전체 무선 센서 노드를 마이크로와트 대의 평균 전력으로 작동할 수 있게 되면서, 이러한 센서 노드를 비전통적인 방식의 전력원을 이용해서 구동하는 것이 가능해졌다. 이로써 등장하게 된 기술이 에너지 수확이다. 주요 고성능 아날로그 IC 업체들이 다양한 에너지 수확 전력 관리 IC 제품을 내놓고 있기 때문에, 이제는 효율적인 디자인 및 장기적인 수명을 달성할 수 있게 되었다.


   
에너지 수확(energy harvesting) 기술은 배터리를 사용하는 데 불편하거나, 실용적이지 않거나, 비싸거나, 위험한 시스템으로 전력을 공급해서 배터리를 충전하거나, 보충하거나, 교체할 수 있다. 이 기술은 또한 전력을 전달하거나 데이터를 전송하기 위한 배선이 필요 없다. 뿐만 아니라 산업 공정, 태양광 패널, 내연기관(Internal Combustion Engine) 등에서 낭비되는 에너지를 수확해서 유용하게 사용할 수 있다.

에너지 수확의 과제와 특성
전형적인 에너지 수확 구성 혹은 무선 센서 노드(wireless sensor node)는 그림 1에서 보는 것과 같이 네 개 블록으로 구성된다. 이들 블록은 1) 주변 에너지원, 2) 트랜스듀서 소자와 전력변환 회로-하위 장치 구동, 3) 센싱 소자-노드를 물리적 세계 및 (측정 데이터를 처리하고 이를 메모리에 저장하는 마이크로프로세서나 마이크로컨트롤러를 포함하는) 컴퓨팅 장치로 링크, 4) 인접 노드 및 외부 세계와 무선 통신을 위한 근거리 무선 기술을 포함하는 통신 장치가 그것이다.
주변 에너지원으로서는 열전 발전기(Thermoelectric Generator, TEG)나 서모파일(thermopile)을 HVAC 덕트 같은 발열원으로 부착하는 것이나 압전 트랜스듀서를 창유리 같은 기계적 진동원으로 부착하는 것을 들 수 있다. 열원의 경우에는 작은 크기의 열전 소자(통상적으로 트랜스듀서라 함)가 미세한 온도 차이를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 기계적 진동 혹은 변형력을 이용하는 경우에는 압전 소자를 이용해서 전기 에너지로 변환할 수 있다.
전기 에너지를 발생시킨 다음에는 이를 에너지 수확 회로가 변환해서 하위 장치들을 구동하기에 적합한 형태로 바꿀 수 있다. 그럼으로써 마이크로프로세서가 센서를 기동시키고 판독이나 측정을 실시하고, 그런 다음 이것을 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 이용해서 조작함으로써 초저전력 무선 트랜시버를 통해 전송할 수 있다.



여러 요인들이 무선 센서 노드 에너지 수확 시스템의 전력 소비 특성에 영향을 미친다. 표 1은 이러한 요인들을 요약한 것이다.
물론, 에너지 수확원이 제공하는 에너지는 이 소스가 얼마나 오래 동안 작동하느냐에 따라서 달라진다. 그러므로 수확원을 비교하는 일차적인 기준은 에너지 밀도가 아니라, 전력 밀도이다. 에너지 수확 기술은 통상적으로 수준이 낮고, 가변적이고, 예측하기 어려운 전력을 이용하므로 수확 시스템과 이차적 전력 저장소로 인터페이스하는 하이브리드 구조를 이용한다. 수확 시스템이 에너지 공급이 무제한적이고 전력은 부족하므로 시스템의 에너지원을 제공한다. 이차적 전력 저장소는 배터리나 커패시터로서 높은 출력 전력을 공급하나, 적은 에너지를 저장하므로 필요할 때 전력을 공급하며 그렇지 않고 정상적일 때는 수확 시스템이 전력을 공급한다.
최신 기술의 규격형 에너지 수확 기술(진동 에너지 수확이나 실내 광전지 등)은 통상적인 동작 조건으로 수 밀리와트 대의 전력을 발생시킨다. 이러한 전력 수준은 너무 낮다고 생각될 수 있으나 수확 장치를 수년에 걸쳐서 작동한다는 것을 고려하면, 이러한 기술은 에너지 공급의 측면에서나 공급 에너지 단위당 비용 측면에서 장기적인 일차 전지에 맞먹는다는 것을 알 수 있다. 더욱이 에너지 수확 기술을 이용한 시스템은 배터리 고갈 후에 재충전이 가능한데, 이것은 일차전지를 이용해서 구동하는 시스템에서는 불가능하다.



