IoT 및 IIoT 전원 선택 및 사용 안내

사물 인터넷(IoT) 및 산업용 사물 인터넷(IIoT)용으로 설계된 장치는 다양하며, 모든 장치는 데이터 입력, 처리 및 통신을 위한 일부 주 전원을 필요로 합니다. 하지만 IoT 장치의 다양한 기능과 환경으로 인해 전력선, 배터리, 태양광 전지 등 주 전원도 매우 다양합니다.

또한, 폭넓은 범위의 기능과 작동 모드(예: 수신을 위한 “상시 작동” 모드, 입력 자극에 대한 빠른 응답을 위한 “대기” 모드)로 인해 내부 전원 공급 장치를 신중하게 선택해야 합니다. 목표는 성능에 영향을 주지 않고 포괄적인 열 관리 없이 응용 제품의 효율성을 최대화하고, 물리적 크기를 작게 유지하며, 출력 밀도를 최대화하는 것입니다. 포괄적인 열 관리가 필요할 경우 크기, 무게, 비용이 증가할 수 있습니다. 다른 고려 사항으로는 사용자 안전이 있으며, 이는 절대 타협해서는 안 되는 부분입니다.

이 기사에서는 IoT 장치에 사용되는 다양한 유형의 전원 공급 장치에 대해 설명하고 이러한 요구 사항을 충족하도록 설계된, RECOM Power의 몇 가지 예를 살펴봅니다.

회선 기반 전원 공급 장치

회선 전력을 사용하는 IoT 또는 IIoT 장치는 휴대용 장치보다 전력 제한이 적습니다. 회선 전력은 일반적으로 적절한 전류 레벨의 고정된 입력 전압을 제공합니다. 다른 전원(예: 태양광 전지)은 통합된 전압 조정 정도와 조명에 따라 전압과 전류 레벨이 크게 달라질 수 있습니다. IoT 또는 IIoT 장치는 가능한 한 입력 전력 변화를 처리할 수 있는 유연한 입력 전력 요구 사항이 필요합니다.

전원 공급 장치 제조업체인 RECOM Power는 IoT 또는 IIoT 응용 분야의 입력 전압 유연성 요구 사항을 충족하기 위해 완전히 캡슐화된 초소형 5W 전원 공급 장치 제품군인 RAC05-K 계열 AC/DC 모듈을 설계했습니다.

이 전원 공급 장치 모듈은 85V ~ 264V AC(47Hz ~ 63Hz) 또는 120V ~ 370V DC 범위의 입력 전압으로 작동합니다. 거의 범용에 가까운 이 회선 입력 전압 범위로 인해 이 모듈은 전 세계 가정 또는 산업 환경에서 사용하는 데 적합합니다. 이는 이 전원 공급 장치의 작동 온도 범위로도 입증됩니다. RAC05-K 계열은 -25°C ~ +50°C 온도 범위에서 최대 전력을 생성하고 +50°C ~ +70°C에서는 부하 경감된 출력 전력을 생성하도록 정격화되었습니다.

이 계열에 속하는 개별 모델의 고정 출력 전압은 3.3V, 5V, 12V, 15V 또는 24V입니다. 5V RAC05-05SK의 pc 기판 실장 면적은 25.4mm x 25.4mm(1인치 x 1인치)이고 높이는 16.5mm(0.65인치)입니다. 5W 출력 정격에서 이 전력 모듈의 정격 출력 밀도는 입방인치당 7.7W입니다(그림 1).

그림 1: RECOM RAC05-05SK 전력 모듈은 1” x 1” x 0.65” 패키지에서 5W를 공급하여 입방인치당 7.7W 용량 출력 밀도를 생산합니다. (이미지 출처: RECOM Power)

이러한 공급 장치의 효율성은 80%를 초과하며 단 75mW의 무부하 전력을 소비합니다. 이 조합은 높은 효율성과 낮은 내부 에너지 손실로 장치를 냉각 상태로 유지하는 데 도움이 되는 ‘상시 작동’ IoT/IIoT 장치에 적합합니다.

안전의 관점에서 RAC05-K 계열에는 통합 용단 과전압 및 단락 회로 보호 기능이 포함되어 있습니다. 이 계열은 IEC60950-1 및 UL62368-1 안전 표준을 준수하며 외부 부품 없이 EN55032 B급 EMC 제한도 충족합니다.

