다양한 유형의 저전력 산업용 센서 및 컨트롤러가 전력 공급을 위한 일차적 또는 보조적 수단으로서 대안적 에너지원으로 전환하고 있다. 이상적으로 이와 같이 확보된 에너지는 전력 배선이나 배터리가 필요하지 않게 할 것이다. 온도 차이(열전기 발생기 또는 열전쌍), 기계적 진동이나 스트레인(압전기 또는 전기기계 소자), 광(광기전 소자)과 같은 즉시 이용 가능한 물리적 소스로부터 전기를 발생시키는 트랜스듀서가 많은 애플리케이션을 위해-1.jpg)
서 현실화 가능한 전력 소스가 되고 있다. 다수의 무선 센서, 원격 모니터, 기타 저전력 애플리케이션이 확보된 에너지만을 이용하는 ‘제로’ 전력 장치에 점차 근접해 가고 있다(일부에서는 이를 ‘nanoPower’라고 한다).
에너지 하비스트(energy harvesting) 기술은 2000년대 초에 등장하기 시작한 개념으로서(태동기) 최근의 기술 개발은 상용화 가능 단계로 발전하고 있다. 2010년은 변곡점에 해당되는 시기이며 성장기를 시작할 만반의 준비가 갖추어졌다. 에너지 하비스트 기법을 이용해 자동화 센서 애플리케이션을 구축하는 것이 유럽에서 이미 도입되어 있으며 이는 성장기가 시작되었다는 것을 나타내는 것이다.
상업적 수용의 시작
에너지 하비스트 개념은 수년 전에 등장한 것이지만 실제 환경에 시스템을 구현하는 것은 까다롭고, 복잡하고, 많은 비용을 소요하였다. 그렇기는 하지만 교통수송 인프라, 무선 의료 장비, 타이어 압력 센싱, 그리고 지금까지 가장 큰 시장으로서 건물 자동화 등의 시장에서 에너지 하비스트 기법을 이용하고 있다. 건물 자동화의 경우에는 사용자 센서, 서모스탯, 광 스위치 등과 같은 시스템들이 통상적으로 필요로 하는 전력 또는 제어 배선을 제거하고 대신에 기계적 또는 에너지 하비스트 시스템을 이용할 수 있다.
마찬가지로 에너지 하비스트 기법을 이용한 무선 네트워크는 건물 내의 어떠한 수의 센서라도 연계시켜서 건물에 사용자가 없을 때는 불필요한 구역으로 전력을 차단함으로써 HVAC(heating, ventilation & air conditioning) 및 조명 비용을 절약할 수 있다. 뿐만 아니라 에너지 하비스트 장치의 가격은 공급 배선을 설치하는 것보다 대개 낮으며 그러므로 전력 하비스트 기법을 도입하는 것이 경제적으로 확실한 이득이다.
통상적인 에너지 스캐빈징(energy scavenging) 구성 또는 시스템(그림 1에서 4개 메인 회로 시스템 블록으로 표시)은 무료 에너지 소스로 이루어진다. 그러한 소스 예로서는 TEG(thermoelectric generator)나 열전쌍을 HVAC 덕트 등과 같은 발열 소스에 연결하는 것이나 압전기 트랜스듀서를 유리창 등과 같은 진동하는 기계적 소스에 부착하는 것을 들 수 있다. 열 소스의 경우에는 소형 열전기 소자가 소량의 온도 차이를 전기 에너지로 변환한다. 그리고 진동이나 스트레인을 이용하는 경우에는 압전기 소자가 역시 이러한 소량의 진동이나 스트레인 차이를 전기 에너지로 변환한다. 두 경우 모두 그런 다음 발생된 전기 에너지를 에너지 하비스트 회로(그림 1의 두 번째 블록)를 이용해서 변환하고 하위 회로를 구동하기 위해 사용 가능한 형태로 변화시킨다. 그러한 하위 장치들은 특정한 유형의 센서, 아날로그-디지털 컨버터, 초저전력 마이크로컨트롤러로 이루어진다(그림 1의 세 번째 블록). 이와 같은 장치들은 전기 전류의 형태로 이렇게 하비스트된 에너지를 취하고 센서를 기동시켜서 리딩이나 측정을 수행하고 이 데이터를 초저전력 무선 트랜시버를 통해서 전송할 수 있도록 한다(그림 1의 회로 체인에서 네 번째 블록).