위에서 언급했듯이 주변 에너지원으로는 빛, 온도차, 진동 빔, 송신 RF 신호, 그밖에 트랜스듀서를 통해서 전기 전하를 발생시킬 수 있는 어떤 것이나 될 수 있다. 표 2는 각기 다른 에너지원으로 발생시킬 수 있는 에너지양에 대해서 설명하고 있다.
완벽하게 자족적인 무선 센서 시스템을 성공적으로 설계하기 위해서는 에너지 수준이 낮은 환경으로부터 최소한의 전기 에너지를 소모하며 편리하게 이용할 수 있는 절전형 마이크로컨트롤러와 트랜스듀서가 필요하다. 다행히 수년 전부터 낮은 가격대의 저전력 센서와 마이크로컨트롤러 제품이 공급되고 있다. 하지만 아주 최근에서야 초저전력 트랜시버 제품들이 출시되고 있다. 그런데 이 체인 상에서 에너지 수확 시스템은 여전히 이러한 추세를 따라잡지 못하고 있다. 이러한 점에서 리니어 테크놀로지가 최근에 출시한 디바이스 제품으로서 LTC3109, LTC3588-1, LTC3105는 새로운 차원의 성능과 간편성을 제공한다.

에너지 수확 전력변환 IC
LTC3109는 고집적 DC-DC 컨버터 및 전력관리 디바이스이다. 이 디바이스는 TEG, 서모파일, 소형 태양광전지 같은 극히 낮은 수준의 입력 전원으로부터 여분의 에너지를 수확하고 관리할 수 있다. 이 디바이스는 고유의 자동 극성 토폴로지를 이용해서 극성에 상관없이 최저 30 mV에 이르는 입력원으로 동작하는 것이 가능하다.




그림 2의 회로는 2개의 소형 스텝업 트랜스포머를 이용해서 입력 전원을 LTC3109로 부스트하면 LTC3109가 무선 센싱 및 데이터 포착을 위한 전체적인 전력관리 솔루션을 제공한다. 이 회로는 작은 온도 차이를 수확함으로써 전통적인 배터리 전력을 이용하지 않고서 시스템 전력을 발생시킬 수 있다.
최저 30 mV에 이르는 입력 전압을 이용하기 위해서는 대략 1:100의 일차-이차 권선 비율이 권장된다. 이보다 높은 입력 전압을 위해서는 이보다 낮은 권선 비율을 이용함으로써 더 높은 출력 전력을 달성할 수 있다. 이들 트랜스포머는 표준적인 규격형 제품들로서 Coilcraft 같은 자기 소자 업체들로부터 구입할 수 있다.
LTC3109는 ‘시스템 레벨’ 접근법을 취해서 복잡한 문제를 해결한다. 이 디바이스는 낮은 전원을 변환하고 다중의 출력들 사이에 에너지를 관리한다. 각 트랜스포머의 이차 권선에서 발생되는 AC 전압을 외부 차지 펌프 커패시터와 LTC3109 내부의 정류기를 이용해서 부스트하고 정류한다. 이 정류기 회로가 전류를 VAUX 핀으로 공급함으로써 외부 VAUX 커패시터와 다른 출력들로 전하를 공급한다.
내부 2.2 V LDO는 저전력 프로세서나 기타 저전력 IC를 지원한다. 이 LDO는 VAUX나 VOUT 중에서 높은 값으로 구동된다. 그러므로 VOUT 스토리지 커패시터가 계속해서 충전하는 동안이라도 VAUX가 2.3 V로 충전되면, 이 LDO가 곧바로 작동할 수 있다. LDO 출력에서 스텝 부하가 발생하는 경우에는 VAUX가 VOUT 아래로 떨어지더라도 메인 VOUT커패시터로부터 전류를 공급할 수 있다. 이 LDO는 3 mA의 출력 전류를 공급할 수 있다.
