에너지 하베스팅으로 안정적인 엣지 IoT 디바이스 구현하기

조직들이 디지털 트랜스포메이션을 수용하면서 IoT 배포가 가속화되고 있으며, 도시, 공장, 농장 전반의 스마트 라이프는 삶의 질과 지속 가능성을 개선할 것으로 기대됩니다.

IoT 엔드포인트는 일반적으로 센서(또는 드물게 액추에이터)로, 애그리게이터나 인터넷 게이트웨이에 무선으로 연결됩니다. 이들은 대량으로 배포되며 넓은 지역에 분산되어 있습니다. 방전된 일차 전지 교체와 같은 현장 유지보수는 종종 비용이 너무 많이 들고 용납할 수 없는 환경 폐기물을 발생시킵니다.

엔지니어들은 예상 수명(보통 수년) 동안 충분한 에너지 저장소를 갖도록 엔드포인트를 설계함으로써 배터리 교체를 방지할 수 있습니다. 크기 제약 때문에 코인 셀 폼 팩터가 일반적으로 선호됩니다. 저장된 에너지가 부족하면 더 큰 셀을 사용할 수 있습니다.

또는 전체 전력 소모를 사용 가능한 셀 저장소 이하로 낮추도록 회로를 재설계하는 것도 도움이 됩니다. 두 전략 중 하나 또는 둘 다를 혼용해도 여전히 목표에 미치지 못할 수 있습니다.

마이크로와트 또는 밀리와트 단위의 전력을 생산하는 마이크로 에너지 하베스팅은 주변 환경에서 포착한 잠재적으로 무한한 전기 공급원을 제공합니다. 애플리케이션과 사용 가능한 주변 에너지에 따라 일차 전지를 보완하거나 대체할 수 있습니다. 어떤 경우에는 수확 및 변환된 에너지가 회로를 직접 구동할 수 있고, 다른 경우에는 필요할 때까지 버퍼에 저장하는 것이 더 적합합니다.

어떤 경우든 애플리케이션의 요구를 충족할 수 있는 적절한 주변 에너지원이 필요합니다. IoT 엔드포인트의 다양한 서브시스템 중 무선 장치가 가장 많은 에너지를 소비합니다. 그 요구 사항을 분석하면 에너지 하베스팅 시스템의 설계와 통합을 안내할 수 있습니다.

무선 서브시스템 전력 소비

필요한 데이터 속도와 통신 범위를 가능한 가장 낮은 전력 소비로 제공하는 가장 적합한 무선 기술을 선택하는 것이 중요합니다.

센서가 허브, 라우터, 로컬 텔레콤 교환기 등 인터넷에 연결된 애그리게이터나 게이트웨이에서 가까운 거리에만 배치되는 경우, 필요한 데이터 속도와 비용 제약에 따라 블루투스, 지그비, 와이파이 같은 기술이 적절할 수 있습니다. 넓은 지리적 지역에 분산된 엔드포인트의 경우 LPWAN이나 셀룰러 연결이 필요할 수 있습니다. 그림 1은 IoT 애플리케이션에 사용되는 주요 기술들의 전력 소비, 데이터 속도, 일반적인 최대 범위, 상대적 비용을 비교합니다.

범위, 데이터 속도, 전력 소비는 직접 비교를 돕기 위해 수치로도 표현할 수 있습니다. 그림 2에서 보듯이 무선 서브시스템은 최소 150µW에서 최대 400mW까지 소비할 수 있습니다.

시스템의 전체 에너지 수요에 미치는 영향을 완전히 이해하려면 듀티 사이클을 고려해야 합니다. 스마트 유틸리티 미터 같은 애플리케이션은 하루에 몇 번 또는 며칠에 한 번 작은 데이터 패킷을 전송합니다. 보안 카메라 같은 다른 애플리케이션은 대량의 데이터를 자주 또는 지속적으로 전송해야 할 수 있습니다. 애플리케이션에 따라 데이터를 로컬에서 필터링해 전송하기 전에 처리함으로써 듀티 사이클을 줄일 수 있습니다. 예를 들어 카메라는 움직임을 감지할 때만 녹화를 시작하는 모션 센서를 포함하거나, 흥미 없는 프레임을 버리는 임베디드 이미지 처리를 할 수 있습니다. 데이터를 필터링하는 데 필요한 에너지를 더 낮은 듀티 사이클로 인한 절감 효과와 비교해 순이익이 있는지 확인해야 합니다.

