IoT 장치의 배터리 전력 효율을 크게 개선하는 방법
기사 A626036: ADI 제품 응용 엔지니어 Suryash Rai 제공
요약
이 기사는 사물 인터넷(IoT) 장치를 보다 전력 효율적으로 만드는 방법을 탐구합니다. 나노파워(nanopower) 출하 모드(ship mode)와 절전 모드(sleep mode)의 중요한 역할에 초점을 맞추기 전 배터리 관리에 대한 간단한 복습을 다룹니다. 마지막으로, 기존 방법 대비 전력 소비 수준과 기판 공간을 줄일 수 있는 이 두 가지 배터리 관리 부분을 더욱 최적화하는 새로운 솔루션을 제시합니다.
서론
인터넷으로 연결된 세계에서, IoT는 서로 다른 센서 노드를 연결하고 데이터를 보안 서버로 전송하는 중요한 역할을 합니다. 전원 관리는 IoT 응용 제품의 효율성을 높이기 위한 중점 영역 중 하나입니다.
대부분의 응용 제품에서, 센서 노드(데이터 수집 장치)는 원거리에 위치해 있고 배터리로 구동됩니다. 배터리의 수명은 얼마나 효율적으로 센서 노드의 전원 전략을 설계하느냐에 달려있습니다. 대부분 경우, 센서 노드는 절전 모드를 유지하며 데이터 수집이 필요한 경우에만 활성 모드(active mode)로 전환합니다. 이러한 장치의 듀티 사이클은 낮습니다.
배터리 수명을 극대화하려면, IoT 응용 제품의 슬립 전류를 개선해야 합니다.
IoT 장치에 있어 전원 관리의 기초
그림 1과 같이, 일반적인 IoT 시스템에서 무선 센서 노드는 대부분 배터리로 구동되므로 근본적으로 배터리 수명에 의해 제약을 받습니다. 센서 노드의 수명을 극대화하기 위해서는 전원 관리가 중요합니다. 센서 노드에서의 절전은 듀티 사이클(Duty Cycle, DC) 컨셉이 일반적입니다. 센서 노드에서 오버히어링(overhearing)과 아이들 리스닝(idle listening)이 에너지 낭비의 주요 원인이므로, 다음 세 가지 다른 영역을 사용하여 무선 센서 노드의 전력 소비를 평가할 수 있습니다.
- 센서
- 마이크로컨트롤러
- 무선 동작
센서는 온도 및 습도와 같은 원자료를 수집해 마이크로컨트롤러로 보냅니다. 마이크로컨트롤러는 원자료를 처리한 후 무선 링크를 사용해 이 데이터를 클라우드 또는 데이터 센터로 전송합니다. 그러나, 이 일반적인 센서 응용 제품은 (0.01%에서 1% 범위의) 매우 낮은 듀티 사이클로 동작하며 거의 유휴(idle) 상태이기 때문에 센서 노드의 슬립 전류가 극단적으로 낮은 전원 관리 방식을 채택하면 배터리 수명을 보존할 수 있습니다. 센서 노드가 토양의 수분을 측정하고 시간당 한 번만 데이터를 수집하는 스마트 관개 시스템이 이러한 응용 제품의 예시입니다.
그림 1. IoT 시스템의 대표적인 구성 요소
출하 모드와 절전 모드의 중요한 역할은 무엇인가요?
출하 모드와 절전 모드는 배터리로 동작하는 IoT 장치에 사용되는 일반적인 용어이며 IoT 응용 제품의 전원 관리에 있어 중요한 부분입니다. 출하 모드는 제품의 배송 단계 동안 배터리 수명을 연장하는 나노파워 상태 입니다. 출하 모드에서 배터리는 제품이 유휴 상태 또는 사용되지 않는 동안 전력 소모를 최소화하기 위해 시스템으로부터 전기적으로 분리됩니다. 장치의 출하 모드를 해제하고 정상 동작을 시작하는 데 푸시 버튼이 사용됩니다.
장치가 활성 상태가 되면 절전 모드를 사용해 배터리 수명을 연장합니다. 절전 모드에서 시스템의 모든 주변 장치들은 정지하거나 최소 전력 요구 사항으로 동작합니다. IoT 장치들은 주기적으로 깨어나, 특정 작업을 수행한 후 다시 절전 모드로 돌아갑니다.
