펄스 부하 애플리케이션을 위한 간단한 태양전지판 MPPT

태양전지판 구동 애플리케이션에서의 펄스 전원은 전력 제한적인 공급장치에서 지원이 어려운 경우가 많다.
이와 관련, 여기서는 펄스 부하 시스템에서 사용되는 효율적인 MPPT 솔루션에 대해 살펴본다.

Chris Glaser Texas Instruments Incorporated


대부분의 태양전지판 구동 애플리케이션은 펄스 전원만 있으면 구동 가능하다. 데이터 수집이나 측정 샘플링 주파수를 위한 시스템을 켜고 관리나 기타 작업을 수행하며, 처리된 데이터나 측정된 데이터를 전송하고 슬립 모드로 되돌아가기만 하면 된다. 대부분의 경우, 무선 데이터 전송이 출력 전원의 가장 큰 부분을 차지한다.
이와 같이 요구되는 펄스 전원은 시스템 그 자체를 위한 것이든 데이터 전송을 위한 것이든 태양전지판처럼 전력 제한적인 공급장치에서 지원하기 어려운 경우가 많다.
그러나 태양전지판의 MPP(Maximum Power Point, 최대 전원 지점)에서 운용하고, 이 전지판에서 지능적으로 전원을 뽑아냄에 따라 에너지를 펄스 부하 구동에 성공적으로 이용할 수 있다.
여기서는 이러한 펄스 부하 시스템에서 사용하는, 간단하면서도 비용효율적인 MPPT(Maximum-Power-Point
Tracking) 솔루션에 대해 알아본다.

태양전지판의 특징

태양전지판은 MPP에서 운용될 때 최대 출력 전원을 제공한다. MPP는 전지판이 최대로 얻을 수 있는 출력 전원에 해당하는 전압 및 전류이다. MPPT는 조도가 변할 때에도 태양전지판에서 이 전원을 동력화한다.
태양전지판은 전지판에서 끌어낸 전류가 상승할 경우 전지판 전압이 감소하는 것이 특징이다. 끌어낸 전류가 너무 높으면 전압이 폭락하며 끌어낸 전력량이 매우 낮아진다. 그림 1은 특정 태양전지판의 출력 전류 및 출력 전원을 해당 출력전압과 비교한 것이다. MPP에는 구분하여 표시되어 있다. 그래프의 가로 직선은 출력 전원이 MPP의 최소 90% 이상일때를 나타낸다. 수평선 위의 점 1과 점 2 사이에서 전지판은 최대 전원을 제공한다.

태양전지판의 구동 부하가 전원 펄스만 요구하고 해당 시간을 100% 구동할 필요가 없을 경우, MPP의 90% 내에서 운용할 수 있는 간단한 방법이 있는데, 그 중 한 가지가 점 1에서 부하를 켰다가 점 2에서 부하를 끄는 것이다. 부하가 켜지면 이것이 필요한 전원을 끌어오고, 다시 전지판 전압을 낮추게 된다.
이것으로 운용 지점을 점 1에서 MPP 지점을 거쳐 점 2까지 이동시킨다. 점 2에서 부하가 꺼지며 전지판 전압이 다시 상승한다. 이 간단한 운용법은 다음과 같이 극복해야 할 문제점 세 가지를 갖고 있다.
첫째, 부하는 전지판 출력과 다른 전압을 요구할 수 있다. 따라서 가변적이면서도 비교적 높은 전지판 전압을 해당 부하의 상수 전압으로 변환시키는 고효율 전원 공급장치가 필요하다.
둘째, 전지판 전압을 측정해야 하고 그 전압을 기초로 전원 공급장치를 비활성화하거나 활성화해야 한다. 대부분의 전원 공급장치는 이를 활성화하거나 비활성화하는 디지털 입력을 갖고 있다. 이러한 입력은 로직 로우와 로직 하이를 구별하기에는 매우 부정확한 스레숄드를 가지고 있다. 부정확한 스레숄드로는 전지판 전압을 직접 이네이블(EN) 입력으로 연결할 수 없다. 그 대신에 정확한 스레숄드를 가진 외부 회로가 필요하다. 공급장치 전압 수퍼바이저를 사용할 수도 있지만 두 번째 디바이스가 필요하다는 점에서 비용과 복잡함이 증가한다.
셋째, 충분한 운용시간을 확보하여 필요한 작업을 실행하려면 빠르게 변화하는 전지판 전압을 크게 늦춰야 한다. 점 1에서 점 2로 전지판 전압이 변하는 데에는 거의 시간이 들지않는다. 이론상 영(zero) 초이다.
전압이 점 1에서 점 2로 변화하는 시간 동안에는 해당 부하를 위한 전원 공급장치를 켜야 하며 해당 부하가 작업을 실행해야 한다. 그러기 위해서는 턴 온이 매우 빠르고 필요한 작업을 실행할 수 있을 만큼 전지판 전압을 오랫동안 정체시킬수 있는 전원 공급장치가 필요하다.

