스마트 디바이스 개발을 위한 디자인 개념 및 솔루션

더 스마트하고 더 컴팩트한 블루투스 헬스케어 및 웨어러블 기기 설계

소형이며 엄격히 요구되는 Bluetooth 헬스케어 장치를 제작하려면 단순히 시장에서 가장 작은 하드웨어 부품을 선택하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 제품 크기를 줄이기 위해 재료 명세서(BOM)를 최적화하고, 통합 Bluetooth SoC와 모듈을 사용하며, 헬스케어 애플리케이션에 필요한 다양한 주변 기능과 특징을 통합할 수 있습니다. 이를 통해 PCB 공간을 상당히 절약하고, 설계 유연성을 향상시키며, 비용을 줄일 수 있습니다.

블루투스 헬스케어 기기를 설계하기 위해 몇 가지 설계 개념을 활용하여 제품 개발을 가속화하고 더 많은 기능을 통합할 수 있습니다. 첫째, 블루투스 헬스케어 기기는 통합된 AI/ML 가속기를 활용하여 기기의 지능형 제어 기능을 향상시킬 수 있습니다. 기계 학습(ML)을 통해 기존 모델을 기반으로 대량의 센서 데이터를 처리하여 이상 여부를 파악하고 클라우드로 다시 전송할 데이터가 무엇인지 결정할 수 있습니다. 오늘날에는 무선 기기가 모든 수집 데이터를 클라우드로 전송하여 처리 및 분석을 수행할 수 있습니다. 기기에서 주요 데이터를 식별하고 특정 데이터 하위 집합만 클라우드로 전송함으로써 귀중한 자원을 절약하고 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.

인공지능(AI)은 가정에서의 노인 돌봄과 같은 응용 분야에도 사용할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서 생체 신호를 모니터링하고, 데이터 변화 추적, 보행 패턴 관찰 및 일반적으로 비정상적인 패턴을 식별하는 것은 제공자에게 중요한 진단 데이터를 제공할 수 있습니다. 또한 돌봄 제공자와 가족 구성원에게 생명을 구할 수 있는 경고를 작동시켜 환자의 삶을 크게 개선하고, 나아가 생명을 구할 수도 있습니다.

또한 이러한 제품에는 센서 측정 및 배터리 전력 모니터링을 위해 많은 무선 헬스케어 및 웨어러블 기기에서 사용될 수 있는 ADC와 같은 더 많은 아날로그 주변장치의 통합이 필요합니다. 개별 아날로그 프론트엔드(AFE) 솔루션을 사용하는 연속 혈당 모니터링(CGM) 및 기타 휴대용 의료 기기 제조업체에게는 ADC와 DAC가 칩에서 사용할 수 있는 두 가지 주요 기능입니다.

에너지 효율과 배터리 수명을 향상시키는 낮은 전력 소비

DC-DC 컨버터는 배터리로 구동되는 헬스케어 기기에서 매우 중요한 구성 요소입니다. 부스트 컨버터는 SoC가 알칼리 및 산화은 배터리와 같은 저전압 배터리를 사용할 수 있도록 하며, 입력 범위는 0.8V에서 1.7V까지입니다. 이를 통해 Bluetooth SoC가 더 낮은 전력 전압에서 작동할 수 있습니다. 벅 컨버터는 SoC가 리튬 코인 셀 같은 다른 3V 배터리를 사용하여 에너지 효율 및 배터리 수명을 개선하거나 배터리 크기를 줄일 수 있도록 합니다.

중요한 의료 애플리케이션에서 예기치 않은 배터리 소모를 예측하고 방지하기 위해 충전 측정 장치인 쿨롬 카운터는 배터리 충전을 정확하게 추적하여 사용자 안전 및 경험을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 저주파 RC 오실레이터는 Bluetooth 저전력(LE) 2.4 GHz 애플리케이션의 주요 구성 요소이며, 이 경우 Bluetooth LE SoC는 ±500 ppm의 지정된 수면 클럭 정확도를 충족해야 합니다.

헬스케어 및 웨어러블 기기가 사용하는 낮은 전력량을 고려할 때, 매칭 네트워크에서 적절한 RF 성능을 유지하면서 PCB 층수와 구성 요소를 줄이는 것이 중요합니다. 블루투스 기기의 전력 소비를 최소화하는 것은 필수적이며, 이를 통해 기기 제조업체는 기기 크기를 줄일 수 있습니다.

