스마트 기기 개발을 위한 설계 개념 및 솔루션

더 스마트하고 더욱 컴팩트한 블루투스 헬스케어 및 웨어러블 디바이스 설계

컴팩트하고 엄격한 요구를 충족하는 Bluetooth 헬스케어 기기를 개발하려면 단순히 시장에서 가장 작은 하드웨어 구성 요소를 선택하는 것만으로는 충분하지 않습니다. BOM(Bill of Materials)을 최적화하고, 통합 Bluetooth SoC 및 모듈을 사용하며, 헬스케어 애플리케이션에 필요한 다양한 주변 기능 및 특성을 통합하여 제품 크기를 줄일 수 있습니다. 이를 통해 PCB 공간을 상당히 절약하고 설계 유연성을 향상하며 비용을 절감할 수 있습니다.

블루투스 헬스케어 기기를 설계하려면 제품 개발을 가속화하고 더 많은 기능을 통합할 수 있는 여러 설계 개념을 사용할 수 있습니다. 첫째, 블루투스 헬스케어 기기는 통합된 AI/ML 가속기를 활용하여 기기의 지능형 제어 기능을 강화할 수 있습니다. 머신 러닝(ML)을 통해 기존 모델을 기반으로 대량의 센서 데이터를 처리하여 불규칙성을 식별하고 어떤 데이터를 클라우드로 전송해야 하는지 결정할 수 있습니다. 오늘날 무선 기기는 수집된 모든 데이터를 클라우드로 전송하여 처리 및 분석할 수 있습니다. 기기에서 주요 데이터를 식별하고 특정 데이터 부분만을 전송함으로써 귀중한 자원을 절약하고 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.

인공지능(AI)은 가정에서의 노인 돌봄 등의 애플리케이션에도 활용될 수 있습니다. 이러한 애플리케이션에서 생명 징후를 모니터링하고, 데이터 변경 사항을 추적하며, 걸음걸이 패턴을 관찰하거나 일반적으로 비정상적인 패턴을 식별하여 제공자에게 중요한 진단 데이터를 제공할 수 있습니다. 또한, 간병인과 가족 구성원에게 생명을 구하는 경고를 보내 환자의 삶을 크게 개선하고 심지어 생명을 구할 수도 있습니다.

또한, 이러한 제품은 센서 측정 및 배터리 전력 모니터링을 위해 많은 무선 의료 및 웨어러블 장치에서 사용할 수 있는 ADC와 같은 더 많은 아날로그 주변 장치의 통합이 필요합니다. 분리형 아날로그 프론트 엔드(AFE) 솔루션을 사용하는 연속 혈당 모니터링(CGM) 및 기타 휴대용 의료 장치 제조업체에게 ADC 및 DAC는 칩에서 사용할 수 있는 두 가지 주요 기능입니다.

에너지 효율 및 배터리 수명을 향상시키는 낮은 전력 소비

DC-DC 컨버터는 배터리로 구동되는 헬스케어 장치에 필수적인 구성 요소입니다. 부스트 컨버터는 SoC가 알칼라인 및 산화은 배터리와 같이 입력 범위가 0.8~1.7V인 저전압 배터리를 사용할 수 있도록 합니다. 이를 통해 Bluetooth SoC가 낮은 전력 전압에서 작동할 수 있습니다. 벅 컨버터는 SoC가 리튬 코인 셀과 같은 다른 3V 배터리를 사용하여 에너지 효율과 배터리 수명을 개선하거나 배터리 크기를 줄이도록 합니다.

중요한 건강 애플리케이션에서 예기치 않은 배터리 방전을 예측하고 방지하기 위해, 전하 측정 장치인 쿨롬 카운터는 배터리 충전을 정확하게 추적하여 사용자 안전성과 경험을 향상시킬 수 있습니다. 또한, 저주파 RC 발진기는 Bluetooth Low Energy (LE) 2.4 GHz 애플리케이션의 핵심 구성 요소로, Bluetooth LE SoC가 ±500 ppm의 특정 슬립 클록 정확도를 충족해야 하는 경우에 필요합니다.

