전자 시스템은 어떤 것이 되었든 외부 동작 조건에 상관없이 계속해서 작동할 수 있어야 한다.

전자 시스템이 지속적으로 작동할 수 있으려면 설계 단계에서 전원 공급이 순간적이든 수초든 또는 수분이든 돌발적으로 중단되는 상황에 대처할 수 있게 해야 한다. 이러한 상황에 대처하기 위해서 가장 흔히 사용되는 방법은 비중단 전원장치(UP)를 사용해 이러한 짧은 중단을 극복할 수 있게 하는 것이다. 그럼으로써 신뢰하게 연속적인 동작을 달성할 수 있다. 마찬가지로 오늘날 많은 응급 또는 대기 시스템으로 백업 전원을 필요로 한다. 그래야 원인이 어떤 것이 되었든 전원 중단 시에 이러한 안전성 시스템이나 중요도 높은 장비가 계속해서 작동될 것으로 안심할 수 있다.

또 다른 예로는 오늘날 일상적으로 사용되는 휴대 전자기기를 들 수 있다. 가까이에서 손쉽게 사용할 수 있게 하는 것이 중요한 요구이므로, 이러한 휴대기기는 정상적인 조건으로 신뢰하게 사용할 수 있도록 무게가 가벼운 전원 소스를 사용해 신중하게 설계된다. 하지만 아무리 신중하게 설계하더라도 사람의 부주의한 취급을 완전히 방지할 수는 없다.

이를테면 공장 작업자가 바코드 스캐너를 떨어트려 배터리가 떨어져나간다면 어떻게 할 것인가? 이러한 상황은 전자적으로 예측 불가능하며, 어떠한 형태의 안전망을 갖추지 않는다면 휘발성 메모리에 저장되어 있는 중요한 데이터를 잃을 수 있다. 다시 말해 배터리를 교체하거나 데이터를 영구적인 메모리에 저장할 때까지 대기 전력을 공급하기 위한 충분한 에너지를 저장하고 있는 짧은 지속 시간의 백업 시스템을 필요로 한다.

자동차에서도 많은 전자 시스템이 자동차를 주차하고 있을 때라도 계속해서 전력 공급을 필요로 한다. 이러한 예로는 리모트 키리스 엔트리(Remote Keyless Entry), 보안, 개인 인포테인먼트 시스템을 들 수 있다. 개인 인포테인먼트 시스템은 내비게이션, GPS 위치, eCall 같은 기능들을 포함한다. 자동차를 운전하지 않는데 왜 이러한 시스템들을 계속해서 켜두어야 하는지 의아해 할 수도 있다. 하지만 인포테인먼트 시스템의 GPS 기능은 응급 상황과 보안상의 필요에서 계속해서 켜두어야 한다. 그래야 필요할 때 외부에서 기본적인 통제를 할 수 있다. 

eCall 시스템이 안전성 기능의 하나로서 신차에 점점 더 많이 도입되고 있다. 이미 많은 자동차 업체들이 자사의 모든 차종에 걸쳐 이 기능을 도입하고 있다. 이 기능은 기술적으로 아주 간단한 것이다. 충돌 사고가 발생해서 자동차의 에어백이 전개되면 eCall 기능이 자동으로 응급 서비스로 연락을 하는 것이다. GPS 기능을 사용해 시간, 위치, 차종, 연료 유형을 당국으로 알려준다. 한편 자동차 내의 마이크로폰은 이 시스템이 작동됐을 때 운전자가 곧바로 통화 담당자와 통화할 수 있도록 한다.

eCall 시스템은 또 사고가 발생했을 때의 운전 방향을 알려준다. 그러므로 사고가 발생했을 때 해당 기관의 사람들이 도로의 어느 방향으로 진입해야 할지 알 수 있다. 그러므로 앰뷸런스, 경찰, 소방차가 사고가 발생 시 가능한 많은 정보를 가지고 현장에 신속하게 도착할 수 있다. 또는 운전자가 버튼을 눌러서 eCall 기능을 작동할 수도 있다. 그러므로 누군가가 아플 때에도 (또는 충돌 시에 에어백이 전개되지 않고 부상을 당했을 때도) 손쉽게 도움을 요청할 수 있다.