글로벌 AR/VR 디바이스 시장의 유망한 전망

오늘날 소비자들은 점점 집 중심적인 생활을 추구하고 있습니다. 업무, 교육, 의료, 쇼핑, 엔터테인먼트 등 모든 것이 집에서 접근 가능해야 합니다. AR/VR 기술로 현실 세계와 디지털 세계의 경계가 얽히게 됩니다. AR/VR 헤드 마운트 디스플레이(HMD)를 착용하고 핸드헬드 컨트롤러를 잡으면, 3D 게임 또는 영화를 진정으로 몰입하여 경험할 수 있습니다. 또는 집에서 현실감 있는 가상 쇼핑몰에 접속해 새 옷을 입어보거나 새로운 소파가 어떻게 보일지 확인해볼 수도 있습니다. AR/VR 애플리케이션은 소비자 경험을 향상시키고 우리의 삶을 더 효율적으로 만들어줍니다. 2027년까지 전 세계 AR/VR 기기 시장은 AR/VR 애플리케이션에 대해 연평균 성장률(CAGR) 26%를 기록할 것으로 예상됩니다.

웨어러블 AR/VR 장치는 고유한 무선 설계 과제를 제시합니다. 배터리 수명과 충전 간격을 최대화하면서 배터리 무게를 최소화하기 위해 매우 에너지 효율적이어야 합니다. 동시에, 자연스러운 시각적 경험을 제공하기 위해 고대역폭 비디오를 처리할 수 있어야 합니다. VR 컨트롤러와 HMD 간의 지연 시간은 제스처 및 움직임에 대한 적시 응답을 보장하기 위해 최소화되어야 하는 중요한 요소입니다.

AR 및 VR 애플리케이션에는 세 가지 주요 무선 요구사항이 있습니다: 낮은 전력 소모, 낮은 지연 시간, 안정적인 연결. 배터리로 작동하거나 충전 가능한 VR 컨트롤러, 스마트 글래스, AR/VR 헤드셋과 같은 기기의 사용자 경험을 향상시키기 위해 에너지 효율성은 매우 중요합니다. 또한, HMD와 VR 컨트롤러가 가정 네트워크에 대한 악의적인 공격의 관문 역할을 할 수 있기 때문에 연결된 기기의 사용자들에게 보안은 가장 우려되는 사항 중 하나입니다.

고도로 통합된 블루투스 저에너지 SoC

Silicon Labs는 블루투스 무선 연결 및 제어 애플리케이션을 위한 다양한 SoC와 모듈을 제공합니다. 아래는 주요 제품들과 그 특징입니다.

EFR32BG22 시리즈는 에너지 효율성과 수신기(RX) 감도를 자랑하는 첨단 Bluetooth 저에너지(BLE) SoC로, 에너지 절약형 스마트 엔터테인먼트 장치에 이상적인 제품입니다. 이 SoC는 크기가 단 4 x 4 mm로, Secure Vault 기능을 지원합니다. Wireless Gecko Series 2 플랫폼의 일부로서 EFR32BG22와 EFR32BG22E BLE SoC 솔루션은 에너지 효율성에 중점을 두어 설계되었으며, 초저전력 송신 및 수신을 제공합니다. 고성능 저전력 Arm® Cortex®-M33 코어는 업계 최고의 에너지 효율성을 제공하며, 단추형 전지의 수명을 최대 10년까지 연장할 가능성을 제공합니다.

Silicon Labs의 BG22는 에너지 효율적인 애플리케이션 개발에 도움을 주며, BG22E("E"는 에너지 절약을 의미함)는 배터리 수명을 연장하고 완전히 배터리가 필요 없는 디자인을 지원하여 에너지 효율을 더욱 향상시킵니다. BG22 및 BG22E 시리즈는 Ambient IoT 또는 에너지 하베스팅 장치에 이상적인 SoC입니다. 목표 애플리케이션에는 블루투스 메쉬 네트워크의 저전력 노드, 스마트 잠금장치, 개인 건강 관리 및 피트니스 장치가 포함됩니다.

