에너지 측정을 하는 저가의 컴포넌트는 스마트 플러그, 가전, 서버 등에서 에너지 측정이 널리 채택되는데 중요한 역할을 한다. MSP430AFE2xx 에너지 측정 IC는 에너지 측정에 필요한 주요 컴포넌트들을 단 하나의 패키지에 모두 집적했다.
여기에는 프로그래머블 게인 증폭기, ADC, MCU, 다른 디바이스와 통신할 수 있는 직렬 인터페이스 등이 들어 있다.

스마트 플러그와 가전 에너지 계량기 같은 보조계량(sub-metering) 애플리케이션을 통해 소비자는 자신의 에너지 사용 패턴을 파악하고 관리할 수 있다. IT 부서에서는 서버 전력 계량기 같은 그 외 보조계량 애플리케이션이 서버 농장의 전력소비를 최적화할 수 있도록 도와준다. 보조계량기를 설계할 때, 센서와 AFE (analog front-end) 컴포넌트, 마이크로컨트롤러(MCU)를 선택하는 것과 같은 고려사항들이 전체 시스템 비용과 난이도를 결정하는데 중요한 역할을 한다. 간단한 설계로 효과적인 구현을 할 수 있어야 하고, 양산 비용을 최소화하면서도 주된 애플리케이션 요건들, 예컨대 에너지 소비 정보를 정확하게 측정, 보고해야 하는 요건 등이 충족되어야 한다. 이 글은 에너지 측정 애플리케이션에서 MSP430AFE2xx IC[1]의 특징과 장점을 소개하고 있다. MSP430AFE2xx는 유틸리티 등급(utility-grade) 전기 계량기의 에너지 측정에 매우 적합하지만, 이 글은 특히 보조계량에서의 쓰임새에 대해 다룬다. 이 글에서의 보조계량이란 유틸리티 외의 전기계량 애플리케이션으로, 스마트 플러그, 가전 에너지 계량기, 서버 전력 계량기 등을 가리킨다.



 

보조계량기의 기능
보조계량기는 스마트 플러그(그림 1)의 형태가 될 수도 있고, 가전(그림 2)이나 서버에 통합될 수도 있다. 어떤 경우이든 보조계량기는 다음과 같은 기능들을 수행하는 것이 보통이다:
·가전의 실시간 에너지 소비 측정
·에너지 소비 데이터를 사용자에게 전달. 이것은 보조계량기 자체에 있는 간단한 LCD 판독기에서 이루어질 수 있다. 아니면, 보조계량기가 Wi-Fi나 ZigBee를 이용해 무선으로 또는 전력선통신(PLC) 같은 유선 통신 방식으로 그 데이터를 원거리 단말기에 전송할 수도 있다.
·가전에 공급 중인 전력을 조절하는 기능을 보조계량기에 둘 수도 있다. 예를 들어, 부하가 최고점인 시간대에 가전을 차단하거나 원격지에서 이를 통제하는 것이다.

에너지 측정 구성요소
에너지 측정 시스템에는 전압 및 전류 센서, 이러한 센서와 교류하는 AFE, 에너지 측정 계산을 하는 MCU 등이 필요하다. 에너지 측정 결과를 LCD 화면에 표시할 수도 있고, 그림 2처럼 무선 통신을 위해 다른 디바이스로 직렬 버스를 거쳐 전송할 수도 있다.
전력은 동시적인 전압과 전류의 산물이다. 아래 공식처럼, 유효 에너지는 시간에 따라 누적된 전력으로 kWh로 표시된다.

여기서, Vsamp는 전압 샘플, I samp는 전류 샘플이며, N은 샘플 개수이다.

에너지 측정의 첫 번째 단계는 들어오는 전압과 부하 전류를 각각 전압 센서와 전류 센서로 측정하는 것이다.

