배터리 없이 IoT 구동하기 에너지 하베스팅, 극저전력 IoT 애플리케이션에 적합

4G/5G 통신이 발전하고 스마트 디바이스로 에너지 효율이 향상됨에 따라서 IoT가 갈수록 더 빠르게 도입되고 있다. IDC의 전망에 따르면, 2022년에 전세계적으로 IoT에 대한 연간 지출이 1.2조 달러에 이를 것으로 예상된다(13.6% CAGR).



또한 MarketsandMarkets Research 조사에서는, 2023년에 IoT 노드와 게이트웨이 수가 172억 개에 달할 것으로 전망된다. 그런데 IoT가 진정으로 보편적으로 사용되기 위해서는, 모든 가능한 위치에서 노드들을 연속적으로 가동할 수 있어야 한다. 접근하기 어려운 장소에 설치되어 있으면 긴급한 수리는 물론이고 정기적인 유지보수를 실시하기가 어렵거나 불가능할 수 있다. 또한 수천 개 노드들로 배터리를 교체해야 하고 또 그러한 작업을 하기 위해서는 인력이 필요하다는 점이 IoT 보급에 있어서 걸림돌이 되고 있다.

주변 에너지원을 활용한 에너지 하베스팅

에너지 하베스팅이 극저전력 IoT 애플리케이션으로 전력을 제공하기 위한 현실적인 방법으로서 활발하게 연구되고 있다. 이것은 주변에 사용 가능한 에너지원들을 활용하는 것이다. 에너지 하베스팅의 대표적인 예로서 태양광을 들 수 있다. 태양광(PV) 전지를 사용해서 빛 에너지를 전기로 변환할 수 있다. 또 다른 가능한 에너지원들로는 RF(radio-frequency) 방사, 압전, 열전 현상을 들 수 있다. 하지만 이들 에너지원이 제공하는 전력 양은 매우 낮고 불규칙한 특성이 있다. 전적으로 주변 환경 요인에 의존하기 때문이다.



태양광 분야에서 많은 진전이 이루어져서 효율을 높이고 가격대를 낮추게 되었다(IoT 디바이스 표면에 맞춰서 플렉서블 소재로 태양광 전지를 인쇄할 수 있을 정도로 발전하고 있다). 그럼에도 불구하고 여전히 가장 큰 난제가 남아 있다. 바로 하루 중의 절반만 이 에너지원을 사용할 수 있다는 것이다.

수십억 개의 무선 트랜스미터, 휴대전화, TV/라디오 방송으로부터 또는 전용적인 소스들로부터(렉테나를 통한 전력 전송 등) 주변 RF 에너지를 하베스트해서 배터리 기반 저전력 디바이스를 무선 충전할 수 있다. 열전 하베스터를 사용해서 모터, 차 엔진, 전구, 인체로부터 에너지를 하베스트 할 수도 있다. 압전 방식으로 중장비나 공조 통풍구의 진동으로부터 에너지를 수확할 수도 있다.



적합한 에너지 하베스팅 기술은 IoT 노드가 설치되는 환경에 따라서 선택할 수 있다. 그러므로 범용적인 하베스터를 설계하는 것은 어렵다. 경우에 따라서는 효과적인 솔루션을 위해서 태양광과 RF나 열전과 RF 같이 두 가지 하베스팅 기술을 결합할 수도 있다. 또 다른 고려사항은 소형 박막 또는 인쇄 플렉서블 재충전가능 배터리를 사용하는 것이 적합할지, 버스트 전력을 하베스트하거나 방전할 때 수퍼커패시터와 결합적으로 사용할지, 또는 아예 배터리를 없애고 수퍼커패시터만 사용할지 결정하는 것이다.

배터리와 수퍼커패시터

Renata의 CP042350 3V 박막 일차전지는 두께가 아주 얇고 휨성이 매우 좋다(50mm 직경으로 1,000회 이상). 또한 연간 1%로 자체 방전이 낮다. 평균 무게는 0.86g이고 수은을 함유하지 않으며, 보관 수명은 최대 10년이다(23℃로 보관했을 때). Li/MnO2 소재를 기반으로 하며, 25mAh 공칭 용량이고, -40℃~60℃의 동작 온도 범위로 내부 저항이 30Ω 미만이다.



