LTC3331 에너지 하베스터 및 배터리 수명 연장 디바이스는 LTC4120 무선 배터리 충전기와 함께 낮은 전력에서 중간 전력까지 넓은 범위의 애플리케이션에 필요한 일련의 기능들을 제공함으로써 사물 인터넷으로 불리는 폭발적으로 성장하는 분야를 구현할 수 있다.

글/토니 암스트롱(Tony Armstrong), 전력 제품 사업부 제품 마케팅 디렉터
리니어 테크놀로지

'사물 인터넷’이란 사람과 컴퓨터뿐 아니라 모든 종류의‘사물’을 인터넷에 연결함으로써 서로 간에 모두 연결되는 것을 가리키며, 빠르게 성장하는 추세다. 예를 들어 산업 시설이나 대규모 인프라 프로젝트와같은 애플리케이션에서 더 많은 위치에 더 많은 센서나 액추에이터를 서로 연결한다면 효율과 안전을 높이는 것은 물론 완전히 새로운 비즈니스 모델을 구축할 수 있다.
전통적으로 다양한 종류의 센서는 유선으로 각각의 전원에 연결해왔다. 그러나 오늘날에는 설치가 까다롭고 많은 비용이 드는 케이블을 이용하는 대신 산업용 환경에서도 신뢰할 수 있는 무선 센서를 시설 안에 설치할 수 있다. 이러한 센서는 수년 동안 소형 배터리 하나로 동작하거나 심지어 빛이나 진동, 온도 변화와 같은 소스로부터 얻는 하베스팅 에너지로 동작할 수 있다. 뿐만 아니라 재충전 가능 배터리와 다양한 주변 에너지 소스를 결합하는 것도 가능하다. 일부 재충전 가능 배터리는 고유의 안전문제로 인해 유선으로는 충전할 수 없고 무선 전력 전환기법을 이용해 충전하도록 요구하고 있다.

첨단의 상용 에너지 하베스팅(EH) 기술
첨단의 상용 에너지 하베스팅(EH) 기술은 진동 에너지 하베스팅이나 실내 광전지에서와 같이 일반적인 동작조건에서 밀리와트(mW) 정도의 전력 레벨을 생산한다.
이와 같은 전력 레벨은 제한적인 것 같지만, 수년 동안 지속되는 하베스팅 소자의 동작은 이러한 기술이 에너지 공급 면에서나 제공되는 에너지 단위당 비용 면에서 수명이긴 일차 전지와 충분히 견줄 만하다는 것을 보여준다. 더욱이 에너지 하베스팅을 통합한 시스템은 일반적으로 에너지가 완전히 고갈된 후 재충전할 수 있다. 이것은 일차전지를 사용하는 시스템에서는 가능하지 않은 일이다.

그러나 대부분은 주변 에너지 소스를 일차 전원 소스로 사용하면서 주변 에너지 소스가 고갈되거나 공급이 원활하지 않을 때 배터리로 전환하는 보완적인 방식을 택한다. 이러한 배터리는 재충전 가능하거나 그러지 않을 수 있는데, 선택은 통상 최종 애플리케이션 자체에 의해 결정된다. 최종 배치가 재충전할 수 없는 배터리에 쉽게 접근해 교환할 수 있는 경우에는 유지보수 담당자가 비용효율적인 방법으로 배터리를 간단히 교체할 수 있으며, 이는 경제적으로 합리적이다. 그러나 배터리 교환이 까다롭거나 많은 비용이 든다면 재충전 가능 배터리를 이용하는 것이 경제적으로 보다 합리적이다. 재충전 가능 배터리를 선택하는 경우에도 무엇이 가장 최적의 충전 방법인지에 대해서는 여러 선택이 존재한다. 이러한 결정에 영향을 미치는 요소에는 다음과 같은 사항이 포함된다.

1) 배터리를 충전할 수 있는 유선 전원 소스가 존재하는가.