에너지 소스 자체를 제외하고는 이 체인 상의 각각의 회로 시스템 블록이 각기 고유의 제약들이 있어서 지금까지 상용화 가능성을 방해하였다. 지난 몇 년 사이에 저가형 저전력 센서와 마이크로컨트롤러를 이용할 수 있게 되었으나 초저전력 트랜시버가 상용화되어 이용할 수 있게 된 것은 최근의 일이다. 이 체인에서 가장 지체되고 있는 부분은 에너지 하비스터이다.
기존의 에너지 하비스터 블록 구현은 대체로 낮은 성능의 디스크리트 구성으로 이루어지며 30개 이상의 소자들을 포함한다. 이러한 디자인은 변환 효율이 낮고 정지 전류가 높다. 이 두 가지 단점은 최종 시스템에서 성능을 저하시키는 결과를 가져온다. 낮은 변환 효율은 시스템을 구동하기 위해 필요한 시간의 양을 증가시키고 이는 다시 센서 리딩을 취하고 이 데이터를 전송하는 사이의 시간 간격을 증가시킨다. 높은 정지 전류는 에너지 하비스트 소스의 출력이 얼마나 낮을 수 있느냐를 제한한다. 왜냐하면 먼저 자체적인 작동을 위해서 필요한 전류 레벨을 극복해야 출력으로 어떠한 잉여 전력을 공급할 수 있기 때문이다.
혁신적인 솔루션
지금까지 제공되지 못하고 있는 것은 열 또는 압전기 소스로부터 에너지를 하비스트하고 관리할 수 있는 고도로 통합적인 고효율 DC/DC 컨버터 솔루션이다. 리니어 테크놀로지의 혁신적인 LTC3108 및 LTC3588-1은 다양한 소스로부터 잉여 에너지를 하비스트하는 작업을 대폭적으로 간소화한다.
최근에 출시된 LTC3108은 열전쌍, TEG(thermo-electric generator), 심지어 소형 태양열 패널 등의 극히 낮은 입력 전압 소스로부터 잉여 에너지를 하비스트하고 관리하는 작업을 대폭적으로 간소화할 수 있도록 설계된 초저전압 스텝업 컨버터 및 전력 관리기이다. 이의 스텝업 토폴로지는 최저 20mV에 달하는 입력 전압으로 작동한다. 이 점은 놀라운 것인데 LTC3108이 적게는 1℃의 온도 변화로 TEG로부터 에너지를 하비스트할 수 있기 때문이다. 이것은 디스크리트 구현은 높은 정지 전류 때문에 달성하기가 매우 힘든 것이다.
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그림 2의 회로는 소형 스텝업 트랜스포머를 이용해서 입력 전압 소스를 LTC3108로 부스트하고 무선 센싱 및 데이터 포착을 위한 전체적인 전력 관리 솔루션을 제공한다. 이 회로는 기존의 배터리 전력을 이용하는 대신에 소량의 온도 차이를 하비스트하고 시스템 전력을 발생시킨다.
LTC3108은 공핍(depletion) 모드 N-채널 MOSFET 스위치를 이용하며 외부 스텝업 트랜스포머와 소형 커플링 커패시터를 이용해서 공진 스텝업 발진기를 형성한다. 그러므로 다른 회로를 구동하기 위해 다중의 조정 출력 전압을 제공하기에 충분한 최저 20mV에 이르기까지 입력 전압을 부스트할 수 있다. 발진 주파수는 트랜스포머의 이차 권선 인덕턴스에 의해 결정되며 대체로 20kHz에서 200kHz 사이다.
