2V~4V의 배터리 전압으로 동작하도록 설계된 LTC3107은 최소한의 설계 작업만으로 배터리 전력의 신뢰성과 열에너지 하베스팅의 유지비 절감이라는 두 기술의 장점 모두를 제공한다.

무선 및 유선 센서 시스템은 흔히 주변 에너지가 풍부하게 존재하는 환경에서 작동함으로써 센서 자체를 주변 에너지를 사용하여 구동하기에 적합하다.

예를 들어 전력 요구 수준이 낮을 때 에너지 하베스팅을 사용하면 배터리 수명을 더 연장할 수 있으므로 장기적으로 봤을 때 유지비와 유지보수에 따른 시스템 중단 시간을 줄일 수 있다. 하지만 그렇게 하기 위해서는 넘어야 할 과제가 있다. 그 중에서도 가장 중요한 문제는 주변 에너지 소스가 “간헐적”이라는 점이다.

다시 말해 센서 시스템을 “연속적”으로 구동하기에 충분하지 않을 수 있다는 것이다. 이에 비해 일차전지 전원은 정격 수명이 다하는 동안까지 지극히 신뢰성이 뛰어나다. 이러한 점 때문에 시스템 디자이너들이 주변 에너지를 수확하도록 시스템을 업그레이드하는 것을 꺼려할 수 있다. 특히나 매끄러운 통합이 중요하게 요구될 때는 더 그럴 것이다. 리니어 테크놀로지의 LTC3107은 바로 이러한 디자이너들의 마음을 돌려놓을 수 있는 제품으로서, 기존 디자인으로 간편하게 에너지 하베스팅을 추가해서 배터리 수명을 연장할 수 있다.

LTC3107을 사용함으로써 LTC3107의 3mm × 3mm DFN 패키지와 몇 개의 외부 소자만 들어가면 되는 적은 면적으로 POL(point-of-load) 에너지 하베스터를 구현할 수 있다. LTC3107은 기존 일차전지 배터리에 맞추어 출력 전압을 발생시킴으로써 시스템 내로 매끄럽게 통합할 수 있으므로 새로운 디자인 또는 기존 배터리 구동 디자인에서도 간편하게 공짜로 사용하는 에너지 하베스팅의 이점을 실현할 수 있다.

LTC3107과 소형의 열에너지 소스를 사용함으로써 경우에 따라서는 배터리 보존 수명으로까지 배터리 수명을 연장할 수 있으므로 배터리 교체에 따른 장기적인 유지비용을 절감할 수 있다. LTC3107은 부하 조건과 수확된 에너지를 어느 정도로 사용할 수 있느냐에 따라서 부하에 전력을 전부 공급할 수도, 배터리와 함께 전력을 공급할 수도 있다.

디지털 출력 BAT_OFF를 제공함으로써 특정 시점에 배터리를 사용해서 부하를 구동하고 있는지 아닌지를 나타낸다. 그럼으로써 시스템이 유지보수 보고 용도로 하베스터의 효과와 배터리 사용의 듀티 사이클을 모니터링 할 수 있다. BAT_OFF는 내부적으로 VOUT 에 풀업 된다.

그림 1은 통상적인 무선 센서 애플리케이션을 보여준다. 이 시스템은 전적으로 500mA-Hr 용량의 CR3032 3.0V 일차 리튬 코인 전지를 이용해서 구동한다. 이 배터리는 평균 시스템 전력 요구 수준이 250μW라고 했을 때 연속 동작으로 수명이 대략 8개월에 달할 것이다.

그림 2는 동일한 배터리를 사용한 동일한 시스템에 LTC3107 기반 열 하베스터를 추가해서 배터리 수명을 연장할 수 있게 한 것이다.

그림 3은 소형(15mm × 15mm) 열전 발생기(TEG)와 24mm2 히트싱크를 사용해서 열에너지 하베스팅을 추가했을 때 일련의 TEG 탑재 표면 온도에 걸쳐서 예상되는 배터리 수명 연장을 보여준다(23℃ 주변 온도라고 했을 때).

수확된 열 전력이 부하가 요구하는 평균 전력보다 높을 때는 부하를 구동하기 위해서 배터리가 사용되지 않는다(배터리로부터 80nA의 전류만 소모된다).

그럼으로써 배터리 수명이 통상적인 일차전지 배터리 수명인 5년~10년에 근접할 수 있다. 이러한 조건일 때는 배터리가 LTC3107의 레퍼런스 전압으로만 사용되어 출력 전압 조정 목표점을 제공한다. LTC3107은 모든 동작 조건 시에 배터리로 어떠한 충전 전류가 유입되는 것을 방지한다.

그림 2와 같은 시스템의 경우에, 주변 온도보다 단 12℃ 높은 기계장비의 특정 부위(발열이 많이 나는 부분)나 온수 파이프 부분에 TEG를 부착하여 발열 소스를 공급하면 LTC3107이 전적으로 수확된 에너지만을 사용해서 250μW 부하를 구동할 수 있으므로, 그림 3에서 보는 것과 같이 배터리 보존 수명이 다할 때까지 사용할 수 있어 기존에 필요했던 여러 번의 배터리 교체를 하지 않아도 된다.