전압 및 전류 센서의 선택
보조계량기에서, 간단한 레지스터 디바이더를 전압 센서로 사용할 수 있다. 이 레지스터 값들은 ADC (analog-to-digital converter)의 입력 범위에 맞춰 AC 주 전압(보통 230 VAC 또는 120 VAC)을 나누도록 선택된 값들이다. 그림 3의 레지스터-디바이더 회로는 230 VAC의 주 전압을 350 mV RMS 가량으로 분할하는데 사용할 수 있으며, 이것은 ADC[3]의 포지티브 입력에 공급되기 전에는 495 mV peak이다.
레지스터는 최대 전압 등급을 가지고 있는데, 이것을 초과할 경우, 레지스터 몸체에 아크가 발생할 수 있다. 단 하나의 1 MΩ 레지스터를 사용하는 대신 개별 레지스터들(R1, R2, R3)을 직렬로 사용하면, 최대 전압 등급을 넘지 않고 표준 레지스터들을 사용할 수 있다. 또 다른 전압 센서 방식으로, 고전압 메인과의 절연이 가능한 전압 트랜스포머가 있다. 그러나 전압 트랜스포머는 개별 레지스터들과 비교해 값이 비싸다.
전류 센서의 선택은 가전이 사용하는, 들어오는 메인의 유형에 의해 좌우된다. 미국에서 냉장고와 세탁기 같은 가전들은 단상 120 VAC에서 실행되는 반면, 의류건조기와 전기레인지 같은 고전력 가전은 분상(split-phase) 240 VAC에서 작동한다. 단상 애플리케이션의 경우, 낮은 값의 션트 레지스터를 중성 라인에 배치할 수 있고(그림 4), 션트의 전압 드롭을 측정해 전류를 계산할 수 있다. 션트 레지스터 값은 부하 전류의 범위, ADC의 게인 설정, 센서의 소모 전력(power dissipation) 등으로 결정된다. 션트 레지스터는 저가이며 간편하게 사용할 수 있지만, 전기 절연을 하지 못한다. 의류건조기와 전기레인지 같이 분상 전원을 사용하는 가전의 경우, 두 개의 활성 전선 각각에 반드시 전류 트랜스포머를 사용해야 한다. 전류 트랜스포머는 전기 절연을 제공해주지만 션트보다 값이 비싸다.
감지 단계 이후에는 패시브 인터페이스 회로가 입력 신호를 추가로 조절한 후 ADC로 이를 공급한다. 이 회로에는 측정 오류를 일으키는 가짜 와이드밴드 잡음을 제거할 필터가 들어 있다. 냉장고 같은 단상 가전의 경우, 두 개의 ADC가 필요하다. 하나는 전압을 측정하기 위한 것이고, 다른 하나는 전류를 측정하기 위한 것이다. 의류건조기와 전기레인지의 경우, 네 개의 ADC가 있어야 두 개의 전압과 두 개의 전류를 측정할 수 있다. 16비트나 24비트의 분해능과 동시 샘플링 기능을 가진 ADC를 이용해야 정확한 에너지 측정 결과를 얻을 수 있다.

에너지 측정과 보고
에너지 측정 계산은 ADC가 수집한 전압 및 전류 샘플들에서 이루어진다. 아래 공식처럼 유효 에너지(active energy), 무효 에너지(reactive energy), 피상 에너지(apparent energy)를 계산하려면, MCU에 제곱근, 제곱, 나눗셈 같은 일반 함수들에 관한 충분한 수학적 지식이 있어야 한다.





여기서, Vsamp는 전압 샘플이고, I samp는 전류 샘플이며, N은 샘플 개수이다.

에너지 측정 결과를 계산하고 나면, 보조계량기 자체의 LCD에 이를 표시하거나 원거리 단말기에 표시할 수 있다. MCU는 직렬 통신 인터페이스를 통해 LCD 드라이버나 무선 통신 모듈과 접촉을 할 수 있다. 션트와 전압 디바이더 같은 비절연 센서를 사용하는 경우, 또는 AFE와 MCU가 메인에 참조되는 경우, 다른 레퍼런스 전압을 사용하는 다른 디바이스나 시스템과의 모든 연결을 절연시켜야 한다. 이러한 절연에 옵토커플러나 용량성 절연 IC를 사용할 수 있다.
저전력 부품을 사용하는 에너지 측정 시스템은 간단한 용량성 전원공급장치를 이용해 구동할 수 있다. 그러나 용량성 전원공급장치는 RF 트랜시버를 구동할만한 전류는 공급하지 못한다.
Wi-Fi 또는 ZigBee를 이용해 에너지 소비 데이터를 전송하는 보조계량기에는, 추가로 NPN 출력 버퍼나 트랜스포머, 그리고 RF 트랜시버를 구동할 스위칭 기반 전원공급장치가 필요할 것이다(그림 5).

캘리브레이션


컴포넌트와 센서의 허용오차 때문에 계량기마다 에너지 측정값들이 다를 수 있다. 유틸리티의 전기 계량기는 정밀성 요건이 엄격하기 때문에 컴포넌트 허용오차로 인한 오류를 각 유닛마다 조정해주어야 한다. 그러나 스마트 플러그와 가전 에너지 계량기 같은 보조계량기는 대체로 정밀성 요건이 느슨한 편인데, 그 이유는 에너지 측정 결과를 요금 청구에 사용하지 않기 때문이다. 어떤 설계의 캘리브레이션 상수를 개발 중에 결정하여 MCU 플래시 메모리에 프로그램 할 수 있다. 그러면 각각의 유닛을 생산 중에 캘리브레이션 할 필요가 없어진다. 이러한 방식에서 3% 미만의 정밀성을 달성할 수 있을 것으로 예측된다. 이러한 정밀성은 대다수 보조계량기 애플리케이션에 충분한 정밀성이며, 캘리브레이션을 없애 생산 비용을 크게 절감할 수 있다.

