에너지 수집을 위한 마지막 잃어버린 연결고리
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에너지 수집을 위한 마지막 잃어버린 연결고리
  • 김민형
  • 승인 2010.02.02 00:00
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리니어
에너지 수집을 위한 마지막 잃어버린 연결고리

 이제 어디에서나 엔지니어들이 현실 세계의 문제들을 해결하기 위해 비전통적인 에너지원들을 활용할 수 있는 새롭고 혁신적인 방법들을 제공하고 있는 것을 볼 수 있다. 안전성과 활용가능성의 증가, 유지관리 비용의 절감, 에너지 효율성 및 시스템 유연성의 향상 등은 '수집' 에너지를 사용하는 무선 감지 및 모니터링/제어 시스템이 제공하는 장점의 일부에 불과하다. 높은 에너지 비용, 새로운 정부 규제, 환경관련 문제 등으로 인해 모든 곳에서 보다 효율적인 전력 사용에 대한 요구가 크게 증가하고 있다. 대체 에너지 분야의 새로운 기술과 전력 활용에 대한 개선활동으로 많은 다양한 시장에서 성능 혁신이 이루어졌다. 뿐만 아니라, 이러한 새로운 기술을 활용할 수 있는 새로운 제품들은 단기는 물론 장기적으로도 탁월한 성장 기회를 제공하고 있다.

글: 토니 암스트롱(Tony Armstrong)
리니어 테크놀로지 코포레이션 제품 마케팅 이사
www.linear.com

 다양한 저전력 산업용 센서 및 컨트롤러가 전력공급의 1차 또는 보조 수단을 대체 에너지원으로 전환하고 있다. 이상적으로는 이와 같은 수집된 에너지를 사용할 경우에 유선 전력 또는 배터리에 대한 요구를 모두 제거할 수 있다. 온도편차(열전 발전기 또는 열전변환기), 물리적 진동(압전 또는 전자기계 디바이스), 광(태양광 디바이스) 등과 같이 이미 제공되고 있는 물리적 자원들로부터 전기를 생성하는 변환기(transducer)들이 많은 애플리케이션에서 적용 가능한 전력원으로 자리를 잡아가고 있다. 수많은 무선 센서, 원격 모니터, 기타 저전력 애플리케이션들이 수집 에너지(일부에서는 통칭하여 나노파워(nanoPower)라고 함)만을 사용하는 '제로' 전력 디바이스로 변화하고 있다.
 에너지 수집(Energy Harvesting)이 2000년대 초반부터 출현하였지만(초기 단계), 최근의 기술 발전으로 인해 상용화 가능 시점이 임박하였다. 요컨대, 우리는 에너지 수집 분야가 2010년부터 '성장' 단계에 들어설 것이라고 생각한다. 에너지 수집 기법들을 활용한 빌딩 자동화 센서 애플리케이션이 이미 유럽에 전개되고 있다는 사실은 성장 단계가 이미 시작되었다는 것을 단적으로 보여준다.

상용화 가능성을 입증하는 기존 애플리케이션

 에너지 수집의 개념이 오랜 기간 동안 발전되어 왔음에도 불구하고 실제 환경에서 시스템을 구현하는 것은 복잡하고 번거로울 뿐만 아니라 비용 역시 높았다. 그럼에도 불구하고 에너지 수집 접근법이 사용되어온 시장으로 운송 기반시설, 무선 의료 기기, 타이어 압력 감지, 빌딩 자동화 등을 예로 들 수 있다. 빌딩 자동화의 경우, 재실감지 센서, 온도조절장치, 조명 스위치 등과 같은 시스템들은 일반적으로 요구되는 전력 또는 제어 배선을 제거하고 기계적 또는 에너지 수집 시스템을 대신 사용할 수 있다. 이러한 대안적인 접근법은 또한 일반적으로 배선 시스템과 관련된 정기적인 유지관리 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 초기 장소에 설치하는 데 필요한 배선 작업과 무선 애플리케이션의 경우에는 정기적인 배터리 교체에 대한 요구를 제거할 수 있다.
 이와 마찬가지로 에너지 수집 기법을 사용하는 무선 네트워크는 많은 수의 센서를 건물 내에 연결하여 건물에 사용자가 없을 경우에 불필요한 공간에 대해 전력을 차단함으로써 HVAC(heating, ventilation & air conditioning) 및 조명 비용을 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 에너지 수집 전자장치의 비용이 감지 배선 작업을 하는 것보다 일반적으로 낮기 때문에 수집 전력 기법을 도입함으로써 경제적인 이점까지 확실히 얻을 수 있다.
일반적인 에너지 순환 구성 또는 시스템(아래 그림 1에 4개의 주요 회로 시스템 블록으로 제시함)은 예를 들어, HVAC 덕트 등과 같은 열 발생원에 부착된 열전 발전기(TEG, thermoelectric generator) 또는 열전변환기 등과 같은 무료 에너지원으로 구성되어 있다. 이러한 소형 열전 디바이스들은 작은 온도 편차를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 이러한 전기 에너지는 에너지 수집 회로(그림 1의 2번째 블록)를 통해 변환될 수 있으며, 전력 다운스트림 회로에 이용 가능한 형태로 조정된다. 이러한 다운스트림 전자장치들은 일반적으로 센서, ADC, 초저전력 마이크로컨트롤러 등으로 구성된다(그림 1의 3번째 블록). 이들 컴포넌트들은 이러한 수집 에너지를 전류의 형태로 전환하고, 판독 또는 측정할 수 있도록 센서를 웨이크-업 상태로 전환한 다음 데이터를 초저전력 무선 트랜시버를 통해 송신할 수 있도록 전환한다(그림 1에 제시한 회로에서 4번째 블록).


