에너지 수확과 Bluetooth® 저에너지: 무배터리 비콘 설계

항상 작동하며 유지 관리가 필요 없는 데이터 송신기 개요

스마트폰은 우리의 일상 생활에 큰 변화를 가져왔습니다. 스마트폰은 건강, 환경, 심지어 구매와 관련된 온디맨드 정보에 이르는 게이트웨이입니다. 그러나 아쉽게도, 현재 대부분의 경우는 데이터가 필요할 때 사용자가 작업을 취해야 합니다. 사용자가 정보(예: 상점의 제품 판매 정보)를 검색하는 방법을 모를 수 있으므로 이 방식은 비효율적일 수 있습니다.

해결 방법은 사용자에게 올바른 정보를 표시할 수 있도록 스마트폰에 상황에 맞는 데이터를 제공하는 시스템을 마련하는 것입니다. 이 데이터는 센서를 통해 얻거나 개체 또는 위치에 연결된 고유 식별자로부터 제공될 수 있습니다. 여기에서 비콘이 고려됩니다.

무선 용어에서 비콘은 인접한 다른 장치가 수신할 수 있는 데이터를 동보 통신하는 장치를 말합니다. 원칙적으로 동보 통신 데이터는 사용자의 개입 없이 수신할 수 있으므로 완벽한 전송이 가능합니다. Bluetooth® 저에너지는 이러한 기능을 제공하므로 비콘 통신에 자주 선택되었습니다.

Bluetooth 저에너지(BLE)는 일반적으로 10미터 이내의 비교적 작은 반지름 내에서 데이터를 전송해야 하는 응용 제품의 저전력 무선 통신에 널리 사용됩니다. 무선 센서 노드(WSN)를 고려해 보겠습니다. WSN은 데이터를 수집하여 스마트폰으로 보낼 수 있습니다. 그림 1은 이러한 유형의 센서 노드에 대한 일반적인 응용 순서를 보여 줍니다.

그림 1: BLE 센서 장치의 일반적인 순서 구성도.

비콘과 센서에는 전체적인 장치의 크기와 폼 팩터를 유지하면서도 지속적으로 작동할 수 있게 해 주는 전원에서 전력을 공급해야 합니다. 이러한 장치는 인체에 사용되거나 떨어진 곳에 배치되는 경우가 많아 유선 전원에서 이러한 장비에 전력을 공급하기가 어렵습니다. 따라서 전력 공급에 유선 연결이 필요한 경우에는 적합하지 않습니다. 배터리 구동 방식을 사용할 경우 제한된 작동 수명, 잦은 배터리 재충전 필요, 최종적인 배터리 폐기로 인해 발생하는 부정적인 환경 영향과 같은 문제가 발생합니다.

실제로 유지 관리가 전혀 필요 없는 비콘을 원한다면 빛, 운동, 압력 또는 열과 같이 주위 환경에서 흐르는 에너지를 활용해야 합니다. 이를 통해, 장치의 수명이 다할 때까지 비콘과 센서가 유지되는 '설치 후 잊기' 접근 방식이 실현될 수 있습니다.

에너지 수확

에너지 수확은 주변 환경에서 흐르는 소량의 에너지를 수집하여 저장하는 방법입니다. 충분한 에너지가 저장되면 센서가 데이터를 수집하고 BLE를 통해 이 데이터를 다른 장치로 보내는 등의 작업을 수행할 수 있습니다.

그림 2: 에너지 수확 WSN 장치 제품 구성도.

에너지 수확 시스템(EHS)은 에너지 수확 장치(EHD), 에너지 수확 전력 관리 집적 회로(PMIC), 에너지 저장 장치(ESD)를 포함하는 회로입니다. PMIC는 태양광 전지, 진동 센서 또는 압전 장치 등의 EHD에서 제공되는 에너지로 에너지 저장 장치(일반적으로, 커패시터)를 '세류' 충전합니다. 그 후, EHS가 이 충전된 전하를 사용하여 내장된 다른 장치에 에너지를 공급합니다. 센서의 상태에 따라 EHS 출력 전력이 달라집니다. 활성 상태인 경우 에너지가 소비되고 EHS의 전압이 떨어지기 시작합니다. 저전력 상태인 경우 에너지 저장 장치에서 전력을 소비하는 속도보다 충전하는 속도가 빠르기 때문에 EHS의 전압이 올라갑니다. 그림 3은 긴 시간에 걸쳐 내장형 장치 활동에 따라 EHS 출력 전압이 바뀌는 예를 보여 줍니다.

