전력 스펙트럼의 가장 낮은 쪽에는 IoT 기기에 통상 볼 수 있는 것과 같이 에너지 하베스팅 시스템의 나노전력 변환 요구가 존재한다. 이러한 시스템은 매우 낮은 수준의 전력과 전류를 처리할 수 있는 전력 변환 IC를 필수적으로 사용해야 한다. 이와 같은 전력 수준은 각각 수십 마이크로와트(μW) 또는 나노암페어(nA) 전류가 될 수 있다.
첨단 상용 에너지 하베스팅(EH) 기술은 진동 에너지 하베스팅이나 실내 또는 웨어러블 광전지에서와 같이 일반적인 동작 조건에서 밀리와트 정도의 전력을 발생시킨다. 이와 같은 전력 수준이 미미하다고 생각할 수 있지만 무선 센서 노드(WSN)와 같은 하베스팅 소자의 동작이 수년 동안 지속되는 것을 고려하면 이러한 기술이 에너지 공급 면에서나 제공되는 에너지 단위당 비용 면에서 수명이 긴 일차전지와 충분히 견줄만하다는 것을 알 수 있다.
<글 : 토니 암스트롱(Tony Armstrong) 리니어 전력 제품 사업부 제품 마케팅 디렉터>
<자료제공 : 리니어테크놀로지(www.linear.com)>
일차전지는 최대 10년까지 수명을 제공할 수 있다고 주장하고 있지만 이러한 수명은 소자가 끌어오는 전력 수준과 발생하는 주파수에 모두 크게 의존한다. 에너지 하베스팅 기능을 통합한 시스템은 일반적으로 완전히 고갈된 후 재충전할 수 있다. 이것은 일차전지를 사용하는 시스템에서는 가능하지 않은 일이다.
하지만 대부분은 주변 에너지 소스를 일차적인 전원 소스로 이용하면서 주변 에너지 소스가 고갈되거나 공급이 원활하지 않을 때 배터리로 전환하는 보완적인 방법을 택한다. 이것은 시스템에 긴 동작 시간을 제공함으로써 ‘배터리 수명을 연장해 주는 기능’으로 볼 수 있으며 리튬 염화티오닐 전지의 통상 약 12년인 배터리 동작 수명에 근접하고 있다.
물론 하베스팅 할 수 있는 에너지가 얼마나 오랫동안 동작하는가에 따라 달라진다. 따라서 하베스팅된 소스를 비교하기 위한 일차적 기준은 에너지 밀도가 아니라 전력 밀도다. 에너지 하베스팅은 통상 이용할 수 있는 전력 수준이 낮고 가변적이며 예측 불가능하므로 종종 하베스팅 장치와 이차 전원 소스를 연결하는 하이브리드 구조가 사용된다.
이차 소스는 재충전 가능한 배터리이거나 스토리지 커패시터가 될 수 있다. 하베스팅 장치는 무제한적으로 에너지를 공급할 수 있지만 전력이 낮기 때문에 시스템의 에너지 소스가 된다.
배터리나 커패시터 같은 이차 전력 저장소는 높은 출력 전력을 제공할 수 있지만 적은 에너지를 저장하므로 필요할 때만 이곳에서 전력을 공급하고 그렇지 않을 때에는 정기적으로 하베스팅 장치로부터 충전된다.
따라서 어떠한 이유로 주변 에너지를 이용할 수 없는 경우에는 이차 전력 저장소를 사용해 다운스트림 전자 시스템이나 WSN에 전력을 공급할 수 있다.
수요를 움직이는 또 하나의 축 ‘IoT’
‘사물인터넷(IoT)’을 지원하는 무선 센서의 확산은 구속 받지 않는 저전력 기기에 적합하게 설계된 초소형의 고효율 전력 컨버터의 수요를 증가시키고 있다. 사물인터넷과 관련해 최근 부상하고 있는 시장의 하나는 웨어러블 전자기기 분야다.
아직 태동 단계이지만 핏빗, 구글 글래스, 애플 워치와 같은 제품 등을 볼 수 있다.
웨어러블 기술은 사람뿐 아니라 동물을 위한 많은 애플리케이션에도 적용된다. 최근 예로는 초음파를 발생시키는 치료 패치와 말에게 최적화된 전자 안장에서부터 다양한 방식으로 추적, 식별, 진단 등을 수행할 수 있는 기타 동물들을 위한 목걸이 형태의 장치들을 들 수 있다.
이러한 기기의 대부분은 애플리케이션과 관계없이 주 전원으로 배터리를 필요로 한다. 그러나 사람에게 적용되는 애플리케이션의 경우 조만간 태양으로부터 전기를 생산할 수 있는 착용 가능한 섬유가 이용될 것으로 보인다. 이것은 일종의 ‘파워 수트(Power suit)’다. 이와 같은 연구에서 가장 두각을 나타내고 있는 프로젝트가 유럽연합에서 지원하는 데포텍스(Dephotex)다.
