글: 디아무이드 캐리(Diarmuid Carey) 유럽 중앙 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

 

개요

이 글에서는 IoT 배터리 기술에 대해서 설명한다. IoT 용 전원 공급과 관련해서 설계 엔지니어들이 직면한 과제를 설명하고, 아나로그디바이스(Analog Devices)의 솔루션들을 소개한다. 이들 솔루션은 매우 효율적일 뿐만 아니라 IoT 기기의 크기와 무게를 줄이고 발열을 낮춰준다.
산업용, 홈 오토메이션, 의료용 애플리케이션에서 IoT 기기의 활용이 빠르게 늘어남에 따라 이들 디바이스에서 전원 관리 부분을 최적화해야 하는 필요성 또한 높아지고 있다. 이는 폼 팩터를 소형화하거나, 효율을 높이거나, 전류 소모를 개선하거나, (휴대용 IoT 기기의) 충전 시간을 단축하는 것과 같은 여러 방법을 통해서 가능하다. 폼 팩터를 소형화하면서도 발열 면에서 부정적인 영향을 미치거나 이러한 디바이스에 구현된 무선 통신을 방해하지 않아야 한다.
 

IoT란 무엇인가?

IoT 애플리케이션 영역은 무궁무진하게 다양한 형태일 수 있다. 이는 일반적으로 스마트하면서 네트워크로 연결된 전자 기기를 지칭하는 것으로서, 배터리로 구동될 가능성이 높고, 측정된 데이터를 클라우드 인프라로 전송한다. 프로세서, 통신 IC, 센서 등으로 이루어진 임베디드 시스템을 사용해서 데이터를 수집하고, 필요한 조치를 취하고, 네트워크 상의 중앙 통제소나 그 밖에 다른 노드들로 데이터를 전송한다. 단순한 온도 센서가 실내 온도를 중앙의 모니터링 지점으로 보고하는 것에서부터 기계 상태 모니터링 장치가 고가의 기계 장비에 대해 장기간에 걸쳐 노후화를 추적하는 데 이르기까지 다양한 형태를 띌 수 있다.
 
궁극적으로 이러한 디바이스들은 특정 과제를 해결하도록 개발된다. 홈 오토메이션이나 빌딩 오토메이션 같이 사람의 개입이 필요한 작업을 자동화하는 것일 수도 있고, 산업용 IoT 애플리케이션에서 장비의 편의성과 수명을 향상하기 위한 것일 수도 있고, 교량 같은 구조물의 상태 기반 모니터링 애플리케이션으로 안전을 향상시키기 위한 것일 수도 있다.
 

활용 사례

IoT 기기를 활용할 수 있는 영역은 무궁무진해서 매일같이 새로운 IoT 기기와 활용 사례가 등장하고 있다. 예컨대 스마트 송신기 기반 애플리케이션은 주변 환경에 대한 데이터를 수집하고, 온도를 조절하거나 경보를 울리는 것과 같은 결정을 하고. 특정 작업을 자동화할 수 있다. 또는 가스 계량기나 공기질 측정 시스템은 정확한 측정 결과를 클라우드를 통해 통제 센터로 전송할 수 있다. GPS 추적 시스템도 그러한 예이다. 이 시스템은 화물 컨테이너나 스마트 태그를 부착한 가축을 추적할 수 있다. 이들은 클라우드 연결 기기의 일부일 뿐이다. 또 다른 중요한 영역으로서 웨어러블 헬스케어와 인프라 센싱 애플리케이션을 들 수 있다.
특히 빠르게 성장하고 있는 분야가 산업용 IoT(IIoT) 애플리케이션인데, 이는 스마트 공장이 중심 역할을 하는 4차 산업 혁명의 일부를 차지한다. IoT 애플리케이션은 궁극적으로는 가능한 많은 공장을 자동화하기 위한 것으로서 굉장히 다양하다. 이처럼 자동화된 공장들은 무인 운반 차량(AGV)에서부터 RF 태그나 압력 측정기 같은 스마트 센서, 또는 공장 여기저기에 설치된 여러 환경 센서들을 사용한다.
 
ADI는 IoT와 관련해서 다음과 같은 다섯 가지 영역에 초점을 맞추고 있다:

21. 스마트 의료: 임상용 및 컨수머용 활력 징후 모니터링(VSM) 애플리케이션 지원
21. 스마트 공장: 공장을 효율화하고 합리화함으로써 인더스트리 4.0 실현
21. 스마트 빌딩/스마트 시티: 지능형 센싱을 사용한 빌딩 보안, 주차 공간 점유 감지, 온도 및 전력 제어
21. 스마트 농업: 첨단 기술을 활용한 농업 자동화 및 효율적인 자원 활용
21. 스마트 인프라: 상태 기반 모니터링 기술을 적용한 구조물 상태 모니터링

 
이들 영역을 지원하기 위해 ADI가 제공하는 기술들에 관한 자세한 정보는 analog.com/IoT에서 확인할 수 있다.
 

