여기에는 확실히 비밀이 없습니다. IoT 지원 장치는 가정, 공장, 기업에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 더 작은 형상 계수, 더 나은 효율성, 향상된 전류 소비 또는 더 빠른 충전 시간 등 이러한 차세대 제품에 대한 고객의 요구는 매우 많습니다. 이 기사에서 Analog Devices의 최신 배터리 관리 기술이 미래 휴대용 장치의 성능을 최적화하도록 지원하는 방법을 알아보세요.
IoT란 무엇입니까?
이 특정 IoT 애플리케이션 영역은 여러 가지 다양한 형태로 제공됩니다. 일반적으로 네트워크에 연결된 스마트 전자 장치를 의미하여, 배터리로 구동되며 사전 계산된 데이터를 클라우드 기반 인프라로 전송합니다. IoT는 프로세서, 통신 IC, 센서와 같은 혼합된 임베디드 시스템을 활용하여 데이터를 수집하고 응답하며 네트워크의 중앙 지점 또는 기타 노드로 다시 전송합니다. 이는 단순한 온도 센서에서 실내 온도를 중앙 모니터링 영역으로 다시 보고하는 것부터 매우 비싼 공장 장비의 장기적인 상태를 추적하는 기계 상태 모니터까지 무엇이든 될 수 있습니다.
궁극적으로 이러한 장치는 가정 또는 건물 자동화와 같이 일반적으로 사람의 개입이 필요한 작업을 자동화하거나, 산업용 IoT 애플리케이션의 경우 장비의 사용 편이성과 수명을 향상시키거나, 교량과 같은 구조 기반 애플리케이션에 구현된 상태 기반 모니터링 애플리케이션을 고려하는 경우 안전성을 향상시키는 등 특정 과제를 해결하고자 개발되고 있습니다.
애플리케이션의 예
IoT 기기의 애플리케이션 영역은 매일 떠오르는 새로운 기기와 사용 사례 덕분에 거의 끝이 없습니다. 스마트 송신기 기반 애플리케이션은 열 제어, 경보 발동 또는 특정 작업 자동화에 대한 결정을 내리기 위해 주변 환경에 대한 데이터를 수집합니다. 또한 가스 계량기, 공기질 측정 시스템과 같은 휴대용 기기는 클라우드를 통해 제어 센터에 정확한 측정을 제공합니다. GPS 추적 시스템은 또 다른 애플리케이션입니다. 스마트 이어 태그를 통해 선적 컨테이너는 물론 소와 같은 가축까지 추적할 수 있습니다. 이는 클라우드에 연결된 장치의 작은 영역으로 구성됩니다. 다른 영역으로는 웨어러블 의료 기술 및 인프라 감지 애플리케이션 등이 있습니다.
중요한 성장 분야는 스마트 공장이 중심이 되는 4차 산업 혁명의 일환인 산업용 IoT 애플리케이션입니다. 자율 주행 차량(AGV), RF 태그 또는 압력계와 같은 스마트 센서 또는 공장 주변에 위치한 기타 환경 센서를 통해 궁극적으로 공장을 최대한 자동화하고자 하는 광범위한 IoT 애플리케이션이 있습니다.
ADI 관점에서 볼 때 높은 수준의 IoT는 다음 5가지 주요 영역에 초점을 맞춰 왔습니다.
- 스마트 의료 - 임상 수준 및 소비자 애플리케이션 모두에서 생체 신호 모니터링 애플리케이션을 지원합니다.
- 스마트 공장 - 공장의 대응력과 유연성을 늘리고 보다 간결하게 만들어 인더스트리 4.0을 구축하는 데 중점을 둡니다.
- 스마트 빌딩/스마트 시티 - 건물 보안, 주차 공간 점유 감지, 열 및 전기 제어를 위한 지능형 감지를 사용합니다.
- 스마트 농업 - 사용 가능한 기술을 사용하여 자동화된 농업 및 자원 사용 효율성을 지원합니다.
