IoT 기기의 배터리 전원 효율을 향상하는 방법
 
글: 수르야시 라이(Suryash Rai) 제품 담당 AE / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
 

개요

이 글에서는 IoT 기기의 배터리 전원 효율을 크게 향상시킬 수 있는 방법에 대해 알아본다. 먼저 배터리 관리에 대해서 간략하게 짚어본 다음, 나노파워 쉽 모드와 슬립 모드가 어떤 중요한 역할을 할 수 있는지 살펴본다. 끝으로, 배터리 관리의 이 두 측면을 최적화하고 그럼으로써 전력 소비를 줄이고 기존 방식보다 보드 공간을 절약하는 새로운 솔루션을 소개한다.
 

머리말

모든 것이 연결되는 인터넷 세상에서, 사물 인터넷(IoT)은 다양한 유형의 센서 노드를 연결하고 이를 통해 포착된 데이터를 서버로 안전하게 전송하는 중요한 역할을 한다. 이러한 IoT 애플리케이션에서 전원 효율을 높이기 위해서는 전원 관리가 중요하다.
 
대부분의 IoT 애플리케이션에서 센서 노드(데이터 포착 장치)는 원격지에 설치되고 배터리로 구동된다. 이러한 애플리케이션에서는 센서 노드의 전원을 어떻게 설계하는가에 따라서 배터리 수명이 크게 좌우된다. 센서 노드는 대부분의 시간은 슬립 모드에 있다가 데이터를 포착할 때만 깨어나서 동작을 실행한다. 이러한 기기들은 듀티 사이클이 낮다. 따라서 이러한 IoT 애플리케이션에서 배터리 수명을 극대화하기 위해서는 슬립 전류를 향상시켜야 한다.
 

IoT 기기에서 전원 관리의 기초

그림 1에서 보듯이, 통상적인 IoT 시스템의 대부분의 무선 센서 노드는 배터리로 구동되어 근본적으로 배터리 수명으로 인한 제약이 따른다. 따라서 센서 노드의 배터리 수명 극대화를 위해서는 전원 관리가 중요하다. 센서 노드에서 전력을 절약하기 위해 흔히 사용되는 기법이 듀티 사이클 개념이다. 무선 센서 노드의 전력 소모는 다음의 세 가지 요소들로 이루어진다:

• 센서
• 마이크로컨트롤러(MCU)
• 무선 동작

 
센서는 온도와 습도 같은 데이터를 포착하고 이 데이터를 마이크로컨트롤러로 전송한다. 마이크로컨트롤러는 이 원시 데이터를 처리하고 처리된 데이터를 무선 링크를 통해서 클라우드나 데이터 센터로 전송한다. 통상적인 센서 애플리케이션은 극히 낮은 듀티 사이클로 동작하고(0.01 ~ 1%) 대부분의 시간을 슬립 모드로 보내므로, 전원 관리 전략을 도입하여 초저 슬립 전류로 배터리 수명을 연장할 수 있다. 이러한 애플리케이션의 예로서, 센서 노드가 토양 수분을 측정하고 이 데이터를 한 시간에 한 번씩 전송하는 지능형 관수 시스템을 들 수 있다.
 

그림 1: IoT 시스템 빌딩 블록

 

쉽 모드와 슬립 모드의 역할

쉽 모드(ship mode)와 슬립 모드는 배터리 구동 IoT 기기와 관련해서 흔히 사용되는 전문 용어로서, IoT 애플리케이션의 전원 관리에 있어서 중요한 역할을 한다. 쉽 모드는 제품 출하 단계에서 나노파워 상태를 유지함으로써 배터리 수명을 연장하도록 한다. 쉽 모드 시에는 배터리를 시스템 부하로부터 전기적으로 차단함으로써 제품이 사용되지 않는 동안에 전력 소모를 최소화한다. 제품을 사용하려면 푸시 버튼을 눌러 쉽 모드에서 빠져나와 정상 동작을 시작할 수 있다.
 
장치가 가동에 들어간 다음에는 슬립 모드를 사용해서 배터리 수명을 늘릴 수 있다. 슬립 모드일 때는 시스템의 모든 주변장치들을 셧다운하거나 최소한의 전력만을 소모한다. IoT 기기가 주기적으로 슬립 모드에서 기동하고 특정 작업을 수행하고 다시 슬립 모드로 전환한다.
 
무선 센서 노드의 다양한 주변장치들을 저마다 다르게 정지시킴으로써 다양한 슬립 모드를 달성할 수 있다. 예를 들어서 모뎀 슬립(modem sleep) 모드는 통신 블록만을 정지시키고, 라이트 슬립(light sleep) 모드는 통신 블록, 센서 블록, 디지털 블록을 포함한 대부분의 블록을 정지시킨다. 딥 슬립 모드는 전체 무선 센서 노드를 정지시킨다.
 
센서 노드에 딥 슬립 모드를 적용함으로써 배터리 수명을 극대화할 수 있다. 따라서 딥 슬립 전류를 최적화하는 것이 전반적인 배터리 수명을 향상시킬 수 있는 가장 좋은 방법이다.
 

듀티 사이클링 기법을 활용하는 딥 슬립 모드

IoT 모듈에 딥 슬립 모드를 구현하기 위해 널리 사용되는 기법 중의 하나가 듀티 사이클링이다. 무선 센서 노드가 딥 슬립 상태이면 대다수 주변장치가 꺼져 있거나 셧다운 모드이므로 몇 나노암페어의 전류만을 소모한다. 지정된 타임아웃 시간이 경과하면 RTC(Real Time Clock) 같은 타임 키핑(time-keeping) 디바이스가 IoT 모듈을 기동시킨다. 이 기법에서는 시스템이 딥 슬립 모드이면 마이크로컨트롤러도 완전히 꺼진다. 시스템이 다시 기동할 때 스타트업 부트 시간이 걸리고 이 때문에 원치 않는 지연이 발생된다. 그러므로 각 노드의 특성과 애플리케이션의 듀티 사이클에 따라서 이 기법이 어떻게 영향을 미칠지 고려해야 한다.
 