주변 에너지원

무선 서브시스템의 에너지 요구 사항을 명확히 파악한 후, 적합한 주변 에너지원과 마이크로 에너지 하베스팅 기술을 평가할 수 있습니다.

이러한 시스템에 전력을 공급할 수 있는 주요 마이크로 에너지 하베스팅 기술로는 태양전지 어레이, 진동으로 작동하는 압전 또는 정전 변환기, 온도 기울기를 기전력(EMF)으로 변환하는 펠티어 장치가 있습니다. 패치 또는 코일 안테나를 통해 포착된 RF 에너지는 일반적으로 가장 절약적인 IoT 애플리케이션에만 적합합니다. 그림 3은 이러한 기술들의 일반적인 에너지 밀도를 비교합니다. 이 정보를 사용해 컴포넌트 크기와 성능을 평가함으로써 기술을 선택하고 사양을 개발할 수 있습니다.

약 20% 효율을 가정할 때 35~40cm² 면적의 태양전지는 약 0.5W를 생성할 수 있습니다. 이 셀들은 대량 구매 시 개당 1달러 미만으로 구입 가능하지만, 압전 하베스터는 일반적으로 최소 한 자릿수 더 비싸고 더 적은 에너지를 생산합니다. 태양전지는 실내에서 효율이 떨어지지만, 최근 실내 하베스터들은 저전력 무선 장치에 충분한 출력을 제공한다고 주장합니다.

모든 것 종합하기

이러한 발전을 활용해 마이크로 에너지 하베스팅은 IoT 엔드포인트의 배터리를 줄이거나 없앨 수 있습니다. 주변 에너지원은 불규칙하고 디바이스가 데이터를 전송하거나 수신해야 할 때 사용 가능하지 않을 수 있으므로, 충전식 배터리, 커패시터, 슈퍼커패시터 같은 에너지 버퍼가 보통 필요합니다. 에너지 하베스팅 전력 관리 IC(EH PMIC)는 하베스팅 서브시스템의 에너지를 관리하고 버퍼를 충전하며 필요할 때 부하에 전력을 공급합니다(그림 4 참조). 서로 다른 하베스팅 기술은 고유한 전기적 특성을 가집니다. 열전 하베스터는 연속적인 저전압 DC 전류를 생성하고 저임피던스이며, 태양전지도 낮은 DC 전압을 생성하지만 전류(따라서 임피던스)는 광량에 따라 변합니다.

현재 시판되는 일반적인 EH PMIC들은 고정 아키텍처와 특정 하베스터 유형에 맞춘 입력 전압 범위를 가지고 있습니다. 이는 한 가지 에너지원만으로는 시스템 요구 사항을 충족할 수 없을 때 여러 에너지원을 결합하는 능력을 제한합니다. 여러 에너지원이 필요하면 각각 전용 EH PMIC가 필요해 비용, 크기, 전력 소비, 설계 복잡성이 증가합니다.

일부 EH PMIC는 외부 회로로 조정해 하베스터 출력을 컨디셔닝할 수 있습니다. 설계를 단순화하기 위해 Trameto의 EH PMIC인 OptiJoule은 외부 회로 없이 다양한 연결된 하베스터에 자동으로 적응하고 버퍼에 전달되는 전력을 최대화하는 입력을 제공합니다. 단일 입력 버전과 최대 4개 입력 버전이 있습니다. 다중 입력 버전은 유사하거나 다른 하베스터의 연결을 허용합니다. OptiJoule 디바이스를 사용하면 마이크로 에너지 하베스팅 용량을 확장할 수 있고, 단일 PMIC로 여러 애플리케이션을 지원할 수 있으며, 하베스팅 기술 선택을 제품 개발 후반으로 미룰 수 있습니다.

결론

최적화된 무선 프로토콜, 저에너지 마이크로프로세서 설계, 저전력 센서, 마이크로 에너지 하베스팅 효율 향상의 발전으로 주변 에너지가 엣지 IoT 디바이스의 배터리를 줄이거나 없애는 실행 가능한 공급원이 되었습니다. 최신 EH PMIC 개발은 선택된 마이크로 에너지 하베스팅 기술 통합 시 크기, 비용, 복잡성을 관리하는 유연성을 제공합니다.