우리의 삶을 더 안락하고, 생산적이고, 편리하게 만들어 주는 많은 제품들이 나와 있다. 그러나 그로 인해 우리가 치러야 하는 대가의 하나는 천연 자원이 고갈되는 상황이다. 사회는 이러한 상황을 보고만 있지는 않을 것이며, 이를 해결하기 위한 행동은 에너지 자원의 책임 있는 사용이다. 이를 이행하는 가장 효과적인 방법의 하나는 산업 자동화 시스템, 통신 장비, 네트워킹 인프라에서 효율적인 에너지 관리를 수행하는 것이다.
글 : 토니 암스트롱(Tony Armstrong) / 전력 제품 사업부 제품 마케팅 디렉터
리니어 테크놀로지(Linear Technology Corporation)
배경
산업 자동화는 여전히 효율과 절감을 위한 핵심 동인이다. 산업 자동화가 핵심이 되는 이유를 보다 잘 이해하려면 몇 가지 동향을 살펴보고 검토할 필요가 있다. 첫 번째는 지속가능성이다.
지속가능성은 에너지 및 자원 효율과 관련해 전세계 제조 산업의 성공에 필수적인 요소이다. 가공 산업과 개별적인 산업에서 모두 에너지 효율적인 솔루션 구현이 강조되면서 지속 가능한 제조가 더욱 촉진되고 있다.
예를 들어 에너지 효율 문제는 IE3급 에너지 효율의 시행으로 전기 모터 시장에서 기업이 가장 중요하게 다루는 문제가 될 것이다. [이 등급은 유럽에서 새롭게 시행되는 프리미엄 효율 산업 표준 또는 미국의 에너지독립및안전법(EISA)에 따른 “Nema 프리미엄”에 의한 것으로, 전력 등급에 따라 2015년 1월 또는 2017년부터 적용된다.] 마찬가지로 전 세계적으로 폐수처리 및 처리펌프가 기존 워터 펌프를 지배할 것으로 보인다.
미래의 공장은 클라우드 컴퓨팅, 사이버 보안, 모바일 및 무선 통신 기술과 같은 메가트렌드에 의해 주도될 것이다. 이에 따라 생산성과 효율을 높여야 하는 필요에 직면하면서 기업은 모든 최종 사용자 영역에서 생산 공장과 기업 간에 보다 긴밀한 상호작용을 구현하게 될 것이며, 자산 관리와 유연한 생산이 자연스럽게 공장 통합을 유도하면서, 산업 애플리케이션에서 자동화와 맞춤형 서비스 솔루션의 잠재성이 높아질 것이다.
다음은 전력 소모이다. 천연 자원 소비를 최소화하는 데 전력 절감이 핵심적이기 때문이다. 모든 시스템에서 전력 소모는 두 가지 방법으로 대처할 수 있다. 첫째는 부하 전류의 전체 범위에서 변환 효율을 극대화하는 것이고, 두 번째는 모든 동작 모드에서 DC/DC 컨버터가 소비하는 무부하 전류를 감소시키는 것이다.
그러므로 시스템 전력 소모를 감소시키는 적극적인 역할을 담당하려면 전력 변환과 관리 IC가 보다 효율적이어야 한다. 즉, 전력 손실을 낮추고, 낮은 부하와 슬립 모드에서 모두 매우 낮은 수준의 전력 소모를 유지해야 한다.
예를 들어 많은 산업 자동화 시스템에 흔히 사용되는 임베디드 시스템을 살펴보면, 이들 임베디드 시스템은 주로 48V 백플레인을 통해 전력을 공급받는다. 일반적으로 이 전압은 보다 낮은, 통상 12V~3.3V의 중간 버스 전압으로 스텝 다운되어 시스템 내의 보드 랙에 전력을 공급한다.
그러나 이러한 보드에 탑재된 서브 회로나 IC의 대부분은 1V이하~3.3V 범위 전압에서 수십 밀리암페어(mA) ~ 수백 암페어(A) 범위 전류로 동작해야 한다. 따라서 POL(point-of-load) DC/DC 컨버터를 중간 버스 전압으로부터 서브 회로 또는 IC에서 요구하는 전압으로 스텝 다운해야 한다. 이러한 레일은 시퀀싱, 전압 정확도, 마지닝 및 감시에 대한 엄격한 요구사항을 갖는다.
데이터 통신, 원격 통신 또는 스토리지 시스템에서는 50V 이상의 POL 전압 레일이 존재할 수 있기 때문에 시스템 설계자는 이러한 레일의 출력 전압, 시퀀싱 및 허용 가능한 최대 전류와 관련해 레일을 관리하는 간단한 방법을 필요로 한다.
일부 프로세서는 코어 전압 전에 입/출력(I/O) 전압을 상승시켜야 하며, 이와 달리 어떤 디지털 신호 프로세서(DSP)는 I/O 전에 코어 전압을 상승시켜야 한다.