최저 20mV의 입력 전압에 대해서 약 1:100의 일차-이차 권선비가 권장된다. 이보다 높은 입력 전압은 이보다 낮은 권선비를 이용할 수 있다. 이들 트랜스포머는 표준 규격형 부품이며 자기부품 업체들로부터 편리하게 구입할 수 있다.
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리니어 테크놀로지의 화합물 공핍 모드 N-채널 MOSFET은 20mV 동작을 가능하게 하는 것이다.
그림 3에서 보는 것과 같이 LTC3108은 복잡한 문제를 해결하기 위해 ‘시스템 레벨’ 기법을 취한다. 다중의 출력 사이에 낮은 전압 소스를 변환하고 에너지를 관리할 수 있다.
트랜스포머의 이차 권선 상에서 발생되는 AC 전압은(C1 핀의 이차 권선의) 외부 차지 펌프 커패시터와 LTC3108 내부의 정류기를 이용해서 부스트 및 정류된다. 이 정류기 회로가 VAUX 핀으로 전류를 공급해서 외부 VAUX 커패시터와 기타 출력으로 전하를 공급한다.
내부 2.2V LDO는 저전력 프로세서나 기타 저전력 IC를 지원할 수 있다. LDO는 VAUX나 VOUT 중에서 높은 값으로 구동된다. 그럼으로써 VOUT 스토리지 커패시터가 여전히 충전하는 동안에 VAUX가 2.3V로 충전되자마자 곧바로 작동상태가 될 수 있다. LDO 출력 상에 스텝 부하의 경우에는 VAUX가 VOUT 아래로 떨어지면 메인 VOUT 커패시터로부터 전류가 공급될 수 있다. LDO 출력은 최고 3mA를 공급할 수 있다.
VOUT의 메인 출력 전압은 VAUX 전원으로부터 충전되며 전압 선택 핀 VS1과 VS2를 이용해서 4개 조정 전압의 하나로 사용자 프로그램이 가능하다. 4개 고정 출력 전압은 수퍼커패시터를 위한 2.35V, 표준 커패시터를 위한 3.3V, 리튬이온 배터리 종단을 위한 4.1V, 무선 트랜스미터나 센서를 구동하기 위한 고에너지 스토리지 및 메인 시스템 레일을 위한 5V이다. 그러므로 수 메가옴의 외부 저항이 필요하지 않다. 결과적으로 LTC3108은 매우 높은 값의 저항을 필요로 하는 디스크리트 디자인처럼 누설을 최소화하기 위한 특수한 보드 코팅을 필요로 하지 않는다.
두 번째 출력인 VOUT2는 호스트 마이크로프로세서가 VOUT2_EN 핀을 이용해서 턴온 및 턴오프할 수 있다. 작동 상태일 때 VOUT2는 P-채널 MOSFET 스위치를 통해 VOUT으로 연결된다. 이 출력을 이용해서 저전력 슬립 또는 셧다운 기능을 갖지 않는 센서나 증폭기 등의 외부 회로를 구동할 수 있다. 이러한 한 예가 건물 서모스탯 내의 센싱 회로의 일부로서 MOSFET을 파워업하거나 파워다운하는 것이다.
VSTORE 커패시터는 입력 전력이 소실되었을 시에 지속상태를 유지하기 위해 매우 높은 값일 수 있다(수천 마이크로패럿 혹은 심지어는 수 패럿). 일단 파워업이 완료되면 메인, 백업, 스위치드 출력을 모두 이용할 수 있다.
입력 전력이 차단되더라도 VSTORE 커패시터를 이용해서 계속해서 작동할 수 있다. VSTORE 출력을 이용해서 VOUT이 조정상태에 도달한 후에 대형 스토리지 커패시터나 재충전가능 배터리를 충전할 수 있다. VOUT이 조정상태에 도달하면 VSTORE 출력이 VAUX 전압에 이르기까지 충전될 수 있으며 5.3V에서 클램핑된다. VSTORE의 스토리지 소자를 이용해서 입력 소스가 소실되었을 때 시스템을 구동할 뿐만 아니라 또한 입력 소스가 충분한 에너지를 공급하지 못할 때 이를 이용해서 VOUT, VOUT2, LDO 출력이 필요로 하는 전류를 보충할 수 있다.