무선 센서 노드의 여러 주변 장치들을 비활성화함으로써 다양한 절전 모드를 구현할 수 있습니다. 예를 들어, 모뎀 슬립(modem sleep) 모드에서는 통신 블록만 비활성화됩니다. 라이트 슬립(light sleep) 모드에서는 통신 블록, 센서 블록 그리고 디지털 블록을 포함한 대부분의 블록이 비활성화 되며, 딥 슬립(deep sleep) 모드에서는 무선 센서 노드가 완전히 꺼집니다.
센서 노드에서 딥 슬립 모드를 활성화시키면 배터리 수명을 최대화할 수 있습니다; 따라서 전체 배터리 수명을 향상시킬 수 있는 유일한 방법은 딥 슬립 전류의 최적화입니다.
IoT 응용 제품에서 딥 슬립 모드를 활성화하기 위한 듀티 사이클링 기법
IoT 모듈의 듀티 사이클링 기법은 딥 슬립 모드를 활성화하는 대중적인 기법 중 하나입니다. 무선 센서 노드가 딥 슬립 상태인 동안, 대부분의 주변 장치들은 꺼지거나 정지 모드여서 극소량의 나노암페어 전류만 소비합니다. 실시간 시계(Real-Time Clock, RTC)와 같은 시간 기록 소자가 프로그래밍된 시간이 지나면 IoT 모듈을 깨웁니다. 이 기술에서, 시스템이 딥 슬립 모드에 있는 동안 마이크로컨트롤러는 완전히 꺼져 있습니다. 그러나 복구 후, 항상 초기 부팅 시간이 수반되어 원치 않는 지연이 추가됩니다. 이러한 트레이드오프를 고려할 때, 제안한 원리의 영향은 각 노드의 특성과 응용 제품의 듀티 사이클에 따라 달라집니다.
딥 슬립 모드와 출하 모드의 기존 솔루션: RTC, 부하 스위치 및 푸시 버튼 컨트롤러 사용
기존 솔루션에서는, 부하 스위치와 RTC를 사용해 무선 센서 노드의 전원을 켜고 끕니다. 이 방법에서는, 부하 스위치와 RTC만 활성 상태여서 전체 대기 전류를 나노암페어로 낮춥니다. 절전 시간은 무선 센서 노드 내의 마이크로컨트롤러로 프로그래밍할 수 있습니다.
외부 푸시 버튼 컨트롤러를 부하 스위치에 연결하여 출하 모드 기능을 활성화 할 수 있습니다. 외부 푸시 버튼은 출하 모드를 종료하고 무선 센서 노드를 정상 동작 상태로 만듭니다.
그림 2. 개별 솔루션 구성도
딥 슬립 모드와 출하 모드의 개선된 솔루션
MAX16163 / MAX16164는 절전 시간을 프로그래밍 할 수 있는 Analog Devices의 나노파워 온/오프 컨트롤러입니다. 이 소자는 출력을 통제할 수 있는 전원 스위치를 내장하고 있으며, 최대 200mA의 부하 전류를 공급합니다. MAX16163 / MAX16164는 기존의 부하 스위치, RTC 그리고 배터리 프레시니스 실(battery freshness seal) IC를 대체하여 BOM 수를 줄이고 비용을 절감할 수 있습니다. 무선 센서 노드 유닛은 MAX16163 / MAX16164를 통해 배터리에 연결됩니다. 절전 시간은 마이크로컨트롤러에서 I²C 명령을 사용해 프로그래밍하거나 PB/SLP와 접지 사이에 외부 저항을 사용해 설정할 수 있습니다. 외부 푸시 버튼은 장치의 출하 모드를 종료하는 데 사용됩니다.
