전체 크기 IFA 대신 접이식 IFA 형식을 사용할 수 있으므로 필요한 PCB 공간을 절반으로 줄이면서 계속적으로 허용 가능한 대역폭을 제공할 수 있다. 그림 1a 및 1b는 각각 DG1458용 다층 PCB의 상위층에 구현된 전체 크기 및 축소된 크기의 인쇄 IFA를 보여준다.
정합 네트워크는 사용되는 기판 및 전체 PCB 두께에 따라 달라질 수 있다. 물론, 안테나는 모든 형태의 간섭으로부터 충분한 공간거리를 확보해야 하며 일반적으로 안테나 주변의 가로 및 세로로 최소 5mm의 공간 거리를 유지하고 케이스에 금속을 사용하지 않는 것이 좋다.
DA14586을 사용하면 단층 PCB에 안테나를 구현할 수 있으며 연속적인 접지면이 없어도 일반적으로 인쇄 쌍극자가 IFA 설계를 대체한다. 그러나, 이렇게 하려면 발룬이 필요하기 때문에 비용이 추가될 수 있다.

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[그림 1a] 1mm 기판 상의 전체 크기 인쇄 IFA 이미지

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[그림 1b] 1mm 기판 상의 축소 크기 인쇄 IFA

다중 프로토콜 솔루션

Bluetooth가 많이 사용되기는 하지만 IoT에 사용되는 유일한 무선 프로토콜은 아니다. 단일 프로토콜이 모든 응용 제품의 요구 사항을 충족시키기는 어려워 보이므로 2.4GHz ISM 대역에서의 공존 필요성은 얼마간 계속될 것이다.
이러한 상황을 인지하는 일부 제조업체는 현재 동일한 장치에 여러 무선 프로토콜을 구현할 수 있는 장치를 제공하고 있으며 이는 제조업체와 소비자들에게 최고의 선택을 제공한다. 이에 대한 대표적인 예로 Silicon Labs의 Mighty Gecko 다중 프로토콜 무선 SoC 제품군을 들 수 있다.
DSP 확장 기능을 포함하는 고성능 ARM Cortex- M4에 의해 지원되는 EFR32MG12는 ZigBee, Thread, Bluetooth 5, 전용 프로토콜을 지원할 수 있다. 또한, 저에너지 센서 인터페이스(LESENSE) 및 다중 채널 정전 용량 방식 감지 인터페이스(CSEN)와 같은 IoT 응용 제품을 위한 Silicon Lab의 주변 장치를 통합한다. 그림 2에서는 온칩 발룬을 포함하는, 완전하게 통합된 유연한 무선 트랜시버를 보여준다. RFSENSE 블록을 통해 이 장치는 RF 신호를 수신하면 절전 해제되어 독자적으로 해당 신호를 복조한다(MCU를 깨우지 않음). 이는 배터리 또는 수확된 에너지로 구동되는 응용 제품의 수명을 최대화하도록 설계된 기능이다.

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[그림 2] Silicon Labs EFR32MG12의 완전 통합형 RF 트랜시버

EFR32 계열은 태양광, 열 또는 진동 같은 재생 가능 자원에서 에너지를 수확하는 응용 제품용으로 적합하다. 심지어 산업용 응용 제품의 4mA~20mA 전류 루프를 통해 수확된 에너지로 EFR32를 작동할 수도 있다. 그림 3은 EFR32의 저전력 작동을 통해, 수확된 에너지로 장치를 작동시키는 방법을 보여준다.

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[그림 3] 저전력 모드는 전적으로 수확된 에너지로 작동하는 IoT 응용 제품을 실현하는 데 도움을 줄 수 있다.

