백업 및 밸런싱 기능을 통합한 양방향 수퍼커패시터 차저 IC
  • 2016-01-08
  • 김언한 기자, unhankim@elec4.co.kr
  • 글|*존 바지네트, Staff Scientist **스티브 노스, 선임 제품 마케팅 엔지니어***샘 녹, 이사, 보스턴 디자인 센터 전력 제품, 리니어 테크놀로지



LTC3110은 양방향, 입력 전류 프로그램가능 벅-부스트 수퍼커패시터 차저 IC로서, 능동 전하 밸런싱을 할 수 있으며 1개 혹은 2개 직렬 수퍼커패시터에 사용할 수 있다. 고유의 저잡음 벅-부스트 토폴로지를 사용해서 2개 스위칭 레귤레이터의 역할을 할 수 있다. 또한 백업 모드와 충전 모드의 두 가지 모드로 동작한다.

수퍼커패시터(SCAP, supercap, 이중층 커패시터, 울트라커패시터라고도 함)는 단순히 커패시턴스가 아주 높은 커패시터 그 이상이다. 표준 세라믹 커패시터, 탄탈 커패시터, 전해 커패시터와 비교해서 수퍼커패시터는 비슷한 폼팩터 및 무게로 더 높은 에너지 밀도와 더 높은 커패시턴스를 제공한다.

수퍼커패시터의 제조원가가 계속해서 떨어지고 시장에서 수퍼커패시터에 대한 인식이 확산됨에 따라 수퍼커패시터가 전통적인 커패시터와 배터리 사이에서 갈수록 더 틈새시장을 넓혀가고 있다. 그리고 수퍼커패시터는 약간의 “돌봄”을 필요로 하기는 하지만, 순간적으로 높은 전류의 백업 전원을 필요로 하는 데이터 저장 애플리케이션에서 배터리를 보완하거나(보완적 전원으로서 일차 전원에 대한 부담을 덜도록 함으로써 일차 전원의 수명 연장), 더 나아가서는 대체할 수도 있다.

또한 UPS(비중단 전원장치) 시스템 같이 고전류 버스트나 순간적 배터리 백업을 필요로 하는 다양한 유형의 고 피크 전력 및 휴대 애플리케이션에서 갈수록 사용이 늘어나고 있다. 배터리와 비교해서 수퍼커패시터는 더 소형화된 폼팩터로 더 높은 피크 전력 버스트를 제공할 수 있고 넓은 동작 온도 범위로 더 긴 충전 사이클 간격을 가능하게 한다. 커패시터의 톱오프(top-off) 전압을 낮추고 고온(50 ℃ 이상)을 피함으로써 수퍼커패시터의 수명을 극대화할 수 있다. 그림 1은 이들 솔루션의 에너지 밀도를 비교해서 보여주며, 표 1은 각 솔루션의 특징을 요약하고 있다.


수퍼커패시터와 배터리 비교
배터리:
- 에너지 밀도 우수함
- 전력 밀도 적당함
- 저온 시에 높은 ESR

수퍼커패시터:
- 에너지 밀도 적당함
- 전력 밀도 우수함
- 낮은 ESR : 저온 일 때도 낮음 (25 ℃와 비교해서 -20 ℃ 일 때 2배 이내로 상승)

수퍼커패시터의 단점:
- 2.5 V 또는 2.75 V 최대 종단 전압으로 제한됨
- 삽입 쇄도 전류(insertion inrush current)가 너무 높음
- 홀드업 애플리케이션에서 역 전류 보호 못함

직렬 수퍼커패시터의 이점: 
- E = 1/2 CV2이므로 뛰어난 에너지 활용
- “dying gasp”/백업 회로 간소화 3.3V 백업을 위한 스텝다운 및 부스트
- 고전력 백업용으로 뛰어남, 산업용 온도

직렬 수퍼커패시터의 문제점: 
- 수퍼커패시터들이 커패시턴스가 불일치할 수 있다.
- 수퍼커패시터 누설 불일치가 시간이 지나면서 과전압을 일으킬 수 있다. 그러므로 셀들로 지속적인 밸런싱을 필요로 한다.
- 수퍼커패시터의 커패시턴스와 ESR이 시간이 경과함에 따라서 떨어지거나 나빠지고, 이러한 저하가 꼭 같은 비율로 일어나지는 않는다.
- 과전압과 높은 온도로 인해서 수퍼커패시터 저하가 가속화된다.