저장 매체 

어떤 시스템으로 백업 전원이 필요하다고 판단했으면, 그 다음 해야 할 질문은 이러한 용도로 어떤 저장 매체를 사용할 것인가 하는 것이다. 전통적으로는 이러한 용도로 커패시터와 배터리를 사용해 왔다.

커패시터 기술은 지난 수십 년 동안 전원 전달 및 공급 애플리케이션에서 지배적인 역할을 해왔다. 예를들어서 전통적인 박막 커패시터와 오일 기반 커패시터는 PFC(Power Factor Correction)와 전압 밸런싱 같은 다양한 기능을 수행했다. 그런데 지난 십여 년 사이에 지속적인 연구개발을 통해서 커패시터 디자인과 성능이 크게 발전했다. 이러한 커패시터를 수퍼커패시터(또는 울트라커패시터)라고 한다.

수퍼커패시터는 배터리 에너지 저장 및 백업 전원 시스템에 사용하기에 이상적이다. 수퍼커패시터는 총 에너지 저장량에 있어서는 제한적일지 모르나, 그럼에도 불구하고 ‘에너지 밀집형’이다. 또한 높은 수준의 에너지를 빠르게 방전하고 빠르게 재충전할 수 있다.

또한 수퍼커패시터는 크기가 작고, 견고하고, 신뢰할 수 있으며, 위에서 언급한 것과 같은 짧은 순간의 전력 중단 시에 사용하기 위한 백업 시스템으로서의 요구들을 충족한다. 또한 손쉽게 병렬로 연결하거나, 직렬로 적층하거나, 또는 두 방식을 조합해서 최종 애플리케이션에 필요로 하는 전압과 전류를 제공할 수 있다. 하지만 수퍼커패시터는 단지 커패시턴스가 아주 높은 커패시터인 것이 아니다. 

표준 세라믹(Standard Ceramic), 탄탈(Tantalum), 전해 커패시터(Electrolytic Capacitors)와 비교해 수퍼커패시터는 같은 폼팩터 및 무게로 더 높은 에너지 밀도와 더 높은 커패시턴스를 제공한다. 또한 수퍼커패시터는 일부 ‘돌봄과 보충’을 필요로 하기는 하나, 짧은 지속 시간으로 높은 전류를 제공하는 백업 전원을 필요로 하는 데이터 저장 애플리케이션에서 배터리를 보완하거나 또는 아예 배터리를 대체할 수 있다.

또한 수퍼커패시터는 피크 전력이 높고 고전류 버스트나 순간 배터리 백업을 필요로 하는 다양한 휴대 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 배터리와 비교해서 수퍼커패시터는 더 작은 폼팩터로 더 높은 피크 전력 버스트를 제공하며 더 넓은 동작 온도 범위에 걸쳐서 충전 사이클 수명이 더 길다. 커패시터의 탑오프 전압을 낮추고 고온(50℃ 이상)을 피하면 수퍼커패시터의 수명을 극대화할 수 있다.

반면에 배터리는 많은 양의 에너지를 저장할 수 있으나 전력 밀도와 전력을 공급하는 면에서 제한적이다. 또한 배터리 내부에서 화학 반응이 일어나므로 사이클링과 관련해서 수명이 제한적이다. 그러므로 긴 시간에 걸쳐서 적은 양의 전력을 제공할 때 가장 효과적이다. 배터리로부터 짧은 순간에 높은 암페어를 인출하면 사용 가능한 작동 수명을 심각하게 떨어트린다. 〈표 1〉은 수퍼커패시터, 커패시터, 배터리의 장단점을 비교해서 보여준다.

