임베디드컨트롤 시스템의 배터리 수명 극대화 위한..

내부 회로의 동작에 필요한 전기 에너지를 공급하는 배터리는 휴대용 전자기기의 심장부라 할 수 있다. 배터리는 이처럼 중요한 역할을 수행하므로, 휴대용 기기들에서 현재 사용되고 있는 배터리용 화합물의 종류와 각각의 특성에 대해 살펴볼 필요가 있다. 현재 휴대용 전자기기에 사용되고 있는 주된 배터리용 화합물 네 가지는 알카라인(Alkaline), 니켈 카드뮴(NiCd), 니켈 수소(NiMH) 및 리튬이온(Li-Ion)이다.

알카라인 전지는 아연과 이산화망간 사이의 화학반응을 토대로 한다. 일반 알카라인 전지는 완충될 경우 1.5V 정도의 전압을 출력한다. 이 전지는 에너지가 소비됨에 따라 전압이 계속해서 떨어지게 되며 90% 사용시 0.9V 정도의 전압을 출력한다.

알카라인 배터리는 용량이 비교적 큰 편이지만 내부 저항 또한 크기 때문에 카메라 플래시 장치, 리모컨 자동차 및 전동 공구 등 전류 소모가 큰 애플리케이션에서는 매우 비효율적이다.

이 때문에 고전류용 애플리케이션에는 여전히 니켈카드뮴 배터리 셀이 사용되고 있다. 이 배터리는 매우 오래가면서도 가격이 저렴하다. 니켈카드뮴 전지는 1.2V의 공칭 전압을 가지며 배터리 수명이 다할 무렵에는 전압이 0.9V까지 떨어지게 된다.

그러나 니켈카드뮴은 에너지 밀도가 비교적 낮고 유독성 금속이 들어있기 때문에 이를 애플리케이션에 채택하지 않는 경우가 많아지고 있다. 니켈카드뮴의 또 다른 단점은 주기적으로 완전 방전시켜줘야 한다는 점이다. 이는 배터리의 수명과 성능에 영향을 미치는 커다란 결정체들이 전지의 플레이트에 형성되는 과정을 억제한다.

니켈수소 전지가 니켈카드뮴 전지보다 높은 인기를 누리게 된 이유는 보다 친환경적이며 에너지 밀도 역시 40% 정도 더 높기 때문이다. 또한 니켈수소 전지는 공칭전압이 1.25V 정도이며 전지 수명이 막바지에 이를 무렵에는 1.0V 이하로 떨어지게 된다.

그러나 니켈수소 전지는 높은 부하 및 극단적인 온도에서 사용시 배터리 수명이 줄어들 수 있으므로 니켈카드뮴 전지만큼 오래 가지 않는다. 니켈수소 전지는 자가방전율 또한 훨씬 더 높다.

리튬이온은 대부분의 휴대용 가전기기에서 주로 사용되는 배터리용 화합물이 되었다.

하나의 리튬이온 전지는 완충될 경우 3.6V 정도의 개방 회로 전압(open-circuit voltage)을 가지며, 완전 방전될 경우에는 전압이 2.7V 정도까지 떨어지게 된다. 이 배터리용 화합물은 가벼운 무게와 함께 높은 전지 전압 및 우수한 성형 능력(리튬폴리머의 경우)과 같은 여러 이점들을 제공한다.

또한 리튬 이온/리튬폴리머 배터리의 에너지 밀도는 현재 표준 니켈 카드뮴 전지의 두 배 정도로 계속 증가하고 있음에도 불구하고 가격은 보다 저렴해지고 있다. 그러나 리튬이온 배터리 셀은 과충전(overcharge)될 경우 폭발할 수도 있다는 단점이 있다. 이러한 안전 문제 때문에 일부 제조업체들은 크기와 무게에 민감한 애플리케이션이 아닌 경우 니켈수소 화합물을 사용하고 있다.

애플리케이션과 파라미터의 상관관계

휴대용 전자기기의 등장으로 인해 시스템 개발자들은 전력관리 회로의 설계에 점점 더 집중하는 동시에 디자인의 전반적인 성능을 최적화하기 위해 다양한 DC/DC 컨버터의 아키텍처를 이해해야 한다. 현재 시판되고 있는 다양한 컨버터 토폴로지들 중에는 선형 레귤레이터, 스위칭레귤레이터 및 전하 펌프가 포함되어 있다.

선형 레귤레이터는 전압제어 전류원을 이용해 주어진 출력 전압을 생성한다. 선형 레귤레이터에는 여러 가지 다양한 종류들이 있지만 배터리 동작형 애플리케이션에서 가장 흔히 사용되는 것은 LDO(low dropout) 레귤레이터이다. 이런 종류의 선형 레귤레이터는 출력 전압을 조정하기 위해 P-채널 패스 트랜지스터를 피드백이 있는 가변 저항기로 사용한다.

