커피, nanoPower, 새로운 스마트 에너지를 위한 빌딩 블록

2011년, 스마트 에너지에 관한 논의가 활발하게 이뤄졌습니다. 북미 지역의 유틸리티 업체는 스마트 계측기 설치를 위한 노력을 기울이고 있었습니다. 브라질에서는 규제 기관인 ANEEL에서 브라질 전역에 스마트 계측기 완전 설치를 의무화한 데 대한 기대감이 있었습니다. 유럽의 다양한 유틸리티 회사는 스마트 계측기와의 통신에 사용할 고유한 방법을 개발하고 있었습니다.

이에 더해 다수의 회사가 HAN(홈 에어리어 네트워크) 솔루션을 홍보하면서 기대감은 더욱 커졌습니다. 미래에는 모든 세탁기, 건조기, 냉장고, 심지어는 전구에까지 에너지 측정 장치가 탑재될 것이라는 전망도 있었습니다. 각 장치는 ZigBee, Bluetooth 또는 기타 단거리 저전력 통신 프로토콜을 통해 홈 라우터와 편리하게 통신할 것으로 예측되었습니다.

2017년인 지금 스마트 계측기는 북미 지역과 유럽 및 아시아의 여러 국가 대부분에 설치되어 있습니다. 유틸리티 업체에서 전력 사용을 모니터링할 수 있게 되어 이제는 검침 요원들이 집집이 다니면서 직접 계측기를 읽게 하도록 비싼 비용을 지불할 필요가 없어졌습니다. 그러나 완전한 스마트 에너지 구축에 관한 전망은 달라졌습니다. 전구마다 에너지를 측정하는 기술은 실현되지 않았습니다. 그러한 시스템은 전등을 사용할 때 드는 에너지 비용보다 더 큰 비용이 들기 때문일 수 있습니다. 콤팩트 형광등과 LED와 같이 소비 전력이 낮은 광원을 통해 에너지 비용을 더욱 크게 절약할 수 있습니다. 데이터에 대한 우리의 요구가 다방면적 수준에서 극대화된 것일지도 모릅니다. 그러나 걱정할 필요는 없습니다. 스마트 에너지에 대한 비전 중 하나에서는 성과를 거두지 못했을지라도 그간 달성한 많은 수의 화려한 발전으로 새로운 비전이 생겼습니다.

한 가지 좋은 예는 커피입니다. 10년 전 북미에서는 대부분의 사람과 식당에서 커피를 유리나 세라믹으로 된 주전자에 넣고 가열 기구 위에 올려서 만들어 마셨습니다. 당시의 가열 기구는 에너지를 많이 소비하고 커피를 끓이는 속도가 느려서 맛을 망치기 일쑤였습니다. 그러다가 누군가가 커피를 보온병에 넣어 커피 자체의 온도를 유지하는 멋진 방법을 생각해 냈습니다. 이 단계 덕분에 커피를 전력 그리드에서 끓여 마시는 대신 외출 시에도 마실 수 있게 되었습니다. 커피를 만들 때 드는 에너지도 줄고 커피의 맛도 훨씬 더 좋아졌습니다. 커피야말로 스마트 에너지의 멋진 사례가 아닐까요?

커피의 사례를 통해 엔지니어링 시스템에서 성능과 에너지 절감 효과를 모두 극대화할 수 있는 다른 개념들이 탄생했습니다. 큰 발전 중 하나는 nanoPower입니다. nanoPower 개념은 특정 부품이 작동 중이지 않지만 완전히 종료되지도 않은 정동작 상태에서 소비하는 전류를 말합니다. 고급 아날로그 CMOS 공정 기술을 활용하는 신제품들은 거의 측정되지 않을 정도의 나노암페어 전류로 작동합니다. 주된 에너지 절약 이점은 먼저 이러한 시스템의 듀티 사이클을 통해 얻을 수 있으며, 다음으로는 전력 소비 아키텍처를 분산시킴으로써 얻을 수 있습니다. 다음은 nanoPower의 이점을 제공하는 장치 및 회로의 세 가지 예입니다.

