LTC3109는 열전발전기(TEG)나 서모파일(thermopile)에서 mV 수준의 입력 전압으로 기동해 동작하는 고집적 스텝업 DC/DC 컨버터&파워 매니지먼트 IC이다. LTC3109는 2개의 소형 스텝업 트랜스포머와 작은 수의 저비용 커패시터를 사용하여 최신 무선 센서 전자장치에 전력을 공급하는데 필요한 조정된 출력 전압을 공급한다.

측정 및 제어를 위한 초저전력 무선 센서 노드의 확산은 새로운 에너지수확 기술과 함께 배터리 대신에 주위의 환경 에너지로부터 전력을 공급받는 완벽한 자율 시스템을 구현할 수 있도록 해주었다. 환경 또는 “공짜” 에너지를 통해 무선 센서 노드에 전력을 공급하는 것은 매력적인 일이다. 배터리 또는 배선의 필요성을 보완하거나 제거할 수 있기 때문이다. 배터리 대체 또는 서비스가 불편하고 비용이 높거나 위험할 경우에 이것은 분명한 이점을 제공한다.
또한 배선이 필요없기 때문에 모니터링 및 관리 시스템을 대규모로 간편하게 확장할 수 있다. 에너지수확 무선 센서 시스템은 빌딩 자동화, 무선/자동 계량, 예측 유지보수뿐만 아니라, 수많은 다른 산업, 군사, 차량, 소비가전 애플리케이션 등과 같은 다양한 분야에서 설치와 유지보수 활동을 간소화시킨다. 에너지수확의 이점은 명확하지만, 효과적인 에너지수확 시스템은 극소 수준의 자유 에너지를 무선 센서 시스템이 이용할 수 있는 형태로 변환할 수 있는 지능적인 전력관리 전략을 필요로 한다.

가장 중요한 것은 듀티 사이클
대부분의 무선 센서 시스템이 매우 낮은 평균 전력을 소모하기 때문에 수확 에너지로부터 전력을 공급받을 수 있는 주요 대상이 될 수 있다. 대부분의 센서 노드들이 서서히 변화하는 물리적인 양을 모니터링하는 데 사용된다. 때문에 측정과 그 결과의 전송이 그리 빈번하게 이루어지지 않아 결과적으로 매우 낮은 동작 듀티 사이클과, 이에 따른 매우 낮은 평균 전력 요구사항을 가지게 된다. 예를 들어, 센서 시스템이 동작할 때 30 mA 조건에서 3.3 V(100 mW)를 필요로 하지만, 매 1초마다 10 ms 동안만 활성화된다면, 요구되는 평균 전력은 단지 1 mW에 불과하기 때문에 전송 버스트 사이의 비활성 시간 동안 센서 시스템 전류를 μA 수준으로 낮출 수 있다고 가정할 수 있다. 동일한 무선 센서가 1초에 한 번이 아니라 1분에 한 번만 샘플링하여 전송한다고 가정한다면, 평균 전력은 20 μW 이하로 급격히 낮아질 것이다. 이러한 차이는 중요하다. 대부분의 에너지수확 형태가 일반적으로 수 밀리와트 또는 일부 경우에는 마이크로와트 수준의 매우 작은 정상-상태(steady-state) 전력을 제공하기 때문이다. 애플리케이션이 요구하는 평균 전력이 낮을수록 수확된 에너지로부터 보다 많은 전력을 공급받을 수 있다.

에너지수확 소스
수확을 위해 이용 가능한 가장 일반적인 에너지 소스는 진동(또는 운동), 빛, 열 등이다. 이러한 모든 에너지 소스에 대한 트랜스듀서는 3가지 특성을 공통적으로 가지고 있다:

1) 전기적 출력이 조정되지 않으며, 전자 회로에 전력을 공급하는데 직접적으로 사용되지 않는다.
2) 지속적이고 중단이 없는 전력 소스를 제공하지 않을 수 있다.
3) 일반적으로 10 μW에서 10 mW까지의 범위를 가지는 매우 작은 평균 출력 전력을 일반적으로 생성한다.

무선 센서 또는 다른 전자장치에 전력을 공급하는데 소스를 이용할 경우에 이러한 특성들로 인해 적절한 전력관리 기능이 요구된다.

