상단여백
HOME 컴퓨팅인사이트 테크니컬리포트
무정전 전원 시스템 디자인 설계의 문제점, ‘슈퍼캡(Supercap)으로 해결’ ②

지난 글에 이어 이번 글에서는 슈퍼캡을 백업 설계에서 활용하였을 때의 이점과 예비 전원 설계에서의 문제점을 해결할 수 있는 방안에 대해 알아본다.

슈퍼캡 효율 증가
백업 설계를 다시 한 번 살펴보자. 앞서 언급한 것처럼 문제는 슈퍼캡 에너지를 더 많이 이용하고 최대 전압 한계를 극복하는 것이다. [그림 4]의 회로는 이 2가지 문제를 모두 해결한다.

그림 4. 슈퍼캡 전압은 시스템 공급 전압에 독립적이다.

[그림 4]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 5]는 [그림 4] 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 5. 타이밍 다이어그램 시작 부분에 벅 컨버터가 슈퍼캡을 충전한다. 끝 부분에 부스트 컨버터가 슈퍼캡을 이용해 시스템 전압과 시스템 전류를 제공한다.

[그림 5]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.

여기에서 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 2개 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.

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 6]에서 메인 배터리가 제거되면 부스트 컨버터가 VSYS나 시스템 부하를 일정한 전압으로 유지하는 반면 슈퍼캡은 부스트 DC-DC 컨버터에 입력 전류와 전압을 제공한다. 

그림 6. 슈퍼캡 충전 프로세스는 벅 DC-DC 컨버터를 이용하고 방전 프로세스는 부스트 DC-DC 컨버터를 이용한다.

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. MAX38888는 MAX38888EVKIT를 통해 평가할 수 있고, 슈퍼 커패시터를 선택하기 위한 툴을 이용한다.

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, 화재패널(fire panel), 전기계량기, 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.

 

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

<저작권자 © IT비즈뉴스-아이티비즈뉴스, 무단 전재 및 재배포 금지>

최태우 기자의 다른기사 보기
icon인기기사
Back to Top