대량 IoT에 전력을 공급하기 위해 에너지 수확을 사용하는 방법과 시기

5G의 출시로 인해 인더스트리 4.0 무선 센서 네트워크, 스마트 물류, 스마트 도시, 스마트 농업 및 기타 대규모 IoT 응용 분야의 수가 폭발적으로 증가하고 있습니다. 그 과정에서 새로운 전력 패러다임을 포함하여 네트워크 아키텍처의 여러 측면을 재고할 수 있는 고유한 기회가 설계자들에 제공되고 있습니다.

수십억 개의 무선 노드에 확장 가능하고 신뢰할 수 있는 전력을 제공하는 것은 어려운 문제입니다. 이 문제가 해결되지 않으면 대규모 IoT의 출시가 지연될 수 있으며, 배터리 사용을 늘리는 것만으로는 충분하지 않습니다. 점점 더 많은 경우에 배터리를 보충하거나 제거해야 합니다. 그 대신, 대규모 IoT의 많은 부분에 전력을 공급하기 위해 다양한 형태의 에너지 수확(EH)이 필요할 것입니다. 설계자에게 다행스럽게도 EH 기술은 계속적으로 발전하여 대규모 IoT 장치에 전력을 공급하기 위한 점점 더 매력적인 대안이 되고 있습니다.

이 블로그에서는 수십억 개의 대규모 IoT 무선 노드에 전력을 공급할 때 나타나는 문제와, EH가 실행 가능한 솔루션을 제공할 수 있는지 결정할 때 고려해야 할 몇 가지 요인을 간략하게 검토합니다. 그런 다음, 대규모 IoT에서 EH 평가를 가속화할 수 있는 EM Microelectronic 및 Nowi의 에너지 수확 전력 관리 IC와 개발 환경을 검토합니다.

대규모 IoT 노드에 전력을 공급하는 방법을 결정할 때 고려해야 할 5가지 요인은 다음과 같습니다.

• 데이터 속도
• 전송 범위
• 대기 시간
• 작동 환경
• 환경적 영향 및 관리/물류

데이터 속도, 범위, 대기 시간은 노드의 피크 전력 및 평균 전력 요구 량에 영향을 주며 사용되는 무선 통신 프로토콜에 따라 달라집니다. 예를 들어, Bluetooth 저에너지를 사용할 경우 10cm 정사각형 광발전(PV) 패널은 데이터 패킷에 대해 대략적으로 다음과 같은 주기적 전송을 지원할 수 있습니다.

• 100ms(밀리초)마다 - 소매점에서 사용되는 인테리어 조명 수준
• 200ms(밀리초)마다 - 일반적인 사무실 환경의 조명 수준
• 2s(초)마다 - 창고 및 공장의 조명 수준

작동 환경도 배터리의 지속 가능성 및 비용에 영향을 줍니다. 소매점이나 사무실과 같은 비교적 온건한 환경에서는 저렴한 배터리가 합리적인 작동 수명을 제공할 수 있으므로 EH가 상대적으로 더 비싸게 느껴집니다. 무선 노드가 열악한 산업 또는 실외 환경에 배치될 경우에는 고가의 배터리 화학 물질이 필요할 수 있으므로 EH가 상대적으로 더 매력적일 것입니다.

환경적 영향 및 관리 문제도 고려해야 합니다. 1차 배터리는 수명이 제한되어 있어 배터리 교체 횟수가 증가하여 유지 보수 및 관리/물류 비용이 증가하고 결과적으로 배터리 폐기로 인해 환경에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 여러 문제를 해결하기 위해 설계자는 다음과 같은 여러 대안 EH 지원 전력 아키텍처 중에서 선택할 수 있습니다.