파워 굿 비교기가 VOUT 전압을 감시한다. VOUT이 이의 조정 전압의 7% 이내로 충전되면 PGOOD 출력이 하이가 된다. VOUT이 조정 전압으로부터 9% 이상 떨어지면 PGOOD이 로우가 된다. PGOOD 출력은 마이크로프로세서나 기타 칩 I/O를 구동하도록 설계되었으며 LED 등과 같은 높은 전류 부하를 구동하기 위한 것이 아니다.
그림 4의 회로는 소형 압전기 트랜스듀서를 이용해서 기계적 진동을 AC 전압 소스로 변환하고 이를 LTC3588의 내부 브리지 정류기로 공급한다. 이 회로는 기존의 배터리 전력을 이용하는 것이 아니라 소량의 진동 소스를 하비스트하고 시스템 전력을 발생시킬 수 있다.
LTC3588-1은 에너지 하비스트 및 저전류 스텝다운 애플리케이션 용으로 설계된 극히 낮은 정지 전류 전원장치다. 이 디바이스는 압전기 또는 대안적인 AC 전력 소스로 직접 인터페이스하고, 전압 파형을 정류하고, 하비스트된 에너지를 외부 커패시터로 저장하고, 잉여 전력을 내부 션트 저항을 통해서 블리딩하고, 조정된 출력 전압을 유지할 수 있다.
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LTC3588-1의 내부 전파(full-wave) 브리지 정류기는 2개의 차동 입력 PZ1과 PZ2를 통해 액세스할 수 있으며 AC 입력을 정류한다. 이렇게 정류된 출력은 다시 VIN 핀의 커패시터에 저장되며 벅 컨버터를 위한 에너지 저장소로 이용될 수 있다. 이 저손실 브리지 정류기는 대략 10μA인 통상적인 피에조 발생 전류일 때 총 전압 드롭이 약 400mV이다. 이 브리지는 최고 40mA의 전류를 전달할 수 있다. VIN에서 조정 출력을 발생시키기에 충분한 전압이 되면 벅 레귤레이터가 작동한다.
벅 레귤레이터는 히스터리시스 전압 알고리즘을 이용해서 VOUT 검출 핀으로부터의 내부 피드백을 통해 출력을 제어한다. 벅 컨버터가 인덕터를 통해 출력 커패시터를 조정 지점보다 약간 높은 값으로 충전한다. 이는 내부 PMOS 스위치를 통해 인덕터 전류를 260mA로 끌어올리고 그런 다음 내부 NMOS 스위치를 통해 0mA로 끌어내림으로써 수행하며 그러므로 출력 커패시터로 에너지를 효율적으로 공급한다. 조정 출력을 제공하는 히스터리시스 기법에 의해서 FET 스위칭에 따른 손실을 감소시키며 경량 부하 시에 출력을 유지한다. 벅 컨버터는 스위칭하면서 최소 100mA의 평균 부하 전류를 공급한다.
결론
전세계적으로 아날로그 스위치모드 전원장치 설계 전문기술이 부족한 가운데서 그 동안은 그림 1에서 보는 것과 같은 효과적인 에너지 하비스트 시스템을 설계한다는 것이 어려웠다. 하지만 LTC3108과 LTC3588-1이 출시됨으로써 그러한 어려움은 사라지게 되었다. 이들 혁신적인 디바이스는 거의 모든 열이나 기계적 진동 소스로부터 에너지를 추출할 수 있다. 뿐만 아니라 포괄적인 기능 셋과 편리한 설계에 의해서 에너지 하비스트 체인의 어려운 전력 변환 설계 작업을 대폭적으로 간소화할 수 있도록 한다. 이것은 시스템 디자이너들에게 희소식이 아닐 수 없다. 전력 관리 제어와 규격형 외부 소자를 포함하는 높은 통합 수준에 의해서 에너지 하비스트 체인을 완성하기 위해 가장 소형이며, 가장 간단하고, 사용하기 편리한 솔루션을 제공하기 때문이다.
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