[Tech Report] 임베디드 시스템의 배터리 수명 향상시키는 방법

[마우저 일렉트로닉스=마크 패트릭(Mark Patrick)] 배터리 수명은 많은 웨어러블 기기 및 전자 제품 구매에 있어 핵심적인 고려사항이다. 이는 최근 증가하는 산업용 IoT 센서와 기타 애플리케이션 등에서도 중요하게 고려되고 있다.

업계에서는 배터리 수명 연장을 위해 많은 노력들을 기울이고 있는데, 배터리 수명 연장을 위해 IIoT센서의 전력 소모 프로파일을 측정하고 전력 소모 프로파일을 연장하는 것은 단순히 더 큰 배터리를 사용하는 문제가 아니다.

물리적 폼팩터와 크기는 실용성과 스타일의 한계를 갖는다. 실시간 전력 수요와 이에 영향을 미치는 요인을 완전히 이해하려면 임베디드 엔지니어는 애플리케이션의 전력 소모 프로파일을 자세히 검토해야 한다. 

◆ 배터리로 움직이는 세상

집에서 사용하는 무선 온도 조절기나 보안 센서의 배터리를 교체하는 일은 그렇게 어려운 일은 아니다. 배터리를 교체하는 데는 몇 분의 시간이면 충분하고 비용도 거의 들지 않는다. 또, 대부분의 경우 배터리 교체 시기는 스마트폰 앱이나 장치를 통해 확인할 수 있다.

그러나 일상생활이 아닌 수백 개의 산업용 센서의 배터리 교체를 관리하는 일은 매우 어려운 일이다. 배터리 교체 작업은 몇 분밖에 걸리지 않지만, 각 위치로 가서 개별 센서를 찾고, 다음 센서로 이동하는 일은 많은 시간과 비용이 소비된다. 

빈번한 배터리 교체의 줄이기 위해 배터리로 작동하는 디바이스를 만드는 기업들은 제품이 동작하는 동안의 전력 소비 방식을 알아야 한다. 이를 통해 예상 배터리 수명을 계산할 수 있고 대체 에너지원으로 교체하기 위한 중요한 첫 단계이기도 하다.

이러한 예로 에너지 하베스팅 기술을 구현해 슈퍼커패시터에 에너지를 저장하는 것을 들 수 있다. 잠재적 에너지원에는 진동, 태양광 및 열이 포함된다. 디바이스의 전력 소모 프로파일과 듀티 사이클에 대한 깊이 있는 검토를 통해 정기적인 작동이 가능할 정도로 충분한 에너지를 수확하고 저장할 수 있는지를 결정할 수 있다.

◆ 일반적인 배터리 작동 센서의 아키텍처

그림 1은 무선 연결된 배터리로 작동하는 온도 및 습도 센서의 기능 아키텍처를 보여준다. 아키텍처는 다양한 환경 파라미터를 측정하고 보고하는 데 사용되는 많은 IoT/IIoT 디바이스에 일반적이다.

센서의 작동은 다음 단계를 통한 마이크로컨트롤러(MCU) 시퀀싱을 포함한다.

▲ 절전 모드에서 웨이크업 ▲센서 소자에서 온도 및 습도 읽기 요청 ▲센서 데이터를 메시징 프로토콜 형식으로 패키징 ▲ 무선 액세스 포인트에 대한 링크를 개시하는 무선 트랜시버 ▲데이터를 호스트 시스템으로 전송 ▲ 전체 디바이스를 절전 모드로 전환

배터리 전원의 전력 레귤레이션과 변환은 전력 관리 IC(PMIC)를 사용하여 이루어지며, 추가 회로는 전압 및 전류 측정을 제공한다. 이 데이터는 센서 데이터와 함께 호스트 애플리케이션에 패키징할 수 있다.

고집적 시스템온칩(SoC) 무선 마이크로컨트롤러는 일반적으로 그림 1에 강조 표시된 대부분의 기능을 통합한다. 이러한 예로는 노르딕 세미컨덕터의 nRF9160 셀룰러 시스템인패키지(SiP)가 있다.

센서 및 관련 신호 조절 부품만 있으면 설계를 완성할 수 있다. 디바이스의 데이터시트에는 다양한 절전 모드에서 마이크로컨트롤러와 무선 트랜시버의 개별 전력 소모 파라미터가 나와 있다. 그림 3는 다양한 상태에서 0.1µA에서 600µA까지 MCU의 일반적인 전류 소모를 보여준다.

무선 트랜시버는 독립적으로 제어되므로 전력 소모 프로파일을 관리할 여지를 준다. 예를 들어 임베디드 펌웨어는 필요할 때만 무선 트랜시버가 작동하도록 할 수 있다. 일부 MCU의 주변장치는 그러한 작동 중에 절전 모드로 전환할 수 있으므로 전력 소모 프로파일을 낮출 수 있다.

◆ 전력 소모 측정 과제와 리소스

센서의 배터리 수명을 추정하려면 디바이스의 전류 소모에 대한 분석이 필요하다. 평균 전력 소모 벤치마크를 설정했다면, 개발 팀은 예측된 배터리 수명을 향상시키는 다음과 같은 다양한 방법을 시도할 수 있다. 

