AIoT 전원 공급 장치
2023. 11. 10
AIoT, 즉 인공 지능(AI)과 사물 인터넷(IoT)의 융합은 전자 산업에서 가장 유망한 새로운 발전 기술 중 하나입니다. 한 IC 제조업체는 AIoT가 향후 10년 이내 마이크로컨트롤러 시장의 최대 부문이 될 것으로 전망합니다.[1]
IPv6(인터넷 프로토콜 버전 6)의 출현으로 거의 상상할 수 없을 정도로 큰 IoT 장치용 주소 공간이 열렸습니다. 이 정도면 지구상의 모래알 하나하나를 몇 번이고 개별적으로 식별하기에 충분한 고유 주소입니다. IoT 장치의 개수에 대한 실질적인 제한이 없다는 의미입니다.
스마트 도시, 스마트 산업, 스마트 교통 , 스마트 홈과 같은 새로운 개념의 등장으로 이제 수십억 개의 IoT 장치에 대한 분야가 활짝 열렸습니다. 하지만 거기에는 문제가 있습니다. 10억이라는 숫자 또한 상상하기 힘든 숫자입니다. 100만 초면 12일이지만 10억 초면 31년입니다. 수십억 개의 센서가 데이터를 스트리밍하거나 명령을 요청한다고 생각해 보십시오. 정보 흐름은 원격 데이터 서버나 SCADA(감시 제어 및 데이터 수집) 시스템을 압도합니다.
스마트 도시, 스마트 산업, 스마트 교통 , 스마트 홈과 같은 새로운 개념의 등장으로 이제 수십억 개의 IoT 장치에 대한 분야가 활짝 열렸습니다. 하지만 거기에는 문제가 있습니다. 10억이라는 숫자 또한 상상하기 힘든 숫자입니다. 100만 초면 12일이지만 10억 초면 31년입니다. 수십억 개의 센서가 데이터를 스트리밍하거나 명령을 요청한다고 생각해 보십시오. 정보 흐름은 원격 데이터 서버나 SCADA(감시 제어 및 데이터 수집) 시스템을 압도합니다.
여기서 AI가 개입합니다. AIoT는 빅 데이터 IoT 시스템을 관리 가능하게 만들겠다는 단순한 목표를 가지고 있습니다. 지능형 자기 조직 시스템은 최고 수준의 개입 없이도 다수의 센서에서 얻은 데이터를 수집하고 분석하고 그에 따라 조치하는 로컬 처리 루프를 생성합니다(그림 1).
데이터의 수집 및 통신은 IoT 네트워크의 기능이고, 데이터에 대한 분석 또는 ‘인사이트’는 머신 러닝 또는 AI 시스템의 기능이며, 이어서 머신 러닝 또는 AI 시스템은 독립적으로 패턴을 인식하고 예측하며 적절한 조치를 취할 수 있습니다.
AIoT의 장점은 확장성 향상 및 데이터 트래픽 감소(시스템 과부하 없이 더 많은 센서 추가 가능), 소위 ‘에지 컴퓨팅’을 사용한 실시간 패턴 인식(과중한 ‘숫자 처리’ 작업은 센서 네트워크의 ‘에지’에서 로컬에서 이루어지며 결과 및 시스템 개요 데이터 세트만 게이트웨이를 통해 전달해야 함), 더 빠른 반응 시간(몇 초가 아닌 몇분의 1초), 대폭 향상된 내결함성(머신 러닝은 부정확하거나 누락된 데이터를 식별하고 IoT 고유의 결함 탐지 프로토콜을 사용하여 결함 있는 노드를 우회할 수 있음)이며 무엇보다 가장 중요한 장점은 인적 오류가 적다는 것입니다.
