2019년 12월 13일 금요일

T Technical Report

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무정전 전원이 필요하다면 슈퍼캡이 답이다

주변의 모든 시스템이 점점 지능화됨에 따라 항상 켜진 올웨이즈온 기기(Always-on Device)가 표준이 되고 있다. 전원 공급선 또는 시스템 배터리 제거 같이 회로에서 전원 연결을 해제하거나 제거하면 정전 사태가 발생한다. 이 때 시스템은 중요 데이터를 백업하기 위해 100만분의 1초(마이크로세컨드)까지 필사적인 노력을 한다.

글 - 보니 베이커(Bonnie Baker)/ 맥심 인터그레이티드 객원 블로거

보험과 유사한 기능을 하는 슈퍼캡(Supercap) 또는 슈퍼 커패시터(super capacitor)는 짧은 시간 동안 임시 백업 전원을 제공함으로써 장애를 방지한다. 슈퍼캡의 일부 특성은 전력변환장치(power converter)의 도움이 없다면 원활한 복구에 제약을 가할 수도 있다.
 
본 디자인 솔루션은 슈퍼캡 기능을 설명하고 전력 백업 애플리케이션에서 슈퍼캡을 실제 어떻게 충전/방전 솔루션으로 사용하는지 소개한다. 슈퍼캡은 동일 범위에서 더 많은 정전용량(capacitance)을 제공한다. 리튬이온 배터리는 충전식 예비 전력원으로 충분하지만 무겁고 충전 시간이 오래 걸리며 수명이 짧다. 또한 충전/방전을 위한 특수 회로나 알고리즘이 필요해 단기 전력 백업용으로 비용이 많이 든다.
 
슈퍼캡 특징
슈퍼캡은 더 낮은 정격 전압 범위에서 이용 가능하고 정전용량 값이 매우 높은 고용량 커패시터이다. 에너지 밀도가 높고 DC-ESR(DC Equivalent Series Resistance)이 낮으며 전류에 비해 전압 충전/방전이 선형적이다. 슈퍼캡과 표준 커패시터 및 배터리를 비교하면 슈퍼캡 정전용량은 표준 커패시터보다 수백 배 더 높아 대용량 에너지 저장이 용이하다.
 
에너지 저장은 커패시터 또는 배터리가 보유할 수 있는 에너지 양을 말한다. 에너지 저장 밀도는 보통 mWh/g으로 표시된다. 중간급 에너지 저장 밀도 슈퍼캡은 다수 애플리케이션에서 단기 전원으로 사용될 수 있다. EDLC(Electric Double Layer Capacitor) 혹은 슈퍼캡의 에너지 저장은 표준 커패시터(탄탈룸, 세라믹, 필름, 실리콘, 전해질 등)와 배터리의 중간 정도에 해당한다.
 
커패시터나 배터리 ESR 측정은 DC 근처, 100kHz 같은 고주파수에서 발생할 수 있다. 일반적으로 요구되는 커패시터의 ESR 값은 더 높은 쪽에서 시험 주파수를 갖는다. DC-ESR 근사값은 대다수 슈퍼캡과 배터리 애플리케이션에서 중요하다. 충전/방전 전류가 보통 DC 이벤트 근처에 있기 때문이다. ESR은 슈퍼캡의 충전/방전 전류와 함께 저전압 오류를 발생시킨다.
 
배터리와 슈퍼캡 모두 전기 에너지를 저장한다. 광범위하게 이용되는 배터리는 에너지 밀도가 더 높다. 하지만 고전력 밀도의 슈퍼캡은 빠른 충전/방전이 가능하다.
 

[표 1] 슈퍼캡, 탄탈룸 커패시터 및 배터리 간 비교
 
슈퍼캡은 표준 커패시터와 배터리 간격을 좁히기 위한 충분한 작업을 하며, 높은 정전용량과 중간 수준의 에너지 밀도 덕분에 적절한 임시 예비 전원이 된다.
 
