에너지 하베스팅 기술을 활용한 임베디드 시스템의 지속 가능 전력 설계

에너지 하베스팅 시스템에서 영구 작동 달성을 추구하기

에너지 하베스팅 기술은 빠르게 임베디드 시스템 설계자들에게 실현 가능한 전력 옵션으로 자리 잡고 있으며, 이를 통해 기존의 배터리 기반 설계가 불가능했던 응용 분야에서도 무선 센서를 사용할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 에너지 하베스팅 전력원은 시스템 설계자가 100미터 이상의 범위와 20년을 초과하는 수명을 가진 초슬림 무선 센서를 손쉽게 구축할 수 있도록 합니다.

에너지 하베스팅 시스템의 궁극적인 목표는 지속적인 운용을 달성하는 것입니다. 에너지 하베스팅 시스템은 하베스팅된 에너지가 시스템이 운용 중 소비하는 에너지를 충족하거나 초과하도록 보장함으로써 지속적인 운용을 달성할 수 있습니다. 에너지 관리는 에너지 하베스팅 시스템 설계의 중요한 측면입니다. 첫 번째 단계는 하베스터의 사용 가능한 출력 전력을 결정하는 것입니다. 에너지 하베스터는 태양광, 기계적 에너지 또는 열 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있습니다. 태양광 하베스터는 가장 높은 전력 밀도를 가지며, 표면적 1cm²당 15mW를 하베스팅할 수 있습니다. 에너지 하베스터의 전력 출력을 극대화하는 것은 견고한 에너지 하베스팅 시스템을 구축하는 데 있어 매우 중요합니다.

에너지 수집 시스템을 설계할 때 가장 중요한 측면은 임베디드 시스템의 전력 소모를 최소화하면서 필요한 기능을 충분히 제공하는 것입니다. 누설 사양이 낮은 부품을 선택하고 Silicon Labs의 Si10xx 무선 MCU와 같은 초저전력 마이크로컨트롤러(MCU)를 활용하면 낮은 전력 소모를 달성할 수 있습니다. 배터리 기반 시스템에서 낮은 소비 전력을 실현하기 위해 사용되는 대부분의 기술은 에너지 수집 시스템에서 전력 소모를 최소화하는 데 적용될 수 있습니다.

평균 전류가 10 µA인 데이터를 20분마다 전송하는 태양광으로 구동되는 무선 센서 노드의 예를 고려해 봅시다. 이 시스템은 낮 시간 동안 지속적으로 50 µA의 전류를 공급할 수 있는 태양광 패널을 갖추고 있습니다. 낮 동안 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있는 순 전류는 40 µA이며, 밤에는 배터리가 10 µA의 속도로 방전됩니다. 시스템이 매일 최소한 4.8시간 동안 햇빛에 노출되기만 하면 에너지 하베스팅 시스템은 지속적인 작동을 달성할 수 있습니다.

에너지 하베스팅과 소비에서 박막 배터리의 평균 전력을 균형 있게 조정하기

영구적으로 작동할 수 있는 에너지 수집 시스템에는 두 가지 유형이 있으며, 각각 다른 에너지 저장 메커니즘을 사용합니다. 첫 번째 유형은 에너지를 수집하고 축적하는 데 오랜 시간이 필요하며, 저누설 고용량의 에너지 저장 용기(예: 박막 배터리)를 사용합니다. 평균적으로 수집한 에너지와 평균 소비 전력을 균형 맞춤으로써 영구 운영이 가능합니다. 이러한 에너지 수집 시스템은 가장 유연하며 일반적으로 짧은 기간 동안 고전력을 소비합니다. 이들은 대부분의 시간 동안 저전력 상태로 절전 모드에 머물며, 항상 전원이 유지되고 에너지를 지속적으로 수집합니다. 이러한 유형의 시스템의 예로는 태양광으로 구동되는 무선 센서 노드가 있습니다.

두 번째 유형의 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 펄스를 감지할 때까지 전원이 공급되지 않으며, 이를 감지한 후 에너지를 수집하고 저임피던스 에너지 저장 장치(예: 커패시터)에 저장합니다. 짧은 전원 초기화 후, 시스템은 펄스를 통해 수집된 제한적인 에너지를 사용하여 필요한 시스템 기능을 수행합니다. 작업 실행 중 소모된 전체 에너지와 단일 펄스에서 수집된 에너지를 균형 있게 유지하여 영구적인 작동을 달성합니다. 이 유형의 시스템 예로는 무선 조명 스위치가 있으며, 이는 기계적 스위치로 생성된 에너지를 사용하여 RF 신호를 조명 기구에 위치한 수신기로 전송합니다.

