타임 랩스라는 영상 기법을 사용하려면 인터밸로미터를 이용해 카메라를 작동시켜야 한다. 인터밸로미터는 전자적 타이밍 소자의 일종이며, 작동하는 잠깐의 순간을 제외하고는 에너지 절약을 위해 전원을 끈다. 그러나 장치 하나 정도는 시간 체크를 위해 계속 켜져 있다. 이러한 시스템에서 주기적인 작동을 담당하는 IC의 경우 특수한 기능들이 필요한데, 여기서는 주기적 애플리케이션에서 시간, 전력 제어 시 회로 성능을 최적화하는 IC에 대해 알아본다.

자연 경관을 담은 영상물에서는 타임 랩스(Time-lapse)라고 하는 영상 기법을 사용해 비교적 긴 시간 동안 일어나는 사건을 단 몇 초 만에 표현하는 것을 볼 수 있다. 꽃이 개화하는 모습에서부터 구름이 갖가지 형상으로 흘러가는 것에 이르기까지, 타임 랩스 영상은 일반적인 영상 시퀀스를 표현할 때 사용하는 것보다 훨씬 느린 간격으로 필름 프레임을 포착한다.
이렇게 하기 위해 내장 또는 외장 인터밸로미터(Inter-valometer, Interval Meter)를 사용해서 카메라를 작동시킨다. 인터밸로미터가 시간 간격을 카운팅하고 지정된 간격이 됐을 때 카메라를 작동시키는 것이다. 타임 랩스 영상뿐만 아니라, 인터밸로미터를 조절해 영상을 빠르게 포착하도록 하면 유성의 궤적과 같은 영상을 표현하거나 또는 순간적으로 일어나는 사건을 늘려서 표현할 수도 있다.

인터밸로미터는 다양한 전자적 타이밍 소자 중 하나이며, 통상적으로 몇몇 순간에만 작동하고 대부분의 나머지 시간에는 에너지를 절약하기 위해 전원을 끈 상태로 있게 된다. 이와 유사한 애플리케이션으로는 관개용 수로 관리, 심박 타이머, 에너지 하베스팅 시스템, 데이터 포착 시스템(스트레인 게이지, 서모커플 게이지 등) 등이 있다. 물론 이러한 시스템에서 모든 전자 장치를 셧다운 시키는 것은 아니며, 적어도 한 장치는 시간을 세기 위해 365일 항상 켜져 있어야 한다. 그러므로 이러한 시스템에서 주기적인 작동을 실행하기 위해서는 이 일을 담당하는 타이밍 IC에 특수한 기능들이 필요하다.

전자적 타임 키핑이라고 했을 때 일반적으로 가장 먼저 생각나는 소자는 실시간 클록(RTC)이나 마이크로컨트롤러일 것이다. 하지만 이러한 소자들은 타이밍 정확도가 디자이너의 우선순위 목록에서 별로 중요하지 않은 애플리케이션에 사용하는 데 적합하지 않을 수도 있다. 그뿐 아니라 이러한 솔루션은 비교적 전력 소모가 크고 코딩을 필요로 하며, 특히 추가적인 로직이 필요할 경우 보드 면적을 크게 차지할 수 있다. 

한편, 이러한 애플리케이션은 고전압을 지원할 수 있고 정지 전류가 낮으며 구성하기 편한 솔루션을 필요로 한다. 여기서는 이러한 요구를 충족시키는 리니어 테크놀로지(Linear Technology)의 LTC2956에 대해 살펴본다.

 ‌푸시 버튼 제어

LTC2956은 구성 가능성이 뛰어난 마이크로 전력 웨이크업 타이머로서 푸시 버튼을 제어할 수 있다. 이 IC는 (타임 랩스 필름에 사용되는 영상을 포착하는 것과 같은) 주기적 작업을 수행하는 시스템으로의 전력 공급을 제어한다. 이 작업이 끝나면 LTC2956은 시스템을 턴 오프 시킴으로써 전력을 절약한다. 이 IC는 파워온/파워오프 사이클을 무한정 반복하도록 구성하거나 시스템을 한 번만 파워온/파워오프 하도록 구성할 수도 있다.