EFR32BG27 시리즈는 고성능 Bluetooth 저에너지를 지원하는 WLCSP(2.3 x 2.6 mm) 및 QFN 패키지로 제공되는 컴팩트하고 초저전력 SoC를 특징으로 합니다. 이러한 SoC는 넓은 전압 범위를 지원하는 DCDC 부스트 컨버터와 정확한 배터리 수준 추적을 위한 콜롬 계수를 포함하며, PSA 레벨 2 보안을 지원합니다. EFR32BG27 시리즈 무선 SoC는 버튼 전지 배터리로 작동할 수 있어 디바이스 제조업체에게 새로운 가능성을 열어줍니다. 이 시리즈는 제조업체가 성능과 보안을 희생하지 않고도 극도로 작은 폼 팩터 애플리케이션의 요구 사항을 충족시킬 수 있도록 합니다.

BG27 Bluetooth SoC는 DCDC 부스트 기능을 통합하여 배터리 전압이 0.8볼트로 낮은 상태에서도 작동이 가능하며, 단일 셀 알카라인 배터리와 1.5볼트 버튼 셀 배터리를 지원합니다. 또한, BG27의 웨이크업 핀은 제품이 창고 보관이나 운송 중 몇 달 동안 꺼진 상태를 유지할 수 있도록 하며, 전력 소비를 20 nA 이하로 줄여 배터리를 사용할 수 있는 상태로 유지합니다. 통합된 쿨롬 카운터는 배터리 상태를 정확히 모니터링하여 중요한 애플리케이션에서 예상치 못한 배터리 소모를 방지합니다. 주요 응용 분야에는 연결된 헬스케어 기기, 웨어러블, 센서, 스위치, 스마트 잠금장치, 상업용 및 LED 조명이 포함됩니다.

EFR32BG24는 배터리 효율적인 스마트 웨어러블 장치에 적합한 고성능 무선 및 저전력 SoC로, 통합 AI/ML 가속기와 최고 PSA 레벨 3 인증을 받은 Secure Vault™ 기능을 갖추고 있습니다. EFR32BG24 무선 SoC는 블루투스 저에너지(Bluetooth Low Energy) 및 블루투스 메쉬(Bluetooth Mesh) 네트워크를 활용한 IoT 무선 연결에 이상적이며, 스마트 홈, 조명 및 휴대용 헬스케어 제품에 적합합니다.

고성능 2.4 GHz RF, 낮은 전류 소비, AI/ML 하드웨어 가속기 및 Secure Vault™를 통해 IoT 디바이스 제조업체는 스마트하고 견고하며 에너지 효율적인 제품을 개발하여 원격 및 로컬 사이버 공격으로부터 보호할 수 있습니다. ARM Cortex®-M33는 최대 78 MHz로 실행되며, 1.5 MB의 플래시 메모리와 256 kB의 RAM을 제공하여 까다로운 애플리케이션에 필요한 리소스를 제공하면서도 미래 확장을 위한 공간을 제공합니다. 주요 애플리케이션으로는 게이트웨이/허브, 센서, 스위치, 도어락, 스마트 플러그, LED 조명, 조명기구, 혈당 측정기 및 맥박 산소 측정기가 포함됩니다.

초저전력 IoT 무선 디바이스 솔루션

EFR32FG22(FG22) Series 2 2.4GHz 전용 무선 SoC는 업계 최고 수준의 에너지 효율성과 수신기(RX) 감도를 제공하여 에너지 절약형 스마트 엔터테인먼트 기기에 이상적입니다. 이 제품은 4 x 4 mm의 매우 작은 크기를 자랑하며 Secure Vault 기능을 지원합니다. EFR32FG22 및 EFR32FG22E 전용 무선 2.4GHz SoC 솔루션은 Wireless Gecko Series 2 플랫폼의 일부입니다.

FG22 SoC는 TrustZone이 포함된 38.4 MHz Arm® Cortex®-M33 코어와 수신 감도가 -102.3 dBm인 고성능 라디오를 통합합니다. FG22는 에너지 절약 응용 프로그램을 만들 수 있도록 하며, FG22E(“E”는 에너지 절약을 의미)는 배터리 수명을 연장하고 완전히 배터리가 없는 설계를 지원함으로써 에너지 절약 혜택을 더욱 강화합니다. 이 SoC는 초저송신 및 수신 전력(8.2 mA TX, +6 dBm에서, 3.6 mA RX), 1.2 µA 딥슬립 모드 전력 소비와 같은 혁신적인 저전력 기능(RFSense)을 결합하여 제한된 배터리 또는 에너지 수집 옵션을 가진 제품의 수명을 연장할 수 있는 업계 최고 수준의 에너지 효율을 제공합니다.

