AA배터리로 5년 이상 쓸 수 있는 도어록 전원 토폴러지 설계법

스마트 도어록의 배터리가 오래 가려면 어떤 전력 장치 토폴러지로 설계를 해야 할까.

일반적으로 스마트 도어록에 사용되는 전력 장치 토폴러지는 선형 레귤레이터, 부스트(스텝업), 벅(스텝다운)이 있다.

IoT(사물 인터넷) 기기의 성공 여부는 사용자 편의성에 달려 있다. 기본적으로 사용자 편의성이란 전자기기의 연결과 제어가 쉬운 것을 말한다. 이렇게 연결된 전자기기의 유지보수는 적을수록 좋다. 배터리 교체를 위해 자주 전자기기를 멈춰야 하는 불편함을 감수할 사용자가 있을까.

스마트 도어록의 전력 공급장치는 SimpleLink™ 블루투스 저에너지 CC2640R2F 솔루션 등의 무선 마이크로컨트롤러(MCU), 도어록을 열고 닫기 위한 DRV8833 등의 모터 드라이버, LED 등의 여타 주변장치를 지원해야 한다. 배터리에서 부하로 전압을 변환하기 위해서는 3가지 방법이 있다. LDO(low dropout) 선형 레귤레이터를 사용해서 스텝다운하거나, 부스트 DC/DC 컨버터를 사용해서 스텝업하거나, 벅 DC/DC 컨버터를 사용해서 스텝다운하는 것이다.

그림 1은 TPS76625 같은 LDO를 사용한 스마트 도어록의 기본적인 블록 다이어그램을 보여준다. 엔지니어들이 LDO를 선택하는 것은 가격 때문이다. 대부분의 경우 LDO의 IC 가격은 벅(스텝다운)이나 부스트(스텝업) 컨버터 IC보다 저렴하다. 하지만 선형 회로는 효율이 떨어지므로 배터리 수명을 단축한다.


그림 1: LDO를 사용한 스마트 도어록의 블록 다이어그램

그림 2는 TPS61030 같은 부스트 컨버터를 사용했을 때의 블록 다이어그램이다. 모터 드라이버를 위해 4개의 AA 배터리가 부스트 토폴로지를 지원하도록 재정렬하고, 무선 MCU를 배터리에 곧바로 연결하고 있다. 이렇게 하면 매우 효율적이기는 하지만, 모터 드라이버를 위해 부스트 컨버터를 사용해서 고전력으로 변환하면 절대적인 수치 상으로 그만큼 더 높은 전력 손실이 이어진다. 이보다 더 효율적인 방법을 알아보자.


그림 2: 부스트 컨버터를 사용한 스마트 도어록 블록 다이어그램

그림 3은 벅 컨버터를 사용했을 때의 블록 다이어그램이다. 효율 수치는 TPS62745 초저전력 벅 컨버터를 사용했을 때 제공되는 것이다. 초저전력 컨버터를 사용하면 시스템의 대기 모드에서 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 스마트 도어록은 도어록을 열고 닫을 때를 제외하고는 거의 대부분의 시간은 대기모드다.


그림 3: 벅 컨버터를 사용한 스마트 도어록 블록 다이어그램

그림 4는 각기 토폴러지의 배터리 수명을 비교하고 있다. 이 그래프는 도어록을 하루에 12회 열고 닫는 것으로 가정한다. 그래프에서 보듯이 배터리 수명은 무선 MCU로부터 연결 빈도와 비례한다는 것을 알 수 있다. 누군가 도어록을 열려고 하는지 인식하기 위해서 무선 MCU가 더 자주 연결될수록 더 많은 전력을 소모한다. 연결 사이의 간격이 500ms일 때 4개 AA 알카라인 배터리를 사용해 60개월(5년)의 배터리 수명이 가능하다.


그림 4: 각기 다른 전원 토폴러지로 배터리 수명 비교

지금까지 각기 다른 전원 토폴러지를 간단하게 살펴보았다. “스마트 도어록으로 배터리 수명 연장” 백서와 4개의 AA 배터리를 사용해서 5년 이상의 배터리 수명 제공하는 스마트 도어록 레퍼런스 디자인은 TI 홈페이지에서 상세한 정보를 볼 수 있다.