에너지 하베스팅이란?…EFR32xG22E 키트에선 어떤 방식으로 동작하는가?
에너지 하베스팅은 빛, 움직임, 열과 같은 다양한 환경 에너지원을 수집해 장치에 전력을 공급하는 과정이다.
실리콘랩스 EFR32xG22E 키트는 초저전력 동작을 위해 설계돼 배터리 없이 수확된 에너지에서도 안정적으로 구동할 수 있다.
이 키트는 대부분의 시간을 초저전력 모드(EM2/EM4)에서 유지하며 필요한 시점에만 깨어나 필요한 작업을 신속하고 효율적으로 수행한 뒤 다시 절전 모드로 전환해 전력 소비를 최소화한다.
EFR32xG22E 에너지 하베스팅 키트 구동위한 커패시터 가장 빠르게 충전하는 방법은?
실리콘랩스 EFR32xG22E 에너지 하베스팅 익스플로러 키트를 처음 설치하는 경우 커패시터의 초기 충전량에 따라 응용 프로그램이 시작되기까지 다소 시간이 걸릴 수 있다. 아래는 충전 과정을 단축하고 키트를 더 빠르게 구동하는 방법이다.
진행 속도를 높이려면 보조 커넥터(오른쪽)에 위치한 점퍼를 실드의 왼쪽 상단 모서리에 있는 ‘충전 전류 제한(Charge Current Limit)’ 위치로 옮겨 주길 바란다. 그 다음 USB-C 포트를 이용해 보드를 충전기에 연결하면 된다.
이를 통해 고속 충전이 활성화돼 커패시터가 필요한 전압에 훨씬 빠르게 도달하도록 돕는다.
충전 수준은 STO 커넥터에서 전압계를 사용해 확인할 수 있으며 전압은 2.5V(방전 상태)에서 3.8V(완전 충전 상태) 사이에 있어야 한다.
EFR32xG22E 익스플로러 키트 활용하는 에너지 하베스팅 응용 분야서 어떤 에너지 모드가 가장 적합한가?
에너지 하베스팅 응용 분야의 경우 최적의 에너지 모드는 일반적으로 EM2와 EM4다. 이 모드들을 사용하면 EFR32xG22E가 유휴 상태일 때 전력 소비를 최소화할 수 있다.
EM2는 RAM 내용을 유지한다. 저주파 발진기(LFXO 또는 ULFRCO)를 사용하는 저전력 주변 장치(예: LETIMER, I²C, EUART 등)는 계속 활성 상태를 유지한다. 이 모드는 장치가 자주 깨어나야 하거나 최소한의 에너지로 컨텍스트를 유지해야 하는 경우에 적합하다.
EM4는 모든 에너지 모드 중에서 전류 소비를 제공한다. 전력 사용이 매우 적어 장치가 장시간 절전 상태를 유지할 수 있을 때 적합하다. 일반 RAM은 유지되지 않지만 128바이트의 백업 RAM(BURAM)은 보존할 수 있다.
다만 장치를 깨우고 재초기화하는 데 더 많은 에너지와 시간이 필요하다. 장치의 깨우기 빈도가 낮고 초저전력이 필수적인 경우 EM4 모드를 사용하는 것이 바람직하다.
어떤 모드를 선택할지는 장치의 깨우기 빈도와 사용할 수 있는 에너지의 양에 따라 달라진다.
EFR32xG22E 활용한 에너지 하베스팅 응용 분야서 전력 측정 및 프로파일링
실리콘랩스 EFR32xG22E 무선 장치를 사용할 때 정확한 전력 측정과 프로파일링은 시스템이 사용할 수 있는 수확 에너지의 범위 내에서 안정적으로 동작하도록 하는 데 중요하다.
효율적인 에너지 하베스팅 응용 분야를 설계하려면 ▲각 작업별 필요 에너지의 양 ▲어떤 작업이 가장 많은 전력을 소모하는지 ▲에너지가 언제 어떻게 소비되는지 ▲장치가 얼마나 자주 깨어나는지 ▲전력 측정을 위한 도구와 기법 등의 사항에 대한 명확한 이해가 필요하다.
■ 전압 모니터링(V_MCU)
전압 모니터링은 공급 입력단에서 사용할 수 있는 전압의 수준을 보여주며 PMIC와 에너지 저장 장치(예: 슈퍼커패시터)가 안정적인 동작을 위해 충분한 에너지를 공급하고 있는지 확인하는 데 도움이 된다.
사용 도구= ▲디지털 멀티미터(DMM)(정적 측정(static checks)에 사용) ▲EFR32xG22E의 IADC(내장 ADC를 활용해 AVDD, IOVDD 등의 전원 전압이나 외부 아날로그 입력을 측정) ▲오실로스코프(실시간 전압 변화 확인용)
■ 전류 프로파일링(I_MCU)
전류 프로파일링은 MCU가 시간에 따라 소비하는 전류량을 보여주며 RAM 유지, 플래시 지우기/쓰기, 데이터 처리 등과 같이 장치가 에너지를 소비하는 시점을 정확하게 파악하는 데 도움이 된다.
주요 측정 기법= ▲션트 저항기+오실로스코프(전원 경로에 10Ω 저항기를 직렬로 삽입하고 저항기 양단의 전압 강하를 측정(옴의 법칙: V=IR)) ▲DC 전력 분석기(예: 에질런트·키사이트 N6705B)(전원 경로에 직렬로 연결해 전류계로 구성하며 고해상도 전류 파형을 통해 전체 동작 주기(에너지 수확, 저장, 전송, 절전)를 모니터링)
EFR32xG22E 에너지 하베스팅 키트서 BLE 패킷 통해 커패시터 전압 읽는 방법
EFR32xG22E 키트는 25초마다 커패시터 전압이 포함된 BLE 패킷을 전송한다.
전압값은 패킷의 제조업체 지정 데이터(Manufacturer Specific Data) 필드 내에 빅엔디안(big-endian) 형식의 16진수 바이트 2개로 저장된다. 전압을 읽으려면 이 두 바이트를 16진수에서 정수 값으로 변환하면 된다.
EFR32xG22E는 네트워크 가입 없이 전송이 가능한가?
EFR32xG22E는 네트워크에 가입하지 않고도 데이터를 전송할 수 있다. 이는 전력 소모를 최소화하는 것이 중요한 에너지 하베스팅 및 주변형 IoT(Ambient IoT) 응용 분야에서 특히 유용하다.
이 장치는 ▲블루투스 비콘 ▲지그비 그린 파워 장치(GPD) ▲RAIL(무선 추상화 인터페이스 계층)을 사용하는 독점적 송신 전용 프로토콜 등과 같은 송신 전용 모드를 지원한다.
이러한 모드에서는 장치가 연결을 유지하거나 네트워크에 가입하지 않는다. 대신 장치는 주기적으로 패킷을 전송하며 이를 통해 지속적으로 수신 대기하거나 다른 장치와 동기화할 필요가 없어 전력 소모를 줄이는 데 도움이 된다.
MikroBUS·QWIIC 애드온으로 EFR32xG22E 에너지 하베스팅 키트 확장
실리콘랩스 EFR32xG22E 에너지 하베스팅 익스플로러 키트는 MikroBUS 및 QWIIC 확장 보드와도 호환돼 에너지 하베스팅 프로젝트에 더욱 다양한 옵션을 제공한다.
1.8V~2.2V 범위에서 동작하는 새로운 센서나 장치를 추가하려는 경우 이를 기존 구성에 쉽게 통합해 성능을 향상시키고 프로젝트의 확장 가능성을 높일 수 있다.
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