최근의 사물인터넷(Internet of Things, IoT)은 접근이 어려운 장소에 위치한 원격 센싱 유닛 다수간의 데이터 교환에 기반을 둔다. 따라서 지속적인 서비스와 낮은 유지보수 비용이 보장되어야 하고 이를 위해 에너지 소비를 영리하게 하는 완전 자율형 디바이스가 필요하다. 에너지 하베스터(energy harvester) 및 배터리 충전기(battery charger) 설계에서 최상급 컨버전 효율성과 적절한 배터리 충전 관리를 확보하면서도 주위환경에서 배터리로의 에너지 전송은 최대치로, 에너지 저장은 저장 탱크에 손상을 입히거나 수명을 단축시키지 않으면서 최대한 빨리 이루어져야 한다.
ST는 이러한 조건에 맞도록 울트라 저전력 DC-DC 컨버터를 아주 작은 패키지나 다이(die) 형태로 상품화해 왔다. 에너지원에서의 전력 추출을 최적화하는‘최대 전력점 트래킹(Maximum Power Point Tracking, MPPT) 알고리즘’을 기반으로 태양광(PV) 전지 또는 열전발전기(thermo-electric generators, TEG)에서 구동된다. 효율성이 탁월한 전력 관리 기능(power manager)을 탑재하여 어떤 종류든지 배터리 충전이 빠르고, 주변 연동 부품들, 예를 들어, MCU, 트랜시버, 센서 등의 충전도 가능하다. 실/내외 모두 사용이 적합하고 온도 경사(thermal gradients) 조건이 매우 작은 경우에도 사용이 가능하다. 한 마디로 SPV1050은 전체 시스템의 재료 비용을 대폭
줄이면서도 시스템 통합과 신뢰성은 강화한 제품이기 때문에 모바일 액세서리, 포터블, 헬스케어, 스포츠웨어, 웨어러블과 같은 컨수머 애플리케이션과 더불어 무선 센서 네트워크(WSN) 기반 산업용 애플리케이션에서도 핵심
부품으로 자리잡을 수 있는 중요한 특징들을 모두 갖추고 있다. 여기서의 산업용 애플리케이션에는 산업 공정 제어, 공장 자동화, 환경 및 기후/빌딩 모니터링, 스마트 조명 등을 예로 들 수 있다.
저자. Alessandro Nicosia, STMicroelectronics
도입
초저전력 에너지 하베스터 및 배터리 충전기 SPV-1050은 출력 전력이 약 최대 400mW까지 이르며 하드웨어가 부스트 또는 벅 부스트로 구성될 수 있고 75mV에서 최대 18V에 이르는 넓은 입력 전압 범위에서 동작할 수 있는 풀 브리지 완전 내장형(all-embedded) DC-DC 컨버터에 기반하고 있다. 따라서 대부분의 TEG(저전압/고전류)와 태양광 전지(고전압/저전류)로부터 전력을 얻을 수 있고 변환기(transducer) 출력 임피던스와 입력단 임피던스에 맞도록 매우 효율적인 MPPT를 실현한다.
이 알고리즘은 기본적으로 매 16초마다 입력 전압을 샘플링 및 트래킹하고 외부 캐패시터에 임시 저장하는 방식으로 변화하는 환경 조건을 최대 전력점에 업데이트한다. 결과적으로 내부 MOSFET의 스위칭 듀티 사이클은 매우 가변적인 방사(irradiation) 및 온도 경사 조건에서도 VMPP에 따라 자주 업데이트된다. 처음에는 MPP가 에너지 소스의 전기적 사양과 일반적인 동작 조건에 따라 외부 저항 분배기를 통해 설정된다. 필요한 경우 MPPT 알고리즘을 비활성화할 수 있다.
정확도가 우수한 내부 제어 로직이 외부 저항 분배기를 통해 배터리 전압을 모니터링 하기 때문에 과충전이나 과방전을 예방할 수 있다. 이를 통해 모든 배터리 타입의 충전 한계를 만족시킬 수 있다(리튬이온, 리튬폴리머, 수퍼캐패시터, 고체 리튬 박막형, NiMH). 왜냐하면 조정된 배터리 전압을 2.6V에서 5.3V 사이로 프로그램할 수 있기 때문이다. 또한, 저전압 임계값은 사용되는 배터리 기술과 토폴로지에 따라 2.2V와 3.6V 사이에 설정할 수 있다. 두 임계값은 ±1%의 정확도로 세밀하게 설정된다.
