소비자가 중심이 되는 헬스케어 모니터 솔루션2021-08-13
토니 암스트롱(Tony Armstrong), 사업 개발 책임자(Business Development Director), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
개요소비자들이 건강에 대한 인식이 높아지고 모니터링 기능을 사용하여 다양한 질병을 예방하거나 치료할 수 있게 되면서 자신의 건강을 모니터링하는 데 점점 더 많은 관심을 보이고 있다. 일례로 생활 방식의 변화로 인해 증가하는 당뇨병, 비만, 높은 콜레스테롤 수치는 흔한 문제가 되고 있지만, 스마트폰과 웨어러블 기기가 확산되면서 소비자들은 최적의 건강을 유지하는 데 건강 모니터링 앱을 활용하고 있다.
환자 중심의 헬스케어 앱은 사용자에게 약 복용 시간, 소비되는 칼로리 수치, 신체의 탈수 정도 등을 알려준다. 이를 수행하는 일반적인 방법은 휴대전화를 통해서인데, 아이폰 사용자들은 평균적으로 하루에 80번 자신의 휴대폰을 잠금해제 하는 것으로 알려졌다. 이러한 예에서 알 수 있듯이 휴대전화는 생체 데이터를 수신하고 확인할 수 있는 이상적인 매체이며, 이에 따라 건강 애플리케이션 개발자와 휴대용 건강 모니터링 제품의 하드웨어 플랫폼 제조업체들이 제품을 판매하는 대규모 타겟 집단이 형성되고 있다.
헬스케어 정보 기술 시스템에 대한 이와 같이 증가하는 추세는 환자가 동의할 경우 환자 데이터에 대한 의료진들의 접근을 가능하게 한다. 휴대전화에서 실험실 보고서를 정기적으로 확인할 수 있을 뿐 아니라 방사선 및 병리학 보고서에도 손쉽게 접근할 수 있으며, 이는 의심할 여지없이 환자 중심적인 헬스케어 애플리케이션의 성장을 가져다 줄 것이다. 그림 1은 모니터링 시스템의 예를 보여준다.
그림 1. 가정에서 사용하는 환자 모니터링의 예
의료 기기아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)는 수십 년 간 의료 시장에 제품을 공급해 왔으며, 저전력 정밀 부품을 통해 휴대용 및 무선 의료 기기가 빠르게 성장하는 것을 보아왔다. 일반적으로 이러한 종류의 의료용 제품은 무엇보다 신뢰성, 실행 시간, 견고성에 대한 높은 표준을 갖는다.
전원 시스템 설계자는 배터리 구동 시 동작하는 실행 시간을 극대화하도록 오류 조건으로부터 보호되고 견딜 수 있는 시스템을 설계해야 하며, 동시에 유효 전원이 존재할 때는 항상 신뢰할 수 있는 정상적인 시스템 동작을 보장해야 한다.
휴대용 및 무선 의료용 계측기의 성장을 촉진하는 또 다른 추세는 환자 관리의 변화이다. 특히 환자의 가정에서 원격 모니터링 시스템의 사용이 증가하는 데 있다. 한 가지 원인은 경제적 측면으로, 환자를 병원에 계속 입원시키는 비용이 환자와 의료 공급자 모두에게 지나치게 높기 때문이다. 이는 휴대용 전자 모니터링 시스템의 증가하는 추세를 설명해준다. 이러한 시스템은
무선 주파수(RF) 송신기를 통합해 환자로부터 수집되는 데이터를 병원이나 진료실의 관리 시스템에 직접 전송하여 이후에 검토 및 분석할 수 있도록 한다.
환자에게 가정에서 사용하기 위해 적절한 의료용 계측기를 제공하는 비용은 관찰을 목적으로 환자를 병원에 입원시키는 비용에 의해 상쇄되는 것보다 크다고 보는 것이 합리적이다. 그러나 무엇보다 중요한 점은 환자가 사용하는 장치는 전문적인 감독 하에서 사용되지 않기 때문에 안전하고 신뢰할 수 있어야 한다는 것이다. 이들 제품의 제조업체와 설계자는 장치가 다양한 전원 소스에서 원활하게 동작하고, 환자로부터 수집된 데이터를 무선 전송하는 데 높은 신뢰성을 갖도록 보장해야 한다. 이를 위해서는 넓은 대역폭에 걸쳐 견고하고, 유연하고, 작고, 효율적이면서 낮은 잡음을 갖는 전력 관리 및 변환 아키텍처가 필요하다.