큰 입력 전압 범위, 작은 크기, 안전 주의 및 폭넓은 작동 온도 범위가 결합된 이러한 공급 장치는 많은 IoT 또는 IIoT 회선 구동 응용 분야에 적합할 수 있습니다.

산업용 공급 장치

산업 환경에서는 이러한 장치를 작동하는 환경 조건으로 인해 특수 전원 공급 장치가 자주 필요합니다. 그런 공급 장치 라인으로는 -40°C ~ +100°C 작동 온도 범위에서 부하 경감이 없는 RECOM R1SX 계열 DC/DC 컨버터가 있습니다. 이 온도 범위에서는 대부분의 산업 조건이 안전하게 처리됩니다. 이 계열 장치의 예로는 3.3V 입력을 수용하여 5V 출력으로 승압하는 1W 부스트 DC/DC 컨버터인 R1SX-3.305-R이 있습니다.

이러한 컨버터는 선택 사양 3kV/1초 정격에서 1kV/1초까지 DC 분리됩니다. 분리는 접지 루프와 전기 잡음이 매우 일반적인 산업 환경에서 중요합니다. 입력과 출력을 분리하면 이러한 접지 루프를 차단하고 잡음 전파를 최소화할 수 있습니다. R1SX-3.3-5 DC/DC 컨버터를 채택하면 레벨 조정을 통해 분리된 데이터 인터페이스를 지원할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 데이터 인터페이스에서 분리를 유지하려면 디지털 절연기와 분리형 전원 공급 장치가 모두 필요합니다. 이 회로에서는 절연기의 1차측에서 3.3V를 사용하고 2차측에서 5V를 사용하여 전기적 분리를 유지하면서 논리 레벨 조정을 실현합니다. (이미지 출처: RECOM Power)

휴대 장치용 DC/DC 전원 공급 장치

휴대용 배터리 구동 IoT 또는 IIoT 장치는 크기와 전력 손실이 작아야 합니다. 목표는 배터리 수명을 최대한 연장하여 예상치 못한 다운타임을 줄이고 많은 장치에서 배터리 교체에 필요한 노동을 절감하는 데 있습니다. 그런 설계는 필요하지 않은 경우 전원 공급 장치를 정동작 또는 대기 상태로 전환할 수 있고 효율이 우수하며, 폭넓은 입력 전압 범위로 인해 수명에 거의 도달해서 배터리 전압이 감소하더라도 작동할 수 있는 주요 특징이 있습니다.

휴대용 IoT 요구 사항을 충족하는 사양을 갖춘 DC/DC 컨버터의 예로는 RECOM R-78S 계열이 있습니다. 이 계열에 속하는 장치인 R-78S3.3-0.1은 1.5V AA 배터리로 3.3V 전압을 생산하도록 설계되었습니다. 또한, 이 계열에는 단일 전지 배터리로 다양한 마이크로 프로세서 및 컨트롤러를 구동하기 위해 출력 전압 레벨이 1.8V, 3.3V, 3.6V인 장치가 포함되어 있습니다. 모든 장치는 0.65V ~ 3.15V 입력 전압 범위에서 작동하므로 배터리가 완전히 방전될 때까지 사용할 수 있습니다. 이 전력 컨버터는 전력 손실을 최소화하여 통상 93%의 높은 효율성을 실현합니다. 7µA의 전류만 소비하는 대기 모드로의 전환도 가능합니다. 높은 효율성, 대기 모드, 폭넓은 입력 전압 범위를 결합한 이 전력 컨버터는 휴대용 무선 IoT 장치에 적합합니다(그림 3).

그림 3: 무선 응용 분야에서 전원 차단 모드를 사용하여 배터리 수명을 연장하는 방법을 보여주는 예제. 2100mAh AA 전지는 수십 년 동안 7µA를 공급할 수 있습니다. (이미지 출처: RECOM Power, Art Pini에 의해 수정됨)

또한, R-78S 계열은 -40°C ~ +100°C의 폭넓은 작동 범위를 지원하여 극한 기후 조건에서 차량에 방치될 수 있는 휴대용 장치에 유용합니다.