SPV1050은 1.8V와 3.3V의 출력 전압을 제공하는 두개의 완전히 독립적인 저전력 LDO을 내장하고 있다. 두 LDO는 부하를 각각 최대 200mA까지 제공할 수 있으며, 이때 최대 전압 강하(voltage drop-out)는 ±0.5% 이내로 보장된다. 활성화되면 두 LDO는 어떤 부하든 배터리의 불안정한 충전이나 충전 부족 때문에 문제가 발생하지 않도록 배터리 전압이 Vuvp +5%와 Veoc 사이에 포함되어 있는 경우에만 부하에 에너지를 공급할 수 있다. 또한
배터리를 충전하는 경우(BATT_CHG)와 패스 트랜지스터가 닫혀 있는 경우(BATT_CONN)에 두 개의 활성이 낮은 디지털 출력을 호스트 컨트롤러에 나타낸다. SPV1050은 5×5 크기의 20리드 QFN 패키지와 다이 형태로 모두 이
용할 수 있다. 그림 2는 블록 다이어그램을 나타낸다.
SPV1050의 동작 원리
배터리 충전기
SPV1050의 내부 로직은 배터리 전압이 항상 저전압 보호(Under-Voltage Protection, UVP)와 충전 종료(End-of-Charge, EOC) 임계값 사이에 유지되도록 STORE 핀과 BATT 핀 사이의 통합 패스 트랜지스터를 구동하여 배터리 수명과 시스템 전체의 안전성을 보장한다. 상기 디바이스의 첫 번째 스위치온 전에 패스 트랜지스터는 개방된다. 이러한 조건에서 배터리의 누설 전류는 약 1nA 미만이다. 이러한 매우 낮은 전류 소비는 ‘온쉘프 타임(on-shelf time)’을 향상시키고 ‘시작하기 전(prior to start)’ 배터리 방전을 방지한다. 이 패스 트랜지스터는 STORE 핀 전압이 EOC 핀에서 설정된 EOC 전압 임계값이 트리거되도록 상승하면 닫힌다. 배터리가 완전히 충전되면 DC-DC 컨버터는 VEOC – EOCHYS가 VSTORE보다 작아질 때까지(VSTORE >VEOC -EOCHYS) 스위칭을 멈추고 전압이 그 이하로 떨어지면 다시 시작한다. 같은 방법으로, 과방전을 방지하기 위해서 패스 트랜지스터는 STORE 핀의 전압이 VUVP 임계값 이하로 감소하면 개방된다. 이러한 두 기능은 간단히 두 개의 전압 임계값 VUVP와 VEOC을 설정하고 STORE 핀, UVP 핀, EOC 핀 사이에 저항 분할을 통해 구현된다.
그림3의 그래프는 주위 온도 조건에서 서로 다른 배터리 충전 전압을 갖는 일반적인 사용 예와 서로 다른 입력전압에 대한 부스트 모드 DC-DC 컨버터의 변환 효율을 보여준다.
전력 관리 기능
SPV1050은 전력 관리 기능도 제공한다. 실제로 두 개의 LDO를 내장해 관련 출력 핀에 조정된 1.8V와 3.3V의 두 개 전압을 제공한다. LDO가 제공하는 전력은 각각 부하에 공급할 수 있는 전력에 맞추어 수확원(harvesting
source)이나 배터리 중 하나에서 공급될 수 있지만, LDO가 어떤 전류든 공급하기 위해서는 배터리가 연결되어 있어야 한다. 이는 패스 트랜지스터가 STORE 핀과 BATT 핀 사이에 닫혀 있어야만 함을 의미한다. 각각의 LDO는
해당 활성화(enable) 핀을 활성이 높은 상태로 구동하여 선택적으로 활성 또는 비활성화 할 수 있다.
SPV1050의 동작 원리와 애플리케이션 설정에 대한 더 자세한 내용은 ST의 웹사이트에 게시된 데이터시트를 참고할 수 있다.
SPV1050의 설계 툴 – 평가 및 레퍼런스 보드
SPV1050의 평가 보드
SPV1050은 평가 보드, 데모 보드, 일부 레퍼런스 설계 툴로 구성되는 풀 세트가 지원된다. 평가 보드는 이 디바이스를 처음 접하는 엔지니어와 개발자들에게 강력히 추천한다.
