에너지 하베스팅의 과제: 변환기가 수행해야 하는 작업 및 현재 옵션

에너지 하베스팅이란?

에너지 하베스팅이란 이름에서 알 수 있듯이 장치에 동력을 공급하기 위해 에너지를 수집하는 행위입니다. 배터리 또는 주전원으로 구동되는 장치와 달리 에너지 하베스터는 주변 환경에서 에너지를 추출할 수 있으므로 전원 연결이 필요하지 않습니다. 에너지 하베스팅 솔루션이 점점 보편화되는 동안 에너지 하베스팅 회로에 대한 아이디어가 수십 년 동안 대두되어 왔습니다.

이러한 예 중 하나는 환경광 아래에서 작동할 수 있는 소형 태양광 전지 계산기입니다. 태양광 전지 계산기는 1990년대부터 사용되었으며 기본 계산기 칩과 배면광이 없는 LCD 디스플레이의 낮은 에너지 소비 덕분에 가능했습니다.

더 많은 전력이 필요한 장치의 경우 에너지 하베스터는 시간이 지남에 따라 작은 커패시터 또는 배터리를 세류 충전하는 경우가 많게 되며 특정 충전 또는 전압에 도달할 경우 에너지가 빠르게 방출됩니다. 이 경우 장치가 짧은 시간 동안만 작동할 수 있기는 하지만 외부 전원과는 완전히 독립됩니다(즉, 가장 오지에서도 작동 가능).

에너지 하베스터가 사용하는 에너지원이 제한되는 일이 종종 발생할 수 있다는 이유로 그동안 에너지 하베스팅을 사용하는 장치는 매우 기본적인 기능으로 제한되었습니다. 그러나 저전력 SoC(Systems-on-Chips) 및 고급 전력 관리 IC(집적 회로)의 도입으로 전자 제품의 세계가 에너지 하베스터에 실행 가능한 전원으로 개방되기 시작했습니다. 그렇다면 에너지 하베스터가 현재 풀어야 할 과제로는 어떤 것이 있을까요? 어떤 전원을 사용할 수 있을까요? 그리고 현재 엔지니어를 위한 솔루션으로는 어떤 것들이 있을까요?

에너지원은 무엇인가요?

에너지 하베스터의 경우 환경에서 자연적으로 발생하는 거의 모든 에너지원이 전력원이 될 수 있습니다. 이러한 에너지원에는 빛, 바람, 기계적 작용, 온도, 소리 및 무선이 포함됩니다.

빛은 주변에서 흔히 존재하기 때문에 가장 일반적인 에너지원 중 하나이지만 태양광과 착각해서는 안 됩니다. 태양열 패널과 태양광 전지는 햇빛에 노출될 때 전기를 생성하며 이는 에너지 하베스터와 동일합니다. 그러나 에너지 하베스터와 달리 그늘이 생기면 실질적으로 그 기능을 멈춥니다. 그러나 빛 에너지 하베스터는 낮은 조도에서도 작동할 수 있으며 계산기 및 소형 장치에서 흔히 볼 수 있습니다. 따라서 빛을 기반으로 하는 에너지 하베스터는 야간에도 인공 조명(예: 가로등 및 건물 표지판) 아래에서 작동할 수 있습니다. 또한 에너지 하베스터에 사용되는 태양광 전지는 크기가 작아 설계에 쉽게 통합할 수 있으며 움직이는 부품이 없어 원격 위치에서 사용할 때 안정성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

바람은 하베스팅할 수 있는 천연 에너지원의 또 다른 예입니다. 태양열 패널과 마찬가지로, 상당한 양의 에너지를 생성하는 데 사용되는 풍력 터빈과 단일 장치로 사용하기 위해 소형화된 풍력 터빈 사이에는 분명한 차이가 있습니다. 바람을 사용하는 에너지 하베스터는 공기 대류로 인한 낮은 산들 바람, 건물 사이의 공기 흐름 및 공기를 통과하는 장치의 이동을 통해 작동하도록 구성됩니다. 그러나 소형 풍력 하베스터라도 크기가 크기 때문에 거의 사용되지 않습니다(풍력 에너지가 필요한 경우 터빈이 사용될 가능성이 높음).

기계적 작용은 압축, 장력, 굽힘 및 가속과 같은 예와 함께 소형 장치의 에너지원으로도 사용할 수 있습니다. 일반적으로 압전 소자는 기계적 힘을 전기로 변환하는 데 사용됩니다(예: 초인종 및 포장 도로). 웨어러블 장치는 코일을 둘러싼 스프링에 의해 매달린 자석을 통한 암의 움직임으로부터 에너지를 생성할 수 있습니다. 이러한 에너지원은 장치에서 기계적 힘을 빈번하게 사용할 것으로 예상되는 경우에 이상적이지만, 움직이는 부품을 사용할 경우 시간이 지남에 따라 마모가 발생할 수 있으며 일관성 없는 기계적 에너지로 인해 안정적인 에너지원으로 사용하기 어려울 수 있습니다.