동전형 배터리, AA 리튬 배터리, 리튬-티오닐 클로라이드 배터리와 같은 기존 배터리는 긴 수명이 필요한 임베디드 시스템에서 수년 동안 사용되어 왔습니다. 얇은 필름 배터리의 도입은 시스템 디자이너들에게 비용, 크기 및 안전성을 균형 있게 고려할 수 있는 새로운 옵션을 제공합니다. 개발자들이 지속적으로 시스템 비용을 줄여야 하는 압박을 받을 때, 경제적인 동전형 배터리가 제조 비용을 절감하고 제품을 신속하게 시장에 출시하기 위한 최적의 해결책처럼 보일 수 있습니다. 그러나 동전형 배터리를 교체하는 데에는 숨겨진 비용이 발생합니다. 얇은 필름 배터리의 총 수명 에너지 저장 용량이 CR2032 동전형 배터리 30개의 저장 용량을 초과한다는 점을 고려하면, 얇은 필름 배터리의 초기 비용은 동전형 배터리를 30회 교체하는 비용과 비교하면 무시할 수 있으며 임베디드 시스템의 수명 주기를 여러 번 초과한다고 결론 내릴 수 있습니다.

배터리 크기를 고려할 때, 박막 배터리는 모든 배터리 유형 중에서 가장 얇은 프로파일을 가지며 두께가 0.17mm까지 얇습니다. 박막 배터리의 총 수명 용량은 리튬 "AA" 배터리 네 개 또는 리튬-티오닐 클로라이드 "C" 크기 배터리 하나와 동일하여, 초박형 프로파일과 긴 배터리 수명이 필요한 공간 제약이 있는 임베디드 시스템에 적합합니다.

또한, 박막형 배터리는 크고 일반적인 배터리와 관련된 안전 위험, 예를 들어 인화성 및 폭발 위험을 초래하지 않습니다. 박막형 배터리는 재충전이 가능하기 때문에 특정 시점에서 총 수명 용량 중 일부만 저장하여, 우발적인 단락 사고나 극한의 열 또는 열린 불꽃에 노출되는 경우에도 안전성을 확보합니다. 박막형 배터리는 또한 크고 일반적인 배터리에 비해 폐기물이 크게 줄어들며, 일반적인 배터리는 재활용되지 않고 종종 매립지에 버려지는 경우가 많습니다.

에너지 하베스팅 레퍼런스 디자인이 제품 개발을 가속화합니다

전력 소비는 항상 배터리로 작동되는 IoT 기기의 운영에 영향을 미치는 중요한 문제였습니다. 무선 표준을 지원하는 다양한 조직들은 이 분야에서 기기의 전력 소비를 줄이려는 소비자의 기대를 충족시키는 데에 전념하고 있습니다. Zigbee Green Power는 무선 통신 설계에서 에너지 하베스팅을 고려한 훌륭한 사례입니다.

실리콘랩스(Silicon Labs)와 애로우 일렉트로닉스(Arrow Electronics)는 실리콘랩스의 EFR32MG22 시스템온칩(SoC)을 기반으로 에너지 하베스팅 참조 디자인을 공동 개발했습니다. 이 디자인은 Zigbee Green Power 라이트 스위치를 에너지 하베스팅 전력 관리와 결합시킵니다. MG22는 Zigbee 프로토콜을 위해 설계되었으며, 소형 크기와 고급 보안 기능을 갖추어 초저전력 최종 디바이스에 이상적인 선택입니다. 실리콘랩스는 또한 EFP0111과 같은 에너지 효율적인 전력 관리 IC를 제공하여 향상된 전력 관리 기능을 제공합니다. 추가적으로, 실리콘랩스는 고객들이 에너지 하베스팅 시스템을 신속히 개발할 수 있도록 지원하기 위해 MCU, 무선 스타터 키트, 그리고 강력한 개발 및 디버깅 환경인 Simplicity Studio를 제공합니다.

이 디자인의 핵심 요소는 에너지 수확 발전기로, 이 참조 디자인은 ZF의 단안정 발생기 모듈을 사용합니다. 이것은 양방향 스위치 발전기로, 스위치를 눌렀다가 놓을 때 모두 에너지가 생성됩니다. 스위치에는 양극을 가진 자석이 있으며, 스위치를 누르면 자석이 자기장을 생성하여 코어를 통과해 다른 극으로 전달됩니다. 이후 사용자가 스위치를 놓으면 자기장이 바뀌어 반대 방향으로 코어를 통과하게 됩니다. 이러한 변화하는 자기장이 전류를 생성하며, 이는 수확할 수 있는 에너지가 됩니다. ZF 발생기가 눌리거나 놓일 때 교류 전압(AC)을 생성하며, 시스템은 이 기계적 에너지를 사용하여 전등을 켤 수 있습니다. 궁극적인 목표는 스위치와 전등 기구 사이에 배선 없이 전등을 켜고 끌 수 있도록 하는 것입니다.

IoT 장치를 구동하는 것은 에너지가 많이 소모되는 작업입니다. 배터리를 사용하지 않고 장치를 구동하는 새로운 방법을 혁신하면 개발이 간소화되고 더 깨끗한 환경을 조성할 수 있습니다. 예를 들어, LED를 한 번 점멸시키는 데 필요한 에너지는 여러 RF 신호를 전송하는 데 충분합니다. 저전력 실리콘 설계와 저전력 애플리케이션에 최적화된 네트워크의 조합은 전력 관리의 새로운 시대를 열 기반을 마련하여 제조업체 및 소비자를 위한 상당한 비용과 낭비를 줄이는 데 기여할 것입니다.