수퍼커패시터 설계 시 과제

수퍼커패시터는 많은 장점이 있다. 하지만 직렬로 이루어진 에너지 축전 소자를 충전할 때는 제품 디자이너가 설계 시에 많은 문제를 해결해야 한다. 그러한 문제는 셀 밸런싱, 충전 시의 셀 과전압 손상, 과도한 전류 소모, 공간이 제약적일 때의 대형 풋프린트/솔루션 등이다.

직렬 연결 커패시터들에 대한 셀 밸런싱을 하면 각 셀의 전압을 거의 일치시킬 수 있다. 수퍼커패시터로 셀 밸런싱을 하지 않으면 과전압 손상을 일으킬 수 있다. 이를 극복하는 방법 중 하나는 각 셀마다 하나의 밸런싱 저항으로 이루어진 외부 회로를 사용하는 것이다. 밸런싱 저항 값은 수퍼커패시터 동작 온도와 충전/방전 프로파일에 따라서 결정할 수 있다.

밸런싱 저항으로 인한 전류 소모 때문에 수퍼커패시터의 에너지 저장에 영향을 미치는 것을 제한하기 위해서는 지극히 전류가 낮은 능동 밸런싱 회로를 사용할 수 있다. 셀 간의 불일치를 일으킬 수 있는 또 다른 요인은 누설전류의 차이다. 커패시터의 누설전류는 처음에 매우 높게 시작했다가 시간이 지나면서 낮은 값으로 약해진다.

하지만 직렬 셀들 간에 누설이 불일치하면 디자이너가 밸런싱 저항을 사용해서 누설을 억제하지 않는다면 충전 시에 셀들이 과전압이 될 수 있다. 그런데 밸런싱 저항은 추가적인 소자를 필요로 하고 부하 전류를 높임으로써 애플리케이션 회로에 부담을 가중시킨다.

 

수퍼커패시터 차저 IC의 요구사항

디자이너가 수퍼커패시터 충전 디자인을 설계할 때는 다음과 같은 요구사항을 고려해야 한다:

백업 용량: 수퍼커패시터의 축전 커패시터는 궁극적으로 메인 전원 레일이 실패했을 때 이를 백업할 수 있도록 저장된 에너지를 공급한다. 그럼으로써 통상적으로 2개의 개별적인 전력 컨버터를 필요로 한다. 하나는 수퍼커패시터를 충전하기 위한 것이고, 또 하나는 수퍼커패시터의 저장된 에너지를 사용해서 메인 전원 레일을 유지하기 위한 것이다. 그러므로 단일 컨버터로 이 두 기능을 둘 다 제공할 수 있다면 좋을 것이다. 하지만 그러려면 이 컨버터가 양방향으로 동작하고, 메인 전원이 사용할 수 없게 되었을 때를 검출하고, 백업 모드와 충전 모드를 매끄럽게 전환하고, 그러면서 또한 넓은 동작 범위에서 동작해 가용 백업 에너지를 최대한 활용할 수 있도록 해야 한다.

높은 효율과 높은 충전 전류: 고효율 고전류 벅-부스트 수퍼커패시터 차저/밸런서로 수퍼커패시터의 장점들을 최대한 활용하기 위해서 필요한 모든 특성과 기능들을 통합할 수 있다. 반면에 디스크리트 솔루션은 복잡하고, 크기가 크고, 효율이 낮고, 정확도가 떨어진다.