그림 1. 외부적으로 조절 가능하고 푸시 버튼 제어가 가능한 웨이크업 타이머 IC (LTC2956)

그림 1은 통상적인 애플리케이션에서 LTC2956을 어떻게 연결하는지 나타낸 것이다. 이 예에서는 LTC2956이 마이크로프로세서와 통신하면서 LDO로 레귤레이트된 시스템 전력을 제어한다. 

메인 전원 레일(이 예의 경우 배터리)에서 전력을 공급하는데, LDO가 오프일 때는 800nA만 소모하고, LDO가 온일 때는 3㎂를 소모한다. 입력 전원은 최저 1.5V에서부터 최고 36V에 이를 수 있으므로, 단일 셀 및 멀티 셀 배터리 애플리케이션을 모두 수용할 수 있다.

또한 이 IC의 모든 조절 가능 타이밍 파라미터는 외부 저항이나 커패시터를 사용해 설정할 수 있다. 사용자가 PERIOD 핀이나 RANGE 핀으로 저항을 연결함으로써 웨이크업 타이머 간격을 250ms에서부터 39일까지 어느 간격으로든 설정할 수 있다.

영상 촬영의 경우라면 인터밸로미터를 250ms 간격으로 빠르게 연속해서 샷을 촬영하도록 설정하거나, 39일마다 한 샷을 촬영하도록 설정할 수도 있다. LONG 핀으로 저항을 연결해서는 웨이크업 타이머를 셧다운 시키기 위해 푸시 버튼을 얼마나 오랫동안 누르고 있어야 하는지 설정할 수 있다. 이 기능은 시스템을 때때로 파워업, 파워다운해야 하는 애플리케이션에서 유용하게 사용된다. 

이 LONG 핀은 또한 LTC2956이 파워업 시 어떻게 작동할지 선택할 수 있다. 다시 말해서, 웨이크업 타이머를 실행하면서 파워업할지, 아니면 정지시킨 채 파워업할지 선택할 수 있는 것이다.
마지막으로, ONMAX 핀으로 커패시터를 연결하면 시스템이 온 상태로 켜져 있는 시간을 제한할 수 있다. 이 기능은 시스템이 실수로 계속해서 켜지는 것을 막을 수 있으므로, 페일세이프 수단으로 이용할 수 있다.
LTC2956은 코딩 없이 설정을 조절할 수 있으므로, 제조업체나 소비자 측에서 제품의 온·오프 타이밍을 편리하게 조절할 수 있다.
예를 들어, 제조업체에서는 LTC2956 디자인을 복사해서 붙여넣은 후, 각각 다른 제품으로 각각 다른 저항 값을 레이아웃하는 것만으로도 각각 타이밍이 다른 일련의 제품들을 손쉽게 설계할 수 있다. 

또한, 제조업체에서 실행하는 제품 설계, 설정 조절을 소비자에게 넘길 수도 있다. 보드 상 다른 모든 저항 조합들을 레이아웃하고, 소비자가 점퍼와 스위치를 이용해 최종 제품을 구성할 수 있도록 하는 것이다.
이와 같은 방법들 중 어떤 방법을 사용해도 프로그래밍은 하지 않는다.

 ‌적은 에너지로 온·오프 타이밍 조절

LTC2956의 중요한 이점은 저전압 시스템, 고전압 시스템 모두 온·오프 타이밍을 편리하게 조절할 수 있으며, 에너지 소모를 최소화할 수 있다는 것이다. 하지만 이러한 이점들을 최대한 실현하기 위해서는 이 IC를 이용해 제품의 기능적 요구를 어떻게 충족할 수 있는지부터 이해해야 한다. 즉, 어떤 동작 모드들을 포함하고 있고 어떤 핸드셰이킹 신호들을 사용할 수 있는가 등이다. 이러한 사항들을 이해함으로써 LTC2956을 자신의 디자인에 채택할 수 있는지 판단할 수 있을 것이다.

