휴대 장비 애플리케이션과 에너지 포집 시스템은 다양한 수준의 전력 레벨을 이용하기 때문에 전력 변환 IC가 필수적이다. 이글에서는 에너지 포집 솔루션을 통해 효율적인 배터리 구현에 대해 알아본다.

서론

휴대 전원 애플리케이션은 범위가 포괄적이기 때문에 다양한 유형의 제품을 포함할 수 있다. 이런 제품은 수 마이크로 와트 대의 평균 전력을 소모하는 무선 센서 노드(wireless sensor node)이거나 수백 와트-hour 배터리 팩을 이용하는 카트형 의료 장비나 데이터 수집 시스템일 수도 있다. 하지만 다양성과는 별개로 몇 가지 공통적인 경향을 발견할 수 있다.

바로 디자이너가 제품의 높아진 기능성을 지원하기 위해 더 높은 전력을 요구하며 입수할 수 있는 모든 전원 소스로부터 배터리를 충전하길 원한다는 것이다. 따라서 첫 번째 경향을 충족하기 위해서는 배터리 용량을 높여야만 한다. 사용자의 인내심은 그리 많지 않아 높아진 용량을 합리적인 시간 내에 충전해야 하므로 충전 전류를 높여야만 한다.

두 번째 경향은 다양한 유형의 입력 소스와 전력 수준을 처리해야 해서 배터리 충전 솔루션에 대해 높은 유연성이 필요하다. 전력 스펙트럼 상의 가장 하위 단은 WSN에 흔히 이용되는 것과 같이 나노전력 변환을 요구하는 에너지 포집 시스템으로 극히 낮은 수준의 전력과 전류를 처리할 수 있는 전력 변환 IC가 필요하다. 이러한 전력과 전류 수준은 각기 수십 마이크로와트와 수십 나노암페어일 수 있다.

진동 에너지 포집이나 실내 광전지 같은 첨단의 ‘규격형(off-the-shelf)’ 에너지 포집 기술은 통상적인 동작 조건으로 수 밀리와트 대의 전력 레벨을 발생할 수 있다. 이 전력 레벨은 제한적이라고 생각할 수도 있지만, 에너지 포집 소자를 여러 해 동안 가동한다는 것을 생각하면 에너지 공급 측면에서나 제공되는 에너지 단위당 비용 측면에서나 장기적 수명의 일차전지와 거의 대등할 수 있다는 것을 의미한다.

그뿐만 아니라 에너지 포집을 적용하는 시스템은 통상적으로 고갈 후에 재충전할 수 있다. 이것은 일차전지를 이용하는 시스템에서는 할 수 없다. 하지만 대부분의 구현은 주변 에너지 소스를 일차적인 전원 소스로 이용해 이를 보조하면서 주변 에너지 소스가 사라지거나 이용할 수 없을 시에 일차전지로 전환하도록 하고 있다.

에너지 포집 WSN

우리 주위에는 주변 에너지가 풍부하게 존재하고 있다. 가장 대표적인 형태의 에너지 포집은 태양광 패널과 풍력 발전기를 이용한 것이다. 이외에도 새로운 형태의 포집 기술을 이용해 다양한 형태의 주변 자원으로부터 전기 에너지를 발생할 수 있다. 중요한 것은 회로의 에너지 변환 효율이 아닌 시스템 가동에 이용할 수 있는 평균 포집 에너지이다.

TEG(thermoelectric generator)는 열(또는 저온)을 전기로 변환할 수 있다. 압전 소자는 기계적 진동을 변환하고 광전지는 일광(또는 여타 광 자원)을 변환하며 갈바니 소자는 수분으로부터 에너지를 변환할 수 있다. 이러한 에너지를 이용해서 원격 센서를 구동하거나, 커패시터, 박막 배터리 같은 저장 장치를 충전하고 이용해 마이크로프로세서나 트랜스미터를 별도의 전원 소스를 이용하지 않고 원격지 위치에서 구동할 수 있다.
일반적으로 대안 에너지 시장에서는 다음과 같은 IC 성능 특성을 요구한다:

·낮은 대기 정지 전류-통상적으로 6 mA 및 최저 450 nA
·낮은 스타트업 전압-최저 20 mV
·높은 입력 전압 용량-최대 34 V 연속 및 40 V 트랜션트
·AC 입력을 처리할 수 있을 것
·다중 출력 기능과 자율적 시스템 전원 관리
·자동 극성 동작
·태양광 입력에 대한 MPPC(maxi-mum power point control) 기능
·단 1 °C 온도 차이로도 에너지를 포집 할 수 있을 것
·최소한의 외부 부품을 사용하는 소형화된 솔루션 풋-프린트

WSN(wireless sensor node)은 기본적으로 주변 에너지 자원을 전기 신호로 변환하기 위해 어떤 한 형태의 트랜스듀서와 하위 장치들로 적정한 전압 레벨 및 전류를 공급하기 위한 DC/DC 컨버터 및 관리 기능으로 구성된 자급 자족적인 시스템이다. 이러한 하위 장치는 마이크로컨트롤러와 센서, 트랜시버 등이 있다.