높은 정확도와 부하 공유 능력: +/-2% 정확도의 입력 전류 제한과 입력 부하 공유는 다중의 부하들이 최소한의 디레이팅(derating)/마진(margin)으로 동일 전원의 용량을 최대한도로 공유할 수 있게 한다. 디스크리트 솔루션을 사용해서는 이렇게 하기가 현실적으로 어렵다.

능동 밸런싱: 대부분의 수퍼커패시터는 소모성 (저항) 밸런싱을 사용한다. 능동 밸런싱은 커패시터들 간에 전하를 효율적으로 보내고 가져옴으로써 전력 손실을 막고 소모성 기법을 사용할 때 필요로 하는 후속적 재충전 사이클을 필요 없게 한다.

그러므로 이러한 문제들을 해결하는 벅-부스트 수퍼커패시터 충전 솔루션이 되기 위해서는 다음과 같은 특성들을 갖춰야 한다:

- 백업 전력을 공급하면서 수퍼커패시터를 충전할 수 있어야 한다.
- 유연성·스텝업과 스텝다운 모드로 효율적으로 동작할 수 있어야 한다.
- 프로그램가능 최대 커패시터 전압을 사용해서 능동 밸런싱을 할 수 있어야 한다.
- 높은 충전 전류 용량을 제공할 수 있어야 한다.
- 정확한 프로그래머블 평균 입력

전류 제한 기능
- 소형화된 로우프로파일 솔루션 풋프린트
- 첨단 패키징을 사용해서 열 성능과
- 공간 효율 향상

이러한 모든 점을 갖춘 새로운 IC

LTC3110은 양방향, 입력 전류 프로그램가능 벅-부스트 수퍼커패시터 차저 IC로서, 능동 전하 밸런싱을 할 수 있으며 1개 혹은 2개 직렬 수퍼커패시터에 사용할 수 있다. 고유의 저잡음 벅-부스트 토폴로지를 사용해서 2개 스위칭 레귤레이터의 역할을 할 수 있으므로 크기, 비용, 복잡성을 낮출 수 있다. 또한 LTC3110은 백업 모드와 충전 모드의 두 가지 모드로 동작한다.

백업 모드일 때는 이 IC가 시스템 전압 VSYS를 1.71V~5.25V로 유지할 수 있으며, 이때는 수퍼커패시터의 저장된 에너지로 구동한다. 또한 수퍼커패시터 축전 입력 VCAP은 5.5V부터 낮게는 0.5V까지 넓은 동작 범위에서 동작한다. 그럼으로써 실제적으로 저장되어 있는 수퍼커패시터 에너지 전부를 활용되도록 함으로써 백업 시간을 연장하거나, 또 다르게는 저장 커패시터의 크기를 줄일 수 있게 한다.

충전 모드일 때는 메인 전원 시스템이 작동하고 있는 때로서 LTC3110이 자율적으로(또는 사용자 명령을 통해서) 전력 흐름의 방향을 매끄럽게 반대로 바꾸고 레귤레이트된 시스템 전압을 사용해서 수퍼커패시터를 충전하고 밸런싱 한다. 벅-부스트 컨버터가 VCAP을 VSYS보다 높거나 낮게 효율적으로 충전한다. 이 IC는 또한 충전 모드 평균 입력 전류 제한 기능을 포함함으로써 +/-2% 정확도로 최대 2A로 프로그램 할 수 있으므로 커패시터 충전 시간을 최소화하면서 시스템 전원 과부하를 방지할 수 있다. 그림 2는 애플리케이션 회로 예를 보여준다.

 

LTC3110의 능동 전하 밸런싱은 소모적인 외부 밸러스트 저항의 지속적인 전류소모를 없애면서 불일치한 커패시터들을 밸런싱 하고 충전을 할 수 있으며 충전 사이클 간격을 길게 한다. 프로그램가능 최대 커패시터 전압 레귤레이션은 직렬 스택 상의 각 커패시터 전압을 동적으로 밸런싱 하고 프로그램 된 값의 1/2로 제한함으로써 커패시터들이 점점 노후화되고 용량이 불일치해짐에도 신뢰할 수 있는 동작을 달성한다.

