스마트 가스 및 수도계량기의 에너지 효율을 최대화하는 디자인

Keith Odland Silicon Labs

전자 수도 및 가스 계량기는 RF 연결이 필요한 임베디드 제어 시스템에 있어서 번거로운 저전력 디자인 문제 몇 가지를 갖고 있다. 이러한 애플리케이션의 특성은 배터리로 구동해야 한다는 점이다. 즉, 가스 또는 수도 설비의 서비스 지점에서는 전기가 거의 공급되지 않는다. 이러한 시스템의 예상 배터리 수명은 보통 20년 이상이다. 이 요구 사항은 기술자 한명의 1회 서비스 호출 비용이 대개 스마트 계량기의 전체 비용을 초과할 수 있으므로 설비 공급업 체에서 결정하게 된다.
이와 같이 수명이 긴 배터리를 설계해야 하므로 거의 모든 수도 및 가스 계량기는 염화치오닐-리튬(LiSOCl2) 배터리 화학 물질을 사용한다. 이 배터리 화학 물질은 자가 방전율이 매우 낮아 해당 애플리케이션의 수명을 최대 20년까지 유지할 수 있도록 한다. 그러나 이와 같은 배터리는 비싸므로(보통 1.5달 러/A-hr) 배터리 BOM 비용이 수도 또는 가스 계량기당 10달러에서 15달러 까지 이르게 된다.


대부분의 스마트 계량기 공급업체들은 제품의 통신 범위를 늘려 자사 제품을 차별화할 수 있다고 생각한다. 이러한 공급업체의 시스템 네트워크 토폴로지에서는 고정된 수의 계량기가 서브 GHz 의 독점 네트워크를 통해 설비극(Pole) 에 고정된 단일 리피터로 사용량과 결제 정보를 전송한다. 이 리피터는 수집한 정보를 집계하여 셀룰러 네트워크 모뎀이나 다른 백홀 채널을 통해 설비 공급업체로 다시 전송한다. 단일 리피터는 약 1,000개의 계량기 노드를 지원 할 수 있지만, 리피터 비용은 단일 계량기 노드 비용의 10배에서 100배 사이일 수 있다. 계량기 공급업체들은 지정된 네트워크에서 리피터 수를 줄이도록 고객들로부터 압박을 받는 경우가 많은 데, 송신기(TX) 링크의 견고성을 개선하면 이러한 요구 사항을 손쉽게 충족 시킬 수 있다.

TX 링크 예산을 개선하는 방식은 여러 가지가 있다. 가장 명확한 솔루션은 전력 증폭기(PA)를 사용하여 송신기의 출력 전력을 늘리는 것이지만, 이 경우 배터리 수명이 가장 많이 줄어든다. 또 다른 전략은 삭제되는 메시지 및 후속 재송신 수를 최소화하도록 프로토콜을 향상시키는 것이다. 이 기법은 단순히 더 큰 PA를 추가하는 것보다 전력이 훨씬 적게 들지만 여전히 새 TX 전력 예산을 현재의 전력 예산에 비해 40%나 더 늘려야 한다. 특정 스마트 계량기를 다시 설계할 때에는 다음과 같은 세가지 디자인 요구 사항을 고려해야 한다.

· 범위를 늘리기 위해 TX 기능에 40%의 전력 예산을 추가로 할당
· 기존의 LiSOCl2 배터리 크기(A)와 용량(3650mA-hr) 유지
· 기존의 배터리 서비스 수명(20년) 유지

전략은 명확하다. 즉, 총 전력 예산을 늘리지 않으면서 TX 예산 내의 전력을 늘리는 것이다. 따라서 다른 기능 영역, 즉 RX, 능동 모드, 슬립 모드 예산에서 전력을 줄여야 한다. 그림 1은 원래 전력 예산과 재설계 후의 목표 전력 예산을 나타낸 것이다.

고효율 전압 변환

성능을 높이고 CMOS 회로에 필요한 전력량을 줄이기 위해, 칩 디자이너는 최대한으로 작은 실제 디바이스 회로선 폭을 사용하여 IC를 제작한다. 이를 위 해 0.18㎛, 0.13㎛, 심지어 90nm 회로 선 폭으로 설계된 임베디드 프로세서와 RF 송수신기를 찾는 것이 일반적이다. 디바이스에서 소비되는 전력을 줄이기 위한 핵심 요소 중 하나는 내부 작동 전압을 줄여 CVf 스위칭 손실을 낮추는 것이다.

