Oct 192013
 
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기록 차원에서 두서 없이 정리.

에너지 하베스팅(Energy harvesting), 에너지 스캐빈징(Energy scavenging)이라는 것이 있다. 이미 존재하는 에너지를 잘 끌어모아 전기/전자 회로를 동작시켜보자~ 뭐 이런 것.

이게 가능한 이유는 요즘 나오는 전기/전자 소자가 워낙 저전력, 저전압으로도 동작하기 때문. 아주 적은 에너지만 끌어모아도 추가적인 전력원, 특히 ‘배터리’ 없이 동작시킬 가능성이 아주 높아졌고, 실제로 특정 응용분야를 위해 그런 회로를 구성할 수 있다.

응용 분야는 센서, 웨어러블 디바이스, 이식 가능한 의료장치, 무선 통신, 무선 전력 전송 등등.

사용할 수 있는 에너지는 다양하게 있는데

  • 진동 등의 기계적 에너지
  • 열 에너지 (열 자체의 에너지가 아니라 대부분  ‘온도차’를 이용)
  • 태양이나 실내 조명 등의 빛 에너지
  • 바람, 물 등의 유체의 흐름을 이용한 운동 에너지
  • TV/Radio 전파 송신기, 휴대전화 중계기, WiFi 등 무선통신용 AP 등의 전자기파
  • 자기장, 전자기장을 송출하는 특별한 장치를 이용하는 경우

등등이 있다. 이 가운데 마지막 경우는 우리가 일상에서 흔히 쓰는 ‘교통카드’에 쓰이고 있다. 지하철 개찰구나 버스에 있는 장치는 주기적으로 자기장(그리고 통신을 위한 신호)을 내보내고, 카드는 자기장의 변화로부터 전력을 얻어 ‘배터리 없이’ 아주 짧은 시간동안 칩을 동작시킨다.

이런 기술 가운데 전자기파를 이용한 RF 에너지 하베스팅은 무선으로 전력을 공급받음과 동시에 무선통신까지 비교적 쉽게 할 수 있기 때문에 꽤 오래전부터 연구된 분야이다.

보통 무선통신을 위해 안테나를 쓰는데, 이 안테나를 통해 받은 전자기장은 교류(AC) 신호로 볼 수 있고, 입력으로 들어온 전자기장의 전력이 충분하면 정류회로를 이용해 직류(DC) 전압과 전류를 만들어낼 수 있다. 안테나와 정류기를 합해서 렉테나(rectenna)라고 부르기도 하는데, 이는 ‘정류 하는 안테나, RECTifying antENNA’ 란 뜻이다.

렉테나를 만들 때 고려할 사항은 요구사항에 따라 달라지는데, 대부분 전자기파의 특성 때문이다. 전자기파의 주파수, 전자기파가 통과하는 매질, 그리고 거리에 따른 전력 전송 특성도 달라지고, 안테나 설계나 안테나가 놓인 방향, 주변 상황 등에 따라 신호의 위상, 방향성 등 많은 것이 영향을 받기 때문.

렉테나는 안테나에서 받은 RF 신호의 전력을 최대한 많이 DC 전력으로 손실 없이 변환해서 부하(load)에 전달해야 하는 임무를 맡게된다. 보통 부하는 전류를 적게 쓸 때와 많이 쓸 때 임피던스가 달라지게 마련이다. 이를 달리 말하면 회로가 열심히 동작할 때와 동작을 멈추고 있을 때의 전력 전달 효율이 달라질 수 있다.

영향을 받는 변수가 많다보니 여기에 들어가는 이론, 수학적 모델링도 좀 많이 복잡하고, 자세히 알고 싶으면 알고 싶을수록 점점 모르는 게 튀어나와서 아 씨바, 전공공부와 수학좀 열심히 할 걸… 이라는 후회를 -_-;;;

 

각설하고,

안테나는 적당한 주파수를 모델링 하여 안테나 이득이 딱히 떨어지지 않는 안테나를 설계했다고 가정하고… (아주 거칠게는 적당한 길이와 굵기의 금속 막대(구리선 같은)나 코일 같은 것으로 만들기도 한다)

안테나와 정류기를 연결할 때 임피던스 정합을 위한 간단한 회로(보통 RF용 인덕터와 캐패시터를 사용)도 필요하지만, 이것도 그냥 있다고 치고;;;

정류기만 보자.

