휴대용 전력 애플리케이션의 영역은 광범위하고 다양하다. 이 같은 다양성에도 설계자들은 충전 전류 증가와 배터리 충전 솔루션의 유연성 요구를 간과할 수 없다. 

배경
오늘날 제품은 평균 마이크로와트 수준의 전력을 소비하는 무선 센서 노드(WSN)에서부터 수백 와트 Hour(Wh) 배터리 팩이 탑재된 카트 기반의 의료용 또는 데이터 수집 시스템에 이르기까지 넓은 범위에 걸쳐 다양하다. 하지만 이 같은 다양성에도 몇 가지 동향이 뚜렷하게 나타난다. 첫 번째 동향은 증가한 배터리 성능의 요구이다. 유감스럽게도 사용자는 참을성이 없어서 증가된 용량이 합리적 시간 안에 충전되어야 하므로 이는 충전 전류의 증가로 이어진다. 두 번째 동향은 배터리 충전 솔루션으로부터 매우 큰 유연성의 요구이다.

최근의 휴대기기를 살펴보면 소비자 가전기기나 산업용 기기는 모두 휴대전화 모뎀, 와이파이 모듈, 블루투스 모듈, 대형 백라이트 디스플레이 등 다 열거할 수 없는 많은 기능을 포함하고 있다. 많은 휴대기기의 전력 구조는 휴대전화의 전력 구조와 유사하다. 일반적으로 주요 전력 원으로 3.7 V 리튬 이온 배터리가 사용되는데, 이는 중량(Wh/kg) 및 체적(Wh/m3) 전력 밀도가 높기 때문이다.

과거에는 많은 고전력 기기가 전류 요구를 낮추기 위해 7.4 V 리튬 이온 배터리를 사용했지만, 저렴한 5 V 전력 관리 IC의 등장으로 더 많은 휴대기기가 더 낮은 전압 구조를 갖출 수 있게 되었다. 태블릿 컴퓨터는 이러한 면을 잘 보여준다. 일반적인 태블릿 컴퓨터는 휴대용 기기로서는 매우 큰 화면과 함께 많은 기능을 통합하고 있다.

3.7 V 배터리로 구동할 경우 용량은 2200 mAh와 같이 수천 밀리암페어(mAh)로 측정된다. 이와 같은 배터리를 몇 시간 내에 충전하려면 수천 밀리암페어의 충전 전류가 필요하다. 하지만 높은 충전 전류는 고전류 어댑터를 사용할 수 없는 경우에도 소비자가 USB 포트로부터 자신의 고전력 기기를 충전하고자 하는 요구를 막지 못한다.



그러한 요구를 만족하기 위해서는 어댑터를 사용할 수 있을 경우 배터리 충전기가 고전류(2 A 이상)로 충전할 수 있어야 하며 동시에 USB로부터 2.5 W ~ 4.5 W를 효율적으로 사용할 수 있도록 해야 한다. 더욱이 제품은 잠재적 손상을 일으킬 수 있는 과전압 발생으로부터 민감한 다운스트림 저전압 부품을 보호하고 전력 손실을 최소화하면서 고전류를 USB 입력으로부터 어댑터 또는 배터리로 매끄럽게 전환해야 한다. 이것은 한편으로 배터리 IC 제조업체에는 배터리 충전 알고리즘을 안전하게 관리하고, 핵심적인 시스템 파라미터를 모니터링하는 IC를 개발할 탁월한 기회가 된다.

전력 스펙트럼의 다른 쪽 끝에는 에너지 수확 시스템의 나노 전력 변환 요구가 존재한다. 통상적으로 매우 낮은 레벨의 전력과 전류를 다루는 전
력 변환 IC를 사용해야 하는 WSN에서 이를 볼 수 있으며 이들은 각각 수십 마이크로와트(μW) 또는 나노암패어(nA) 전류가 될 수 있다.