IoT 설계 과제

갈수록 확대되는 IoT 애플리케이션 분야에서 설계 엔지니어가 당면한 핵심 과제들은 무엇일까? 이들 대부분의 기기 혹은 노드들은 나중에 추가적으로 설치되거나 혹은 접근하기 어려운 장소에 설치되기 때문에 전원을 연결하기가 여의치 않을 수 있다. 이러한 이유로 전원을 전적으로 배터리에 의존하거나 에너지 하베스팅을 도입하고 있다.
대단위 설비에 전원을 연결하기 위해서는 상당한 비용이 들어갈 수 있다. 일례로 공장 안에서 멀리 떨어진 IoT 노드로 전원을 연결한다고 가정해 보자. 이 기기에 전원을 공급하기 위해 새로운 전원 케이블을 연결한다면 비용과 시간이 많이 들 것이다. 이러한 노드들에는 배터리 전원이나 에너지 하베스팅을 사용하는 것이 합리적이다.
배터리 전원을 사용하기 위해서는 배터리 수명을 극대화하기 위해서 엄격한 전력 예산을 충족하도록 설계해야 한다. 배터리 수명은 당연히 기기의 총 유지비용에 영향을 미친다. 배터리를 사용할 때 또 다른 까다로운 점은 배터리 수명이 다했을 때 배터리를 교체하는 것이다. 여기에는 배터리 자체 가격뿐만 아니라 배터리를 교체하고 다 사용한 배터리를 폐기하기 위해서 들어가는 비싼 인건비 또한 포함된다.
배터리 비용 및 크기와 관련해서 또 다른 고려사항은, 흔히 10년 이상에 달하기도 하는 수명 요건을 충족하기 위해서 충분한 용량을 확보하고자 배터리를 과잉 설계하기 쉽다는 것이다. 하지만 과잉 설계는 비용과 크기를 증가시킨다. 따라서 전력 예산을 최적화하여 에너지 사용을 되도록 최소화하는 것이 매우 중요하다. 그럼으로써 설계 요구를 충족하면서도 되도록 작은 배터리를 사용할 수 있다.
 

IoT로 전원 공급

이러한 논의의 연장 선상에서 IoT 애플리케이션을 위한 전원으로 고려할 수 있는 방법은 크게 다음의 세 가지를 들 수 있다.

21. 충전불가능한 배터리(일차전지 배터리) 전원 사용
21. 재충전가능 배터리 전원 사용
21. 에너지 하베스팅을 활용해서 시스템 전원 공급

 
애플리케이션에 따라서 이들 방법 중 한 가지만 단독으로 사용하거나 또는 조합해서 사용할 수 있다.

 