전력 백업을 위한 슈퍼캡
슈퍼캡은 충분한 전하를 공급받아야만 전원 공급 중단 시 기존 회로에 제한된 양의 에너지를 전달한다. 배터리가 주 전원이고 슈퍼캡이 백업인 휴대용 애플리케이션을 생각해보자.
 

[그림 1] 배터리 제거 시 회로는 슈퍼캡을 이용해 충분한 전류를 제공함으로써 밀리세컨드 시스템 백업을 지원한다.
 
[그림 1]에서 시간은 제한되어 있기 때문에 슈퍼캡에 가장 중요한 요소이다. 슈퍼캡을 제대로 선택하면 백업 복구 작업이 신속히 이뤄지도록 회로의 전력을 오래 지속시킨다.
 
[그림 2]은 [그림 1]의 블록 다이어그램에 대한 일반적인 타이밍 다이어그램이다.
 

[그림 2] 배터리를 설치하면 슈퍼캡이 충전되고 시스템 배터리가 제거될 때 제한된 전력을 지원한다.
 
[그림 2]에서 슈퍼캡(CSC)은 회로에 배터리 삽입과 함께 배터리 전압 수준에 도달하는 동안 일시적으로 전하 보험을 수집한다. 이 때 1% 미만으로 배터리 전하 저장소가 손실된다. 시스템은 배터리 전압(VBAT)과 전류(IB_SYS)로 전력을 공급받는다. 슈퍼캡 전압(VSC)이 배터리 전압(VBAT)에 도달하면 슈퍼캡(CSC)이 휴지기에 들어가고 ISC=0이 되어 전하를 유지한다.
 
시스템은 배터리가 제거될 때까지 기기가 작동하는 내내 슈퍼캡의 휴지 상태를 유지한다. 기기의 전력 사용량에 따라 휴지 시간은 몇 일부터 몇 달, 몇 년이 될 수 있다. 배터리를 제거하면 시스템 백업이 시작된다. 이 짧은 시간 동안 슈퍼캡(CSC)은 신속한 백업 복구를 위해 시스템에 전류(ISC)와 슈퍼캡 전압원(VSC)을 추가 보증한다. 이러한 연결은 시스템 IC가 최소 전원 전압에 도달함으로써 붕괴하기 시작할 때까지 지속된다.
 
슈퍼캡은 일시적으로 전원 전압을 유지하지만 미사용 에너지, 최대 전압 한계 같은 몇 가지 단점이 있다. 시스템 최소 전원 공급은 슈퍼캡에서 미사용 에너지를 남긴다. 예를 들어 VBAT=3.3V이고 VSYS(MIN)=2.7V이면 사용 가능한 에너지의 66%가 남는다.
 
현재 슈퍼캡 평균 전압은 2.5~2.7V이다. 이 전압은 슈퍼캡이 직렬로 적층 또는 배치돼 있지 않는다면 사용 가능한 시스템 유형을 제한한다. 예를 들어 2개 적층 2.7V 슈퍼캡은 5.4V를 제공할 수 있다. 하지만 직렬 커패시터의 총 정전용량은 C1=C2인 CSC = (C1 x C2) / (C1 + C2)만큼 감소한다. 총 정전용량은 C1 또는 C2보다 50% 적고 따라서 C1과 C2는 설계의 슈퍼캡 값의 두 배가 되어야 한다.
 
슈퍼캡을 사용하면 PCB 레이아웃 기하학적 구조와 애플리케이션 비용이 증가한다. 슈퍼캡 2 개 크기는 1개 대비 4배 증가한다. 2개 대형 커패시터(C1 & C2)는 단일 소형(CSC) 커패시터의 2배 크기기 때문이다. 적층형 슈퍼캡의 경우 직렬 커패시터는 정전용량, 저항 및 누설 전류의 허용 편차를 없애기 위해 셀 밸런싱 회로가 필요하다.
 
