임베디드 시스템을 위한 에너지 하베스팅 기술을 활용한 지속 가능한 전력 설계

에너지 하베스팅 시스템에서 영구적 운영 달성을 추구

에너지 하베스팅 기술은 임베디드 시스템 설계자들에게 빠르게 실현 가능한 전력 옵션으로 자리 잡고 있으며, 이로 인해 전통적인 배터리 기반 설계가 이전에 불가능했던 응용 분야에서도 무선 센서를 사용할 수 있게 됩니다. 예를 들어, 에너지 하베스팅 전력원을 통해 시스템 설계자는 100미터 이상의 범위와 20년 이상의 수명을 가진 초슬림 무선 센서를 손쉽게 구성할 수 있습니다.

에너지 하베스팅 시스템의 궁극적인 목표는 영구적인 작동을 달성하는 것입니다. 에너지 하베스팅 시스템은 수집된 에너지가 시스템 작동 중 소비되는 에너지와 같거나 그 이상일 경우 영구적인 작동을 달성할 수 있습니다. 에너지 관리는 에너지 하베스팅 시스템 설계의 중요한 측면입니다. 첫 번째 단계는 하베스터의 사용 가능한 전력 출력을 결정하는 것입니다. 에너지 하베스터는 태양광, 기계적, 또는 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있습니다. 태양광 하베스터는 최고 수준의 전력 밀도를 가지며, 표면적 1 cm²당 15 mW의 에너지를 수집할 수 있습니다. 에너지 하베스터의 전력 출력을 최대화하는 것은 견고한 에너지 하베스팅 시스템을 구축하는 데 필수적입니다.

에너지 하베스팅 시스템을 설계하는 데 있어 가장 중요한 측면은 임베디드 시스템의 전력 소비를 최소화하면서도 충분한 기능을 제공하는 것입니다. 낮은 누설 사양의 구성 요소를 선택하고 Silicon Labs의 Si10xx 무선 MCU와 같은 초저전력 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용함으로써 낮은 전력 소비를 달성할 수 있습니다. 배터리로 구동되는 시스템에서 저전력 운영을 달성하기 위해 사용되는 대부분의 기술은 에너지 하베스팅 시스템의 전력 소비를 최소화하는 데 적용될 수 있습니다.

평균 전류가 10 µA이고 매 20분마다 데이터를 전송하는 태양광 발전 무선 센서 노드를 예로 들어 봅시다. 이 시스템은 낮 시간 동안 지속적으로 50 µA의 전류를 제공할 수 있는 태양광 패널을 갖추고 있습니다. 배터리를 낮 동안 충전할 수 있는 순 전류는 40 µA이며, 밤에는 배터리가 10 µA 속도로 방전됩니다. 시스템이 매일 최소 4.8시간 동안 태양광에 노출되기만 하면, 에너지 수확 시스템은 지속적인 운영을 달성할 수 있습니다.

에너지 하베스팅 및 소비에서 박막 배터리의 평균 전력 균형

영구적인 작동을 달성할 수 있는 두 가지 유형의 에너지 하베스팅 시스템이 있으며, 각각 다른 에너지 저장 메커니즘을 가지고 있습니다. 첫 번째 유형은 에너지를 수집하여 축적하는 데 오랜 시간이 필요하며, 낮은 누설률과 높은 용량을 가진 박막 배터리와 같은 에너지 용기를 사용합니다. 평균 수집 에너지와 평균 전력 소비를 균형 있게 유지함으로써 영구적인 작동을 달성합니다. 이러한 에너지 하베스팅 시스템은 가장 유연하며 일반적으로 짧은 시간 동안 고전력 소비가 발생합니다. 대부분의 시간 동안 저전력 슬립 모드에 있으며, 항상 전원이 공급되고 지속적으로 에너지를 수집합니다. 이러한 유형의 시스템의 예는 태양광 발전 무선 센서 노드입니다.

두 번째 유형의 에너지 하베스팅 시스템은 에너지 펄스를 감지할 때까지 전원이 공급되지 않으며, 에너지를 하베스팅하고 이를 저임피던스 에너지 컨테이너(예: 커패시터)에 저장합니다. 간단한 전원 초기화를 거친 후, 시스템은 펄스에서 수집한 제한된 에너지를 사용하여 필요한 시스템 기능을 수행합니다. 작업 실행 중 소비된 총 에너지와 단일 펄스에서 하베스팅된 에너지의 균형을 맞춤으로써 지속적인 작동이 가능합니다. 이 유형의 시스템의 예로는 무선 라이트 스위치가 있으며, 이는 기계식 스위치에 의해 생성된 에너지를 사용해 RF 신호를 조명 기구에 위치한 수신기로 전송합니다.

