헬로티 서재창 기자 |

라인 전력으로 실행하는 많은 최신 스마트 사물인터넷(IoT) 디바이스는 예기치 않은 정전 시에 안전하게 전원을 차단하거나 마지막까지 통신해야 하는 경우 예비 전력이 필요하다. 예를 들어 전력계는 무선주파수(RF) 인터페이스를 통해 정전이 발생한 시각과 장소 및 지속시간에 대한 세부 정보를 공유한다. 최근에는 다음과 같은 장점을 고려해 협대역 IoT(NB-IoT)가 널리 보급되고 있다. 

 

- 기존의 2G, 3G 및 4G 대역 사용
- 미주, 유럽 및 아시아 국가에 있는 하나 이상의 통신사에서 지원
- 일반 패킷 무선 시스템(GPRS)과 비교하여 현저히 낮은 전력과 피크 전류

 

 

잘 설계된 예비 전력 체계는 적정량의 예비 전력을 제공하는 데 도움이 되며, 일반 작동과 예비 작동 간의 전환이 원활하고, 유지보수 없이 많은 정전 상황을 지원할 수 있다. 본 기고문에서는 TI의 TPS61094 벅/부스트 컨버터와 단일 슈퍼커패시터를 사용해 NB-IoT 및 RF 표준에 대한 예비 전력 체계를 구현하기 위한 간단한 방법을 제시한다.
 
NB-IoT를 위한 예비 전력

 

표 1은 서로 다른 NB-IoT 작동 모드 중에 시간 경과에 따른 전류 소비를 나타낸다. 부하는 데이터 전송 모드일 때 1.32초에 310mA의 피크 전류에 도달하며 작동 모드 변화에 따라 크게 바뀐다. 전체 프로세스의 평균 소비 전류는 80초에 30mA다.

 

이 부하 지속시간에서는 주 전력망이 갑자기 꺼졌을 때 충분한 예비 전력과 원활한 전력 전환이 필요하다. TPS61094 60nA 정동작 전류(IQ) 양방향 벅/부스트 컨버터는 안정적이고 단순한 전력 설계를 지원하는 한편, 추가 회로 없이 슈퍼커패시터 충전 및 방전을 달성하는 단일 칩 솔루션 역할을 한다.

 

모드	슬립 모드	전송모드							전송 모드
		웨이크업 및 스캔	데이터 전송		RRC 활동	RRC 개방		PSM
전류(mA)	0.003	28	310	40	20	310	20	8	30 (평균)
시간(초)	·	2	1.32	12.68	30	1.25	1	30	90 (총 시간)

▲표 1 - Saft Batteries의 NB-IoT 부하 프로필 예시

 

단일 슈퍼커패시터와 TPS61094를 사용해 효과적인 예비 전력 회로를 구현하기 위해 그림 1은 NB-IoT 부하 프로필에 대한 예비 전력을 지원할 수 있는 표 1의 TPS61094 평가 모듈(EVM)을 구성한 모습을 보여준다. 

 

 

시스템 전원을 켜면 TPS61094가 벅-온 모드로 전환되면서 바이패스 전계 효과 트랜지스터(FET)가 켜지고 슈퍼커패시터에 500mA의 정전류가 공급되며, 슈퍼커패시터의 전압이 2.5V가 되면 충전이 멈춘다. VSYS는 VOUT에 직접 전력을 공급한다.

 

정전으로 VSYS가 강하하면 TPS61094가 자동으로 부스트 온 모드로 전환되면서 바이패스 FET가 꺼지고 슈퍼커패시터에 저장된 에너지에서 VOUT가 공급된다. 그림 2는 전체 예비 전력 사이클의 오실로스코프 측정을 보여준다. VIN은 전력망의 시스템 전압을 나타낸다.

