무전원 사물인터넷(IoT) 센싱 디자인을 위한 핵심, 초저전력 기술에 대하여 ②

최태우 기자 / 기사승인 : 2020-01-09 13:00:24
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▲ [source=alibaba damo academy]
처리 및 무선 서브시스템의 과제를 해결하기 위해, 앞서 온세미컨덕터는 RSL10 시스템패키지에 초저전력 기술을 결합한 솔루션을 선보인 바 있다. RSL10 SIP에는 무선 SoC, 내장 안테나, 통합 전원관리 및 필요한 모든 수동회로 요소가 포함되어 있다.

딥슬립 모드의 경우는 62.5nW, 수신 모드의 경우는 7mW로 전력 소비량이 낮다. RSL10 SiP는 공급 전압에서 1.1V까지 작동하며 플래시 및 RAM이 내장되어 있다. 동시에 메모리 보호 기능을 갖춘 FOTA(Firmware Over The Air) 업그레이드가 가능하며 CE 및 US FCC 승인 등 전 세계 규제 표준에 따라 인증된 상태다.

그 결과 RSL10 SiP와 초저전력 BME280 및 BMA400 센서의 결합은 물론 CT203 디지털 온도계(digital thermometer)와 알람까지 결합해 RSL10 태양전지 다중-센서 플랫폼(그림 1)을 구현한 바 있다.
▲ 그림 1. RSL10 태양전지 다중센서 플랫폼은 태양전지판에 부착되며 블루투스 저에너지를 통해 센서 데이터를 전송할 수 있다.
현재 이 배터리 없는 센서 노드는 공급 가능하며 블루투스LE를 사용하여 게이트웨이 또는 스마트폰과 같은 허브에 연결된다. 또 사용자의 목적에 맞게 수정이 가능하도록 소스코드, 회로도(schematics) 및 거버 파일(Gerber file)과 함께 제공된다.

RSL10 다중-센서 플랫폼의 특징인 초저전력 기술은 10ms 미만의 시간 프레임 내에서 환경 및 관성 데이터를 수집하고 전송할 수 있는 점이다. 평균 전류는 약 10mA 수준이다. 이를 실제 적용하기 위해서는 에너지 하베스팅 서브시스템이 적절한 사용률로 작동할 때, 이 작동을 지원할 수 있는 충분한 에너지만 공급되면 된다.

태양열과 같은 주변 자원으로부터 에너지를 하베스팅할 수 있는 비율은 일반적으로 낮기 때문에, 그 해결안 중 하나는 시스템 에너지 수요와 관련하여 소위 에너지 회수율(gain factor)을 구현하는 것이다.

예를 들어, 에너지를 1초간 축적하고 센서를 10밀리초 작동시키면 100의 에너지 회수율이 생성되는 것을 볼 수 있다. 10초 동안 하베스팅하고 5ms 동안 탐지/전송하면 2000의 에너지 회수율을 얻게 된다.

초당 1회 10ms 프로토콜 전송을 위해 RSL10 태양전지 다중-센서 플랫폼을 구동하면, 하베스팅된 에너지 회수율은 약 100이다. 이론적으로 전송회선에 10초간 계속 하베스팅한다면 에너지 회수율은 1000이 될 것이다.

이 수치를 근거로 태양열 하베스터가 각 1초 또는 10초 간격으로 전송하기 위해서는 10mA/100 = 100μA 또는 10mA/1000 = 10μA의 전류원이 공급되어야 한다. 이 정보는 RSL10 태양전지 다중-센서 플랫폼을 구동하는 데 적합한 태양열 모듈을 선택하는 데 도움이 될 것이다. 그리고 탑재된 2포트 커넥터를 사용하여 연결할 수 있다.

리브스 테크 FlexRB-25-7030 태양열 모듈(Ribes Tech FlexRB-25-7030 solar module)은 초당 최대 약 1회 정도의 속도로 10ms 데이터 전송을 수행하기에 충분한 200룩스(Lux)에서 16μA 또는 1000룩스에서 80μA를 공급함으로써 해당 요건을 거의 정확하게 충족한다(그림 2).

▲ 그림 2. RSL10 태양전지 다중-센서 플랫폼은 200 룩스로 16μA를 공급할 수 있는 상용 태양열 패널로 시연되었다.

200룩스는 북유럽 흐린 겨울 오후 낮 동안의 전형적인 실내 자연광량이다. 더 밝은 햇빛, 추가의 인공광원 혹은 태양열 모듈을 야외 또는 창문 근처에 배치하면, 수백 룩스 정도의 조명을 증가시킬 수 있다.

하베스팅된 주변 에너지는 일반적으로 해당하는 애플리케이션 요건에 따라 콘덴서 또는 충전식 배터리에 저장된다. 에너지 밀도가 낮은 콘덴서는 여타의 배터리보다 적은 에너지를 저장한다(그림 3). 따라서 주변의 빛이 충분하지 않을 경우, 장시간 활성 상태를 유지해야 하는 태양열 발전 애플리케이션에서 이차전지가 선호될 수 있다.
 

▲ 그림 3. 에너지 저장용 배터리 및 콘덴서 기술 비교도
에너지 저장장치 선택은 충전과 방전을 제어하기 위한 배열을 고려해야 한다. 배터리는 과충전 및 과방전 방지가 필요하다. 이를 위해, 스위칭 안정기(switching regulator) 및 그와 관련된 추가 IC 및 외부 장치 도입이 필요할 수도 있다.

반면 적절한 전압 정격을 가진 콘덴서는 충전 회로나 보호 부품이 필요하지 않다. 그러나 경우에 따라 출력 전압 조절이 필요하다.

RSL10 센서 플랫폼은 로우 프로파일 47μF 저장 콘덴서(low-profile 47 µF storage capacitor)를 갖추고 있으며 온세미컨덕터의 NCP170을 사용하여 전압을 조절한다. NCP170은 초저 대기전류(ultra-low quiescent current)를 가진 저손실 타입 리니어 레귤레이터(LDO)다.

저장 콘덴서는 주변 조명이 강하고 어둠이 장기간 지속되지 않을 것이라고 예상되는 장소에 배치할 수 있다.

 

이러한 점에서 지속적인 운용이 가능하다. 모듈은 블루투스5의 비콘 모드(beacon mode)를 활용, 펌웨어를 포함하여 미리 프로그램되어 제공되며 센서데이터와 시스템 상태 데이터를 포함한다. 이 펌웨어는 iOS, 안드로이드 BLE 스캐너 애플리케이션(Android BLE Scanner application)과도 호환된다.

일반적인 시스템 전력수요와 에너지 수확 시스템이 하베스팅한 에너지의 양의 격차는 점차 줄어들고 있다.

에너지 하베스팅 기술이 현재 많은 발전을 해왔지만 이와 동시에 초저전력 반도체 기술과 블루투스LE와 같은 효율적인 무선 전송 프로토콜의 끊임없는 개발 덕분에 진정 배터리 없는 IoT 엔드포인트가 실현되고 있다. 위에 언급한 RSL10 태양전지 다중-센서 플랫폼은 무전원 센서를 활용함으로써 광범위한 IoT 구축-개발을 가속화하는 이상적인 사례라고 할 수 있다. 

 

 

글 : 브루노 데미안(Bruno Damien) / IoT 전략 마케팅 디렉터 / 온세미컨덕터

 

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