에너지 수확 마이크로 컨트롤러를 사용하여 IoT 배터리 교체 제거

언테더링 사물 인터넷(IoT) 장치 설계자는 소비자 가전, 상업 또는 산업 응용 장치의 다운타임을 최소화할 수 있도록 이러한 장치에 전력을 공급할 수 있는 더 나은 방법을 찾기 위해 지속적으로 노력합니다. 주요 배터리는 계속적으로 모니터링해야 하며, 최종적으로 교체되는 경우 엄청난 폐기 문제가 추가됩니다. 충전 가능한 배터리는 폐기 문제를 처리하지만 장치를 실장 해제하고, 재충전한 다음 다시 실장해야 합니다.

이전 접근 방식의 제한 사항은 주변 에너지를 사용하여 장치에 전력을 공급하는 에너지 수확 기술에 대한 관심을 증가시켰습니다. 설계자들은 에너지를 수확하고 배터리를 충전하는 데 필요한 회로가 설계 복잡성, 크기, 비용을 크게 늘릴 수 있다는 문제를 안고 있습니다.

이 기사에서는 IoT 응용 제품에 에너지 수확 기술을 사용하는 사례를 간략히 설명하고 설계자들이 직면한 몇 가지 문제에 대해 개략적으로 서술합니다. 그런 다음 마이크로 컨트롤러(MCU)에 에너지 수확 및 배터리 충전 관리 회로를 통합함으로써 이러한 문제를 극복하는 접근 방식을 소개합니다. 이 기사에서는 또한 예로 소개하는 Renesas 장치 솔루션 및 관련 평가 기판을 사용하여 IoT 장치에서 배터리를 교체해야 하는 필요성을 효과적으로 제거할 수 있는 접근 방식을 적용하는 방법을 보여줍니다.

IoT에 에너지 수확 기술을 사용해야 하는 이유?

에너지 수확은 저전력 무선 센서 시스템과 같은 IoT 응용 분야를 위한 매력적인 솔루션입니다. 이는 유지 보수가 거의 또는 전혀 필요 없는 완전한 무선 장치 배포를 가능하게 합니다. 일반적으로, 이러한 장치는 피크 전력 요구 사항을 충족하기 위해 여전히 충전 가능 배터리 또는 슈퍼 커패시터를 필요로 합니다.

원칙적으로, 이 시스템은 주변 에너지를 수확함으로써 더 작은 에너지 저장 장치를 사용하고 유효 수명을 연장할 수 있습니다. 따라서, 그 결과로 나타나는 IoT 설계는 에너지 수확 기능이 설계의 부품 수를 더하지 않는 한 더 작은 패키지에 적합할 수 있습니다. 그러나 실제로, 에너지 수확을 구현하기 위한 추가 부품의 필요성은 설계 실장 면적을 줄이려는 시도를 좌절시킵니다.

문제는 에너지 수확 전원이 일반적으로 주변 에너지를 수확하고 충전 가능한 배터리 또는 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장 장치에 대한 적절한 충전 관리를 보장하기 위해 별도의 장치가 필요하다는 것입니다. MCU, 센서, 무선 주파수(RF) 트랜시버로 구성된 이미 최소화된 무선 시스템 설계에 더해지는 이 추가적인 기능은 부품이 거의 없는 간단한 설계를 상대적으로 복잡한 설계로 바꿀 수 있습니다(그림 1).

그림 1: IoT 장치에서 에너지 수확을 사용하면 사용자가 배터리 유지관리 문제에서 벗어날 수 있지만 추가된 요구 사항으로 인해 일반적으로 장치가 더 커지고, 설계가 더 복잡해지며, 비용이 늘어났습니다. 이 모두는 언테더링 IoT 설계의 요구 사항에 어긋나는 것입니다. (이미지 출처: Renesas)

IoT 설계를 위한 부품 최소화

지금까지, 에너지 수확에 필요한 여러 다양한 부품들은 Analog Devices의 LTC3105/LTC3107, Cypress Semiconductor의 S6AE101A, Matrix Industries의 MCRY12-125Q-42DIT 등과 같은 특수 모듈 및 전력 관리 통합 회로(PMIC)에 통합되었습니다. 이러한 장치는 태양광 전지, 열전 발전기(TEG), 열전 발전기(TEG), 압전 진동 변환기 또는 기타 에너지원에서 조정 전압 레일을 제공합니다. 따라서, 기본 IoT 하드웨어 설계를 위한 완전한 에너지 수확 전원 공급 장치로서 사용될 수 있습니다. 여전히, 설계자들은 응용 요구 사항을 충족하고 경쟁력 있는 이점을 유지 또는 달성하기 위해 한계를 극복해야 합니다.