헬스케어 및 웨어러블 디바이스에서 사용하는 낮은 전력 수준을 고려할 때, 매칭 네트워크에서 수용 가능한 RF 성능을 유지하면서도 PCB 층 및 구성 요소의 수를 줄이는 것이 중요합니다. 블루투스 디바이스의 전력 소비를 최소화하는 것은 필수적이며, 이를 통해 디바이스 제조업체는 디바이스의 폼 팩터를 줄일 수 있습니다.

글로벌 AR/VR 디바이스 시장의 유망한 전망

오늘날 소비자들은 점점 더 홈 중심적으로 변하고 있습니다. 업무, 교육, 의료, 쇼핑 및 엔터테인먼트가 집에서도 접근 가능해야 합니다. AR/VR 기술을 통해 현실 세계와 디지털 세계의 경계가 얽히게 됩니다. AR/VR 헤드 마운트 디스플레이(HMD)를 착용하고 핸드헬드 컨트롤러 한 쌍을 잡으면 3D 게임이나 영화 속으로 진정으로 몰입할 수 있습니다. 또는 집에서 가상 쇼핑몰에 들어가 새 옷을 입어 보거나 새로운 소파가 어떻게 보이는지 확인할 수도 있습니다. AR/VR 응용 프로그램은 소비자의 경험을 향상시켜 우리의 삶을 더 효율적으로 만듭니다. 2027년까지 전 세계 AR/VR 기기 시장은 AR/VR 응용 프로그램에 대해 연평균 성장률(CAGR) 26%를 기록할 것으로 예상됩니다.

웨어러블 AR/VR 디바이스는 고유한 무선 설계 과제를 제시합니다. 배터리 수명과 충전 간격을 극대화하면서 배터리 무게를 최소화하려면 매우 에너지 효율적이어야 합니다. 동시에 고대역폭 비디오를 처리하여 자연스러운 시각적 경험을 제공해야 합니다. VR 컨트롤러와 HMD 간의 지연 시간은 중요하며, 제스처와 움직임에 대한 적시 응답을 위해 최소한의 지연이 필요합니다.

AR 및 VR 애플리케이션에는 세 가지 주요 무선 요구 사항이 있습니다: 저전력 소비, 저지연성, 안정적인 연결. 에너지 효율성은 VR 컨트롤러, 스마트 안경, AR/VR 헤드셋과 같이 배터리로 작동하거나 재충전 가능한 장치의 사용자 경험을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 또한, HMD와 VR 컨트롤러가 홈 네트워크에 대한 악성 공격의 게이트웨이 역할을 할 수 있기 때문에 연결된 장치 사용자들에게 보안은 가장 큰 우려 사항 중 하나입니다.

고도로 통합된 Bluetooth 저에너지 SoC

Silicon Labs는 Bluetooth 무선 연결 및 제어 애플리케이션을 위한 다양한 SoC와 모듈을 제공합니다. 아래는 주요 제품과 주요 기능입니다.

EFR32BG22 시리즈는 에너지 효율성과 수신기 (RX) 감도를 자랑하는 최첨단 Bluetooth Low Energy (BLE) SoC로, 에너지 절약형 스마트 엔터테인먼트 기기에 이상적입니다. SoC의 크기는 4 x 4 mm에 불과하며, Secure Vault 기능을 지원합니다. Wireless Gecko Series 2 플랫폼의 일부인 EFR32BG22 및 EFR32BG22E BLE SoC 솔루션은 에너지 효율성에 중점을 두고 설계되었으며, 초저전력 송신 및 수신 전력을 제공합니다. 고성능, 저전력 Arm® Cortex®-M33 코어는 업계 최고의 에너지 효율성을 제공하며, 버튼 셀 배터리의 수명을 최대 10년까지 연장할 수 있습니다.

Silicon Labs의 BG22는 에너지 효율적인 애플리케이션을 만드는 데 도움을 주며, BG22E("E"는 에너지 보존을 의미) 는 배터리 수명을 연장하고 완전한 배터리 없는 설계를 지원하여 에너지 효율성을 더욱 향상시킵니다. BG22 및 BG22E 시리즈는 Ambient IoT 또는 에너지 하베스팅 장치를 위한 이상적인 SoC입니다. 대상 애플리케이션에는 Bluetooth 메시 네트워크의 저전력 노드, 스마트 락, 개인 헬스케어 및 피트니스 장치가 포함됩니다.