MPPT 솔루션

전력제한적인 태양전지판 입력의 넓은 전압 범위에서 운용되면서도 조절된 출력 전압, 빠른 스타트업, MPP 90% 내에서의 운용 등을 효율적으로 제공하는, 비용 효율적인 싱글 디바이스의 솔루션은 거의 없는 편이다.
그러나 TI의 TPS62125는 최대 17V까지 입력 전압을 수용하고 90% 이상의 효율을 발휘하며 1ms 이내의 스타트업 시간, 태양전지판의 MPPT 전압에 직접 연동시킬 수 있는 정확한 스레숄드의 이네이블 핀을 탑재한 디바이스이다. 또한 이기능을 수행할 다른 디바이스를 추가로 필요로 하지 않는다. 그림 2는 전체 솔루션을 나타낸 것이다.

R1과 R2로 구성된 전압 디바이더는 그림 1의 점 1 위치에서 전원 공급장치를 켜도록 구성되어 있다. 디바이스는 전원 공급장치가 활성화될 때까지 대지전위(Ground Potential)에 서 R2와 R3 사이에 노드를 유지한다. 공급장치가 활성화된후, 디바이스가 이 노드를 놓으면 R3가 전압 디바이더의 일부로 된다.
태양전지판의 전압이 점 2로 떨어지면 디바이스가 꺼지며 R2와 R3 사이에서 다시 노드를 낮게 유지하게 된다. 이 지점에서 전지판 전압은 턴온 스레숄드에 도달할 때까지 다시 상승하기 시작한다.
이것은 어떤 태양전지판에도 구성할 수 있는 완전한 프로그래머블 턴온 및 턴오프 전압을 제공한다.
벌크 입력 커패시터 C3는 필요한 시간 동안 부하를 구동할 만큼 태양전지판의 에너지를 충분히 저장하고, 전원 공급장치의 스타트업에 필요한 전하를 공급한다. 전지판은 전압에 해당하는 전류를 전원 공급장치나 C3에 공급한다.
전원 공급장치가 꺼지면, 태양전지판은 커패시터에 전류를 공급한다. 그리고 전원 공급장치가 켜지면, 커패시터
와 태양전지판은 부하 구동에 필요한 전류를 공급한다.
C3는 단순히 에너지를 저장했다가 비교적 장시간에 걸쳐 방출하므로 저렴한 전해질커패시터가될수있다.

필요한 벌크 입력 커패시턴스를 계산하는 방법

MPPT 회로 설계의 첫 번째 단계는, 부하의 전원 요구량을 알아내 전원 요구량 및 선정된 태양전지판을 기초로 필요한 벌크 입력 캐패시턴스를 계산하는 것이다. 예를 들어, 어떤 원격감지 회로가 15ms 동안 250mA에서 3.3V를 요구한다고 가정해보자(825mW). 이것은 측정 디바이스, 마이크로프로세서, RF 트랜미터를 담고 있는 시스템에 보통 요구되는 것들이다.
부하의 전원 요구량을 알아냈다면, C3에 필요한 값을 계산한다. 우선 부하를 구동하는데 필요한 입력 전류를 식 (1)에서 구한다.

V_IN은 그림 1에서 점 1과 점 2 사이의 평균 태양전지판 전압, η는 특정 출력 전원에서 전원 공급장치의 효율을 말한다. 약 7.8V의 VIN과 825mW의 출력 전원에서 전원 공급장치의 전형적인 효율이 약 87%라는 것을 나타내야 한다. 이 수치를 이용하면, I_IN＝122mA이다. 이것은 그림 1에서 태양전지판이 공급할 수 있다고 알려준 것보다 훨씬 큰 수치이다. 따라서 C3는 15ms 동안 나머지 전류를 공급할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 저장해야 한다.
식 (2)는 부하 요구량과 태양전지판 특성에 기초하여 필요한 C3의 값을 구하는 식이다.

V_P1 과 V_P2는 점 1과 점 2의 전압으로, 이 전지판에서 각각 약 9V와 6.5V이며 방전될 때 C3의 전압 변화량에 해당하는 전압이다. t_ON이 제시하는 필요 부하 운용 시간은 15ms이다. 마지막으로, I_Panel(Avg)은 전지판이 MPP의 90% 내에서 운용될때 태양전지판의 평균 전류이다. 그림 1에서 알 수 있듯이 이전류는 약 19mA이다.
식 (2)을 보면 C3가 618㎌보다 커야 한다는 것을 알 수 있다. 이 운영시간에 약간 여유를 주기 위해 680㎌ 커패시터를 사용한다.

이네이블 핀의 전압 디바이더 계산법

R1, R2, R3는 완전 구성형 전압 디바이더로, 이네이블 핀을 위한 히스테리시스를 갖고 있다. 식 (3), 식 (4)는 레지스터 값을 설정할 때 사용한다.

R1을 먼저 선택한다. 1MΩ은 출발 값으로 좋다. 이것을 이용하면 R2는 153.8kΩ으로 계산된다. 154kΩ에 가장 가까운 표준값을 선택한다. R3는 60.9kΩ이 되며 60.4kΩ이 가장 근접한 표준값이다.