전력관리: 에너지수확의 단절 고리
수확된 에너지를 통해 전력을 공급받는 일반적인 무선 센서 시스템을 그림 1에 나타낸 바와 같이 5개의 기본적인 블록으로 구분할 수 있다. 전력관리 블록을 제외하면 이들 블록 모두는 대개 제공되고 있다. 예를 들어, 마이크로와트의 전력으로 동작하는 마이크로프로세서와 역시 매우 낮은 전력만을 소모하는 소형의 비용 효과적인 RF 트랜스미터와 트랜시버가 폭넓게 제공되고 있다. 저전력 아날로그 및 디지털 센서 역시 다양하게 사용되고 있다.
이러한 에너지수확 시스템 체인을 완성하는 데 있어서 단절 고리는 1개 이상의 공통적인 자유 에너지원으로부터 동작할 수 있는 전력 컨버터/전력관리 블록이었다. 에너지수확을 위한 이상적인 전력관리 솔루션은 소형이고 적용이 간편하고 양호하게 동작하면서 일반적인 에너지수확 소스들로부터 생성되는 예외적으로 높거나 낮은 전압에서도 동작을 할 수 있어야 한다. 또한 최적의 전력 변환을 위해 소스 임피던스에 대해 우수한 부하 정합 특성을 이상적으로 제공해야 한다. 전력 관리자 자체도 레귤레이션된 출력 전압을 생성하는 데 매우 낮은 전류만을 요구하고, 최소한의 디스크리트 부품만으로 축적된 에너지를 관리해야 한다.
무선 HVAC 센서 또는 지열 전원 센서 등과 같은 일부 애플리케이션들은 에너지수확 전력 컨버터에 대해 또 다른 독특한 기술적 과제를 제시한다. 이들 애플리케이션들은 에너지수확 전력 관리자가 매우 낮은 입력 전압은 물론, 열전발전기(Thermo-Electric Generator, TEG) 변화에 대한 ㅿT의 극성과 다른 극성으로도 동작하도록 요구한다. 이것은 특히 어려운 기술적 문제이며, 수십 또는 수백 밀리볼트의 전압 조건에서 브리지 다이오드 정류기는 선택사항이 아니다.
4×4×0.75 mm 20핀 QFN 또는 20핀 SSOP 패키지로 제공되는 LTC3109는 다른 극성을 가지는 초저 입력 전압 소스에 대한 에너지수확 문제를 해결했다. 이것은 최소 ±30 mV의 입력 전압으로부터 동작을 위한 소형의 간단한 고집적 모놀리식 전력관리 솔루션을 제공한다. 이러한 독특한 기능을 통해 최소 2 ℃의 온도 차이(ㅿT)로부터 에너지를 수확할 수 있는 TEG로부터 무선 센서에 전력을 공급할 수 있다. 2개의 소형(6×6 mm) 기성품 스텝업 트랜스포머와 작은 수의 저비용 커패시터를 사용하여 최신 무선 센서 전자장치에 전력을 공급하는 데 필요한 조정된 출력 전압을 공급한다.
LTC3109는 이러한 스텝업 트랜스포머와 내부 MOSFET를 사용하여 매우 낮은 입력 전압에서도 동작할 수 있는 공진 오실레이터(resonant oscillator)를 형성한다. 1:100 권선비의 트랜스포머로 컨버터는 극성에 상관없이 최소 30 mV의 입력으로 기동할 수 있다. 트랜스포머 2차 권선은 (VAUX 핀을 통해) IC에 전력을 공급하고 출력 커패시터를 충전하는 데 사용되는 충전 펌프 및 정류기 회로에 전력을 공급한다. 가능한 신속하게 저전력 마이크로프로세서에 전력을 공급하기 위해 2.2 V LDO 출력은 우선적으로 레귤레이션 상태가 되도록 설계됐다. 다음으로 센서, 아날로그 회로, RF 트랜스미터 등에 전력을 공급하고 심지어 슈퍼커패시터 또는 배터리를 충전하기 위해 메인 출력 커패시터가 VS1과 VS2 핀(2.35 V, 3.3 V, 4.1 V 또는 5.0 V)에 의해 프로그램된 전압까지 충전한다. VOUT 저장소 커패시터(reservoir capacitor)는 무선 센서가 활성화되고 전송을 하는 낮은 듀티 사이클 부하 펄스 기간 동안 요구되는 버스트 에너지(burst energy)를 공급한다. 호스트에 의해 간편하게 제어되는 스위칭된 출력(VOUT2)은 셧다운 또는 저전력 스립 모드를 제공하지 않는 회로에 전력을 공급하기 위해서도 제공된다. 메인 출력 전압이 이것의 레귤레이션된 값에 가까워졌다는 것을 호스트에 경보를 보내기 위해서 전력 양호 출력(power good output)이 포함된다. 그림 2는 LTC3109의 블록 다이어그램이다.