이 프로젝트는 광전자 소재를 사람이 입을 수 있도록 충분히 가볍고 유연하게 만드는 기술을 개발하고 있다. 광전자 소재는 광자를 전기 에너지로 변환시키고 이렇게 변환된 에너지를 이용해 사용자가 착용하는 다양한 전자기기에 전력을 공급하거나 배터리를 충전할 수 있으며 이 두 가지를 결합할 수도 있다.
사물 인터넷의 대표적인 애플리케이션으로 병원 환자나 단순히 건강에 관심을 갖는 개인을 위한 헬스 모니터링이 있다. 생체 통계는 인체의 기본적인 기능을 측정하는 생체 신호다. 여기에는 체온, 맥박수, 심박수, 호흡수, 혈압 등이 포함된다.
이러한 생체 신호들은 수치가 나빠지면 건강이 악화되고 그와 반대로 좋아지면 건강하다는 것을 나타내기 때문에 중요한 의미를 갖는다. 대형 병원과 개인 병원에는 이러한 생체 신호를 측정하는 고가의 진단 장비들이 잘 갖춰져 있다. 그러나 이러한 생체 신호를 병원 밖에서도 효율적이고 저렴하게 측정할 수 있다면 삶의 질이 훨씬 높아질 것이다.
예를 들어 가정이나 직장에서 라이프스타일과 행동을 실시간으로 ‘즉시’ 수정할 수 있다면 건강을 증진시키는 것은 물론 수명을 연장하고 심지어 생명을 구할 수도 있다.
또 다른 예로는 [그림1]에서 보듯이 신체 마비환자가 움직일 수 있도록 도와주는 엑소스켈레톤이 있다. 다행히 기기의 가격이 낮아지고 첨단 센서 기술이 결합되면서 의료용과 헬스용 스마트 웨어러블이 확산되고 있다. 이러한 기기는 신체에 부착하는 단순한 형태의 ‘단일 생체 신호’ 장치로부터 센서가 가득 달린 정교한 전신 엑소스켈레톤에 이르기까지 다양하다. 그러나 전력 변환 IC 관점에서 이러한 유형의 웨어러블 기기의 구분과 효율적인 구동은 간단하지 않다.
그렇다면 일반적인 스마트 웨어러블 기기를 작동하는데 어떤 요소들이 필요할까? 어떤 면에서는 웨어러블 기기를 미니어처 임베디드 시스템으로 간주할 수 있을 것이다. 정확한 구분은 기기 자체에 따라 달라지겠지만 일반적으로 말해서 스마트 웨어러블 기기의 핵심 아키텍처는 ▲마이크로프로세서나 마이크로컨트롤러 또는 유사한 IC ▲MEMS 센서 ▲소형의 기계식 액추에이터 ▲GPS(Global Positioning System) IC ▲데이터 수집·처리·동기를 위한 블루투수·셀룰러·와이파이 커넥티비티 ▲이미징 소자, LED ▲컴퓨팅 리소스 ▲재충전 가능 또는 일차전지(재충전 불가능) 배터리 또는 배터리 팩 ▲지원 소자 등의 조합으로 구성된다.
웨어러블 기기의 일차적 설계 목표는 착용 가능하고 편의성을 위해 초소형 폼팩터와 가벼운 무게를 구현하고 배터리 사용 시간과 수명을 연장하도록 초저전력 소모를 달성해야 한다는 것은 분명하다.
실제적인 전력 변환 솔루션
리니어테크놀로지는 사물인터넷에서 이러한 낮은 수준의 하베스팅된 전력을 사용하도록 하는 데 필요한 기능 및 성능 특성을 갖춘 다수의 전력 변환 IC를 제공하고 있다.
LTC3107은 TEG(Thermoelectric Generator) 및 서모커플과 같은 극히 낮은 입력 전압 소스로부터 여분의 에너지를 하베스팅 하고 마지닝해 저전력 무선 시스템에서 배터리 수명을 연장하도록 설계된 고집적 DC/DC 컨버터다.
LTC3107을 사용할 경우 POL(point-of-load) 에너지 하베스팅 장치는 LTC3107의 불과 3㎜ ×3㎜ DFN 패키지 크기에 몇 개의 외부 부품을 위한 작은 면적만 있으면 된다. LTC3107은 기존 일차전지에 일치하는 출력 전압을 발생시키므로 자유롭게 사용할 수 있는 열에너지 하베스팅을 새로운 설계나 기존 배터리 구동 설계에 매끄럽게 적용해 비용을 절감할 수 있다.
뿐만 아니라 LTC3107과 소형의 열에너지 소스를 함께 사용하면 경우에 따라서는 배터리의 저장 수명까지 배터리 수명을 연장할 수 있다. 따라서 배터리 교체와 관련된 유지보수 비용 발생이 적다.