- 스마트 인프라 - 상태 기반 모니터링 기술을 기반으로 구축되어 이동 및 구조적 상태를 모니터링합니다.
IoT 설계 과제
지속적으로 증가하는 IoT 애플리케이션 공간에서 설계자가 직면하는 주요 과제는 무엇입니까? 이러한 장치 또는 노드의 대부분은 사후에 설치되거나 접근하기 어려운 영역에 설치되므로 전력을 공급할 수 없습니다. 이는 물론 장치가 전원으로서 배터리 및/또는 에너지 수집에 전적으로 의존한다는 의미입니다.
대규모 시설 주변에서 전력을 이동하려면 비용이 상당히 많이 들 수 있습니다. 예를 들어, 공장에서 원격 IoT 노드에 전원을 공급하는 것을 고려해 보세요. 이 장치에 전력을 공급하기 위해 새 전원 케이블을 실행하는 아이디어는 시간과 비용이 많이 들기 때문에 사실상 배터리 전력 또는 에너지 수집이 이러한 원격 노드에 전력을 공급하기 위한 마지막 옵션이 됩니다.
배터리 전력에 대한 의존도는 배터리 수명이 최대화되도록 엄격한 전력 예산을 따라야 할 필요성으로 이어지며, 이는 당연히 장치의 총 소유 비용에 영향을 미칩니다. 배터리 사용의 또 다른 단점은 수명이 다한 배터리를 교체해야 한다는 것입니다. 여기에는 배터리 자체의 비용뿐만 아니라 오래된 배터리를 교체하고 필요에 따라 폐기도 수행하는 높은 인간 노동 비용도 포함됩니다.
배터리 비용 및 크기에 대한 추가적인 고려 사항 - 수명 요구 사항을 달성할 만큼 충분한 용량을 보장하기 위해 배터리를 과도하게 설계하는 것은 매우 쉽습니다(매우 일반적으로 10년 이상). 그러나 과도한 설계는 추가 비용 및 크기를 초래하므로, 전력 예산을 최적화하고 가능하면 에너지 사용량을 최소화하여 설계 요구 사항을 충족할 수 있는 가장 작은 배터리를 설치하는 것이 매우 중요합니다.
IoT의 전력
이 전원 논의의 목적에 따라 IoT 애플리케이션의 전원은 다음 세 가지 시나리오로 볼 수 있습니다.
- 비충전식 배터리 전원(기본 배터리)을 사용하는 장치
- 충전식 배터리가 필요한 장치
- 에너지 수집을 활용하여 시스템 전력을 공급하는 장치
이러한 전원은 개별적으로 사용하거나 애플리케이션에 필요한 경우 결합하여 사용할 수 있습니다.
기본 배터리 애플리케이션
비충전식 배터리 애플리케이션이라고도 알려진 다양한 기본 배터리 애플리케이션은 잘 알려져 있습니다. 이는 전원이 가끔 켜졌다가 최소 전력을 소비하는 최대 절전 모드로 돌아가는 장치와 같이 가끔씩만 전력을 사용하는 애플리케이션에 적합합니다. 이를 전원으로 사용할 때의 주요 이점은 배터리 충전/관리 회로를 수용할 필요가 없기 때문에 높은 에너지 밀도와 단순한 설계를 제공하고, 배터리가 저렴하고 전자 장치가 덜 필요하기 때문에 비용도 저렴하다는 것입니다. 이들은 저비용 저전력 소모 애플리케이션에 적합하지만, 배터리의 수명이 유한하기 때문에 전력 소비가 더 높은 애플리케이션에는 적합하지 않으며 교체 배터리 비용과 함께 배터리를 교체하는 데 필요한 서비스 기술자의 비용이 발생합니다.