그림 3의 예에서는 시스템에서 20µW만 소비하는 대기 모드 또는 절전 모드 사용을 보여줍니다. 이 모드에서 파란색 트레이스로 표시된 커패시터 전압은 시간의 경과에 따라 완전 충전 상태인 3.3V에서 저항기 R1 및 R2에 설정된 임계치에 도달하여 마이크로 프로세서에서 컨버터에 절전 해제 신호를 보낼 때까지 감소합니다. 컨버터가 활성 모드에서 작동할 때 시스템은 200µA만 소비하고 이 시간 동안 다음 주기를 위해 커패시터가 충전됩니다. 전력 소비는 활성/절전 모드 듀티 사이클에 비례합니다.

RECOM R-78S 컨버터의 낮은 입력 전압 성능은 IoT 또는 IIoT 에너지 수확 응용 분야에 적합한 탁월한 특징입니다. 예를 들어 3.3V 충전용 전지를 충전하기 위해 이 컨버터를 사용하여 태양광 전지 또는 TEG(열전소자 발전기)와 같은 저전압 소스의 출력을 강화할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: 이 구성도는 부스트 컨버터로 사용되어 태양광 전지 또는 TEG의 저전압 입력을 받아서 다이오드를 통해 3.3V 충전용 전지를 충전 가능한 3.6V로 승압하는 R-78S3.6-0.1을 보여줍니다. 0.65V의 낮은 입력 전압으로 충전을 시작할 수 있습니다. (이미지 출처: RECOM Power)

다이오드를 통해 전지를 충전하려면 더 높은 출력 전압(3.6V 및 3.3V)이 필요합니다. 다이오드는 완전히 충전된 배터리가 컨버터의 출력을 유도하지 않도록 차단합니다. 또한, 이러한 컨버터는 안정적인 작동 상태를 유지하도록 단락 및 과온 방지됩니다.

R-78S3.3-0.1을 사용하는 참조 설계 회로 및 평가 기판

참조 설계는 부품이 설계 요구 사항을 충족하는지 확인하는 데 유용합니다. R-78S 계열 DC/DC 컨버터의 경우 장치 평가를 위한 실습 도구를 제공합니다(그림 5).

그림 5: RECOM R-78S 계열 DC/DC 컨버터를 위한 참조 설계에서는 표준 AA 전지 배터리와 비교하여 작은 크기의 장치를 보여줍니다. 이 참조 설계 pc 기판을 시제품에 통합할 수 있습니다. (이미지 출처: RECOM Power, Art Pini에 의해 수정됨)

RECOM R-REF02-78S 참조 설계는 평가 시제품에 쉽게 통합하기 위해 간단한 0.100인치 헤더 및 실장 구멍으로 채워진 pc 기판으로 제공됩니다. 컨버터의 활성화 핀은 컨버터의 절전 모드 평가를 위해 헤더에 적용됩니다.

또한, 더욱 엄격한 장치 테스트를 위해 RECOM은 헤더에 적용되는 테스트 노드 수가 참조 설계보다 더 많은 R-78S3.3-0.1-EVM-1 평가 기판을 제공합니다(그림 6).

그림 6: RECOM R-78SS.3-0.1-EVM-1 평가 기판 회로도는 원하는 경우 장치와 통신에 사용할 수 있는 더 완전한 테스트 포인트 및 USB 포트 선택을 보여줍니다. (이미지 출처: RECOM Power)

평가 기판은 참조 설계의 모든 요소를 포함하지만, 컨버터 입력 및 출력 연결에 대한 접근성을 높입니다. 추가 점퍼 및 헤더는 다양한 측정을 수행하고 장치 파라미터를 결정하기 위한 것입니다. USB 포트는 기판 분리형 데모 회로를 구동하기 위한 것입니다.

결론

회선 전력, 배터리 또는 에너지 수확 등 다양한 방법으로 IoT 및 IIoT 응용 분야에 전력을 공급할 수 있습니다. 응용 분야에 따라 전원 요구 사항이 어느 정도까지 결정됩니다. 설계자는 광범위한 작동 시나리오에 적합한 설계를 보장하기 위해 다목적 전력 장치가 필요합니다. 위에서 설명한 RECOM 전력 변환 장치는 기판 입력 범위, 높은 효율성, 작은 크기, 정동작 대기 모드를 통해 IoT 및 IIoT 제품을 위한 에너지원으로 가장 적합한 후보가 될 수 있습니다.