정동작 전류(IQ)의 일반적인 정의는 무부하에 비스위칭이지만, 활성화된 상태에서 집적 회로(IC)에서 소비되는 전류다. 이를 더 광범위하고 유용한 방향으로 생각하면, 정동작 전류가 여러 초저전력 상태에서 IC에 의해 소비되는 입력 전류라는 것이다.

배터리 구동 애플리케이션의 경우 입력 전류는 배터리에서 나온다. 그러므로 재충전[재충전 배터리의 경우, 리튬 이온(Li-Ion) 또는 니켈 금속 수소화물(Ni-MH) 등] 또는 교체[기본 배터리의 경우, 알칼리 또는 리튬 이산화망간(Li-MnO2) 등]가 필요하기까지 배터리가 작동하는 시간을 결정한다. 대기 또는 절전 모드에서 많은 시간을 보내는 배터리 구동 애플리케이션의 경우 IQ는 몇 년 단위 정도로 배터리 사용 시간에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 60nA TPS6284 등의 초저 IQ 벅 컨버터를 사용하여 그림 1에 나온 스마트 미터 등의 상시 가동 애플리케이션에 전원을 공급하면 배터리를 10년 동안 사용할 수 있다.

IQ는 또한 우리가 매일 사용하는 애플리케이션의 배터리 사용 시간에도 영향을 미친다. 스마트 워치를 구매하면 한 시간 동안 충전을 마쳐야만 사용할 수 있다. 또는 그림 2에 나온 것과 같이 스마트 도어락의 배터리가 방전될 경우를 대비하여 항상 집 키를 소지하고 다녀야 할 수도 있다. 이 두 경우 모두 IQ와도 밀접한 관련이 있다.

본고에서는 IQ와 관련하여 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 DC/DC 컨버터 데이터 시트 사양(셧다운 전류, 비스위칭 IQ 및 스위칭 IQ)과 이러한 사양이 시스템 전력 소비에 미치는 영향에 대해 살펴볼 예정이다.

셧다운 전류

셧다운 전류는 IC가 꺼지거나 비활성화될 때 측정된다. 이를 고려할 때 비스위칭 IQ는 항상 0이어야 한다고 생각할 수 있다. 실제로 일부 IC는 이 상태에서 누설 전류를 보이는 반면, 다른 IC는 실제로 IC가 비활성화된 상태에서도 하우스키핑 기능을 유지하기 위해 내부 회로에서 소량의 전류를 소비한다.

매장 선반에 놓인 가전제품을 생각해보았을 때, 스마트 워치를 박스에서 꺼낸 직후에 바로 사용할 수 없는 이유는 그림 3과 같이 IC의 셧다운 전류 사양과 관련이 있다. 예를 들어, 완제품이 매장 선반이나 창고의 더 높은 선반에 있으면(이 경우 온도가 상승하여 배터리 소모가 더 빠름) 대부분의 DC/DC 컨버터는 셧다운 상태가 된다. 따라서, DC/DC 컨버터가 비활성화된 경우에도 배터리가 천천히 방전된다.

일부 IC에는 TI BQ25120 배터리 충전기의 2nA 운송모드 또는 TPS61094 부스트 컨버터의 4nA 바이패스 모드와 같은 여러 셧다운 상태가 있다. 이러한 첨단 셧다운 상태에서는 일반적으로 최소한의 IQ를 끌어내기 위해 디바이스 기능의 매우 제한된 하위 집합이 활성 상태로 유지된다. 고임피던스(셧다운) 모드인 BQ25120의 700nA IQ와 셧다운 모드인 TPS61094의 200nA IQ와 비교하였을 때, 운송 모드와 바이패스 모드는 배터리 사용 시간을 각각 350배와 50배 가량 연장한다.

비스위칭 IQ

비스위칭 IQ는 IC가 비스위칭 IQ는 IC가 활성화되었을 때, 스위칭 펄스 사이에 부하가 없을 때이다. 이 매개변수는 생산 자동화 테스트 장비에서 쉽게 테스트할 수 있기 때문에 대부분의 스위칭 DC/DC 컨버터 데이터 시트에서 확인할 수 있다.

비스위칭 IQ는 서로 다른 IC 간의 비교를 제공하지만, 두 가지 단점으로 인해 배터리 사용 시간에 대한 정확하나 추정이 어려울 수 있다. 비스위칭 IQ는 소비되는 배터리 전류와 동일하지 않으며, 많은 IC는 입력 전압과 출력 전압 모두에서 IQ를 소비한다. 그러나 출력 전압과 IQ는 궁극적으로 입력 단자의 배터리에서 나오므로 입력 소스에서 등가 IQ를 얻으려면 추가 변환 또는 측정이 필요하다. 단순히 두 개의 IQ전류를 더해서 총 배터리 전류를 얻을 수는 없다. 예를 들어 TPS61099 부스트 컨버터는 VIN에서 400nA IQ를, VOUT에서 600nA IIQ를 소비하지만, 무부하 입력 전류 소비는 1μA가 아니라 약 1.3μA다.

스위칭 IQ

작동 IQ, 대기 전류, 절전 모드 전류, 무부하 입력 전류, 저손실(LDO) 선형 레귤레이터용 접지 전류 등 다양한 이름으로 불리는 스위칭 IQ는 IC가 부하 전류를 전달하지 않고, 작동할 때 발생하는 실제 측정되는 입력 전류다. 스위칭 IQ는 생산라인이 아닌 실제 조건에서 측정되기 때문에 IC는 때때로 손실을 극복하고, 출력에서의 전력 누출을 보충하기 위해 전환된다.

이는 부하가 없는 상태에서 소비되는 배터리 전류에 대한 최적의 추정치이며, 그림 4와 같이 TPS62840의 60nA 스위칭 IQ와 같은 많은 데이터 시트에서 나타난다.

낮은 IQ DC/DC 컨버터를 사용하는 것은 대부분의 시간을 초저전력 상태로 유지되는  애플리케이션에서 원하는 일정 시간 이상의 배터리 사용 시간을 달성하는 데 매우 중요하다. 예를 들어, 스마트 잠금 장치는 초저전력 상태에서 휴대폰을 통해 잠금 장치 해제 코드를 전송할 때까지 대기하면서 대부분의 시간을 보낸다. 스위칭 IQ가 너무 높으면 잠금 기능을 해제하거나 활성화하는 데 사용되는 대신, 대기하는 동안 대부분의 배터리 에너지가 사용된다.

결 론

본고에서는 IQ가 데이터 시트에 일반적으로 명시된 방식과 배터리 사용 시간에 미치는 영향에 대해 간략하게 살펴보았다. IQ에 대한 자세한 기술 정보는 “저전력 애플리케이션의 낮은 IQ 문제점 극복” 기술백서를 참조하거나, 아날로그 디자인 학술지에 실린 제 기고문 “IQ : 올바른 정의와 잘못된 정의, 사용 방법”을 참고하거나, 낮은 IQ 교육 시리즈를 시청하여 관련 주제에 대해 더 자세히 확인할 수 있다.