전력 변환 아키텍처스위칭 레귤레이터는 선형 레귤레이터보다 많은 잡음을 발생시키지만, 일반적으로 효율은 훨씬 높다. 잡음에 민감한 많은 애플리케이션에서도 스위처가 예측 가능한 방식으로 동작할 경우 잡음과 EMI 수준은 관리 가능하다는 것이 입증되었다. 만약 스위칭 레귤레이터가 정상 모드에서 정주파수로 스위칭하고 오버슛이나 고주파수 링잉 없이 스위칭 에지가 깨끗하고 예측 가능하면 EMI가 최소화된다. 소형 패키지 크기와 높은 동작 주파수는 EMI 방사를 최소화하는 작고 조밀한 레이아웃을 제공할 수 있다. 또한 레귤레이터를 낮은
ESR 세라믹 커패시터와 함께 사용할 수 있는 경우 입력과 출력 전압 리플을 모두 최소화할 수 있다. 그럼에도 모든 시스템 설계자가 이러한 잡음 간섭 문제를 해결할 수 있는 포괄적인 스위치 모드 전력 변환 배경을 가지고 있는 것은 아니다.
또한 이러한 시스템은 대부분 저전력 센서, 메모리, 마이크로컨트롤러 코어, I/O 및 로직 회로에 전력을 공급하는 다수의 다양한 저전압 레일을 필요로 하며, 이는 냉각을 위한 공기 흐름이나 히트싱크의 부족으로 인한 열 설계 제약에 의해 더 복잡해진다.
아나로그디바이스의 Power by Linear™ 제품 그룹은 업계 최고의 제품 및 전력 전문가로 전원 솔루션에 주력해 왔다. 예를 들어 의료용 전자 시스템에는 주 전원 공급이 중단될 때도 지속적인 전력이 필요하기 때문에 견고한 백업 전원이 필수적인 많은 애플리케이션이 있다. 이러한 시스템의 백업 실행 시간은 일반적으로 주 전원이 손실된 후 시스템이 적절하게 종료하는 데 필요한 시간으로 정의된다. 이 시간은 최종 애플리케이션에 따라 몇 분에서 몇 시간까지 다양하다.
설계 제약을 완화하는 새로운 솔루션수퍼커패시터는 고전력의 단시간 백업 전원을 필요로 하는 시스템에 탁월한 선택이다. 이러한 유형의 애플리케이션을 지원하는 IC는 주 전원 공급이 중단되는 동안 2.9V ~ 5.5V 전원 레일을 지원할 수 있어야 한다. 수퍼커패시터는 높은 피크 전력 성능을 갖고 있어 애플리케이션이 짧은 시간 동안 높은 피크 전력 백업을 필요로 하는 시스템에 이상적이다.
예를 들어
LTC4041은 온칩 양방향 동기식 컨버터를 사용하여 높은 효율의 스텝다운 수퍼커패시터 충전뿐 아니라 고전류, 고효율 부스트 백업 전원을 제공한다. 외부 전원을 사용할 수 있을 때 디바이스는 시스템 부하에 우선권을 주면서 1 또는 2개의 수퍼커패시터 셀을 위한 스텝다운 충전기로 동작한다. 입력 전원이 조정 가능한
PFI(power fail indicator) 임계값 아래로 떨어지면,
LTC4041은 부스트 모드 동작으로 전환하여 수퍼커패시터로부터 시스템 부하에 최대 2.5A를 공급할 수 있다. 전원 장애가 발생하면 디바이스의 PowerPath™ 제어가 역전압 차단 및 입력 전원으로부터 백업 전원으로 매끄러운 스위치오버를 제공한다.
LTC4041의 일반적인 애플리케이션으로는 의료용 장비, 전력 미터, 산업용 경보,
SSD(solid-state drive)에 흔히 볼 수 있는 작동 유지
dying gasp 전원을 포함한다. 그림 1은 일반적인 LTC4041 애플리케이션 회로도를 보여준다.
그림 2. 3.3V 시스템을 위한 LTC4041 단일 수퍼커패시터 백업
2개의 수퍼커패시터를 사용할 경우 내부 수퍼커패시터 밸런싱 회로가 각 수퍼커패시터에 동일한 전압을 유지하고 각 수퍼커패시터의 최대 전압을 사전 결정된 값으로 제한한다. 조정 가능한 입력 전류 제한 기능은 배터리 충전 전류보다 시스템 부하 전류에 우선권을 주면서 전류가 제한된 소스로부터 동작할 수 있게 한다. 외부 분리 스위치는 백업 시 주 입력 전원을 시스템으로부터 격리한다. 디바이스에는 또한 입력 전류 모니터링, 입력 전원 오류 표시기, 시스템 전원 오류 표시기 등이 있다. 그 밖에 LTC4041은 60V를 초과하는 입력 전압으로부터 IC를 보호할 수 있는 외부 MOSFET을 사용하는
OVP 기능을 옵션으로 제공한다.
