새로운 스마트 락 파워 아키텍처는 시스템 대기전력 소비를 줄여 배터리 수명을 크게 증가시킨다. 전력관리는 모든 사물인터넷(IoT)과 가전제품 설계의 핵심 요소이다. 소비자가 배터리 고갈로 제품 사용을 중단하거나 잦은 배터리 교체 같은 귀찮은 경험을 한다면 그 제품을 다시 사용하지 않게 될 확률은 매우 높다. 이 같은 경우는 스마트 락에서 특히 그렇다. 락이 오작동 할 경우, 사무실이나 호텔 객실에 들어가서 나오지 못하는 불쾌한 일을 경험하기도 하기 때문이다.
모든 IoT 애플리케이션에서 공통적으로 사용되는 비교적 높은 피크 무선전력 수요 외에도, 스마트 락은 작동하는 락 자체 모터에서도 높은 피크 전력이 추가로 요구된다. 또한 도어를 실제로 잠그고 여는 시간은 매우 짧으므로 스마트 락은 매일 대부분의 시간을 가동 없이 보낸다. 높은 피크 전류 수요와 장시간의 저전력 시스템 대기시간 등의 이유로 새로운 파워 아키텍처에서는 배터리 수명을 늘려야 할 필요가 있다.
시스템 개요
스마트 락 시스템에는 발광 다이오드(LED) 드라이버, Wi-Fi® 통신 등 수 많은 집적회로(IC)가 들어있지만, 본 백서에서는 다음의 세 가지 IC에 더 초점을 맞췄다:
1) Bluetooth® 저에너지 같은 무선 커넥티비티 기능을 갖춘 마이크로컨트롤러
2) 모터 드라이버
3) 전력 관리
본 백서에서 ‘동작’이라는 용어는 모터가 작동될 때 도어가 잠기고 열리는 것을 뜻하는 말이다. 예를 들어, 현관문을 잠근 다음 그 현관문을 여는 것은 두 개의 별개 동작으로 계산된다. 다른 스마트 락들과 성능을 비교하기 위해 하루 24 번의 동작을 공통 기준으로 삼는다.
무선 마이크로컨트롤러
스마트 락 제품의 무선 마이크로컨트롤러(MCU) 디바이스는 전화기와 무선 통신해서 도어를 잠그고 연다. 랙 없이 이를 수행하려면 무선 마이크로컨트롤러가 파워 온 상태가 되어 알림 동작 신호를 정기적으로 보낸 후 대기 상태로 되돌아가야 한다. 전류 소비는 대기상태일 때 보통 한 자릿수 마이크로 암페어(μA) 범위일 정도로 훨씬 더 낮으며, 이렇게 낮은 전류는 배터리 수명을 늘려준다.
알림 동작(잠금/열림 동작과 혼동하지 말 것)은 무선 마이크로컨트롤러가 정기적으로 깨어나 짧게 식별 정보를 전송하고 피어 디바이스(예: 스마트폰)로부터 인커밍 연결 요청을 들었을 때 발생한다. 알림 동작의 시간은 대다수 블루투스 저에너지 디바이스 20ms에서 10.24초까지 프로그래밍이 가능하다.
이 시간이 길어질수록, 연결에 걸리는 시간은 길어지지만, 전력소비는 낮아진다. 알림 동작들 사이의 500ms 시간은 전력 소비와 접속 속도의 균형을 잘 맞춘 것이다. 그림 1은 블루투스 저에너지 통신 기능을 가진 전형적인 무선 마이크로컨트롤러의 전류 소비 파형을 보여주고 있다[1]. CC2640 전류 소비의 기본값은 그림 1에 나와 있다. 그림 6과 7의 파이 그래프와 플롯은 9.1mA 액티브 전류와 2.5μA 대기전류라는 최악의 시나리오를 가정한 것이다. 이 값들은 최대 출력 전력일 때 사용된다.
알림 동작 시간은 프로그래밍이 가능하기 때문에, 블루투스 저에너지 무선을 선택할 때 전력 소비 차원에서 가장 중요하게 보아야 할 두 개 값은 (알림 동작 중일 때의) 액티브 전류와 대기 전류다. SimpleLink™ 블루투스 저에너지 CC2640 무선 MCU의 공급전압 범위는 1.8V~3.8V이다. 이 애플리케이션 노트에서는 서로 다른 구성들을 쉽게 비교해볼 수 있도록 2.5V를 사용한다.
모터
모든 스마트 락 제품에는 물리적 키 없이도 락을 무선으로 어느 방향으로든 돌릴 수 있는 모터와 모터 드라이브가 있어야 한다. 모터의 전류 프로파일은 도어 락의 유형마다 다르다. 그 락을 돌리는데 필요한 토크의 양이 도어 락 브랜드마다 차이가 있기 때문이다. 대부분의 락에서는 모터를 통과하는 전류가 약 1 암페어 근처에서 증가하여 최고조에 달하면 모터 드라이브에는 전력 소비원들이 많지만, 가장 큰 소비 원은 MOSFET의 on-resistance이다. 모터 드라이브를 선택할 때, 매우 낮은 on-resistance에서 가장 큰 효율성이 제공된다. DRV8833 같은 모터 드라이버는 그 스마트 락의 전원 및 사용되는 특정 모터에서 동작 되어야 한다. 이 두 가지를 모두 감안한 모터 드라이버 전압은 보통 5V 가량이다.
