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글/ 마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

휴대용 의료 기기는 상충되는 요구들을 충족하는 것이 어려운 과제이다. 이러한 기기들은 상시 동작이 가능해야 하기 때문에 배터리 시간을 최대한 효과적으로 관리해야 할 뿐만 아니라, 환자의 편의를 위해서 인체에 착용하기 적합한 크기여야 한다(특히 24시간 착용해야 하는 경우). 성능은 높이고, 구조가 견고하면서, 가격대 또한 적당해야 한다. 피트니스 트래커나 의료용 웨어러블 애플리케이션에서 측정 감도를 극대화하기 위해 전원 관리 IC(PMIC)는 초저전력 아키텍처를 활용하여 높은 신호대 잡음비(SNR)를 유지해야 한다.

모바일 네트워크가 발전하면서 컨수머에서 의료기기에 이르기까지 웨어러블 기술이 빠르게 발전하고 있다. 처음에는 스포츠나 웰빙 용으로 개발되었던 웨어러블 기기가 의료 분야에 점점 더 많이 도입되고 있다. 최신 의료용 웨어러블 기기에는 가속도계나 자이로스코프 같은 MEMS(micro-electro-mechanical system) 센서들이 사용된다. 또한 맥박 변이도나 피부 전도도 같은 파라미터들을 측정하기 위한 센서들이 사용된다. 그런데 이러한 센서들은 SNR 문제를 일으킬 수 있다. 의료 분야의 요구를 충족하기 위해서는 에너지를 절감하는 새로운 솔루션과 우수한 잡음 감소 기법이 필요하다.

광학적 측정 시의 잡음 감소

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다양한 요인들이 광학적 측정 정확도에 영향을 미친다. 설계 엔지니어들은 다양한 활용 사례로 SNR을 높여서 감도를 극대화하고자 해왔다. 정지 전압이 낮은 레귤레이터 IC는 흔히 SNR을 저하시키는 문제를 수반한다. 높은 진폭 리플, 저주파수 리플, 긴 안정화 시간을 들 수 있다.

의료 분야에서 가장 중요한 측정 파라미터는 심박수일 것이다. 단순히 분당 심박수 외에도 심장 활동에 대해서 추가적인 정보들을 수집하고 모니터링할 수 있다. 광혈류측정법(PPG)이라고 하는 광학적 측정 기법은 피하 조직으로 동맥과 세동맥의 팽창에 따른 혈류량 변화를 측정할 수 있다. 이 기법을 사용해서 혈중 산소 포화도(SPO2)를 검사할 수 있다.

이 기술은 손가락으로 클립을 착용하는 방식으로 구현할 수 있다. 장비 한쪽에 탑재된 LED로부터 피부로 광 빔을 방출하고 다른 한쪽에 탑재된 포토다이오드로 손가락으로 투과되는 빛의 변화를 측정한다. 일관되고 신뢰할 수 있는 심박 측정을 위해서는 설계 디자이너들이 여러 가지 과제들을 해결해야 한다. 측정을 할 때의 주변 빛, LED와 포토다이오드 사이의 간섭, 표피 상으로 웨어러블 기기의 움직임 같은 여러 요인들이 영향을 미친다.

아나로그디바이스(Analog Devices)의 ADPD174(그림 1)는 바로 이러한 애플리케이션용으로 출시된 광학적 서브시스템이다. 이 모듈 제품은 고효율 광도측정 프론트 엔드, 3개 LED, 고성능 포토다이오드를 통합함으로써 위에서 열거한 문제들을 극복한다. 신뢰성과 정확도를 높이기 위해서, 손목 착용 PPG 디바이스로 주변 빛의 영향을 추가적으로 낮추는 기법들을 적용할 수 있다. 이러한 것들로서 협대역 광학 필터, 광학 신호 변조, 자동 이득 제어, 전기 신호 필터링, 리플이 낮은 전원장치를 들 수 있다.

