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 글/ 아닐 텔리케팔리(Anil Telikepalli) 매니징 디렉터, 나자레노 로제티(Nazzareno Rossetti) 아날로그 및 전력관리 전문가, 시모 라도비치(Simo Radovic) 애플리케이션 디렉터, 아나로그디바이스(Analog Devices)

이 기사에서는 자산 추적 솔루션이 어떻게 동작하는지 알아보고, 이러한 소형 휴대용 기기에서 MAX3864x 나노파워 벅 컨버터 제품군이 어떻게 고효율과 작은 크기로 배터리 수명을 연장할 수 있는지 알아본다. 

오늘날에는 새로운 저전력 데이터 네트워크의 낮은 구축 비용 덕분에 자산 추적 솔루션이 폭발적으로 증가했다. 이러한 영향은 운송이나 공급망 관리 같은 애플리케이션에서 두드러지게 나타나고 있다. 이러한 애플리케이션에서 센서는 주어진 위치에서 업데이트를 하고 온도, 습도, 압력, 모션 같은 데이터를 전송한다. 센서는 소량의 데이터만 전송하면 되므로 커버리지를 높이고 전력 소모를 최소화하여 기기를 더 긴 시간 동안 사용할 수 있게 한다. 이러한 센서의 배터리는 수 주일에서 길게는 수 년 동안 지속할 수 있어야 한다. 

자산 추적 애플리케이션은 경우에 따라 여러 개의 추적 장치를 필요로 할 수도 있다. 따라서 이러한 자산 추적 장치는 크기가 작고, 휴대성이 높으면서, 비용적으로 경제적이어야 한다. 이 글에서는 배터리 전원을 사용하는 통상적인 자산 추적 장치의 전원관리 과제들에 대해 알아보고, 이러한 디바이스에 사용하기에 적합한 소형의 고효율 벅 컨버터를 소개한다.

엣지-엔터프라이즈 통신

그림 1은 통상적인 추적 장치의 통신 경로를 보여준다. 추적하고자 하는 자산이 비콘을 통해 데이터를 전송하면, 이 데이터는 전용 셀룰러 네트워크를 통해 서버로 전달된다. 그 다음에는 엔터프라이즈 포털로 전달돼서 자산 관리 및 분석에 활용된다.

그림 1. 실시간 GPS 추적

자산 추적 네트워크

새로운 세대의 비콘은 전용 셀룰러 네트워크에 곧바로 연결될 수 있으므로, 블루투스를 사용해 게이트웨이와 통신할 필요가 없다. 여기에는 여러 기술들이 존재하는데, 모두가 낮은 전력 소모가 특징이어서(표 1) 배터리 수명을 수 년 동안 유지할 수 있게 해준다.

표 1. 네트워크의 특징 

일반적인 자산 추적 시스템

그림 2는 일반적인 자산 추적 장치의 블록 다이어그램을 보여준다. 3S(직렬) 알칼라인 배터리가 2000mAh의 전하를 공급하고, 스텝다운 레귤레이터가 온보드 컨트롤러, 센서, RF에 전원을 공급한다.

그림 2. 자산 추적 장치의 블록 다이어그램

까다로운 자산 추적 애플리케이션의 경우, 이 시스템은 3개의 알칼라인 배터리를 사용해서 딥 슬립 모드에서는 100A만을 소모하고 하루에 한 번 약 2분 동안 100mA를 전송하면서 일년 동안 지속할 수 있어야 한다(그림 3). 전력 수준과 LTE-M 또는 NB-IoT 자산 추적 장치에서 지원되는 그 밖에 다른 기능들에 따라, 전류가 이보다 더 높을 수도 있겠지만 이 글에서는 100㎂에서 100mA까지의 범위라고 가정한다.

그림 3. 자산 추적 장치의 전류 프로파일 

전력 소모를 최소화하면서 뛰어난 성능을 내려면 각각의 블록을 신중하게 선택해야 한다. 벅 레귤레이터는 100㎂부터 100mA에 이르는 폭넓은 범위에서 효율이 좋아야 한다. 예를 들어 벅 컨버터의 효율이 평균 4% 떨어진다면, 이는 현장에 구축되었을 때 배터리 수명을 약 2주일 단축하게 될 것이다.

초저 대기 전류

이 추적 장치는 대부분의 시간을 딥 슬립 모드로 있으면서 100㎂ 혹은 그 미만의 전류만을 소모하므로, 벅 컨버터의 대기 전류가 매우 중요하다. V_OUT = 1.8V일 때, 딥 슬립 모드의 출력 전력은 P_OUT = 1.8V × 100㎂ = 180㎼이다. η = 90%이면, 입력 전력은 다음과 같다:

만약 벅 컨버터를 신중하게 선택하지 않고 이의 통상적인 대기 전류가 3㎂이고 입력 전압이 3.6V이면 이로 인한 추가적인 전력 소모는 다음과 같다:

최종적인 벅 컨버터 효율은 다음과 같다:

3㎂의 대기 전류는 벅 컨버터에 4퍼센트포인트의 효율 저하를 가져오고, 이는 배터리를 더 빠르게 고갈시킬 것이다. 이와 달리, 대기 전류가 300nA인 벅 컨버터라면 효율을 거의 떨어트리지 않아, 효율 저하가 0.5퍼센트포인트에 불과할 것이다. 따라서 자산 추적 애플리케이션을 위해서는 대기 전류가 극히 낮은 벅 컨버터를 선택하는 것이 중요하다. 시스템이 대부분의 시간을 슬립 모드에서 보내고, 배터리로 작동하기 때문이다.