일차전지 배터리 애플리케이션

일차전지 배터리 애플리케이션은 다양한 형태일 수 있으며, 배터리 재충전이 불가능하다. 그러므로 가끔씩만 전력을 사용하는 애플리케이션에 적합하다. 다시 말해 가끔씩만 기기를 작동시켰다가 다시 딥 슬립 모드로 전환해서 전력 소모를 최소화하도록 하는 경우이다. 이 방법을 사용할 때의 가장 큰 장점은 에너지 밀도가 높고, 배터리 충전/관리 회로가 필요하지 않으므로 설계를 단순화할 수 있고, 배터리는 더 저렴하고 필요한 전자장치를 줄일 수 있으므로 비용을 낮출 수 있다는 것이다. 그러므로 저비용 저전력 애플리케이션에 적합하다. 하지만 이러한 배터리는 사용 수명이 제한적이므로 전력 소모가 좀더 높은 애플리케이션에는 적합하지 않다. 배터리 가격뿐만 아니라 배터리를 교체하기 위해서 유지관리 기사의 인건비가 들 것이기 때문이다.
많은 수의 노드들로 이루어진 대규모 IoT 설치 사례를 가정해보자. 그러면 어떤 한 기기의 배터리를 교체하기 위해서 기사를 현장에 파견할 때 흔히 인건비를 절약하기 위해서 부근의 모든 배터리를 한꺼번에 교체하고자 할 수 있다. 이는 비용 낭비일 뿐만 아니라 전지구적 차원에서 폐기물 문제를 가중시킨다. 뿐만 아니라 재충전 불가능 배터리는 그 배터리를 제조하기 위해서 사용된 전력의 약 2%밖에 제공하지 못한다. 나머지 98%의 에너지를 낭비하는 것이므로 경제적인 전원이라고는 할 수 없다.
그럼에도 불구하고 이 방법은 IoT 기반 애플리케이션에서 확실한 자리를 잡고 있다. 초기 비용이 상대적으로 낮다는 점에서 저전력 애플리케이션에 사용하기에 유리하기 때문이다. 또한 다양한 배터리 형태와 크기를 이용할 수 있으며, 충전이나 관리를 위한 추가적인 전자장치를 필요로 하지 않으므로 설계를 단순화한다.
설계 관점에서 가장 중요한 과제는 이 같이 제한된 전원으로부터 제공되는 에너지를 최대한 활용하도록 하는 것이다. 그러기 위해서는 흔히 10년 이상에 이르기도 하는 배터리 수명을 극대화하기 위해서 전력 예산을 잘 짜야 한다.
일차전지 배터리 애플리케이션 용으로는 ADI의 나노파워 제품군 중에서 두 제품을 고려할 만하다. LTC3337 나노파워 쿨롱 카운터와 LTC3336 나노파워 벅 레귤레이터이다(그림 1).
LTC3336은 저전력 DC-DC 컨버터로서, 최대 15V 입력으로 동작하고 피크 출력 전류 레벨을 프로그램할 수 있다. 최저 2.5V 입력으로 동작할 수 있으므로, 배터리 구동 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.
무부하 조건일 때에는 대기 전류(quiescent current)가 65nA로 극히 낮다. DC-DC 컨버터로서 새로운 디자인을 개발할 때 손쉽게 셋업하고 사용할 수 있다. OUT0부터 OUT3까지 핀들을 어떻게 연결하냐에 따라서 출력 전압을 프로그램할 수 있다.
LTC3336의 컴패니언 디바이스인 LTC3337은 나노파워 일차전지 배터리 상태 모니터링 및 쿨롱 카운트 디바이스이다. 이 디바이스 역시 새로운 제품을 개발할 때 편리하게 사용할 수 있다. 5mA ~ 100mA 범위에서 필요한 피크 전류에 따라서 IPK 핀들을 연결하면 된다. 선택한 배터리에 따라서 몇 가지 계산을 실시하고 선택한 피크 전류에 따라서 권장 출력 커패시터를 탑재한다. 이에 관해서는 데이터 시트를 참고하면 있다.
궁극적으로 이 제품은 전력 예산이 제한된 IoT 애플리케이션에서 훌륭한 조합을 이룬다. 이 두 디바이스를 함께 활용하면 일차전지 배터리로부터 에너지 사용을 정확하게 모니터링하고 출력을 사용 가능한 시스템 전압으로 효율적으로 변환할 수 있다.
 

그림 1: LTC3337과 LTC3336을 사용한 애플리케이션 회로의 예시

 

재충전가능 배터리 애플리케이션

이번에는 재충전가능 배터리 애플리케이션을 살펴보자. 이 방법은 좀더 높은 전력을 소모함으로써 일차전지 배터리 교체 빈도가 적합하지 않은 IoT 애플리케이션용으로 적합하다. 재충전가능 배터리 애플리케이션은 배터리 자체 가격과 충전 회로 때문에 구현 비용이 더 높아지는데, 전력 소모가 좀더 높은 애플리케이션에서 배터리가 고갈되었을 때 수시로 충전할 수 있으므로 이 구현 비용을 금방 상쇄할 수 있다.
재충전가능 배터리 애플리케이션은 배터리 소재를 어떤 것을 사용하느냐에 따라 초기 에너지가 일차전지보다 낮을 수 있으나, 장기적으로 보았을 때 더 효율적인 방법이며 전반적으로 폐기물을 줄일 수 있다. 필요한 전력대에 따라서 커패시터나 수퍼커패시터를 사용한 저장도 가능한데, 이것은 잠깐 동안의 백업 용도로 주로 사용된다.
배터리 충전은 사용되는 소재에 따라서 충전 프로파일이 다를 수 있다. 예컨대 그림 2는 리튬이온 배터리 충전 프로파일을 보여준다. 가로 축은 배터리 전압이고, 세로 축은 충전 전류이다.
 

