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[자립형 MEMS 센서 네트워크를 활용한 에너지 절약 ②]
센서 네트워크용 저전력 아날로그 프런트 엔드 회로 기술의 개발
NEDO의 공동 연구개발 프로젝트로서, 환경발전 에너지로 동작하는 무선 센서노드를 실현하는 요소기술 중 하나인 ‘저전력 아날로그 프런트 엔드 회로 기술’에 대해 소개한다.
정리 편집부
CO₂배출량 절감에 대한 세계적 관심이 고조되면서 각종 기기·설비 분야에서 에너지 절약화의 중요성이 높아지고 있다. 그 에너지 절약화의 유력한 방법 중 하나로서 센서를 활용한 「가시화」가 있다. 여러 개의 센서를 활용하면 기기별 소비에너지 및 온습도 등의 환경정보를 가시화하고 그 가시화한 정보를 바탕으로 각종 기기·설비의 최적 제어를 실현함으로써 에너지 절약화를 기대할 수 있다.
센서에 의한 가시화의 실현에는 센서를 탑재한 소형 무선단말(무선 센서노드)을 이용하여 센서로부터의 정보를 무배선으로 수집할 수 있는 무선 센서 네트워크 기술의 적용이 유효하다. 이것은 여러 개의 센서를 설치하는 것이 유선으로 설치하는 것에 비해 설치장소에 대한 제한이 적고, 설치공사의 비용이 절감되는 등 더 유리하기 때문이다.
그러나 무선 센서 네트워크의 도입은 일부 분야에 머물러 있어 널리 보급되지 못하고 있다. 보급을 가로막는 큰 요인 중 하나로 높은 러닝코스트를 들 수 있다. 기존의 무선 센서 네트워크에서는 각 무선 센서노드에 대해 수개월에서 수년마다 전지교환 등의 유지관리가 필요하다. 따라서 여러 개의 무선 센서노드를 설치하는 경우 메인터넌스(maintenance) 비용이 막대해진다. 이 무선 센서 네트워크의 러닝코스트를 저감하는 기술로서 환경발전 기술이 주목을 받고 있다. 진동, 열, 실내광 등 환경 속에 존재하는 에너지로 동작 가능한 배터리 없는 무선 센서노드를 실현할 수 있다면 메인터넌스 프리(maintenance free) 저러닝코스트 무선 센서 네트워크가 구축 가능하다. 이러한 배경하에 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO) 개발팀은 각종 상점과 사무실, 공장 등의 환경, 에너지 소비량 등의 가시화를 실현하고 에너지 절약화(그린화)를 추진하는 환경발전(energy harvesting, 에너지 하베스팅)을 이용한 무선 센서 네트워크 시스템, 「그린 센서 네트워크 시스템」의 실현을 목표로 연구를 진행하고 있다. [그림 1]에 「그린 센서 네트워크 시스템」의 개략도를 나타냈다. 무선 센서노드는 환경발전으로 얻어진 에너지만을 사용하여 센서에 의해 환경정보를 취득하고 아날로그 프런트 엔드 회로로 신호처리(증폭·아날로그 디지털 변환)를 실시하여 무선으로 송신한다. 송신된 환경정보는 수신기를 통해 네트워크상에서 처리되어 「가시화」와 제어에 대한 피드백을 실시한다.
이 「그린 센서 네트워크 시스템」을 실현하는 데 있어 가장 큰 기술적 과제는 환경발전 시의 미소(微小)하고 불안정한 에너지로 동작하는 무선 센서노드의 실현이다. 환경발전은 다양한 방식으로 발전효율이 증가해 왔지만 환경 속에 존재하는 에너지가 작기 때문에 그 수단·방식에 관계없이 발전량이 매우 적게 된다. 따라서 무선 센서노드로 활용 가능한 수cm 정도 크기의 환경발전소자에서는 대체로 수 ㎼~100㎼ 정도의 미소한 에너지밖에 얻지 못하는 것이 현실이다. 또 늘 일정하게 에너지를 얻을 수 있는 환경이 일반적으로 적기 때문에 불안정한 에너지 공급을 초래하여 사용 가능한 에너지의 양은 더욱 한정된다. 한편, 수m 이상이 되는 거리의 무선송신을 실시하려면 짧은 시간이긴 하지만 적어도 수 10㎽급의 에너지를 소비한다. 또 센서 및 아날로그 프런트 엔드 회로도 일반적으로 수 ㎽ 이상의 에너지를 소비하는 것이 많다. 따라서 미소하고 불안정한 환경에너지를 사용하는 무선 센서노드를 실현하기 위해서는 그 구성요소 전체의 소비전력을 최대한 저전력화하고, 아울러 축전 및 간헐동작 등의 시스템 동작을 환경발전에 최적화시켜 미소한 에너지를 효율적으로 활용하는 것이 매우 중요하다. 또 그 무선 센서노드의 동작에 맞춰 전체적인 네트워크 시스템의 구축 및 최적화 작업도 필요하다. 본고에서는 상기의 기술적 과제 해결을 위해 개발하고 있는 요소기술 중 하나인 저전력 아날로그 프런트 엔드 회로 기술에 대해 소개한다. 아날로그 프런트 엔드 회로의 저전력화