그림 3: 긴 시간에 걸쳐 장치 활동으로 인한 EH 출력 변동.

EHS에서 전력이 공급되는 장치의 경우 활성 상태에서 소비하는 에너지가 EHS에서 사용 가능한 에너지를 초과할 수 없습니다. 그림 4는 EHS에서 전력이 공급되는 장치에서, 활성 상태에서의 에너지 소비가 EHS에서 제공할 수 있는 에너지보다 큰 경우를 보여 줍니다. EHS의 출력 전압은 소비로 인해 점점 내려가다가 결국은 완전히 출력이 중단됩니다.

그림 4: 전력 부족으로 인한 WSN 종료 그래프.

에너지 수확으로 전력이 공급되는 강력한 시스템을 설계하려면 EHS에서 전력을 공급하는 동안 원활하게 작동할 수 있도록 내장된 시스템의 모든 부분에서 에너지를 최적화해야 합니다. 그런 시스템에는 전력 소비가 큰 하위 시스템이 많이 포함되어 있으므로 EH의 출력의 풀다운이 발생하지 않도록 최적화해야 합니다. 전력을 최적화할 때 주의해야 할 몇 가지 주요 부분은 다음과 같습니다.

1.CPU 클록 주파수

시스템 클록 주파수는 특정 루틴을 처리하는 속도와 그 시간에 소비되는 에너지의 양을 결정합니다. 클록이 빨라지면 처리 속도도 빨라지지만 전력 소비가 높아집니다. 또한 각 장치는 지정된 최대 및 최소 클록 주파수 요구 사항을 위반하지 않아야 합니다.

EHS 기반 설계에서는 다음 두 가지 요인에 따라 최적화된 클록 주파수를 선택해야 합니다.

• 평균 전류 소비
• 피크 전류 소비

EHS 용량에서는 이 두 가지 요인을 모두 고려해야 합니다. 평균 전류는 특정 활성 상태 중에 필요한 전류의 시간 평균 값입니다. 피크 전류는 활성 상태에서의 순간적인 최대 전류 요구 사항이며, 평균 전류보다 훨씬 높은 경우가 많습니다. 필요한 평균 전류를 EHS의 용량이 충분히 수용하는 경우도 있지만, 피크 전류가 EHS의 에너지를 갑작스럽게 소비하여 전압이 차단 전압 아래로 떨어질 수도 있습니다. 처리 시간은 평균 전류 소비 계산에 포함됩니다.

그림 5는 48MHz 시스템 주파수에서 처리된 특정 루틴의 전력 대 시간 플롯을 보여주며, 그림 6은 12MHz에서 같은 루틴의 전력 대 시간 플롯을 보여 줍니다.

그림 5: 48MHz에서 루틴을 처리하는 동안의 전류 소비 이미지.

그림 6: 12MHz에서 루틴을 처리하는 동안의 전류 소비 이미지.

이 예에서 48MHz 처리 루틴은 완료하는 데 ~300μs가 걸리며 이 시간 동안 피크 전류로 약 10mA를 소비합니다. 12MHz 처리 루틴은 완료하는 데 1.1ms가 걸리지만 소비되는 피크 전류는 4mA에 불과합니다. 처리 중 소비되는 평균 전류는 12MHz에서는 더 크지만, 피크 전류 요구 사항이 더 낮습니다. EHS 용량에 따라 짧은 48MHz 클록 설정을 사용하거나, 긴 12MHz 클록 설정을 사용하거나, 이 두 가지를 혼합하여 클록 주파수를 서로 전환하며 사용할 수도 있습니다. 최적화된 시스템 주파수를 선택할 경우 이러한 전류 프로파일을 고려해야 합니다.

2.저전력 장치 부팅

내장형 장치 전원을 켜면, 응용 프로그램 코드를 실행하기 전에 부팅 절차를 완료해야 합니다. 일반적인 부팅 순서는 다음과 같습니다.