VSTORE 커패시터는 입력 전력이 차단되더라도 시스템을 계속해서 유지할 수 있도록 하기 위해서 매우 높은 값일 수 있다(수천 마이크로패럿 또는 수 패럿). 파워업이 완료되면 메인, 백업, 스위처 출력 모두가 이용 가능한 상태가 된다. 입력 전력이 차단되더라도 VSTORE 커패시터로 작동함으로써 시스템이 계속해서 작동할 수 있다.
LTC3588-1은 압전 트랜스듀서 같은 저수준 에너지원에 이용할 수 있도록 최적화된 포괄적인 에너지 수확 솔루션이다. 압전 소자는 장치의 수축이나 변형을 이용해서 에너지를 발생시킨다. 이러한 압전 소자는 크기와 구조에 따라서 수백 μW/cm2에 이르는 전력을 발생시킬 수 있다.
압전 효과(piezoelectric effect)는 직접적 압전 효과(스트레스를 가했을 때 전기 전위를 발생시킴)를 나타내는 소재가 반대의 압전 효과(전압을 가했을 때 스트레스 또는 스트레인, 다시 말해서 변형을 발생시킴)를 나타낸다는 점에서 가역적이다.
LTC3588-1은 2.7~20 V의 입력 전압 범위로 동작하므로 다양한 유형의 압전 트랜스듀서뿐만 아니라, 여타의 높은 출력 임피던스 에너지원에 이용할 수 있다. 이 디바이스의 고효율 벅 DC/DC 컨버터는 최대 100 mA의 연속 출력 전류를 공급하거나 또는 더 높은 펄스형 부하를 구동할 수 있다. 이 디바이스는 무선 트랜스미터나 센서를 구동하기 위해서 출력을 4개의 고정 전압(1.8V, 2.5V, 3.3V, 3.6V) 중의 하나로 프로그램할 수 있다. 출력이 레귤레이션 상태일 때(무부하 상태) 정지 전류가 950 nA에 불과하므로 전반적인 효율을 극대화한다.
LTC3588-1은 압전 또는 대안적 고 임피던스 AC 전력원으로 직접 인터페이스하고, 전압 파형을 정류하고, 수확된 에너지를 외부 스토리지 커패시터에 저장하고, 그러면서 초과분의 전력을 내부 션트 레귤레이터를 통해서 잘라내도록 설계됐다. 1~1.4 V 히스터리시스 윈도를 이용한 극히 낮은 정지 전류(450 nA) 저전압 록아웃(UVLO) 모드는 벅 컨버터가 저장된 전하의 일부를 출력으로 효율적으로 전송할 수 있게 될 때까지 스토리지 커패시터로 전하를 축적할 수 있다.
LTC3105는 광전지, TEG, 연료전지 같은 저전압 고 임피던스 대안 전력원으로부터 에너지를 수확하고 관리하는 작업을 대폭적으로 간소화할 수 있도록 설계된 초저전압 스텝업 컨버터 및 LDO 디바이스이다. 이 디바이스의 동기 스텝업 디자인은 최저 250 mV에 이르는 입력 전압으로 스타트업할 수 있으므로 아주 소형의 광전지를 이용해서 이상적이지 않은 조명 조건에서도 에너지를 수확할 때 이용하기에 적합하다. 또한 0.2~5 V의 넓은 입력 전압 범위를 이용하므로 다양한 유형의 애플리케이션에 이용할 수 있다. 또한 LTC3105는 MPPC
(Maximum Power Point Control)라고 하는 기능을 포함함으로써 소스가 제공할 수 있는 최대의 전력을 추출할 수 있다. MPPC 기능을 이용하지 않으면, 전력원이 이론적인 최대 용량의 수 분의 일만을 발생시킬 수 있다. 최대 전류 제한을 자동으로 조절함으로써 전력변환 효율을 극대화하며, 한편 Burst Mode 동작은 정지 전류를 22 μA로 낮춤으로써 에너지 저장 소자의 고갈을 최소화한다. Iq가 극히 낮은 LDO는 널리 이용되는 저전력 마이크로컨트롤러나 센서 회로를 직접 구동할 수 있다.