업계 용어 몇 가지만 예를 들자면, 이러한 장점은 실시간 교통 흐름 데이터를 지속적으로 모니터링하고 분석하여 사고를 인지하고 긴급 차량의 우선순위를 지정하며 대중교통을 최적화하는 스마트 시티부터 그리드 밸런싱, 부하 공유 및 재생 에너지와 의 시스템 통합을 최적화할 수 있는 스마트 그리드, 웨어러블을 사용하여의료 응급 상황을 을 모니터링하고 예측하는스마트 헬스케어부터 스마트 산업에 이르기까지 많은 ‘스마트’ 시스템에서 전면적인 혁신과 함께 효과적인 적시 공급망 관리, 최적화된 생산 라인 및 상태 기반 유지 보수 등으로 이어질 것입니다.
복잡한 대화형 대규모 시스템과 마찬가지로 운영 안정성이 가장 중요합니다. IoT 통신의 머신 러닝 분석과 고유의 내결함성 네트워크는 AIoT 개념에 필수적이지만 전자 장치를 위한 안정적인 전원 공급 장치를 간과해서는 안 됩니다.
일부에서는 IoT 센서와 액추에이터가 수명이 긴 배터리나 에너지 수확을 통해 전력을 공급받을 수 있다고 주장했습니다. 에너지 수확은 태양 전지, 열전 발전기(TEG) 또는 진동 변환기에서 충분한 에너지를 추출하여 슈퍼커패시터를 충전하거나 IoT 트랜스폰더에 직접 전력을 공급할 수 있다는 개념입니다. 여러 에너지 수확 프로젝트를 구축하고 연구한 저의 개인적인 경험으로 볼 때 이는 헛된 꿈이라고 말할 수 있습니다. 대다수의 IoT 센서와 액추에이터에 전력을 공급하기 위해 수집할 수 있는 안정적인 주변 에너지가 충분하지 않습니다. 배터리도 안 됩니다. IoT 센서 100만 개로 보수적으로 계산하면 10년 수명의 배터리를 하루 275개씩, 즉 정상 근무 시간 동안 2분마다 하나씩 배터리를 교체해야 합니다.
AC/DC 전원 공급 장치 는 센서, 액추에이터, 프로세서 및 게이트웨이를 위한 안전한 전기 에너지원일 뿐 아니라, 디지털 통신 인터페이스를 추가하면 전체 AIoT 시스템의 핵심 구성 요소가 됩니다. 다행히도 이미 성공하고 검증된 디지털 전원 공급 장치 통신 및 제어 시스템 아키텍처인 PM(전원 관리) 버스가 존재합니다. PM 버스는 디지털 IC 간의 온보드 통신에 널리 사용되는 I²C (Inter-Integrated Circuit)프로토콜이 확장된 형태입니다. I²C와 마찬가지로 PM 버스는 2선식 직렬 인터페이스로, 데이터(SDA) 및 클록(SCL) 신호만 필요하므로 저렴하고 구현이 간단하며 대규모 시스템을 구현할 때 중요한 요소입니다. 그러나 데이터 전송이 손상되지 않았는지 확인하기 위해 전원 공급 장치 모니터링 및 제어와 PEC(패킷 오류 검사)용으로 특별히 설계된 추가 명령도 있습니다.
PM 버스 프로토콜이 AIoT 애플리케이션에 최적인 이유는 디지털 전원 공급 장치를 원격으로 켜거나 끄거나 대기 모드로 전환하여 전력을 절약할 수 있을 뿐 아니라 추가 명령 세트를 통해 출력 전압을 원격으로 조정하고 전류 및 전력 제한을 설정하고 AC 입력 라인을 모니터링하고 전원 공급 장치의 온도를 모니터링하며 내부 메모리에 대해 현재 및 이전의 오류 코드와 재고 이유를 조사할 수 있기 때문입니다. 머신 러닝 알고리즘과 결합된 PM 버스 지원 전원 공급 장치는 전체 AIoT 시스템의 능동 구성 부품이 되어 유용한 모니터링 및 경보 데이터를 제공합니다(그림 2).
