일차 전원이 중단되더라도 시스템을 계속해서 작동하게 하기 위해서는 백업 전원을 필요로 한다. 다행히 이러한 용도에 사용하도록 다양한 IC 솔루션들이 나와 있다. 이들 IC 제품을 사용함으로써 저장 매체가 수퍼커패시터든 전해질 커패시터든 배터리든 편리하게 백업 전원을 구현할 수 있다. 그러므로 서두에서 말한 외계인처럼 되지 않으려면 플랜 B를 마련해야 할 것이다.

개인적으로 나는 공상과학 소설 애호가로서 이 장르의 전형이라고 할 수 있는 1950년대 후반 헐리우드 B급 저예산 영화인 에드 우드의 영화들을 좋아한다. 그 중에서도 제일 좋아하는 영화가 ‘Plan 9 from Outer Space(외계로부터의 9호 계획)’이라고 하는 영화다. 이 영화에서는 외계인들이 지구로 와서 인간들이 전 우주를 파괴할 만한 종말적인 무기를 개발하려는 것을 막으려고 한다. 하지만 일은 계획대로 되지 않고 외계인들은 몰살당한다. 이 외계인들에게 9호 계획이 실패했을 때를 대비한 플랜 B가 있었더라면 어떠했을 것인가?

이 영화에서 추론할 수 있는 것을 전자시스템에 대해서도 적용할 수 있다. 전자시스템은 외부 동작 조건에 상관없이 계속해서 작동할 수 있어야 하기 때문이다. 달리 말해서 전원 공급이 순간적이든, 수 초든, 혹은 수 분이든 중단될 수 있다는 것을 설계 단계에서부터 고려하고 대비해야 한다는 뜻이다. 이러한 상황에 대처하기 위해서 가장 흔히 사용하는 방법은 무정전 전원공급장치(UPS)를 사용해서 이러한 짧은 순간의 중단을 넘길 수 있게 하는 것이다. 그럼으로써 시스템을 계속해서 신뢰할 수 있게 동작할 수 있다. 또한 오늘날 빌딩시스템에서는 어떤 원인 때문이든 전원이 중단됐을 때 안전성 시스템이나 주요 장비가 계속해서 작동할 수 있도록 비상시스템이나 대기시스템으로 백업 전원을 필요로 한다. 또 다른 대표적인 예로는 일상적으로 널리 사용되는 휴대 전자기기들을 들 수 있다. 휴대 전자기기는 정상 조건에서 신뢰성 있게 사용할 수 있도록 가벼운 전원 소스를 사용해서 신중하게 설계한다. 하지만 아무리 엔지니어링을 신중하게 한다고 하더라도 사용자의 부주의한 취급을 완전히 막을 수는 없다. 예를 들어 공장 작업자가 바코드 스캐너를 떨어트려서 배터리가 떨어져 나간다면 어떻게 할 것인가? 이러한 사고는 전자적으로 예측할 수 있는 것이 아니며, 어떠한 안전망이 갖춰져 있지 않다면 휘발성 메모리에 저장돼 있는 중요한 데이터를 잃게 될 것이다. 이 때 안전망이란, 배터리를 교체할 때까지 혹은 비 휘발성 메모리에 데이터를 저장할 때까지 필요한 짧은 시간 동안의 전력 유지시스템을 말한다. 

이러한 예들에서 살펴보았듯이 일차적 전원 소스가 중단됐을 때를 대비해서 대체로 사용할 수 있는 형태의 전원 소스를 이용할 수 있게 해야 한다. 다시 말해 어떤 원인에서든 메인 전원을 사용할 수 없게 됐을 때를 대비해서 백업 플랜이 필요한 것이다. 바로 플랜 B이다.

저장 매체

어떤 시스템으로 백업 전원의 필요성을 인정했다면, 그 다음 문제는 이 전원의 저장 매체로 어떤 것을 사용할 것이냐 하는 것이다. 전통적으로 여기에는 커패시터와 배터리를 주로 사용하고 있다.