그림 3. MAX16163 / MAX16164를 사용하는 통합 솔루션
솔루션 성능 비교
두 방식의 성능 비교는 IoT 응용 분야의 듀티 사이클에 따라 달라집니다. 듀티 사이클이 낮은 응용 분야에서, 절전 전류는 IoT 장치가 동작 중일 때 시스템이 얼마나 효율적인지를 나타내는 척도이며, 정지 전류는 출하 모드 전력 소비를 나타내는 척도입니다. 솔루션의 모드를 보여주기 위해, 업계 최소 대기 전류 RTC인 MAX31342, 배터리 프레시니스 실 IC MAX16150 그리고 소형 부하 스위치 TPS22916를 선택하였습니다. IoT 응용 제품의 절전 시간을 설정하는 RTC는 I²C 통신을 사용하여 프로그램 되며, 타이머가 만료되면 인터럽트 신호가 MAX16150의 PBIN 핀을 풀 다운 시키고, 이는 OUT 핀을 하이 상태로 만들어 부하 스위치를 켭니다. 절전 시간 동안, TPS22916, MAX31342 그리고 MAX16150만 시스템의 전력을 소비합니다.
표 1. 기존 솔루션의 각 구성 별 전류 소비량
| 기능 구성 | 부품 번호 | 절전 모드 전류 (nA) (Typ) | 정지 전류 (nA) (Typ) |
|---|---|---|---|
| RTC | MAX31342 | 150 | 6 |
| 부하 스위치 | TPS22916 | 10 | 10 |
| 배터리 프레시니스 | MAX16150 | 10 | 10 |
| 전체 시스템 전류 (Typ) | 170 | 26 |
그림 4. 개별 솔루션의 회로도
실험에서 우리는 기존 솔루션과 MAX16163을 사용하는 개선된 솔루션의 성능을 비교하여, 고정된 듀티 사이클에서의 두 최첨단 기술의 수명을 평가합니다.
배터리의 수명은 평균 부하 전류와 배터리 용량을 이용하여 계산할 수 있습니다.
평균 부하 전류는 시스템의 듀티 사이클을 사용하여 계산할 수 있습니다.
활성 전류는 무선 센서 노드가 활성 상태일 때의 시스템 전류입니다. 두 솔루션을 비교하기 위해, 시스템이 두 시간 마다 한 번 깨어 특정 작업을 수행한 후 다시 절전 모드로 들어간다고 가정해 보겠습니다. 시스템의 활성 전류는 5mA입니다. 배터리 수명은 동작 듀티 사이클에 따라 달라집니다. 그림 5는 0.005%에서 0.015%까지 변화하는 듀티 사이클을 가지는 다른 두 가지 방식의 배터리 수명을 보여주는 그림입니다.
그림 5. 무선 센서 노드의 배터리 수명 대 듀티 사이클을 보여주는 그래프
표 2. 다른 두 솔루션의 비교
| 사양 | MAX31342, MAX16150 그리고 TPS22916을 사용한 개별 솔루션 | MAX16163을 사용한 통합 솔루션 |
|---|---|---|
| 코인 셀 용량 | 250 mAh | 250 mAh |
| 정지 전류 | 146 nA | 30 nA |
| 절전 전류 | 170 nA | 10 nA |
| IC 수 | 3 (RTC + 부하 스위치 + 배터리 프레시니스) | 1 (MAX16163) |
| 수정 발진기 | 필요 | 불필요 |
| 솔루션 크기 | 130 mm² (일반적) | 50 mm² (일반적) |
요약하자면, 본 기사는 폭발적으로 증가하는 IoT 장치의 세계에서 배터리 전원 관리의 중요한 역할을 다루었습니다. 출하 모드와 절전 모드의 최적화가 배터리 효율을 향상시키는 가장 좋은 방법 중 하나임을 입증하였습니다. ADI의 MAX16163 솔루션은 이러한 기능을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 설계를 가능하게 합니다. 그리고 (그림 5에서 보듯이 일반적으로 0.007% 듀티 사이클 동작인 경우) 배터리 수명을 약 20% 연장하며, 솔루션 크기는 기존 방식에 비해 60%를 줄입니다.
저자 소개
Suryash Rai는 2016년부터 응용 엔지니어로 Analog Devices에 근무하며, 보호 IC 포트폴리오를 지원하였습니다. 수라트칼 국립 카르나타카 공과대학교(National Institute of Technology Karnataka, Surathkal)에서 통신 공학 석사 학위를 취득하였습니다. Suryash Rai는 현재 캘리포니아 산 호세에 살고 있으며, 요리, 여행 그리고 새로운 친구들을 만나는 것을 즐깁니다.
영문 원본: How to Greatly Improve Battery Power Efficiency for IoT Devices