슈퍼캡 효율 증가
백업 설계를 다시 한번 살펴보자. 앞서 언급한 것처럼 문제는 슈퍼캡 에너지를 더 많이 이용하고 최대 전압 한계를 극복하는 것이다. [그림 3]의 회로는 이 2가지 문제를 모두 해결한다.
 

[그림 3] 슈퍼캡 전압은 시스템 공급 전압(VSYS)에 독립적이다.
 
[그림 3]의 회로에서 미사용 슈퍼캡 에너지는 부스트(boost) 기능을 통해 이용된다. 부스트 기능은 슈퍼캡(CSC)에서 시스템 전류(ISC_SYS)를 생성하고 일정한 시스템 전원 전압(VSYS)을 유지한다. 이 설정으로 슈퍼캡 전압은 시스템 전압에 독립적인 반면 필요한 시스템 전압(VSYS)보다 매우 낮은 부스트 컨버터의 최소 허용 입력 전압에 의존할 수 있다. 이처럼 낮아진 전압으로 더 많은 전하를 이용할 수 있다.
 
충전기는 배터리 전압(VBAT)에서 슈퍼캡 전압(VSC) 독립을 완성한다. 충전기 기능 실행은 슈퍼캡 입력 저전압 요구조건을 충족하고 초기 충전을 제공한다. 저항기 및 FET를 포함한 이 기기는 감시기(supervisor) IC, LDO(Low-Dropout) 선형 레귤레이터(역전류 보호 LDO), 역전류 보호 기능이 있는 벅 컨버터 또는 슈퍼캡 백업 IC가 될 수 있다.
 
[그림 4]는 [그림 3] 회로에 대한 타이밍 다이어그램의 예다. [그림 5]의 변수는 ISC_SYS=500mA, VSC_ INI=2.7V, VSC_FIN=1.5V, tBKUP = 3.8ms이다. CSC 값은 약 2.3mF이다.

[그림 4] 타이밍 다이어그램 시작 부분에 벅 컨버터가 슈퍼캡을 충전한다.
끝 부분에 부스트 컨버터가 슈퍼캡을 이용해 시스템 전압(VSYS)과 시스템 전류(ISC_SYS)를 제공한다.
 
[그림 4]에서 배터리 설치로 시스템 전압(VSYS)이 4.5V 수준으로 올라가 슈퍼캡 충전 단계가 시작된다. VSYS =4.5V이지만 충전기는 전 전압이 2.7V에 이를 때까지 슈퍼캡에 전류를 제공한다. 전압(VSC)이 2.7V 공칭 전압에 도달하면 슈퍼캡 충전 활동은 전류(ISC)=0A인 휴지기에 들어간다.
 
VSYS 전압이 떨어지고 사전 프로그래밍된 3.15V 레벨을 넘어갈 때 배터리 제거가 감지되고 회로는 시스템 백업 단계(tBKUP)로 들어간다. 백업 단계에서 부스트 DC-DC 컨버터가 켜져 VSC에서 VSYS 노드로 3V를 제공하고 시스템에서 요구하는 500mA 전류(ISYS)를 생성한다.
 
시스템 백업 단계에서 VSYS는 3V를 유지하지만 슈퍼캡 전압(VSC)은 대략 0.316V/ms로 하락하거나 백업 시간(tBKUP)은 다음과 같다.
 

여기서 Eff는 부스트 컨버터 효율성을 나타낸다.
 
이론적으로 (Eff=1), 3.8ms는 파워다운(power-down) 복구 작업이 실행되고 슈퍼캡 전압이 2.7V에서 1.5V로 변하는 동안 소멸된다. 3개의 1.5V AA 알카라인 티타늄 배터리(총용량 5.52Ah) 경우 3.8ms 복구 시간은 1.15m% 미만의 배터리 전류가 필요하다. 이는 비용을 크게 아낄 수 있도록 한다.
 