Silicon Labs RS9116 무선 모듈은 초저전력 RF 인증 Wi-Fi 4 SiP 모듈(802.11 b/g/n)로, 통합 안테나를 탑재하고 Bluetooth 저에너지(Bluetooth Low Energy), Bluetooth 클래식(Bluetooth Classic), 안전한 네트워크 프로토콜 스택을 지원하며 크기가 4.63 x 7.90 x 0.9 mm로 매우 컴팩트합니다. RS9116 무선 모듈은 단일 대역 및 듀얼 대역 버전으로 제공되며, Wi-Fi와 듀얼 모드 Bluetooth 5를 포함한 종합적인 다중 프로토콜 무선 연결 솔루션을 제공합니다. 이 무선 모듈은 전력 최적화 된 성능으로 높은 데이터 처리량과 확장 범위를 제공하며 FCC, IC 및 ETSI/CE 인증을 받았습니다.

SiWx917 Wi-Fi 6 및 Bluetooth 저에너지 5.4 무선 SoC는 고효율 스마트 디바이스에 적합한 저전력 Wi-Fi 6 및 Bluetooth 저에너지 기능을 지원하는 SoC로, 최대 8MB 플래시 메모리와 외부 PSRAM을 제공합니다. SiWx917 SoC는 Silicon Labs의 가장 저전력 Wi-Fi 6 SoC로, Wi-Fi®, Bluetooth, Matter 및 IP 네트워크를 사용하여 안전한 클라우드 연결을 제공하는 초저전력 IoT 무선 디바이스에 이상적이며, 장수하는 배터리로 구동되는 디바이스 개발에 완벽한 선택입니다.

SiWx917 SoC는 초저전력 Wi-Fi 6 및 Bluetooth Low Energy 5.4 무선 CPU 서브시스템, 통합 마이크로컨트롤러(MCU) 애플리케이션 서브시스템, 보안 기능, 주변 장치, 전력 관리 서브시스템이 모두 통합된 7 x 7 mm QFN 패키지를 포함합니다. 무선 서브시스템은 최대 160 MHz에서 실행되는 멀티스레드 프로세서, 베이스밴드 디지털 신호 처리, 아날로그 프론트 엔드, 2.4 GHz RF 송수신기 및 통합 전력 증폭기를 포함합니다.

SiWx917의 애플리케이션 서브시스템은 최대 180MHz로 동작하는 ARM® Cortex®-M4F, 내장 SRAM, 플래시 메모리 및 센서 허브로 구성되어 있습니다. ARM® Cortex®-M4F는 주변 장치와 애플리케이션 관련 처리를 담당하며, 네트워크 무선 프로세서는 독립적인 스레드에서 무선 및 네트워크 프로토콜 스택을 실행하여 다양한 임베디드 무선 IoT 애플리케이션을 위한 완전히 통합된 솔루션을 제공합니다. 대상 애플리케이션에는 스마트 홈, 소비자 건강 및 웨어러블, 헬스케어, 산업, 소매, 스마트 빌딩 및 도시, 자산 추적 등이 포함됩니다.

결론

오늘날 빠르게 변화하는 기술 환경에서 스마트 기기 개발은 단순히 기술 혁신에 그치지 않고 사용자 요구를 충족시키고 삶의 질을 향상시키는 중요한 경로입니다. 스마트 기기를 설계하는 과정에서 디자이너는 첨단 센서 기술, 빅데이터 분석, 인공지능 등을 활용할 수 있습니다. 이러한 현대 기술들은 스마트 기기가 더욱 효율적이고 지능적인 상호작용 방법을 구현할 수 있도록 하며, 사용자에게 더 편리하고 안락한 생활 경험을 제공합니다. Silicon Labs는 포괄적인 제품 솔루션과 기술 지원 서비스를 제공하여 관련 제품 개발에 있어 최고의 파트너 중 하나로 자리 잡고 있습니다.