그림 4의 회로는 LTC3105를 이용해서 단일 태양광전지(photovoltaic, PV)로 단일셀 리튬이온 배터리를 충전하고 있다. 이 회로는 태양광을 이용할 수 있는 동안에 배터리가 계속해서 충전할 수 있으며, 태양광 전력을 이용할 수 없게 되었을 때는 배터리가 저장된 에너지로 애플리케이션을 구동할 수 있다.
LTC3105는 가장 낮게는 250 mV에 이르는 전압으로 작동할 수 있다. 스타트업 단계에서는 동기 정류기는 정지된 상태에서 AUX 출력이 먼저 충전된다. VAUX가 대략 1.4 V에 이르면, 컨버터가 스타트업 모드에서 전환해서 정상 동작 상태가 된다. 스타트업 동안에는 MPPC 기능이 작동하지 않는다. 하지만 초기 상태에서는 약한 입력원으로 스타트업이 가능하도록 전류를 충분히 낮은 수준으로 제한한다. 컨버터가 스타트업 모드인 동안에는 AUX와 VOUT 사이의 내부 스위치가 작동이 정지된 상태로 유지되고 LDO가 정지된다. 그림 5는 통상적인 스타트업 시퀀스 예를 보여준다.



VIN이나 VAUX 중에서 어느 한 쪽이 1.4 V보다 높아지면, 컨버터가 정상 동작 상태가 된다. LDO 출력이 레귤레이션 상태가 될 때까지 컨버터가 AUX 출력을 계속해서 충전한다. LDO 출력이 레귤레이션 상태가 되면, 컨버터가 VOUT 핀 충전을 시작한다. VAUX는 LDO가 레귤레이션을 유지하기에 충분한 수준으로 유지된다. VAUX가 LDO 레귤레이션을 유지하기에 필요한 것보다 높아지면, 전하가 AUX 출력에서 VOUT 출력으로 전달된다. VAUX가 지나치게 낮게 떨어지면, 전류가 VOUT출력을 충전하는 데 이용되는 것이 아니고 AUX 출력으로 전환한다. VOUT이 VAUX보다 높게 상승하면, 내부 스위치가 작동해서 이 두 출력을 연결한다.
만약 VIN이 구동 출력 전압(VOUT이나 VAUX)보다 높거나 구동 출력이 1.2 V보다 낮으면 동기 정류기가 정지되고 임계 전도 모드로 동작함으로써 VIN > VOUT이 되더라도 레귤레이션을 유지할 수 있도록 한다.
출력 전압이 입력 전압보다 높고 1.2 V보다 높으면 동기 정류기가 작동한다. 이 모드일 때는 인덕터 전류가 최대 전류 한계에 도달할 때까지 SW와 GND 사이의 N-채널 MOSFET이 작동한다. 이 전류 한계에 도달하면, N-채널 MOSFET이 턴오프하고 SW와 구동 출력 사이의 P-채널 MOSFET이 작동한다. 인덕터 전류가 밸리 전류 한계 아래로 떨어질 때까지 이 스위치가 온 상태를 유지하고, 그리고서 이 사이클을 반복한다. VOUT이 레귤레이션 지점에 도달하면, SW 핀으로 연결된 N-채널 및 P-채널 MOSFET이 정지되고 컨버터는 슬립 모드가 된다.
마이크로컨트롤러와 외부 센서를 구동할 수 있도록 LDO가 레귤레이트된 6 mA 레일을 제공한다. 이 LDO는 AUX 출력으로 구동되므로 메인 출력이 계속해서 충전하고 있는 상태라도 레귤레이션을 달성할 수 있다. 이 LDO 출력 전압은 고정적인 2.2 V이거나 저항 분할기를 이용해서 조절할 수 있다.



이 디바이스는 또한 MPPC 회로를 통합함으로써 사용자가 특정한 구동원에 대해서 최적의 입력 전압 작동 지점을 설정할 수 있다(그림 6). 이 MPPC 회로는 평균 인덕터 전류를 동적으로 레귤레이트함으로써 입력 전압이 MPPC 임계값 아래로 떨어지지 않도록 한다. VIN이 MPPC 전압보다 높아지면, VIN이 MPPC 설정 지점으로 떨어질 때까지 인덕터 전류가 상승한다. VIN이 MPPC 전압보다 낮으면, VIN이 MPPC 설정 지점으로 상승할 때까지 인덕터 전류가 떨어진다.
LTC3105는 경량 부하일 때 효율을 극대화하는 기능을 제공할 뿐만 아니라, 중량 부하일 때는 부하에 따라서 인덕터 전류를 조절함으로써 높은 전력 용량을 제공한다. 경량 부하일 때는 피크 인덕터 전류를 100 mA로 낮춤으로써 전도 손실을 낮추어서 효율을 최적화한다. 부하가 높아지면 피크 인덕터 전류가 자동으로 최대 400 mA로 높아진다. 그 사이 부하일 때는 최대 인덕터 전류가 100 mA에서 400 mA 사이로 조절된다. 이 기능은 MPPC 기능에 의해서 무시되며 전력원이 부하가 필요로 하는 것보다 더 높은 전력을 제공할 수 있을 때만 작동한다.
태양광 변환 같은 애플리케이션에서는 입력 전력원이 오랜 시간 동안 없을 수 있다. 이러한 경우에 출력의 방전을 막기 위해서 LTC3015는 UVLO(undervoltage lockout) 기능을 포함함으로써 입력 전압이 90 mV(정격) 아래로 떨어지면 컨버터를 셧다운 모드로 전환시킨다. 셧다운 모드일 때는 AUX와 VOUT을 연결하는 스위치가 작동하고, LDO는 역류 차단 모드가 되며 VOUT으로 공급되는 전류가 4 μA(정격)로 낮아진다. 셧다운 시에는 LDO의 역 전류가 1 μA로 제한됨으로써 출력의 방전을 최소화한다.

결론
원격 무선 센싱을 위해서는 전력 관리가 무엇보다 중요한 요소이다. 전력 관리는 설계 작업의 초기 단계에서부터 고려해야 한다. 효율적인 디자인을 달성하고 성공적으로 장기적인 수명을 달성하기 위해서는 시스템 디자이너들이 설계 작업을 시작하는 단계에서 전력 관리를 우선적으로 고려해야 한다. 이러한 설계자를 위해서 주요 고성능 아날로그 IC 업체들이 다양한 에너지 수확 전력 관리 IC 제품을 내놓고 있기 때문에, 이 작업을 크게 간소화할 수 있게 되었다.