에너지 수확 WSN
우리 주변에는 풍부한 주변 에너지가 존재하며 전통적인 에너지 수확 방법은 태양광 패널이나 풍력 발전기를 이용하는 것이었다. 하지만 새로운 에너지 수확 도구를 사용하면 다양한 종류의 주변 에너지원으로부터 전기 에너지를 생산할 수 있다. 여기에서 중요한 것은 에너지 수확 도구는 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 저장 장치를 충전하는 것이 가능해져 현지 전원 없이도 원격에서 마이크로프로세서나 송신기에 전력을 공급할 수 있다.

일반적으로 대체 에너지 시장에 포함되거나 사용할 필요가 있는 필수적인 IC 성능 특성은 다음과 같다.

낮은 대기 무부하 전류 - 일반 6 μA 미만 및 최저 450 nA
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
자동 극성 동작
태양광 입력을 위한 최대 전력점 제어(MPPC)
단 1 °C의 온도 차이에서도 에너지를 수확할 수 있는 기능
최소 외부 부품을 사용하는 초소형 솔루션 풋프린트

WSN은 기본적으로 주변 에너지원을 전기 신호로 변환하기 위한 일정한 종류의 트랜스듀서, 그리고 통상적으로 적절한 전압 레벨과 전류로 다운스트림 전자장치에 전력을 공급하는 DC/DC 컨버터 및 관리자로 구성되는 자체적으로 완전한 시스템이다. 다운스트림 전자장치는 마이크로컨트롤러와 센서, 트랜시버로 구성된다.



WSN을 구현하고자 할 때 고려해야 하는 질문은 다음과 같다. ‘그것을 동작시키는 데 얼마나 많은 전력이 필요한가?’ 개념적으로 매우 간단한 질문 같지만, 실제로는 많은 요인으로 인해 보기보다 까다롭다. 예를 들어 ‘얼마나 자주 값을 읽을 필요가 있는가?’ 또는 ‘보다 중요한 질문으로 데이터 패킷 크기는 얼마나 커야 하는가?’ 그리고 ‘얼마나 멀리까지 패킷을 전송할 필요가 있는가?’와 같은 것들이 있다. 이 질문은 트랜시버가 단일 센서만 읽는데 시스템에 의해 사용되는 에너지의 약 50%를 소비하기 때문이다. 여러 요인이 WSN의 에너지 수확 시스템의 전력 소비 특성에 영향을 미친다.

물론 에너지 수확원이 제공하는 에너지는 소스가 얼마나 오랫동안 동작하는가에 따라 달라진다. 따라서 수확된 소스를 비교하기 위한 일차적 기준은 에너지 밀도가 아니라 전력 밀도이다. 에너지 수확 기술은 일반적으로 낮은 수준의 가변적이고 예측 불가능한 전력에 의존하게 되므로 수확 장치와 2차 전력 저장소에 연결되는 하이브리드 구조가 종종 사용된다.

수확 장치는 에너지 공급이 무제한적이고 전력은 부족하므로 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 수확 장치로부터 충전을 받아들인다.
 
따라서 전력을 수확할 주변 에너지가 없는 경우에는 2차 전력 저장소를 사용하여 WSN에 전력을 공급해야 한다. 물론 시스템 설계자의 관점에서 이것은 부족한 주변 에너지를 보충하기 위해 얼마나 많은 에너지를 2차 저장소에 저장해야 하는가를 고려해야 하므로 복잡성 정도를 추가한다. 필요로 하는 정도는 여러 가지 요인에 의해 결정되며 다음과 같은 요소가 포함된다.

(1) 주변 에너지원이 존재하지 않는 시간의 길이
(2) WSN의 듀티 사이클(이것은 데이터 읽기와 전송이 이루어져야 하는 주기이다.)
(3) 2차 저장소(커패시터, 수퍼 커패시터 또는 배터리)의 크기와 종류
(4) 1차 에너지원으로 동작할 뿐 아니라 특정 기간 동안 이를 사용할 수 없을 때 2차 저장소를 충전할 만큼 충분한 에너지를 남겨둘 수 있을 정도로 사용 가능한 주변 에너지가 충분한가?