1. 메모리 초기화
2. 차단 벡터 설정
3. 주변 장치 및 공통 레지스터 구성
4. 외부 클록 초기화(있는 경우)

이러한 각 단계를 완료하려면 CPU 처리 시간이 필요하며, 이에 따라 에너지가 소비됩니다. 소비되는 에너지의 양은 사용하는 장치의 종류, 시스템 클록 주파수, 초기화하는 메모리/레지스터 세트의 크기, 외부 클록 설정에 드는 시간에 따라 달라집니다. 따라서 부팅 과정은 전력 소비가 큰 활동이며 EH 출력에서 에너지를 과도하게 소비하지 않도록 최적화해야 합니다. 부팅 코드를 작성할 때 유의해야 할 부분은 다음과 같습니다.

1. 메모리와 레지스터에서 사용할 섹션만 초기화합니다. 다른 부분은 기본값 설정으로 유지합니다.

대부분의 무선 시스템에는 매우 정확한 외부 클록이 필요합니다. 외부 클록 발진기나 시계 수정 발진기와 같은 클록은 시동 후 안정화에 시간이 오래 걸립니다. 활성 모드에서 클록이 안정화되기를 기다리는 대신 시스템을 저전력 모드(절전/최대 절전)에 두고 클록을 사용할 준비가 된 경우에만 작동해야 합니다. 이를 위해 내부 타이머를 합니다.

3.저전력 시스템 시동

장치가 응용 프로그램 코드를 실행하기 시작하면 일반적으로 시스템에 있는 개별 주변 장치를 시작해야 합니다. 이러한 주변 장치는 ADC처럼 장치 내부에 있을 수도 있고, 센서처럼 장치 외부에 있을 수도 있습니다. 주변 장치의 시작 시간이 개별적으로는 크지 않더라도 전체 시동 시간을 모두 합하면 EHS에 저장된 에너지를 모두 사용할 정도로 길어질 수 있습니다. 먼저, 주어진 CPU 주파수에서 개별 주변 장치의 시동 시간을 계산합니다. 그런 다음 모든 주변 장치를 한 번에 시작할 수 있을 정도로 에너지 버짓이 충분한지(빠름) 또는 시동 절차를 단계별로 실행해야 하는지(느림) 결정합니다.

4.단계별 응용 프로그램 처리

장치에는 각기 CPU 대역폭을 사용하는 다양한 응용 프로그램 루틴이 있습니다. 이러한 루틴에는 주변 장치 구성, 센서에서의 데이터 수신, 계산 수행, 이벤트 및 차단 관리와 같은 작업이 포함됩니다. 이 처리에 필요한 에너지가 EHS의 용량을 초과하지 않는지 확인하십시오. 초과하는 경우, 루틴을 작은 하위 루틴으로 나누고 단계별로 관리합니다. 그러면 EHS의 부하를 관리 가능한 전류 펄스로 나누어 활성 CPU 프로세스 사이에 EHS를 재충전할 수 있습니다.

또한 각 단계 사이에서 카운터나 감시 타이머의 절전 해제 소스를 사용하여 시스템을 저전력 모드에 둡니다. 시스템이 대부분의 시간 동안 저전력 모드에 있기 때문에 이러한 모드에서의 전류 요구 사항은 가능한 낮아야 합니다. 이러한 모드에서 시스템 효율이 높을수록 단계 사이에서 시스템 재충전에 필요한 시간이 짧고 시스템에서 작업을 수행하는 속도가 빠릅니다.

5.무선 전송

데이터가 수집되면 BLE를 통해 전송해야 합니다. 이러한 전송에는 BLE 연결이나 BLE 동보 통신을 사용할 수 있습니다. 에너지 수확으로 지원되는 비콘 사용은 BLE 애드버타이징으로 제한됩니다. 연결을 사용하여 데이터를 전송하기 전에 BLE 연결 설정에 사용되는 에너지가 더 크기 때문입니다. 일반적으로 무선 통신의 전송(TX) 또는 수신(RX) 활동이 무선 장치에서 에너지를 가장 많이 소비하는 작업입니다. EH 출력에서 해당 피크 전류를 제공할 수 있는 경우에만 BLE 활동이 독립 프로세스로 실행되도록 해야 합니다.

