슈퍼 커패시터 기반의 간단하고 콤팩트한 UPS 설계

UPS(무정전 전원 공급 장치)는 RAID(Redundant Array of Independent Disks) 스토리지의 데이터 보호, 안전 운전을 위한 자동차 원격 측정, 약물 전달 장치(예: 의료 분야의 인슐린 펌프)와 같은 응용 분야에 필수적입니다.

하지만 UPS 설계에는 어려움이 따를 수 있으며 제한된 공간에서는 특히 그렇습니다. 또한 스토리지 시스템에서 전원 공급 장치로 에너지 흐름이 역류되지 않도록 설계해야 하는 여러 응용 분야에서는 신중한 설계가 필요합니다.

여러 컨버터와 충전 회로를 단일 부품으로 대체하는 통합 접근 방식을 고려하면 이러한 설계 문제를 완화할 수 있습니다. 이 통합 접근 방식을 사용하면 회로 설계를 간소화할 수 있으며, 더 쉽게 백업 작동 중에 전원 공급 장치로 전류가 역류하지 않도록 보장할 수 있습니다.

이번 기사에서는 UPS 설계 과제에 대해 간략히 소개하고 기존 솔루션을 설명합니다. 그런 다음 Analog Devices의 벅/부스트 스위칭 조정기를 기반으로 하는 간소화된 통합 대안을 소개합니다.

슈퍼 커패시터를 에너지 저장소로 사용

그림 1은 UPS 설계에 대한 기존 접근 방식을 보여줍니다. 이 예시에서 UPS는 24V DC(V_DC) 센서에 전력을 공급합니다. 센서 회로에는 3.3V 및 5V 입력이 필요합니다. UPS는 시스템 전압을 사용할 수 있는 경우 선형 조정기를 사용하여 슈퍼 커패시터를 충전합니다. 시스템 전압이 떨어지면 커패시터의 에너지가 승압 조정기를 통해 필요한 공급 전압 레벨로 승압됩니다.

그림 1: 이 UPS는 시스템 전압이 정상일 때 슈퍼 커패시터를 충전하고 시스템 전압이 떨어지면 해당 에너지를 사용합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

24V 공급 장치로 센서 이외의 다른 회로 요소에도 전력을 공급하는 경우, 슈퍼 커패시터는 센서 회로에만 전력을 공급하고 24V 라인과 연결된 다른 전자 장치에는 전력을 공급하지 않도록 통합해야 합니다. 다이오드 'D'는 회로가 백업 모드에 있을 때 이러한 상황이 발생하지 않도록 방지합니다.

이 시스템은 제대로 작동하지만 여러 전압 컨버터를 사용하므로 구현하기 어려울 수 있습니다. 공간이 제한된 경우에도 어려움이 따를 수 있습니다. 그림 2는 대안 방식을 보여줍니다. 이 접근 방식에서는 그림 1에 표시된 회로의 여러 조정기를 단일 백업 조정기로 대체하여 공간을 절약하고 설계를 간소화합니다.

그림 2: 통합 백업 조정기를 사용하면 더 간단하고 콤팩트한 UPS 설계가 가능합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

통합 백업 솔루션

그림 2에 제시된 설계 개념은 Analog Devices의 MAX38889 벅/부스트 스위칭 조정기를 사용하여 구현할 수 있습니다. 이 조정기는 저장 소자와 시스템 공급 레일 간에 전력을 효율적으로 전송하기 위한 유연한 콤팩트 저장 커패시터 또는 커패시터 뱅크 백업 조정기입니다. 크기는 3mm x 3mm이며 0.5V ~ 5.5V의 슈퍼 커패시터 입력(V_CAP)에서 최대 전류 3A(I_SYSMAX)로 2.5V ~ 5.5V(V_SYS)를 출력합니다(그림 3). 조정기의 작동 온도 범위는 -40°C ~ +125°C입니다.

