백업 애플리케이션에 배터리 대신 수퍼커패시터를 사용한다

전통적인 커패시터와 배터리 사이의 틈새 시장을 차지하고 있던 수퍼커패시터는 애플리케이션이 늘어남에 따라 계속해서 시장이 커지고 있다. 또한 갑작스러운 전원 차단에 대비하여 중간 수준부터 높은 수준에 이르는 전류를 제공할 수 있어, 백업 전원이나 배터리 백업을 필요로 하는 데이터 스토리지 애플리케이션에서 배터리를 대체하고 있다.

Steve Knoth Linear Technology Corporation

최근 수퍼커패시터(울트라 커패시터 라고도 한다)는 다양한 애플리케이션에 사용되고 있는데, 이러한 애플리케이션으로는 3.3V 메모리 백업 SSD(Solid State Drive), 배터리 구동 산업용 및 의료용 휴대 장비, 산업용 경고 시스템, 스마트 전력 계량기 등을 들 수 있다. 배터리와 비교했을 때, 수퍼커패시터는 더 넓은 동작 온도 범위에서 더 높은 피크 전력 공급 능력, 더 작은 크기, 더 높은 충전 사이클 수명과 더 낮은 ESR로 우수한 전력 밀도를 제공한다.
표준적인 세라믹, 탄탈, 전해질 커패 시터와 비교했을 때 수퍼커패시터는 비슷한 크기와 무게로 더 높은 에너지 밀도를 제공한다. 커패시터의 최대 충전 전압을 낮추고 높은 온도(50℃ 이상)를 피함으로써 수퍼커패시터의 수명을 극대화할 수 있다.
표 1은 세 유형의 주요 특징들을 비교 한 것이다.



수퍼커패시터와 배터리 비교

■ 배터리
· 우수한 에너지 밀도
· 중간 수준의 전력 밀도
· 저온에서 높은 ESR(Equivalent Series Resistance)
■ 수퍼커패시터
· 중간 수준의 에너지 밀도
· 우수한 전력 밀도
· 저온에서 낮은 ESR(25℃와 비교했을 때 －20℃라면 2배까지 상승)
■ 수퍼커패시터의 한계점
· 셀당 최대 2.5V∼2.75V로 제한
· 적층형 애플리케이션에서는 누설 차이 보정 필요
· 높은 충전 전압 및 높은 온도일 때 수명이 빠르게 저하

초기의 2셀 수퍼커패시터 차저는 3.3V, 3xAA, 리튬이온/폴리머 배터리를 이용한 낮은 전류 충전용으로 설계되었다. 하지만 수퍼커패시터 기술이 발전하고 시장이 확대됨에 따라, 전자기기 제품 분야에만 한정되지 않고 다양한 중간 수준 및 높은 수준의 전류를 필요로 하는 애플리케이션을 지원할 수 있게 되었다.
주요 애플리케이션으로는 솔리드 스테이트 디스크 드라이브와 대량 저장장치 백업 시스템, 산업용 PDA나 휴대 단말기 같은 고전류 휴대 전자기기, 데이터로거, 계측기, 의료 장비, 그 밖에 보안 장비나 경고 시스템 같은‘dying gasp’산업용 애플리케이션을 들 수 있다. 또한 전자기기 애플리케이션으로는 카메라의 LED 플래시, PCMCIA 카드와 GPRS/GSM 트랜시버, 휴대기기의 HDD(Hard Disk Drive) 같이 높은 전류 버스트를 특징으로 하는 애플리케이션등이 있다.

수퍼커패시터 차저의 설계 과제

수퍼커패시터는 장점이 많은 기술이 다. 하지만 직렬로 2개 이상의 커패시터를 적층하여 이용할 때에는 디자이너들에게 셀 밸런싱, 충전시 셀 과전압 손상, 과도한전류소모, 대형크기의풋프린트 /솔루션과 같은 문제를 안겨 준다. 높은 피크 전력으로 빈번한 버스트가 필요할 때에는 보다 높은 충전전류가 필요할 수 있다. 또한 배터리 버퍼 애플리케이션이나 USB/PCCARD 환경 같은 많은 충전 소스들은 전류가 제한적이다. 공간 제한적인 고전력 휴대 전자기기는 이와 같은 조건을 잘 다루는 것이 중요하다.
IC를 통한 역전도는 통상적으로 심각한 재난 상황을 초래할 수 있다. 직렬 정류 다이오드와 같은 외부 부품을 이용하는 것은 높은 전압 드롭 때문에 별로 효율적이지 않다. 쇼트키 다이오드는 포워드 드롭이 낮으므로 시스템 효율이 높지만 일반적인 다이오드보다 가격이 비싸다. 반면에 FET(Field Effect Transistor)는 온 저항이 낮고 손실이 최소한이다. 내부 FET 제어 Power Path™  회로는 이와 같은 문제를 해결 하는 좋은 방법이며, 손상이 초래되는 상황을 방지할 수 있다. PowerPath 제어를 이용함에 따라 입력이 갑자기 출력 아래로 떨어졌을 때 IC의 컨트롤러가 재빨리 내부 FET를 턴오프함으로써 출력에서 다시 입력 전원으로 역전도가 일어나는 것을 방지할 수 있다.