연기 탐지기는 초기 사물 인터넷(IoT) 장치에 속합니다. 배터리 하나를 사용하여 10년 동안 작동하기 때문에 배터리 교체 주기가 길고 전력 공급 중단 중에도 작동합니다. 그림 1에는 배터리 1개, 여러 개의 DC DC 컨버터, 마이크로 컨트롤러, RF 통신, 센서(아키텍처의 일종일 수 있음) 및 압전 버저로 구성된 현대의 일반적인 연기 경보기가 나와 있습니다. 그림 1의 표에는 현대의 부품을 기반으로 각 블록의 전류 소비 값 예시가 나와 있습니다. 광학 연기 센서의 경우 LED를 실행하는 피크 전류는 mA 범위이지만, LED는 주기가 상대적으로 길기 때문에 평균 전류가 줄어듭니다. 대부분의 경보기에서 활성 회로망이 공기의 표본을 채취하는 것은 작동 시간의 0.05%에 불과하며, 나머지 99.95%의 시간 동안에는 시스템이 정동작 모드로 실행됩니다. 듀티 사이클이 완전히 다를 수도 있는 RF 회로를 제외한 주 회로는 전체 전력 모드에서 12.6mA를 소비합니다. 정동작 기간의 주 회로는 5.5µA를 소비합니다. 따라서 활성 회로의 초당 평균 소비 전류는 12.6mA x 0.0005 = 6.3µA이고, 결과적으로 평균 소비 전류는 11.8µA가 됩니다. 현재 정동작 전류가 1µA를 넘으면 시스템의 배터리 수명에 영향을 미치기 시작합니다. 10µA 미만의 전류 소비 범위에서 전류가 1µA씩 추가될 때마다 연간 배터리 수명에 1500mAhr의 영향을 미칩니다.

그림 1:  현대의 일반적인 연기 경보기는 대부분의 시간 동안 정동작 모드로 실행되므로 정동작 전류가 낮아질수록 배터리 수명이 길어집니다.

nanoPower의 다른 이점은 시스템 내에서 회로를 끄는 기능에 있습니다. 이런 종류의 아키텍처에서는 배터리 모니터링 및 실시간 클록과 같은 중요 부품이 계속 켜져 있고, 마이크로 컨트롤러 및 RF 회로와 같이 전력 소비가 큰 부품은 꺼지거나 최저전력 소비 모드로 전환됩니다. 그림 2의 회로에는 배터리 전압을 모니터링하는 nanoPower 윈도우 비교기가 있습니다. 비교기는 배터리가 허용 전압을 벗어나 높아지거나 낮아질 경우에만 경보를 보내며 유용한 안전 기능을 제공하고 배터리 수명을 연장합니다. 보통 900nA 전류로 실행되는 비교기에서 경보를 수신하지 않는 한, 시스템 마이크로 컨트롤러는 작동할 필요가 없습니다. 근본적으로 이 비교기는 특정 회로에서 항상 켜져 있어야 하는 기능의 특정 회로를 분리해서 에너지를 최대한 절약하는 스마트 에너지 아키텍처가 됩니다.

그림 2: 배터리 전압을 모니터링하는 nanoPower 윈도우 비교기.

마지막 예는 변압기나 배터리의 전원 공급 장치입니다. 이는 보통 ORing 다이오드 공급 장치로 알려져 있습니다. 이러한 전원 공급 장치의 경우, 숙련된 설계자는 배터리 공급 장치와 직렬로 쇼트키 다이오드를 배치하여 전압 강하를 제한하며, 결과적으로 회로를 계속 보호하면서도 다이오드에서의 전력 손실을 제한합니다(그림 3). 예를 들어, Maxim의 새로운 MAX40200은 1A의 전류를 전달할 때 85mV만큼 적게 강하하며, 500mA를 전달할 때는 일반적으로 43mV만큼 강하합니다. 이 성능은 일반적인 쇼트키 다이오드보다 2~4배 강력하며, 수십에서 수백 밀리와트의 배터리 전력을 스마트한 방식으로 절약할 수 있습니다.

그림 3: MAX40200은 1A만큼의 전류를 전달할 때의 강하가 85mV에 불과합니다.

이 모든 것이 커피와 어떤 관계에 있을까요? 커피와 마찬가지로, 아키텍처도 변하고 있습니다. 다양한 서브 시스템이 근본적으로는 중앙 프로세서와의 연결을 끊고 있다가 정기적으로 체크인하며 공정에서 에너지 소비를 극적으로 줄이고 있습니다. 고급 처리 및 아날로그 아키텍처 덕분에 이러한 빌딩 블록이 놀라울 정도로 적은 전력만을 소비합니다. 새로운 스마트 에너지로의 움직임은 에너지 측정과 통신 그 이상의 것입니다. 새로운 스마트 에너지는 고급 부품과 결합된 지능형 시스템 아키텍처로서 시스템의 배터리 수명과 신뢰성을 높이는 동시에 새로운 응용 분야를 개척합니다.