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에너지 포집 어플리케이션용 전원관리 아키텍처
By Karthik Kadirvel
John Carpenter
Brian Lum-Shue-Chan
Texas Instruments
John Carpenter
Brian Lum-Shue-Chan
Texas Instruments
지난 몇 년 간 수많은 기업이 환경 에너지를 이용하여 영구 동력과 무배터리 시스템을 만들기 위해 많은 노력을 기울였다. 이런 시스템 개발에 필요한 핵심 집적회로(IC)는 초저전력 마이크로프로세서 IC, 무선 IC, 동력관리 IC이다. 저전력 마이크로프로세서와 무선 쪽은 상당한 발전을 했지만, 동력 관리 IC (PMIC) 부문의 경우 최근에 들어서야 에너지 포집용으로 적합한 장치가 시판되기 시작하였다. 이 기사에서는 이용할 수 있는 몇 가지 환경 에너지원을 간략히 소개하고 이런 에너지원을 중심으로 PMIC를 선택할 때 생각해야 할 요소에 대해 심층적으로 논하고자 한다.
환경 에너지원은 크게 직류 (DC) 동력원과 교류 (AC) 동력원으로 나눌 수 있다. DC 동력원에는 태양전지판의 광집적과 열전 발전기의 열 구배 등을 이용하여 동력원에서 아주 느린 속도로 에너지를 얻는 방법이 들어간다. 이런 포집기의 출력 전압은 정류할 필요가 없다. AC 포집기에는 압전재료(piezoelectric material)나 전자기발전기 및 정류 안테나로 진동과 무선 주파수에서 에너지를 포집하는 방식이 들어간다. 이런 에너지 포집기의 출력은 시스템 동력으로 사용하기 전에 DC 전압으로 정류하는 단계를 거쳐야 한다. 이런 에너지원을 사용하는 에너지 포집기가 AC 포집기에 비해 양적으로 더 많은 에너지를 손쉽게 얻을 수 있으므로 본 글에서는 DC 에너지 포집기만 다뤘다.
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그림 1. 일반 에너지 포집 시스템의 블록 선도 |
그림 1은 에너지 포집 시스템의 일반적인 구조이다. 시스템은 환경 에너지원, 에너지 완충제 (슈퍼 커패시터/배터리), 전원관리 집적회로 (PMIC), 시스템 부하로 되어 있다. 에너지원에서 나오는 에너지는 환경 조건에 따라 시기 별로 차이가 있으므로 포집할 수 있을 때 에너지를 추출하여 에너지 완충제에 저장하게 된다. 시스템 부하는 에너지 완충제의 동력을 이용하여 환경 에너지를 포집할 수 없는 상황에서도 시스템을 가동할 수 있다. 전원관리 장치 자체는 DC/DC 전력변환장치로 되어 있으며 에너지 포집기, 배터리 관리회로, 출력조절기, 상온시동장치(cold start unit)와 최적으로 인터페이스 연결이 되어 있다. 이런 각 블록 별 기능과 설계 고려사항은 다음에 논하겠다.
충전기
충전기는 태양전지판이나 TEG에서 가능한 많은 에너지를 최대한 추출하여 그 에너지를 저장 장치로 보내는 기능을 한다. 충전기에서 가장 먼저 생각해야 할 요소는 토폴로지(=위상기하학), 효율, 최대동력추출망, 복잡성이다. 일반적인 충전기의 토폴로지에는 선형 전압강하 (LDO, linear dropout) 조절기, 강압 변환기(buck converter), 부스트 변환기(boost converter), 강압-부스트 변환기(buck-boost converter)가 들어간다.
태양전지판의 경우 토폴로지는 기본적으로 태양전지판 스택의 출력전압에 따라 달라진다. 태양전지판 셀 하나의 출력은 보통 0.5V이므로 단일 셀 및 2-셀 태양전지판 시스템이라면 부스트 변환기 토폴로지는, NiMH은 1.2V 보다 크게, Li-Ion 배터리는 3V보다 크게 배터리 전압을 맞추어야 한다. 연결된 셀의 수가 많은 경우에는 다이오드 정류기(diode rectifier)나 강압 조절기(buck regulator)나 LDO와 같은 다른 변환장치를 사용할 수도 있다. 열전발전기는 출력 전압 범위가 10 mV ~ 500 mV이므로, 이런 열전발전기 (TEG)는 일차 위상기하학 요소로 부스트 변환기를 선택한다. 여러 개의 TEG를 연속해서 쌓아 높은 전압을 얻는 LDO 나 강압 조절기를 사용할 수도 있다. 그런 이런 구조는 TEG 스택에서 임피던스가 대량 발생하는 게 단점이다.
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그림 2(a-b). 태양전지판과 열전발전기 모델 |
태양전지판이나 열전발전기에서 전력을 최대한 끌어내려면 최대 전력점에서 전지판이나 TEG을 가동해야 한다. 그림 2a 와 그림 2b의 태양전지판과 TEG 모델을 참고하면 왜 에너지 포집기를 최대전력점에서 가동해야 하는지 이해할 수 있다. 태양전지판은 기생용량 (CHRV)과 나란히 전류를 전달하는 역방향 바이어스 다이오드(reverse biased diode) 모델로 만들 수 있다. 다이오드의 전류 출력은 광 강도에 비례한다. 열전발전기 모델은 저항기가 직렬로 연결된 전압원으로 되어 있다. 저항기 모델과 TEG의 내부 임피던스는 소재의 성질과 TEG의 크기에 좌우된다. 전형적인 태양전지판과 TEG의 전류 vs 전압과 전력 vs 전압을 그림 3과 4로 각각 나타냈다. 태양전지판의 경우 최대 전력은 개방전압 (OCV)의 약 80% 선이다. 비슷하게 TEG의 경우 최대전력점은 OCV의 50% 선이다.