정류기 회로를 보면 크게 두 가지 부품이 등장한다. 하나는 다이오드, 다른 하나는 캐패시터(콘덴서, 혹은 축전기)가 그것.

아주 결정적인 역할은 사실상 다이오드가 하고, 캡은 이를 보조(?)하는 역할을 하는데.. 그러다보니 다이오드를 좀 이해해야 한다.

돌아다니면서 찾은 정보 가운데는 아래 유튜브 강의가 그나마 짧은 시간에 개념을 이해하기 좋은 것 같다.

위의 동영상을 다 봤으면, 혹은 다이오드가 뭔지 대충 알고 있다면, 아래 유튜브 동영상은 정류기를 이해하는 데 도움을 준다.

 

사실, 위의 동영상은 전원 어댑터 등에 사용 가능한 비교적 저주파수 AC를 정류하는 경우라 부품 선택에 큰 제약이 없다. 효율을 올리기 위해 정류용 다이오드로 숏키 다이오드(Schottky diode)를 쓰고, 과전압을 방지하기 위해 제너 다이오드를 추가해서 쓰는 정도.

RF를 입력으로 받는 경우도 이론은 크게 다를 게 없다. 다만, 주파수가 올라가고 정류기 앞단에서 받는 신호의 전력/전압이 작으면 부품 선택을 신중히 해야 한다. 입력 전압으로 들어오는 AC 신호가 다이오드를 켤 정도로 충분히 크고 그 변화도 큰 차이가 없다는 가정을 폐기해야 하기 때문.

예를 들어, 900MHz RFID 시스템의 경우 리더에서는 전파 규정때문에 최대 1~4W EIRP 이하로 전파를 쏴야하고, 전력은 대략 거리 제곱에 반비례 하는데 주파수에 따른 신호 감쇄를 대충 예상할 수 있게 해주는 Friis 방정식에 따르면 전파를 쏘는 리더로부터 단 몇 미터만 떨어져도 신호가 마구마구 약해져서 안테나에서 받는 AC 전압의 변화량이 기껏해야 수백 밀리볼트 이하로 떨어진다. 이러면 생기는 큰 문제가, 다이오드는 대표적인 비선형 회로인지라 전압차가 너무 없으면 기대하는 동작을 안해버린다. 또는 동작을 하더라도 다이오드 자체가 전력을 많이 소모하면 전달할 전력이 확 줄어드는 문제도 생긴다. 필요로 하는 최종 전압도 그렇게 높지 않다. 보통 IC가 1.2V ~ 5V 정도에서 동작하는 것을 감안할 때, IC에 공급해 줄 전압이 나오면 충분하다. 물론 대부분의 경우 LED를 켜고 끄는 수준을 넘어 보다 정밀한 회로[1]를 동작시키려면 일정한 전압을 만들기 위해 전압 레귤레이터가 추가적으로 필요할 수 있다.

또 하나 문제는, 저항을 제외한 캐패시터나 인덕터 같은 수동 소자의 경우 주파수에 따라 특성(임피던스, Quality factor 등)이 바뀌는데 이게 특정 주파수를 넘어가면 캐패시터는 캐패시터가 아니고 인덕터는 인덕터가 아닌 상황이 발생한다. 동작 주파수 범위 안에서는 기껏해야 값이 좀 바뀌는 정도지만, 동작 주파수를 벗어나면 값이 널을 뛰고, 어느 순간(특히 SRF=self resonant frequency)을 넘기면 사용이 불가능할 정도가 된다.

그래서 렉테나에 쓰일 정류기 회로를 만들 때는 다이오드의 경우 Threshold 전압이 낮은 숏키 다이오드를 쓰곤 한다. 포화 전류(IS)는 비교적 높고, 정션 캐피시턴스(Cj)와 이상계수(n), 그리고 문턱전압(Vth)이 낮을수록 정류 효율이 좋다고 한다. 부가적으로 이런 값들은 보통 데이터시트에 SPICE Parameter 항목에 기재되어 있다.