셀 밸런싱 기능을 이용한 직렬 연결 수퍼커패시터들은 각 셀의 전압이 대략 적으로 같아진다. 이와 달리 수퍼커패시터에 셀 밸런싱을 이용하지 않으면 과전압 손상이 일어날 수 있다. 저전류 애플리케이션은 차지 펌프와 함께 매셀에 하나의 밸런싱 저항이 포함된 외부 회로를 이용할 경우 이러한 문제를 해결할 수 있는 저렴한 솔루션이다. 밸런싱 저항의 값은 나중에 설명하는 것과 같이, 주로 커패시터 누설 전류에 따라 달라진다. 밸런싱 저항으로 인한 전류 드레인이 수퍼커패시터 에너지 저장에 미치는 영향을 제한하기 위해 디자이너들은 또 다른 방법으로 매우 낮은 전류의 능동 밸런스 회로를 이용할 수 있다. 셀 불일치를 일으키는 또 다른 요인으로는 누설 전류의 차이를 들 수 있다. 커패시터 셀의 누설 전류는 처음에 매우 높았다가 시간이 지나면서 점점 낮은 값으로 약해 진다. 그런데 만약 직렬 셀들 사이에 누설이 일치하지 않으면, 그리고 커패시터 누설 자체보다 훨씬 더 높은 부하 전류를 각 커패시터로 제공하는 밸런스 저항을 선택하지 않는다면 재충전시 셀들이 과전압으로 될 수 있다. 하지만 밸런싱 저항은 원치 않는 부품과 영구 방전 전류를 발생시킴으로써 애플리케이션 회로에 부담을 가할 수 있다. 또한 밸런싱 저항은 불일치 커패시터들을 높은 전류로 충전했을 때 각 셀에 대해 과전압 보호를 제공하지 못한다.

낮은 수준 및 중간 수준의 전력 애플리케이션에서는 수퍼커패시터 충전 문제를 해결할 수 있는 또 다른 저렴한(그러나 복잡한) 방법으로 전류 제한 스위치에 디스크리트 외부 수동 소자 부품들을 이용할 수 있다. 이 방법은 전류 제한 스위치가 충전 전류 및 제한 기능을 제공하고, 전압 레퍼런스 및 비교기 IC가 전압 클램핑 기능을 제공하며 밸런스 저항을 이용한 연산 증폭기(sink/ source)가 수퍼커패시터 셀 밸런싱 기능을 제공한다. 그럼에도 불구하고 밸러스트 저항값이 낮을수록 정지 전류가 높고 배터리 사용 시간이 짧아진다. 따라서 당연히 비용을 절약할 수 있다. 하지만 이 솔루션은 구현하기가 매우 번거로우며, 성능은 간신 히허용 한계를 만족시키는 수준이다.

앞에서 설명한 낮은 수준 및 중간 수준의 전류 수퍼커패시터 차저 IC 디자인의 문제점을 효율적으로 해결하려면 직렬 수퍼커패시터 2개에 대해 차지 펌프 기반 차저와 자동 셀 밸런싱 및 전압 클 램핑 기능을 결합할 수 있을 것이다. 리니어 테크놀로지(Linear Technology) 는 이와 같은 애플리케이션에 이용할 수 있도록 간소하면서도 정교한 모노리딕 수퍼커패시터 차저 IC를 개발했다. 이 IC 제품은 인덕터와 밸런스 저항을 필요로 하지 않고, 역류 차단 기능을 제공할 뿐만 아니라 다중 동작 모드를 지원하며 낮은 정지 전류를 특징으로 한다.



