교통, 인프라, 산업용 센서, 빌딩 자동화 시스템 등에 적용이 점차 확대되고 있는 초저전력의 원격무선센서는 에너지원으로 주로 배터리를 사용하고 있으며, 배터리 수명을 연장하는 다양한 기술들이 개발되고 있다. 본고에서는 배터리의 수명을 획기적으로 연장시켜주는 에너지 수확 IC에 대하여 알아본다.


글 | 제프 그루에터(Jeff Gruetter)
제품마케팅 엔지니어
리니어테크놀로지

배경
지금까지 역사적으로 원격 무선 센서는 배터리에 의존해 전력을 공급함으로써 데이터를 무선으로 측정하고 전송해 왔다. 이러한 방식의 동작은 신뢰할 수 있지만, 센서 네트워크의 가용 수명은 전적으로 배터리 수명에 의존하게 된다. 일부 애플리케이션의 경우 다소 비용이 들지만 비교적 쉽게 배터리를 교체할 수 있도록 무선 센서 노드에 접근할 수 있게 하고 있다. 이들 배터리는 5-10년의 수명을 갖도록 설계되어 있으며, 각 센서 노드에서 값비싼 부품에 속한다. 또 다른 애플리케이션에서는 배터리 교체가 까다롭고, 많은 노력과 비용이 드는 작업이다. 예를 들면 원자력 발전소, 정유소 심지어 지하에 매설된 무선 센서의 배터리를 교체하는 경우를 들 수 있는데, 이때 관련되는 비용은 상당한 수준이 된다. 물론 배터리가 클수록 더 긴 수명을 제공할 수 있지만 더 큰 배터리의 물리적 크기에는 비용이 뒤따른다. 여기에서 우리는 다음과 같은 질문을 하게 된다. “어떻게 하면 배터리를 더 오래 가게 할 수 있을까?” 한 가지 가능한 대답은 또 다른 수확 가능한 에너지원을 찾는 데 있다. 사용 가능한 때에는 이 에너지원에서 센서 노드를 동작시키고 사용할 수 없을 때에는 1차 배터리에서 노드를 동작시키는 방법이다.
물론 에너지 수확은 새로운 개념이 아니다. 물과 중력을 결합해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 최초의 수력발전소는 1882년에 만들어졌으며, 매우 큰 규모로 상대적으로 ‘친환경적’이면서 지속 가능한 전기를 공급하는 에너지원이었다. 그러나 이러한 방식의 수력 발전은 자연적인 지형에 크게 의존하는데다 대규모의 값비싼 전송망이 필요하다. 게다가 전력 손실이 거리에 비례해 증가하기 때문에 사용 가능한 전력의 양이 크게 줄어준다. 그러나 많은 경우 무선 센서 노드에 전력을 공급하는 데에는 수 밀리와트의 전력만 필요하기 때문에 훨씬 작은 규모의 솔루션을 사용할 수 있다.
이러한 애플리케이션을 위한 솔루션은 매우 다른 관점에서 에너지 수확이라는 개념을 다시 도입함으로써 매우 낮은 전력 스펙트럼에서 초소형의, 주로 무선 애플리케이션을 위한 새로운 시장을 창출하고 있다. 이들 애플리케이션은 수 나노와트에서 수십 밀리와트 범위의 출력 전력을 필요로 한다. 태양전지(광전지)와 압전 트랜스듀서는 알려진 전기 에너지원이지만, 이러한 비전통적인 에너지원에서 전력을 수확하는 것은 까다로운 과제였다. 이러한 에너지원은 모두 효율적으로 대체 에너지원을 수집, 관리하고 보다 가용한 형태의 전기 에너지로 변환하여 센서나 마이크로컨트롤러, 무선 트랜시버에 전력을 공급할 수 있는 일정한 종류의 전력 변환 회로를 필요로 한다. 소스 전압이 필요한 수준보다 높을 때 다운컨버팅으로 가용한 상태로 만들거나 일부 경우 정류를 거친 다음 다운컨버팅을 해야 하는데, 어느 경우이든 특정한 에너지 수확 회로가 필요하다. 역사적으로 이들 회로는 30개 이상의 부품이 들어가는 매우 복잡한 개별 회로를 필요로 했으며 아직도 실용적인 용도로 사용할 수 있을 만큼 충분히 높은 효율을 제공하려면 까다로운 작업을 거쳐야 한다. 최근에 들어서야 적절한 트랜스듀서와 함께 초소형의 간소화된 매우 효율적인 전력 변환 및 관리 솔루션을 구현하는 전문적인 에너지 수확 전력 IC가 등장했다.
초저전력 애플리케이션은 교통, 인프라, 산업용 센서, 빌딩 자동화, 자산 추적을 포함하여 광범위한 무선 시스템을 포함한다. 이들 시스템은 일반적으로 불과 몇 μW만을 필요로 하는 대기(슬립) 모드에서 동작 수명의 대부분을 보낸다. 웨이크업 상태에서 센서는 압력, 온도 또는 기계적 휨과 같은 파라미터들을 측정하며, 이렇게 측정된 데이터는 무선으로 원격 시스템 관리자에게 전송된다. 보통 전체 측정, 처리 및 전송 시간은 단 몇 밀리초에 불과하지만 이러한 짧은 시간 동안 수십 mW의 전력이 필요하다. 이러한 애플리케이션의 듀티 사이클은 보통 낮기 때문에 수확해야 하는 평균 전력 또한 비교적 낮다. 에너지원이 배터리 한 종류일 때는 결국 배터리를 교체할 필요가 있지만, 만약 에너지 수확 설계로 대부분의 시간에 주변 에너지를 사용할 수 있다면 에너지원을 사용할 수 없는 경우에만 배터리를 사용하게 되기 때문에 배터리 수명을 획기적으로 연장할 수 있다.



