IoT 전력 공급: 차세대 외부 전원 공급 장치로 에너지 소비 최소화를 지원하는 방법

수십억 개의 '사물'이 인터넷에 연결되는 상황에서 전력 절감은 매우 중요합니다. 이는 자체 전력 또는 배터리 전력으로 작동하는 센서뿐만 아니라 일반적으로 AC 전선에서 전력이 공급되는 게이트웨이와 같은 장치에서도 마찬가지입니다.이 기사에서는 앞으로 적용될 외부 AC/DC 전원 어댑터의 레벨 IV 사양과 새로운 표준을 충족하고 IoT 응용 제품 전체의 전력 소비를 줄이는 데 도움이 되는 설계 변경 사항에 대해 설명합니다.

소개: 센서 작동을 유지하는 전력

사물 인터넷(IoT)이라는 단어는 공기와 물의 품질, 교통의 흐름 또는 산업 공정에서 가정 환경과 신체 건강에 이르는 모든 것을 모니터링할 수 있는 작은 센서들이 가득한 네트워크의 이미지를 연상시킵니다. 센서는 일반적으로 작은 동전형 전지나 태양광 패널 또는 그 외의 작은 에너지 수확 서브 시스템을 통해 수명이 끝날 때까지 작동할 수 있는 초저전력 장치로 인식되고 있습니다. 따라서 이러한 장치는 자체 에너지 수요 측면에서 환경에 미치는 영향을 최소화하면서 작동에 큰 이익을 제공하는 것으로 생각할 수 있습니다.

앞으로 몇 년 후에는 수조 개의 연결된 센서가 IoT의 눈과 귀, 손가락처럼 작동할 것으로 예상됩니다. 그러나 이러한 센서가 인터넷에 직접 연결될 가능성은 크지 않습니다. Wi-Fi 또는 이더넷 연결은 배터리 또는 자체 전력으로 구동되는 작은 IoT 종단점에 통합하기에는 너무 비싸고 전력을 많이 소비합니다.

많은 산업용 또는 가정용 센서 네트워킹 응용 분야에서, 인터넷에 대한 연결은 대개 센서와 인터넷의 브리지 역할을 담당하는 허브나 IoT 게이트웨이를 통해 이루어집니다. 게이트웨이에서는 이 방법으로 Bluetooth Smart 또는 2선식 연결과 같은 표준을 사용하여 센서에 대한 비IP 인터페이스를 구현하고 이더넷 포트나 Wi-Fi 인터페이스를 호스트하여 인터넷에 연결합니다. 게이트웨이는 센서에서 인터넷을 통해 클라우드 서비스와 같은 중앙 관리자로 데이터를 전송하거나 이러한 중앙 관리자에서 센서로 데이터를 전송할 수 있습니다. 센서 데이터의 기본적인 처리도 일반적으로 클라우드에 결과를 전달하기 전에 게이트웨이에서 로컬로 수행합니다. 그림 1에서는 IoT 게이트웨이의 기본 기능을 소개합니다.

그림 1: 저전력, 비IP 센서를 인터넷에 연결하려면 IoT 게이트웨이가 필요합니다.

예측에 따르면 앞으로 4년 ~ 5년 후까지 IoT 게이트웨이와 같은 장치 500억 개가 인터넷에 연결될 수 있다고 합니다. 다중 센서 인터페이스, 인터넷 연결 및 내장된 처리를 포함한 다양한 게이트웨이 기능을 관리하는 데 필요한 전력을 공급하려면 장치를 주 전원 공급 장치에 연결하거나 자주 충전해야 합니다. 아주 많은 장치가 인터넷에 곧 추가될 것으로 예상되므로 오프라인 전원 또는 재충전을 통한 에너지 수요가 많이 증가할 수 있습니다.

전원 공급 장치에 대한 효율 표준

그리드에 연결되는 전기 장치 수의 급증은 전혀 새로울 것이 없는 소식입니다. 이로 인한 영향은 적어도 현대의 소비자 가전 시대가 열린 이후로 과학자들에게 큰 우려 사항이었습니다. 미국가전협회(CEA)에 따르면, 미국의 일반 가정에 텔레비전과 세탁기가 보급된 1970년대 이후로 가구당 평균 전자 제품 수가 계속 증가하여 이제 그 수가 24개에 이르렀다고 합니다. 여기에는 여러 대의 텔레비전, PC, 태블릿, 스마트폰, 프린터, 게임 콘솔 및 기타 장치가 포함되며, 각 제품에 내부 전원 공급 장치가 있거나 또는 어댑터나 외부 전원 공급 장치(EPS)를 통해 전력이 제공될 수도 있습니다. 1990년대에는 미국에서만 십억 개가 넘는 EPS가 사용되었다고 합니다.