Renesas RE01 MCU 제품군은 장치 내에 에너지 수확 컨트롤러(EHC)를 포함시켜 통합 접근 방식을 더욱 발전시킴으로써 이러한 목표를 지원합니다. 실제로, RE01 MCU는 내장된 EHC를 사용하여 장치의 나머지 부분에 시스템 전력을 제공하는 동안 2차 배터리를 충전할 수 있습니다. 단순한 에너지 수확 장치 그 이상인 RE01에는 64MHz Arm® Cortex®-M0+ 코어, 온칩 플래시, 신뢰할 수 있는 보안 지적 재산(TSIP) 블록, 14비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 타이머 및 다중 주변 장치 인터페이스가 포함되어 있습니다(그림 2).

그림 2: 배터리 구동식 장치 설계를 간소화하도록 만들어진 Renesas RE01 마이크로 컨트롤러 제품군은 완전한 에너지 수확 컨트롤러와 저전력 Arm Cortex-M0+ 프로세서 코어, 온칩 플래시, 다중 주변 장치 및 인터페이스를 결합합니다. (이미지 출처: Renesas)

배터리 구동식 IoT 장치 구현을 간소화하도록 설계된 RE01은 관련된 종합적 주변 장치 기능 세트를 결합합니다. 센서 통합을 위한 직렬 인터페이스 및 ADC와 함께 이 장치에는 최대 3개 모터를 구동할 수 있는 모터 구동기 제어 회로(그림 2의 “MTDV” 블록), 3개 외부 발광 다이오드(LED)를 구동할 수 있는 정전류원, 저속 펄스 발생기(LPG)가 포함되어 있습니다. 디스플레이 출력을 위해 RE01 MCU는 2차원(2D) 영상 처리를 위한 그래픽 가속기와 메모리 인 픽셀(MIP) 액정 표시 장치(LCD) 컨트롤러를 통합합니다. 실시간 제어 요구 사항을 위해 이 MCU는 또한 감시 타이머, 실시간 클록(RTC) 및 클록 정밀도를 유지하는 클록 수정 회로(CCC)를 포함하고 있습니다. 소프트웨어 코드 및 데이터를 위해 RE01 제품군은 1500KB 플래시를 사용하는 R7F0E015D2CFP(RE01 1500KB) 및 256KB 플래시를 사용하는 R7F0E01182CFM(RE01 256KB)를 비롯한 해당 제품군 장치에 위에서 언급한 기능을 통합합니다.

RE01 MCU는 기능적 역량과 함께 성능과 전력 소모 간에 필요한 균형을 찾기 위한 여러 옵션을 제공합니다. MCU는 32MHz 또는 2MHz의 일반 작동 모드 시에는 중간 주파수를 사용하고 저누설 전류 모드 시에는 최대 64MHz에서 32.768kHz로 작동 주파수를 감소시킴으로써 전력 소모를 최소화하는 여러 작동 모드로 실행될 수 있습니다. 일반적인 작동에서 R7F0E015D2CFP RE01 1500KB는 35µA/MHz에 블과한 능동 전류를 소모하고 대기 모드에서는 500nA(1.62V 기준)에 불과한 전류를 소모합니다. 14비트 ADC는 단 4µA를 소모하고 플래시 프로그래밍 재작성에는 약 0.6mA만 필요로 합니다. 이러한 정상 작동을 위한 공급 장치를 제공할 때 RE01 MCU의 EHC는 에너지 수확 및 배터리 관리 기능을 손쉽게 구현할 수 있도록 설계된 광범위한 기능 세트를 통합합니다.

설계를 간소화하는 통합 에너지 수확 컨트롤러

통합된 EHC 덕분에 RE01 MCU는 에너지 수확을 다소 일상적인 작동으로 구현할 수 있습니다. 개발자는 태양광 전지, TEG 또는 진동 트랜스듀서와 같은 발전 소자를 MCU의 VSC_VCC 및 VSC_GND 핀에 직접 연결하기만 하면 됩니다. 사용 가능한 주변 에너지가 충분한 경우 EHC는 MCU 출력 핀을 구동하여 2차 배터리(VBAT_EHC), 스토리지 커패시터(VCC_SU) 및 기타 외부 장치를 충전할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: Renesas RE01 MCU의 통합 에너지 수확 컨트롤러를 사용하여 개발자는 에너지 수확의 이점을 신속하게 활용할 수 있습니다. (이미지 출처: Renesas)

설계 간소성은 그림 4에 표시된 RE01 MCU 내에 포함된 전체 기능 블록 세트에서 제공됩니다.