간소한 솔루션

LTC3226은 리니어 테크놀로지의 2 셀 수퍼커패시터 차저 제품군에 새롭게 추가된 제품이다. 이 디바이스는 인덕터를 필요로 하지 않으며 백업 Power Path 컨트롤러를 포함한 수퍼커패시터 차저로서, 짧은 시간 동안 백업 전원을 필요로 하는 애플리케이션의 리튬이온 또는 기타 저전압 시스템 레일에 적합 하다. 이 디바이스는 고정적인 입력 전류를 이용한 저잡음 듀얼 모드(1x/2x) 차지 펌프 아키텍처를 채택했으며, 직렬로 연결된 두 개의 수퍼커패시터를 2.5V∼5.5V 입력 전원으로 2.5V에서 5.3V 사이의 프로그램된 커패시터 충전 전압으로 충전한다. 차저 입력 전류는 저항을 이용하여 최대 315mA로 프로그램할 수 있다. 이 디바이스의 자동 셀 밸 런싱 및 전압 클램핑 기능은 밸런싱 저항을 필요로 하지 않으며 두 셀로 동일한 전압을 유지한다. 따라서 반대의 경우 셀 커패시턴스나 누설 불일치로 인해 발생할 수 있는 과전압 손상으로부터 수퍼커패시터를 보호할 뿐만 아니라 커패시터의 전류 소모를 최소화한다.

LTC3226은 정상 및 백업의 두 가지 동작 모드로 동작한다. 동작 모드는 PFI (Programmable Power Fail) 비교기에 의해 결정된다. 정상 모드이면(PFI 하이) VIN에서 저손실 외부 FET 아이디얼 다이오드를 거쳐 VOUT으로 전력이 흐르고, 차지 펌프가 온 상태를 유지함으로써 수퍼 커패시터 스택을 최대 전압으로 충전한다. 백업 모드이면(PFI 로우) 차지 펌프가 턴오프되고 내부 LDO가 턴온하여 저장된 수퍼커패시터 전하로부터 VOUT 부하 전류를 공급하고, 외부 아이디얼 다이오드는 VIN으로 전류가 흐르는 것을 방지한다. 수퍼커패시터의 내부 LDO를 통해 최대 2A의 백업전류를 공급할 수 있다.

LTC3226은 출력 전압이 레귤레이션 상태일 경우55㎂의 매우 낮은 정지전류로 동작한다. 기본적인 충전 회로는 소수의 외부 부품을 필요로 하며 적은 공간을 차지한다. 이 IC는 3mm×3mm의 소형 QFN 패키지로 제공된다. 이 디바이스의 높은 동작 주파수(900kHz)는 외부 부품의 크기를 줄일 수 있게 해 준다. 내부 전류 제한 및 열 셧다운 회로가 포함되어있으므로 이 디바이스는PROG, VOUT, CPO 핀에서 접지로 이어지는 연속적인 단락 회로를 견딜 수 있다. 그 밖의 기능들로는 CAP PGOOD, VIN PFO￦(Power Fail) 출력과 시스템 하우스키핑을 위한 VOUT RST￦출력이 있다.
LTC3226은 컴팩트한 16리드, 로우 프로파일(0.75mm) 3mm×3mm QFN 패키지로 제공되며 －40℃∼125℃의 온도범위에서 동작한다.

LTC3226과 같은 정도의 솔루션을 구현하기 위해서는 SCAP 충전을 위한 벅 /부스트 레귤레이터, 백업 전원경로를 위한 2A LDO, 외부‘아이디얼 다이오 드’와 모니터링을 위한 쿼드 비교기 및 back-to-back FET, 보호 션트 및 저전류 밸런싱을 위한 연산 증폭기, 기타 디스크리트 소자 부품 등을 비롯하여 복잡 하게 조합한 다중 IC가 필요하다.
또 다른 방법으로는 사용자가 (2개의 비교기와 연산 증폭기를 이용하지 않고) SCAP를 충전하고 백업 제어 기능만 제공하는‘저렴한’기법을 선택할 수 있다. 하지만 이 방법은 충전 전류 제한, 저전류 밸런싱, 커패시터 보호, 전압 모 니터링 등의 기능을 제공하지 않는다. 비용이 좀 더 많이 드는 디스크리트 솔루션과 비교했을 때, 저렴한 기법은 가격이 비싼 높은 값의 저항 및 연산 증폭기를 가격이 저렴한 낮은 값의 저항으로 교체하는 대신, 많은 정지 전류를 소비하고 수퍼커패시터 과전압 보호(클램 핑) 기능을 제공하지 못한다.

PowerPath 제어 및 아이디얼 다이오드
LTC3226은 아이디얼 다이오드 컨트롤러를 포함하고 있으므로 입력 VIN과 출력 VOUT 사이에 GATE 핀으로 연결된 외부 PFET의 게이트를 제어한다(그림 2). 정상 동작 조건일 때는 이 외부 FET 가 입력에서 출력으로 메인 전원 경로를 제공한다. 초경량 부하일 경우에는 이 컨트 롤러가 FET로 입력과 출력 전압 사이에서 15mV 차이를 유지한다. VIN이 갑자기 VOUT 아래로 떨어질 경우에는 이 컨트롤러가 FET를 재빨리 완전 오프로 차단함으로써 VOUT에서 입력 전원으로 역전도 되는 것을 방지한다.