WSN을 구현 시에 반드시 고려해야 할 중요한 질문이 있다. 바로 ‘시스템을 가동하기 위해서 얼마나 많은 전력을 필요로 하는가?’라는 것이다. 개념적으로는 아주 간단해 보일 수 있지만, 실제로는 여러 가지 요인이 영향을 미쳐 간단치만은 않은 질문이다. 예를 들어 리딩을 얼마나 빈번하게 실시할 것인가? 또는 좀 더 중요한 사항으로서, 데이터 패킷을 얼마나 크게 할 것이며 얼마나 멀리까지 전송해야 할 것인가? 이는 단일 센서 리딩을 위해 시스템에 사용하는 에너지의 약 50%를 트랜시버가 소모하기 때문이다. 그 외에도 다양한 요인들이 에너지 포집 시스템을 이용한 WSN의 전력 소모 특성에 영향을 미친다(표 1 참조).

에너지 포집 소스가 공급하는 에너지는 당연히 얼마나 긴 시간 작동하느냐에 따라 달라진다. 따라서 포집 소스들을 비교할 수 있는 일차적인 지표는 에너지 밀도가 아닌 전력 밀도이다. 에너지 포집은 대체로 가용 전력 수준이 낮고 가변적이라 예측하기 어렵다. 이 같은 취약점으로 포집 시스템과 이차적 전력 저장소를 연결하는 하이브리드 구조를 흔히 사용한다. 포집 시스템은 에너지를 지속해서 공급할 수 있지만, 가용 전력이 높지 않아 시스템의 일차적인 에너지 소스로 이용한다.


이차적인 전력 저장소는 배터리나 커패시터로서 더 높은 출력 전력을 발생할 수 있지만, 적은 에너지를 저장해 필요에 따라 전력을 공급하고 평상시에는 포집 시스템으로부터 충전을 제공받는다. 그러므로 주변 에너지로부터 전력을 포집할 수 없게 되었을 때는 이차적인 전력 저장소를 이용해서 WSN을 구동한다. 물론 이렇게 하려면 시스템 디자이너의 관점에서 복잡성을 가중시킨다.

이유는 주변 에너지 소스가 부족하게 되었을 때 이를 보상하기 위해서 이차적인 저장소로 얼마나 많은 에너지를 저장해야 할지 추가로 고려해야 하기 때문이다. 이차적인 저장소로 얼마나 많은 에너지가 필요할지는 여러 가지 요인에 따라 결정할 수 있다. 그러한 요인으로는 다음을 들 수 있다:

·주변 에너지 소스를 이용할 수 없게 되는 시간 길이
·WSN의 듀티 사이클(다시 말해서 데이터 리딩과 전송을 하는 빈도)
·이차적 저장소의 크기와 타입(커패시터, 슈퍼커패시터, 배터리 등)
·주변 에너지가 일차적 에너지 소스로 이용하기에 충분한가? 그리고 주변 에너지를 특정한 시간 간격 동안 이용할 수 없게 되었을 때 이용하기 위해서 이차적인 저장소를 충전하기에 충분한 여분의 에너지를 제공할 수 있는가?

주변 에너지 자원은 빛과 온도 차이, 진동 빔, 송신된 RF 신호, 그 밖에 트랜스듀서를 통해서 전기 전하를 발생시킬 수 있는 어떤 유형의 형태나 될 수 있다. 표 2는 각기 다른 에너지 소스로 발생시킬 수 있는 에너지양을 보여준다.
이러한 수준의 전력을 활용해서 구현할 수 있는 애플리케이션은 무수히 다양한 유형이 있을 수 있다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같다:

·항공기 부식 센서
·투명도 조절가능 유리창
·교량 모니터링
·빌딩 자동화
·전력 계량기
·가스 센서
·의료 모니터링
·HVAC 제어
·조명 스위치
·원격지 파이프라인 모니터링
·수도 계량기

대안 에너지를 활용해서 어떠한 것이 가능한지 잘 보여주는 예가 바로 태양광 구동 전자 장비 시장이다. 기업들이 에너지 소비를 줄이는 방법을 적극적으로 모색함에 따라서 이 시장은 계속해서 성장하고 있다.