그림 2: RACM1200-V 전원 공급 장치 모니터링 신호 및 타이밍
PM 버스 프로토콜의 가장 강력한 기능 중 하나는 즉석 구성 명령입니다. 예를 들어, 전원 공급 장치가 정전압에서 정전류 또는 정전력 모드로 전환되기 전의 부하 제한은 외부 명령으로 설정하거나 강제할 수 있습니다. 예를 들어, 머신 러닝 AI 알고리즘이 부하 피크가 곧 발생할 것이라고 판단하면 전원 공급 장치를 종료하지 않고 일시적인 과부하에 가장 잘 대처할 수 있도록 사전 설정할 수 있습니다. 보통, 스마트 팬 기능이란 전원 공급 장치 자체가 팬 속도를 제어하여 부하가 낮거나 온도가 낮은 경우 팬을 꺼서 에너지를 절약하고 음향 잡음을 줄이며 팬 수명을 연장하거나 부하 증가에 따라 팬 속도를 점진적으로 높이는 것을 의미합니다.
AI가 예를 들어 완전 부하 충전 조건 중간에 짧은 시간 동안만 정기적으로 사용되는 배터리 충전소와 같은 특정한 부하 패턴을 인지하면 온도를 높게 유지하고 전원 공급 장치의 열 순환 범위를 줄이기 위해 휴식 시간 동안 팬을 끄기로 결정할 수 있습니다. 안정적이고 높은 작동 온도는 대체로, 반복적인 가열 및 냉각기간으로 인한 지속적인 열 순환보다 전원 공급 장치의 전자 부품에 스트레스를 덜 줍니다.
앞서 언급했듯이 PM 버스는 I²C 버스에서 진화했는데, 이것이 큰 단점을 초래합니다. 컨트롤러는 신호 라인만 풀다운하기 때문에 전원 공급 장치가 클럭이나 데이터 라인을 풀다운하여 버스를 이어받아 정보를 컨트롤러로 다시 보낼 수도 있습니다. 이는 PM 버스가 풀업 저항에 의존하여 활성화된 장치가 없을 때 직렬 라인을 다시 높이는 것을 의미합니다(그림 3). PM 버스 프로토콜은 하나의 제어 라인에 최대 127개의 개별 주소를 허용하지만 이 개수의 장치를 단일 버스에 연결하면 합쳐진 정전 용량으로 인해 신호의 상승 시간이 느려져서 쓸모가 없게 됩니다.
그림 3: PM 버스 신호. 각 라인은 풀다운만 가능하며 저항을 사용하여 신호 라인을 VDD까지 다시 풀업할 수 있습니다. 버스 커패시턴스가 높을수록 신호의 상승 시간이 길어집니다.
더 많은 수의 PM 버스 지원 전원 공급 장치가 단일 버스를 공유하려면 이를 저렴한 PM 버스 리피터 IC를 통해 통신하는 16개의 스마트 전원 공급 장치의 그룹으로 배열해야 합니다. 이 버퍼 IC는 입력 커패시턴스가 약 6pF로 매우 낮아서 케이블 길이가 길어도 버스에 과부하가 걸리지 않고 전체 PM 버스 주소 공간을 차지할 수 있습니다. 대상 전원 공급 장치의 ‘상시 동작’ 출력 중 하나, 즉 주 전원 공급 장치 스테이지의 전원이 꺼지더라도 활성 상태를 유지하는 저전력 5V 출력에서 전원을 공급받을 수 있습니다(그림 4). 또한 ‘상시 동작’ 출력은 예를 들어, 밀집한 도심 지역이나 소음이 심한 산업 공장에서도 킬로미터 폭의 원격 제어가 가능한 LoRa(Long Range) 트랜시버 회로 등의 다른 장치를 가동하기에 충분한 전류를 제공할 수 있습니다.