열 및 공간이 제한된 의료용 시스템 전원 설계자는 높은 변환 효율로 열 제약을 최소화하고 매우 작은 솔루션 풋프린트와 높이 프로파일을 갖는 효율적인 초소형 5V 벅 컨버터를 갖는 것이 중요하다.
Power by Linear
LTC3309A는 특히 공간 및 열 설계 제약을 해결한다.
LTC3309A는 2.25V ~ 5.5V 입력 전원으로부터 최대 6A의 출력 전류를 공급할 수 있는 초소형의 저잡음 모노리식 스텝다운 dc-dc 컨버터이다. 디바이스는 외부 핫루프 바이패스 커패시터와 함께 Silent Switcher® 아키텍처를 채택해 3MHz와 같은 높은 스위칭 주파수에서도 낮은 EMI와 높은 효율을 모두 달성한다.
또한 LTC3309A는 정주파수, 전류 모드 스텝다운 dc-dc 컨버터이다. 발진기는 각 클록 사이클이 시작될 때 내부 상단 전원 스위치를 켠다. 인덕터 전류는 상단 스위치 전류 비교기가 트립하여 상단 전원 스위치를 끌 때까지 증가한다. 상단 스위치가 꺼지는 피크 인덕터 전류는 ITH 노드의 전압에 의해 제어된다. 오차 증폭기가 FB 핀의 전압과 내부 500mV 레퍼런스를 비교하여 ITH 노드에 전력을 공급한다. 부하 전류가 증가하면 레퍼런스 대비 피드백 전압이 감소하므로 평균 인덕터 전류가 새로운 부하 전류와 일치할 때까지 오차 증폭기가 ITH 전압을 증가시킨다. 상단 전원 스위치가 꺼지면, 동기 전원 스위치가 다음 클록 사이클이 시작할 때까지 또는 펄스 스키핑 모드의 경우 인덕터 전류가 영으로 떨어질 때까지 켜진다. 과부하 조건 일 때 하단 스위치에 과도한 전류가 흐르면, 다음 클록 사이클은 스위치 전류가 안전한 수준으로 돌아올 때까지 지연된다. EN 핀이 로우이면, LTC3309A는 셧다운 되고 낮은 무부하 전류 상태에 놓인다. EN 핀이 임계값을 넘으면, 스위칭 레귤레이터가 작동한다.
그림 3. 2.25V ~ 5V 입력으로부터 1.2V출력 6A를 공급하는 LTC3309A 애플리케이션 회로도
LTC3309A는 정주파수, 피크 전류 모드 제어 아키텍처를 사용하므로 최소 출력 커패시턴스로도 빠른 과도 응답을 제공할 수 있다. 500mV 레퍼런스는 저전압 출력을 허용하며, 100% 듀티 사이클 동작은 낮은 드롭아웃을 제공한다. 그 밖에 출력 레귤레이션 시 전원 양호 신호, 정밀 인에이블 임계값, 출력 과전압 보호, 열 셧다운, 온도 모니터, 클록 동기화, 모드 선택, 출력 단락 회로 보호 등이 있다. 디바이스는 초소형 12핀, 2mm × 2mm
LQFN 패키지로 제공된다.
결론가정에서 환자 건강 모니터링 목적으로 사용되는 휴대용 및 무선 의료용 모니터링 디바이스 시스템 설계자들이 까다로운 설계 과제에 직면해 있다는 것은 의심의 여지가 없다. 이러한 과제에는 수용해야 하는 다수의 제약이 포함되며, 이중 대부분은 예를 들어 간섭이나 중단 없이 데이터를 전송할 수 있어야 하는 것은 물론 열과 공간이 모두 제한되는 케이스 등 상호 배타적인 것처럼 보인다. 다행히 아나로그디바이스가 최근 LTC3309A 및 LTC4041을 출시함으로써 설계자는 휴대용 장치 폼팩터에 적합한 초소형의 열 효율적인 솔루션 요구를 만족하는 실행 가능한 솔루션을 가질 수 있게 됐다.
글쓴이토니 암스트롱(Tony Armstrong)은 아나로그디바이스의 Power by Linear 제품 그룹의 제품 마케팅 책임자로 도입에서부터 노후화에 이르기까지 전력 변환과 관리 제품의 모든 측면을 담당했다. ADI에 합류하기 전 리니어테크놀로지, 실리코닉스, 셈테크, 페어차일드 반도체 및 인텔에서 마케팅, 영업, 운영 부서의 다양한 직책을 거쳤다. 영국 맨체스터 대학에서 응용수학으로 학사학위(우등)를 받았다.