• 보조 EH가 있는 기본 배터리 전력 - 배터리 수명을 연장하여 부정적인 영향을 줄이는 동시에 배터리 전력의 이점 유지
• EH와 결합된 충전식 배터리 - 수명 연장 가능 및 배터리 교체 불필요
• EH와 결합된 커패시터 또는 슈퍼 커패시터 - 무배터리 시스템용으로 적합하며 가장 긴 수명 제공

EH 컨트롤러 및 전력 관리 IC

통합된 전력 관리 IC(PMIC) 및 EH 컨트롤러의 이점을 누릴 수 있는 응용 제품의 경우, 설계자는 EM Microelectronic의 EM8500으로 전환할 수 있습니다. 이 PMIC는 EH 소스에 대한 최대 전력 포인트 추적(MPPT)과 다양한 시스템 기능에 대한 4개의 독립적 출력 전압을 제공합니다(그림 1). 이 장치는 마이크로와트(µW)부터 밀리와트(mW) 범위의 열 전기 발전기(TEG) 및 PV 셀을 비롯하여 다양한 EH 기술과 연결될 수 있습니다. EM8500은 1차 배터리 또는 2차 배터리, 일반적인 커패시터 또는 슈퍼 커패시터와 조합하여 함께 사용할 수 있습니다. 모델 EM8500-A001-LF24B+는 4mm x 4mm 24핀 QFN에 패키징되어 있습니다.

그림 1: EM8500 PMIC에는 EH 소스에 대한 MPPT와 시스템에 대한 4개 출력 전압을 제공합니다. (이미지 출처: EM Microelectronic)

EM8500 개발 키트

설계자는 EMDVK8500 개발 키트를 사용하여 EM8500을 구성하고 평가할 수 있습니다(그림 2). 이 개발 키트에는 EM8500을 구성하는 데 필요한 소프트웨어와 결과 솔루션의 성능을 측정하는 도구가 포함되어 있습니다.

그림 2: EMDVK8500은 EM8500 PMIC를 구성하고 결과 솔루션의 성능을 측정할 수 있습니다. (이미지 출처: EM Microelectronic)

EH 컨트롤러 IC 및 평가 기판

전체 전력 관리 솔루션이 필요하지 않은 설계의 경우 Nowi의 NH2D0245가 적합합니다. 이 장치는 저전력 응용 제품을 위한 MPPT를 갖춘 16리드, 3mm × 3mm QFN 패키지의 콤팩트한 고성능 EH 컨트롤러입니다. NH2D0245는 PV, 유도성 소자, 압전 소자 및 에너지 저장 장치를 비롯한 다양한 EH 소스에 사용할 수 있습니다. MPPT 알고리즘은 특정 수확기에 독립적으로 작동하며 1초 간격으로 최대 전력점을 감지할 수 있어 동적 환경에서 효율성을 최대화합니다.

그림 3: NH2D0245 EH 컨트롤러에는 MPPT가 포함되어 있으며 작은 3mm 사각형의 QFN 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: Nowi)

NH2D0245 평가 기판은 NH2D0245의 성능 및 기능에 대한 테스트 속도를 가속화하기 위해 설계되었습니다(그림 4). 이 평가 기판을 사용하려면 에너지 수확기, 배터리 또는 슈퍼 커패시터, 다중 계측기가 필요합니다. EH가 압전 수확기와 같은 교류(AC) 출력을 사용하는 경우 EH와 평가 기판의 직류(DC) 입력 사이에 정류기를 추가해야 합니다.

그림 4: NH2D0245 평가 기판은 EH 컨트롤러의 기능 및 성능에 대한 테스트 속도를 가속화할 수 있습니다. (이미지 출처: Nowi)

결론

5G로 인해 대량 IoT가 출시됨에 따라 설계자는 무선 노드에 전력을 공급하는 방법을 재고해야 하는 문제와 기회를 접하게 됩니다. 각 응용 제품을 위한 최적의 전력 아키텍처를 결정하려면 다양한 기술, 환경, 경제 요인을 고려해야 합니다. 배터리의 성능을 향상시키려면 다양한 EH 기반 접근 방식을 사용해야 합니다. 여러 경우에서, EH는 1차 또는 2차 배터리, 일반적 커패시터 또는 슈퍼 커패시터와 결합됩니다.