지난 몇 십년 동안 커패시터 기술이 전원 전송 및 공급 애플리케이션에서 주된 역할을 해왔다. 예를 들어 전통적인 박막 및 오일 커패시터 디자인은 PFC(power factor correction)와 전압 밸런싱 같은 다양한 기능을 수행했다. 그런데 지난 10여년에 걸쳐서 집중적인 연구개발이 이루어지면서 커패시터 디자인 및 기능이 크게 향상됐다. 이러한 커패시터를 수퍼커패시터(울트라커패시터라고도 함)라고 하며, 배터리 에너지 저장과 백업 전원시스템에 사용하기에 이상적으로 적합하다. 수퍼커패시터는 총 에너지 저장에 있어서는 제한적이나 ‘에너지 밀집적’이다. 또한 높은 수준의 에너지를 빠르게 방전하고 빠르게 다시 충전할 수 있는 특성을 가졌다.

수퍼커패시터는 또한 컴팩트하고, 견고하고, 신뢰할 수 있으며, 앞서 살펴보았던 것과 같은 단시간적 전원 소실 시의 백업시스템으로서의 요구를 충족한다. 또한 손쉽게 병렬로 연결하거나, 직렬로 적층하거나 또는 이 두 방법을 조합해서 최종 애플리케이션에 필요로 하는 전압 및 전류를 공급할 수 있다. 하지만 수퍼커패시터는 커패시터가 단지 커패시턴스가 매우 높은 것 그 이상의 것이다. 표준 세라믹, 탄탈, 전해질 커패시터와 비교해서 수퍼커패시터는 비슷한 폼팩터와 무게로 더 높은 에너지 밀도와 더 높은 커패시턴스를 제공한다. 또한 수퍼커패시터는 어느 정도의 ‘돌봄과 급전(care and feeding)’을 필요로 하기는 하지만, 고전류/단시간 백업 전원을 필요로 하는 데이터 저장 애플리케이션에서 배터리를 보강하거나 교체할 수 있다.

또한 수퍼커패시터는 고전류 버스트나 UPS 시스템 같은 순간적 배터리 백업을 필요로 하는 다양한 유형의 고 피크 전력 휴대기기 애플리케이션에 사용되고 있다. 배터리와 비교해서 수퍼커패시터는 더 작은 폼팩터로 더 높은 피크 전력 버스트를 제공하며 더 넓은 동작 온도 범위에 걸쳐서 충전 사이클 수명이 더 길다. 수퍼커패시터는 커패시터의 탑오프 전압을 낮추고 고온(50℃ 이상)을 피함으로써 수명을 극대화할 수 있다.

반면에 배터리는 많은 에너지를 저장할 수 있으나 전력 밀도와 공급에 있어서 제한적이다. 배터리 안에서 일어나는 화학 반응 때문에 사이클링과 관련해서 수명이 제한적이다. 그러므로 배터리는 긴 시간에 걸쳐서 적정한 양의 전력을 공급할 때 가장 효과적이다.  배터리로부터 갑자기 아주 높은 암페어를 출력하려고 하면 사용 가능한 동작 수명을 심각하게 제한할 수 있다. 표 1은 수퍼커패시터, 커패시터, 배터리의 장단점을 비교하고 있다.

▲ 표 1. 수퍼커패시터, 커패시터, 배터리 비교

새로운 백업 전원 솔루션

거의 모든 전자시스템에서 백업 전원으로 수퍼커패시터, 배터리 또는 이 둘의 조합을 사용할 수 있다는 것을 살펴보았다. 그렇다면 이 용도로 어떤 IC 솔루션들을 사용할 수 있는가? 리니어 테크놀로지는 바로 이와 같은 애플리케이션 요구를 충족하도록 다양한 유형의 IC 제품을 제공한다. 여기서 소개하고자 하는 3개 솔루션은 LTC4040, LTC3643, LTC3110이다.