전력 관리
변화하는 배터리 전압을 무선 마이크로컨트롤러와 모터 드라이브, 기타 모든 서브시스템 등의 로드 각각에 필요한 전압으로 변환하려면 전력관리가 요구된다. 이에 따른 전력관리는 시스템에 비용과 크기, 비효율을 증가시킨다. 따라서 전력관리를 염두에 두고 전체 시스템을 설계하는 것이 중요하고 전력관리는 각각의 서브시스템과 조화롭게 동작해야만 한다.
특히 스마트 락 같은 IoT 애플리케이션에서는 전력관리의 효율성은 전체 시스템 성능에 있어 무엇보다 중요하다. 이러한 효율성은 모터 회전과 무선 마이크로컨트롤러 접속이 이루어지는 풀 시스템 로드에서도 중요하지만, 시스템이 대기모드에서 마이크로 암페어(μA)의 전류를 끌어낼 때 특히 중요하다. 경부하와 중부하 양쪽 다 효율적이어야 하는데, 그러려면 특별히 설계된 IC들이 요구된다.
전력관리는 궁극적으로 사용자가 설치한 배터리에서 뽑아내야 한다. 배터리 유형과 개수, 구성을 선택하는 것은 그 시스템의 파워 아키텍처 및 전력관리 선택하는 것과 동급이다. 스마트 락에서는 낮은 비용과 넓은 활용도 때문에 AA 크기 알카라인 배터리가 주로 쓰이는데 AA 전지의 셀 당 평균 전압은 약 1.25V이다. 그 전압은 1V 미만에서 전부 방전되었을 때부터 완전히 새 것일 때의 1.6V까지 다양하다. 4개의 AA 셀이면, 4년 이상의 배터리 수명이 제공된다[2].
기존의 대다수 스마트 락들은 LDO(low drop-out) 리니어 레귤레이터로 최저가 전력관리에 중점을 두고 있어 효율성이 떨어지는데 반해, 새로운 비용효과적 전력관리는 최소한의 비용 추가로 배터리 수명을 두 배 이상 늘려준다. 스위칭 DC/DC 컨버터, 부스트(스텝업으로 불리기도 함)와 벅(스텝다운으로 불리기도 함) 컨버터는 둘 다 높은 효율성을 자랑하며, LDO 구현 방식에 비해 배터리 수명이 더 길다.
리니어 레귤레이터
네 개의 AA 배터리는 4s1p(네 개 직렬 전지와 한 개 병렬 전지)로 연결되어 모터를 동작 할 수 있는 5V 공급전압을 만들어낸다. 이제는 간단한 모터 드라이버 하나만 있으면 전력을 추가하지 않고도 모터를 켜거나 끌 수 있기 때문에 모터 서브시스템은 거의 100% 효율적으로 동작한다.
LDO는 높은 배터리 전압을 낮은 전압으로 스텝다운 시킨다. LDO는 5V 배터리를 무선 마이크로컨트롤러에 필요한 2.5V로 변환하는데 쓰인다. 5V를 2.5V로 변환하는 LDO는 잘해야 50% 효율로, LDO의 대기전류(그라운드 전류로 불리기도 함)로 인해 대기모드에서 얻어지는 효율보다 훨씬 낮다[3]. 예를 들어, TPS76625는 네 개 AA 배터리를 2.5V로 변환하는데 적합하다. 이 디바이스는 높은 부하에서는 50% 효율을 제공하지만, 35μA 의 대기전류 때문에 1.2μA 대기 부하에서는 2% 효율만 제공한다. 이렇게 매우 낮은 효율은 스마트 락이 대기상태일 때 비교적 높은 전력소비로 이어지는데 이 현상은 배터리 수명을 줄어들게 한다. 그림 2는 LDO 기반 시스템의 전형적인 블록 다이어그램이다.
부스트 컨버터
대기모드에서 LDO의 저효율을 극복하기 위해 배터리 구성을 재배열하고 부스트 컨버터를 대신 사용한 경우 이러한 파워 아키텍처에서는 무선 MCU가 직접 배터리 팩에 연결되며, 2s2p(두 개 직렬, 2 개 병렬 전지)로 배열된다. 네 개 전지를 그대로 사용하기 때문에 비용과 에너지는 이전 사례와 동일하지만 두 개 전지만 직렬이기 때문에, 총 배터리 팩 전압은 2.5V이지만 무선 MCU에 완벽하게 들어맞는다. 이 커넥션은 100% 효율성을 보여준다. 그렇지만 모터를 동작하려면 여전히 5V가 필요하기 때문에 2.5V 배터리에서는 부스트 컨버터를 반드시 사용해야 한다. TPS61030 같은 전형적인 부스트 컨버터는 모터를 구동하기 위해 부스팅을 할 때 약 85%의 효율을 발휘한다. 그 효율과 부스트 비율 때문에 (출력 전압이 입력 전압보다 클 때), 부스트 컨버터는 배터리에서 매우 높은 전류를 뽑아내는데 이것이 전력손실 증가로 이어진다. 그림 3은 부스트 기반 시스템의 전형적인 블록 다이어그램이다.