나노파워 벅 컨버터

그림 4에서 보듯이, 330nA의 극히 낮은 대기 전류를 특징으로 하는 나노파워 벅(스텝다운) DC-DC 컨버터인 MAX38640은 1.8V~5.5V의 입력 전압으로 동작하고, 최대 175mA에 이르는 부하 전류를 지원하며, 96%의 피크 효율을 달성한다. 슬립 모드일 때는 5nA의 셧다운 전류만을 소비한다. 이 디바이스는 공간 절약형 1.42 x 0.89mm 6볼 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)로 제공된다(2 x 3 볼 WLP, 0.4mm 피치). NB-IoT 또는 LTE-M 네트워크의 전력 수준에 따라 더 높은 전류가 요구될 때는 이 디바이스의 자매 제품을 사용할 수 있다.

그림 4. 통합적인 벅 컨버터 

작은 크기

그림 5는 이 나노파워 벅 컨버터의 애플리케이션 풋프린트를 보여준다. WLP 패키지, 높은 스위칭 주파수 동작, 작은 크기의 외부 소자라는 점에서 이 벅 컨버터의 순수 PCB 면적은 7.1mm²에 불과하다.

그림 5. 자산 추적 장치의 벅 컨버터 애플리케이션 (7.1mm²의 순 면적)

고효율의 이점

그림 6은 3.6V 입력과 1.8V 출력일 때 이 벅 컨버터의 효율 곡선을 보여준다. 중부하일 때는 동기 정류를 사용하고 경부하 및 초경부하일 때는 펄스형 동작을 사용함으로써 넓은 동작 범위에 걸쳐서 높은 효율을 달성한다.

이 IC는 100㎂에서 87.5%, 100mA에서 92%의 높은 효율을 달성하므로 자산 추적 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 이 벅 컨버터는 다른 솔루션들과 비교할 때 효율이 수 퍼센트포인트 더 높다.

그림 6. MAX38640의 효율 곡선

높은 효율에 보다 작은 풋프린트 특성이 결합하여 발열이 줄어든다. 따라서 더 작은 크기에 더 낮은 온도로 동작하는 자산 추적 장치를 설계할 수 있으며, 디바이스 과열에 대한 우려를 줄일 수 있다.

맺음말

자산 추적 장치는 애플리케이션에 따라 소형 배터리만을 사용해서 현장에서 수 주일에서부터 수 년까지 작동해야 할 수 있다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 전력 소모를 최소화하도록 각각의 블록을 신중하게 선택해야 한다. 벅 레귤레이터는 수십 마이크로암페어부터 수백 밀리암페어에 이르는 넓은 입력 전류 범위에 걸쳐 효율적으로 작동해야 한다. MAX3864x 나노파워 벅 컨버터 제품군은 높은 효율과 작은 크기로 자산 추적 애플리케이션에 사용하기에 이상적인 전원 솔루션을 제공한다.

관련 자료 보기

• 아나로그디바이스의 MAX38640 

• 아나로그디바이스의 MAX38641 

• 아나로그디바이스의 MAX38642 

• 아나로그디바이스의 MAX38643

저자 소개

아닐 텔리케팔리(Anil Telikepalli)는 아나로그디바이스 핵심 제품 사업부의 매니징 디렉터로서 전원 및 데이터 컨버터 제품을 맡았다. 2010년에 ADI에 입사했으며, 북미, 유럽, 아시아에 걸친 글로벌 팀과 일하면서 제품 정의, 제품 개발, 마케팅, 사업 개발을 관리했다. ADI 입사 전에는 자일링스(Xilinx)와 MIPS 테크놀로지에서 엔지니어링 애플리케이션, 마케팅, 사업 운영과 관련한 다양한 직책을 역임하고 통신, 컴퓨팅, 컨슈머, 자동차, 산업용 시장의 성장에 힘을 보탰다. 켄터키 대학과 오스마니아 대학에서 각각 전기공학 석사학위 및 학사학위를 취득했다. 현장에서 일하면서 다수의 특허를 보유했으며, 많은 하드웨어 및 인터넷 소프트웨어 스타트업에 고문으로 참여했다.

나자레노 (레노) 로제티(Nazzareno (Reno) Rossetti)는 아나로그디바이스의 아날로그 및 전원관리 전문가였다. 책을 출간한 저자이며, 다수의 특허를 보유했다. 이탈리아 토리노 공과대학에서 전기공학 박사학위를 취득했다.

시모 라도비치(Simo Radovic)는 ADI의 첨단 컨슈머 전원 그룹의 전원 제품 애플리케이션 디렉터이다. DC-DC 스위칭 컨버터와 관련해서 16년 넘게 경험을 쌓고 있다. 산호세 주립대학에서 전기공학 석사학위를 취득했다.