딥 슬립 모드와 출하 모드를 위한 기존 솔루션: RTC, 부하 스위치, 푸시 버튼 컨트롤러 사용

기존 솔루션은 부하 스위치와 RTC를 사용해서 무선 센서 노드의 전원을 켜고 끈다. 이 접근법은 부하 스위치와 RTC만 켜놓음으로써 총 대기 전류(total quiescent current)를 나노암페어로 낮출 수 있다. 슬립 시간은 무선 센서 노드의 마이크로컨트롤러를 사용해서 프로그램할 수 있다.
 
외부 푸시 버튼 컨트롤러를 부하 스위치에 연결해서 쉽 모드 기능을 구현할 수 있다. 외부 푸시 버튼을 누르면 쉽 모드에서 빠져나오고, 무선 센서 노드가 정상 동작으로 들어간다.
 

그림 2: 디스크리트 솔루션의 블록 다이어그램

 

딥 슬립 모드와 출하 모드를 위한 개선된 솔루션

MAX16163/MAX16164는 아나로그디바이스(Analog Devices)의 나노파워 컨트롤러 제품으로서, 온/오프 컨트롤러를 포함하고 있고 슬립 시간을 프로그램할 수 있다. 출력 게이팅을 위한 전력 스위치를 포함하고 있으며, 최대 200mA의 부하 전류를 제공한다. MAX16162/MAX16163을 사용하면 기존 방식의 부하 스위치, RTC, 배터리 리프레시 실(battery refreshness seal) IC를 대체함으로써 BOM을 줄이고 시스템 비용을 절감할 수 있다. MAX16162/MAX16163을 통해서 무선 센서 노드 유닛을 배터리에 연결한다. 슬립 시간은 마이크로컨트롤러를 사용해서 프로그램하거나, PB/SLP에서 외부 저항을 사용해서 설정하거나, 마이크로컨트롤러로부터 I²C 명령을 사용해서 프로그램할 수 있다. 외부 푸시 버튼을 사용해서 쉽 모드에서 빠져나온다.
 

그림 3: MAX16163을 사용한 통합 솔루션

 

솔루션 성능 비교

이들 솔루션의 성능은 IoT 애플리케이션의 듀티 사이클에 따라서 좌우된다. 듀티 사이클이 낮은 애플리케이션에서, 슬립 전류는 시스템이 얼마나 효율적인가를 좌우하는 척도이고, 셧다운 전류는 출하 모드 전력 소모를 좌우하는 척도이다. 이 솔루션의 모드를 시연하기 위해, 업계에서 대기 전류가 가장 낮은 RTC로서 MAX31342, 배터리 리프레시 실 MAX16150, 초소형 부하 스위치 TPS22916을 선택했다. I²C 통신을 사용해서 RTC를 프로그램해서 IoT 애플리케이션의 슬립 시간을 설정하고, 타이머가 경과하면 인터럽트 신호가 MAX16150의 PBIN 핀을 풀다운해서 OUT을 하이(high)로 설정하여 부하 스위치를 턴온한다. 슬립 모드일 때 TPS22916, MAX31342, MAX16150만이 시스템 전력을 소모한다.
 

표 1: 기존 솔루션의 각 블록별 전류 소모

그림 4: 디스크리트 솔루션 회로도
 
고정된 듀티 사이클의 기존 솔루션과 MAX16163 기반의 개선된 솔루션의 성능을 실험을 통해 비교했다. 평균 부하 전류와 배터리 용량을 이용해 배터리 수명을 계산할 수 있다.
 

 
평균 부하 전류는 시스템 듀티 사이클을 이용해 계산할 수 있다.
 


동작 전류(active current)는 무선 센서 노드가 작동할 때 시스템 전류이다. 두 솔루션을 비교하기 위해, 시스템이 매 두 시간마다 한 번씩 기동하고 특정 작업을 수행한 다음에는 다시 슬립 모드로 돌아간다고 가정해보자. 시스템 동작 전류는 5mA이다. 배터리 수명은 동작 듀티 사이클에 따라서 달라진다. 그림 5는 0.005 ~ 0.015%까지 듀티 사이클로 두 솔루션의 배터리 수명을 보여준다.
 

그림 5: 무선 센서 노드의 듀티 사이클에 따른 배터리 수명
 

표 2: 두 솔루션 비교

 
이 글에서는 폭발적으로 증가하는 IoT 기기의 배터리 전원 관리가 어떤 중요한 역할을 하는지 살펴보았다. 쉽 모드와 슬립 모드를 최적화하는 것이 배터리 효율을 향상시키기 위한 가장 좋은 방법이라는 것을 알 수 있다. ADI의 MAX16163을 사용함으로써 이들 기능을 좀더 정밀하게 최적화할 수 있다. 이 솔루션은 기존 방법에 비해서 배터리 수명을 20% 연장하고(그림 5에서 0.007% 듀티 사이클 동작일 때) 솔루션 크기를 60%까지 줄이도록 한다.
 

저자 소개

수르야시 라이(Suryash Rai)는 2016년부터 아나로그디바이스(Analog Devices)의 애플리케이션 엔지니어로 재직하고 있으며 보호 IC 제품을 맡고 있다. 인도 국립 공과대학 카르나타카 캠퍼스에서 통신공학 석사학위를 취득했다. 현재 캘리포니아주 산호세에 거주하고 있으며 요리하고 여행하고 새로운 친구를 사귀는 것을 좋아한다.