아날로그 프런트 엔드 회로 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO) 개발팀은 그린 센서 네트워크 시스템에서 무선 센서노드의 필수 구성요소인 아날로그 프런트 엔드 회로의 저전력화에 주력하고 있다. 개발 중의 아날로그 프런트 엔드 회로는 각종 센서가 출력하는 아날로그 신호를 증폭시키고, 아날로그-디지털 변환을 수행하는 회로(ADC)이다. 아날로그 프런트 엔드 회로의 성능은 무선 센서노드에 의한 측정 정밀도를 결정짓게 된다. 따라서 무선 센서노드를 실용적으로 활용하려면 측정대상을 감안한 필요 충분한 정밀도를 가지고 있어야 한다. 또 측정한 신호의 디지털화는 무선송신을 실시하는 데 있어 필수적이다. 개발팀은 환경발전의 발전량에 근거하여 아날로그 프런트 엔드 회로의 소비전력 목표치를 1초에 1회 센서 측정 시 10㎼ 이하로 했다. 또 그린 센서 네트워크 시스템에서 적용하는 온습도, 소비전류, 적외선, 가스 등 다양한 센서에 대응하는 것을 감안하여 측정 정밀도는 풀스케일(Full Scale) 대비 약 0.05% 이하(11bit 이상)를 목표로 개발하고 있다. 이 목표를 달성하기 위해 개발팀은 무선 센서노드의 동작에 최적화된 회로 시스템의 구축을 검토하고 있다. 일반적으로 아날로그 프런트 엔드 회로의 정밀도 및 측정속도와 같은 성능은 소비전력과 트레이드 오프의 관계에 있다. 따라서 일반 회로의 저전력화 기법만으로는 목표달성이 어렵다. 목표달성을 위해서는 무선 센서노드의 발전량, 축전시간 및 무선송신빈도 등을 감안한 회로 시스템을 구축하여 무선 센서노드의 평균 소비전력을 저감하는 것이 유효하다. 구체적으로는 센서 측정의 단시간화 및 아날로그-디지털 변환 결과에 대한 디지털 보정기술, 이 두 가지를 적용한 저전력 아날로그 프런트 엔드 회로를 개발하고 있다. 이하에 이 2가지 검토 내용에 대한 개요를 정리한다.
아날로그 프런트 엔드 회로의 단시간 동작화 무선 센서노드의 동작에 최적화된 회로 시스템을 구축하기 위해 센서 측정의 단시간화에 대한 검토를 진행하고 있다. [그림 2](a)는 일반적인 무선 센서노드에서 센서 측정을 1회 실시했을 때의 소비전력의 시간변화를 나타낸 모식도이다. 횡축이 시간, 종축이 소비전력이며, 센서 측정에 관한 총 소비전력은 면적에 비례한다. 대부분의 시간은 슬립 상태(절전 모드)로 전환되어 소비전력을 절약한다. 측정을 개시하면 센서 및 증폭회로 등의 각 회로는 큰 에너지를 소비하기 시작한다. 그리고 센서 및 증폭회로가 안정되고 나면 아날로그-디지털 변환을 실시하고 변환 완료 후 다시 슬립 상태로 이행되어 소비전력을 절약한다. 이 센서 측정에 관한 일련의 동작을 감안하면 아날로그 프런트 엔드 회로의 동작시간을 단축함으로써 소비전력의 절약과 동시에 동작하는 센서의 소비전력도 절감되어 무선 센서노드의 전체적인 저전력화에 크게 기여할 수 있다. [그림 2](b)에 개발팀에서 목표로 하는 동작의 모식도를 나타냈다. 센서 구동 후 안정되는 것을 기다리고 나서 증폭회로 등을 구동한다. 증폭회로가 안정된 후 아날로그-디지털 변환을 실시하고 변환 완료와 동시에 센서 및 증폭회로 등의 전원을 차단한다. 이와 같이 센서 및 회로의 동작시간을 최소화함으로써 센서 측정동작 전체의 저소비전력화를 목표로 하고 있다. 이러한 개발 콘셉트 아래 아날로그-디지털 변환 회로(ADC)의 저전력화와 아울러 변환시간의 목표를 1μsec로 했다. 또 증폭회로, ADC, 센서의 각 전원을 제어하는 회로를 집적, 동작 안정 시간을 포함한 아날로그 프런트 엔드 회로의 기동에서 종료까지를 500μsec 이하로 완료하는 것을 목표로 개발하고 있다. 이를 통해 센서 측정에 관한 전력을 기존 대비 50% 이상 절감할 수 있을 것이라는 전망이 나오고 있다.