2) 주변 에너지 소스로부터 무선 센서 네트워크(WSN)에 전력을 공급하고 배터리를 충전할 수 있을 만큼 충분한 전력이 존재 하는가.
3) 배치의 위험 요소로 인해 고유의 안전 요건으로 배터리 충전에 무선 전력 전달이 요구 되는가.

적합한 에너지 하베스팅 및 무선 충전 솔루션
다행히 이러한 까다로운 시스템을 개발하는 설계자들을 위해 웨어러블 기술 애플리케이션에 사용할 수 있는 극히 낮은 수준의 하베스팅 전력 구현에 필요한 기능과 성능 특성을 갖춘 다수의 전력 IC가 나와 있다. 리니어 테크놀로지는 최근 이러한 목적으로 2종의 제품 LTC3331과 LTC4120을 출시했다. 첫 번째 LTC3331은 에너지 하베스팅과 배터리 수명을 늘려주는 디바이스이다(그림 1).

LTC3331은 최대 50mA의 연속 출력 전류를 제공함으로써 하베스팅 가능한 에너지를 이용할 수 있을 때 배터리 수명을 연장하는 완벽한 레귤레이팅 에너지 하베스팅 솔루션이다. 이 디바이스는 하베스팅 된 에너지에서 부하로 레귤레이트 된 전력을 공급할 때는 배터리에서 공급 전류를 전혀 소비하지 않으며, 무부하 조건에서 배터리로부터 전력을 공급할 경우에는 단 950nA만 소비한다. LTC3331은 고전압 에너지 하베스팅 전원 장치 외에도 재충전 가능한 배터리로부터 전력을 공급받는 동기 벅-부스트 DC/DC 컨버터를 통합해 WSN에서와 같은 에너지 하베스팅 애플리케이션을 위한 단일 무정전 출력(Vout 끊김 현상이 없음)을 생성한다.

LTC3331의 에너지 하베스팅 전원 장치는 AC 또는 DC 입력을 받아들이는 전파(full-wave) 브리지 정류기와 높은 효율의 동기 벅 컨버터로 구성되며, 압전(AC), 태양광(DC) 또는 자기(AC) 소스로부터 에너지를 하베스팅 한다. 내장된 10mA 션트는 하베스팅 된 에너지로 배터리를 간단하게 충전할 수 있게 하며, 로우 배터리(low battery)일 때 배터리와 IC를 분리함으로써 배터리가 심하게 방전되는 것을 방지한다. 재충전 가능한 배터리는 입력에서 1.8V~5.5V 범위로 동작하는 동기 벅-부스트 컨버터에 전력을 공급하고, 하베스팅 된 에너지를 사용할 수 없을 때 입력이 출력보다 높거나 낮거나 같든, 출력을 레귤레이트 하는 데 사용된다. LTC3331의 배터리 충전기는 마이크로 전력 소스를 다루는 경우 간과할 수 없는 매우 중요한 배터리 관리 기능을 제공한다.

LTC3331은 배터리 충전기의 논리적 제어를 통합하고 있어 에너지 하베스팅 된 전원에 여분의 에너지가 있을 때만 배터리를 충전한다. 이와 같은 논리적 기능이 없다면 에너지 하베스팅 된 소스가 시동 시최적이 아닌 동작 지점에 고착되어 시동이 다끝나고도 의도한 애플리케이션에 전력을 공급하지 못하게 된다.

LTC3331은 하베스팅소스를 더 이상 이용할 수 없을 때 배터리로 자동 전환한다. 이것은 배터리로 구동하는 WSN이 적절한 에너지 하베스팅 전원 소스를 동작시간의 최소 절반을 이용할 수 있다면 10년에서 20년 이상까지 동작 수명을 연장할 수 있으며, 에너지 하베스팅 소스가 더 광범위하게 존재하는 경우에는 이보다 더 길어질 수 있다는 추가적인 혜택을 제공한다. 또한 디바이스에는 수퍼커패시터 밸런서가 내장되어 있어 출력 스토리지를 증가시킬 수 있다. 사물 인터넷은 다양해진 에너지 하베스팅 옵션 외에도 물리적 접촉이 현실적이지 않은 경우, 무선 충전으로 배터리 충전이 가능하므로 향상된 무선 충전 기법으로부터 혜택을 얻는다.