그림 3의 곡선에서 보면 최대 전력을 이끌어내려면 인터페이스 회로가 필요하다는 사실을 분명히 알 수 있다. 최대 전력 추출 회로는 전력변환장치의 입력 임피던스를 동적으로 조정하여 최대 전력을 추출한다. 태양 에너지 포집의 경우, 고정비율 개방전압으로 입력 전압 조절, 고정비율 단락 전류로 입력 전류 조정, 복합 마이크로프로세서 기술을 이용하는 등의 간단한 기술로 최대 전력을 추출한다.
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그림 3. 태양전지판의 전압 vs 전류와 전압 vs 전력 |
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그림 4. 열전발전기의 전압 vs 전류와 전압 vs 전력 |
TEG에서 최대전력을 추출하는 기술 중에는 DC/DC 변환기의 주파수를 전환하고 개방전압의 50%에서 DC/DC 변환기의 입력전압을 조절하는 동적인 방법이 들어간다. 이런 변환기에서 출력 전압은 모두 에너지 완충제로 결정된다.
변환기의 토폴로지는 설계 복잡성, 부품 수, 효율을 따져 결정한다. 스위치 변환기가 선형 조절기보다 효율이 좋지만, 부품 수가 늘어나고 설계가 복잡해 지며 보드 공간도 많이 차지한다.
배터리 관리회로
에너지 포집 시스템에서 에너지 완충제는 에너지 포집기에서 나온 간헐 에너지를 저장하는데 사용한다. 저장된 에너지는 시스템을 가동하는 데 사용된다. 이런 구조로 되어 있기 때문에 간헐적으로만 에너지를 포집할 수 있는 경우에도 전체 시스템을 지속적으로 작동할 수 있다. 흔히 사용하는 에너지 완충제로는 화학물질이 다른 충전식 배터리와 슈퍼 커패시터가 있다. 배터리 관리회로는 두 가지 기능을 한다. 첫째, 에너지 완충제의 전압을 모니터링 하고 전압이 부족전압 (UV)과 과전압 (OV) 임계값으로 정한 안전 작동 범위에서 벗어나지 않도록 한다. 둘째로, 에너지 완충제의 용량을 모니터링 하고 유용한 일에 쓸 수 있도록 에너지 가용도를 표시해 준다. 에너지 완충제의 전압을 모니터링 하는 단순 기술을 이용하거나 배터리에서 나오는 전압과 전류를 측정하는 연료 측정 기술로 용량을 측정할 수 있다. 단순 전압 기술로 에너지 완충제의 남은 용량을 표시할 때에는, 유효전력(power good level)이라 하는 사용자 프로그램형 중간 전압 레벨로 설정할 수 있다.
사용하는 에너지 완충제에 따라 배터리 관리부를 설계할 경우 고려해야 할 사항이 달라진다. 충전식 배터리의 경우, OV와 UV 임계값은 전지의 화학작용에 따라 달라진다. 슈퍼 커패시터에서는 OV와 UV 임계값이 IC와 커패시터의 최대정격 절대값의 낮은 쪽 값으로 결정된다. 에너지 완충제의 최적 설정을 이용하여 시스템의 수명을 최대로 한다. 배터리 관리부 설계 시에는 배터리 관리부가 소모하는 대기전류도 고려해야 한다. 배터리 관리블록의 회로에는 레퍼런스(reference), 비교기(comparator), 디지털 로직(digital logic)과 같은 빌딩블록이 들어있다. 배터리 관리부가 사용하는 에너지는 배터리로 흘러가고 외부 저항으로 공급되지 않기 때문에 이런 회로가 사용하는 전류를 최소화 해야 한다.
상온시동
상온시동장치(cold start unit)는 일반 에너지 포집 PMIC에 있을 수도 있고 없을 수도 있는 옵션 블록이다. 상온시동장치는 저장 장치에 에너지가 충분히 없을 때 시스템을 부팅하는 기능을 한다. 상온시동장치 설계는 용도에 따라 달라진다. 태양열 시스템의 경우 (배터리 동력과 반대 개념인) 전력 공급식 진동자(oscillator)를 사용하여 임시 저효율 스위치 변환기 스위치를 구동할 수 있다. 에너지 완충제에 에너지가 충분히 축적되면 고효율 스위치 변환기를 작동할 수 있다. 열전발전기에서는 변환기-발진기 공동 토폴로지를 이용하거나 시스템을 기계적으로 움직이는 방식으로 상온시동장치를 구현할 수 있다. 이런 블록을 설계할 때에는 최소 시동 전압, 시동 전력, 순간가동 돌입전류(peak inrush current), 시동에 필요한 시간을 고려해야 한다.
조절기
조절기는 배터리에서 전압을 조절하여 공급하는 기능을 한다. 이런 블록의 토폴로지는 배터리, 시스템 부하 요건, 대기전류에 따라 달라진다.
요약
이 글에서는 개별 IC 빌딩 블록 설계 시 주의할 점을 포함하여 DC 에너지 포집 용 전원관리 IC를 설계하거나 선택할 때 참작해야 할 몇 가지 중요한 사항을 논하였다. 에너지 포집용 PMIC 의 경우 하나의 IC로 전체나 일부 기능을 통합할 수 있다. 에너지 포집 원천과 에너지 완충제 및 시스템 부하에 따라 PMIC을 선택한다.
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