노드가 많은 대규모 IoT 설치를 고려해 보세요. 기술자가 한 장치의 배터리를 교체하기 위해 현장에 오는 경우 인건비를 절약하기 위해 모든 배터리를 한 번에 교체하는 경우가 많습니다. 물론 이는 낭비로 이어지며 전반적인 글로벌 폐기물 문제만 가중시킬 뿐입니다. 게다가 비충전식 배터리는 애초에 배터리를 제조하는 데 사용되는 전력의 약 2%만 제공합니다. 최대 98%의 에너지가 낭비된다는 점을 고려하면 매우 비경제적인 전력원입니다.
물론 이러한 배터리는 IoT 기반의 애플리케이션에서 자리를 차지하고 있습니다. 상대적으로 낮은 초기 비용으로 인해 저전력 애플리케이션에 이상적입니다. 여러 가지 종류와 크기의 부하가 있고, 충전이나 관리를 위해 추가로 필요한 전자 제품이 많지 않기 때문에 간단한 솔루션입니다.
설계 관점에서 핵심 과제는 이러한 소규모 전력원에서 사용 가능한 에너지를 최대한 활용하는 것입니다. 이를 위해서는 배터리 수명을 최대화할 수 있도록 전력 예산 계획을 수립하는 데 시간을 많이 들여야 합니다. 일반적인 수명 목표는 10년입니다.
기본 배터리 애플리케이션의 경우 그림 1에 표시된 LTC3337 나노파워 쿨롱 카운터 및 LTC3336 나노파워 벅 조정기 등 나노파워 제품군 중 두 가지 부품이 고려할 가치가 있습니다.
그림 1. LTC3337 및 LTC3336 애플리케이션 회로.
LTC3336은 프로그래밍 가능한 최고 출력 전류 레벨로 최대 15 V입력에서 실행되는 저전력 DC 간 변환기입니다. 입력이 2.5V까지 낮아질 수 있어 배터리 구동 애플리케이션에 이상적입니다.
정지 전류는 65nA로 매우 낮으며 부하 없이 조절합니다. DC 간 변환기의 경우 새로운 설계에서 설정하고 사용하기가 매우 쉽습니다. 출력 전압은 OUT0에서 OUT3 간 핀의 스트래핑 방식에 따라 프로그래밍됩니다.
LTC3336과 함께 제공되는 장치는 나노 파워 기본 배터리 성능 상태 및 쿨롱 카운터인 LTC3337입니다. 이는 새로운 설계에서 사용하기 쉬운 또 다른 장치로, 필요한 피크 전류(5mA~100mA 범위)에 따라 IPK 핀을 스트래핑하기만 하면 됩니다. 선택한 배터리를 기반으로 몇 가지 계산을 실행한 다음 데이터 시트에 표시된 선택한 피크 전류를 기반으로 권장 출력 캡을 채웁니다.
결과적으로 이는 제한된 전력 예산으로 가능한 IoT 애플리케이션용 장치들의 환상적인 페어링입니다. 이러한 부품들은 기본 배터리로부터의 에너지 사용량을 정확하게 모니터링하고, 출력을 사용 가능한 시스템 전압으로 효율적으로 변환할 수 있습니다.
충전식 배터리 애플리케이션
충전식 애플리케이션으로 넘어가겠습니다. 이는 기본 배터리 교체 빈도를 선택할 수 없는 고전력 또는 고드레인 IoT 애플리케이션에 적합한 선택입니다. 충전식 배터리 애플리케이션은 배터리 및 충전 회로의 초기 비용 때문에 구현 비용이 더 많이 들지만, 배터리가 자주 방전되고 충전되는 고드레인 애플리케이션에서는 비용이 정당화되고 곧 상환됩니다.
사용되는 화학물질에 따라 충전식 배터리 애플리케이션은 기본 셀보다 초기 에너지가 낮을 수 있지만 장기적으로는 더 효율적인 옵션이며 전체적으로 낭비도 적습니다. 전력 수요에 따라 다른 옵션으로 커패시터 또는 슈퍼커패시터 저장도 있지만, 이 옵션은 단기 백업 저장에 더 적합합니다.