여기에 파워다운 시퀀싱도 필요하다. 이에 따라 시스템 설계자는 설계 노력을 간소화하기 위해 시스템 성능 최적화를 위한 변경이나 각 DC/DC 컨버터에 대한 특정 구성의 저장 등을 수행할 수 있는 간편한 방법을 필요로 한다.
뿐만 아니라 고가의 ASIC(application specific integrated circuit)를 과전압 조건으로부터 보호하기 위해 고속 비교기가 각 레일에 대한 전압 레벨을 모니터링 하면서, 레일이 지정된 안전 동작 제한을 벗어나면 즉각적인 보호 조치를 취해야 한다.
디지털 전원 시스템에서 호스트는 오류가 발생할 경우 PMBus 경보 라인을 통해 이를 통지 받으며, 해당하는 레일은 셧다운 되어 ASIC 같은 전력이 공급되는 디바이스를 보호한다. 이러한 수준의 보호를 달성하려면 적합한 정확도와 수십 마이크로초 대의 응답 시간이 요구된다.
위대한 혁신 분야에서 혁신의 개념을 최종 사용자에게 전달하기는 언제나 쉽지는 않다. 전력 관리를 위해 에너지 시장에 많은 기회가 존재한다는 것은 일반적으로 인정되고 있고, 이는 대안 에너지로도 알려져 있다.
우리 주변에는 풍부한 주변 에너지가 존재하며 전통적인 에너지 하베스팅 방법은 태양광 패널이나 풍력 발전기를 이용하는 것이었다. 그러나 새로운 에너지 하베스팅 도구를 사용하면 다양한 종류의 주변 에너지원으로부터 전기 에너지를 생산할 수 있다.
여기에서 중요한 것은 회로의 에너지 변환 효율이 아니라 전력으로 공급하는 데 사용할 수 있는 "하베스팅으로 모은 평균" 에너지 양이라는 사실이다.
예를 들어 열전 발전기는 열을, 압전 소자는 기계적 진동을, 광전 변환 소자는 태양광이나 모든 광원을 전기로 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.
솔루션
효율적인 에너지 관리는 애플리케이션에 이를 구현하는 주체나 최종 제품에 많은 이점을 주는 동시에 전세계의 소중한 제한된 자원에 지워진 부담을 줄여준다는 점은 명백하다. 이것은 기업뿐 아니라 환경에도 유익하다.
그러나 어디에서 이러한 시스템을 설계할 수 있는 적합한 제품을 찾을 수 있을까? 이를 위해 리니어 테크놀로지는 새로운 많은 전력 관리 및 변환 IC를 보다 효율적으로 설계하고 개발해 왔으며, 디지털 원격 측정 및 인터페이스 기능, 주변 에너지 하베스팅, 매우 낮은 무부하 전류 등을 구현하고 있다.
I2C와 같은 표준 직렬 디지털 버스의 사용은 디지털 장치의 DC/DC 컨버터와 간단하고 효율적인 통신을 주고 받을 수 있게 하며, PMBus와 같은 근래에 등장한 표준은 부품 간 상호운용을 용이하게 한다.
시동 특성과 타이밍, 출력 전압 및 전류 제한, 마지닝 규격, 과전압/저전압 감시 임계값을 포함한 중요한 레귤레이터 파라미터는 저항을 이용한 설정이나 공간을 차지하는 시퀀싱 및 모니터링 제품 대신 모두 디지털로 직접 프로그래밍할 수 있다. 또한 온도, 입/출력 전압 및 전류와 같은 핵심적인 동작 파라미터는 정기적으로 모니터링 되어 시스템 성능과 신뢰성을 최적화하는 데 이용할 수 있다.
디지털 전원은 적절하게 수행할 경우 데이터 센터의 전력 소모를 줄여주고 제품 출시 시간을 단축시킬 수 있을 뿐 아니라 탁월한 안정성과 과도 응답을 제공하며 네트워킹 장비 등에서 전체적인 시스템 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
네트워킹 장비의 시스템 설계자는 특징과 기능의 추가뿐 아니라 시스템의 데이터 처리속도와 성능을 증가시켜야 하는 요구에 직면하고 있으며, 이와 동시에 시스템의 전체 전력 소모를 감소시켜야 하는 압력을 받고 있다.
데이터 센터는 전체 전력 소모를 줄이기 위해 작업 흐름을 재조정하고 이용도가 낮은 서버로 작업을 옮겨 다른 서버를 셧다운 할 수 있게 하는 등 까다로운 과제를 안고 있다.
이러한 요구를 만족하기 위해서는 최종 사용자 장치의 전력 소모를 아는 것이 필수적이다. 적절히 설계된 디지털 전원 관리 시스템은 사용자에게 전력 소모 데이터를 제공해 스마트한 에너지 관리 결정을 내릴 수 있게 한다.
리니어 테크놀로지의 LTC388x 디지털 전원 IC 제품군은 높은 분해능의 프로그래밍 가능성과 주요 POL 컨버터 기능에 대한 실시간 제어 및 모니터링을 위한 신속한 원격 측정 리드백이 가능해, 매우 정확한 디지털 전원 시스템 관리를 제공한다.