Cypress PMIC 및 BLE 솔루션을 이용한 효율적인 설계

Cypress Semiconductor의 에너지 수확 전력 관리 IC(PMIC)를 사용하면 무선 센서와 네트워크에 무배터리 솔루션을 제공할 수 있습니다. 효율적인 전력 변환으로 출력 전력을 정밀하게 제어할 수 있으므로 비콘과 무선 센서 노드 등의 소형 저전력 BLE 응용 제품에서 사용하기에 좋습니다. 무배터리 솔루션에 사용하거나, 리튬 이온 배터리 등의 배터리를 백업 전원으로 연동하여 사용할 수도 있습니다. S6AE101A(태양 또는 조명 EHD 최적화)와 같이 최적화된 PMIC는 시동 전력 소비와 정지 상태의 전력 소비가 매우 낮아 초소형 태양광 전지를 사용할 수 있으므로 전체적인 폼 팩터를 최소화하려는 경우에 적합합니다. MB39C831과 같은 EH PMIC는 저전력으로 시동할 수 있으며 최대 전력 지점 추적(MPPT)이라는 기능을 사용하여 응용 제품의 전력 요구 사항에 맞게 적응합니다. MPPT를 사용하면 입력 전력에 따라 내부 DC/DC 컨버터에서 출력 충전을 제어하며 전력의 출력을 최대화할 수 있습니다.

Cypress의 에너지 수확 PMIC는 다양한 응용 분야에 적합합니다. 예를 들어, MB39C8xx 제품군 PMIC는 태양광, 진동 및 열 기반의 EH 장치를 지원합니다. 더 복잡한 시스템에서는 S6AE10xA 제품군의 태양광에 최적화된 PMIC를 사용하여 여러 개의 출력 및 저장 장치를 제어할 수 있습니다.

무배터리 무선 비콘의 다른 측면은 MCU의 선택입니다. MCU는 다양한 저전력 모드를 지원하는 단일 칩 시스템(SoC) 장치 등의 프로그래밍 가능한 시스템으로 통합되며, 이러한 응용 분야에 적합합니다. 예를 들어, Cypress의 프로그래밍 가능 단일 칩 시스템(PSoC)은 센서와의 인터페이스에 사용할 수 있는 다양한 유형의 주변 장치와 긴밀하게 통합됩니다. 특히 PSoC 4 BLE는 저전력 주변 장치와 BLE 무선 통신 및 통합 BLE 스택이 포함되어 있으므로 단일 칩 BLE 센서 노드를 설계할 수 있습니다. 또한 초저전력 모드를 지원하기 때문에 시스템에서 에너지 수확이나 동전형 전지와 같이 한정된 전원을 사용해서 안정적으로 작동할 수 있습니다. 이러한 수확기와 PSoC를 함께 사용하면 무배터리 BLE 센서 노드 응용 제품의 설계를 최적화할 수 있습니다.

에너지 수확 응용 제품을 위한 효율적인 무선 시스템 설계에 대해 자세히 알아보려면 응용 참고 사항, Bluetooth 저에너지 시작하기를 참조하십시오. 에너지 수확을 위한 BLE 하위 시스템 최적화에 관한 자세한 내용은 저전력을 위한 설계와 BLE 기반 응용 제품의 배터리 수명 예상을 참조하십시오. 또한 전력 관리 집적 회로에 대한 소개를 보려면 여기를 클릭하십시오.

부록

A1: EH로 전력을 공급하는 BLE 센서 노드에서 다양한 프로세스의 오실로스코프 스크린샷

이 그림에서는 장시간에 걸쳐 CPU 처리에 따라 변화하는 EHS 출력 전압을 보여 줍니다. 노란색 신호는 EHS 출력 전압이고 녹색 신호는 내장형 장치의 전류 소비입니다. 녹색 피크는 CPU 활성 프로세스 동안의 전류 소비입니다. 플랫 신호는 장치가 저전력 모드에 있는 동안 발생합니다. CPU 활동이 있을 때마다(녹색 신호의 피크) CPU에서의 에너지 소비로 인해 EHS 출력 전압이 내려갑니다. 저전력 상태에서는 EHS가 에너지 저장 장치를 재충전하기 때문에 전압이 회복됩니다.

이 그림에서는 EHS에서 에너지 저장 장치를 재충전하지 않는 상태에서의 CPU 활동에 따른 EHS 출력 전압을 보여 줍니다. 에너지가 소모되면 전압이 차단 전압 아래로 떨어지며, 그러면 EHS 출력이 중단됩니다.

장치를 부팅할 때의 전류 소비(녹색 신호):

에너지 수확을 통해 전력을 공급하는 비콘에서의 BLE 전송 활동: