중단없이 동작하는 시스템 구현을 위한 백업 전원
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중단없이 동작하는 시스템 구현을 위한 백업 전원
  • 양대규 기자
  • 승인 2018.12.18 15:54
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커패시터와 배터리를 이용한 백업 전원의 구성

[테크월드=양대규 기자] 오늘날처럼 연결된 세상에는 많은 전자 시스템이 중단 없는 동작을 요구한다. 따라서 순간적이 되었든, 혹은 수 초나 수 분에 이르는 시스템 전원 중단데 대비한 설계가 필요하다. 이런 상황에 대처하기 위한 가장 일반적인 방법은 UPS(Uninterruptible Power Supply)를 사용해 이같은 짧은 중단 시간을 극복하는 것이다. 이런 방식으로 시스템의 신뢰성을 높이고 계속적으로 동작할 수 있다. 예를 들어 빌딩 시스템은 비상용 대체 시스템을 사용해 백업 전원을 제공함으로써 전원이 중단되더라도 안전과 관련된 시스템이나 주요 장비를 계속해서 운용할 수 있다.

또 다른 예로는 생활 속에서 일상적으로 사용되는 모바일 전자기기를 들 수 있다. 모바일 전자기기는 가벼운 전원 장치를 사용해서 일상적으로 신뢰성 있게 사용할 수 있도록 설계된다. 하지만 아무리 엔지니어링을 신중하게 한다고 하더라도 사람들의 부주의한 취급을 완전히 막을 수는 없다. 예를 들어서 공장 작업자가 휴대형 스캐닝 장비를 떨어트려서 배터리가 이탈된다면 어떻게 할 것인가? 이러한 사고는 전자적으로 예측하기가 불가능하며 어떠한 형태의 안전망이 없다면 휘발성 메모리에 저장된 중요한 데이터를 잃을 수 있다. 이럴 때 배터리를 교체하거나 데이터를 영구적인 메모리에 저장할 때까지 비상용으로 충분한 에너지를 저장하고 있는 짧은 순간의 전원 유지 시스템을 사용할 수 있다.

따라서 전자 시스템의 메인 전원이 중단될 것에 대비해서 대체 전원이 필요하다는 것은 확실하다.

또한 자동차에서는 많은 전자 시스템이 주차하고 있는 동안에도 지속적인 전원 공급을 필요로 한다. 이런 요소로는 원격 스마트키, 보안 장치, 개인 인포테인먼트 시스템 등을 들 수 있다. 이런 시스템으로는 내비게이션, GPS 위치 추적, eCall 기능 등이 있다. 이런 시스템은 자동차를 운전하지 않을 때도 계속해서 유지돼야 한다. 예를 들어, GPS 기능은 응급 상황이나 보안을 위해 지속적으로 동작해야 한다. 그래야 필요할 때 외부에서 통제할 수 있기 때문이다.

eCall 기능을 보자(미국 GM의 OnStar 시스템이 대표적인 예). eCall 기능이 전세계적으로 신차에 점점 더 보편적으로 채택되고 있으며, 이미 많은 자동차 회사들이 다양한 모델에 이 기능을 적용하고 있다. 또한 유럽은 2018년 3월 31일 이후에 판매되는 모든 승용차와 소형 트럭에 이 기능을 의무화하고 있다. 이 기능은 기술적으로 비교적 간단한 편이다. 충돌이 발생하고 자동차 에어백이 동작하면 eCall 시스템이 자동으로 응급 서비스 센터로 연락을 한다. GPS를 사용해서 시간, 장소, 차종, 연료 종류 등을 해당 기관에 전달한다.

그리고 또 이 시스템이 작동되면 자동차 내부에서 마이크를 통해서 응급 상황 담당자와 직접 통화할 수 있다. 또한 eCall 시스템은 사고가 발생했을 때 운전자가 도로의 어느 방향으로 운전하고 있었는지 알려줄 수 있으므로, 사고가 발생했을 때 구급 대원들이 어느 방향으로 출동해야 할지 알 수 있다. 이처럼 구급차와 경찰, 소방 대원들이 되도록 더 많은 정보를 아는 상태에서 현장에 되도록 신속하게 도착할 수 있다. 또한 운전자가 버튼을 눌러 eCall을 동작시킬 수도 있다. 그러므로 누구에게 문제가 발생하거나 또는 충돌 시에 에어백이 동작하지 않은 상황에서도 누군가 다쳤다면, 손쉽게 도움을 요청할 수 있다.

커패시터, 수퍼커패시터, 아니면 배터리?

앞에서는 다양한 시스템에 백업 전원이 필요하다는 것을 확인했다. 그렇다면 다음 문제는, 이런 백업 전원 용으로 어떤 저장 매체를 사용할 것이냐 하는 문제가 남는다. 전통적으로 이런 용도로는 커패시터와 배터리가 사용돼 왔다.