EFR32BG27 시리즈는 고성능 Bluetooth Low Energy를 지원하는 WLCSP (2.3 x 2.6 mm) 및 QFN 패키지로 제공되는 소형 초저전력 SoC를 특징으로 합니다. 이 SoC는 넓은 전압 범위를 지원하는 DCDC 부스트 컨버터와 정확한 배터리 수준 추적을 위한 쿨롬 카운터를 포함하며, PSA Level 2 보안을 지원합니다. EFR32BG27 시리즈 무선 SoC는 버튼 셀 배터리로 작동할 수 있어 디바이스 제조업체에게 새로운 가능성을 열어줍니다. 이 시리즈는 제조업체가 성능과 보안을 희생하지 않고도 매우 작은 폼 팩터 애플리케이션 요구를 충족하도록 합니다.

BG27 Bluetooth SoC는 DCDC 부스트 기능을 통합하여 0.8볼트와 같이 낮은 전압에서도 작동할 수 있으며, 단일 셀 알카라인 배터리와 1.5볼트 버튼 셀 배터리를 지원합니다. 또한, BG27의 웨이크업 핀은 제품이 창고 보관 또는 운송 중 몇 개월 동안 꺼진 상태로 유지되면서 20 nA 미만의 전력을 소모하여 배터리를 사용할 수 있도록 보장합니다. 통합된 쿨롬 카운터는 배터리 수준을 정확하게 모니터링하여 중요한 애플리케이션에서 예기치 않은 배터리 방전을 방지합니다. 주요 애플리케이션에는 헬스케어 기기, 웨어러블, 센서, 스위치, 스마트 잠금 장치, 상업용 및 LED 조명이 포함됩니다.

EFR32BG24는 통합 AI/ML 가속기와 최고 수준의 PSA Level 3 인증을 받은 Secure Vault™를 특징으로 하며, 배터리 효율성이 높은 스마트 웨어러블 기기에 적합한 고성능 저전력 무선 SoC입니다. EFR32BG24 무선 SoC는 Bluetooth 저에너지 및 Bluetooth Mesh 네트워크를 사용하는 IoT 무선 연결에 이상적이며, 스마트 홈, 조명 및 휴대용 헬스케어 제품에 적합합니다.

고성능 2.4 GHz RF, 낮은 전력 소비, AI/ML 하드웨어 가속기, 그리고 Secure Vault™를 특징으로 하는 IoT 기기 제조업체는 스마트하고 견고하며 에너지 효율적인 제품을 제작하며 원격 및 로컬 사이버 공격으로부터 보호할 수 있습니다. ARM Cortex®-M33는 최대 78 MHz로 작동하며, 1.5 MB의 플래시 메모리와 256 kB의 RAM을 제공하여 까다로운 애플리케이션을 처리할 수 있는 자원을 제공하면서도 향후 확장을 위한 여유 공간을 남겨둡니다. 주요 적용 분야로는 게이트웨이/허브, 센서, 스위치, 도어 락, 스마트 플러그, LED 조명, 조명 기구, 혈당 측정기 및 맥박 산소 측정기가 포함됩니다.

초저전력 IoT 무선 장치를 위한 솔루션

EFR32FG22 (FG22) Series 2 독점 무선 2.4 GHz SoC는 업계 최고 수준의 에너지 효율성 및 수신기 (RX) 감도를 제공하여 에너지 절약형 스마트 엔터테인먼트 기기에 이상적입니다. 4 x 4 mm에 불과한 작은 크기를 특징으로 하며 Secure Vault 기능을 지원합니다. EFR32FG22 및 EFR32FG22E 독점 무선 2.4 GHz SoC 솔루션은 Wireless Gecko Series 2 플랫폼의 일부입니다.

FG22 SoC는 TrustZone이 포함된 38.4 MHz Arm® Cortex®-M33 코어와 -102.3 dBm 수신 민감도를 제공하는 고성능 라디오를 통합합니다. FG22는 에너지 절약 애플리케이션을 생성할 수 있도록 지원하며, FG22E("E"는 에너지 절약을 의미함)는 배터리 수명을 연장하고 완전 배터리 프리 설계를 지원하여 에너지 절약의 장점을 더욱 향상시킵니다. 이 SoC는 초저전력 송신 및 수신 전력(+6 dBm에서 8.2 mA TX, 3.6 mA RX), 1.2 µA 딥 슬립 모드 전력 및 RFSense와 같은 혁신적인 저전력 기능을 결합하여 한정된 배터리 또는 에너지 하베스팅 옵션을 가진 제품의 수명을 연장할 수 있는 업계 최고의 에너지 효율성을 제공합니다.