그림 2: 배터리 전압 대비 충전 전류

그림 3: 시간에 따른 충전 전압/전류
 
그림 2의 왼쪽 부분에서 보듯이 배터리가 심하게 방전되면 차저가 충전 준비 모드로 전환해서 배터리 전압을 안전한 수준으로 서서히 끌어올리다가 정전류 모드로 돌입한다.
정전류 모드에서는 차저가 배터리로 미리 정해진 전류를 주입한다. 그렇게 해서 배터리 전압이 프로그램된 플로트 전압으로 상승한다.
배터리 유형에 따라 전류와 전압을 프로그램할 수 있다. 충전 전류는 C-rate(충전률)와 필요한 충전 시간에 따라 제한되고, 플로트 전압은 배터리 안전 수준에 따라 좌우된다. 시스템의 필요에 따라서 시스템 설계 엔지니어가 배터리 수명 측면에서 플로트 전압을 약간 낮출 수 있다. 모든 것이 그렇듯이 절충의 문제이다.
플로트 전압에 도달하면 충전 전류가 0으로 떨어지고 완료 알고리즘에 따른 시간 동안 이 전압이 유지된다.
그림 3은 또 다른 예로서 3셀 애플리케이션에서 시간에 따른 동작을 보여준다. 빨간색은 배터리 전압이고, 파란색은 충전 전류이다. 정전류 모드로 시작해서 2A를 유지하다가 배터리 전압이 12.6V의 정전압 임계값에 도달한다. 완료 타이머가 지정한 시간 길이(이 예의 경우에 4시간) 동안 차저는 이 전압 수준을 유지한다. 많은 차저 제품이 이 시간을 프로그램할 수 있다.
아나로그디바이스의 기술원고 “어떤 배터리 소재로든 설계를 간소화하는 배터리 차저 IC”에서는 배터리 충전에 관한 더 많은 정보와 추천 제품에 관해서 볼 수 있다.
그림 4는 범용성이 뛰어난 벅 배터리 차저 제품인 LTC4162를 나타낸 것이다. LTC4162는 최대 3.2A 충전 전류를 제공하며, 다양한 휴대용 기기나 대용량 배터리나 다중셀 배터리를 필요로 하는 애플리케이션에 적합하다. 태양광 소스로 충전할 때도 사용할 수 있다.
 

그림 4: 3.2A 벅 배터리 차저 제품 ‘LTC4162’

 

에너지 하베스팅 애플리케이션

IoT 애플리케이션용 전원 소스를 설계할 때 생각해볼 수 있는 또 다른 옵션은 에너지 하베스팅을 사용하는 것이다. 이 방법의 경우, 시스템 설계 엔지니어가 고려해야 할 것이 많기는 하지만 공짜 에너지를 사용할 수 있다는 것은 결코 과소평가할 수 없는 이점이다. 특히 전력 요구량이 높지 않고 접근하기 어려운 장소에 설치되는 애플리케이션에 적합하다.
에너지 하베스팅을 위해서는 다양한 에너지원을 활용할 수 있으며, 반드시 옥외 애플리케이션이어야 하는 것도 아니다. 태양광뿐만 아니라 압전 및 진동 에너지, 열전 에너지를 포집할 수 있으며, 극히 낮은 전력 수준을 갖기는 하지만 RF 에너지를 하베스팅할 수도 있다.
그림 5는 각 포집 기법에 따른 대략적인 에너지 수준을 보여준다.
 

그림 5: 다양한 에너지원과 대략적인 에너지 수준
 
단점이라면, 앞서 소개한 전원 기법들에 비해 초기 비용이 높다는 것이다. 태양광 패널, 압전 수신기, 펠티에 소자 같은 포집 소자가 필요하고 에너지 변환 IC와 그에 따른 부품들이 필요하기 때문이다.
또 다른 단점은 전반적인 솔루션 크기다. 특히 코인 셀 배터리 같은 전원과 비교했을 때 그렇다. 에너지 하베스팅 장치와 변환 IC를 사용해야 하므로 솔루션 크기를 작게 하기가 어렵다.
효율 측면에서 이 방법은 낮은 에너지 수준을 관리하기가 까다로울 수 있다. 이러한 많은 에너지원이 AC이고 그로 인해 정류가 필요하기 때문이다. 이를 위해 다이오드를 사용하는데, 다이오드의 근본적인 특성으로 인한 에너지 손실을 다루어야 한다. 입력 전압을 높이면 이로 인한 영향을 낮출 수 있으나, 이게 항상 가능한 것은 아니다.
에너지 하베스팅을 논의할 때 가장 먼저 떠올릴 수 있는 제품이 ADP590x 제품군의 제품들과 LTC3108이다. LTC3108은 다양한 에너지 하베스팅 소스를 지원할 수 있으며, 다중의 전원 경로를 포함하고 충전 관리 파라미터들을 프로그램할 수 있으므로 설계 유연성을 높인다. 다양한 에너지원을 사용해서 ADP509x를 구동할 뿐만 아니라 배터리를 충전하고 시스템 부하를 구동할 수 있다. 태양광(실내와 실외 모두 가능)과 열전 발전기부터, 웨어러블 애플리케이션에서 체열로부터 열 에너지를 추출하거나 엔진 열로부터 에너지를 추출하는 것에 이르기까지 다양한 형태의 에너지원을 사용해서 IoT 노드를 구동할 수 있다. 압전 소스로부터 에너지를 포집할 수도 있다. 이는 또 다른 차원의 유연성을 가능하게 한다. 예컨대 작동 중인 모터로부터 전력을 추출할 수 있다.
 