그 외에도 데이터시트에서 눈여겨 볼 항목들은 DC 특성까지 포함하여

  • Bv (항복 전압 Break voltage): 이 이상 전압을 걸면 다이오드가 망가질 수 있음.
  • Vf (Maximum forward voltage):  순방향으로 전압을 걸었을 때 최대 Vf의 전압강하가 있음을 고려해야 함. 이 값이 보통 문턱 전압으로 쓰이는 것 같음.

캐패시터의 경우엔 안테나가 받는 전자기파 주파수 대역에서 캐피시터의 값이나 Q값 등을 보고 정한다. 특히 MLCC 타입의 캐패시터의 경우 주파수가 높으면 특성이 완전히 바뀌는 경우가 있어 데이터 시트를 잘 확인해야 한다. 보통 RF용으로 특별하게 제작한(이라고 쓰고 다소 가격이 쎈 이라고 읽는다) Q값이 충분히 큰 소자를 사용해야 한다.

정류기의 경우 위에도 잠깐 언급했다시피 입력 신호의 전압차가 워낙 작을 수 있고, 거꾸로 리더와 렉테나 사이의 거리가 너무 가까우면 입력 전압이 너무 클 수도 있어서 이를 모두 감안하여 설계 해야 한다. 입력 전압차가 너무 작은 경우를 대비하여 전압 체배기(VM=Voltage Multiplier)를 이용하여 전압차를 필요한 만큼 키운다. 심플하게 구현하는 것에 초점을 맞춰서 그레나이허 회로(Greinacher circuit)을 이용하여 2단계 풀웨이브 정류기를 여러 단을 거쳐 전압차를 뻥튀기 시키거나(참고 자료), 딕슨 차지 펌프(Dickson charge pump)를 이용하여 RF 신호를 Clock switch처럼 사용하여 전압을 높이는 회로가 주로 사용되는 것 같다.

이리 저리 찾아본 결과 VM을 기판에 꾸미는 경우는 그레나이허 회로를 많이 쓰는 것 같고, ASIC으로 꾸미는 경우는 MOSFET을 다이오드 모드로 이용해서 딕슨 차지 펌프를 바탕으로 설계하는 것 같다. 참고로 딕슨 차지 펌프를 마이크로 콘트롤러나 PWM 신호 발생기가 있는 경우 간단하게 높은 전압을 만들어 응용할 수도 있겠다[2]. 이런 경우 여기를 참조해서 어떻게 만드는지 보자.

전압 체배기를 만들 때, stage가 많으면 높은 전압을 만들 수 있지만 그만큼 사용하는 다이오드의 수가 증가하면서 전압 체배기 자체에서 소모하는 전력이 많아져서 전체 정류기 효율이 나빠질 수 있는 것도 감안해야 한다. 정류를 한 후 전압 체배기를 통해 원하는 수준의 DC 전압을 만들어 사용할 경우, 전압 체배기의 출력 전압 자체가 입력 AC 신호의 크기에 따라  변할 수 있기 때문에 보통은 추가적인 DC to DC 레귤레이터를 회로에 포함하곤 한다. 전압 체배기에서 낮은 DC 전압을 만들고 이를 부스트 컨버터를 써서 필요한 DC 전압을 만들어 사용하는 방법과 전압 체배기에서 최소 입력 전압에 대해 필요한 최소 출력 전압 이상을 만들도록 하여 LDO 레귤레이터 같은 간단한 리니어 레귤레이터를 이용해 필요한 DC 전압으로 낮춰서 사용하는 방법이 있을 수 있다. 부스트 컨버터의 경우 전류를 적당히 뽑아 쓸 경우 전력 변환 효율이 높은 편이지만, 부하가 거의 없는 경우는 효율이 떨어질 수 있는 단점이 있다. 또, 요즘은 부스트 컨버터에 딱히 인덕터 같은 것을 추가하지 않아도 쓸 수 있는 제품이 많이 나와 있지만, LDO가 패키지도 더 간단하고 사용하기도 더 편한 것(심지어 3핀짜리도 많다)이 많아서 특히 동작 모드보다 대기 모드가 긴 경우는 LDO를 통한 설계를 선호하는 것 같다.