LTC4040은 메인 전원 결함 시에도 계속해서 작동해야 하는 3.5V~5V 전원 레일 용의 포괄적인 리튬 배터리 백업 전원 관리 솔루션이다. 배터리는 수퍼커패시터보다 훨씬 더 많은 에너지를 공급하므로 긴 시간에 걸쳐서 백업을 필요로 하는 애플리케이션에 사용하기에 더 우수하다. LTC4040은 온칩 양방향 동기 컨버터를 사용해서 고효율 배터리 충전을 제공할 뿐만 아니라 고전류 고효율 백업 전원을 제공한다. 외부 전원을 사용할 수 있을 때는 이 디바이스가 시스템 부하로 우선적으로 공급하면서 단일 셀 리튬이온 또는 LiFePO4 배터리로의 스텝다운 배터리 차저로서 동작한다. 그러다 입력 전원이 조절가능 PFI(power fail input) 임계값 아래로 떨어지면 LTC4040이 스텝업 레귤레이터로 동작해서 백업 배터리로부터 시스템 출력으로 최대 2.5A를 공급할 수 있다. 전원 중단 시에는 이 디바이스의 PowerPath 제어가 역류 차단을 하고 입력 전원과 백업 전원 사이에 매끄럽게 전환한다. LTC4040의 대표적인 애플리케이션으로는 차량 및 자산 추적, 자동차 GPS 데이터 로거, 자동차 텔레매틱스 시스템, 요금 징수 시스템, 보안 시스템, 통신 시스템, 산업용 백업, USB 구동 장치를 포함한다. 그림 1은 애플리케이션 회로 예를 보여준다.

▲ 그림 1. 4.22V PFI 임계값을 적용한 4.5V 백업 전원

LTC4040은 또한 선택적인 과전압 보호(OVP) 기능을 포함하므로 외부 FET을 사용해서 60V 이상의 입력 전압으로부터 IC를 보호한다. 또한 조절가능 입력 전류 한계 기능은 전류 제한 소스로 동작하면서 배터리 충전 전류에 대해서 시스템 부하 전류를 우선적으로 공급할 수 있다. 외부 차단 스위치는 백업 시에 시스템으로부터 일차 입력 전원을 차단한다. LTC4040의 2.5A 배터리 차저는 리튬이온 및 LiFePO4 배터리에 적합한 8가지 충전 전압을 선택할 수 있다. 또한 이 디바이스는 입력 전류 모니터링, 입력 전원 소실 지시자, 시스템 전원 소실 지시자 기능을 포함한다.

LTC3643은 양방향 고전압 부스트 커패시터 차저로서 시스템 백업을 위해서 자동으로 벅 레귤레이터로 전환한다. 고유의 단일 인덕터 토폴로지와 PowerPath 기능을 통합함으로써 2개의 별도의 스위칭 레귤레이터가 할 일을 하므로 크기, 비용, 복잡성을 줄일 수 있다. LTC3643은 부스트 충전 모드와 벅 백업 모드의 2가지 모드로 동작한다. 충전 모드는 3V~17V 사이의 입력 전원을 사용해서 전해질 커패시터 어레이를 최대 2A, 최대 40V로 연속적이며 효과적으로 충전할 수 있다. 백업 모드는 입력 전원이 프로그램가능 PFI 임계값 아래로 떨어졌을 때로서, 스텝업 차저가 거꾸로 동기 스텝다운 레귤레이터로 동작해서 백업 커패시터를 사용해서 전력을 공급하고 시스템 레일을 유지한다. 백업 시에는 전류 한계를 2A에서 4A까지로 프로그램 할 수 있으므로, 이 디바이스는 비교적 짧은 순간에 높은 에너지를 필요로 하는 백업 커패시터 시스템, 전원 결함 백업 시스템, 솔리드 스테이트 드라이브, 배터리 스택 충전 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 그림 2는 애플리케이션 개략도를 보여준다.

▲ 그림 2. 백업 용으로 전해질 커패시터를 사용한 LTC3643 개략도

백업 커패시터를 충전할 때는 LTC3643이 외부에 낮은 값의 검출 저항을 사용함으로써 우선적으로 시스템 부하로 전력을 공급하면서 입력 전원으로 정확한 전류 한계를 유지할 수 있다. 50mV 임계값 검출 저항을 사용해서 입력 전류 한계를 프로그램 함으로써 시스템 전원 소스 과부하를 방지하고 커패시터 재충전 시간을 최소화할 수 있다. 또한 컨버터가 1MHz 주파수로 동작하므로 외부 소자의 크기를 최소화할 수 있다. 레귤레이션 시의 낮은 정지 전류 Burst Mode 동작은 백업 커패시터로부터의 에너지 활용을 극대화한다. 또한 LTC3643은 외부 PMOS 스위치로 게이트 구동 신호를 제공함으로써 입력 전원에서 아이디얼 다이오드 동작을 제공하므로, 백업 모드 시에 입력 전원과 시스템 부하를 완벽하게 차단하면서 효율적으로 전력을 공급한다.

