에너지 수확을 위한 저전력 변환

세상에는 주변 에너지가 풍부하게 존재하지만, 지금까지 에너지 수확 방법으로 태양광 패널과 풍력 발전기를 사용해 왔습니다. 그러나 이제 새로운 수확 도구 덕분에 더 다양한 주변 소스로부터 전기 에너지를 생산할 수 있습니다. 또한, 중요한 것은 회로의 에너지 변환 효율이 아니라 전력으로 활용할 수 있는 '평균 수확' 에너지의 양입니다. 예를 들어, 열전 발전기는 열을 전기로 변환하고, Piezo 소자는 기계적인 진동을 변환하고, 광발전에서는 태양광이나 기타 광자 공급원을 변환하고, 갈바니 전기는 습기에서 에너지를 변환합니다. 이러한 방법을 통해 원격 센서에 전력을 공급하거나 커패시터 또는 박막 배터리와 같은 저장 장치를 충전하여 로컬 전원 공급 장치가 없는 곳에서도 마이크로프로세서나 송신기에 전력을 공급할 수 있습니다.

그러나 매우 낮은 전력 및 전류 수준에서 작동할 수 있는 전력 변환 IC가 필요한 것은 WSN(무선 센서 네트워크)와 센서에서의 nanoPower 변환이 일반적으로 이용되는, 전력 스펙트럼의 '낮은 쪽' 끝에 해당하는 이야기입니다. 여기에는 각각 수십 마이크로와트의 전력과 나노암페어의 전류가 사용됩니다. 그러나 1A 미만의 전류로 작동하는 배터리 충전기 등의 이와 같은 전력 변환 제품은 사용할 수 있는 경우가 극히 제한되어 있습니다.

일반적으로 이러한 응용 분야에 포함해야 할 IC 성능 특성에는 다음이 포함됩니다.

• 낮은 대기 정동작 전류 - 일반적으로 6A 이하이며 최소 450nA 정도
• 낮은 대기 전압 최소 20mV 정도
• 높은 입력 전압 성능 - 연속 최대 34V 및 과도 40V
• AC 입력 처리 기능
• 다중 출력 기능과 자율 시스템 전력 관리
• 태양광 입력에 대한 MPPC(최대 전력 지점 제어)
• 외장형 부품을 최소화해 콤팩트한 솔루션 실장 면적

WSN은 기본적으로 주변 에너지원을 전기 신호로 변환하는 일종의 트랜스듀서로 구성되며, 일반적으로 적절한 전압 수준과 전류로 다운스트림 전자 기기에 전기를 공급하는 DC/DC 컨버터와 관리자가 함께 사용됩니다. 다운스트림 전자 기기는 마이크로 컨트롤러, 센서 및 트랜시버로 구성됩니다.

WSN을 구현하려고 할 때 고려해야 할 중요한 질문은 작동에 필요한 전력이 어느 정도인가입니다. 개념은 간단하지만 실제로는 다양한 요인으로 인해 더 어렵습니다. 예를 들어, 측정값을 읽는 빈도는 어느 정도가 적절하겠습니까? 더욱 중요한 것은, 데이터 패킷의 크기는 어느 정도가 되고 송신에는 어느 정도의 전력이 필요하겠습니까? 단일 센서로 측정값을 읽고 송신하는 시스템에서 약 50%의 에너지가 트랜시버에 소비되기 때문입니다. 에너지 수확 시스템이나 WSN의 전력 소비 특성에 영향을 주는 요인은 몇 가지가 있으며 이러한 요인을 모두 고려해야 합니다.

물론, 에너지 수확 소스에서 공급되는 에너지는 소스를 이용할 수 있는 시간에 따라 달라집니다. 따라서 수확한 소스를 비교하는 데 사용되는 기본 수치는 에너지 밀도가 아닌 출력 밀도입니다. 에너지 수확에서는 일반적으로 사용할 수 있는 전력이 낮고, 쉽게 변하며, 수준을 예측하기가 어렵기 때문에 수확기와의 인터페이스를 담당하는 혼합 구조와 보조 전력 저장 장치를 사용하는 경우가 많습니다. 수확기는 에너지 공급이 제한되지 않으며 전력이 부족하므로 시스템의 에너지원이 됩니다. 보조 전력 저장 장치는 일반적으로 배터리 또는 커패시터이며 출력 전력이 더 높지만 저장할 수 있는 에너지가 낮고, 필요할 때 전력을 공급하지만 그 외의 경우는 수확기에서 정기적으로 충전을 받습니다. 따라서 전력을 수확할 주변 에너지가 없는 경우에는 보조 에너지 저장 장치를 사용하여 WSN에 전력을 공급해야 합니다. 물론 시스템 설계자의 관점에서는 부족한 주변 에너지원을 보충하기 위해 보조 저장 장치에 저장해야 할 에너지의 크기를 고려해야 하므로 상황이 더 복잡해집니다.

