첨단 디지털 시스템에서는 전원 공급 중단 시에 주요 데이터를 백업하는 것이 중요한 과제다.

텔레콤, 산업용, 자동차 애플리케이션에서 데이터를 잃는 것은 심각한 문제이므로 임베디드 시스템으로 깨끗하고 중단 없는 전원 공급을 필요로 한다. 하드 드라이브나 플래시 메모리로 읽기나 쓰기 동작을 하는 중에 갑자기 전원 공급이 중단되면 데이터가 손상될 수 있다.

자동차 유지보수, 문제 해결, 수리 작업과 관련해서 임베디드 시스템으로 데이터 저장이 널리 사용되고 있다. 예를 들어서 복잡한 산업용 금속 기계 장비에서는 전원이 중단됐을 때 다양한 기계 장치의 위치와 상태를 저장해야 한다. 그래야 전원이 복구됐을 때 장비 결함을 방지할 수 있다.

전통적으로 백업 전원 디자이너들은 고전압 전원과 스텝업 PFC(Power Factor Correction) 회로의 벌크 커패시턴스를 활용하는 방법을 써왔다. 이 방법은 전원 중단 시에, 350~400V의 PFC 출력 전압과 상당히 큰 벌크 커패시턴스를 조합해서 이용 가능한 에너지가, 요구되는 홀드업 시간으로 주요 부하들을 지원할 수 있을 만큼 충분하다. 홀드업 시간(Holdup Time)이란 시스템이 안전하게 백업 동작을 하기 위해 필요한 시간을 말한다.

문제는 자동차 같은 몇몇 첨단 전자 시스템은 AC/DC 컨버터를 필요로 하지 않는다는 것이다. 또한 PFC의 특성 자체가 크게 바뀌었다. 저전력 분산 시스템에서는 풋프린트가 소형인 절연형 플라이백 컨버터가 부스트-벅 컨버터 쌍을 대체하고 있다. 이러한 경우에는 백업 디바이스의 전원 소스로 저전압 전원을 사용해야만 한다.

모든 ‘무 배터리(Battery-Less)’ 백업 솔루션은 다음과 같이 커패시터가 에너지 W를 저장할 수 있음을 활용한다.

이 공식에서, C는 커패시턴스이고, V_MAX와 V_MIN은 각각 최대 및 최소 커패시턴스 전압이고, V_OUT과 I_OUT은 부하 전압 및 전류이고, T_H는 홀드업 시간(다시 말해서 전원장치가 전원 중단 후에 출력 전압 레귤레이션을 유지할 수 있는 시간)이다.

손쉬운 3가지 전원 홀드업 솔루션 

저전압 시스템으로 홀드업 시간 요구를 달성하기 위해서는, 흔히 수퍼커패시터를 사용해서 커패시턴스를 높이거나 또는 스텝업 변환 회로를 사용해서 더 높은 전압을 발생시키는 방법을 쓸 수 있다. 이 두 방법은 이 용도로 설계된 변환 IC를 사용해서 손쉽게 구현할 수 있는데, 다만 표준 DC/DC 변환 회로에 더해서 추가적인 소자들을 필요로 한다. 이 글에서는 이 두 가지 방법과, 세 번째 솔루션으로서 홀드업 시간은 비교적 짧으나 추가적인 컨트롤러나 커패시터를 필요로 하지 않는 비용 절감 솔루션을 소개한다.

수퍼커패시터 기반 홀드업 솔루션 

먼저, LTC3110 2A 양방향 벅-부스트 DC/DC 레귤레이터 겸 차저/밸런서를 사용한 손쉬운 수퍼커패시터 기반 솔루션부터 살펴보자^[1]. 〈그림 1〉은 이 솔루션의 회로도를 보여준다.

▲ 그림 1. LTC3110을 사용한 수퍼커패시터 기반 백업 솔루션, V_IN 최대 5.25V

〈그림 1〉에서는 입력 전압이 정상적일 때 턴온되는 MOSFET Q1을 통해서 부하와 벅-부스트 LTC3110 컨버터로 전원을 공급한다. V_IN이 존재하면 LTC3110이 수퍼커패시터를 충전하고 밸런싱한다. 이 회로에서 3단자 수퍼커패시터는 2개 적층형 커패시터를 조합한 것이다. 충전 프로세스 시에는 LTC3110이 수퍼커패시터를 안전하게 밸런싱해서(다시 말해서 스택의 각각 절반으로 전압을 균등화해서) 과전압 조건을 방지한다.

