낮은 수준의 에너지를 공급할 때 전압 변환

2022년 02월 15일

글 / 프레데릭 도스탈(Frederik Dostal) FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

차원이 다른 DC-DC 컨버터인 LTC3336을 소개한다. LTC3336은 대기 모드에서 단 65nA의 전류만을 소모하므로 배터리 구동 시스템용으로 적합하다.

전원 컨버터는 변환 효율이 중요하다. 스텝다운 변환(벅 컨버터)용 스위칭 레귤레이터는 변환 효율이 85 ~ 95% 수준이다. 이 효율은 입력 전압과 출력 전압, 필요한 부하 전류에 따라 달라진다. 애플리케이션에 따라서 특정한 변환 효율이 요구되며, 그에 적합한 스위칭 레귤레이터 솔루션을 사용할 수 있다. 배터리로 구동되면서 항상 켜져 있어야 시스템은 대기 모드에서 전류 소모가 매우 낮아야 한다. 교량의 진동을 측정하거나 산불을 감지하기 위한 용도의 센서가 그러한 예이다. 이러한 활용 사례를 위해서는 긴 시간 동안 배터리 방전 비율이 낮아야 한다. 에너지 소스로서 에너지 하베스팅을 활용하는 시스템의 경우에는 이 점이 특히 더 중요하다.

이들 센서는 무선으로 다른 디바이스에 연결된다. 에너지 하베스팅이나 배터리로 전원을 공급받는 개별 노드들을 연결해서 여러 노드들과 긴 거리에 걸쳐서 신호를 전송할 수 있다. 이러한 무선 노드들은 ‘슬립 모드’로 있으면서 다른 노드들로부터 신호가 들어오는지를 항상 모니터링 해야 하며, 신호가 수신되면 동작 모드로 전환하고 이 신호를 또 다른 노드로 전달한다.

그림 1: 소량의 에너지를 지속적으로 공급받는 센서를 포함하는 시스템의 예. 산불 감지 등의 애플리케이션에 사용될 수 있다.

이를 위한 새로운 차원의 DC-DC 컨버터로서 LTC3336을 활용할 수 있다. 출력 전압이 발생되고 출력에서 부하가 낮은 수준일 때, 이 디바이스는 대기 모드에서 65nA의 전류만을 소모한다. 그림 2는 약 7V의 V_IN으로 2.5V 출력 전압을 발생하는 간단한 회로를 예시한 것이다.

그림 2: 대기 전류가 65nA에 불과한 LTC3336 벅 컨버터를 사용해서 2.5V 출력 전압을 발생하는 회로 예시

이러한 전압 컨버터는 흔히 저항 전압 분할기를 사용해서 출력 전압을 설정하는데, 이 방법은 너무 많은 에너지를 낭비한다. 이 디바이스는 OUT0 ~ OUT3까지의 핀을 사용해서 서로 다른 출력 전압을 설정할 수 있다. 이들 핀의 배선 방법에 따라 1.2V ~ 5V 사이에서 출력 전압을 설정할 수 있다.

많은 에너지 하베스팅 애플리케이션에서 에너지 소스는 과도한 부하 전류로부터 보호돼야 한다. 어떤 배터리나 에너지 하베스팅은 한정된 양의 전류만을 제공할 수 있다. 이 특정한 전류 한계를 초과하면 전압이 강하되거나 심하면 시스템을 손상시킬 수도 있다. 따라서 전원 컨버터의 전류 인출을 제한할 필요가 있다. LTC3336은 입력 전류 제한을 10mA ~ 300mA에서 설정할 수 있다. 입력 전류 제한도 출력 전압과 마찬가지로 IPK0과 IPK1 핀 연결 방법을 달리하여 설정할 수 있다.

그림 3: 7.2V에서 2.5V로의 변환 효율이 1㎂의 낮은 부하 전류에서도 약 70%에 달한다는 것을 알 수 있다.

그림 3의 효율 곡선을 보면, 1㎂의 극히 낮은 출력 전류로 얼마의 효율을 달성하는지 알 수 있다. 따라서 특히 긴 시간 동안 낮은 부하로 동작하는 애플리케이션에서 상당한 에너지를 절약할 수 있다.

이 글에서는 새로운 차원의 DC-DC 컨버터로서 LTC3336을 소개했다. LTC3336은 대기 모드에서 65nA의 전류만을 소모하므로 배터리 구동 시스템에 사용하기에 특히 적합하다. 정해진 배터리 크기로 사용 시간을 연장하거나, 또는 에너지 하베스팅을 더 작게 설계할 수 있으므로 시스템 비용을 낮출 수 있다.

저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 독일 뉘른베르크 에를랑겐 대학에서 미세전자공학을 전공했다. 2001년 전력 관리 사업부에서 경력을 시작했으며, 애리조나주 피닉스에서 4년 간 스위치 모드 전원 공급장치를 담당하는 등 다양한 애플리케이션 직책을 맡았다. 2009년 아나로그디바이스에 입사하여 현재는 뮌헨 소재 아나로그디바이스에서 전력 관리를 위한 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com.