디바이스에 전력을 공급하는 배터리는 극 전압이 3.6V일 수 있지만, 이 디바이스는 내부에서 훨씬 낮은 전압으로 작동한다.
출시된 거의 모든 디바이스는 칩 내부에 LDO(Low Drop-Out Regulator)가 통합되어 있는데, 이러한 구조에서는 3.6V 입력 전압을 사용하여 칩의 내부 전압을 낮은 값(보통 1.8V 이하)으로 안정화한다. 즉, 출력 전압이 1.8V인 선형 레귤레이터(Linear Regulator)를 통해 3.6V의 입력 전압을 사용하면 변환 효율이 50%에 이른다. 그리고 출력 전압이 낮아짐에 따라 이는 더욱 악화된다.


그림 2의 C8051F960 MCU와 같은 고급 임베디드 컨트롤러는 LDO에 비해 효율이 더 높은 스위칭 레귤레이터가 통합되어 있다. 대부분의 경우, 이러한 디바이스는 85%의 높은 스위칭 효율을 나타낼 수 있다. 효율이 이처럼 높아지 면 배터리에서 공급하는 총 전류가 줄어들어 배터리 수명이 늘어난다. 이 방식을 사용하면 기존의 RX 전력 예산을 크게 줄일 수 있다.

즉, 라디오 수신기에 사용되는 배터리에서 소싱하는 전류는 LDO만 사용하는 경우와 달리 DC-DC 벅 컨버터를 사용했을 경우 62.5% 정도이다. 결과적으로 이 방식을 사용하면 RX 전류 전력 예산이 62.5%만큼 줄어든다.
이러한 변화로 인해, 우리는 새로운 RX 전력 예산(즉, 목표는 18%라고 해도 그림 3과 같이 30%에서 19%까지 줄어 든다)을 거의 충족시켰다. 또한 다른 작동 모드에서도 계속해서 시스템을 최적화해야 한다.



슬립 모드 전력 감소

배터리 구동식 계량기는 대부분 (99.9%)의 시간 동안 저전력 슬립 모드로 유지된다. 따라서 슬립 모드 회로의 전력 사용량을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 중요하다. 불과 몇년전까지 동급 최고 성능의 디바이스는 3.6V에서 저전력 웨이크업 타이머를 구동하는 32.768kHz 크리스털을 사용하며 약 1 ㎂의 전류를 얻을 수 있었다. 현재는 이 보다 더 최적화되어 같은 전압에서 약 700nA로 동일한 기능을 수행할 수 있는 디바이스가 나와 있다. 순수하게 줄어든 양은 300nA이지만 본래 100%의 듀티 사이클로 작동하므로 이 값은 전력 예산에서 바로 제외할 수 있다.
디바이스를 보다 낮은 전력의 슬립 모드로 사용하면, 그림 4와 같이 슬립 모드 예산을 8%에서 5%까지 줄일 수 있어 디자인 목표를 충족시킬 수 있다. 그러나 목표를 충족시키기는 했지만 초과하지는 못했으므로 전반적인 디자인 목표를 달성하려면 추가적으로 개선이 필요하다. 마지막으로 주목해야 할 영역은 능동 모드 전력을 줄이는 것이다.

능동 모드 전력 감소

먼저, 계량 애플리케이션에서 전력 소모량이 가장 많은 작업을 확인하는 것이 중요하다. 가스 계량기나 수도 계량기를 예로 들면 다음과 같은 두 가지 작업이 있다.

· 흐름을 계산하기 위해서 초당 20회 간격으로 리드 스위치(Reed Switch) 상태 확인
· 15초마다 라디오 데이터 패킷을 공식화하고, 브로드캐스트를 위해 해당 데이터를 라디오 수신기에 전달

대부분의 계량 애플리케이션에서는 레지스터 인코더라는 디바이스가 천연 가스 또는 물의 흐름을 기록한다. 계량 시스템에서는 이러한 기록 결과가 전기적인 방식을 통해 일련의 스위치 클로저 이벤트나 펄스로 표시될 수 있다. 기존 시스템에서는 스위치가 열려 있는지 또는 닫혀 있는지 확인하기 위해 CPU 가 I/O 핀 상태를 재가동하고 샘플링해야 한다. 실제 리드 스위치의 경우 닫힌 스위치를 통해 전류 드레인을 최소화하며, 유효한 펄스를 보장하기 위해 풀업 레지스터(Pull-up Resistor) 관리와 스위치 디바운스(De-bounce)를 위한 CPU 대역폭이 추가로 필요하게 된다. 이 기능을 소프트웨어에서 실행하면 아무리 최적화된 시스템이더라도 1㎂가 금새 소모될 수 있다.