이와 같은 애플리케이션을 위해 최근 출시된 두 번째 IC는 LTC4120 무선 전력 수신기 및 배터리 충전기로, PowerbyProxi(리니어 기술 파트너)의 특허 받은 기술을 통합하고 있다. PowerbyProxi의 특허를 획득한 DHC (Dynamic Harmonization Control)는 높은 효율의 무접촉 충전을 구현하므로 수신기에서 열 또는 전기적 과부하 염려가 없다. 이 기술을 이용해 최대 1.0cm 거리에서 최대 2W를 전송할 수 있다. 그러나 단일 셀 리튬 이온 배터리의 경우 4.2V의 최대 충전 전압 및 400mA의 최대 충전전류는 이 값을 1.7W로 제한할 수 있다. 마찬가지로 2W최대값은 2개의 직렬 리튬 이온 배터리(8.4V 최대 충전전압)를 240mA의 충전 전류로 제한할 수 있다.
전력, 효율, 범위 및 크기의 측정 기준은 시스템 성능을 결정하므로, LTC4120 기반 무선 전력 시스템은 여러송신기 옵션 중 하나를 사용할 때 최대 1.0cm 거리에서 배터리에 최대 2W를 수신할 수 있도록 설계되었다. 효율계산은 사용되는 기법과 부품에 따라 크게 달라진다. 통상적으로 배터리는 LTC4120 기반 시스템에서 송신기에 공급되는 DC 입력 전력의 45%~55%를 수신할 수 있다.

LTC4120에 탑재된 PowerbyProxi의 특허 획득 DHC 튜닝 기술은 다른 무선 전력 솔루션에 비해 상당한 이점을 제공한다. 환경 및 부하 변화에 대해 DHC는 수신기에서 공진 탱크 회로의 공진 주파수를 동적으로 변경한다. DHC는 전력 전달 효율이 높아 더 작은 수신기 크기와 더 큰 전송 범위를 구현할 수 있게 한다. 다른 무선 전력 전달 기술과 달리 DHC는 유도 전계의 일부로 고유의 전력 레벨 관리가 가능해, 수신기를 검증하거나 배터리 충전 사이클 동안 부하 요구의 변화를 관리하기 위해 별도의 통신 채널을 필요로 하지 않는다.
DHC가 모든 무선 전력 시스템의 기본적인 문제를 해결한다는 것은 분명하다. 모든 시스템은 주어진 최대 전송 거리에서 특정한 양의 전력을 수신하도록 설계되어야 한다. 모든 시스템은 또한 최소 전송 거리에서 무부하 조건을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 경쟁 제품은 이러한 문제를 복잡한 디지털 통신 시스템으로 해결함으로써 복잡성과 비용을 증가시키고 전력 전송 거리를 제한한다.

LTC4120 기반 무선 전력 시스템은 PowerbyProxi의 DHC 기술을 통합함으로써 이러한 문제를 해결한다.

요약
에너지 하베스팅 시스템을 이용하는 산업용 WSN 애플리케이션은 마이크로와트에서부터 1와트 이상까지 매우 넓은 범위의 전력 레벨을 갖고 있지만, 시스템 설계자를 위해 간편하게 이용할 수 있는 전력 변환 IC들이 나와 있다.
다행히 LTC3331 에너지 하베스터 및 배터리 수명 연장 디바이스는 LTC4120 무선 배터리 충전기와 함께 낮은 전력에서 중간 전력까지 넓은 범위의 애플리케이션에 필요한 일련의 기능들을 제공함으로써 사물 인터넷으로 불리는 폭발적으로 성장하는 분야를 구현할 수 있다.

<반도체네트워크 11월>