 센서 측정결과의 디지털 보정에 의한 저전력화
다음으로 ADC의 디지털 보정기술 적용에 의한 저전력화에 관해 설명한다. 앞에서 설명한 목표사양을 달성하기 위해서는 11bit 이상의 정밀도에 1μsec의 변환속도를 가진 ADC가 필요하다. 그러나 ADC의 변환 정밀도 및 변환속도와 소비전력은 일반적으로 비례관계에 있다. 이 점에서 상기의 성능을 시판의 ADC로 구성할 경우 수 10㎽ 정도로 소비전력이 커져버린다. NEDO 개발팀은 ADC의 소비전력을 절감하기 위해 디지털 보정기술을 이용하는 방안을 검토했다. 디지털 보정기술은 최근 들어 ADC의 고분해능화, 고속화, 미세 CMOS 회로의 적용 등을 목적으로 다양한 방식이 제안되고 있는 기술이다. 개발팀은 그 중에서 비교적 간소한 회로로 ADC의 변환오차를 보정하는 방식을 적용해 저전력화를 검토하고 있다. [그림 3]에 디지털 보정기술에 의한 저전력화 기법의 개략도를 나타냈다. 이 회로 시스템은 저전력의 ADC와 그 변환오차를 측정하기 위한 시험신호 생성회로, 그리고 변환오차를 보정하는 디지털 연산회로로 구성된다. 이 ADC는 저전력화를 위해서 비교적 큰 변환오차를 가지게 하였다. 집적한 시험신호 생성회로를 사용하여 이 ADC의 변환오차를 사전에 측정하고, 보정치를 계산하여 기억해 둔다. 센서 신호를 측정할 시는 이 기억해 둔 보정치를 사용하여 아날로그 디지털 변환결과를 보정함으로써 필요한 정밀도의 변환결과를 얻을 수 있다. 개발한 회로에서는 디지털 보정하기 전 단계에서 변환 정밀도가 10bit 정도가 되도록 설계하고 있다. 즉, 이 ADC는 10bit 정도의 변환 정밀도를 갖는 ADC와 동등의 소비전력을 가지게 된다. 또 디지털 보정 계산은 단순한 선형계산으로 실행 가능하며, 소비전력으로는 거의 무시할 수 있는 연산량이지만 변환 정밀도를 약 2bit 향상시킬 수 있다. 이에 따라 이 방식을 이용하면 변환 정밀도 12bit 정도의 아날로그-디지털 변환을 10bit 상당의 소비전력으로 실현할 수 있게 된다.
[그림 4]에 시험제작한 디지털 보정기능 탑재 ADC를 평가한 결과로서, ADC에 8kHz, 2.2Vpp(차동입력), 풀스케일의 약 90%)의 사인파를 입력했을 때의 아날로그-디지털 변환결과의 파워 스펙트럼 밀도를 나타냈다. [그림 4](a)는 디지털 보정 전의 파워 스펙트럼 밀도로, 디지털 보정 전의 유효 비트수는 10.4bit로 추산되었다. 다음으로 [그림 4](b)는 [그림 4](a)와 동일한 신호에 대해 디지털 보정 연산을 한 후의 파워 스펙트럼 밀도를 나타낸 것이다. 디지털 보정 후의 유효 비트수는 12.4bit까지 향상되어 예상대로 디지털 보정에 의해 고정밀도화가 실현되고 있음을 확인할 수 있었다. 또 그 소비전력은 연속동작 시 약 2.5㎽였다. 이것은 10bit의 기존 ADC와 엇비슷한 소비전력으로 디지털 보정에 의한 저전력화 효과도 확인되었다.
 아날로그 프런트 엔드 회로의 시험제작 결과
마지막으로 앞서 설명한 디지털 보정 ADC를 포함한 아날로그 프런트 엔드 회로의 LSI 시험제작 결과에 대해 기술한다. 시험제작한 아날로그 프런트 엔드 LSI칩 사진을 [그림 5]에 나타냈다. 0.13㎛의 CMOS 프로세스로 제작하였으며, 칩 사이즈는 3×3.3mm이다. 코어 동작전압은 1.2V, 최대 클록 주파수는 20MHz이다. [표 1]에 개발한 아날로그 프런트 엔드 LSI를 구성하는 각 회로 소비전력의 측정결과를 나타냈다.시험제작한 아날로그 프런트 엔드 회로를 이용하여 매초 1회 센서 측정 시의 평균 소비전력을 측정한 결과 1㎼ 정도가 나왔다. 이는 환경발전을 적용한 무선 센서노드로 사용하기에 충분한 저전력 성능을 제공하는 것이다.
<Energy News>
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