그림 4: Renesas RE01 MCU의 통합 에너지 수확 컨트롤러에는 필요한 전압 출력을 생성하는 발전 소자를 활용하는 데 필요한 모든 기능이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Renesas)

EHC는 기능 블록과 함께 여러 전압 모니터링 회로 및 전력 전달을 조정하기 위한 여러 상태 및 제어 레지스터를 제공합니다. 예를 들어, 발전 소자 상태 플래그(ENOUT)는 해당 소자가 전류를 생성하는지 여부를 표시합니다. 반대로, 충전 타깃 모니터링 플래그(CMPOUT)는 충전 전압이 2차 배터리에 인가되는지 또는 스토리지 커패시터에 인가되는지를 나타냅니다. 이러한 기능 각각은 EHC가 시작, 정상 작동, 배터리 소진과 연결된 작동 상태를 진행함에 따라 역할을 수행합니다(그림 5).

그림 5: 내부 전압 모니터, 상태 플래그 및 레지스터를 사용하여 Renesas RE01 MCU의 통합 에너지 수확 컨트롤러는 초기 충전부터 소진까지 전체 충전 시퀀스를 지원합니다. (이미지 출처: Renesas)

발전 소자가 MCU에 연결되면 EHC가 초기 충전 주기에 진입합니다. EHC는 전력이 VCC_SU로 흐르도록 하여, VCC_SU의 전압 레벨이 특정 임계값 전압 레벨인 VCC_SU_H를 초과할 때까지 스토리지 커패시터를 충전할 수 있습니다. 그런 다음 EHC는 스토리지 커패시터를 사용하여 시스템 도메인에 전력을 공급하기 시작합니다(VCC). VCC가 임계값 전력 전압(VPOR)을 초과할 경우 파워 온 리셋 신호가 high로 전환되어 장치의 리셋 상태가 해제됨과 동시에 ENOUT이 high로 전환되어 발전 소자가 활성 상태임을 나타냅니다.

파워 온 리셋 상태가 해제되면 EHC의 VBAT_EHC 충전 제어 레지스터 VBATCTL이 11b로 설정되어 장치가 2차 배터리를 충전하기 시작할 수 있습니다. 실제로, 이 주기 동안 EHC의 충전 출력은 2차 배터리와 스토리지 커패시터 간에 전환되므로 배터리를 충전하는 동안 VCC 공급 장치를 유지할 수 있습니다. 스토리지 커패시터 전압이 하위 임계값 전압 레벨 VCC_SU_L 아래로 떨어지면 EHC는 VCC_SU가 상위 임계값 VCC_SU_H에 도달하여 2차 배터리를 충전하기 시작할 때까지 VCC_SU에 전력을 공급하도록 전환됩니다. 이 과정은 VBAT_EHC의 스토리지 배터리 전압이 VBAT 임계값 VBAT_CHG에 도달할 때까지 계속됩니다(그림 6).

그림 6: Renesas RE01 MCU의 통합 에너지 수확 컨트롤러(EHC)가 장치의 배터리 충전을 시작한 후에도 EHC는 계속적으로 스토리지 커패시터에 대한 충전을 유지합니다. 이를 통해 배터리가 완전히 충전될 때까지 VCC 시스템 공급이 제공됩니다. (이미지 출처: Renesas)

배터리가 충전되면 QUICKMODE 비트가 설정되므로 EHC가 정상 작동 상태로 진입하게 됩니다. 이 상태에서, EHC는 발전 소자의 배터리를 계속적으로 충전하며 이와 동시에 배터리에서 VCC 영역으로 전력을 공급합니다.

주변 에너지가 떨어지고 발전 소자에서 전력 제공이 중단되면 EHC는 배터리에서 VCC를 계속 공급합니다. 결과적으로, 내부 전압 모니터가 VBAT_EHC가 사전 설정된 임계값 V_det1 아래로 떨어짐을 감지하게 되고 QUICKMODE 비트가 0으로 재설정됩니다. 이 비트가 설정되면 VCC 영역에 대한 전력이 차단되고 EHC 레지스터가 초기화됩니다. VCC가 V_POR 아래로 더 감소할 경우 장치가 파워 온 리셋 신호를 재설정합니다. 작동을 재개하려면 주변 에너지가 충분한 수준으로 상승한 후에 장치가 초기 충전 시퀀스를 적절하게 수행해야 합니다.