일단 VOUT이 충전되고 레귤레이션 상태가 되면, 수확된 전류는 선택 가능한 대형 스토리지 커패시터 또는 재충전 가능 배터리를 위한 VSTORE 핀으로 우회한다. 이러한 스토리지 요소는 에너지수확 소스가 간헐적으로 동작되는 경우에 레귤레이션을 유지하고 시스템에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. VAUX 핀 상의 션트 레귤레이터는 VSTORE가 5.3 V 이상으로 충전되지 않도록 방지한다. 일반적인 40 mm2 TEG를 사용할 경우에 LTC3109는 최소 2 ℃의 ㅿT로부터 동작할 수 있기 때문에, 다양한 에너지수확 애플리케이션에서 유용하게 사용될 수 있다. ㅿT가 높을수록 LTC3109가 보다 높은 평균 출력 전력을 공급할 수 있도록 해준다. 컨버터에 대한 출력 전류와 VIN을 비교한 그래프를 그림 3에 제시했으며, 다른 극성의 입력 전압에 대해서도 동일하게 잘 동작할 수 있음을 확인할 수 있다.

열전 발전기
TEG는 디바이스 간의 온도 차이를 변환하는 간단한 열전 모듈이며, 제벡(Seebeck) 효과를 통해 이것을 통과하여 흐르는 최종 열을 전압으로 변환한다. 펠티에(Peltier) 효과로 알려져 있는 이것의 반대 현상은 전압을 인가하여 온도 차이를 생성하며, TEC(ThermoElectric Cooler)로서 친숙하게 사용되고 있다. 출력 전압의 극성은 TEG의 온도 차이의 극성에 의해 결정된다. TEG의 뜨거운 면과 차가운 면을 뒤집으면 출력 전압의 극성이 변화한다.




TEG는 직렬로 전기적으로 연결되어 2개의 열 도전 세라믹 플레이트 사이에 끼어 있는 N-도핑 및 P-도핑 반도체 펠릿(pellet)의 쌍 또는 커플로 구성되어 있다. 가장 일반적으로 사용되는 반도체 재료는 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3, bismuth-telluride)이다. 그림 4는 TEG의 기계적 구조를 나타내고 있다.
일부 제조업체들은 TEG와 TEC를 구분한다. TEG로 판매될 경우, 이것은 일반적으로 모듈 내부의 커플을 조립하는데 사용된 납땜이 상대적으로 높은 융점을 가지기 때문에, 보다 높은 온도와 온도 차이에서도 동작이 가능하다. 따라서 표준 TEC(최대 125 ℃로 일반적으로 제한됨)보다 높은 출력 전력을 제공한다는 것을 의미한다. 대부분의 저전력 수확 애플리케이션은 높은 온도 또는 높은 온도 차이를 나타내지 않는다. TEG는 다양한 크기와 전기 규격으로 제공된다. 가장 일반적인 모듈은 정사각형이며 크기는 면당 10 mm에서 50 mm까지이다. 일반적으로 2~5 mm의 두께를 가진다.
많은 변수들이 TEG가 해당 ㅿT에 대해서 생산할 전압의 양을 제어한다(제벡 계수에 비례함). 이들의 출력 전압은 0.5~10 Ω까지 범위의 소스 저항을 통해 차동 온도(differential temperature)의 10 mV/K에서 50 mV/K까지의 범위(커플의 수에 의해 결정됨)를 가진다. 일반적으로 TEG가 직렬로 제공하는 커플 수가 많을수록 출력 전압이 해당 ㅿT에 대해 높아진다. 하지만, 커플의 수를 증가시키면 TEG의 직렬 저항 역시 증가하여 결과적으로 부하 발생 시 전압 강하가 보다 크게 나타난다. 제조업체들은 개별 펠릿의 크기와 설계를 조정함으로써 이를 보상하여 낮은 저항 상태를 유지하면서도 여전히 보다 높은 출력 전압을 제공할 수 있다. TEG의 열 저항은 이를 선택하고 히트싱크와 일치시킬 때 고려해야 할 또 다른 요소이다.