그림 1: 아나로그디바이스의 ADPD174 블록 다이어그램

에너지 효율을 최적화하고자 하면 광학적 측정 메커니즘으로 제약을 가하게 된다. 새로운 스위칭 구성을 사용해서(표준적 LDO 레귤레이터가 아니라) 효율을 향상시킬 수 있으며, 다양한 인덕터를 사용해서 적합한 전원 버스를 제공할 수 있다. 전압 레귤레이터는 심박 측정으로 영향을 미치지 않도록 고주파수 리플이 낮아야 한다. LED는 리튬이온 배터리로 제공되는 것과 다른 전압 범위로 동작해야 한다. 새로운 벅-부스트 컨버터 기술을 추가함으로써 보드 공간을 절약할 뿐만 아니라 에너지 소모를 줄일 수 있다. SIMO(single-inductor multiple-output) 벅-부스트 아키텍처는 출력 전압을 발생시키기 위해서 필요로 하는 인덕터와 IC 수를 훨씬 줄일 수 있다.

차세대 PMIC를 사용한 효율적인 전원 관리

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개인용 원격 모니터링 디바이스가 인기가 높아짐에 따라서 크기 소형화, 정확한 파라미터 측정, 배터리 시간 연장이 중요하게 되었다. 웨어러블 디바이스로 에너지를 최적화하기 위해서는 가능할 때마다 디바이스를 대기 모드로 전환하는 것이 중요하다. 웨어러블 용으로 PMIC는 극히 낮은 입력 전압을 수용할 수 있으며 에너지 밀도가 높은 누산기를 사용한다.

맥심(Maxim Integrated)의 MAX20345 PMIC는 24시간 계속해서 작동해야 하는 디바이스로 전력 소모를 최소화할 수 있다. 벅-부스트 컨버터를 통합함으로써 높은 전압을 필요로 하는 다수의 시스템 주변장치들을 편리하게 구동할 수 있다. 이 컨버터는 출력 잡음을 최소화함으로써 민감한 의료용 모니터링 시스템으로 측정에 미치는 영향을 최소화한다(그림 2).

TI(Texas Instruments)의 TPS6572x PMIC 시리즈는 배터리 차저와 고효율 스텝다운 컨버터를 통합했다. 비교적 작은 크기의 인덕터와 커패시터를 사용할 수 있으므로 솔루션 크기를 줄일 수 있다. TPS65720은 최대 200mA에 이르는 출력 전류를 제공하고, TPS657201, TPS657202, TPS65721은 최대 400mA를 제공한다. 모든 TPS6572x PMIC는 200mA LDO를 포함하고 1.8V~5.6V 입력 전압 범위로 동작한다. 그러므로 스텝다운 컨버터 출력으로 구동하거나 또는 직접적으로 시스템 전압으로 구동할 수 있다(그림 3).

그림 2: 맥심의 MAX20345 블록 다이어그램

그림 3: TI의 TPS6572x

액티브 세미컨덕터(Active-Semiconductor)의 ACT81460은 포괄적인 전원 관리 솔루션으로서, 극히 낮은 대기 전류로 배터리 시간을 연장한다. 고도로 효율적인 벅-부스트 컨버터를 통합함으로써 최대 2.7V에 이르는 배터리 용량을 활용해서 광학적 심박 센서 같은 다양한 장치를 구동할 수 있다. 레귤레이터와 배터리 차저로 낮은 정지 전류는 웨어러블 의료용 애플리케이션에서 경부하 조건으로 높은 효율을 달성한다.

휴대 가능한 첨단 기술을 사용해서 신체적 활동을 모니터링하고 데이터를 수집하고 실시간으로 조치를 취함으로써 환자의 편의성을 높이고 의료 인력의 효율을 높일 수 있다. 인체에 착용하는 의료용 모니터링 기기는 정확도가 높고, 신뢰성이 높고, 관리하기가 용이하고, 수명이 길어야 한다. 전력과 SNR 요구를 동시에 충족하는 PMIC를 사용함으로써 원하는 모니터링 하드웨어를 구현하고 사회를 이롭게 할 수 있다.