그림 1. 일반적인 에너지-순환 시스템의 4가지 주요 블록

 이 회로 내의 각 회로 시스템 블록은 에너지원을 제외시킬 경우에 현재까지는 상용화가 불가능한 독특한 제한요소 집합들을 가지고 있다. 저비용 저전력 센서 및 마이크로컨트롤러가 제공되고 있지만; 초저전력 트랜시버가 상용화되어 공급된 것은 불과 2년 전이다. 그럼에도 불구하고 이 회로에서 발전이 가장 느린 부분은 에너지 수집기(energy harvester)와 전력 매니저이다.
 전력매니저 블록의 기존 구현방법은 35개 이상의 컴포넌트로 일반적으로 구성되는 성능이 낮은 디스크리트 구성이었다. 이와 같은 설계들은 변환 효율이 낮고 높은 정지전류를 특성으로 한다. 이러한 결함들은 결국 최종 시스템의 성능을 손상시킨다. 낮은 변환 효율은 시스템에 전력을 공급하는 데 소요되는 시간을 증가시킬 것이며, 이로 인해 센서 판독과 데이터 전송에 사이의 시간 간격 역시 증가할 것이다. 높은 정지전류는 에너지 수집원이 얼마나 낮은 전력을 내어야 하는지에 제한을 두게 되는데, 이는 전력을 출력에 공급하기 위해 자체적인 동작을 위해 필요한 전류 수준을 초과하여야 하기 때문이다. 마지막으로 매우 높은 수준의 아날로그 스위치모드 전력공급 분야에 대한 전문기술이 필요하며, 이러한 기술 수준은 현실에서 사실상 거의 찾기가 어렵다.
 "잃어버린 연결고리(missing link)"는 극도로 낮은 입력 전압 소스로부터 잉여 에너지를 수집하고 관리할 수 있는 고집적 DC/DC 컨버터이다. 하지만, 이러한 상황이 완전히 변화했다.

잃어버린 연결고리

 리니어 테크놀로지는 최근에 LTC3108 - 초저전압 셋-업 컨버터 및 전력매니저를 출시했으며, 이 디바이스는 열전변환기, 열전발전기(TEG), 소형 태양열 패널 등과 같은 극도로 낮은 입력 전압 소스로부터 잉여 에너지를 수집하고 관리하는 작업을 대폭 단순화시킬 수 있도록 특별히 설계되었다. 이 디바이스의 셋-업 토폴로지는 최소 20mV의 입력 전압으로 동작한다. 이것은 LTC3108이 1℃와 같이 작은 온도 변화 조건에도 TEG로부터 에너지를 수집할 수 있도록 해주기 때문에 중요하며, 디스크리트 구현방법은 높은 정지전류 때문에 이를 충족시키기가 매우 어렵다.
그림 2에 나타낸 회로는 소형 셋-업 트랜스포머를 사용하여 입력 전압 소스를 무선 감지 및 데이터 획득을 위한 전체 전력관리 솔루션을 제공하는 LTC3108로 부스트시킨다. 이것은 작은 온도편차를 수집하여 전통적인 배터리 전력 대신에 시스템 전력을 생성할 수 있다.
그림 2. TEG(펠티어 전지) 전원을 사용하는 무선 원격 센서 애플리케이션에 적용된 LTC3108

 LTC3108은 외부 셋-업 트랜스포머와 소형 커플링 커패시터를 통해 공진형 셋-업 오실레이터를 구성하기 위해서 공핍(depletion) 모드 N-채널 MOSFET 스위치를 사용한다. 이를 통해 20mV의 낮은 입력 전압을 다른 회로들에 전력을 공급할 수 있는 다중의 정류된 출력 전압을 제공할 수 있을 만큼 높게 부스트시킬 수 있다. 발진 주파수는 트랜스포머 2차 권선의 인덕턴스에 의해 결정되며, 일반적으로 20kHz에서 200kHz의 범위이다.
 20mV의 낮은 입력 전압의 경우, 1차 -2차 권선비율은 1:100이 권고된다. 보다 높은 전압의 경우, 상대적으로 낮은 권선비율을 사용할 수 있다. 이러한 트랜스포머들은 표준 기성 컴포넌트이며, 마그네틱 공급업체들이 이미 제공하고 있다. 리니어의 화합물 공핍 모드 N-채널 MOSFET가 바로 20mV 동작을 가능하게 해준다.