나노 전력 무선 센서 애플리케이션
무선 센서가 배치되는 대표적인 예로 빌딩 자동화의 경우를 생각해 보자. 점유 센서, 서모스탯, 조명 스위치와 같은 시스템은 통상적으로 필요한 전력 또는 제어 배선을 없애주고, 대신 무선 네트워크를 위한 배터리와 에너지 수확을 통한 주변 에너지원을 결합하여 함께 사용한다. 이와 같은 대안적인 방식은 처음부터 배선 설치의 필요가 없는 것은 물론 유선 시스템과 관련된 일상적 유지보수 비용까지 줄여준다.
마찬가지로 에너지 수확 기법을 활용하는 무선 네트워크는 건물 안에 센서를 얼마든지 연결하여 건물에서 사람이 사용하지 않는 불필요한 공간의 전력을 끔으로써 냉난방, 환기(HVAC) 및 조명 비용을 줄일 수 있다.

에너지 수확 사례 연구
이번에는 산업 단지에서 강제 환기 시설과 같이 끊임없이 시스템의 공기 흐름 속도와 온도, 압력을 모니터링 해야 하는 에너지 수확 기반 HVAC 모니터링 시스템을 구축하는 경우를 생각해 보자. 각각의 무선 센서 노드(WSN)는 자체 내에 온도, 압력 및 흐름 센서를 내장해야 한다. 측정은 5초마다 수행되고 보고되어야 한다. HVAC 시스템은 매우 길고 보통 건물의 하부 구조에 깊이 매설되기 때문에 전력과 정보 라인을 가동하는 데에 많은 비용이 드는 데다 꾸준한 유지보수가 필요하며 수리 비용 또한 높다. 정기적인 배터리 교체는 각각의 배터리에 대해 노동 집약적인 작업이 수반되기 때문에 상당한 비용이 발생한다. 여기에서 우리가 필요로 하는 것은 사용 가능한 경우 수확된 주변 에너지를 사용하고, 수확된 에너지원을 사용할 수 없을 때에는 최소의 배터리 전력을 사용함으로써 지속적으로 동작할 수 있는 전력 시스템이다. 가장 많이 사용되고 즉시 이용 가능한 주변 에너지원의 하나는 진동이다. 소형의 압전 트랜스듀서는 손쉽게 HVAC 압축기에 존재하는 진동 에너지를 저전류의 AC 전기 신호로 변환할 수 있다(그림 1 참조). 이 수확 에너지원은 정류하고 강압하여 저전압 상태로 만든 다음 WSN에 전력을 공급해야 한다. 에너지원을 일시적으로 사용할 수 없는 경우에는 배터리를 백업 전원으로 사용할 수 있다. 그러나 배터리 전력을 부분적으로만 사용하기 때문에 전체 배터리 수명은 극적으로 연장된다. 따라서 고효율 및 매우 낮은 무부하 전류,  에너지 수확 소스와 배터리간의 순단없는 전원 절환이 가능한 에너지 수확 IC는 이상적인 솔루션으로 꼽힌다.