배터리 충전에는 사용되는 화학물질에 따라 다양한 모드와 전문가 프로필이 포함됩니다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리 충전 프로필이 그림 2에 나와 있습니다. 하단에는 배터리 전압이 있고, 수직 축에는 충전 전류가 있습니다.
그림 2. 충전 전류 대 배터리 전압.
그림 2의 왼쪽과 같이 배터리가 심하게 방전될 때 충전기는 정전류 모드로 들어가기 전에 배터리 전압을 안전한 수준까지 천천히 높이기 위해 사전 충전 모드로 전환할 만큼 영리해야 합니다.
정전류 모드에서 충전기는 배터리 전압이 프로그래밍된 부동 전압으로 상승할 때까지 프로그래밍된 전류를 배터리에 밀어 넣습니다.
프로그래밍된 전류와 전압은 모두 사용되는 배터리 유형에 따라 정의됩니다. 충전 전류는 C-rate 및 필요한 충전 시간에 의해 제한되며, 부동 전압은 배터리에 안전한 것을 기반으로 합니다. 시스템 설계자는 시스템에 필요한 경우 부동 전압을 약간 줄여 배터리 수명에 도움을 줄 수 있습니다. 전력이 공급되는 모든 것과 마찬가지로 여기서도 절충이 중요합니다.
부동 전압에 도달하면 충전 전류가 0으로 떨어지고 이 전압은 종료 알고리즘에 따라 일정 시간 동안 유지됨을 알 수 있습니다.
그림 3은 시간에 따른 동작을 보여주는 3셀 애플리케이션에 대한 다른 그래프를 제공합니다. 배터리 전압은 빨간색으로 표시되고 충전 전류는 파란색으로 표시됩니다. 정전류 모드에서 시작하여 배터리 전압이 12.6V 정전압 임계값에 도달할 때까지 2A에서 계속 유지됩니다. 충전기는 종료 타이머에 의해 정의된 시간(이 경우 4시간) 동안 이 전압을 유지합니다. 이 시간은 많은 충전기 부품에서 프로그래밍 가능합니다.
Figure 3. 충전 전압/전류 대 시간.
그림 4는 다목적 벅 배터리 충전기인 LTC4162의 좋은 예를 보여줍니다. 이는 3.2A까지 충전 전류를 제공할 수 있고 더 큰 배터리 또는 멀티셀 배터리가 필요한 애플리케이션 및 휴대용 기기를 포함한 다양한 애플리케이션에 적합합니다. I태양광 에너지를 통해 충전하는 데도 사용할 수 있습니다.
그림 4. LTC4162, 3.2A 벅 배터리 충전기.
에너지 수집 애플리케이션
IoT 애플리케이션 및 해당 전원으로 작업할 때 고려해야 할 또 다른 옵션은 에너지 수집입니다. 물론 시스템 설계자가 고려해야 할 사항은 여러 가지가 있지만, 특히 전력 요구 사항이 너무 중요하지 않고 설치에 손이 닿지 않아야 하는 애플리케이션(즉, 서비스 기술자가 해당 애플리케이션에 접근할 수 없는 경우)의 경우 무료 에너지가 매우 매력 있습니다.
선택할 수 있는 에너지원은 매우 다양하며, 이를 활용하기 위해 반드시 실외 애플리케이션일 필요는 없습니다. 태양광뿐만 아니라 압전 또는 진동 에너지, 열전 에너지, 심지어 전력 수준은 매우 낮지만 RF 에너지도 수집할 수 있습니다.
그림 5는 다양한 수집 방법을 사용할 때 대략적인 에너지 수준을 제공합니다.
그림 5. 다양한 애플리케이션에 사용 가능한 에너지원 및 대략적인 수준.
단점은 태양광 패널, 압전 수신기, 펠티에 소자 등의 수집 소자와 에너지 변환 IC 및 관련 활성화 부품이 필요하기 때문에 앞서 논의한 다른 전원에 비해 초기 비용이 높다는 것입니다.