에너지 하베스터는 열 구배가 존재하는 한(즉, 뜨거운 쪽과 차가운 쪽 모두) 열 에너지를 추출할 수도 있습니다. 이는 일반적으로 열 구배에 노출될 때 전압을 생성하는 열전대와 함께 사용됩니다. 온도 구배가 일정하면 매우 안정적인 에너지원을 만들 수 있지만 열전대의 효율이 낮아 구현하기가 힘듭니다. 열전대는 고체 상태이므로 움직이는 부분이 없어 장기간 안정적으로 사용할 수 있습니다. 그러나 전용 TEG(열전기 발전기)를 사용하면 열 구배에서 얻은 에너지를 증가시킬 수 있습니다.

인간 활동으로 인한 무선 방출은 에너지 하베스터에 실행 가능한 에너지 옵션을 제공합니다. Wi-Fi 라우터, 셀룰러 네트워크 및 무선 스테이션의 전파를 모두 하베스팅하여 장치에 전원을 공급할 수 있습니다. 실제로 무선 스테이션 근처에 있는 크리스탈 라디오는 추가 전원 없이 작동할 수 있습니다. 그러나 라디오의 에너지원은 대부분 매우 작기 때문에 에너지 하베스터가 작동하기 어려울 수 있습니다.

전력 변환기가 직면한 과제는 무엇일까요?

에너지는 우리 주변 환경에 자연적으로 존재하지만, 그 에너지를 활용하는 것은 큰 도전 과제입니다. 에너지 하베스터가 극복해야 하는 첫 번째 장애물은 자연 발생 에너지원이 매우 작다는 사실에서 비롯됩니다. 태양광 전지는 상당한 전압을 생성할 수 있지만 기계적, 진동, 무선 및 소리에 의해 생성되는 에너지는 나노와트 단위일 수 있습니다. 전압과 전류가 모두 전력에 비례한다는 점을 고려하면 생성된 전력은 미세한 전압 또는 전류를 생성합니다.

따라서 우리는 에너지 하베스터가 직면한 첫 번째 장애물인 에너지 추출에 도달합니다. 생성된 전압이 너무 낮은 에너지 하베스팅 회로는 순방향 전압 바이어스가 필요하기 때문에 반도체 부품을 활성화할 수 없습니다(예: 실리콘 다이오드는 순방향 전압 강하가 0.6V가 될 때까지 전도되지 않음).

전압 증가는 수확기의 특성을 변경(예: 인덕터에 더 많은 루프를 추가하거나 에너지 하베스터의 입력 임피던스를 증가)하여 수행할 수 있지만 이 경우 전류가 감소합니다. 전류가 감소한다는 것은 커패시터 또는 배터리를 충전하는 데 더 많은 시간이 필요하다는 것을 의미하며, 이는 결과적으로 작동 충전 비율을 감소시키는 결과를 초래합니다.

에너지 하베스터가 이 문제를 극복할 수 있다면 두 번째 문제는 해당 에너지를 안정적으로 저장하는 것입니다. 커패시터는 작고 전하를 저장하는 데 사용할 수 있으며 큰 전류 수요에 빠르게 반응할 수 있습니다. 그러나 사용된 기술에 따라 누출될 수 있습니다. 또한 충전 회로에는 비이상적인 구성 요소로 인해 일정 수준의 고유한 누출이 있습니다. 따라서 에너지 하베스터는 자연 누출로 인한 방전 속도보다 빠른 충전이 필요합니다.

에너지 하베스터가 직면하는 세 번째 과제는 장치에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있도록 충분한 에너지가 저장되는 시점을 결정하는 것입니다. 이를 수행하는 가장 간단한 방법 중 하나는 알려진 크기의 커패시터를 사용한 다음 전력 변환기에 공급하기 전에 전압이 특정 레벨(저장된 에너지와 직접적으로 일치함)에 도달할 때까지 기다리는 것입니다. 그러나 전압을 측정하려면 에너지가 필요하며(전압 감지 회로가 활성 구성 요소를 기반으로 한다고 가정) 이로 인해 시스템 충전 속도가 느려질 수 있습니다.

필요한 양의 에너지가 저장되고 나면 최종 과제는 적절한 전압으로 장치에 에너지를 효율적으로 방출하는 것입니다. 선형 조정기는 노이즈 없는 공급 전압을 제공하는 데 매우 뛰어나지만 낭비율이 높습니다. 따라서 에너지 하베스터는 전환 조정기를 사용합니다. 그러나 이는 회로에 노이즈를 유발할 수 있으므로 설계 단계에서 세심한 주의가 필요합니다.

한 마디로, 에너지원은 크기가 작은 경우가 많습니다. 즉, 에너지원과 하베스터 사이의 임피던스 크기가 정확해야 합니다. 전류 누출 가능성이 있으므로 구성 요소를 신중하게 선택해야 합니다. 또한 에너지 하베스터와 관련된 저전압은 순방향 전압 강하가 낮은 활성 구성 요소를 선택해야 함을 의미하며, 전력 변환기는 가능한 한 효율적이어야 합니다.

일부 장치에는 어떤 옵션이 있나요?