그림 2. LTC2956의 개략적인 상태도

그림 2는 LTC2956의 상태도를 대략 나타낸 것이다. 상태도를 보면 이 IC를 자동적으로 런(RUN) 모드(웨이크업 타이머 실행)로 파워업하거나, 셧다운(SHUTDOWN) 모드(웨이크업 타이머 정지)로 파워업하도록 구성할 수 있다는 것을 알 수 있다.
LONG 핀 전압이 Vcc/2보다 높으면 이 IC가 런 모드로 파워업하고, 어웨이크(Awake) 상태와 슬립(Sleep) 상태 사이를 전환한다. 어웨이크 상태일 때는 EN 핀을 하이로 풀링해 시스템을 턴 온하며, 페일세이프 기능의 ONMAX 타이머가 시작된다. 

주어진 작업을 완료하거나(마이크로프로세서가 SLEEP 입력 핀을 로우로 풀링) ONMAX 타이머가 완료되면 어웨이크 상태에서 전환한다.
슬립 상태일 때는 EN 핀을 로우로 풀링해서 시스템을 턴 오프하고, 웨이크업 타이머가 완료되거나 시스템을 켰을 때
(푸시 버튼을 짧게 누르거나 마이크로프로세서가 SLEEP 핀을 하이로 풀링) 슬립 상태에서 전환한다. 언제든 푸시 버튼을 길게 누르는 것이 감지되면 LTC2956이 셧다운 모드로 전환한다.
LONG 핀 전압이 Vcc/2보다 낮으면 LTC2956이 셧다운 모드로 파워업한다. 이때는 극저전력으로 살아있는 것을 제외하고는 모든 시스템 장치들을 파워다운함으로써 에너지를 절약한다.
이 모드는 화재 경보기와 같이 배터리를 장착한 채로 출하되는 제품들에 사용하는 데 유용하다. 시스템을 턴 온하고 웨이크업 타이머를 런 모드로 시작하기 위해서는 푸시 버튼을 짧게 눌러야 한다.
LTC2956이 셧다운 모드에서 런 모드로 전환하면 ONALERT 입력 핀이 로우로 풀링해 시스템으로 파워업 초기화 루틴을 실시하도록 통보한다. 

마찬가지로 LTC2956이 런 모드에서 셧다운 모드로 전환하면 OFFALERT 출력 핀이 로우로 풀링해서 시스템으로 셧다운을 경고하거나 LED로 연결해 시스템의 온·오프 상태를 시각적으로 지시할 수 있다.
이 IC는 수동 시스템과 능동 시스템에 모두 사용할 수 있다. 수동 시스템에서는 LTC2956의 SLEEP 핀을 관리하기 위해 마이크로컨트롤러나 FPGA를 이용할 수 없는 경우, 조절 가능 ONMAX 타이머를 이용해 ON으로 켜져 있는 시간을 지정할 수 있다. 이 시간은 시스템이 주기적 임무를 완료하기 위해 걸릴 것으로 예상되는 최대 시간보다 더 길게 설정해야 한다.

그림 3. SLEEP을 로우로 연결했을 때와 SLEEP 핀을 토글링할 때

그림 3(a)는 LTC2956을 이용한 수동 시스템의 타이밍 다이어그램이다. 조절 가능 웨이크업 시간(tPERIOD)에 도달하면 LTC2956이 어웨이크 상태가 되고, EN 출력을 하이로 풀링해서 시스템을 턴 온한다. 이와 함께 웨이크업 타이머가 재시작하고 ONMAX 타이머(tONMAX)가 시작된다. ONMAX 타이머가 완료되면 LTC2956이 다시 슬립 상태로 되고 EN 출력을 로우로 풀링한다.