LTC3107은 부하 조건과 하베스팅된 사용 가능한 에너지에 따라 배터리를 충전하도록 하거나 부하에 전력을 전부 공급하도록 설계됐다.
또 다른 예는 최대 50㎃의 연속 출력 전류를 제공해 하베스팅된 에너지를 이용할 수 있을 때 배터리 수명을 연장하는 완벽한 레귤레이팅 에너지 하베스팅 솔루션인 LTC3331이 있다.
LTC3331은 하베스팅 된 에너지로부터 부하로 레귤레이트된 전력을 공급할 때는 배터리에서 공급 전류를 전혀 소비하지 않으며 무부하 조건에서 배터리로부터 전력을 공급하는 경우에는 단 950㎁만 소비한다.
LTC3331은 고전압 에너지 하베스팅 전원 장치 외에도 재충전 가능한 배터리로부터 전력을 공급받는 동기 벅-부스트 DC/DC 컨버터를 통합해 무선 센서 노드(WSN)와 IoT 기기 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 동기 벅 컨버터로 구성되며 압전(AC), 태양광(DC) 또는 자기(AC) 소스로부터 에너지를 하베스팅한다.
10㎃ 션트는 하베스팅 된 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 동기 벅-부스트 컨버터에 전력을 공급하고 하베스팅된 에너지를 사용할 수 없을 때 입력이 출력보다 높거나 낮거나 같아도 출력을 레귤레이트 하는 데 사용된다.
LTC3331의 배터리 차저는 마이크로전력 소스를 다루는 경우 매우 중요한 배터리 관리 기능을 제공한다. LTC3331은 배터리 차저의 로직 제어를 통합하고 있어 하베스팅된 전원에 여분의 에너지가 있을 때만 배터리를 충전한다.
이 같은 로직 기능이 없다면 하베스팅 된 에너지 소스가 시동시 최적이 아닌 동작 지점에 그대로 고착함으로써 시동이 끝나고도 의도된 애플리케이션에 전력을 공급하지 못할 수 있다.
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 동안 이용할 수 있다면 10년에서 20년 이상까지 동작 수명을 연장할 수 있으며 에너지 하베스팅 소스가 더 광범위하게 존재한다면 이보다 더 늘릴 수 있다는 점이다.
마지막으로 쿨롱 카운터를 통합한 LTC3335 나노전력 벅-부스트 DC/DC 컨버터가 있다.
TC3335는 무선 센서 네트워크와 범용 에너지 하베스팅 애플리케이션에 적합하며 고효율의 낮은 무부하 전류(680㎁)를 갖는 컨버터다.
통합된 쿨롱 카운터는 긴 수명의 배터리 구동 애플리케이션에서 누적된 배터리 방전을 정확히 모니터링 한다. 쿨롱 카운터는 누적된 배터리 방전을 I2C 인터페이스를 통해 접근할 수 있는 내부 레지스터에 저장한다.
이 벅-부스트 컨버터는 입력에서 최저 1.8V까지 동작할 수 있고 최대 50㎃ 출력 전류 및 8개의 핀 선택 가능한 출력 전압을 제공한다. 최저 5㎃에서부터 최고 250㎃까지 피크 입력 전류를 선택할 수 있고 풀스케일 쿨롱 카운터가 3만2768:1의 프로그래밍 가능한 범위를 갖고 있어 다양한 배터리 종류와 크기를 수용할 수 있다.
결론
스마트 IoT 웨어러블 시장은 최근 몇 년 사이에 폭발적으로 성장하고 있다. 여기에는 헬스·피트니스, 의료용, 인포테인먼트, 군용 및 산업용 애플리케이션 분야의 다양한 제품이 포함된다.
센서를 탑재한 의료용 및 헬스 웨어러블 기기를 포함한 새로운 방식의 제품들은 병원 밖에서 심박수나 혈압 같은 주요 생체 신호를 모니터링 할 수 있어 더 적극적이고 더 건강한 라이프스타일을 가져다준다.
스마트 웨어러블 기기의 핵심 아키텍처는 제품 유형에 따라 달라지지만 기본적으로 마이크로컨트롤러, MEMS 센서, 무선 커넥티비티, 배터리 및 지원 소자로 구성된다.
마찬가지로 건물의 에너지 효율을 향상시키고 산업용 기기와 브리지에서 시스템 상태를 모니터링 하는 애플리케이션에서 WSN의 에너지 하베스팅 확산은 저전력 변환 솔루션을 움직이는 핵심 원동력이다. 저전류 기기를 구동하는 것은 매우 까다로운 과제이지만 리니어테크놀로지는 저전력에서 매우 뛰어난 성능을 구현하는 첨단 제품 포트폴리오를 제공한다.
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