벅 컨버터
LDO 시스템과 같은 파워 아키텍처를 사용하되, LDO 대신 벅 컨버터를 사용하면 효율성은 크게 증가한다. 무선 마이크로컨트롤러의 풀 로드에서 TPS62745 같은 벅 컨버터는 90% 효율성을 발휘한다. 그 모터 서브시스템은 배터리 팩에 직접 연결돼 있기 때문에 여전히 100%에 가까운 효율성을 유지한다.
그림 4는 벅 기반 시스템의 전형적인 블록 다이어그램이다. 표준 벅 컨버터는 비교적 대기전류(IQ)가 큰 편으로 높은 IQ 는 LDO에서 그랬듯이 대기 모드에서는 효율이 크게 떨어진다[3]. 그렇지만 여기에서의 초저전력 벅 컨버터는 IoT 애플리케이션을 위해 특별히 설계된 피크 전류가 높고 시스템 대기시간은 긴 매우 낮은 IQ 를 가진 빅 컨버터이다. 그림 5는 초저 IQ가 2.5V 출력 전압의 전형적인 대기모드 부하 전류에서 67% 이상 효율을 발휘하게 하는 것을 보여준다.
전력관리 아키텍처의 비교
파워 아키텍처의 효율성은 스마트 락의 배터리 수명을 늘리는데 매우 중요하다. 전력관리는 배터리 전압을 각 서브시스템이 필요로 하는 전압으로 변환할 때 필요하지만, 그것은 배터리 에너지 일부를 소비하여 작동시킨다. 다음 페이지의 그림 6은 하루 동안 실제 스마트 락의 세 개 시스템 블록 모두의 전력소비를 세 가지 파이 그래프로 보여준다. 이 비율은 전체 시스템 전력 예산이 세 개 서브시스템 각각에 얼마나 사용되는지를 보여주고, 막대 차트는 각 파워 아키텍처의 총 전력 소비를 보여준다.
500ms 알림 시간과 일 24회 잠금/열림 동작을 계산 기준으로 삼았다. 시각적으로 표현하기 위해 각 파이 차트의 전체 크기는 세 개 전력관리 아키텍처 각각에 사용된 총 전력에 비례한다. 즉, 파이가 클수록 소비된 전력도 크며 각 파이 차트의 높이는 총 전력 소비임을 보여준다.
그림 7은 세 개 파워 아키텍처 모두를 x축의 잠금/열림 동작 횟수와 y축의 배터리 수명 년수로 비교한 것이다. 일일 동작 횟수가 36회 미만인 대다수 애플리케이션에서는 벅 아키텍처와 부스트 아키텍처가 LDO 아키텍처보다 배터리 수명이 더 높다. 잠금/열림 동작이 더 많은 시스템에서는 벅 아키텍처가 여전히 최상이지만, 부스트 아키텍처는 LDO 아키텍처보다 더 나빠지게 된다. 늘어난 동작에 필요한 모터 전력량이 높아지기 때문이다.
결론
스마트 락처럼 접속 디바이스에서의 새로운 파워 아키텍처는 현재의 LDO 기반 방식보다 배터리 수명을 훨씬 더 늘릴 수 있다. 스위칭 파워 컨버터는, 그것이 부스트이든 벅이든, 잠금/열림 동작이 일일 36회 미만인 스마트 락에서는 배터리 수명이 증가한다. 초저전력 벅 컨버터는 이보다 동작 횟수가 낮은 시스템에서는 배터리 수명이 2배 이상 늘어나고 이보다 동작 횟수가 높은 시스템에서는 배터리 수명이 거의 두 배에 달한다. 벅 컨버터의 초저 IQ는 이러한 시스템의 긴 대기모드 시간 동안 효율성이 크게 증가하여 배터리 수명을 늘리는데 필수요소이다. 접속 제품과 IoT 제품의 디자이너는 제품들이 최적의 배터리 수명을 확실히 가지는지에 대해 전력관리 아키텍처를 다시 한번 살펴봐야 한다.
[참고 문헌]
1. Joakim Lindh, Christin Lee, and Marie Hernes. Measuring Bluetooth Low Energy Consumption, Texas Instruments Application
Report (SWRA478), December 2016
2. Smart Lock Reference Design Enabling 5+ Years Battery Life on 4× AA Batteries, TI Design (TIDA-00757)
3. Chris Glaser. IQ: What it is, what it isn’t, and how to use it, TI Application Note (SLYT412), 2Q11
4. Product folders: CC2640, DRV8833, TPS76625, TPS61030, TPS62745
[저자 소개]
크리스 글레이저(Chris Glaser) / 멤버 그룹 기술 스태프, 애플리케이션 엔지니어 / 저전력 DC/DC / 텍사스 인스트루먼트
아라미스 P. 알바레즈(Aramis P. Alvarez) / 애플리케이션 엔지니어 / 건물 자동화 / 텍사스 인스트루먼트