전압 체배기를 이용하여 낮은 전압차를 충분히 큰 전압차로 만드는 것도 중요하지만, 너무 큰 전압을 적당히 제한하여 회로가 망가지는 것을 방지하는 것도 필요하다. RF의 경우 입력 전압차가 적을 때는 200~300 mV 이하로 낮을 수도 있지만, 경우에 따라 순간적으로, 혹은 지속적으로 수 V를 넘을 수도 있다. 이 경우 전압 체배기를 통과하면 몇 단계(Stage)로 구성했느냐에 따라 다르긴 하겠지만 10V 이상을 넘어갈 수도 있다. 이런 과전압을 방지하기 위해 보통 제너다이오드를 이용해 전압 제한을 건다. 부품을 검색할 때는 (Transient) Voltage suppressor 로 찾으면 걸려 나올 확률이 높겠다. 역방향으로 바이어스를 걸어주면 특정 전압까지는 전류를 안흘리고 있다가(즉, 로드쪽으로 모든 전류를 흘릴 수 있다),  바이어스 전압이 너무 올라가면 제너 다이오드가 스스로를 희생(?)하여 ground로 전류를 도통시켜서 일정 전압을 만들어주는 동시에 부하쪽 회로를 보호한다[3]. RF 쪽에서는 ESD를 고려하여 선택하길 추천한다.

전압 체배기 회로를 보면 다이오드가 직렬로 연결된 부분을 볼 수 있다. PCB나 만능기판에 소자를 이용해 정류기를 만들 경우 다이오드 패키지 안에 다이오드 두 개가 직렬로 연결된 포트 3개짜리를 구매하는 게 부품을 더 적게 써서 공간을 더 잘 활용할 수 있을 것이다.

정류기 이후에 전압 제한을 위한 제너다이오드를 연결할 경우 전압 체배기의 제일 마지막 단에 제너다이오드를 역방향 바이어스로 걸어주고, 제너 다이오드의 캐소드(-)쪽을 DC to DC 레귤레이터 입력 전압으로 하여 회로를 구성한다. 배터리가 없더라도 제너 다이오드 캐소드쪽에서 에너지 저장용 캡을 적당히 큰 걸로 달아두면 RF를 통해 충전하여 일정 시간이 지나면 전류를 꽤 많이 소모하는 일도 할 수 있을 것이다.

전압 체배기를 이용해 DC 전압으로 정류할 경우 Schottky 다이오드는 일반 저항처럼 생긴 형태의 패키지보다 IC 형태로 패키지된 녀석을 쓰곤 하는데, RF 주파수가 높을수록 기생 성분에 의한 의도치않은 효과를 감안해야 한다.

Schottky 기반으로 여러 단을 둬서 정류기(전압 체배기)를 만들 경우 각 단계별로 두 배의 전압이 만들어 지는 것은 아니고 다이오드의 문턱 전압  만큼의 전압 강하를 고려해야 한다. 이 전압 강하는 입력 전압이 충분히 클 때는 신경 쓸 필요가 없지만 입력 전압이 작으면 꽤 골치아프다. 입력 전압에서 문턱 전압을 뺀 값의 두 배 정도 되는 값이 각 단계별로 출력값에 더해지는 꼴이 되는데 식으로 나타내면 N 단(N Stage)로 구성한 전압 체배기의 최종 출력 전압 V_out = N x 2 x (Vin – Vth)가 된다. 최초 입력 전압이 5 V이고 문턱 전압이 300 mV 일 경우 1단만 지나도 2 x 4.7 = 9.4 V로 거의 입력의 두 배처럼 보인다. 그래서 이런 회로를 Voltage doubler 혹은 voltage multiplier라고 부르는 거고. 하지만 입력 전압이 500 mV라면 어떨까? 1단을 지날 경우 출력 전압은 겨우 2 x 200 mV = 400 mV 밖에 안 된다 (뭐가 이래-_-). 입력이 500 mV인데 왜 Voltage Doubler를 거쳤는데 더 적은 전압이 나오는거냐… 싶지만, 그래도 여러 단을 거치면 꾸준히 전업이 증가(펌핑)되어 한 5단 정도 거치면 5 x 2 x 200 mV는 2V 정도가 나오고 10단 정도 만들면  4V…최초 입력 전압의 약 10배 좀 안 되게 나온다. 괜히 ‘체배기’라고 부르는 게 아니다. (처음에 voltage doubler 라는 이름 때문에 각 단계를 거치면 ‘제곱’이 되는 줄 알았던 때가…아이 부끄)