LTC3110은 양방향 프로그래머블 입력 전류 벅-부스트 수퍼커패시터 차저로서, 1개 또는 2개 직렬 수퍼커패시터의 능동 전하 밸런싱 기능을 포함한다. 고유의 저잡음 벅-부스트 토폴로지를 사용해서 2개 스위칭 레귤레이터가 할 일을 하므로 크기, 비용, 복잡성을 줄일 수 있다. LTC3110은 백업과 충전의 2가지 모드로 동작한다. 백업 모드 시에는 이 디바이스가 수퍼커패시터에 저장된 에너지를 사용해서 시스템 전압 VSYS를 1.71V~5.25V로 유지한다. 또한 수퍼커패시터 저장 입력 VCAP이 5.5V부터 최저 0.1V까지로 넓다. 

그러므로 모든 저장된 수퍼커패시터 에너지를 활용하므로 백업 시간을 길게 하거나 아니면 저장 커패시터 크기를 작게 할 수 있다. 충전 모드 시에는 메인 전원 시스템이 동작하고 있는 때로서, LTC3110이 자동으로 또는 사용자 명령을 통해서 전력 흐름의 방향을 거꾸로 해서 레귤레이트 된 시스템 전압을 사용해서 수퍼커패시터를 충전하고 밸런싱 한다. 벅-부스트 PWM을 사용해서 VCAP을 VSYS보다 높거나 낮게 효율적으로 충전한다. 이 디바이스는 또한 충전 모드 평균 입력 전류 한계 기능을 포함하므로 이 한계를 -2% 정확도로 최대 2A로 프로그램 할 수 있으므로 시스템 전원 소스 과부하를 방지하며 커패시터 재충전 시간을 최소화할 수 있다. 그림 3은 백업 전원 소스 애플리케이션으로 LTC3110의 기능을 설명하고 있다.

▲ 그림 3. LTC3110의 양방향 기능을 보여주는 개략도

LTC3110의 능동 전하 밸런싱 기능은 소모적인 외부 밸러스트 저항의 지속적인 드레인을 제거하므로 불일치하는 커패시터들도 충전할 수 있으며 재충전 사이클을 덜 빈번하게 한다. 프로그램가능 최대 커패시터 전압 레귤레이션은 직렬 스택에서 양쪽 커패시터의 전압을 능동적으로 밸런싱하고 프로그램된 값의 1/2로 제한함으로써 커패시터가 노후화하고 용량이 불일치하게 되더라도 신뢰하게 동작할 수 있도록 한다. 또한 RDS(ON)이 낮고 게이트 전하가 낮은 이 동기 스위치는 고효율 변환을 달성하므로 저장 소자의 충전 시간을 최소화한다.

또한 LTC3110은 입력 전류 한계와 최대 커패시터 전압을 저항을 사용해서 프로그램 할 수 있다. 평균 입력 전류를 0.125A에서부터 2A의 프로그래밍 범위로 정확하게 제어한다. 핀 선택가능 Burst Mode 동작은 경부하 효율을 향상시키며, 대기 전류는 단 40-A 및 셧다운 전류는 1-A 미만으로 낮춘다. LTC3110의 그 밖의 기능으로는 높은 1.2MHz 스위칭 주파수(외부 부품 크기 최소화), 열 과부하 보호, 방향 제어와 충전 완료에 관한 2개 전압 감시기, 마이크로컨트롤러나 마이크로프로세서로 인터페이싱 하도록 개방 컬렉터 출력을 제공하는 하나의 범용 비교기를 포함한다.

토니 암스트롱(Tony Armstrong)  Linear Technology