부하 매칭
모든 전압 소스로부터 제공되는 최대 전력 양을 추출하기 위해서 부하 저항은 소스의 내부 저항과 일치되어야만 한다. 이를 그림 5의 예제에 나타냈으며, 100 mV의 개방-회로 전압소스 전압과 1 Ω 또는 3 Ω의 소스 저항이 부하 저항을 구동하고 있다.
그림 6은 부하 저항의 함수로 부하에 전달되는 전력의 특성을 나타낸 것이다. 이것은 부하 저항이 소스 저항과 일치될 때 최대 전력이 부하에 전달되는 각각의 곡선으로 나타낼 수 있다.
LTC3109는 입력 소스에 대해 약 2.5 Ω의 최소 입력 저항을 나타낸다(이것은 컨버터의 입력 저항이지 IC 자체의 저항이 아니라는 것에 주의해야 한다). 이것은 대부분의 TEG 소스 저항 범위의 중간에 떨어지기 때문에 최적의 전력 변환을 위한 양호한 부하 매칭을 제공한다. 따라서 LTC3109의 설계는 VIN이 낮아질 때 입력 저항이 증가하게 된다. 이러한 기능을 통해 LTC3109는 각기 다른 소스 저항을 가지는 TEG에 상당히 잘 적응한다.

전력 생성을 위한 TEG 선택 방법
대부분의 열전 모듈 제조업체들은 열 에너지수확기의 설계자들이 보기를 원하는 차동 온도와 출력 전압 또는 출력 전력을 비교한 데이터를 제공하지 않는다. 도움이 될 수 있는 다른 TEG 파라미터로는 전기(AC) 저항과 온도 저항이 있다. 이들 역시 항상 제공되는 것은 아니다. 항상 제공되는 2개의 파라미터는 (가열/냉각 애플리케이션에서 구동될 때의) 특정 모듈에 대한 최대 동작 전압과 최대 동작 전류인 VMAX와 IMAX이다. VMAX를 IMAX로 나누면 디바이스의 전기 저항의 근사값을 구할 수 있다.
많은 양의 열 흐름을 이용할 수 있고, 충분한 히트싱크가 TEG의 다른 한 면에 제공될 수 있다면, 발전 목적을 위한 열전 모듈을 선택할 때 경험의 법칙 상 해당 크기에서 (VMAX·IMAX)에 대해 최고값을 가지는 모듈을 선택해야 한다. 이것이 일반적으로 최고의 TEG 출력 전압과 최저 소스 저항을 제공한다. 이 규칙에서 한 가지 주의할 점은 히트싱크의 크기가 TEG의 크기에 따라 결정되어야 한다는 것이다. TEG가 클수록 최적의 성능을 위해 보다 큰 히트싱크를 필요로 한다. 해당 전기 저항이 AC 저항으로서 지정된다는 사실에 주의해야 한다. DC 전류를 사용하는 전통적인 방법으로 측정할 수 없기 때문이다. DC 전류는 제벡 전압을 생성할 수 있기 때문에 잘못된 저항 판독 결과를 산출할 수 있다. 이용 가능한 열 흐름의 양이 제한되거나 보다 작은 크기의 히트싱크를 사용해야만 하는 애플리케이션의 경우에 열 저항이 사용할 수 있는 최대 히트싱크의 저항과 일치된 TEG를 선택하는 것이 최상이다.
그림 7은 1~20 ℃까지의 ㅿT 범위에 대한 30 mm2 TEG의 출력 전압과 최대 출력 전력 성능을 나타낸 것이다. 출력 전력은 이 범위에 대해서 수백 마이크로와트에서 수십 밀리와트까지 변화한다. 이 전력 곡선은 변환 손실이 전혀 없는 이상적인 부하 매칭 조건을 가정하고 있다는 사실에 주의해야 한다. 궁극적으로 LTC3109에 의해 보다 높은 전압으로 상승된 이후에 이용 가능한 출력 전력은 전력 변환 손실로 인해 더 낮다. LTC3109 데이터 시트는 다양한 동작 조건에 대해 이용 가능한 출력 전력에 대한 몇 개의 그래프를 제공한다.
해당 애플리케이션에 대해 요구되는 TEG의 크기는 이용 가능한 최소 ㅿT, 부하가 요구하는 최대 평균 전력은 물론 주변 조건에서 TEG의 한 면을 유지하는데 사용되는 히트싱크의 열 저항에 의해 결정된다.

