에너지 하베스팅을 위한 저전력 변환
  • 2015-05-08
  • 김언한 기자, unhankim@elec4.co.kr
  • 글| 토니 암스트롱(Tony Armstrong) 제품 마케팅 디렉터 Linear Technology Corporation




최대 50 mA 연속 출력 전류를 공급할 수 있는 20 V 입력 가능 동기식 벅 컨버터 LTC3388-1/-3은 2.7 V ~ 20 V의 입력 전압 범위에서 동작하므로 “상시 동작” 센서 및 산업용 제어 전력을 비롯해 광범위한 에너지 하베스팅 및 배터리 구동 애플리케이션에 적합하다.

주변에는 풍부한 주변 에너지(ambient energy)가 존재한다. 전통적인 에너지 하베스팅 방법은 태양광 패널이나 풍력 발전기를 이용하는 것이었다.

그러나 새로운 에너지 하베스팅 도구를 사용하면 다양한 종류의 주변 에너지원으로부터 전기 에너지를 생산할 수 있다. 여기에서 중요한 것은 회로의 에너지 변환 효율이 아니라 전력으로 공급하는 데 사용할 수 있는 “수확된 평균” 에너지양이라는 사실이다. 예를 들어 열전 발전기는 열을, 압전 소자는 기계적 진동을, 광전 변환 소자는 태양광(또는 모든 광원)을 전기로 변환하고, 갈바닉 컨버터는 습기로부터 에너지를 변환한다.

이에 따라 원격 센서에 전력을 공급하거나 커패시터, 박막 배터리와 같은 저장장치를 충전하는 것이 가능해져, 현지 전원 없이도 원격에서 마이크로프로세서나 송신기에 전력을 공급할수 있다.

한편 전력 스펙트럼의 낮은 쪽 끝에는 WSN 및 센서에서 나노 전력 변환이 더욱 일반적이 되고 있으며, 이에 따라 매우 낮은 전력과 전류로 동작할 수 있는 전력 변환 IC에 대한 요구가 존재한다.
이들은 각각 수십 마이크로와트(μW) 또는 나노암페어(nA) 전류가 될 수 있다.
그러나 배터리 충전기를 비롯해, 나와 있는 제품 중 1 μA 미만 전류에서 동작하는 전력 변환 제품은 극히 제한돼 있다.
일반적으로 이러한 애플리케이션에 포함할 필요가 있는 필수적인 IC 성능 특성은 다음과 같다.

? 낮은 대기 무부하 전류 - 일반 6μA미만 및 최저 450nA
?낮은 스타트업 전압 - 최저 20 mV
? 높은 입력 전압 성능 - 최대 34 V 연속 및 40 V 과도 전압
?AC 입력 처리 기능? 다중 출력 기능 및 자동 시스템 전력 관리
? 태양광 입력을 위한 최대 전력점 제어(Maximum Power Point Control, MPPC)
? 최소 외부 부품을 사용하는 초소형 솔루션 풋프린트

WSN은 기본적으로 주변 에너지원을 전기 신호로 변환해주는 트랜스듀서와 같은 장치와 통상적으로 적절한 전압 레벨과 전류로 다운스트림 전자장치에 전력을 공급하는 DC/DC 컨버터 및 관리자로 구성되는 자체적으로 완전한 시스템이다. 다운스트림 전자장치는 마이크로컨트롤러, 센서, 트랜시버로 구성된다.

WSN을 구현하고자 할 때 고려해야 하는 질문은 이것이다. WSN이 동작하는 데 얼마나 많은 전력이 필요한가?
개념적으로 매우 간단한 질문 같이 보이지만, 실제로는 많은 요인들로 인해 까다롭다. 예를 들어 얼마나 자주 값을 읽을 필요가 있는가? 또는 보다 중요한 질문으로 데이터 패킷 크기는 얼마가 되어야 하며, 전송하는 데 어느 정도의 전력이 필요한가? 등이다. 이 질문이 중요한 이유는 트랜시버가 단일 센서를 읽고 전송하는데 시스템에 의해 사용되는 에너지의 거의 50%를 소비하기 때문이다. 여러 요인들이 에너지 하베스팅 시스템이나 WSN의 전력 소비 특성에 영향을 미치며, 이들 모두를 고려할 필요가 있다.

물론 에너지 하베스팅 소스가 제공하는 에너지는 소스를 얼마나 오랫동안 사용할 수 있는가에 따라 달라진다. 따라서 하베스팅된 소스를 비교하기 위한 일차적 기준은 에너지 밀도가 아니라 전력 밀도이다. 에너지 하베스팅은 일반적으로 낮은 수준의 가변적이며, 예측 불가능한, 사용 가능한 전력 레벨에 의존하게 되므로, 하베스팅 장치와 2차 전력 저장소에 연결되는 하이브리드 구조가 종종 사용된다.

하베스팅 장치는 에너지 공급이 무제한적이고 전력은 부족하기 때문에 시스템의 에너지원이 된다. 2차 전력 저장소는 배터리 또는 커패시터가 될 수 있으며, 더 높은 출력 전력을 생성하지만 적은 에너지를 저장하므로, 필요할 때 전력을 공급하고 그렇지 않을 경우 정기적으로 하베스팅 장치로부터 전하를 받아들인다. 따라서 전력을 하베스팅할 주변 에너지가 없는 경우에는 2차 전력 저장소를 사용하여 WSN에 전력을 공급해야 한다.