배터리 수명 연장 IC
최근 출시된 LTC3330은 수확 가능한 에너지를 사용할 수 있을 때 최대 50 mA의 연속 출력 전류를 제공하여 배터리 수명을 연장하는 완벽한 레귤레이팅 에너지 수확 솔루션이다. LTC3330은 수확된 에너지원으로부터 레귤레이트 된 전력을 부하에 공급할 때 배터리의 전원 전류를 전혀 필요로 하지 않으며, 무부하 조건에서 배터리로부터 전력을 공급받을 때에는 단 750 nA 동작 전류만을 필요로 한다. LTC3330은 고전압 에너지 수확 전원과 함께 동기식 벅-부스트 DC/DC 컨버터를 통합하고 있다. 이 컨버터는 1차 셀 배터리에 의해 전력을 공급받아 WSN에서와 같은 에너지 수확 애플리케이션을 위한 단일의 무정전 출력을 생성한다. AC 또는 DC 입력을 받아들이는 전파(full-wave) 브리지 정류기와 고효율 벅 컨버터로 구성되는 에너지 수확 전원은 압전(AC), 태양열(DC) 또는 자기(AC) 소스로부터 에너지를 수확한다. 1차 셀 입력은 수확된 에너지를 사용할 수 없을 때 입력에서 1.8 V ~ 5.5 V 범위로 동작하여 입력이 출력에 대해 위, 아래 또는 같은 수준이든 관계없이 출력을 레귤레이트 하는 벅-부스트 컨버터에 전력을 공급한다. LTC3330은 수확 에너지원을 사용할 수 없을 때 배터리로 자동 전환한다.
LTC3330의 에너지 수확 입력은 AC 또는 DC의 3 V ~ 19 V 전압 범위에서 동작하므로 넓은 범위의 압전, 태양광 또는 자기 에너지원에 이상적이다. 제품의 입력 저전압 록아웃 임계값 설정은 3 V ~ 18 V 사이에서 프로그래밍 가능하기 때문에 애플리케이션이 피크 전력 전환 지점에서 에너지 수확 소스에서 동작할 수 있게 한다. 그 밖에 내장된 기능으로는 프로그래밍 가능 DC/DC 및 LDO 출력 전압, 벅-부스트 피크 전류 제한, 수퍼커패시터 충전기/밸런서 및 입력 보호 션트(VIN >20 V에서 최대 25 mA) 등이 있다.
그림 2의 회로는 압전 트랜스듀서에서 발생하는 AC 입력을 사용하는 LTC3330 회로 예를 보여준다. 일반적으로 애플리케이션은 AC1의 DC 입력을 사용하며, 그리고 AC2의 2차 입력 또는 AC1 및 AC2에 걸쳐 연결된 단일 AC 입력을 사용할 수 있다. 에너지 수확 소스가 압전 트랜스듀서와 같은 AC인 경우 LTC3330은 내장된 풀 브리지 정류기를 사용하여 입력 커패시터에 DC 전압을 공급하는 반면, DC 소스는 입력 커패시터에 직접 저장된다. 입력 커패시터의 전압이 ULVO을 초과하면 LTC3330의 입력 prioritizer가 배터리를 끄고 수확된 소스에서 출력을 레귤레이트 한다. VOUT는 1.8 V ~ 5 V 사이에서 프로그래밍 가능하며, 이 출력은 주로 RF 트랜시버에 전력을 공급한다. 이 밖에 1.2 V ~ 3.3 V 사이의 저잡음 LDO 출력이 제공되며 이 출력은 코어 전력을 마이크로프로세서에 공급하는데 사용된다. 이들 두 가지 출력이 함께 결합할 때 에너지 수확 소스를 사용할 경우 최대 125 mA 출력을 공급하고, 배터리를 사용할 경우에는 50 mA를 공급한다. 에너지 수확 모드에 여분의 출력 전력이 존재할 경우 이 초과 전력은 이후의 사용을 위해 수퍼캡에 저장되므로 배터리를 더욱 절약할 수 있다. 내장된 수퍼캡 밸런서는 추가로 에너지 저장을 최적화하는데 사용할 수 있다. 에너지 수확 소스를 사용할 때 배터리는 제로 무부하 전류를 가지기 때문에 모든 배터리 에너지가 이후의 사용을 위해 저장된다는 점은 중요한 특징이다.
그림 3은 LTC3330에 내장된 기능을 보다 상세히 보여준다. 내장된 풀 브리지 정류기는 압전 또는 자기 트랜스듀서와 같은 AC 입력을 받아들여 AC 신호를 DC 신호로 정류한다. 태양 전지와 같은 DC 입력은 이러한 정류를 필요로 하지 않는다. 여러 개의 트랜스듀서 입력이 사용되는 경우 LTC3330은 사용 가능한 전압 중 가장 높은 전압(전력)을 갖는 입력을 사용한다. 입력 전류가 입력 커패시터에 저장되고, 이렇게 저장된 전압이 프로그래밍 가능 ULVO를 초과하면 prioritizer가 배터리를 끄고, 동기식 스텝다운 컨버터가 필요한 전력을 출력에 공급한다. 출력은 VOUT 핀 또는 저잡음 LDO 출력을 통해 부하에 사용된다. 모든 여분의 전력은 출력 커패시터 또는 수퍼캡에 저장된다. 이러한 상태에서 배터리에서 소비되는 무부하 전류는 제로이다. 입력 보호 션트는 20 V를 초과하는 전압에 대해 추가적인 보호를 제공한다. 에너지 수확 입력 소스를 사용할 수 있을 때 prioritizer는 자동으로 스위치를 동기 벅-부스트 컨버터로 전환하여 필요한 출력을 공급한다. VOUT 및 VLDO은 모두 이러한 전체 전환 시간 동안 레귤레이션을 유지함으로써 필요한 전력을 센서, 무선 송신기 및 마이크로프로세서에 공급한다. 벅-부스트 컨버터의 1.8 V ~ 5.5 V 입력 기능은 넓은 범위의 리튬 계열 배터리를 받아들인다. 이 컨버터는 90% 이상의 효율로 배터리 전압이 VOUT에 대해 위, 아래 또는 같은 수준이든 관계없이 일정한 전압을 공급한다.
벅-부스트 구조는 기존 벅 설계에 비해 30% 이상 더 늘어난 배터리 가동 시간을 제공한다. 배터리로부터 동작할 때 전체 출력 전류는 VIN/VOUT 비에 의존하며, 리튬 이온 배터리 수명의 끝에서는 대략 50 mA이다. VOUT는 저잡음 LDO 출력에 대한 입력으로, 1.2 V에서부터 VOUT에서 최대 50 mV 미만까지 핀 프로그래밍 가능하므로 광범위한 마이크로프로세서/컨트롤러 코어에 전력을 공급하는데 이상적이다. 옵션인 수퍼캡 밸런서는 이러한 저장 에너지의 최대 수명을 보장한다. VOUT 및 VLDO는 모두 우수한 상태 출력을 가지므로 전체적인 시스템 동작을 매끄럽게 한다.