신속한 시제품 제작에 도움을 주는 평가 키트

RE01의 내장형 EHC는 해당 기능을 활용하는 데 있어 추가적인 부품에 대한 필요성을 제거하지만 여전히 개발자들은 장치를 구성하고 위에서 언급된 일련의 규정 작동을 실행해야 합니다. 개발자들이 RE01 제품군을 사용하여 신속한 시제품 개발 및 맞춤형 개발을 빠르게 진행할 수 있도록 하기 위해, Renesas는 RE01 1500KB 및 RE01 256KB에 대해 각각 RTK70E015DS00000BE 및 RTK70E0118S00000BJ 기성 평가 키트를 제공합니다. 실제로, RE01 1500KB 키트는 RE01 1500KB MCU 기판(그림 7), LCD 확장 기판, 태양광 패널 USB 케이블을 포함하는 턴키 개발 플랫폼을 제공합니다. RE01 MCU와 함께 개발 기판에는 스토리지 슈퍼 커패시터, 외부 충전 가능 배터리를 위한 커넥터, 스위치, 온보드 디버거, 여러 인터페이스 커넥터(예: Arduino Uno 헤더)가 포함되어 있습니다.

그림 7: Renesas RE01 1500KB 평가 키트에는 평가, 시제품 제작, 맞춤형 개발을 지원하도록 설계된 여러 인터페이스 옵션을 갖춘 RE01 1500KB MCU 기판이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Renesas)

평가 키트에서 제공되는 하드웨어 개발 플랫폼과 함께 Renesas는 IAR Systems의 Embedded Workbench 통합 개발 환경(IDE) 또는 Renesas의 e² Studio IDE에서 실행되도록 설계된 포괄적 소프트웨어 패키지 세트를 제공합니다. Arm의 Cortex 마이크로 컨트롤러 소프트웨어 인터페이스 표준(CMSIS) 드라이버 패키지를 기반으로 하여 구축된 이 소프트웨어는 Arm 기반 프로세서 코드를 다루는 개발자에게 익숙한 소프트웨어 구조를 사용합니다.

가장 중요하게, Renesas 소프트웨어 패키지의 샘플 루틴은 맞춤형 소프트웨어 개발을 위한 실행 가능 템플릿을 제공합니다. 예를 들어, 그림 5에 표시된 EHC 작동 시퀀스를 구현하려면 초기 충전 및 2차 배터리 충전과 같은 주요 단계 동안 전력 소모를 최소화하는 데 필요한 일련의 초기화 절차가 필요합니다. 샘플 소프트웨어에서 제공하는 시작 루틴에서는 이러한 초기화 및 설치 절차 각각을 보여줍니다. 또한, Renesas는 개발자에게 이 시작 루틴을 사용하여 필요에 따라 파라미터를 변경하고 시작 시퀀스에 자체 소프트웨어 코드를 삽입할 수 있는 명확한 경로를 제공합니다(그림 8).

그림 8: Renesas 소프트웨어 배포에 포함되어 있는, RE01 MCU 에너지 수확 기능을 시작하기 위한 샘플 코드에서는 각각의 필요한 단계를 보여주며 개발자가 파라미터를 수정하거나 자체 소프트웨어 코드를 삽입할 수 있는 부분을 강조 표시합니다. (이미지 출처: Renesas)

Renesas 평가 키트 및 관련 소프트웨어 패키지를 사용하여 개발자는 RE01 MCU의 다양한 작동 모드를 빠르게 탐색하고 에너지 수확 방법을 평가할 수 있습니다. 나중에, 이 환경은 고유한 응용 제품을 시제품으로 만들거나 맞춤형으로 개발하기 위한 효과적인 플랫폼을 제공합니다.

결론

에너지 수확은 IoT 장치와 같은 저전력 시스템에서 배터리 크기를 줄이고 배터리 수명을 연장하기 위한 효과적인 솔루션을 제공하지만 이 접근 방식은 전체 설계 크기, 복잡성 및 비용을 크게 증가시킬 수 있습니다. 따라서 보다 통합된 접근 방식이 필요합니다.

여러 기능 블록 및 주변 장치가 장착된 Renesas의 MCU 제품군에는 에너지 수확 시스템 설계를 간소화하고 단순화하는 완전한 온칩 에너지 수확 서브 시스템이 포함되어 있습니다. 관련 개발 기판 및 소프트웨어를 통해 개발자는 소형 저가형 장치를 사용하여 에너지 수확의 이점을 최대한 활용할 수 있는 맞춤형 설계를 신속하게 평가하고 시제품으로 제작하며 맞춤형 설계를 구축할 수 있습니다.