가능하면 WSN에 매우 낮은 수준의 에너지를 사용해야 한다는 점은 분명합니다. 따라서 시스템에 사용된 부품으로 이러한 낮은 전력 수준을 다룰 수 있어야 합니다. 트랜시버와 마이크로 컨트롤러에서는 이미 해결되었지만, 전력 변환과 배터리 충전 부분은 지금까지 해결되지 않은 상태였습니다. 그러나, Linear Technology에서 이러한 요구 사항을 해결하기 위해 LTC3388-1/-3 및 LTC4071을 개발했습니다.

LTC3388-1/-3은 20V 입력을 지원하며 3mm x 3mm(또는 MSOP10-E) 패키지에서 최대 50mA의 연속 출력 전류를 공급할 수 있는 동기식 벅 컨버터입니다(그림 1 참조). 입력 전압 범위 2.7V ~ 20V에서 작동하므로 '작동 유지', 센서 및 산업용 제어 전력을 포함한 폭넓은 에너지 수확 및 배터리 전력 응용 분야에 이상적입니다.

그림 1: LTC3388-1/-3의 일반적인 응용 회로도

LTC3388-1/-3에서는 히스테리시스 동기 정류를 활용하여 광범위한 부하 전류의 효율을 최적화합니다. 15μA ~ 50mA의 부하에 대해 90% 이상의 효율을 제공할 수 있으며, 필요한 정동작 전류가 400nA에 불과하기 때문에 배터리 수명 연장을 위한 보조 전력으로 사용할 수 있습니다.

LT3388-1/-3에는 입력 전압이 2.3V 아래로 떨어지면 컨버터를 비활성화하여 정동작 전류를 400nA로 줄이는 정밀한 ULVO(저전압 차단) 기능이 통합되어 있습니다. 무부하 조정 상태에 들어가면 LTC3388-1/-3가 절전 모드로 전환되어 정동작 전류를 720nA로 최소화합니다. 그러면 벅 컨버터가 필요에 따라 켜지고 꺼지며 출력 조정을 유지합니다. 추가 대기 모드에서는 무선 모뎀과 같이 낮은 리플이 필요한 단기적인 부하를 위해 출력을 조정하는 동안 전환을 비활성화합니다. 이처럼 효율이 높고 정동작 전류가 낮은 설계는 충전 주기가 길고 짧은 시간 동안 집중적으로 센서와 무선 모뎀에 전력을 공급하는 에너지 수확에 사용하기에 좋습니다.

WSN에서 배터리를 보조 백업 전력으로 사용하는 경우도 많지만, 저전력 전원에서 배터리로 변경할 때 설계에서 고려해야 할 부분은 무시할 수 없습니다. Linear의 LTC4071은 통합 배터리 팩 보호 및 배터리 저전압 차단 기능을 포함하여 자체 방전으로 인한 손상에서 저용량 배터리를 보호하는 분권 배터리 충전기 시스템입니다. 리튬 이온/중합체 배터리에서 단순하면서도 정교한 충전기 및 보호 장치로 사용할 수 있습니다. 작동 전류가 550nA인 초저전력 시스템이기 때문에 에너지 수확 응용 분야에서 공급되는 것과 같이 이전에는 사용할 수 없었던 매우 낮은 수준의 간헐적 또는 연속적인 전류를 사용할 수 있습니다. 내장된 열 배터리 조절기는 부동 전압을 줄여 배터리 온도가 높을 때 리튬 이온/중합체 전지, 동전형 전지 또는 박막 배터리를 보호합니다. 높이가 낮은 8 리드 2mm x 3mm DFN 패키지에 들어 있는 LTC4071은 외장형 저항 하나를 입력 전압과 직렬로 연결하기만 하면 되기 때문에 완벽한 초소형 충전기 솔루션이 됩니다.

휴대용 응용 분야와 에너지 수확 시스템이 올바르게 작동하기 위한 전력 수준 범위는 마이크로와트 수준에서 1W 이상까지로 넓은 편이지만, 시스템 설계자가 선택할 수 있는 전력 변환 IC는 다양합니다. 그러나 출력 범위가 nanoPower 수준까지로 떨어지는 낮은 범위에서는 선택이 제한됩니다.

다행스럽게도, 마이크로암페어보다 낮은 수준의 정동작 전류로 저전력 센서와 새로운 세대의 WSN에서 회로 작동을 유지하려는 경우에 설계자가 사용할 수 있는 전력 변환 및 배터리 충전 솔루션이 있습니다.