커패시터 기술은 지난 수십 년 동안 전력 전달이나 공급 용으로 주된 역할을 해왔다. 기존의 박막 커패시터와 오일 기반 커패시터는 PFC와 전압 밸런싱 등의 다양한 기능들을 수행했다. 하지만 집중적인 연구개발을 통해서 커패시터 디자인이나 성능이 크게 발전하게 됐으며, 이런 진화된 커패시터를 수퍼커패시터(또는 울트라커패시터)라고 한다. 수퍼커패시터는 배터리 에너지 저장이나 백업 전원 시스템에 사용하기에 적합한 특성을 갖고 있다. 수퍼커패시터는 총 에너지 저장 양에 있어서는 제한적이지만, 에너지 밀도가 높다. 또한 높은 수준의 에너지를 재빨리 방전할 수 있으며 또 빠르게 충전할 수 있다.

수퍼커패시터는 크기가 컴팩트할 뿐만 아니라 견고성과 신뢰성이 높다. 따라서 앞에서 설명한 것과 같은 순간적인 전원 중단에 대비한 백업 시스템에 사용하기에 적합하다. 또한 병렬로 연결하거나 직렬로 적층, 혹은 이 두가지 방식을 조합해 최종 애플리케이션에 필요로 하는 전압과 전류 요구량을 충족시킬 수 있다. 또한 수퍼커패시터는 단지 정전용량이 매우 높은 커패시터에 불과한 것이 아니다. 표준적인 세라믹, 탄탈, 전해 커패시터와 비교해, 수퍼커패시터는 더 작은 크기와 가벼운 무게임에도 불구하고, 더 높은 에너지 밀도와 더 큰 정전용량을 제공한다. 또한 수퍼커패시터는 약간의 추가적인 조치가 필요하기는 하지만, 짧은 순간 높은 전류를 제공하는 백업 전원을 필요로 하는 데이터 저장 애플리케이션의 배터리를 보강하거나 혹은 배터리를 아예 대체할 수도 있다.

또한 수퍼커패시터는 높은 피크 전력으로 고전류 버스트나 UPS 시스템 같은 순간적인 배터리 백업이 필요한 다양한 모바일 애플리케이션에 사용되고 있다. 배터리와 비교해, 수퍼커패시터는 더 작은 폼팩터로 더 높은 피크 전력 버스트를 제공하며 더 넓은 동작 온도 범위에 걸쳐서 더 여러 번의 충전 사이클 수명을 제공한다. 커패시터의 탑오프 전압을 낮추고 고온(50℃ 이상)을 피하면 수퍼커패시터의 수명을 극대화할 수 있다.

반면에 배터리는 더 많은 에너지를 저장할 수 있지만, 전력 밀도와 전력 공급에 있어서 제한적이다. 또한 배터리 안에서 일어나는 화학 반응 때문에 수명이 제한적이다. 그러므로 배터리는 긴 시간에 걸쳐서 완만한 양의 전력을 공급할 때 효과적이다. 배터리로부터 짧은 시간에 높은 암페어를 끌어내려고 하면 사용 가능한 동작 수명이 심하게 단축될 수 있다. [표 1]은 수퍼커패시터와 커패시터, 배터리의 장단점을 비교한 것이다.

새로운 백업 매니저 전원 솔루션

지금까지는 거의 모든 전자 시스템에 수퍼커패시터나 배터리, 혹은 이 둘을 조합한 방식을 백업 전원으로 사용할 수 있다는 것을 살펴봤다. 그렇다면 이런 용도로 어떤 솔루션을 사용할 수 있는지 살펴보자.

먼저, 어떤 IC 솔루션이라도 포괄적인 리튬이온 배터리 백업 전원 관리 시스템으로 메인 전원 중단 시, 3.5V~5V 전원 레일을 유지할 수 있어야 한다. 배터리는 수퍼커패시터보다 훨씬 더 많은 에너지를 제공할 수 있기 때문에, 긴 시간동안 백업해야 하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 따라서 어떤 IC 솔루션이라도 온칩으로 양방향 동기 컨버터를 포함함으로써 백업 배터리를 높은 효율로 충전하면서 또한 메인 전원이 중단됐을 때 하위 부하로 고전류 백업 전력을 제공할 수 있다. 외부 전원을 사용할 수 있을 때는 이 디바이스가 시스템 부하를 우선적으로 공급하면서 단일 셀 리튬이온 또는 LiFePO4 배터리에 대해서 스텝다운 배터리 차저로써 동작한다. 동작 중에 입력 전원이 갑자기 지정된 PFI(Power-Fail Input) 임계 값보다 아래로 떨어지면, 스텝업 레귤레이터로 동작해서 백업 배터리에서 시스템 출력에 수 암페어의 전류를 공급할 수 있다.

따라서 전원 중단이 발생했을 때, 역류를 차단하고 입력 전원과 백업 전원 사이를 매끄럽게 전환하기 위해, 전원 경로 제어가 필요하다. 이런 IC를 필요로 하는 애플리케이션으로는 차량과 자산 추적, 자동차 GPS 데이터 로거, 자동차 텔레매틱스 시스템, 통행료 징수 시스템, 보안 시스템, 통신 시스템, 산업용 백업, USB로 작동되는 디바이스 등을 들 수 있다. [그림 1]은 아나로그 디바이스(Analog Devices)의 Power by Linear LTC4040 리튬이온 배터리 백업 매니저 제품을 사용한 애플리케이션 회로의 예이다.