그림 4의 파형은 배터리 전압과 LTC3107 출력 전압을 보여준다. 그림에서 보듯이 출력 전압을 배터리 전압보다 약 30mV 낮게 조정함으로써 시스템 부하에 대해서 매끄럽고도 투명하게 시스템이 요구하는 출력 전압을 제공하고 있다. 이러한 조건일 때는 BAT_OFF 출력이 하이(high)로 유지됨으로써 부하를 구동하기 위해서 배터리를 사용하고 있지 않다는 것을 나타낸다(다만 이 그림에서는 스코프 프로브의 저항 때문에 프로브와 LTC3107 내부의 풀업 저항이전압 분배 회로를 형성함으로써 BAT_OFF high 전압이 VOUT 보다 낮게 보인다.

부하 요구가 하베스터의 용량을 초과하면 배터리를 필요한 만큼 사용해서 출력 전압을 유지하고 부하가 필요로 하는 출력 전력을 공급한다. 이 경우라 하더라도 하베스터가 할 수 있는 한 되도록 많은 부하 전류를 제공함으로써 배터리로부터 들어오는 전류를 최소화하고 배터리 수명을 극대화하도록 한다. BAT_OFF 신호는 조금의 전류라도 배터리에서 들어오게 되면 low로 유지된다. 그림 5는 이 조건일 때의 파형을 보여준다. 이 조건일 때는 LTC3107에 의해서 VOUT이 배터리 전압보다 약 220mV 낮게 조정된다.

부하가 역동적이라서 낮은 값에서 높은 값으로 급격히 전환할 때는 BAT_OFF 신호가 high와 low로 펄싱함으로써, 언제 하베스터가 부하로 공급하고 언제 배터리가 필요한지를 나타낸다.

그림 6의 파형은 바로 이러한 경우로서, 순간적인 부하 스텝이 발생했을 때이다.

배터리 수명을 더욱 더 연장할 수 있도록 LTC3107은 VSTORE 핀으로 높은 값의 커패시터를 사용해서 낮은 부하 시에 여분의 에너지를 저장했다가 부하가 높아지면 VOUT으로 공급할 수 있다. 통상적으로 최대 전압 정격이 5V에 이르는 수퍼커패시터를 원활하게 사용할 수 있도록 VSTORE의 전압을 내부적으로 4.48V 최댓값으로 제한한다.

이러한 에너지 저장 기능은 배터리 전력을 사용하기 전에 VSTORE에 저장된 에너지를 먼저 사용할 수 있게 우선순위를 두게 되고 자동으로 전환하여 VOUT 을 유지하게 되며, 이로써 부하가 높아질 때의 배터리 소모를 줄이거나 없앨 수 있다. 그림 7의 파형은 바로 이러한 경우이다. 이 그림에서는 VSTORE 전압이 부하가 낮을 때 충전됐다가 높은 부하일 때 부하로 에너지를 공급하면서 전압이 떨어지고 있다는 것을 알 수 있다. VOUT은 떨어지지 않고 BAT_OFF 신호는 high로 유지되고 있다. 이는 부하가 급격히 변하더라도 출력을 공급하기 위해서 배터리를 사용하지 않고 있다는 것을 알 수 있다.

수확된 전력을 사용할 수 없고 저장된 에너지도 고갈되었을 때는 하베스터를 사용하지 않는 시스템에서와 같이 전적으로 배터리로부터 출력 전력이 공급되고 VOUT이 배터리 전압보다 220mV 낮게 조정된다. 이 경우에는 하베스터 회로는 아이들(idle) 상태를 유지하고 배터리에서 6μA 부하만을 소비한다. 이 경우의 하베스터 파형은 그림 5와 같을 것이다.

VOUT에서 단락 회로로부터 배터리를 보호하기 위해서 VBATT에서 VOUT으로의 전류는 30mA 최소에서 100mA 최대로 제한된다. 그러므로 배터리로 구동될 때는 최소한 30mA의 안정 상태(steady-state) 부하를 제공할 수 있다. 필요하다면 VOUT 상에 디커플링 커패시터를 사용해서 짧은 간격 동안에 급격히 높아지는 부하를 지원할 수 있다.

하베스터가 발생시키는 안정 상태 출력 전류는 여러 가지 요인들에 따라서 좌우될 것이지만, 가장 중요하게는 TEG로 가해지는 온도 차이에 따라서 달라질 것이다. 그런데 이것은 TEG 탑재 표면 온도와 주변 온도의 함수일 뿐만 아니라 또한 TEG의 차가운 쪽에 부착되는 히트 싱크의 열 저항에 따라서도 영향을 받는다. 수확된 출력 전류는 적게는 수 마이크로암페어에서부터 높게는 수 밀리암페어에 이를 수 있다.

VSTORE에서 VOUT으로 공급할 수 있는 전류는 이들 2개 핀 사이의 차동 전압과 LTC3107 충전 제어 회로의 내부 경로 저항(통상적으로 120Ω)에 따라서 제한된다. 그러므로 VSOTRE 전류는 대개 수 밀리암페어 대로 제한되며 급격히 높아지는 부하를 지원하기 위한 것은 아니다. 이렇게 부하가 급격히 높아질 때를 대비해 VOUT 디커플링 커패시터를 사용할 수 있다.

BAT_OFF 기능과 더불어, LTC3107은 내부 LDO 레귤레이터로 2.2V로 조정되는 이차 출력 전압을 제공하므로 이를 사용해 최대 10mA에 이르는 부하를 구동할 수 있다. 이 2.2V LDO 역시 하베스터와 필요하다면 배터리로부터 전력을 공급받는다.