온도 고려사항
각기 다른 온도를 가지는 2개의 표면 사이에 TEG를 배치할 경우에 TEG기 추가되기 전의 “개방 회로(open circuit)” 온도 차이는 이것이 배치되었을 때 TGE 사이의 온도 차이보다 높다. 이것은 TEG 자체가 플레이트 사이에서 상당히 낮은 온도 저항을 가진다는 사실 때문이다(일반적으로 1 ℃/W에서 10 ℃/W이다). 예를 들어, 기계의 큰 부분이 35 ℃의 표면 온도로 동작하고 주변 온도가 25 ℃인 상황을 고려해보자. TEG가 기계에 부착되었을 때 히트싱크는 TEG의 차가운 면(주변)에 부착되어야 하며, 그렇지 않을 경우에 전체 TEG가 거의
35 ℃까지 가열되어 모든 온도 차이를 상쇄시킬 것이다. TEG를 통과하는 열의 흐름이 전기적인 출력 전력을 생성한다는 사실을 유념해야 한다. 이 예제에서 히트싱크와 TEG의 온도 저항은 TEG 사이에 존재하는 전체 ㅿT의 비율을 나타낸다. 시스템의 간단한 온도 모델을 그림 8에 나타냈다.
열원(heat source, RS)의 열 저항을 무시할 수 있다고 가정하면, TEG의 열 저항(RTEG)은 6 ℃/W, 히트싱크의 열 저항은 6 ℃/W이며 TEG에 대한 최종 ㅿT는 5 ℃에 불과하다. 이에 대한 단지 수 ℃ 정도를 통한 TEG의 낮은 출력 전압은 초저 입력 전압으로 동작할 수 있는 LTC3109의 성능에 대한 중요성을 다시 한번 확인시켜준다.
대형 TEG는 일반적으로 증가된 표면 영역으로 인해 상대적으로 작은 것보다 낮은 열 저항을 가진다는 사실에 주의해야 한다. 그러므로 TEG의 한 면에 상대적으로 작은 히트싱크를 사용하는 애플리케이션에서 상대적으로 큰 TEG가 작은 것보다 상대적으로 낮은 ㅿT를 가지며, 따라서 보다 많은 출력 전압을 반드시 제공하지 않을 수도 있다. 어떠한 경우에도 가능한 최저 열 저항을 가지는 히트싱크를 사용하여 TEG에 대한 온도 강하를 최대화시킴으로써 전기 출력을 극대화시킨다.
상대적으로 높은 온도 차이(즉, 보다 높은 입력 전압)를 이용할 수 있는 애플리케이션의 경우, 1:50, 1:20 등과 같은 상대적으로 낮은 권선비(turn’s ratio)의 트랜스포머를 사용하여 보다 높은 출력 전류 성능을 제공할 수 있다.
일반적으로 최소 입력 전압이 부하 조건 하에서 최소 50 mV 일 경우에는 1:50의 비율이 권장된다. 최소 입력 전압이 최소 150 mV 일 경우에는 1:20의 비율이 권장된다.

배터리 백업 기능을 제공하는 초저전력 애플리케이션
일부 애플리케이션은 지속적으로 동작한다. 이와 같은 애플리케이션들은 전통적으로 3 V 리튬 코인 전지와 같은 소형 1차 배터리를 통해 전력을 공급받는다. 이러한 애플리케이션들이 열 수확을 통해 연속적으로 전력을 공급받을 수 있을 만큼 전력 요구가 낮거나 열 수확을 사용하여 배터리 수명을 대폭 연장시킬 수 있다면 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 경우에 따라 전체 전자장치가 수확된 에너지가 제공할 수 있는 것보다 적게 소모할 경우, LTC3109는 TEG에 온도 차이가 존재하는 한 부하에 지속적으로 전력을 공급할 수 있다. 이러한 조건 하에서 배터리에는 부하가 발생하지 않는다. 수확된 에너지가 충분하게 공급되지 않을 경우에 백업 배터리가 자연스럽게 대체를 하여 부하에 전력을 공급한다.