Silicon Labs RS9116 무선 모듈은 초저전력 RF 인증 Wi-Fi 4 SiP 모듈(802.11 b/g/n)로, 통합 안테나를 갖추고 있으며, Bluetooth 저에너지, Bluetooth 클래식 및 보안 네트워크 프로토콜 스택을 지원합니다. 이 모든 것을 4.63 x 7.90 x 0.9 mm의 컴팩트한 크기 안에 담고 있습니다. RS9116 무선 모듈은 단일 및 듀얼 밴드 버전으로 제공되며 Wi-Fi 및 듀얼 모드 Bluetooth 5를 포함한 포괄적인 멀티 프로토콜 무선 연결 솔루션을 제공합니다. 무선 모듈은 전력 최적화된 성능을 제공하여 높은 데이터 처리량과 확장된 범위를 구현하며, FCC, IC 및 ETSI/CE 인증을 받았습니다.

SiWx917 Wi-Fi 6 및 Bluetooth Low Energy 5.4 무선 SoC는 저전력 Wi-Fi 6 및 Bluetooth Low Energy를 지원하는 SoC로, 최대 8MB의 플래시 메모리와 외부 PSRAM을 제공하여 에너지 효율적인 스마트 기기에 적합합니다. SiWx917 SoC는 Silicon Labs의 최저 전력 Wi-Fi 6 SoC로, Wi-Fi®, Bluetooth, Matter 및 IP 네트워크를 사용하여 안전한 클라우드 연결을 제공하는 초저전력 IoT 무선 기기에 이상적이며, 오래 지속되는 배터리로 구동되는 기기를 개발하는 데 완벽합니다.

SiWx917 SoC는 초저전력 Wi-Fi 6 및 Bluetooth Low Energy 5.4 무선 CPU 서브시스템, 통합 마이크로컨트롤러(MCU) 애플리케이션 서브시스템, 보안 기능, 주변 장치 및 전력 관리 서브시스템을 모두 7 x 7 mm QFN 패키지에 통합한 제품입니다. 무선 서브시스템은 최대 160 MHz에서 작동하는 멀티스레드 프로세서, 베이스밴드 디지털 신호 처리, 아날로그 프론트 엔드, 2.4 GHz RF 송수신기 및 통합 전력 증폭기로 구성됩니다.

SiWx917의 애플리케이션 서브시스템은 최대 180MHz로 동작하는 ARM® Cortex®-M4F, 임베디드 SRAM, 플래시 메모리 및 센서 허브로 구성됩니다. ARM® Cortex®-M4F는 주변 장치 및 애플리케이션 관련 처리를 전담하며, 네트워크 무선 프로세서는 독립적인 스레드에서 무선 및 네트워크 프로토콜 스택을 실행하여 다양한 임베디드 무선 IoT 애플리케이션에 완전 통합된 솔루션을 제공합니다. 주요 애플리케이션으로는 스마트 홈, 소비자 건강 및 웨어러블, 헬스케어, 산업, 리테일, 스마트 빌딩 및 도시, 자산 추적 등이 포함됩니다.

결론

오늘날 빠르게 변화하는 기술 환경에서 스마트 기기를 개발하는 것은 단순한 기술 혁신을 넘어 사용자 요구를 충족시키고 삶의 질을 향상시키는 데 중요한 경로입니다. 스마트 기기를 설계하는 과정에서 디자이너는 첨단 센서 기술, 빅데이터 분석 및 인공지능을 활용할 수 있습니다. 이러한 현대 기술은 스마트 기기가 더욱 효율적이고 지능적인 상호작용 방식을 구현하도록 하여 사용자에게 더욱 편리하고 쾌적한 생활 경험을 제공합니다. Silicon Labs는 포괄적인 제품 솔루션과 기술 지원 서비스를 제공하며, 관련 제품 개발을 위한 최고의 파트너 중 하나로 자리 잡고 있습니다.