특히 코인셀 배터리와 같은 전원과 비교할 때, 전체적인 솔루션 크기가 단점입니다. 에너지 하베스터 및 변환 IC로는 작은 솔루션 크기를 달성하기가 어렵습니다.
효율성 측면에서는 낮은 에너지 레벨을 관리하기 까다로울 수 있습니다. 이는 전원이 AC인 경우가 많아 정류가 필요하기 때문이다. 이를 위해 다이오드가 사용됩니다. 설계자는 고유한 특징으로 인해 발생하는 에너지 손실을 처리해야 합니다. 이 영향은 입력 전압을 증가시킬수록 감소하지만, 이 방법이 항상 가능한 것은 아닙니다.
대부분의 에너지 수집 논의에서 나타나는 장치는 ADP509x 제품군과 LTC3108로, 높은 설계 유연성을 제공하는 프로그램 가능한 충전 관리 옵션 및 다수의 전력 경로를 갖춘 광범위한 에너지 수집 소스를 수용할 수 있습니다. 다양한 에너지원을 사용하여 ADP509x에 전원을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 해당 전원에서 에너지를 추출하여 배터리를 충전하거나 시스템 부하에 전력을 공급할 수도 있습니다. 태양열(실내 및 실외 모두)부터 웨어러블 애플리케이션의 체온이나 엔진 열에서 열 에너지를 추출하는 열전 발전기에 이르기까지 모든 것을 IoT 노드에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다. 또 다른 옵션은 압전원에서 에너지를 수집하여 유연성을 추가하는 것으로, 이 옵션은 예를 들어 작동 모터에서 전력을 추출하는 데 좋습니다.
그림 6. 수집 애플리케이션에서의 ADP5090의 블록 다이어그램.
압전원에서 전력을 공급받을 수 있는 또 다른 장치는 ADP5304로, 매우 낮은 정지 전류(부하가 없는 일반적인 260nA)로 작동하므로 저전력 에너지 수집 애플리케이션에 이상적입니다. 데이터시트는 압전원에서 전력을 공급받아 ADC 또는 RF IC에 전력을 공급하는 데 사용되는 일반적인 에너지 수집 애플리케이션 회로(그림 7 참조)를 공유합니다.
Figure 7. ADP5304 압전원 애플리케이션 회로.
에너지 관리
전력 예산이 제한적인 애플리케이션과 관련하여 논의해야 하는 또 다른 분야는 에너지 관리입니다. 에너지 관리는 다양한 전력 관리 솔루션을 살펴보기에 앞서 애플리케이션에 대한 전력 예산 계산을 개발하는 것부터 시작합니다. 이 필수 단계는 시스템 설계자가 시스템에 사용되는 주요 구성 요소와 필요한 에너지 양을 이해하도록 도와줍니다. 이는 기본 배터리, 충전식 배터리, 에너지 수집 또는 이들의 조합을 전력 공급 방법론으로 선택하는 의사 결정에 영향을 미칩니다.
에너지 관리에서 중요한 또 다른 사항은 IoT 장치가 신호를 수집하여 중앙 시스템이나 클라우드로 다시 전송하는 빈도인데, 이는 전체 전력 소비에 큰 영향을 미칩니다. 일반적인 기술은 전력 사용량을 듀티 사이클링하거나 장치를 깨울 때까지의 시간을 늘려 데이터를 수집 및/또는 전송하는 것입니다.
사용 가능한 경우 각 전자 장치의 대기 모드를 활용하는 것도 시스템 에너지 사용량을 관리할 때 유용한 도구입니다.
결론
모든 전자 애플리케이션과 마찬가지로, 회로의 전력 관리 부분을 가능한 한 빨리 고려하는 것이 중요합니다. 이는 IoT와 같이 전력이 제한적인 애플리케이션에서 더욱 중요합니다. 프로세스 초기에 전력 예산을 개발하면 시스템 설계자가 작은 솔루션 크기에서 높은 에너지 효율을 달성하는 동시에 이러한 애플리케이션이 제기하는 과제를 충족하는 가장 효율적인 경로와 적합한 장치를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.