가장 기본적인 형태의 스위칭레귤레이터는 입력된 에너지를 주어진 출력으로 전환하기 위해 다이오드와 인덕터 그리고 스위치를 이용한다. 스위칭레귤레이터는 벅, 부스트 및 벅/부스트를 비롯한 여러 다른 토폴로지로 구성될 수 있다.
벅 스위칭레귤레이터는 입력 전압보다 낮게 조정된 출력 전압을 제공하는데 이는 LDO의 기능과 비슷하다. 부스트스위칭레귤레이터는 입력보다 높은 출력 전압을 제공하는데, 이는 LDO로는 달성할 수 없는 기능이다. 끝으로, 벅/부스트 토폴로지는 출력 이상 및/또는 이하의 입력 전압 범위 전반에 걸쳐 조정된 출력을 제공한다.

전하 펌프는 캐패시터를 에너지 저장 장치로 이용한다. 스위치는 회로 토폴로지에 따라 출력 전압을 2배나 3배로 올리거나 역전 또는 반감시킨다. 임의로 조정된 출력 전압을 생성할 수 있도록 캐패시터의 플레이트를 입력 전압에 연결한다.

전하 펌프는 캐패시터를 충전 및 방전하여 에너지를 전달하기 때문에 이런 종류의 컨버터가 공급할 수 있는 출력 전류의 양은 앞서 언급한 다른 컨버터들에 비해 낮으며, 대개는 수백 mA에 지나지 않는다.

위에서 살펴본 세 가지 DC/DC 컨버터 모두 표 1에서 보듯이 서로 다른 장단점을 가지고 있다. 따라서 적절한 토폴로지의 선택은 가장 중요한 애플리케이션과 파라미터가 무엇인지에 달려있다. 배터리 수명의 연장이 최우선 사항이라면 고효율의 스위칭레귤레이터가 최상의 솔루션이 될 수 있다. 잡음이 가장 큰 문제라면 선형 레귤레이터가 매력적인 솔루션일 것이다. 그러나 애플리케이션에 관계없이 원하는 시스템 성능을 달성하기 위해서는 전력관리 회로에 집중하는 것이 가장 중요하다.

DC/DC 변환을 통해 배터리 구동 시간을 늘리는 기법은 여러 가지가 있다.

동적 전압 스케일링(DVS)의 활용

배터리 런타임을 극대화하기 위해 흔히 사용하는 또 다른 기법은 동적 전압 스케일링(DVS)이다.

마이크로컨트롤러와 같은 디지털 로드는 요구 전류가 적기 때문에 보다 낮은 전압으로 동작할 경우 요구 전력이 훨씬 더 낮아진다. 그러나 저전압으로 작동 시 마이크로컨트롤러의 성능은 처리 속도 및 출력 면에서 제한이 생긴다.

동적 전압 스케일링이라는 개념은 마이크로컨트롤러가 대기 모드나 슬립 모드에 있을 때는 보다 낮은 전압 및 낮은 전력으로 실행하고, 정보를 처리하거나 전달해야 할 경우에는 전압을 보다 높은 수준으로 승압시키는 것이다. 이 기법은 컴퓨팅 분야에서 널리 사용되어 왔지만 마이크로컨트롤러가 다양한 동작 상태를 갖는 다른 여러 배터리 동작 애플리케이션들에도 활용할 수 있다.

모든 입자들을 분석하여야 하는 일산화탄소 검출기 등의 일부 애플리케이션들은 ‘항상 켜져 있어야만(ON)’ 한다. 그러나 필요에 따라 연속 동작을 실행하는 경우 외에는 대기 상태나 슬립 상태를 유지하는 애플리케이션들도 많다. 이러한 애플리케이션의 예는 스마트 미터기, 리모콘, 사진 기반의 화재 탐지기 등이 있는데 스마트 미터기는 정상적인 상태에서 단지 물이 흐르기를 기다리며 사진 기반 화재 탐지기는 방에 연기가 있는지를 연속이 아닌 주기적으로 검사할 수 있다.

디지털 측면에서의 전력 활용에 대해서는 문서화가 매우 잘 되어 있고 이해도 역시 높다. 마이크로컨트롤러는 다양한 수준으로 동작할 수 있으며 내부 주변장치들을 ON/OFF하여 전력을 절약할 수 있다.

마이크로컨트롤러를 깨워 슬립 모드로부터 액티브 모드로 전환시키는 프로세스에 대해서도 문서로 잘 정리되어 있는데 이는 마이크로컨트롤러를 액티브 상태로 유지하는 것이 모드 간 전환보다 에너지 효율적일 수 있기 때문이다. 이러한 내용 역시 문서화가 매우 잘 되어 있고 개발자들의 이해도가 일반적으로 높다.

그러나 아날로그 측면에서는 이러한 내용이 그다지 자명해 보이지 않는다. 항상 켜져 있는(ON) 시스템의 경우, 다른 설계 요건들을 충족하는 최저 유효 전류를 갖는 아날로그 IC의 선택은 여전히 중요하다.

반복적으로 사용되는 시스템에서는 낮은 전류의 아날로그 IC를 선택하는 것이 배터리 런타임 연장 면에서 여전히 최상의 솔루션이라는 의견이 타당해 보일 수도 있다. 그러나 필요한 전류에 관한 디바이스의 정착 시간(settling time)도 고려해야만 한다. 많은 경우 보다 높은 전류를 사용하는 빠른 기기를 선택하는 것이 장기적으로는 효율적일 수 있기 때문이다.