MSP430AFE2xx 에너지 측정 IC
MSP430AFE2xx 에너지 측정 IC는 여러 개의 24비트 시그마-델타 ADC, 프로그래머블 게인 증폭기, 16비트 MCU를 단 하나의 패키지에 통합했다. 이 디바이스는 에너지 측정 계산을 위해 TI의 MSP430 MCU 에너지 라이브러리4 소프트웨어와 함께 제공된다.
개발자는 보조계량기에 MSP430AFE2xx 에너지 측정 IC를 사용했을 때 다음과 같은 주요 기능들을 경험할 수 있다:

고도의 통합
MSP430AFE2xx는 ADC와 MCU 같이 에너지 측정에 필요한 여러 가지 컴포넌트들을 통합하고 있다. 그래서 최소한도의 컴포넌트만을 사용하는 저가의 소형 풋프린트 보조계량기 설계가 가능하다. 에너지 측정과 더불어 다른 소형 애플리케이션을 실행하는 데에도 MSP430AFE2xx MCU를 사용할 수 있다.

여러 개의 24비트 시그마-델타 ADC
세 개의 ADC 각각이 ±500 mV의 차동 입력 전압을 지원하기 때문에, 전류 센서의 출력을 레벨 변환 없이 직접 ADC로 공급할 수 있다. 또한 ADC 입력은 최대 -1 V의 네거티브 입력 전압을 지원하기 때문에 AC 메인에서 분할된 전압 신호도 추가 레벨 변환 없이 직접 ADC와의 접촉이 가능하다.
MSP430AFE2xx는 세 개의 시그마-델타 ADC를 24비트 분해능으로 제공한다. 이 ADC들은 광범위한 부하 전류에서 유틸리드 등급의 정밀성(0.1% 미만)을 제공할 수 있다. ADC들의 동시 샘플링 기능은 전류 및 전압 샘플 사이에 내재하는 딜레이를 없애주고, 순차 샘플링 방식이라는 변칙, 소프트웨어 보정의 필요성도 없애준다.

저전력 소비
MSP430AFE2xx 에너지 측정 IC의 저전력 소비는 저가의 용량성 전원을 사용해 디바이스를 구동할 수 있다는 점에서 중요하다.

소프트웨어 프로그래밍 가능성
MSP430 MCU 에너지 라이브러리와 TI의 샘플 코드를 통해 MSP430AFE2xx에서 쉽고 빠르게 에너지 측정 계산을 할 수 있다.
MSP430AFE2xx 같이 소프트웨어 프로그래밍이 가능한 솔루션의 주된 장점은, 시스템 설계자가 특정 애플리케이션 요건에 맞춰 자유롭게 맞춤 설정을 할 수 있다는 데 있다. 예를 들어, 시스템 설계자는 비표준 통신 프로토콜을 이용해 에너지 소비 데이터를 호스트 프로세서나 원거리 단말기에 전송할 수도 있다. 소프트웨어 프로그래밍이 가능한 에너지 측정 IC의 또 다른 장점은 생산 중에 캘리브레이션을 할 필요가 없다는 데 있다.

직렬 통신 인터페이스와 GPIO
MSP430AFE2xx을 이용하면, 에너지 소비 데이터를 SPI나 UART 같은 표준 직렬 통신을 거쳐 전송할 수 있다. 추가 GPIO를 이용해 LCD 인터페이스, LED 펄스 발생을 구현할 수도 있고, 키 같은 입력장치와 접촉할 수도 있다.

요약
에너지 측정을 하는 저가의 컴포넌트는 스마트 플러그, 가전, 서버 등에서 에너지 측정이 널리 채택되는데 중요한 역할을 한다. MSP430AFE2xx 에너지 측정 IC는 에너지 측정에 필요한 주요 컴포넌트들을 단 하나의 패키지에 모두 집적했다. 여기에는 프로그래머블 게인 증폭기, ADC, MCU, 다른 디바이스와 통신할 수 있는 직렬 인터페이스 등이 들어 있다.
MSP430AFE2xx은 션트 레지스터와 전압 디바이더 같은 저가의 센서와 단 몇 개의 패시브 컴포넌트로 연결할 수 있다. MSP430 제품군 마이크로컨트롤러의 초저전력 성능은 저가의 용량성 전원공급장치로 MSP430AFE2xx를 구동할 수 있도록 해준다. 이 솔루션은 소프트웨어 프로그래밍이 가능하기 때문에, 비표준 통신 프로토콜도 자유롭게 구현할 수 있다.
마지막으로, 개발 중에 일단 캘리브레이션이 이루어지면, 동일한 캘리브레이션 상수를 생산 중에 각각의 MSP430AFE2xx 유닛에 프로그램하여 3%나 그 이상의 뛰어난 정밀성을 손쉽게 달성할 수 있다. 생산 중에 캘리브레이션을 하지 않아도 된다는 점은 생산비용을 크게 낮춰줄 수 있다.