그림 3. LTC3108의 블록 다이어그램

 그림 3에 나타낸 바와 같이 LTC3108은 복잡한 문제를 해결하기 위해서 '시스템 레벨' 접근법을 사용한다. 이것은 낮은 전압 소스를 변환하고 다중 출력 사이에서 에너지를 관리할 수 있다. 트랜스포머 2차 권선에서 생성된 AC 전압은 외부 충전 펌프 커패시터(2차 권선에서 핀 C1까지)와 LTC3108내부의 렉티파이어를 통해 부스트되고 정류된다. 이 렉티파이어 회로는 VAUX 핀에 전류를 제공하여 전하를 외부 VAUX 커패시터에 공급한 다음 다른 출력에도 공급한다.
 내부 2.2V LDO는 저전력 프로세서 또는 기타 저전력 IC들을 지원할 수 있다. LDO는 VAUX 또는 VOUT보다 높은 값의 전력을 공급 받는다. 이를 통해 LDO를 VAUX가 2.3V로 충전되는 즉시 활성화시키면서 VOUT 스토리지 커패시터의 충전 상태를 유지시킬 수 있다. LDO 출력에 스텝 부하가 발생한 경우, VAUX가 VOUT 이하로 떨어진다면 전류는 주 VOUT 커패시터로부터 제공될 수 있다.
  VOUT 의 주 출력 전압은 VAUX 공급전압으로 충전되며, 전압 선택 핀 VS1 및 VS2을 사용하여 4가지 정류 전압 중 하나로 사용자 프로그램이 가능하다. 4개의 고정 출력 전압은 슈퍼커패시터용 2.35V, 표준 커패시터용 3.3V, 리튬-이온 배터리 단말용 4.1V, 그리고 무선 송신기 또는 센서에 전력을 공급하기 위한 상대적으로 높은 에너지 스토리지 및 주 시스템 레일을 위한 5V 등이며, 따라서 멀티 메그 옴(multi-meg-Ohm) 외부 레지스터에 대한 요구를 제거한다. 결과적으로 LTC3108은 매우 많은 수의 레지스터를 필요로 하는 디스크리트 설계와 같이 누설을 최소화하기 위해서 특수 보드 코팅을 할 필요가 없다.
 2번째 출력 VOUT2은 VOUT2_EN 핀을 사용하여 호스트 마이크로컨트롤러에 의해 온 및 오프 상태로 전환될 수 있다. 활성화되었을 때 VOUT2은 P-채널 MOSFET 스위치를 통해 VOUT에 연결된다. 이 출력을 저전력 슬립 또는 셧다운 성능을 제공하지 않는 센서 또는 증폭기 등과 같은 외부 회로에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있다. 이러한 예로는 빌딩 온도조절장치 내부의 감지 회로의 일부로서 MOSFET의 전력공급을 온/오프시키는 것을 들 수 있다.
 VSTORE 커패시터는 입력 전력이 제공되지 않을 경우에 지연(holdup)을 제공하기 위해서 매우 큰 값(수천 마이크로패럿 또는 패럿)을 가질 수 있다. 일단 파워-업이 완료되면, 주 출력, 백업 출력, 스위칭 출력이 모두 제공된다. 입력 전력에 이상이 발생하더라도 VSTORE 커패시터로부터 전력을 공급 받아 동작이 지속된다. VOUT을 레귤레이션한 후 VSTORE 출력을 대형 스토리지 커패시터 또는 재충전 가능 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있다. 일단 VOUT 이 레귤레이션되면, VSTORE 출력을 VAUX 전압까지 충전할 수 있으며, 5.3V에서 클램핑된다. VSTORE의 스토리지 요소는 입력 소스가 사라졌을 경우에 시스템에 전력을 공급하는데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 입력 소스의 에너지가 충분하지 않을 경우에VOUT, VOUT2, LDO 출력에 필요한 전류를 보충하는 데에도 사용할 수 있다.
 파워굿 비교기(power good comparator)는 VOUT 전압을 모니터링 한다. 일단 VOUT 이 정류 전압의 7% 이내로 충전되면 PGOOD 출력은 하이(high)가 될 것이다. VOUT 이 정류 전압으로부터 9% 이상 떨어지면 PGOOD 출력은 로우(low)가 될 것이다. PGOOD 출력은 마이크로프로세서 또는 기타 칩 I/O를 구동할 수 있도록 설계되었지만, LED와 같이 높은 전류 부하를 구동하도록 설계되지는 않았다.

결론
  요약하면, LTC3108 열 에너지 수집 DC-DC 셋-업 컨버터 및 시스템 매니저는 태양전지, 열전 발전기, 기타 유사한 열 에너지원 등으로부터 에너지를 추출할 수 있는 혁신적인 디바이스이다. 독창적인 공진형 전력 컨버터 토폴로지 때문에 이 디바이스는 매우 낮은 20mV 입력 전압 조건에서도 동작을 개시할 수 있다. 전력관리 제어, 기성 외부 컴포넌트 등을 포함하고 있는 높은 집적도로 인해 전체 에너지 수집 회로를 위해 제공되고 있는 솔루션 중에서 가장 작고 간단하며 사용이 편리하다.

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