STEVAL-ISV019V1(그림 4) 평가 보드는 PV1050의 기능들에 대한 전체 액세스 권한을 제공하며 사용자가 실제 애플리케이션에서 디바이스의 성능을 신속하게 테스트하기 위한 평가 벤치를 설정할 수 있다. 이 보드는 적절한 구동에 필요한 모든 수동 소자를 포함하고 있으며 디바이스의 전압 레벨을 모니터링하기 위해 다양한 테스팅 포인트를 제공한다. 또한, SPV1050의 동작 포인트와 효율성을 최적화할 수 있는 최적의 시스템 구성을 찾을 수 있는 빠르고 손쉬운 방법을 애플리케이션 설계 엔지니어에게 제공하고 부스트 구성을 구현한다. 수확원과 배터리의 외부 연결도 제공된다. 이것은 0.5V≤VMPP ≤2.5V, 30μA≤IMPP ≤20mA의 PV 패널에서의 에너지 수확과 3.7V의 저전압 보호(UVP) 임계값 및 4.2V의 EOC 전압 임계값을 갖는 배터리 충전의 일반적인 사용 예를 보여준다. 설계 시 손쉬운 변경 몇 가지만 애플리케이션 구성요소에 적용하면 모든 소스 유형 (PV, TEG, USB 등)과 배터리를 일치시킬 수 있다. 더 자세한 내용은 애플리케이션 노트 AN4394를 참고하기 바란다.
STEVALISV020V1(그림 5) 평가보드는 벅-부스트 모드로 동작시 SPV-1050의 모든 기능에 액세스가 가능하도록 구성되어 있다. 이 보드는 2.6V ≤VMPP ≤9V, 10 μA≤IMPP ≤20mA인 PV 패널에서 에너지를 수확하고, 3.7V UVP 임계값 및 4.2V EOC 전압 임계값을 갖는 배터리를 충전할 수 있도록 최적화되어 있다. 또한 애플리케이션 구성 요소 몇 가지를 간단히 변경하면 사용자가 모든 소스 유형(PV, TEG, USB 뿐만 아니라 다른 유형의 소스)과 배터리를 일치시킬 수 있다. 더 자세한 내용은 애플리케이션 노트 AN4397을 참고하기 바란다.
SPV1050 데모 보드
STEVAL-ISV021V1(그림 6)은 SPV1050 기반의 에너지 수확 모듈로 구성된 완전한 데모 키트이다. 보완 전력 모니터링 보드를 사용하면 자체 MPPT 정확도, 변환 효율, 입력 및 출력 전력, 소스와 배터리 측에서의 전압 및 전류 등 하베스터의 전기적 성능을 보여주는 강력한 레디투유즈(ready-to-use) 툴이 된다. 이 디바이스는 벅 부스트 컨버터로 구성되어 PV 패널과 배터리의 전기적 특성에 부합한다.
전력 모니터링 보드는 전기적인 특성과 실제 또는 이상적인 최대 전력 포인트를 모니터링하고 변환기의 입출력 상태를 시각적으로 확인할 수 있는 GUI(graphical user interface)가 제공된다.
결론적으로, STEVAL-ISV021V1 키트는 에너지 탱크를 수확 및 충전할 수 있는 독립형 하베스팅 모듈로, 필요한 열이나 태양광 에너지 제공을 위해 타깃 애플리케이션 보드와 인터페이싱이 가능하다. 또한, 외부 애드온 MCU 기반 보드와의 확장 커넥트가 탑재되어 추가의 SPV1050 입력 및 출력 신호를 수집하거나 모니터링 할 수 있다. 더 자세한 내용은 애플리케이션 노트 AN4394를 참고하기 바란다.
SPV1050 레퍼런스 설계 키트
STEVAL-IDS002V1(그림 7)은 태양광 모듈에 의해 구동하는 점대점(point to point) 무선 센서 노드를 구현하는 완전하고 모든 환경 설정이 가능한 레퍼런스 설계키트이다. 온보드와 완벽하게 집적화된 멀티 센서 보드로 구성된 완전한 ST 부품 세트로, SPV1050로 구동되는 온도 센서, 대기압 센서, 3축 가속도 MEMS 센서가 포함된다. ST 부품 패키지는 STM32 마이크로컨트롤러와 Spirit1 RF 서브기가(Sub-Giga) 트랜스미터로 구성된다. 또한 PC USB 포트에 의해 구동하는 Spirit 기반 리시버 동글을 포함하고 있다.