전통적인 배터리, 예를 들어 코인 셀, AA 리튬 배터리, 리튬-티오닐 클로라이드 배터리 등은 긴 수명이 필요한 임베디드 시스템에서 오랫동안 사용되어 왔습니다. 박막 배터리의 도입은 시스템 설계자들에게 비용, 크기 및 안전성을 균형있게 조절할 수 있는 새로운 옵션을 제공합니다. 개발자들은 시스템 비용을 줄여야 한다는 압박에 지속적으로 직면하고 있기에 경제적인 코인 셀이 제조 비용을 낮추고 제품을 빠르게 시장에 출시하는 데 가장 좋은 솔루션이라는 생각이 들 수 있습니다. 그러나 코인 셀을 교체하는 데는 숨겨진 비용이 따릅니다. 박막 배터리의 총 평생 에너지 저장 용량이 CR2032 코인 셀 30개의 에너지 용량을 초과한다는 점을 고려하면, 박막 배터리의 초기 비용은 코인 셀을 30회 교체하는 비용과 비교해 볼 때 미미하며 임베디드 시스템의 수명 주기를 여러 번 능가한다는 결론에 빠르게 도달할 수 있습니다.

배터리 크기를 고려할 때, 박막 배터리는 모든 배터리 유형 중에서 가장 얇은 프로파일(최소 0.17mm)을 가지고 있습니다. 박막 배터리의 전체 수명 용량은 리튬 "AA" 배터리 4개 또는 단일 "C" 크기 리튬-티오닐 염화물 배터리와 동등하며, 박막 배터리는 초슬림 프로파일과 긴 배터리 수명이 요구되는 공간 제약이 있는 임베디드 시스템에 이상적입니다.

게다가, 박막 배터리는 가연성 및 폭발 위험과 같은 더 큰 기존 배터리와 관련된 안전 위험을 제기하지 않습니다. 박막 배터리는 충전이 가능하기 때문에, 특정 시점에 총 수명의 일부만 저장하며, 이는 우발적인 단락이나 극심한 열, 혹은 열린 불꽃에 노출되었을 때 더 안전하게 만듭니다. 또한 박막 배터리는 재활용되지 않고 종종 매립지에 버려지는 더 큰 기존 배터리에 비해 훨씬 적은 폐기물을 생성합니다.

에너지 수확 레퍼런스 디자인이 제품 개발을 가속화하다

전력 소모는 항상 배터리로 구동되는 IoT 기기의 작동에 영향을 미치는 중요한 문제였습니다. 무선 표준을 지원하는 다양한 조직들은 이 분야에서 기기의 전력 소모를 줄이기 위한 소비자 기대를 충족시키는 데 전념하고 있습니다. Zigbee Green Power는 무선 통신 설계에서 에너지 수집을 고려한 훌륭한 예입니다.

Silicon Labs와 Arrow Electronics는 Silicon Labs의 EFR32MG22 System-on-Chip (SoC)를 기반으로 한 에너지 하베스팅 레퍼런스 디자인을 공동 개발했습니다. 이 디자인은 Zigbee Green Power 조명 스위치를 에너지 하베스팅 전력 관리와 결합합니다. MG22는 Zigbee 프로토콜 전용으로 설계되었으며, 크기가 작고 고급 보안 기능을 제공해 초저전력 엔드 디바이스에 적합한 선택입니다. Silicon Labs는 또한 에너지 효율적인 전력 관리 IC, 예를 들어 EFP0111과 같은 제품을 제공하여 더 나은 전력 관리 기능을 지원합니다. 추가적으로, Silicon Labs는 MCU, 무선 스타터 키트, 그리고 강력한 개발 및 디버깅 환경인 Simplicity Studio를 제공하여 고객이 에너지 하베스팅 시스템을 신속히 개발할 수 있도록 돕습니다.

이 설계의 핵심 요소는 에너지 하베스팅 제너레이터이며, 이 참조 디자인은 ZF의 모노스테이블 제너레이터 모듈을 사용합니다. 이것은 양방향 스위치 제너레이터로, 스위치를 눌렀을 때나 놓았을 때 모두 에너지가 생성됩니다. 스위치에는 두 개의 극이 있는 자석이 있으며, 스위치를 누르면 자석의 필드가 코어를 통과하여 반대 극으로 되돌아갑니다. 그런 다음 사용자가 스위치를 놓으면 자석 필드가 변하고 반대 방향으로 코어를 통과하게 됩니다. 이 변화하는 자석 필드가 전류를 생성하며, 이는 하베스트될 수 있는 에너지가 됩니다. ZF 제너레이터가 눌리거나 놓이면 AC 전압이 생성되며, 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 기기에 전력을 공급하는 것은 에너지를 많이 소모하는 작업입니다. 배터리 없이 기기에 전력을 공급하는 새로운 방법을 혁신하면 개발이 간소화되고 더 깨끗한 환경을 조성하는 데 도움이 될 것입니다. 예를 들어, LED를 한 번 깜박이게 하는 데 필요한 에너지는 여러 RF 신호를 전송하는 데 충분합니다. 저전력 실리콘 설계와 저전력 애플리케이션에 최적화된 네트워크의 조합은 전력 관리를 위한 새로운 시대의 기초를 마련하여 제조업체와 소비자의 막대한 비용과 낭비를 줄일 것입니다.