그림 2: 90년대 초의 연구에서는 조치를 취하지 않을 경우 20년 이내에 미국의 전체 에너지 소비 중에 30%를 외부 전원 공급 장치의 무부하 전력 소비가 차지할 것으로 예측했습니다.

사용자들이 응용 제품 스위치를 끄거나 연결을 끊은 상태에서도 플러그를 그대로 연결해 두는 경향이 있음을 알게 되면서, 가정에서 낭비되는 '유령 전력' 또는 '무부하' 전력에 대한 우려가 커졌습니다. 캘리포니아의 로렌스버클리 국립연구소(LBNL) 소속 Alan Meier가 1998년 실시한 연구에 따르면, 미국 가정에서의 전기 소비 중 5%(약 30억 달러)는 연결된 장치가 대기 모드에 있는 동안 전원 공급 장치에서 낭비된다고 합니다. 그 후로 에너지 가격이 올랐고 과도한 에너지 소비로 인한 환경 파괴에 관한 우려도 커졌습니다.

캘리포니아 에너지 위원회(CEC)에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 2004년 세계 최초로 외부 전원 공급 장치의 에너지 효율 규정을 도입했습니다. 미국 전체, 캐나다, 유럽, 오스트레일리아를 비롯한 세계 시장의 대부분이 점차적으로 해당 규정을 따르게 되었습니다. 결국은 이러한 다양한 법이 외부 전원 공급 장치에 대한 국제 에너지 효율 표시 프로토콜에 맞게 조정되었습니다. 이러한 법률은 몇 세대에 걸쳐 진화하며 무부하 전력 소비와 최소 평균 작동 효율에 관해 갈수록 엄격한 제한을 적용해 왔습니다. 현재 미국과 캐나다에서 유통되는 모든 외부 전원 공급 장치는 이 프로토콜의 레벨 IV 사양을 충족해야 하며 로마 숫자 IV 레이블을 표시해야 합니다. EU에서는 현재 더욱 엄격한 레벨 V 사양을 적용합니다.

2014년, 미국 에너지부(DoE)에서는 2016년 2월 10일 이후에 제조되어 미국에서 유통되는 모든 외부 전원 공급 장치가 더 높은 레벨 VI 효율 사양을 충족해야 한다고 발표했습니다. 지금까지의 패턴에 따르면 EU와 기타 행정부에서도 자체 요구 사항을 곧 레벨 VI로 높이겠지만, 아직 최종 표준을 발표한 곳은 없습니다.

IoT 응용 제품의 폭발적인 성장이 기대되는 상황에서 외부 전원 공급 장치 사양을 레벨 VI로 높이면 앞으로 전력 그리드에 연결될 수많은 IoT 게이트웨이의 영향으로부터 환경을 보호할 수 있습니다. 전 세계의 주문자 상표 부착(OEM) 제품에서 최신 규정을 따르는 것이 중요합니다.

전원 설계 선택

내부 전원 공급 장치에는 국제 효율 표시 프로토콜이 적용되지 않습니다. 따라서 EPS를 사용하는 대신 내부 전원 공급 장치를 설계하면 규정 요구가 필요하지 않게 됩니다. 단, ENERGY STAR® 등급 시스템이나 에너지 관련 제품(ErP)에 대한 EU의 친환경 설계 지침 2009/125/EC 등의 다른 규정은 적용될 수 있습니다. 또한 사내에서 맞춤형 전원 공급 장치를 사용하거나 타사 모듈을 통합하는 경우는 설계자의 경험 범위를 벗어날 수도 있습니다. 내부 전원 공급 장치를 사용하면 제품의 무게와 부피도 커지기 때문에 더 큰 인클로저가 필요합니다.

규격 EPS는 관련 규정의 준수를 증명할 수 있는 빠르고 쉬운 해결 방법을 제공합니다. CUI는 예정된 규정에 대비하기 위해 2014년 후반에 EPS 제품 계열에 레벨 VI 제품을 도입하기 시작했습니다. EPS 제조업체는 일반적으로 최고의 필수 표준을 충족할 수 있도록 제품 포트폴리오를 조정하기 때문에 OEM 고객이 운영 효율을 극대화하고 여러 수출 시장으로 향하는 제품에 공통적인 전원 공급 장치 유형을 배송하여 공급망의 오류를 방지할 수 있습니다.

레벨 VI 사양

레벨 VI 프로토콜은 이전 프로토콜에 비해 훨씬 복잡합니다. 다음과 같은 5가지 범주가 정의되어 있습니다.

