저전력 응용 제품을 위한 주변 에너지 활용

오늘날 에너지 하베스팅 응용 제품에 대한 관심이 증폭되고 있습니다. 클린 에너지에 대한 미국 정부의 투자와 클린 에너지 제조, EV, 배터리 및 클린 발전에 대한 4천억 달러의 민간 사업 투자에 많은 관심이 집중되고 있습니다.ⁱ IoT, 웨어러블, 생체 의료 장치(예: 임플란트)를 위한 저전력 에너지 하베스팅 응용 제품 시장이 급성장 중임은 많이 알려지지 않았습니다.ⁱⁱ

효율성과 신뢰성이 매우 높으면서 콤팩트한 에너지 저장 응용 제품에 대한 수요로 인해, 저전력 장치의 충전식 배터리 교체 또는 보완에 주변 에너지를 이용할 수 있는지의 여부가 중요해지고 있습니다. 이러한 에너지 하베스팅 응용 제품을 사용할 경우, 배터리를 교체할 필요 없이 무한정으로 작동을 수행할 수 있게 되므로 전기전자 폐기물을 대폭 줄일 수 있습니다.

수확된 태양광 에너지는 웨어러블 장치, 통신 장치, 원격 또는 접근이 어려운 센서 및 소매, 산업, 주거 환경의 다양한 스마트 장치에 전력을 공급할 수 있습니다. 그러나 설계자는 온도 변동, 동작, 진동, 무선 전파, 음향 사운드를 비롯한 다른 주변 에너지원을 활용할 수도 있습니다.

설계 문제 극복

크기 및 전력 관리는 모바일, 원격, 무인 장치 설계에서 중요한 문제입니다. 많은 경우, 무선 연결도 마찬가지로 중요합니다. 그러나 필수 전자 부품의 계속적인 통합 및 소형화 발전에 따라 개발자는 장치의 실장 면적을 줄이고 비용을 최적화할 수 있습니다.

적절한 에너지원을 식별하고 전력 소비를 최적화하는 것은 성공적인 응용 제품을 개발하는 데 중요한 요인입니다. 폼 팩터와 미학적 요인은 의도된 환경 및 사용에 따라 크게 달라질 수 있습니다.

가전 장치가 시장에서 성공을 거두기 위해서는 외관상으로 매력적이면서 사용성도 높아야 합니다. 산업용 및 원격 장치의 경우, 미학 및 소비자 친화적 작동성의 영향은 덜 받지만 더 높은 수준의 기능성 및 상호 작동성이 요구될 가능성이 높습니다.

저전력 설계 구현에 있어 관건은 주로 에너지 소비를 최소화하는 데 적합한 부품 및 소프트웨어를 찾는 것이며, 에너지원에서 전력을 최대한으로 추출할 수 있는지도 중요합니다. 이상적으로 응용 제품은 소모되는 에너지보다 더 많은 에너지를 수확하여 완전한 에너지 자율성을 달성할 수 있습니다.

고성능 에너지 하베스팅 PMIC

Nexperia는 주변 에너지를 연속적으로 활용하도록 설계된 PMIC(전력 관리 집적 회로)를 제공합니다. NEH2000BY(그림 1)는 에너지 효율성을 저하시키지 않으면서 고성능 장치를 실현하여 일반적인 에너지 하베스팅 절충점을 처리합니다.

그림 1: Nexperia의 NEH2000BY PMIC는 저전력 장치를 위한 주변 에너지를 수확하도록 최적화되었습니다(이미지 출처: Nexperia).

Nexperia PMIC는 MPPT(최대 전력점 추적)를 위한 적응형 알고리즘을 사용하여 주변 소스에서 에너지 전달을 최적화하고 높은 변환을 보장합니다. 사전 프로그래밍 없이 자체적으로 작동하는 NEH2000BY MPPT 알고리즘은 최대 80%의 최적 평균 변환 효율을 달성하고 0.5초 내에 적응합니다.

MPPT는 태양광 패널 및 풍력 발전용 터빈 최적화를 작업하거나 탐구 중인 개발자에게 친숙하지만 열, 진동, 무선 진동과 같은 기타 주변 에너지원을 수확하는 응용 제품에도 사용할 수 있습니다. MPPT는 전압 및 전류를 계속적으로 모니터링하여 최적의 전력을 식별하고 출력을 응용 요구 사항에 맞추도록 부하를 조정할 수 있습니다.