[그림 1] LTC4040을 사용한 백업 전원으로서, 사용자 지정 PFI 임계 값 사용.

LTC4040은 또 선택적인 과전압 보호(OVP) 기능을 제공하기 때문에, 외부 FET을 사용해 이 IC를 60V 이상의 입력 전압으로부터 보호할 수 있다. 또한 조절가능 입력 전류 제한 기능은 전류 제한 전원으로 동작하면서 배터리 충전 전류에 대해 시스템 부하 전류를 우선적으로 공급할 수 있다. 외부 차단 스위치는 백업 시에 시스템으로부터 메인 입력 전원을 차단한다. LTC4040의 2.5A 배터리 차저는 리튬이온이나 LiFePO4 배터리 용으로 적합한 8가지 선택 가능한 충전 전압을 제공한다. 이 디바이스는 또한 입력 전류 모니터링, 입력 전원 중단 지시기, 시스템 전원 중단 지시 기 기능을 포함한다.

수퍼커패시터도 배터리와 마찬가지다. 다만, 긴 시간 동안의 전원 중단이 아니라 짧은 순간 동안 높은 전력을 필요로 하는 시스템에 적합하다. 그러므로 이런 애플리케이션에 사용되는 IC는 메인 전원 중단 시에 2.9V~5.5V 레일을 유지할 수 있어야 한다. 수퍼커패시터는 배터리보다 전력 밀도가 높기 때문에 짧은 순간 동안 높은 피크 전력 백업을 필요로 하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 아나로그 디바이스의 Power by Linear LTC4041은 온칩으로 양방향 동기 컨버터를 사용해서 고효율 스텝다운 수퍼커패시터 충전을 할 수 있을 뿐만 아니라, 고전류 고효율 부스트 백업 전력을 제공할 수 있다. 외부 전원을 사용할 수 있으면 이 디바이스가 시스템 부하를 우선적으로 공급하면서 1개 또는 2개의 수퍼커패시터 셀에 대해 스텝다운 배터리 차저로 동작한다.

입력 전원이 지정된 PFI 임계 값보다 낮게 떨어지면, LTC4041이 스텝업 모드 동작으로 전환해서 수퍼커패시터로부터 시스템 부하로 최대 2.5A를 공급할 수 있다. 전원 중단 시에는 이 디바이스의 PowerPath 제어가 역류를 차단하고 입력 전원에서 백업 전원으로 매끄럽게 전환한다. LTC4041을 사용하기에 적합한 애플리케이션으로는 순간적인 ‘다잉 개스프(dying gasp)’ 공급, 순간적인 고전류 3V~5V UPS, 전력 계량기, 산업용 경보기, 서버, 솔리드 스테이트 드라이브 등을 들 수 있다. [그림 2]는 LTC4041을 사용한 애플리케이션 회로의 예다.

[그림 2] LTC4041을 사용한 수퍼커패시터 백업 애플리케이션 회로

또한 LTC4041은 선택적인 OVP 기능을 포함하므로 외부 FET을 사용해, 이 IC를 60V 이상의 입력 전압으로부터 보호할 수 있다. 또 내부 수퍼커패시터 밸런싱 회로가 각 수퍼커패시터로 동일한 전압을 유지하고 각 수퍼커패시터의 최대 전압을 사전에 지정된 값으로 제한한다.

조절가능 입력 전류 제한 기능은 전류 제한 전원을 사용해서 동작하면서 배터리 충전 전류에 대해 시스템 부하 전류를 우선적으로 공급할 수 있다. 외부 차단 스위치는 백업 시에 시스템으로부터 메인 입력 전원을 차단한다. 이 디바이스는 또한 입력 전류 모니터링, 입력 전원 중단 지시기, 시스템 전원 중단 지시기 등의 기능을 포함한다.

맺음말

메인 전원을 사용할 수 없거나 순간적으로 중단되더라도 시스템이 계속해서 동작해야 할 때는 백업 전원을 사용하는 것이 현명하다. 다행히 이런 용도로 LTC4040/LTC4041 백업 매니저와 같은 다양한 IC 제품이 선보이고 있다. 이런 IC를 사용함으로써 수퍼커패시터나 전해 커패시터, 또는 배터리 등 메인 전원이 중단될 것에 대비한 백업 전원을 손쉽게 설계할 수 있다. LTC4040과 LTC4041을 사용함으로써 순간 버스트를 필요로 하거나 긴 시간 동안의 백업 전원을 필요로 하는 다양한 시스템 요구를 충족할 수 있을 것이다.

글: 토니 암스트롱(Tony Armstrong) Analog Devices, Power by Linear 그룹 제품 마케팅 이사

스티브 노스(Steve Knoth) Analog Devices, Power by Linear 그룹 선임 제품 마케팅 엔지니어

자료제공: 아나로그디바이스