• 단일 전압 외부 AC/DC 전원 공급 장치(기본 전압)
• 단일 전압 외부 AC/AC 전원 공급 장치(기본 전압)
• 단일 전압 외부 AC/DC 전원 공급 장치(저전압)
• 단일 전압 외부 AC/AC 전원 공급 장치(저전압)
• 최대 49W 다중 전압 외부 전원 공급 장치

참고: 저전압 전원 공급 장치는 출력 전압이 6V 미만이고 출력 전류가 550mA를 넘습니다. 기본 전압은 저전압 전원 공급 장치가 아닌 전원 공급 장치와 관련이 있습니다. 또한 레벨 VI의 경우 250W를 초과하는 단일 전압 전원 공급 장치에 적용되는 첫 번째 규정을 도입했습니다.

대기 전력에 관한 레벨 V 사양과 비교할 때, 레벨 VI에서는 1W ~ 49W 등급의 단일 전압 AC/DC 전원 공급 장치의 허용 최대 전력이 이전의 0.3W(최대 49W의 표준 전압 EPS)에서 0.1W로 낮아졌습니다. 이에 따른 새로운 평균 효율 요구 사항이 요구되고 있습니다. 그림 2에서는 비슷한 레벨 III, 레벨 IV, 레벨 V 사양과 비교한 레벨 VI 기본 전압 AC/DC 전원 공급 장치의 평균 효율 증가세를 보여줍니다.

그림 3: 레벨 VI 사양에서는 레벨 III에서 V까지에 비해 높은 평균 효율 임계값을 적용합니다.

설계를 통한 레벨 VI 충족

더 높은 새 표준에 맞게 EPS를 설계하는 일은 쉽지 않은 과제입니다. CUI의 레벨 V 전원 공급 장치와 비교할 때, 레벨 VI 장치는 기본 회로망과 보조 회로망의 거의 모든 부분이 변경되었습니다. 여기에는 향상된 경부하 작동 모드를 지원하는 최신 제어 IC 설계가 포함됩니다. 정상적으로 작동할 경우 새로운 컨트롤러는 레벨 V 제품에 사용되는 것과 같은 65kHz 스위칭 주파수에서 작동하지만, 경부하와 무부하에서는 22kHz로 변경되어 전력 손실을 줄이고 효율을 높입니다. 보조 피드백 회로에서 다시 최적화된 커패시터 및 저항기 값은 낮은 스위칭 주파수에서 증가한 리플과 잡음의 영향을 완화합니다. 제어 IC는 또한 새로운 기술의 장점을 활용하여 정동작 전력을 낮추기 때문에 무부하 전력 소비에 관한 까다로운 최대 제한도 충족할 수 있습니다.

저전압/고전류 레벨 VI 전원 공급 장치의 보조 회로망도 단순한 다이오드 정류 방식에서 MOSFET과 추가 제어 IC를 사용하는 동기 정류 방식으로 변경되었습니다. 또한 전선 게이지 증가 등의 기타 부품 변경 사항과 더 커진 저항 값도 내부 소비 전력 감소에 도움이 됩니다. 온스테이트 저항이 낮은 새로운 MOSFET도 높은 부하에서 효율을 높이는 데 도움이 됩니다.

한편, 주 전원 회로망은 기존의 레벨 V 장치와 훨씬 유사한 방식으로 배열되어 있습니다. 120W 미만 정격의 장치는 CUI의 기존 플라이백 설계를 사용하고 120W 이상 정격의 어댑터는 LLC 공진 토폴로지를 사용합니다. 레벨 VI 전원 공급 장치의 높아진 평균 효율이 일반적인 작업 온도를 낮추고 안정성을 높이는 데 유용하다는 점도 주목해야 합니다. 유지 관리가 거의 필요 없이 현장에서 오랜 기간 장치를 작동해야 하는 IoT 응용 분야에서는 이 점이 특히 중요합니다.

결론

IoT를 통해 산업, 환경, 생태, 삶의 질 측면에서 다양한 이점을 폭넓게 누릴 수 있습니다. 한편, 예상되는 배포 규모가 매우 크기 때문에 AC 전선을 통해 전력을 공급해야 하는 새로운 네트워크 허브와 게이트웨이의 수도 많이 증가할 수 있습니다. 2016년 2월부터 미국에서 의무적으로 적용될 최신 레벨 VI 표시 프로토콜을 충족하는 새로운 외부 전원 공급 장치를 제작하면 평균 효율을 높이고 무부하 전력 소비를 줄여 전력 수요의 증가를 상쇄할 수 있습니다.

Digi-Key에서 CUI의 레벨 VI 포트폴리오에 대한 자세한 내용을 확인하려면 레벨 VI 전원 페이지를 참조하세요.