그림 4: PM-Bus 리피터 IC는 ‘상시 동작’ 5V 보조 출력에서 전원을 공급받습니다.
데이터의 수집 및 통신은 IoT 네트워크의 기능이고, 데이터에 대한 분석 또는 ‘인사이트’는 머신 러닝 또는 AI 시스템의 기능이며, 이어서 머신 러닝 또는 AI 시스템은 독립적으로 패턴을 인식하고 예측하며 적절한 조치를 취할 수 있습니다.
AIoT의 장점은 확장성 향상 및 데이터 트래픽 감소(시스템 과부하 없이 더 많은 센서 추가 가능), 소위 ‘에지 컴퓨팅’을 사용한 실시간 패턴 인식(과중한 ‘숫자 처리’ 작업은 센서 네트워크의 ‘에지’에서 로컬에서 이루어지며 결과 및 시스템 개요 데이터 세트만 게이트웨이를 통해 전달해야 함), 더 빠른 반응 시간(몇 초가 아닌 몇분의 1초), 대폭 향상된 내결함성(머신 러닝은 부정확하거나 누락된 데이터를 식별하고 IoT 고유의 결함 탐지 프로토콜을 사용하여 결함 있는 노드를 우회할 수 있음)이며 무엇보다 가장 중요한 장점은 인적 오류가 적다는 것입니다.
업계 용어 몇 가지만 예를 들자면, 이러한 장점은 실시간 교통 흐름 데이터를 지속적으로 모니터링하고 분석하여 사고를 인지하고 긴급 차량의 우선순위를 지정하며 대중교통을 최적화하는 스마트 시티부터 그리드 밸런싱, 부하 공유 및 재생 에너지와 의 시스템 통합을 최적화할 수 있는 스마트 그리드, 웨어러블을 사용하여의료 응급 상황을 을 모니터링하고 예측하는스마트 헬스케어부터 스마트 산업에 이르기까지 많은 ‘스마트’ 시스템에서 전면적인 혁신과 함께 효과적인 적시 공급망 관리, 최적화된 생산 라인 및 상태 기반 유지 보수 등으로 이어질 것입니다.
복잡한 대화형 대규모 시스템과 마찬가지로 운영 안정성이 가장 중요합니다. IoT 통신의 머신 러닝 분석과 고유의 내결함성 네트워크는 AIoT 개념에 필수적이지만 전자 장치를 위한 안정적인 전원 공급 장치를 간과해서는 안 됩니다.
일부에서는 IoT 센서와 액추에이터가 수명이 긴 배터리나 에너지 수확을 통해 전력을 공급받을 수 있다고 주장했습니다. 에너지 수확은 태양 전지, 열전 발전기(TEG) 또는 진동 변환기에서 충분한 에너지를 추출하여 슈퍼커패시터를 충전하거나 IoT 트랜스폰더에 직접 전력을 공급할 수 있다는 개념입니다. 여러 에너지 수확 프로젝트를 구축하고 연구한 저의 개인적인 경험으로 볼 때 이는 헛된 꿈이라고 말할 수 있습니다. 대다수의 IoT 센서와 액추에이터에 전력을 공급하기 위해 수집할 수 있는 안정적인 주변 에너지가 충분하지 않습니다. 배터리도 안 됩니다. IoT 센서 100만 개로 보수적으로 계산하면 10년 수명의 배터리를 하루 275개씩, 즉 정상 근무 시간 동안 2분마다 하나씩 배터리를 교체해야 합니다.
