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무정전 전원 시스템 디자인 설계의 문제점, ‘슈퍼캡(Supercap)으로 해결’ ①
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모든 시스템이 점점 지능화됨에 따라 항상 켜진 ‘올웨이즈온 디바이스(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. 

보험과 유사한 기능을 하는 슈퍼캡(Supercap) 또는 슈퍼 커패시터(super capacitor)는 짧은 시간 동안 임시 백업 전원을 제공함으로써 장애를 방지하는 데 기여하고 있다. 슈퍼캡의 일부 특성은 전력변환장치(power converter)의 도움이 없다면 원활한 복구에 제약을 가할 수도 있다.

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.

이 글에서는 슈퍼캡 기능을 설명하고 전력 백업 애플리케이션에서 슈퍼캡을 실제 어떻게 충전·방전 솔루션으로 사용하는지 소개하고자 한다. 

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 용이한 점도 특징이라고 할 수 있다.

에너지 저장은 커패시터 또는 배터리가 보유할 수 있는 에너지의 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. 슈퍼캡은 표준 커패시터와 배터리 간격을 좁히기 위한 충분한 작업을 하며 높은 정전용량과 중간 수준의 에너지 밀도 덕분에 적절한 임시 예비전원으로 활용할 수도 있다.

그림 1. 슈퍼캡, 탄탈룸 커패시터 및 배터리 간 비교

전력 백업 시스템 설계를 위한 대안으로 주목
슈퍼캡은 충분한 전하를 공급받아야만 전원 공급 중단 시 기존 회로에 제한된 양의 에너지를 전달한다. 배터리가 주 전원이고 슈퍼캡이 백업인 휴대용 애플리케이션을 생각해보자.

그림 2에서 시간은 제한되어 있기 때문에 슈퍼캡에 가장 중요한 요소다. 슈퍼캡을 제대로 선택하면 백업 복구 작업이 신속히 이뤄지도록 회로의 전력을 오래 지속시킨다. 그림 3은 그림 2의 블록다이어그램에 대한 일반적인 타이밍 다이어그램이다.

그림 3에서 슈퍼캡(CSC)은 회로에 배터리 삽입과 함께 배터리 전압 수준에 도달하는 동안 일시적으로 전하 보험을 수집한다. 이 때 1% 미만으로 배터리 전하 저장소가 손실된다. 

그림 2. 배터리 제거 시 회로는 슈퍼캡을 이용해 충분한 전류를 제공함으로써 밀리세컨드 시스템 백업을 지원한다.

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 며칠부터 몇 달, 몇 년이 될 수 있다. 

그림 3. 배터리를 설치하면 슈퍼캡이 충전되고 시스템 배터리가 제거될 때 제한된 전력을 지원한다.

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 단점도 있다. 시스템 최소 전원 공급은 슈퍼캡에서 미사용 에너지를 남기는데, 예를 들어 VBAT=3.3V이고 VSYS(MIN)=2.7V이면 사용 가능한 에너지의 66%가 남는다.

현재 슈퍼캡 평균 전압은 2.5~2.7V 수준이다. 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 증가하기 때문이다. 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. 

 

글 : 보니 베이커(Bonnie Baker) / 테크니컬 에디터
* 텍사스인스트루먼트(TI), 마이크로칩 등 반도체 업계에서 33년 간 엔지니어로 근무한 보니 베이커는 애리조나주립대학에서 전지전자공학을 전공한 전문가다.

 

최태우 기자  taewoo@itbiznews.com

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