현재 저장된 에너지를 모니터링하는 활성 구성 요소를 구동하기 위해 전력이 필요한 문제는 소형 코인 셀 배터리를 사용하여 해결할 수 있습니다. 이러한 구성 요소는 용량이 극히 제한되어 있지만 매우 오랜 기간(잠재적으로 몇 년) 동안 모니터 구성 요소를 충분히 실행할 수 있을 정도는 됩니다.

이러한 배터리의 유일한 목적은 전력 모니터 회로가 작동할 수 있도록 바이어스 전압을 유지하는 것이며, MOS 기술이 사용되는 경우 전체 설계가 미미한 양의 전류를 소비하여 코인 셀을 실행 가능한 옵션으로 만듭니다. 그러나 배터리를 사용하는 것은 에너지 하베스팅의 목적에 어긋나고 결국 배터리가 소진된다는 사실은 원격 앱에 좋은 징조가 아닙니다.

에너지 저장과 관련하여 커패시터는 낮은 저항, 빠른 충전 및 방전 기능, 통합 용이성이라는 특징을 갖고 있어 이상적입니다. 또한 슈퍼 커패시터는 더 낮은 전압에서 훨씬 더 큰 저장 용량을 허용하고 저전압 작동으로 인해 저전압 에너지원과 함께 사용하기에 이상적입니다.

대부분의 에너지원은 매우 작기 때문에 엔지니어가 여러 에너지원을 단일 장치로 결합할 경우 효율적일 수도 있습니다. 예를 들어, 열전대 및 압전 발전기와 결합된 소형 태양광 전지를 사용하여 빛, 소리 및 열에서 동시에 에너지를 수집할 수 있습니다. 이러한 배열은 충전 속도를 증가시키면서 장치에 더 많은 에너지 옵션을 제공합니다. 실제로 일부 에너지 하베스팅 IC에는 여러 에너지원에 연결하기 위한 전용 입력이 있습니다.

MAX17710은 에너지 하베스팅을 염두에 두고 설계된 IC의 한 예입니다. 이 IC는 서로 다른 에너지원(고전압 소스 1개와 저전압 소스 1개), 부스트 조정기, 마이크로컨트롤러 연결을 위한 내부 상태 기기를 위한 2개의 입력 전원 옵션을 통합합니다. 또한 MAX17710은 평평한 고체 배터리인 THINERGY MEC101 배터리와도 함께 작동하도록 설계되었습니다. 이 배터리는 두께가 얇고 고체라는 특성이 있어 콤팩트하고 본질적으로 안전하며 슬림한 원격 장치에 사용하기에 이상적입니다.

STMicroelectronics SPV1040은 MPPT(최대 전력점 추적기)를 사용하여 에너지를 효율적으로 하베스팅하도록 특별히 설계된 태양광 전지 충전기의 한 예입니다. 본질적으로 MPPT를 사용하면 최대 전력 전달을 위해 태양광 전지의 부하 지점을 최적으로 설정할 수 있으며 SPV1040은 이를 활용하여 최대 95% 효율을 달성합니다. 또한 SPV1040은 최저 0.3V(즉, 매우 작은 전압)까지 작동할 수 있습니다.

e-peas AEM30940은 3μW의 입력 전력으로 380mV의 입력 전압에서 자체 시작할 수 있는 전용 에너지 하베스팅 IC입니다. 표유 RF에서 에너지를 추출하는 IC는 라디오 입력 및 에너지 변환기에서 전력 전달을 최대화하기 위해 MPPT를 통합하며, 배터리, 커패시터 및 슈퍼 커패시터를 포함한 모든 저장 옵션과 함께 작동할 수 있습니다. 또한 고장 방지를 위해 기본 배터리에 연결할 수 있습니다. 또한 AEM30940은 여러 최신 마이크로컨트롤러(예: 1.8V 코어 및 3.3V I/O)에 필요한 다양한 출력 전압을 생성하기 위해 여러 LDO 조정기를 통합합니다.

결론

에너지 하베스터는 주변 환경에서 에너지를 추출하는 과정에서 에너지 가용성, 충전 상태를 감지하기 위한 활성 구성 요소의 필요성, 구성 요소의 전류 누출, 전력 변환기에 필요한 고효율 등 수많은 문제에 직면합니다. 반도체 재료의 근본적인 한계는 초저전압 작동을 방해하며 자연 발생 에너지원의 일관성 없는 특성은 안정적인 작동을 거의 불가능하게 만듭니다.

이제 에너지 하베스팅이 크게 발전했으며 e-peas AEM30940 및 MAX17710과 같은 엔지니어를 위한 옵션이 존재합니다. 그러나 사용되는 기술에 관계없이 엔지니어가 할 수 있는 최선의 조치는 절전 모드가 있고 에너지 요구 사항이 극히 적은 마이크로컨트롤러를 선택하는 것입니다. 결국 설계상으로 처음부터 에너지가 거의 필요하지 않은 경우 많은 양의 에너지를 저장하는 것에 대해 걱정할 필요가 없습니다.