그러다 V_IN이 중단되면 Q1을 턴오프해서 부하를 원래 전압 소스로부터 차단하고, LTC3110이 수퍼커패시터를 부하로 방전한다. 이렇게 해서 수퍼커패시터 전압이 최대인 5V에서 3.3V 훨씬 아래로 떨어지더라도 LTC3110이 계속해서 3.3V 레일 전압을 유지한다(참고문헌 [1] 참조).

저항 R_DT, R_DB는 저장 커패시터로부터 에너지 흐름의 방향을 제어하고, R_FT와 R_FB는 부하 전압을 프로그램하고, R_BT와 R_BB는 저장 커패시터 상의 최대 전압을 설정한다. 수퍼커패시터를 사용함에도 불구하고 이 솔루션은 애플리케이션의 높이를 1 mm로 낮게 할 수 있다(그림 1 참고).

부스트 전압 홀드업 솔루션 

〈그림 2〉는 (수퍼커패시터보다) 훨씬 더 저렴한 전해 또는 하이브리드 저장 커패시터를 사용하면서 훨씬 전압이 높은 솔루션을 보여준다. 이 백업 솔루션은 LTC3643을 사용하고 있다^[2]. 입력이 존재하면 이 레귤레이터가 입력 전압을 최대 40V로 부스트한다. 입력이 중단되면 LTC3643이 스텝다운 레귤레이터로 동작해서 저장 커패시터를 부하로 방전하면서 프로그램 된 전압 레벨을 유지한다. 저항 분할기는 위에서 수퍼커패시터 솔루션에서 설명한 것과 동일하게 동작한다.

▲ 그림 2. LTC3643을 사용한 고전압 백업 솔루션, V_IN 최대 17V

수퍼커패시터 솔루션과 전압을 높인 이 솔루션 둘 다, 입력 전류를 프로그램 된 값보다 낮게 또는 그 값으로 유지하기 위해서 커패시터 충전 전류를 낮출 수 있다. 그럼으로써 저장 커패시터 충전 시간보다 부하 요구를 우선적으로 처리하도록 할 수 있다.

이렇게 하는 것은, 배터리로 작동되는 시스템이나 저전력 AC/DC 또는 DC/DC 컨버터를 통해서 전원을 공급하는 시스템 같이 입력 임피던스가 비교적 높은 시스템에서 특히 중요하다. LTC3110 수퍼커패시터 솔루션에서는 저항 R_PR을 사용해서 이 기능을 구현한다. 고전압 LTC3643 솔루션에서는 전류 검출 저항 R_S를 사용해서 이 기능을 구현한다.

최소한의 소자만을 필요로 하는 비용 절감 홀드업 솔루션 

홀드업 시간이 비교적 짧아도 되는 비용에 민감한 애플리케이션에서는 〈그림 3〉의 솔루션을 사용함으로써 홀드업 시간은 짧은 대신에 필요로 하는 소자 비용을 최소화할 수 있다. 이 솔루션은 LTC3649를 사용한다. LTC3649가 정상적으로는 스텝다운 컨버터로 동작한다. 하지만 입력 전압이 차단되면 스텝업 변환으로 전환한다. LTC3649가 자신의 출력 커패시터를 방전해서 주요 부하 단자들로 프로그램된 전압을 유지한다.

▲ 그림 3. LTC3649를 사용한 비용 절감 백업 솔루션, V_IN 최대 60V

맺음말

이 글에서는 세 가지 DC/DC 전원 홀드업 시스템에 대해서 살펴보았다. LTC3110은 1.8~5.5V, LTC3643은 3~17V, LTC3649는 3.1~60V의 V_IN을 사용할 수 있다. 3개 솔루션 모두 입력 전원이 중단됐을 때 데이터 백업을 필요로 하는 자동차 및 산업용 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.