고성능 저전력 전력 관리 솔루션

Silicon Labs는 스마트 홈 센서, 조명 제어 및 건물 및 산업 자동화와 같은 IoT 애플리케이션에 업계 최고의 에너지 효율성을 제공하도록 최적화된 Zigbee 솔루션인 EFR32MG22 (MG22) 시리즈 SoC를 출시했습니다.

EFR32MG22 및 EFR32MG22E Zigbee SoC 솔루션은 Wireless Gecko Series 2 플랫폼의 일부입니다. MG22 제품군은 고성능 저전력 76.8 MHz ARM® Cortex®-M33 코어와 TrustZone을 통합하여 최적화된 Zigbee SoC 솔루션을 제공합니다. MG22는 에너지 효율적인 애플리케이션을 생성할 수 있도록 지원하며, MG22E(“E”는 Energy Conservation을 의미)는 배터리 수명을 연장하고 완전히 배터리가 필요 없는 디자인을 지원함으로써 에너지 절약의 장점을 더욱 강화합니다. MG22 SoC는 초저전력 송신/수신 전력(+6 dBm에서 8.2 mA TX, 3.9 mA RX), 1.4 µA 딥 슬립 모드 전력 및 저전력 주변 장치를 결합하여 Zigbee 프로토콜 애플리케이션(예: Green Power)를 위한 업계 선도적인 에너지 절약 솔루션을 제공합니다.

Silicon Labs의 EFP0111GM20 Energy-Friendly Power Management IC(PMIC)은 EFR32 및 EFM32 디바이스에 완벽한 시스템 전력을 제공하는 유연하고 효율적인 다중 출력 전력 관리 IC로, 세 개의 출력 전압 레일 및 주요 셀 배터리 전하 계수 기능을 제공합니다. EFP0111 부스트 부트스트랩 PMIC은 1.7에서 5.2 전압 범위 내에서 작동할 수 있으며, 정지 전류는 150 nA까지 낮아집니다. EFP0111GM20은 1.5에서 5.5볼트까지 다양한 배터리를 지원하며, 다양한 배터리 기술에 대한 유연성을 제공하고 EFR32와 EFM32의 전력 효율성을 향상시킵니다.

Silicon Labs의 Si10xx Sub-GHz Wireless MCU는 5 x 6 mm의 소형 폼 팩터에서 고성능 무선 연결 기술과 초저전력 마이크로컨트롤러 처리를 결합합니다. 이 디바이스는 142에서 1050 MHz까지의 주파수 대역을 지원하며, 고급 패킷 처리 엔진과 최대 146 dB의 링크 버짓 성능을 갖추고 있습니다. TX, RX, 활성 모드 및 슬립 모드 전류를 줄이고 빠른 웨이크업 시간을 지원하여 배터리로 구동되는 애플리케이션의 에너지 소비를 줄이도록 최적화되었습니다. Si106x MCU는 Si108x 디바이스와 핀 호환이 가능하며, 8에서 64 kB의 플래시 용량 스케일과 ADC, 이중 비교기, 타이머 및 GPIO를 포함한 견고한 아날로그 및 디지털 주변 장치를 제공합니다. 모든 디바이스는 802.15.4g 스마트 미터링 표준을 준수하도록 설계되었으며, FCC, ETSI 및 ARIB 사양을 포함한 전 세계 규제 표준을 지원합니다.

결론

에너지 하베스팅 기술은 점점 더 인기를 얻고 있으며, 임베디드 시스템 설계에 제공하는 많은 이점으로 인해 향후 몇 년 안에 더욱 널리 보급될 것으로 예상됩니다. 올바르게 설계된 에너지 하베스팅 시스템은 초기 전원 리셋을 극복한 후에는 무기한으로 작동할 수 있습니다. 신중한 시스템 설계를 통해 에너지 하베스팅 시스템의 수명을 20년 이상 연장할 수 있습니다. 초박형 프로필과 낮은 누설 특성으로 인해 박막 배터리는 에너지 하베스팅 시스템에서 일반적으로 사용됩니다. 메인 전원 공급 장치나 교체 가능한 기존 배터리가 필요 없는 자족 임베디드 시스템을 설계할 수 있는 능력은 새로운 응용 분야의 가능성을 열어주고, 임베디드 시스템 개발에서 새로운 영역으로 나아가는 길을 열어줍니다. Silicon Labs가 소개한 MG22 시리즈 Zigbee SoC 솔루션, EFP0111GM20 친환경 전원 관리 IC, Si10xx Sub-GHz 무선 MCU는 에너지 하베스팅 시스템을 위한 우수한 전력 소비 제어를 제공하여 배터리 교체의 번거로움 없이 임베디드 시스템의 장기적인 운영을 보장할 수 있습니다.