고성능, 저전력 전력 관리 솔루션

실리콘 랩스(Silicon Labs)가 EFR32MG22 (MG22) 시리즈 SoC를 출시했습니다. 이 시리즈는 스마트 홈 센서, 조명 제어, 건물 및 산업 자동화와 같은 IoT 애플리케이션을 위한 최적화된 Zigbee 솔루션을 제공하며, 업계 최고 수준의 에너지 효율성을 자랑합니다.

EFR32MG22 및 EFR32MG22E Zigbee SoC 솔루션은 Wireless Gecko Series 2 플랫폼의 일부입니다. MG22 제품군은 고성능 저전력 76.8 MHz ARM® Cortex®-M33 코어를 TrustZone과 통합한 최적화된 Zigbee SoC 솔루션을 제공합니다. MG22는 에너지 효율적인 애플리케이션을 생성할 수 있도록 지원하며, MG22E(“E”는 Energy Conservation을 의미)는 배터리 수명을 연장하고 완전한 배터리 없는 설계를 지원하여 에너지 절약 효과를 더욱 향상시킵니다. MG22 SoC는 초저전력 전송 및 수신 전력(+6 dBm에서 8.2 mA TX, 3.9 mA RX), 1.4 µA 딥슬립 모드 전력, 저전력 주변 장치를 결합하여 Zigbee 프로토콜 애플리케이션, 특히 Green Power를 포함한 업계 선도적인 에너지 절약 솔루션을 제공합니다.

Silicon Labs의 EFP0111GM20 에너지 친화적 전원 관리 IC(PMIC)는 EFR32 및 EFM32 디바이스를 위한 완전한 시스템 전원을 제공하는 유연하고 고효율적인 다출력 전원 관리 IC입니다. 이 PMIC는 세 가지 출력 전압 레일과 1차 셀 배터리의 퀼럼 계수 기능을 제공합니다. EFP0111 부스트 부트스트랩 PMIC는 1.7~5.2V 범위 내에서 작동할 수 있으며, 정지 전류는 최소 150 nA로 낮습니다. EFP0111GM20은 1.5~5.5V 범위의 다양한 배터리를 지원하며, 다양한 배터리 기술에 대한 유연성을 제공하는 동시에 EFR32 및 EFM32의 전력 효율성을 향상시킵니다.

Silicon Labs의 Si10xx Sub-GHz 무선 MCU는 고성능 무선 연결 기술과 초저전력 마이크로컨트롤러 처리를 결합하여 컴팩트한 5 x 6 mm 폼 팩터로 제공합니다. 이 장치는 142에서 1050 MHz에 이르는 주파수 대역을 지원하며, 통합된 고급 패킷 처리 엔진과 최대 146 dB의 링크 예산 기능을 포함하고 있습니다. Si10xx 장치는 TX, RX, 활성 및 휴면 모드 전류를 줄이고 빠른 웨이크업 시간을 지원함으로써 배터리로 구동되는 애플리케이션의 에너지 소비를 낮추도록 최적화되었습니다. Si106x MCU는 Si108x 장치와 핀 호환이 가능하며, 플래시 용량은 8에서 64 kB까지 확장 가능하고, ADC, 듀얼 비교기, 타이머 및 GPIO를 포함한 강력한 아날로그 및 디지털 주변 장치를 제공합니다. 모든 장치는 802.15.4g 스마트 미터링 표준을 준수하도록 설계되었으며, FCC, ETSI 및 ARIB 명세를 포함한 글로벌 규제 표준을 지원합니다.

결론

에너지 하베스팅 기술은 임베디드 시스템 설계에서 제공하는 다양한 이점 덕분에 널리 인기를 얻고 있으며, 앞으로 몇 년간 더욱 확산될 것으로 예상됩니다. 적절히 설계된 에너지 하베스팅 시스템은 초기 전원 리셋 단계를 극복하면 무기한 작동할 수 있습니다. 신중한 시스템 설계를 통해 에너지 하베스팅 시스템의 수명을 20년 이상 연장할 수 있습니다. 초박형 프로필과 낮은 누설 특성을 갖춘 박막 배터리는 에너지 하베스팅 시스템에서 흔히 사용됩니다. 주요 전원 공급 장치나 일반적인 교체 가능한 배터리 없이 자급 가능한 임베디드 시스템을 설계할 수 있는 능력은 새로운 애플리케이션 가능성을 열어주며, 임베디드 시스템 개발의 새로운 영역을 개척합니다. Silicon Labs에서 소개한 MG22 시리즈 Zigbee SoC 솔루션, EFP0111GM20 저전력 관리 IC, 그리고 Si10xx Sub-GHz 무선 MCU는 에너지 하베스팅 시스템을 위한 뛰어난 전력 소비 제어를 제공하며 배터리 교체의 번거로움 없이 장기적인 임베디드 시스템 작동을 보장합니다.