백업 전원용의 새로운 솔루션 

어떤 전자 시스템이든 백업 전원으로서 수퍼커패시터나 배터리, 혹은 둘의 조합을 사용할 수 있다는 것을 알았다. 그렇다면 IC 솔루션은 어떤 것을 사용할 수 있는가? 최근 아나로그디바이스가 인수한 리니어 테크놀로지(Linear Technology)는 바로 이와 같은 애플리케이션 요구를 충족하도록 전문적으로 설계된 다양한 IC 솔루션을 제공한다.

LTC4040은 메인 전원 중단 시에도 계속해서 작동해야 하는 3.5~5V 전원 레일용으로 포괄적인 리튬 배터리 백업 전원 관리 시스템이다. 배터리는 수퍼커패시터보다 훨씬 더 많은 에너지를 제공하므로 긴 시간 동안 백업을 필요로 하는 애플리케이션에 사용하기에 알맞다. LTC4040은 온칩 양방향 동기 컨버터를 사용해서 고효율 배터리 충전을 하면서 고전류, 고효율 백업 전원을 제공할 수 있다.

외부 전원을 이용할 수 있을 때는 시스템 부하를 우선적으로 공급하면서 LTC4040이 스텝다운 배터리 차저로 동작해서 단일 셀 리튬이온 또는 LiFePO₄ 배터리를 충전한다. 그러다가 입력 전원이 조절가능 PFI(Power-Fail Input) 임계값 아래로 떨어지면 LTC4040이 스텝업 레귤레이터로 동작해서 백업 배터리로부터 시스템 출력으로 최대 2.5A를 제공할 수 있다.

전원 중단이 발생되면 이 디바이스의 PowerPath™ 제어가 역류 차단을 하고 입력 전원과 백업 전원 사이에 매끄럽게 전환한다. LTC4040을 사용하기 적합한 애플리케이션으로는 차량 및 자산 추적, 자동차 GPS 데이터 로거, 자동차 텔레매틱스 시스템, 통행료 징수 시스템, 보안 시스템, 통신 시스템, 산업용 백업, USB 전원 장비 등을 포함한다. 〈그림 1〉은 애플리케이션 회로 예를 보여준다.

▲ 4.22V PFI 임계값을 적용한 4.5V 백업 전원

또한 LTC4040은 선택적인 과전압 보호(OVP) 기능을 포함하므로 외부 FET을 사용해서 60V 이상의 입력 전압으로부터 이 IC를 보호할 수 있다. 조절가능 입력 전류 제한 기능은 전류 제한 소스를 사용해서 동작할 수 있으며 배터리 충전 전류보다 시스템 부하 전류를 우선적으로 공급할 수 있다. 또한 외부 차단 스위치를 사용해서 백업 시에 일차 입력 전원을 차단할 수 있다. 또한 LTC4040의 2.5A 배터리 차저는 리튬이온 배터리와 LiFePO₄ 배터리에 따라서 8가지 충전 전압을 선택할 수 있다. 이 IC 제품은 또한 입력 전류 모니터링, 입력 전원 소실 지시기, 시스템 전원 소실 지시기 기능을 포함한다.

맺음말

어떤 시스템을 일차 전원이 중단되더라도 계속해서 사용할 수 있게 하려면 백업 전원을 사용해야 한다. 다행히 이러한 용도로 LTC4040 같은 많은 IC 제품들이 출시되어 있으므로 저장 매체가 수퍼커패시터가 되었든 전해 커패시터가 되었든 혹은 배터리가 되었든 손쉽게 백업 전원을 제공할 수 있다. 자동차 eCall 시스템의 경우에는 사고가 발생되고 메인 배터리가 중단되었을 때 백업 전원을 사용해서 이 기능이 계속해서 작동할 수 있게 하면 사람의 생명을 살릴 수도 있다. 그러므로 eCall 사용자들을 위해서 백업 전원을 잘 설계해야 할 것이다.