하지만 같은 입력 전압에서 문턱 전압이 150 mV로 낮아지면 1단만 지나도 2 x 350 mV = 700 mV (오오 희망이 보여!!)

5단만 거쳐도 3.5V (만세!!)

입력 전압이 250 mV (RFID 리더에서 쏘고 몇 미터만 떨어져도 요정도 전압이 나온다. 사실상 이 이상이 안 나오면 에너지 획득은 거의 포기..)라면 300 mV 문턱 전압을 가진 다이오드는 켜지지도 않겠지만 150 mV라면 6단 정도 거치면 1.2V 정도 나오니까 1.2 V를 VDD로 쓰는 IC를 동작시킬 수 있게 된다. 입력 전압이 300 mV라면 5단계 만으로 1.5 V… 음, 이 정도면 훌륭해. 입력 전압이 수십 볼트가 들어오더라도 어차피 위에서 설명한 제너 다이오드 등을 이용해 적당한 전압에서 레귤레이터 입력 전압에 제약을 걸면(참고 자료로 이걸 보자) 큰 문제는 없다 하겠다.

따라서 문턱 전압이 낮은 다이오드 선택이 매우 중요하다 하겠다. 좋은 소자를 고르면 5단 정도의 체배기 구성으로 충분한 것이 소자가 구리면(?) 10단씩 만들어야 원하는 전압이 나오고 효율도 마구 나빠지니까.

전체적으로 요약하자면 초고주파 안테나 이후의 정류 회로를 높은 변환 효율을 갖도록 만들기 위해서는

  • 200~300 mV ~ 수 V의 입력 전압이 수시로 바뀔 수 있음을 고려해야 한다.
  • 사용하는 소자의 임피던스를 비롯하여 다양한 특성이 주파수에 따라 바뀔 수 있다.
  • 부하쪽에서 최대한 많은 DC 전력을 쓸 수 있도록 해야 한다.
이를 위해 적어도 다음 사항을 염두에 둬야 한다.
  • 일반 다이오드가 아닌 Schottky 다이오드를 사용하여 풀 웨이브(Full-wave) 정류기를 기반으로 만들어야 한다.
  • 적은 전력에서도 다이오드가 켜질 수 있도록 낮은 문턱 전압을 고려해야 한다.
  • 다이오드는 높은 포화전류를 가져야 한다.
  • 다이오드는 최대한 낮은 (제로 바이어스) 정션 캐피시턴스를 가져야 한다.
  • 설계시 시뮬레이션을 할 경우 다이오드 패키지 모델의 PSPICE 모델의 기생 성분도 고려해야 한다.
  • 부하에 따른 최적의 매칭을 위해 (유연한) 매칭 네트워크도 고려해야 한다.
  • 다이오드와 함께 사용되는 캡은 사용하는 주파수 대역에서 잘 동작 하는지 확인하도록 한다.

 

 

 

 

Footnotes    (↵ returns to text)
  1.  예를 들어 마이크로 콘트롤러 같은
  2. 예를 들어 3.3V 전원만 쓰는 마이크로 콘트롤러가 5V에서 동작하는 회로를 콘트롤 하고 싶다던지
  3. 노파심에 말하면 전압 제한을 위해 제너다이오드를 사용하는 경우 역방향으로 연결한다. 즉 그라운드 쪽을 다이오드의 +(애노드)랑 연결한다.
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