AC/DC 전원 공급 장치 는 센서, 액추에이터, 프로세서 및 게이트웨이를 위한 안전한 전기 에너지원일 뿐 아니라, 디지털 통신 인터페이스를 추가하면 전체 AIoT 시스템의 핵심 구성 요소가 됩니다. 다행히도 이미 성공하고 검증된 디지털 전원 공급 장치 통신 및 제어 시스템 아키텍처인 PM(전원 관리) 버스가 존재합니다. PM 버스는 디지털 IC 간의 온보드 통신에 널리 사용되는 I²C (Inter-Integrated Circuit)프로토콜이 확장된 형태입니다. I²C와 마찬가지로 PM 버스는 2선식 직렬 인터페이스로, 데이터(SDA) 및 클록(SCL) 신호만 필요하므로 저렴하고 구현이 간단하며 대규모 시스템을 구현할 때 중요한 요소입니다. 그러나 데이터 전송이 손상되지 않았는지 확인하기 위해 전원 공급 장치 모니터링 및 제어와 PEC(패킷 오류 검사)용으로 특별히 설계된 추가 명령도 있습니다.
PM 버스 프로토콜이 AIoT 애플리케이션에 최적인 이유는 디지털 전원 공급 장치를 원격으로 켜거나 끄거나 대기 모드로 전환하여 전력을 절약할 수 있을 뿐 아니라 추가 명령 세트를 통해 출력 전압을 원격으로 조정하고 전류 및 전력 제한을 설정하고 AC 입력 라인을 모니터링하고 전원 공급 장치의 온도를 모니터링하며 내부 메모리에 대해 현재 및 이전의 오류 코드와 재고 이유를 조사할 수 있기 때문입니다. 머신 러닝 알고리즘과 결합된 PM 버스 지원 전원 공급 장치는 전체 AIoT 시스템의 능동 구성 부품이 되어 유용한 모니터링 및 경보 데이터를 제공합니다(그림 2).
그림 2: RACM1200-V 전원 공급 장치 모니터링 신호 및 타이밍
PM 버스 프로토콜의 가장 강력한 기능 중 하나는 즉석 구성 명령입니다. 예를 들어, 전원 공급 장치가 정전압에서 정전류 또는 정전력 모드로 전환되기 전의 부하 제한은 외부 명령으로 설정하거나 강제할 수 있습니다. 예를 들어, 머신 러닝 AI 알고리즘이 부하 피크가 곧 발생할 것이라고 판단하면 전원 공급 장치를 종료하지 않고 일시적인 과부하에 가장 잘 대처할 수 있도록 사전 설정할 수 있습니다. 보통, 스마트 팬 기능이란 전원 공급 장치 자체가 팬 속도를 제어하여 부하가 낮거나 온도가 낮은 경우 팬을 꺼서 에너지를 절약하고 음향 잡음을 줄이며 팬 수명을 연장하거나 부하 증가에 따라 팬 속도를 점진적으로 높이는 것을 의미합니다.
AI가 예를 들어 완전 부하 충전 조건 중간에 짧은 시간 동안만 정기적으로 사용되는 배터리 충전소와 같은 특정한 부하 패턴을 인지하면 온도를 높게 유지하고 전원 공급 장치의 열 순환 범위를 줄이기 위해 휴식 시간 동안 팬을 끄기로 결정할 수 있습니다. 안정적이고 높은 작동 온도는 대체로, 반복적인 가열 및 냉각기간으로 인한 지속적인 열 순환보다 전원 공급 장치의 전자 부품에 스트레스를 덜 줍니다.
앞서 언급했듯이 PM 버스는 I²C 버스에서 진화했는데, 이것이 큰 단점을 초래합니다. 컨트롤러는 신호 라인만 풀다운하기 때문에 전원 공급 장치가 클럭이나 데이터 라인을 풀다운하여 버스를 이어받아 정보를 컨트롤러로 다시 보낼 수도 있습니다. 이는 PM 버스가 풀업 저항에 의존하여 활성화된 장치가 없을 때 직렬 라인을 다시 높이는 것을 의미합니다(그림 3). PM 버스 프로토콜은 하나의 제어 라인에 최대 127개의 개별 주소를 허용하지만 이 개수의 장치를 단일 버스에 연결하면 합쳐진 정전 용량으로 인해 신호의 상승 시간이 느려져서 쓸모가 없게 됩니다.