주변 에너지원에는 광, 온도차, 진동 빔, 송신 RF 신호 또는 트랜스듀서를 통해 전기 전하를 발생시킬 수 있는 기타 모든 소스가 될 수 있다. 아래의 표 1은 다양한 에너지원으로부터 발생시킬 수 있는 에너지양을 보여준다.

나노 전력 IC 솔루션
WSN에서 이용할 수 있는 에너지 수준이 매우 낮다는 것은 분명하다. 이것은 시스템에 사용되는 요소가 이러한 저전력 수준을 다룰 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 트랜시버와 마이크로컨트롤러에 의해 이미 이것은 달성됐지만, 방정식의 전력 변환 측면에서는 채워지지 않은 빈 항목이 남아 있었다. 리니어 테크놀로지에서는 특별히 이러한 요구사항을 해결하기 위해 LTC3388-1/-3을 출시했다.

LTC3388-1/-3은 3 mm x 3 mm(또는 MSOP10-E) 패키지에서 최대 50 mA 연속 출력 전류를 공급할 수 있는 20 V 입력 가능 동기 벅 컨버터이다(그림 1 회로도 참조). 이 소자는 2.7 V ~ 20 V의 입력 전압 범위에서 동작하므로 ‘상시 동작’ 및 산업용 제어 전력을 비롯해 광범위한 에너지 수확 및 배터리 구동 애플리케이션에 적합하다.

LTC3388-1/-3은 히스테리시스 동기 정류를 이용해 넓은 범위의 부하 전류에서 효율을 최적화한다. 소자는 15 uA ~ 50 mA 범위의 부하에서 90% 효율을 제공할 수 있으며 단지 400 nA의 무부하 전류만을 필요로 하므로 긴 배터리 수명을 제공할 수 있다. 3 mm x 3 mm DFN 패키지(또는 MSOP-10)와 단 5개의 외부 부품의 결합은 다양한 저전력 애플리케이션에 매우 간단한 초소형 솔루션 풋프린트를 제공한다.

LT3388-1/-3은 정밀한 저전압 록아웃(ULVO) 기능을 내장하고 있어 입력 전압이 2.3 V 미만으로 떨어지면 컨버터를 비작동 상태로 전환하므로 무부하 전류는 400 nA까지 떨어진다. 또한 레귤레이션 상태가 되면(무부하 상태) 슬립 모드로 들어가 무부하 전류를 최소화해 720 nA까지 낮춘다. 다음으로 벅 컨버터는 필요 시, 턴-온 및 턴-오프해 출력 레귤레이션을 유지한다.

추가적인 대기 모드는 스위칭을 비작동 상태로 유지하고 출력은 무선 모뎀과 같은 낮은 리플을 필요로 하는 짧은 부하 동안 레귤레이션 상태가 된다. 이러한 높은 효율과 낮은 무부하 전류 설계는 긴 충전 사이클에 이어 센서나 무선 모뎀에 전력을 공급하기 위한 짧은 버스트 부하를 필요로 하는 에너지 수확과 같은 애플리케이션에 적합하다.

결론
휴대용 애플리케이션과 에너지 수확 시스템은 마이크로와트에서부터 1 W 이상까지 전류 동작을 위한 광범위한 전력 레벨을 갖고 있으며 시스템 설계자가 선택할 수 있는 많은 전력 변환 IC들이 나와 있다. 하지만 나노암페어 전류를 변환할 필요가 있는 낮은 쪽 끝의 전력 범위에서는 선택이 제한적이다.

다행히 LTC3388-1/-3 단일칩 방식 벅 컨버터는 무부하 전류가 매우 낮아 저전력 애플리케이션에 적합하다. 이와 같은 마이크로암페어 미만의 무부하 전류는 휴대용 전자장치에서 상시 동작 회로를 위한 배터리 수명을 연장하고 WSN과 같은 차세대 에너지 수확 애플리케이션을 구현한다.