배터리 수명은 얼마나 연장할 수 있을까?
배터리 수명을 정확히 얼마나 더 길게 연장할 수 있는지는 주변 에너지원의 특성과 이용 가능성, 그리고 WSN의 전체적인 전력 요구사항에 달려있다. 앞에서 언급한 HVAC 예에서 만약 압축기가 항상 켜져 있으면 전체 시스템은 압전 EH 소스에 의해 작동되며, 배터리는 단지 정전 시 또는 압축기가 수리 중일 때를 대비한 백업 전원으로만 유지되기 때문에 배터리 수명이 무한으로 연장된다. 마찬가지로 철도 애플리케이션에서 센서를 사용해 휠 베어링 온도, 화물 재고 또는 온도를 측정하는 경우 압전 EH 소스가 열차가 움직이는 동안 시스템에 전력을 공급하며, 열차가 정지 상태에 놓이면 배터리가 대신 전력을 공급한다. 이 역시 배터리 수명을 획기적으로 연장시키므로 레일카에 적용하기에 매우 적합한 기능이다.
또 다른 예는 태양광 주변 에너지원을 사용하는 애플리케이션에서 찾아볼 수 있다. 수확되는 에너지원으로 매우 작은 태양 전지 스택을 추가함으로써 시스템은 낮 동안에 이러한 에너지원으로부터 동작하면서 여분의 전력은 출력 커패시터와 수퍼캡에 저장한다. 태양광 입력을 사용할 수 없을 때 시스템은 먼저 몇 시간 동안 출력 커패시터와 수퍼캡의 에너지를 사용하고 그런 다음 배터리로 전환한다. 외부 조건에 따라 이것은 배터리 수명을 최소 두 배 증가시킬 수 있다.
배터리 수명을 얼마나 연장할 수 있는가에 대한 대답은 ‘상황에 달려 있다’이다. 그럼에도 배터리 수명 연장은 두 배에서 무한대의 어딘가에 있으며 시스템 설계와 입/출력 전력 듀티 사이클에 크게 좌우된다. 분명한 점은 EH IC를 사용하여 1차 배터리에 의해 보완되는 EH 소스를 둘 다 사용하는 경우에만 이러한 연장이 가능하다는 것이다. 따라서 이는 대부분의 경우 설계자가 더 작고 더 저렴한 배터리를 사용할 수 있게 한다.

결론
다양한 WSN 애플리케이션에서 적절한 주변 에너지 트랜스듀서와 에너지 수확 전력 관리 IC를 추가하면 시스템의 1차 배터리 수명을 획기적으로 연장할 수 있다. LTC3330은 이러한 전력 관리 솔루션을 제공한다. LTC3330은 AC 및 DC 주변 에너지원과 1차 배터리 입력을 모두 받아들이며, 필요시에 하나의 에너지원에서 다른 전력으로 매끄럽게 전환한다. 더욱이 이 소자는 에너지를 수확할 때 배터리에 높은 효율과 제로 드레인을 제공하며 간편하게 구현할 수 있는 초소형 솔루션으로 제공된다.
 LTC3330은 많은 애플리케이션에서 배터리 수명을 무한으로 연장시킬 수 있으므로 1차 배터리의 크기와 비용은 물론 배터리 교체 비용을 함께 줄여준다.  ES