예를 들어 스마트 미터의 경우를 보자. 스마트 미터는 지능형 전력망에 구축하는 것으로 가동하기 위해 들어가는 에너지 비용을 절감하기 위해서는 스마트 미터의 주변 에너지 소스를 이용해 구동하는 것이 유익할 것이다. 이러한 데에 이용할 수 있는 현실적이면서 풍부한 에너지 소스가 바로 태양광 전력이다.

하지만 태양광 전력은 변동적이면서 신뢰하기가 어려워 거의 모든 태양광 구동 장비는 재충전할 수 있는 배터리를 채택하고 있다. 이 시스템에서는 태양광 전력을 이용할 수 없게 되었을 때 에너지 소스로 이용할 수 있도록 될 수 있으면 많은 태양광 전력을 추출해서 배터리를 빠르게 충전하고 충전 상태를 유지하도록 하는 것이 중요한 목표 중 하나이다.

나노전력 IC 솔루션

WSN은 극히 낮은 수준의 에너지를 이용해서 동작한다. 다시 말해 이 시스템에 이용되는 소자들이 이처럼 낮은 전력 수준을 처리할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 트랜시버와 마이크로컨트롤러에 대한 요구를 충족하는 제품은 이미 등장했지만, 이 공식의 전력 변환 측면의 요구를 충족하는 제품은 나오지 않았다. 하지만 리니어 테크놀로지(Linear Technology)는 이러한 요구를 충족하는 LTC3330을 출시했다.

LTC3330은 레귤레이터를 결합한 포괄적인 에너지 포집 솔루션으로 포집 에너지를 이용해서 최대 125 mA의 연속 출력 전류를 공급할 수 있으며 배터리 수명을 연장할 수 있다. 이 디바이스는 포집된 에너지에서 부하로 레귤레이트 전력을 공급할 때는 배터리로부터의 공급 전류가 필요하지 않으며 무부하 조건의 배터리로 구동될 때는 동작을 위해 750 nA만을 필요로 한다. LTC3330은 고전압 에너지 포집 전력 공급과 일차전지로 작동되는 동기 벅-부스트 DC/DC 컨버터를 결합해 무선 센서 네트워크와 같은 에너지 포집 애플리케이션에 이용하도록 단일의 중단 없는 출력을 제공한다.

LTC3330의 에너지 포집 전력 공급은 AC 또는 DC 입력을 수용할 수 있는 전파(full-wave) 브리지 정류기와 고효율 동기 벅 컨버터로 이뤄졌으며 압전(AC), 태양광(DC), 자기(AC) 소스로부터 에너지를 포집할 수 있다. 일차전지 입력은 1.8 V ~ 5.5 V 입력으로 동작하는 동기 벅-부스트 컨버터를 구동하며 포집 에너지를 이용할 수 없게 되었을 때 이 입력으로 전환해서 출력을 입력보다 높거나, 낮거나, 같게 레귤레이트한다.

포집 소스를 이용할 수 없게 되었을 때는 LTC3330이 자동으로 배터리로 전환한다. 따라서 또 다른 방식으로서 배터리로 작동하는 WSN의 가동 수명을 최소한 절반의 시간 동안에 적합한 에너지 포집 전력 소스를 이용할 수 있는 경우라면 10년에서 20년 이상으로 그리고 에너지 포집 소스가 좀 더 편재한 경우라면 그 이상으로 늘릴 수 있다. Tadiran ‘C’ 배터리의 가격이 개당 약 16달러라는 점에 비춰본다면 얼마나 큰 비용을 절약할 수 있는지 알 수 있다. 또한 인력을 사용하여 배터리를 교체하면 더 큰 비용이 소모된다. 다른 방식으로는 더 소형의(수명은 짧으나) 배터리를 사용할 수 있어 전반적인 시스템 비용을 낮출 수 있다.

결론

휴대 장비 애플리케이션과 에너지 포집 시스템은 적절한 동작을 위해 수 마이크로와트에서 1 W 이상에 이르기까지 매우 다양한 수준의 전력 레벨을 이용한다. 이를 위한 다양한 전력 변환 IC들이 나와 있는 것도 사실이다. 하지만 전력 스펙트럼 상의 가장 하위 단에서는 나노암페어 수준의 전류를 변환해야 하며 여기에 이용할 수 있는 제품은 제한적이다.

이 같은 요구를 충족하는 제품으로서 LTC3330 에너지 포집 및 배터리 수명 연장 디바이스는 극히 낮은 정지 전류로서 저전력 애플리케이션에 이용하기에 적합하다. 1 마이크로암페어 미만의 정지 전류는 휴대 장비에서 항상 가동되어야 하는 회로에 이용하기 위한 배터리 수명을 연장하고 WSN과 같은 새로운 세대의 에너지 포집 애플리케이션을 가능하게 한다.