IoT 장치에서 배터리 에뮬레이션 작업의 어려움

IoT(사물 인터넷) 장치의 배터리를 에뮬레이션하느라 고생했던 적이 있으신가요? 맞습니다. 전자 제품 가까이 배터리가 장착된 완제품처럼 실제적으로 설비를 구성하는 일은 절대 쉽지 않습니다. 오늘은 여기에 관해 유용한 팁을 소개해 드리겠습니다.

바쁘신 분들을 위해 요약하자면 다음과 같습니다.

• 거리가 멀수록 저항도 증가 – 배터리는 전자 제품에 가까이 위치하는 반면, 테스트 설비의 케이블은 이보다 긴 경우가 많기 때문에 배터리처럼 가까이 연결하기 어렵습니다.
• 높은 저항에 주의 – 갑작스러운 돌입 전류로 인해 전선에 전압 강하가 발생하여 시스템이 초기화되는 등 치명적인 문제가 발생할 수 있습니다.
• 저항 팁 1: 짧고 굵은 케이블을 선택하여 저항을 최소화합니다.
• 저항 팁 2: 장치의 전압 입력에 하나 이상의 커패시터를 직접 연결하여 에너지원을 저장합니다.
• 올바른 커패시터를 신중하게 선택 - 최적 ESR + 커패시터 크기
• 데이터 확인 – 저항 팁 2로 인해 측정값이 달라질 수 있습니다.

이제 계속 읽을 준비가 되셨나요? 좋습니다. 시작해 보죠.

거리가 멀수록 저항도 증가

실제 제품에서는 배터리가 거의 항상 전자 제품 가까이에 연결됩니다. 이러한 설정은 우연이 아닙니다. 전선이 짧으면 배터리와 부하 간 전류 경로의 저항이 감소하기 때문에 그렇습니다. 좋은 일처럼 들리죠?

배터리 시뮬레이션 시, 긴 전선을 사용하여 불필요한 저항이 발생하기도 합니다. 이게 무슨 문제냐고요? 사실 심각한 문제입니다. 돌입 전류가 발생하면 케이블의 저항으로 인해 전압 강하가 발생합니다. 강하 폭이 너무 크면 전자 제품이 정상적으로 작동하지 않습니다.

돌입 전류가 발생하는 원인은 무엇인가요?

장치가 잠시 전압 공급 장치에서 분리된 경우 최악의 시나리오가 펼쳐집니다. 기판에 실장된 커패시터가 비어있어 다시 에너지를 충전해야 하므로 치명적인 상황이 됩니다.

갑작스러운 돌입 전류가 발생한 처음 몇 나노초 동안, 모든 감결합 커패시터는 충전되기 전에 단락 상태가 됩니다. 이것은 100nF 이상 PCB 전체에 걸친 모든 커패시터에 해당합니다. 커패시터가 대규모의 유입 전류를 일으켜 케이블, 커넥터, PCB 트레이스 등 이 전류가 지나가는 모든 저항 부품에 순간적으로 전압 강하가 발생합니다.

전류 경로에 위치한 저항기 확인

그렇다면 어떻게 저항기를 확인할 수 있을까요? 일부 장치는 연료계를 사용하여 배터리와 직렬로 연결된 저항기 전체의 전류를 측정합니다. 리튬 폴리머 배터리와 리튬 이온 배터리는 항상 배터리 보호 회로와 함께 제공되어야 합니다. 설비에 이 회로가 포함된 경우에도 전류 경로에 저항이 존재합니다.전류 귀환 경로도 잊지 마세요. 경로 내 접지면을 비롯한 모든 저항이 포함됩니다.

쉬운 저항 팁 2개

위에 언급한 문제를 예방하려면 IoT 장치 내 배터리 에뮬레이션 시 다음 안전 조치를 취하는 것이 좋습니다.

1. 짧고 굵은 케이블을 선택하여 배터리 에뮬레이터에서 장치로 연결되는 전선 내 저항을 최소화합니다(그림 1 참조). 유용한 Wire Gauge Size Chart(전선 게이지 크기 표)를 확인하세요.
2. 장치의 전력 입력에 하나 이상의 커패시터를 연결하여 에너지원을 저장합니다.

그림 1: 저항 팁 1: 짧고 굵은 케이블을 선택하여 저항을 최소화합니다. (이미지 출처: Qoitech)

커패시터를 연결하면 전하가 저장되어 회로에 필요한 전하를 로컬 수준에서 즉각 공급합니다. 즉, 전하가 전력선의 저항을 통해 이동할 필요가 없습니다.

예를 들어, 휴대 전화 한 대는 전원을 켤 때 짧은 펄스로 4A는 족히 소비할 수 있습니다. 이러면 배터리 커넥터 가까이에 큰 저저항 에너지 저장소를 만들어야 합니다(그림 2 참조).

그림 2: 배터리 커넥터 가까이에 저저항 에너지가 큰 저장소를 만들어야 합니다. (이미지 출처: Qoitech)

적합한 커패시터를 선택하는 방법

시작하기 전, 장치에 적합한 커패시터 선택에 관해 몇 가지를 말씀드리겠습니다. 다음 항목에 대해 생각해 보세요.

1. 최적의 ESR(등가 직렬 저항)이란 무엇인가요?
   커패시터에 적합한 ESR과 마이크로 패럿 값은 매우 중요합니다. 짧고 높은 돌발 전류가 발생하는 응용 분야에는 낮은 ESR이 적합합니다. ESR를 낮추려면 여러 커패시터를 병렬 연결하면 됩니다. 일반적인 ESR 커패시터 값 표를 확인하세요.
2. 최적의 커패시터 크기란 무엇인가요?
   솔직히 말하자면, 이것은 시행착오가 따르는 작업입니다. 충분히 큰 커패시터를 선택하면 장치에 전력을 정상적으로 공급할 수 있습니다. 하지만 커패시터는 저역 통과 필터의 역할을 하여 전류 펄스의 상승 시간을 변경하고 측정값에 영향을 미치기 때문에 지나치게 커서는 안 됩니다(자세히 알아보려면 계속 읽기). 또한, 가능한 한 누설이 적은 커패시터를 선택하세요. 저장소 크기는 시스템이 초기화되지 않는 상태에서 필요한 에너지 공급량(피크 전류 및 시간)과 허용 가능한 전압 강하에 따라 달라집니다.

측정값에 대해 덧붙이는 말

커패시터가 장치의 전압 입력 바로 가까이에 위치하는 경우 측정값에 영향을 줍니다. 커패시터에 필요한 에너지를 충전하는 데 시간이 걸리기 때문입니다. 저항 팁 2를 활용하면 전류 펄스의 상승 시간과 하강 시간이 느려집니다. 저역 통과 필터가 배터리 측정 장비와 장치 사이에 직렬로 연결된 경우와 비슷한 결과가 나타납니다. 하지만, 적합한 커패시터를 사용하면 커패시터에서 약간의 전류를 누설해도 측정 오류에 불과하게 되어 걱정할 필요가 없습니다.

IoT 장치 전력 공급에 관한 자세한 내용을 보고 싶으신가요?

효율적인 전력 관리 시스템을 통해 배터리 성능을 최대화하는 방법은 이 기사를 참조하세요. 또한, Qoitech´s Otii Battery Toolbox를 아직 보지 않으셨다면 확인해 보세요! 이 툴을 사용하면 Otii Standard를 단순한 DC 전원 공급 장치가 아닌, 포괄적인 배터리 프로파일러 및 에뮬레이터로 활용할 수 있어 실제 프로젝트의 실질적인 에너지원이 됩니다.