이 키트의 일부인 전력 모니터링 보드(그림 8)로는 MPPT 정확도, 변환 효율, 입력 및 출력 전력, 소스와 배터리 측에서 전압 및 전류와 같은 에너지 수확 부분의 전기적 성능을 평가할 수 있으며 PC와 무선 통신을 통해 모
든 센서 측정 값을 수집한다. 사실, 선택된 송신 데이터 속도로 멀티 센서 보드가 전송한 데이터를 구분(plot) 할 수 있는 STEVAL-ISV021V1에서 이미 사용된 GUI 소프트웨어 풀 버전이 이 키트를 지원한다. 트랜스미터 부분은 센서 구성 및 데이터 통신 주기를 설정하는 STM32L151 저전력 32비트 마이크로컨트롤러에 기반하고 있다. STTS751 디지털 온도 센서, LPS331AP 압력 센서 및 LIS3DH 3축 가속도계는 I2C 버스를 통해 마이크로컨트롤러에 연결된다.
더 자세한 내용은 애플리케이션 노트 AN4395를 참고하기 바란다.
SPV1050의 평가 소프트웨어 및 GUI
STEVAL-ISV021V1과 STEVAL-IDS002V1은 사용자 친화성이 뛰어난 GUI가 지원되며 웹사이트 www.st.com에서 다운로드가 가능하다. GUI는 4개의 서로 다른 탭으로 구성된다.
‘환경설정(Configuration) 탭(그림 9)으로 샘플링 및 전송 속도, 활성 센서 및 전송 전력 레벨과 같은 일부 파라미터를 설정하여 애플리케이션을 구성할 수 있다. 어떤 설정이든 USB 커넥터를 통해 관련 버튼을 클릭하여
MCU의 프로그램 메모리 내로 저장하고 다운로드 할 수 있다.
데이터 시각화(Data Visualization) 탭(그림 10)은 STEVAL-IDS002V1 온보드 트랜스미터가 송신하고 PC에 연결된 Spirit1 기반의 동글 보드가 수신하는 모든 활성 센서의 측정값을 제공한다. 또한 모든 멀티센서 보드(마이크로, 센서 및 트랜스미터 회로들, RF 송신 전력 수준)에 전력을 공급하는 내장 LDO2의 출력 전압을 구분(plot)할 수도 있다.
‘전력 시각화(Power Visualization)’탭(그림 11)은 소스 및 배터리 전압/전류의 정보를 제공한다. 끝으로 ‘효율성(Efficiency)’탭(그림 12)은 소스와 배터리 사이의 전력 예산, MPPT 정확도, 변환 효율, 조사 레벨(Lux
단위) 및 PV 패널의 Voc과 함께 변환기(transducer)의 전기적 특성을 구분한다.
더 자세한 내용은 소프트웨어 사용자 매뉴얼 UM1752를 참고하기 바란다.
결론
단일 칩 SPV1050은 효율성이 우수한 에너지 하베스터와 배터리 충전기, 모든 주변 컴패니언 칩에 전원을 공급하는 전력 관리 기능을 통합하고 있다. 이 단일 칩 솔루션은 벅 부스트 구조로 되어 있어 소스 옵션들을 쉽게 입
력할 수 있다. 따라서 PCB 공간을 절약하고 외부 부품 수를 감소시켜 신뢰성을 개선하고 최종 애플리케이션의 소형화와 전체 시스템 비용 절약을 돕는다. 이러한 특징들은 웨어러블, 피트니스, 빌딩 및 홈 오토메이션, 스마트 조명, 접근 제어, 모바일 액세서리 등과 같은 애플리케이션에 이상적이라 할 수 있다.
참고자료
[1] STPV1050 Datasheet: “Ultralow power energy harvester and battery charger” – August 2015. http://www.st.com/st-webui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/DM0010
0984.pdf.
[2] AN4394 Application Note: Evaluation board for SPV1050 ULP harvester (boost architecture) – May2014.
[3] AN4397 Application Note: Evaluation board for SPV1050 ULP harvester (buck-boost architecture) – May2014.
[4] AN4395 Application Note: Autonomous wireless multisensor node powered by PV cells and based on SPV1050(SPIDEr™) – May2014.
[5] AN4396 Application Note: STEVAL-ISV021V1, energy harvesting system based on SPV1050, PV panel and battery – May2014.
[6] UM1752 User Manual: Software GUI user guide for STEVAL-ISV021V1, STEVAL-IDS002V1 and STEVALIDS003V1 evaluation boards – May2015.