능동 시스템은 마이크로컨트롤러나 FPGA가 존재하는 경우로, 시스템이 LTC2956의 SLEEP 핀을 토글링함으로써, 주기적인 임무를 마친 후에는 즉각적으로 어웨이크 상태를 종료할 수 있다. 이렇게 하면 깨어 있는 시간을 최소화하여 전력 소모를 줄일 수 있다.
그림 3(b)는 이 IC를 이용한 능동 시스템의 타이밍 다이어그램이다. 웨이크업 시간에 도달하면 LTC2956-1이 어웨이크 상태로 되고 EN 출력을 하이로 풀링해 시스템을 턴 온한다. 이와 함께 웨이크업 타이머가 재시작되고 ONMAX 타이머가 시작된다. 

시스템이 주기적인 임무를 마쳤을 때는 마이크로컨트롤러나 FPGA가 SLEEP 핀으로 신호를 보내 LTC2956이 다시 슬립 상태로 된다.
LTC2956이 셧다운 모드(웨이크업 타이머 정지)인지 슬립 상태(웨이크업 타이머 작동)인지 알기 어려울 수도 있다. 둘 다 시스템이 오프이고(EN 출력을 로우로 풀링) LTC2956이 1㎂ 미만의 전원 전류만 소모하기 때문이다.
웨이크업 타이머를 셧다운 모드가 아닌, 확실한 런 모드로 하기 위해서는 사용자가 푸시 버튼을 짧게 눌러 EN 출력을 하이가 되도록 하면 된다. 또한 푸시 버튼을 누르면 언제든지 웨이크업 타이머를 재시작할 수 있다. 이것은 웨이크업 시간을 외부적인 이벤트와 수동적으로 동기화하고 싶을 때 유용하다. 다시 말해서 외부 이벤트가 발생했을 때 푸시 버튼을 짧게 누르면 시스템을 턴 온할 수 있고, 그 다음 턴 온은 그 다음 tPERIOD에 한다.

그림 4. LTC2956을 사용한 마이크로 전력 타임 랩스 영상 촬영 인터밸로미터 예

다시 앞에서 언급한 영상 촬영 인터밸로미터 예로 돌아가자. 그림 4는 이와 같은 애플리케이션으로 LTC2956을 어떻게 구현할 수 있는지 보여준다. 이 예는 수동 모드인 것으로 간주하고 SLEEP 핀을 접지로 연결해 정지시키고 있으며, ONMAX 핀으로 10nF 커패시터를 연결해서 인터밸로미터의 최대 온 시간을 133ms로 설정하고 있다. 이 정도면 한 샷을 찍는 데 충분한 시간이다.

한편, 레인지(RANGE) 핀으로는 각각 다른 값의 저항들을 병렬로 연결했다. 이들 각각의 값은 인터밸로미터를 다시 웨이크업시키고, 다음 사진을 찍기까지 얼마나 오랫동안 슬립시킬지 설정한다.
사용자는 인터밸로미터의 회전식 스위치를 돌려 원하는 간격을 선택할 수 있고, 푸시 버튼 스위치(±25kV ESD 보호)를 눌러 인터밸로미터를 턴 온, 턴 오프할 수 있다.

LTC2956은 주기적으로 웨이크업이 필요한 여러 유형의 애플리케이션에 이용할 수 있는 전자식 웨이크업 타이머 IC이다.
이 IC는 슬립 상태로 카운팅할 경우 800nA로 전류 소모를 최소화하고, 타이머를 아예 작동시키지 않을 때는 300nA만 소모한다. 모든 타이밍 조절을 외부 커패시터와 저항을 이용해 실행하므로 코딩이 필요 없다.
견고한 푸시 버튼 인터페이스는 타이머를 우회하며 필요에 따라 시스템을 턴 온하거나 턴 오프할 수 있다.
4개의 I/O 신호를 이용할 수 있으므로 능동 시스템에서 마이크로프로세서 또는 FPGA와 통신할 수 있으며, 또한 수동 시스템의 경우에는 조절 가능 ONMAX 타이머를 이용할 수 있다(능동 시스템에서 페일세이프 메커니즘으로 이용할 수도 있다).
12리드 3mm×3mm QFN 또는 MSOP 패키지로 제공되는 LTC2956은 공간 절약적인 IC로서 특수한 타이밍을 필요로 하는 디자인을 간소화 및 최적화한다.

Christopher Gobok Linear Technology Corporation