 

VOUT는 TPS61094의 출력 전압이고 VSUP는 슈퍼커패시터 전압이며 IOUT는 부하 전류 소비를 나타낸다. 예시에서 부하는 100mA로, 부하 프로파일의 평균 전류 소비의 3.33배에 달한다. 우리는 전력망이 더 극한의 부하 조건에서 다운될 때 TPS61094가 입력 전력을 어떻게 전환하는지 확인하기 위해 부하를 높였다. 

 

시스템 전원이 갑자기 나가면, TPS61094는 즉시 부스트_온 모드로 전환되고 슈퍼커패시터의 전력을 이용해 VOUT를 조절한다. 벅/부스트 컨버터는 254.5초 동안 필요한 출력 전류를 공급하는데 이는 11.5NB-IoT 트랜잭션에 해당한다.

 

TPS61094는 전압이 0.7V로 강하될 때까지 슈퍼커패시터를 방전하며, 이 지점이 되면 시스템 VIN 반환에 이를 때까지 장치가 셧다운 모드로 전환된다. 벅_온 모드일 때 TPS61094는 슈퍼커패시터에 정전류를 원활하게 공급한다. 그림 2에서 알 수 있듯이 슈퍼커패시터 방전과 충전 간의 전환은 매우 원활하다. 

 

 

기타 예비 전력 구현

 

다른 솔루션도 사용할 수 있으며 솔루션마다 장단점이 있다. 전자 계량기용 슈퍼커패시터 예비 전원 공급 장치 레퍼런스 디자인은 개별 회로를 사용해 슈퍼커패시터를 충전하고, 전력망이 다운될 때 TPS61022 부스트 컨버터를 사용해 슈퍼커패시터 전압을 더 높은 시스템 전압으로 승압한다. TPS61022 출력 전류 기능은 TPS61094 솔루션의 기능보다 뛰어나지만, 더 많은 외부 부품을 필요로 한다. 

 

또 다른 접근 방식은 액티브 셀 밸런싱을 사용하는 슈퍼커패시터 예비 전력 공급 장치 레퍼런스 디자인으로, TPS63802 벅-부스트 컨버터를 슈퍼커패시터 충전기 및 전압 레귤레이터로 사용하며 개별 충전 회로의 필요를 없앤다. 하지만 전원 오링, 충전 전류 제한 및 슈퍼커패시터 단자 전압 설정을 달성하려면 여전히 추가 외부 부품이 필요하다. 표 2는 각 예비 전력 접근 방식의 가장 중요한 특성을 나열한 것이다.

 

코어 디바이스	TPS61094	TPS61022
장치 IQ(uA)	0.06	27
무결성	높음	낮음
충전 회로	집적	개별
슈퍼커패시터 구성	1S	1S
평균 최대 출력 전류(mA) for 3.3VOUT*	300	650
오링 회로	집적	개별
프로그래밍 가능한 슈퍼커패시터 단자 전압	집적	개별
프로그래밍 가능한 충전 전류	집적	개별
프로그래밍 가능한 출력 전압	집적	집적
VIN 범위(V)	0.7-5.5	10-12
VOUT 범위(V)	2.7-5.4	2.2-5.5
예비 전력용 핵심 부품	TPS61094	개별 충전기, TPS61022

▲표 2 - 예비 전력 솔루션 개요

*TPS61094 및 TPS61022의 경우, 최소 VIN은 0.7V다. TPS63802의 경우, VIN은 1.3V다. 

 

결론

저전력 무선 표준의 인기가 날로 높아지고 있다. 고집적의 간단한 설계와 최고의 경부하 효율을 원할 경우 TPS61094는 LTE-M, Lora, 블루투스 및 새롭게 부상하는 기타 무선 인터페이스를 사용하는 예비 전력 애플리케이션에 좋은 선택지다.

 

더 많은 출력 전류가 필요할 경우에는 전자 계량기 또는 전류 제한 레퍼런스 디자인이 매우 효과적인 솔루션이다. 이 경우 더 많은 개별 부품을 필요로 하지만 GPRS와 같이 더 높은 전력의 RF 전송을 지원할 수 있다.