▲ MCU와 무선 트랜시버를 신중하게 시퀀싱한다 ▲필요하지 않을 때 주변 장치를 끈다 ▲디바이스 듀티 사이클을 변경한다 ▲ 다양한 절전 모드를 실험한다 ▲ 데이터를 처리하지 않을 때 MCU 클록 속도를 낮춘다.

그러나 이러한 동적 범위로 전류를 정확하게 측정하는 것은 복잡하며 일반적인 벤치 디지털 멀티미터(DMM)의 범위를 넘어선다.

전류는 보통 션트 저항에 걸친 전압 강하를 측정하여 옴의 법칙으로 계산한다. 부담 전압이라고 하는 션트 저항에 걸친 전압 강하는 부하에 의해 공급되는 전압을 감소시킨다. 식별 가능하고 정확한 낮은 µA 전류 측정을 위해서는 부담 전압이 DMM이 측정할 수 있을 만큼 충분히 높으면서, 테스트 대상 장치(DUT)의 이상 동작을 일으킬 정도로 전원이 낮아서는 안 된다.

이는 낮은 µA에서 mA 값으로 즉시 변하는 DUT 동작의 동적 특정으로 인해 더욱 복잡해진다. 1.8V 또는 3.3V의 일반적인 SoC 전원 레일에서 부담 전압의 동적 변화는 동작 중에 DUT의 브라운아웃 리셋을 일으킨다.

이러한 특정 요구사항을 충족하기 위해 일부 정밀 DMM을 사용할 수 있다. 그러나 이러한 값비싼 장치는 릴레이 스위칭을 사용하여 동작 중에 션트 저항 값을 변경하지만 솔리드 스테이트 스위치를 사용하더라도 관련된 시간으로 인해 측정의 세부 정보와 정확도가 손실된다.

높은 동적 전류 범위 측정 문제를 해결하기 위해 제조업체들은 실시간으로 정확하게 전류 소모를 측정하고 기록하는 전력 프로파일링 도구를 개발했다. 이러한 예로는 노르딕의 Power Profiler Kit (PPK) 및 Qoitech의 Otti Arc가 있다.

USB로 전원을 공급받는 노르딕 세미컨덕터의 파워 프로파일러 키트 2(Power Profiler Kit 2)의 측정 성능은 200nA에서 1A에 이르며, 분해능은 측정 범위에 따라 100nA에서 1mA 사이이다. 또한 DUT 전압을 공급하는 소스 모드 또는 순수하게 전류를 측정하는 암페어 미터 모드로 동작할 수 있다. PPK는 0.8VDC에서 5V, 최대 1A까지 소프트웨어 구성 가능한 출력을 제공한다.

실시간 전류 측정 성능은 100kS/s이며, 5가지 전류 측정 범위를 자동으로 전환하여 최적의 분해능을 유지한다.

PC 기반 노르딕 파워 프로파일러 앱은 PPK에 연결하여 PPK를 구성하고 측정 데이터를 기록하는 인터페이스를 제공한다.

샘플링 분해능을 100kS/s에서 1S/s로 낮추면 최대 로깅 시간을 7분에서 500일로 연장할 수 있다.

PPK2는 또한 DUT에 연결하여 제어 기능을 시퀀스하거나 로직 분석기에 연결하여 DUT 애플리케이션 코드와 단계적으로 전류 측정을 동기화하는 데 적합한 디지털 GPIO 핀 세트가 있다.

Qoitech의 Otti Arc는 소형의 휴대용 및 범용 전력 분석기이며 50nA 분해능부터 수십 나노암페어(nA)에서부터 5A까지 극히 넓은 동적 범위를 측정할 수 있다.

Otti Arc는 정전압 또는 전류 소스 및 전류 싱크로 구성할 수 있다. 전류 싱크는 최대 2.5A까지 다양한 배터리와 애플리케이션 시나리오를 에뮬레이트하고 프로파일링하는 방법을 제공한다. Arc의 샘플링 레이트는 4kS/s이다. 제품은 호스트 컴퓨터의 USB 포트 또는 외부 전원 공급장치에서 전력을 공급받을 수 있다.

Otti Arc 소프트웨어는 전류 측정 소스 및 싱크 동작을 구성하고 DUT 전류 소모를 기록하는 모든 기능을 포함한다. GPIO 핀은 전면 패널에서 분석 목적을 위해 로직 상태를 추적하고 DUT 동작을 제어하는 데 사용할 수 있다.

◆ 전력 프로파일링 수행

배터리 수명 극대화를 위해서는 디바이스의 전력 소모 프로파일을 완전하게 이해해야한다. 디바이스가 소모하는 평균 전류는 배터리 수명을 추정하는 데 도움이 되지만, 정기적인 작동 중에는 피크가 평균에 큰 영향을 미친다. 디바이스의 펌웨어 최적화를 시작하기 전에 디바이스 동작의 전체 주기를 통해 전력 소모에 대한 프로파일을 설정해야 한다.