3.8ms 시간 값은 슈퍼캡 ESR 손실과 실제 부스트 효율성에 따라 3ms에 가까워진다. 이 구성으로 시스템은 단 30%만 남긴 채 가용 슈퍼캡 에너지 중 70%를 사용한다.
 
슈퍼캡 전압이 1.5V에 도달할 때 부스트 컨버터 스위치가 꺼지고 시스템이 0V로 하락한다. 이 조절 유형은 프로세서가 데이터 절감 활동을 시행할 수 있을 정도로 오랫동안 시스템 전압을 안정화시킨다.
 
슈퍼캡 선택 과정
슈퍼캡 선택 과정에는 정격 전압(VSC)과 정전용량(CSC)이라는 2가지 주요 전기 사양과 시스템의 정격 출력(VSYS x ISYS), 부스트 컨버터의 최소 전압(VSC(MIN)) 및 정전 시 필요한 시스템 복구 시간(tBKUP) 등 3가지 시스템 사양이 있다.
 
이러한 사양은 다음과 같이 슈퍼캡의 정전용량 값을 결정한다.
 
예를 들어 ISC_SYS=500mA, VSC_INI=2.7V, VSC_FIN=1.5V, tBKUP = 3.8ms이면 CSC 값은 약 2.3mF이다.
 
통합 솔루션
설계 문제의 통합 솔루션으로 온칩 가역 벅/부스트 컨버터가 있다. MAX38888은 콘티누아(Continua) 예비 전원 레귤레이터 계열의 첫 제품이다.
MAX38888은 저전력과 단 1개 인덕터만을 요구하는 소형 폼팩터를 제공함으로써 개별 솔루션보다 성능이 뛰어나다.
 

[그림 5] 슈퍼캡 충전 프로세스는 벅 DC-DC 컨버터(회로의 VSC 측면)를 이용하고,
방전 프로세스는 부스트 DC-DC 컨버터(회로의 VSYS 측면)를 이용한다.
 
[그림 5]에서 메인 배터리가 제거되면 부스트 컨버터가 VSYS나 시스템 부하를 일정한 전압으로 유지하는 반면 슈퍼캡은 부스트 DC-DC 컨버터에 입력 전류와 전압을 제공한다. 배터리가 회로에 다시 들어오면 시스템 부하는 정상 작동으로 돌아가고, 벅 컨버터는 슈퍼캡을 재충전한다. 이 시스템은 명시된 슈퍼캡 전압이 필수 최소 VSYS 값보다 작을 때 작동된다.
 

MAX38888MAX38888EVKIT를 통해 평가할 수 있고, 슈퍼 커패시터를 선택하기 위한 툴을 이용한다.
 
결론
슈퍼 커패시터는 장기적으로 에너지를 제공하는 배터리의 대체품이나 주파수 신호 체인에서 커패시터나 우회 요소로 오해하는 경우가 있다. 슈퍼캡은 몇 밀리세컨드 또는 심지어 최대 몇 분 동안 지속하는 전력 격차를 매우 효과적으로 줄일 수 있다.
 
배터리로 작동하는 초소형 컴퓨터, 화재 패널(fire panel), 전기 계량기, 홈 자동화, 카메라는 슈퍼캡의 매우 높은 정전용량과 매우 낮은 ESR 혜택으로 일반적인 예비 전원 문제를 해결할 수 있다. 슈퍼캡 기능을 효과적으로 사용하기 위해 벅 부스트 레귤레이터 장치는 슈퍼캡과 시스템 공급 레일 간 전력을 능숙하게 전달한다. 이는 시스템의 정전 복구 시간을 몇 마이크로세컨드에서 더욱 안정적인 범위의 밀리세컨드 이상으로 늘릴 수 있다.
 
추가 정보
MAX38888 2.5V–5.0V, 0.5A/2.5A Reversible Buck/Boost Regulator for Backup Power Applications