동작 모드

LTC3226은 정상 및 백업의 두 가지 동작 모드로 동작한다. VIN이 외부적으로 프로그램된 PFI 임계 전압보다 높으면 이 디바이스가 정상 모드이며, 이 모드일 때에는 VIN에서 외부 FET를 거쳐서 VOUT으로 전력이 흐르고 내부 차지 펌프가 온 상태를 유지함으로써 수퍼커패시터 스택을 최대전압으로 충전한다. 그리고 VIN이 이 PFI 임계 전압보다 낮으면 디바이스가 백업 모드인 것이다. 이 모드이면 내부차지 펌프가 턴오프되고 외부 FET가 턴오프되며 LDO가 턴온하여 저장된 전하로부터 부하전류를 공급한다(그림 3).



전압 클램프 회로

LTC3226 차지 펌프에는 스택 내 어떤 수퍼커패시터의 전압을 미리 설정된 최대 허용 전압 2.65V로 제한하는 회로가 있다. CPO 핀이 목표 전압에 도달하기 전에 상단 커패시터(VMID-VCPO) 전압이 2.65V에 이르면 차지 펌프가 CPO 핀을 통해 스택의 상단 커패시터 충전을 정지시키고 1x 모드로 전환하며, 스택 전압이 프로그램된 값에 이를 때까지 VMID 핀을 통해 하단 커패시터로 전하를 공급한다. 스택이 목표 값에 도달하기 전에 하단 커패시터의 전압이 2.65V에 이르면 차지 펌프가 CPO 핀을 통해 스택 상단 커패시터로 전하를 계속 공급하고, 션트 레귤레이터는 턴온하여 하단 커패시터에서 전하를 블리딩시켜 VMID 핀 전압이 더 이상 상승하는 것을 막는다. 션트 레귤레이터는 대략 315mA (1x 모드일 때)인 최대 허용 충전 전류를 션트시킬 수 있다. 둘다2.65V를초과했을 경우, 차지 펌프가 대부분의 회로를 정지시키고 슬립모드로 된다.

누설 밸런싱 회로

LTC3226에는 내부 누설 밸런싱 증폭기가 포함되어 있으며, 이 증폭기는 VMID 핀 전압을 정확하게 CPO 핀 전압의 절반으로 제어한다. 하지만 소스 (4.5mA 이내) 및 싱크(5.5mA 이내) 용량이 제한적이다. 이 증폭기는 누설 전류로 인해 발생한 수퍼커패시터의 아주 작은 불일치 부분을 처리하도록 설계된 것이지, 결함으로 인한 대대적인 불일치를 교정하도록 설계된 것이 아니다. 이 밸런서는 입력 전원 전압이 PFI 임계 값 이상일 때에만 작동한다. 이와 같이 내부 밸런서가 포함되어 있으므로 외부 밸런싱 저항는 필요가 없다. 표 2는 리니어 테크놀로지의 수퍼커패시터 차저 제품들을 비교한 것이다.



최근에는 한때 표준적으로 배터리를 사용하던 애플리케이션에서 수퍼커패 시터가 채택되고 있다. 초기 애플리케이션은 주로 저전류 애플리케이션이었지만, 기술이 발전함에 따라 이제는 소비자 전자기기나 기타 분야의 중간 및 높은 전력 수준의 다양한 애플리케이션들에 수퍼커패시터가 사용되고 있다.
수퍼커패시터는 배터리와 비교했을 때 높은 피크 전력 공급, 긴 사이클 수명, 소형 등과 같이 다양한 장점들이 있다. 그렇지만 수퍼커패시터를 채택하는 제품 디자이너들은 셀 밸런싱, 과전압으로 인한 수퍼커패시터 셀 손상 등과 같은 과제들을 해결해야 한다. 리니어 테 크놀로지는 이와 같은 요구들을 충족할 수 있도록 계속해서 혁신적인 수퍼커패 시터 차저 IC 제품들을 내놓고 있다.
LTC3226은 매끄럽게 PowerPath를 제어할 수 있는 차지 펌프 기반 수퍼커 패시터 차저 제품으로서 자동 셀 밸런싱, 전압 클램핑, 역전류 방지, 다중 동작 모드, 낮은 전류 소모, 최대 2A의 백업 전류 등과 같은 특징을 갖고 있다. LTC3226은 소형 풋프린트로 다수의 유용한 기능들을 제공하므로 전반적인 솔루션 크기를 줄일 수 있게 하며, 그에 따라 더욱 더 콤팩트하고 간소한 디자인을 달성할 수 있도록 해 준다.