그림 6: ADP5090을 사용한 하베스팅 애플리케이션의 블록 다이어그램
 
압전 소스로 구동할 수 있는 또 다른 기기로는 ADP5304를 들 수 있다. ADP5304는 극히 낮은 대기 전류로 동작하므로(무부하 시 260nA 정격) 저전력 에너지 하베스팅 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 이 제품의 데이터 시트는 압전 소스를 사용해서 ADC나 RF IC로 전력을 공급하기 위한 에너지 하베스팅 애플리케이션 회로에 대해서 설명하고 있다(그림 7).
 

에너지 관리

전력 예산이 제한적인 애플리케이션에서 또 다른 중요한 고려사항은 에너지 관리이다. 이것은 각기 다른 전원 관리 솔루션을 검토하기에 앞서서 해당 애플리케이션이 필요로 하는 전력 예산을 계산하는 것에서부터 시작된다. 이것은 시스템 설계 엔지니어가 시스템에 사용되는 주요 부품들은 어떤 것들이며, 각 부품들이 얼마나 많은 에너지를 필요로 하는지 이해하기 위한 필수적인 단계이다. 이 계산에 따라서 일차전지 배터리를 사용할지, 재충전가능 배터리를 사용할지, 에너지 하베스팅을 사용할지, 또는 이들 방법을 조합하여 사용할지 결정할 수 있다.
IoT 기기가 신호를 포착하고 이것을 중앙 시스템이나 클라우드로 전송하는 빈도 역시 에너지 관리와 관련해서 중요한 고려 사항이다. 이 빈도는 전반적인 전력 소모에 중대하게 영향을 미친다. 이를 위해 가장 흔히 사용하는 기법은 전력 사용을 듀티 사이클로 제어하거나, 기기가 데이터를 포착하고 전송하기 위해서 기동하는 시간 사이의 간격을 늘리는 것이다.
(가능하다면) 각 부품들에 대기 모드를 사용하는 것도 시스템 에너지 소모를 관리하기 위해서 유용한 방법이다.
 

그림 7: ADP5304를 사용한 압전 소스 애플리케이션 회로

 

맺음말

다른 모든 전자 애플리케이션과 마찬가지로 시스템의 전원 관리 부분은 되도록 설계 작업의 조기 단계에서부터 고려해야 한다. IoT 같이 전력 제한적인 애플리케이션에서는 특히 더 그렇다. 되도록 조기에 전력 예산을 이해할수록 시스템 설계 엔지니어가 해당 애플리케이션에 가장 효율적인 경로와 적합한 기기들을 찾아내고 소형화된 솔루션 크기로 높은 에너지 효율을 달성할 수 있다.
 

참고문헌

Dostal, Frederik. “New Advances in Energy Harvesting Power Conversion.” Analog Dialogue, Vol. 49, No. 3, September 2015.
Knoth, Steve. “Simple Battery Charger ICs for Any Chemistry.” Analog Dialogue, Vol. 53, No. 1, January 2019.
Murphy, Grainne. “Internet of Things (IoT): What’s Next.” Analog Devices, Inc., January 2018.
Pantely, Zachary. “One-Size-Fits-All Battery Charger.” Analog Devices, Inc., September 2018.

 

저자 소개

디아무이드 캐리(Diarmuid Carey)는 아일랜드 리머릭에 위치한 ADI 유럽 중앙 애플리케이션 센터의 애플리케이션 엔지니어이다. 2008년부터 애플리케이션 엔지니어로 일해 왔으며, 2017년에 ADI에 합류해서 Power by Linear 제품에 대한 유럽 지역 고객들의 설계 지원을 맡고 있다. 리머릭 대학에서 컴퓨터 공학 학사학위를 취득했다. 문의: diarmuid.carey@analog.com