그림 3: PM 버스 신호. 각 라인은 풀다운만 가능하며 저항을 사용하여 신호 라인을 VDD까지 다시 풀업할 수 있습니다. 버스 커패시턴스가 높을수록 신호의 상승 시간이 길어집니다.
더 많은 수의 PM 버스 지원 전원 공급 장치가 단일 버스를 공유하려면 이를 저렴한 PM 버스 리피터 IC를 통해 통신하는 16개의 스마트 전원 공급 장치의 그룹으로 배열해야 합니다. 이 버퍼 IC는 입력 커패시턴스가 약 6pF로 매우 낮아서 케이블 길이가 길어도 버스에 과부하가 걸리지 않고 전체 PM 버스 주소 공간을 차지할 수 있습니다. 대상 전원 공급 장치의 ‘상시 동작’ 출력 중 하나, 즉 주 전원 공급 장치 스테이지의 전원이 꺼지더라도 활성 상태를 유지하는 저전력 5V 출력에서 전원을 공급받을 수 있습니다(그림 4). 또한 ‘상시 동작’ 출력은 예를 들어, 밀집한 도심 지역이나 소음이 심한 산업 공장에서도 킬로미터 폭의 원격 제어가 가능한 LoRa(Long Range) 트랜시버 회로 등의 다른 장치를 가동하기에 충분한 전류를 제공할 수 있습니다.
그림 4: PM-Bus 리피터 IC는 ‘상시 동작’ 5V 보조 출력에서 전원을 공급받습니다.
버스 제어 가능 전원 공급 장치에는 인터페이스 커넥터와 주 DC 출력 전원 단자가 있습니다(그림 5). 디지털 인터페이스의 장점은 AI의 의사 결정에 도움이 되는 보다 포괄적인 경고, 오류 및 경보 신호가 가능하다는 것입니다. 예를 들어 RACM1200-V에는 AC 입력 오류, 낮은 DC 출력, 임박한 과열, 과열 차단, 과부하 및 DC 오류 조건을 나타내는 다색의 상태 LED가 내장되어 있지만 디지털 버스 인터페이스도 출력 전압 범위, 부하 전류 모니터링 및 과부하 조건에 대한 프로그래밍 가능한 사전 경고 제한을 추가하여 전원 공급 장치가 종료되기 전에 AI 시스템이 스스로를 보호하기 위해 충분한 시간을 두고 극한의 온도나 오류 조건에 반응할 수 있습니다.
요약하면, AIoT는 향후 10년 동안 우리 모두에게 혜택을 주고 다양하고 절묘한 방식으로 우리의 삶을 개선할 흥미롭고 새로운 구현 기술입니다. AC/DC 및 DC/DC 컨버터의 대표적인 글로벌 제조업체 중 하나인 RECOM은 이미 AIoT 시스템과의 원활한 통합을 위해 디지털 PM 버스 인터페이스를 갖춘 전원 공급 장치를 설계 및 제조함으로써 이러한 혁신을 지원할 준비를 하고 있습니다.
[1] Remi El-Ouazzane „A Tsunami of TinyML Devices is Coming”, EE Times, 07.28.2023
요약하면, AIoT는 향후 10년 동안 우리 모두에게 혜택을 주고 다양하고 절묘한 방식으로 우리의 삶을 개선할 흥미롭고 새로운 구현 기술입니다. AC/DC 및 DC/DC 컨버터의 대표적인 글로벌 제조업체 중 하나인 RECOM은 이미 AIoT 시스템과의 원활한 통합을 위해 디지털 PM 버스 인터페이스를 갖춘 전원 공급 장치를 설계 및 제조함으로써 이러한 혁신을 지원할 준비를 하고 있습니다.
[1] Remi El-Ouazzane „A Tsunami of TinyML Devices is Coming”, EE Times, 07.28.2023
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