'힐 클라이밍' 알고리즘을 활용하는 NEH2000BY는 변화하는 환경에 적응하고 에너지 변동에 관계없이 최대 효율성을 보장합니다. 광발전 응용 제품에 최적화된 PMIC는 2.5V ~ 4.5V 범위의 저장 소자 전압을 활용하는 다양한 하베스팅 장치와 함께 사용할 수 있으며 다양한 유형의 충전식 배터리는 물론 배터리리스 설계와도 호환이 가능합니다.

Nexperia PMIC를 통해 설계자는 통합된 고효율 저전력 DC-DC를 활용하는 응용 제품을 만들 수 있으므로 컨버터 및 부피가 큰 외부 인덕터를 추가할 필요가 없습니다. 이 장치는 단 하나의 외부 커패시터만 필요하므로 PCB(인쇄 회로 기판) 레이아웃을 간소화하고 응용 제품의 재료 명세서를 줄일 수 있습니다.

Nexperia에 따르면, 3mm x 3mm 크기의 플라스틱 열 강화 초박형 쿼드 플랫 패키지(HWQFN)로 제공되는 PMIC는 12mm에 불과한 총 조립 영역을 필요로 합니다. 따라서 하베스팅 설계를 기존 솔루션보다 최대 20배 더 작게 만들 수 있습니다.

참조 설계 플랫폼

제품 설계자는 Nexperia와 Ambiq 간 협업을 반영하는 참조 설계 플랫폼에서 에너지 하베스팅 응용 제품의 시제품을 제작하고 테스트할 수 있습니다.

Ambiq의 harvestKIT AMA3BHARV1(그림 2)은 Nexperia의 NEH2000BY PMIC를 기반으로 하는 click 모듈과 Ambiq의 Apollo3 Blue SoC 및 TDK InvenSense와 Bosch Sensortec의 저전력 1.8V 맞춤형 Click 센서 모듈을 결합한 제품입니다.

그림 2: Ambiq의 harvestKit AMA3BHARV1은 동작 및 환경 센서 모듈과 함께 click 모듈 및 Nexperia의 에너지 하베스팅 PMIC를 결합합니다(이미지 출처: Ambiq).

harvestKIT는 Nexperia의 에너지 하베스팅에 MEMS(마이크로 전자기계 시스템) 동작 센서 및 환경 센서를 제공합니다. Apollo3 Blue SoC는 BLE(Bluetooth Low Energy) 5를 통합합니다. 추가 확장 소켓을 통해 다른 센서 및 연결 모듈(예: Wi-Fi 또는 디스플레이)을 지원할 수 있습니다.

이 부품은 저전력 에너지 하베스팅과 입력(예: 온도, 습도, 동작, 압력 모니터링)을 결합한 응용 제품을 구동할 수 있습니다.

개발자는 참조 설계를 활용하여 에너지 수확을 통해 배터리 수명을 연장하거나 슈퍼 커패시터 또는 다른 에너지 저장 부품을 통합하여 배터리 사용을 제거하는 다양한 시제품을 개발할 수 있습니다.

Apollo3 Blue SoC는 Ambiq의 특허 받은 SPOT(임계 미만 전력 최적화 기술)를 활용하여 수확된 에너지를 관리하고 저전력 응용 제품을 효율적으로 처리할 수 있습니다. 참조 플랫폼 펌웨어는 센서의 원시 데이터를 전화, 태블릿 또는 PC의 Chromium 웹 브라우저에서 실행되는 웹 앱에 전송합니다.

결론

Nexperia의 PMIC는 에너지 효율적인 차세대 응용 제품을 위한 매력적인 설계 옵션을 제공합니다. 개발자는 태양광 에너지를 활용하고 고급 센서 모듈을 통합하여 배터리 수명을 대폭 연장하고 잠재적으로 해당 요구 사항을 완전히 제거하는 혁신적인 솔루션을 개발할 수 있습니다. harvestKIT AMA3BHARV1 참조 설계에 대한 Ambiq와 Nexperia의 협력으로 최첨단 저전력 관리 및 처리 응용 제품을 위한 시제품 제작 및 테스트 플랫폼이 탄생되었으며, 이를 통해 지속 가능하고 효율적인 전자 장치에 대해 늘어가는 수요를 처리할 수 있습니다.

[i] https://www.whitehouse.gov/briefing-room/blog/2024/07/01/building-a-thriving-clean-energy-economy-in-2023-and-beyond-a-six-month-update/

[ii] https://link.springer.com/article/10.1007/s13246-024-01382-4