즉시 사용되지 않는 에너지 저장을 비롯한 효율적인 관리는 에너지 수확 응용 분야에서 중요하다. 전해 또는 슈퍼 커패시터 같은 에너지 뱅크 또는 소형 충전지를 구현할 수 있다. 시동 시 전류 서지가 발생하기 때문에 에너지 뱅크가 충분히 충전되기 전에 SoC에 전력이 공급되지 않도록 차단하는 방법을 포함해야 할 수 있다. 그림 4는 이러한 전압 제어 전원 공급 장치를 실현할 수 있는 방법을 보여주는 개념 구성도이다. 시동 시 전압 레벨이 브라운아웃 레벨 아래로 떨어질 경우 MCU의 전원이 꺼지지 않도록 하기 위해 스위치에 히스테리시스를 설계해야 한다.
또한, 에너지 수확 설계에서 신중하게 사용될 수 있도록 EFM32 계열의 에너지 모드 4에 리셋 기능이 필요하다는 것에 주목할 필요가 있다. Silicon Labs는 가능한 경우 절전 모드 EM1~EM3을 사용할 것을 권장한다.

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[그림 4] 전압 제어 전원 스위치 구현

저전력 WAN


무선 통신은 단지 PAN로만 국한되는 것이 아니므로 무선 WAN에서 IoT 응용 제품을 구현하여 훨씬 광범위한 거리에 걸쳐 통신을 제공할 수 있다. 현재 LoRaWAN, Weightless, Sigfox 및 심지어 LTE와 같은 배터리 구동식 응용 프로그램을 대상으로 하는 여러 저전력 광대역 네트워크 기술이 있다.
범위 측면에서 볼 때, 최대 1000km까지 송수신이 가능한 Sigfox가 특히 인상적이다. Sigfox는 독점 네트워크에서 작동하는 초협대역 무선 기술과 전송 전에 연결을 설정할 필요가 없는 간단한 프로토콜을 사용하여 이러한 장거리 송수신을 실현한다.
저전력 WAN은 구현 방법에서 PAN과 다르지만 연결이 어렵지 않는다. 예를 들어, Microchip의 ATA8520D는 Sigfox 네트워크의 단일 칩 트랜시버이다. 아래 그림 5에서 응용 예를 볼 수 있다.
Sigfox 프로토콜을 작동하고 통합된 RF 프런트 엔드를 구동하기 위해 실행해야 하는 모든 펌웨어가 장치의 CPU에 내장되어 있지만 전송 및 수신 기능 제어는 호스트 프로세서에 의해 SPI를 통해 시작된다.
이 장치는 호스트 프로세서에 의해 ‘절전 해제’될 때까지 Off 상태를 유지하며 일반적으로 5nA 미만을 소모한다(25℃ 기준). 일반적인 응용 제품에서, TX/RX 주기는 절전 해제로 시작하여 상태 가져오기, TX 버퍼 쓰기, 프레임 전송/수신, 상태 가져오기, RX 버퍼 읽기의 명령 순서로 이어진다. 또한 읽기 명령 다음에는 SPI를 통해 종료 명령을 전송하여 장치를 절전 모드로 전환할 수 있다.

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[그림 5] ATA8520D Sigfox 트랜시버 사용 예

결론


IoT는 무선 기술에 의해 강화될 수 있지만 단일 솔루션에 의해 지배될 가능성은 거의 없다. 여러 다중 무선 프로토콜을 구현할 수 있는 단일 칩 장치의 사용 가능성은 조각화가 IoT 확장을 방해하지 않을 것이라는 것을 보여준다.
무선 연결 구현 비용이 감소하며 설계 복잡도 또한 감소한다. 저전력 솔루션에 강력한 MCU와 함께 프로토콜 스택과 RF 프런트 엔드를 내장하는 완전히 통합된 SoC의 개발을 통해 미래에는 더 많은 장치를 연결할 수 있을 것이다.
그러나, 지정된 응용 분야에 적합한 무선 프로토콜을 선택하는 것은 더욱 어려워질 수 있다. 중첩되는 기능이 증가함에 따라 선택해야 할 프로토콜이 불분명해지거나 그 중요도가 떨어질 수 있다. 이러한 문제는 다중 프로토콜 장치를 구현함으로써 신속하게 해결할 수 있다.
한 가지는 분명하다. PAN 및 WAN 수준에서의 무선 연결이 증가하고 있으며, 이와 함께 모든 수직 부문에 대한 유연성, 제어, 전반적인 기능이 향상되고 있다.

leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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