추가 MPPT 회로 구성

전형적인 애플리케이션에 이득이 되도록 구성하는 또 다른 기능으로는, PG(Power Good) 출력을 이용하여 부하의 이네이블 입력을 컨트롤하는 것이다.
전원 공급장치가 꺼지면 PG 핀은 낮게 유지된다. 풀업 레지스터 R6는 전원 공급장치가 활성화되고 출력 전압이 조절 과정에 있을 때에만 이것을 높게 끌어당긴다. PG 출력을 부하의 EN 입력에 직접 연결하면, 입력 전압이 V_P1 위로 상승할 때까지, 그리고 출력 전압이 그 부하를 구동할 만큼 충분히 높아질 때까지 부하가 비활성 상태로 유지된다.
입력 전압이 V_P2 아래로 떨어지고 전원 공급장치가 비활성 화되면, PG 핀은 능동적으로 낮게 끌어내려지고 이것은 해당 부하를 비활성화시키게 된다.
이러한 구성은 공급 전압 조절 중에만 부하가 활성화되도록 함으로써 낮은 공급 전압으로 부하의 성능이나 데이터가 손상되는 것을 막아준다.

실험 결과

그림 3은 운용 중인 MPPT 회로에 관해 나타낸 것이다. 전지판 전압, V_IN은 9V와 6.5V(각각 V_P1, V_P2) 사이에 머무르고있다. V_OUT이 조절에 들어가면 부하가 활성화되면서 250mA를 끌어낸다. 전지판의 전압이 6.5V로 떨어지면 V_OUT이 비활성화되면서 부하 전류도 비활성화된다. 태양전지판은 언제나 평균 19mA 를 공급한다.
그림 3에서 해당 부하의 런타임은 약 18ms로, 15ms 요건을 충족하고 있다. 이 런타임은 계산과 대략 일치한다. 그 이유는 C3의 값이 이 계산 결과보다 높이 상승했기 때문이다.
그림 4는 그림 3의 출력 전압 트레이스를 C3의 전류 I_Cap의 트레이스로 대신한 것이다. V_IN이 감소하면 커패시터를 떠나는 전류는 플러스이다. 이 커패시터는 저장된 에너지를 전원 공급장치에 공급하고, 전원 공급장치는 그 에너지를 해당 부하에 공급한다. 전지판 전압이 6.5V로 떨어져 전원 공급장치가 비활성화되고 해당 부하가 꺼지면 C3의 전류는 마이너스가 된다. 커패시터는 전지판에서 다시 충전하며 다음 사이클을 위한 에너지를 저장한다.
전지판 전압이 충분히 높을 때 전원 공급장치가 켜지면 해당 부하 직전 C3 스파이크의 전류가 활성화된다. 스타트업 중에는 C3가 공급하는 추가 입력 전류가 필요하다.
여기서는, RF 트랜스미터를 통해 데이터를 전송하는 원격 측정 시스템과 같은 펄스 부하 시스템에서 태양전지판의 MPP를 추적하는, 간단하면서도 비용 효율적인 회로에 대해 소개했다. 이 토폴로지는 모든 태양전지판과 모든 펄스 부하에 맞춰 구성할 수 있다.

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TI
산업용 설계를 간소화하는 OMAP^TM 5 프로세서 기반 모듈 출시

TI는 6개 주요 SoM(System-on-Module) 업체들과 협력하여 산업용 설계를 간소화하고 시간을 단축할 수 있는 OMAP 5프로세서 기반 모듈을 제공한다고 밝혔다. TI는 OMAPTM 프로세서 제품을 임베디드 애플리케이션 분야로 확대하고 있다. TI의 OMAP5 플랫폼은 듀얼 코어 ARMⓇ 코어텍스TM-A15 아키텍처를 기반으로 DSP, 듀얼 코어텍스-M4 코어, 다수의 온칩 엑셀레이터를 통합하여 POS(Point Of Service), 휴대형 데이터 단말기 등과 같은 차세대 산업용 설계에서 효율적으로 사용할 수있다. TI의 산업용 OMAP 사업부 매니저인 데바시‘론’내그
(Debasish‘ Ron’Nag)는“TI는긴제품수명, 확장된온도범위 및 신뢰성, 실시간 제어 및 통신을 필요로 하는 산업용 애플리케이션 분야로 OMAP 프로세서 제품을 확대하기 위해 노력하고있다”며,“ TI의OMAP 5 프로세서는높은수준의산업용요구를 충족하며, 고객의 투자를 보호하고 효과를 지속할 수 있는 지원 모델을 제공한다. 또한 디바이스 생산 이후 10년간 공급을 보장해 부품 수급을 안정화시켰다. TI는 주요 SoM 업체와의 협력으로 산업용 설계를 간소화하고 시간을 단축할 수 있는 최신 모듈을 제공하게 된 것을 기쁘게 생각한다”고 전했다.