그 중 LTC3880은 I2C 기반 PMBus 인터페이스와 100개 이상 명령어 및 온 보드 EEPROM을 제공하는 듀얼 출력, 고효율 동기 스텝다운 DC/DC 컨버터이다.
이 디바이스는 업계 최고 아날로그 스위칭 레귤레이터 컨트롤러와 정밀 혼합 신호 데이터 변환 기능을 결합해 비교할 수 없는 간편한 전원 시스템 설계와 관리를 제공하며, 사용이 간편한 GUI를 탑재한 LTpowerPlay 소프트웨어 개발 시스템에 의해 지원된다.
주위 전력을 모아 산업용 무선 센서나 웨어러블 기술 애플리케이션에서 사용할 수 있도록 하기 위해 그림 1에서 보듯이 리니어 테크놀로지의 LTC3331은 특별히 이러한 요구사항을 만족하도록 설계되었다.
LTC3331은 최대 50mA의 연속 출력 전류를 제공해 주위 에너지를 모을 수 있을 때 이를 사용하여 배터리 수명을 연장하는 완벽한 레귤레이팅 에너지 하베스팅 솔루션이다. 이 디바이스는 하베스팅 에너지에서 부하로 레귤레이트 된 전력을 공급할 때는 배터리에서 공급 전류를 전혀 소비하지 않으며, 무부하 조건에서 배터리로부터 전력을 공급할 경우에는 단 950nA만 소비한다.
LTC3331은 고전압 에너지 하베스팅 전원 장치 외에도 재충전 가능한 배터리로부터 전력을 공급받는 동기식 벅-부스트 DC/DC 컨버터를 통합해 무선 센서 노드(WSN)에서와 같은 에너지 하베스팅 애플리케이션을 위한 단일 무정전 출력을 생성한다.
LTC3331의 에너지 하베스팅 전원 장치는 AC 또는 DC 입력을 받아들이는 전파(full-wave) 브리지 정류기와 높은 효율의 동기식 벅 컨버터로 구성되며, 압전(AC), 태양광(DC) 또는 자기(AC) 소스로부터 에너지를 모은다.
10mA 션트는 하베스팅 에너지로 배터리를 간단하게 충전할 수 있게 하며, 로우 배터리(low battery) 분리 기능은 배터리가 심하게 방전되는 것을 방지한다. 재충전 가능한 배터리는 입력에서 1.8V~5.5V 범위로 동작하는 동기식 벅-부스트 컨버터에 전력을 공급하며, 하베스팅 에너지를 사용할 수 없을 때 입력이 출력보다 높거나 낮거나 같든 출력을 조정하는 데 사용된다. LTC3331의 배터리 충전기는 미세 전력 소스를 다루는 경우 간과할 수 없는 매우 중요한 배터리 관리 기능을 제공한다.
LTC3331은 배터리 충전기의 논리적 제어를 통합하고 있어 하베스팅 전원에 여분의 에너지가 있을 때에만 배터리를 충전한다. 이와 같은 논리적 기능이 없다면, 에너지 하베스팅 된 소스가 시동 시 최적이 아닌 동작 지점에 고착되어 시동이 다 끝나고도 의도한 애플리케이션에 전력을 공급하지 못하게 된다.
LTC3331은 에너지 하베스팅 소스를 더 이상 이용할 수 없을 때 배터리로 자동 전환한다. 이 기능의 부가적인 이점은, 배터리를 사용하는 WSN이 적절한 에너지 하베스팅 전원 소스를 동작 시간의 최소 절반 이용할 수 있다면 10년에서 20년 이상까지 동작 수명을 연장할 수 있으며, 에너지 하베스팅 소스가 더 광범위하게 존재한다면 이보다 더 늘릴 수 있다는 점이다. 또한 디바이스에는 수퍼커패시터 밸런서가 내장되어 있어 출력저장 능력을 증가시킬 수 있다.
결론
우리의 삶을 더 안락하고, 생산적이고, 편리하게 만들어 주는 많은 제품들이 나와 있다. 그러나 그로 인해 우리가 치러야 하는 대가의 하나는 천연 자원이 고갈되는 상황이다. 사회는 이러한 상황을 보고만 있지는 않을 것이며, 이를 해결하기 위한 행동은 에너지 자원의 책임 있는 사용이다. 이를 이행하는 가장 효과적인 방법의 하나는 산업 자동화 시스템, 통신 장비, 네트워킹 인프라에서 효율적인 에너지 관리를 수행하는 것이다.
그러나 이를 수행하려면 필요한 빌딩 블록 전력 관리 및 변환 IC를 사용할 필요가 있다. 다행히 리니어 테크놀로지와 같은 아날로그 업체들이 고성능 제품들을 내놓고 있어 시스템 설계자는 최종 장치에 적합한 선택을 할 수 있다.
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