물론 시스템 설계자의 관점에서 이것은 부족한 주변 에너지원을 보충하기 위해 얼마나 많은 에너지를 2차 저장소에 저장해야 하는가를 고려해야 하기 때문에 복잡성 정도를 추가한다.

WSN은 이용할 수 있는 경우에도 매우 낮은 수준의 에너지를 사용해야 한다는 점은 분명하다. 이것은 시스템에 사용되는 요소가 이러한 저전력

수준을 다룰수 있어야 한다는 것을 의미한다. 트랜시버와 마이크로컨트롤러에 의해 이미 이것은 달성되었지만, 방정식의 전력 변환과 배터리 충전 측면에서는 채워지지 않은 빈 항목이 남아 있었다. 그러나 리니어 테크놀로지에서는 특별히 이러한 요구사항을 해결하기 위해 LTC3388-1/-3 및 LTC4071을 출시했다.

LTC3388-1/-3은 3 mm × 3 mm(또는 MSOP10-E) 패키지에서 최대 50 mA 연속 출력 전류를 공급할 수 있는 20 V 입력 가능 동기식 벅 컨버터이다(그림 1 참조). LTC3388-1/-3은 2.7 V ~ 20 V의 입력 전압 범위에서 동작하므로 “상시 동작” 센서 및 산업용 제어 전력을 비롯해 광범위한 에너지 하베스팅 및 배터리 구동 애플리케이션에 적합하다.



LTC3388-1/-3은 히스테리시스 동기 정류를 이용해 넓은 범위의 부하 전류에서 효율을 최적화한다. 디바이스는 15 uA ~ 50 mA 범위의 부하에 대해 90% 이상 효율을 제공할 수 있으며, 무부하 시 단 400 nA의 전류만 필요로 하기 때문에 보조 전력으로 사용하는 경우 배터리 수명을 늘려준다.

LT3388-1/-3은 정확한 낮은 전압 록아웃(ULVO) 기능을 포함하고 있어 입력 전압이 2.3 V 미만으로 떨어지면 컨버터를 비작동 상태로 전환하므로 무부하 전류가 400 nA로 감소된다. 레귤레이션 상태가 되면(무부하 시) LTC3388-1/-3은 슬립 모드로 들어가 전류를 최소화해 720 nA로 낮춘다. 다음으로 벅 컨버터는 필요할 때 턴온 및 턴오프하여 출력 레귤레이션을 유지한다.

추가적인 대기 모드는 낮은 리플을 필요로 하는 무선 모뎀과 같은 짧은 시간의 부하를 위해 출력이 레귤레이션 상태에 있는 동안 스위칭을 하지 않는 상태로 유지한다. 이러한 높은 효율과 낮은 무부하 전류 설계는 긴 충전 사이클과 함께 센서나 무선 모뎀에 전력을 공급하기 위한 짧은 버스트 부하를 필요로 하는 에너지 하베스팅과 같은 애플리케이션에 이상적이다.

종종 WSN에서 배터리는 보조 백업 전원으로 사용된다. 그러나 저전력 소스에서 이를 어떻게 충전할 것인가 하는 설계 과제는 결코 간단하지 않다. 리니어 테크놀로지의 LTC4071은 배터리 팩 보호 기능과 로우 배터리 분리 기능을 탑재해 로우 배터리가 자체 방전으로 인한 손상을 입지 않도록 보호하는 션트 배터리 충전기 시스템이다.

LTC4071은 리튬 이온/폴리머 배터리를 위한 단순하지만 정교한 충전기이자 보호 장치이다. 또한 극히 낮은 550 nA의 동작 전류를 구현하므로, 예전에는 사용할 수 없었던 에너지 하베스팅 애플리케이션으로부터 공급되는 소스와 같이 매우 낮은 전류, 간헐적 전류 또는 연속적인 충전 소스로부터 충전이 가능하다.

내장된 열 배터리 컨디셔너는 부동 전압을 감소시켜 높은 배터리 온도에서 리튬 이온/폴리머 셀, 코인 셀 또는 박막 배터리를 보호한다. 로우 프로파일 8-리드 2 mm × 3 mm DFN 패키지로 제공되는 LTC4071은 입력 전압과 직렬로 연결되는 단 하나의 외부 저항만 있으면 완벽한 초소형 충전기 솔루션을 구현할 수 있다.

휴대용 애플리케이션과 에너지 하베스팅 시스템은 마이크로와트에서부터 1W 이상까지 올바른 동작을 위한 광범위한 전력 레벨을 갖지만, 시스템 설계자가 선택할 수 있는 많은 전력 변환 IC들이 나와 있다. 그러나 나노 전력 레벨까지 내려가는 전력 범위의 낮은 쪽 끝에서는 선택이 제한되어 있다.

다행히 설계자가 선택할 수 있는 마이크로암페어 미만의 무부하 전류를 갖는 전력 변환 및 배터리 충전 솔루션들이 나와 있다. 이와 같은 극히 낮은 무부하 전류는 저전력 센서와 차세대 WSN에서 상시 동작 회로를 위한 배터리 수명을 연장시켜준다.



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