보다 나은 방식은 디바이스가 슬립 모드인 동안 자체적으로 동작할 수 있는 전용 입력 캡처 타이머를 사용하는 것이다. 이 기법은 소프트웨어 기반 방식에 비해 다양한 이점을 제공한다. 스위치 클로저는 CPU가 거의 개입하지 않아도 되는 하드웨어 레지스터에 누적될 수 있다. 또한 스위치 디바운스, 풀업 레지스터 관리, 자가 보정 등의 사양을 하드웨 어에 직접 통합할 수 있다. 타이머 입력 이 두 개인 경우 흐름의 방향을 확인하도록 쿼드러처 디코딩 기능을 지원할 수 있으며, 이를 통해 조작 방지(Antitamper) 기능과 역류 검출 기능도 얻을 수 있다. 전용 저전력 입력 캡처 타이머는 500Hz의 높은 샘플링 속도로 3.6V에 서 400nA에 불과한 전류를 소비할 수 있는데, 이 기능은 소프트웨어에서 실행 하는것에 비해 크게 개선된 부분이다.
CPU는 실행 도중 일반적으로 비휘발성 메모리(예를 들면 플래시)에서 명령어를 가져온다. 능동 모드 전류 중 40%가 플래시 액세스 읽기 작업에 사용되는 것은 일반적인 일이다. 그러므로 CPU 대신 전용 하드웨어 주변장치를 사용하여 데이터를 이동할 수 있다면 언제든지 전력을 절감할 수 있다.

RF 송신 메시지를 준비하는 동안에는 데이터를 여러번 조작해야 한다. 예를 들어 계량기에서 수집기로 송신해야 하는 20바이트의 메시지 페이로드가 있다고 가정해 보자. 처음에 이러한 20바이트의 데이터는 SRAM에 상주해 있다. 하지만 데이터에 고객의 개인 정보가 있을 수 있으므로 데이터를 암호화 해야 한다. 다음에는 순환 중복 검사 (CRC)가 컴퓨팅되 어 암호화된 메시지 끝에 추가된다. 마지막으로 전체 메시지는 주변장치용 직렬 인터페이스(SPI)를 통해 라디오 송수신기로 연속해서 전달되기 전에 인코딩 된다 [예를 들면 맨체스터(Manchester), 3 : 6 등]. 이러한 기능은 모두 CPU를 사용하여 소프트웨어에서 실행될 수 있다. 하지만 이러한 작업은 그림 5에 나타난 DPPE(Dedicated Packet Processing Engine) 등과 같은 전용 하드웨어로 실행하는 것이 훨씬 더 효율적이다.



DPPE를 사용하면 기능을 실행하는데 필요한 시간만 줄어드는 것이 아니라, 이 시간 동안 플래시메모리에 액세스되지 않으므로전류 사용량도 감소한다. 능동 모드 상태에서 순수한 전력 감소량은 최대 90%까지 얻을 수 있다. 이러한 개선을 통해 그림 6과 같이 능동 모드일 때 전체 예산 중 6%만 사용하게 함으로써 절감 목표를 초과 달성할 수 있다.
세가지의 전력 절감 기법을 모두 적용한 결과 RX, 슬립, 능동모드에서 전체적으로 절감함으로써 TX 전력 예산을 70% 까지 올릴 수 있었다. 즉, 더 큰 배터리를 사용하거나 원래의 목표 수명을 줄이지 않은 상태로 TX의 안정성을 높인다는 전체 디자인목 표를 충족한 것이다.

이 예에서는 전력 절감 효과를 적용하여 스마트 계량기 애플리케이션에서 전체 예산을 다시 분배하는 방법에 대해 설명했다. 그러나 전력 절감 효과는 다른 여러 측면에서도 가치가 있다. 명백한 일례로는 크기가 더 작고 비용이 저렴한 배터리를 사용할 수 있다는 것이다. 또 다른 이점은 같은 배터리를 사용하더라도 배터리의 목표 수명을 더 늘릴 수 있다는 것이다. 확실히 보장되는 것은 아니지만, 디자인 마진이 늘어나고 보증 책임이 줄어든다는 이점도 있다. 서비스 보증 기간이 20년인 계량기를 매년 수백만대 생산하는 계량기 제조업체에 대해 생각해 보자. 과도한 전력 사용으로 15년 후 계량기를 사용할 수 없게 된다면 공급업체가 떠안게 될 잠재적인 책임은 수천만 대의 계량기에 다다를 수도 있다. 결과적으로 추가적인 디자인 마진은 엔지니어와 투자자 등을 안심시키는 역할도 한다.