Murata의 DMH 시리즈 초박형 수퍼커패시터는 20mm x 20mm x 0.4mm 패키지로 제공되며, -40℃~85℃의 동작 온도 범위로 35mF 커패시턴스를 제공한다. 4.5V 정격 전압이고, 300mΩ ESR(electro-static resistance)이다. 폼팩터가 초박형이라서 노드 내에서 코인 전지 배터리 하단이나 여타의 가능한 공간에 탑재할 수 있다.

지능적 전원 관리

사용되는 에너지원이나 저장 기법에 상관없이, 하베스트되는 전력을 극대화하면서 낭비되는 전력을 최소화해야 한다. 최근에 출시되고 있는 새로운 유형의 전원 관리 IC(PMIC)를 사용해서 이러한 목표를 달성할 수 있다.

아나로그디바이스(Analog Devices)의 LTC3588-2는 저손실 전파 브리지 정류기와 고효율 벅 컨버터를 통합했다. 그러므로 압전, 전기기계, 태양광 전지, 자기 트랜스듀서를 비롯한 모든 다양한 에너지원으로부터 에너지를 하베스트하기 위해서 적합한 포괄적인 에너지 하베스팅 솔루션을 제공한다. 저전압 록아웃(UVLO) 모드일 때 830nA의 극히 낮은 입력 정지 전류를 소모하고, 16V의 상승 임계값은 효율적으로 에너지를 추출한다.

UVLO 기능은 또 고효율 동기 벅 레귤레이터를 통해서 입력 대 출력 전류 곱셈을 가능하게 한다. 이 벅은 레귤레이션을 유지하고 있는 동안에 슬립 상태로 전환해서 입력과 출력 정지 전류를 최소화한다. 3.45V, 4.1V, 4.5V, 5.0V의 4가지 출력 전압을 핀을 사용해서 선택할 수 있으며, 최대 100mA의 연속 출력 전류를 제공한다. 그러므로 이 디바이스는 리튬이온과 LiFePO4 배터리뿐만 아니라 수퍼커패시터에도 사용하기에 적합하다. 또한 입력 보호 션트가 과전압 보호 기능을 제공한다(20V로 최대 25mA 풀다운).

Cypress의 S6AE101A 에너지 하베스팅 PMIC는 작게는 1㎠에 이르는 PV 전지를 사용하는 극소형 태양광 구동 무선 센서에 사용하기에 적합하다. 입력 전압 범위는 2V~5.5V이고, 출력 전압은 1.1V부터 5.2V 사이로 구성할 수 있다. 이들 PMIC 제품은 스위치 제어를 사용해서 태양광 전지가 발생시킨 전력을 출력 커패시터로 저장한다. 태양광 전지 입력 핀으로 과전압 보호 기능을 내장하고 있다.

3mm×3mm SON-10 패키지로 제공되며, 1.2μW 스타트업 전력과 250nA(최소) 소비 전류를 특징으로 한다. 그러므로 BLE 비콘이나 빌딩/공장 자동화와 스마트 농업 용의 무선 센서 같은 애플리케이션으로 센싱, 프로세싱, 통신 기능에 사용할 수 있는 가용 전력을 늘린다.

Maxim Integrated의 MAX17710 에너지 하베스팅 차저 겸 보호 디바이스는 출력이 1μW부터 100mW까지 이르는 주변 에너지 하베스팅 용으로 모든 필요한 전원 관리 기능을 통합했다. 리튬 차저는 1nA 대기 IQBATT, 625nA의 선형적 충전, 1μW 부스트 충전을 특징으로 한다. 3mm × 3mm × 0.5mm UTDFN 패키지로 제공되며, 1.8V, 2.3V, 3.3V LDO 전압을 지원한다. 부스터 레귤레이터 회로는 낮게는 0.75V(정격)에 이르는 소스로 충전하는 것을 가능하게 한다.