또한 RDS(ON)이 낮고 게이트 전하가 낮은 동기 스위치들이 고효율 변환을 달성함으로써 축전 소자의 충전 시간을 최소화한다. 그러므로 LTC3110은 서버, RAID 시스템, 배터리/커패시터 백업을 사용하는 RF 시스템 같은 백업 전원 애플리케이션에서 대형 커패시터를 안전하게 충전하고 보호하는 용도로 사용하기에 적합하다.
또한 LTC3110은 입력 전류 한계와 최대 커패시터 전압을 저항을 사용해서 프로그램 할 수 있다. 평균 입력 전류를 0.125A~2A 프로그래밍 범위로 정확하게 제어할 수 있다. 핀 선택가능 Burst Mode 동작은 경부하 효율을 향상시키고 대기 전류를 단 45 μA로 낮추고 셧다운 전류는 1 μA 미만이다.

LTC3110의 그 밖의 특징은, 높은 1.2MHz 스위칭 주파수로서 외부 소자 크기 최소화, 열 과부하 보호, 방향 제어와 충전 종료에 사용하기 위한 2개 전압 감시기, 마이크로컨트롤러나 마이크로프로세서와 인터페이스 하기 위한 개방 컬렉터 출력의 범용 비교기를 들 수 있다. LTC3110은 소형 크기의 열 향상 24리드 4mm × 4mm QFN 및 TSSOP 패키지로 제공되며, 둘 다 -40℃~+150℃의 H-grade 온도범위로 동작한다.

LTC3110의 특징을 요약하면 다음과 같다:

- VCAP 동작 범위 : 0.1V~5.5V
- VSYS 동작 범위 : 1.71V~5.25V
- 충전 모드에서 백업 모드로 자동 스위칭
- 125mA~2A로 ±2% 정확도 충전 입력 전류 한계 프로그램 가능
- ±1% 백업 전압 정확도
- 자동 커패시터 밸런싱
- 고정적 1.2MHz 주파수 스위칭
- Burst Mode 동작 : 45μA IQ
- 개방 컬렉터(open-collector) 출력의

추가적인 프로그램가능 다용도 비교기
- 개방 컬렉터 출력을 사용해서 동작 방향과 충전 완료 지시
- 로우프로파일 TSSOP-24 및 4mm × 4mm QFN-24 패키지

효율적 충전

고유의 스위칭 알고리즘을 사용해서 동작 모드들을 매끄럽게 전환하므로 동작 전반에 걸쳐서 평균 인덕터 전류, 인덕터 전류 리플, 루프 전달 함수로 불연속성을 일으키지 않는다. 그럼으로써 전통적인 4스위치 벅-부스트 컨버터와 비교해서 효율과 루프 안정성을 향상시키고 VSYS 전압 리플을 낮춘다. 그림 3은 이 벅-부스트 차저의 스위치 토폴로지를 보여준다.

 

 

2개 스위치(C와 D)가 SW2를 VSYS로 연결함으로써 전체적인 출력 전압 범위에 걸쳐서 높은 효율을 달성한다. LTC3110은 그림 4의 그래프에서 보듯이 거의 95%에 달하는 매우 높은 효율을 달성한다.

결론

LTC3110은 양방향 평균 입력 전류 제어 벅-부스트 DC/DC 수퍼커패시터 차저/레귤레이터로서, 고유의 스위칭 알고리즘을 사용해서 출력을 입력 전압보다 높거나 또는 낮거나 또는 같게 레귤레이트 할 수 있다. LTC3110은 단일 칩으로 소형이면서 강력하고 유연한 솔루션을 제공한다. 단일 IC로 고효율 수퍼커패시터 충전, 백업 레귤레이션, 밸런싱/보호 기능을 통합함으로써 다양한 시스템 구성에 편리하게 사용할 수 있다. 그럼으로써 기존에 매우 까다로웠던 설계 작업을 크게 간소화할 수 있도록 한다. 

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