그림 3: MAX38889를 기반으로 하는 UPS의 경우 주어진 V_SYS에 대한 I_SYSMAX는 V_CAP에 따라 달라집니다. (이미지 출처: Analog Devices)

주 전원 공급 장치가 있고 해당 전압이 최소 임계 시스템 공급 전압보다 높으면 조정기는 최대 3A 피크, 1.5A 평균 인덕터 전류로 슈퍼 커패시터를 충전합니다. 슈퍼 커패시터는 완전히 충전되면 준비 상태를 유지하면서 4µA의 정동작 전류만 소비합니다. 백업 작동을 활성화하려면 슈퍼 커패시터가 완전히 충전되어야 합니다.

주 전원 공급 장치가 제거되고 슈퍼 커패시터가 완전히 충전되면 조정기는 시스템이 설정된 시스템 백업 작동 전압(V_BACKUP) 아래로 떨어지는 것을 방지합니다. 조정기는 슈퍼 커패시터 방전 전압을 정격 시스템 전압인 V_SYS로 향상하여 이 기능을 수행합니다. 백업 작동 중에 MAX38889는 적응형, 온타임, 전류 제한 펄스 주파수 변조(PFM) 제어 체계를 사용합니다.

조정기의 외부 핀을 통해 최대 슈퍼 커패시터 전압(V_CAPMAX), V_SYS, 피크 인덕터 충전 및 방전 전류 등의 다양한 설정을 제어할 수 있습니다.

MAX38889는 트루 전원 차단 기능을 구현하여 V_CAP가 V_SYS보다 큰 경우 SYS를 CAP에서 분리하고 SYS 단락으로부터 보호합니다. 충전 및 백업은 각각 ENC 및 ENB 핀을 낮게 유지하여 비활성화할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: MAX38889의 외부 핀을 통해 최대 슈퍼 커패시터 전압 V_CAPMAX, V_SYS, 피크 인덕터 충전 및 방전 전류를 설정하고, RDY 플래그를 통해 백업 시스템 상태를 모니터링할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

두 상태 출력을 통해 백업 시스템 상태를 모니터링할 수 있습니다. RDY(준비 상태) 플래그는 슈퍼 커패시터가 충전되는 시점을 나타내고, BKB(백업 상태) 플래그는 백업 작동을 나타냅니다.

슈퍼 커패시터 선택

그림 5는 MAX38889를 기반으로 하는 UPS의 간소화된 응용 회로를 보여줍니다. 충전 중의 V_CAPMAX는 FBCH 핀을 구동하는 저항기 분배기에 의해 결정됩니다. 이 예시에서 저항 값 R1 = 1.82MΩ, R2 = 402kΩ, R3 = 499kΩ은 V_CAPMAX가 2.7V로 설정되도록 보장합니다. 슈퍼 커패시터는 최대 3A 피크 및 1.5A 평균 인덕터 전류로 충전됩니다. 방전 중 피크 인덕터 전류는 3A입니다.

그림 5: MAX38889를 기반으로 하는 UPS의 간소화된 응용 회로를 보여줍니다. 슈퍼 커패시터는 최대 3A 피크 및 1.5A 평균 인덕터 전류로 충전됩니다. 방전 중 피크 인덕터 전류는 3A입니다. (이미지 출처: Analog Devices)

백업 작업을 위해 슈퍼 커패시터를 선택할 경우 주의가 필요합니다. 주 전원에 문제가 발생하면 백업 또는 부스트 모드로 작동하는 MAX38889에서 슈퍼 커패시터를 에너지원으로 사용하여 부하 전력을 공급합니다. 슈퍼 커패시터가 최소 조정 공급 전압에서 공급할 수 있는 전력은 시스템에 필요한 전력보다 커야 합니다.

MAX38889는 슈퍼 커패시터에 일정한 전력 부하를 제공하므로 V_CAPMAX 근처에서 작동하는 경우 더 적은 전류가 소모됩니다. 하지만 슈퍼 커패시터가 방전되면 부하에 일정한 전력을 유지하는 데 소비되는 전류가 증가하고 전압은 떨어집니다. 백업 모드에서 필요한 에너지는 백업 작동 기간(T_BACKUP) 동안의 연속 백업 전력의 곱(V_SYS x I_SYS)입니다.

슈퍼 커패시터에서 사용할 수 있는 에너지 양(J)(C_SC)은 방정식 1을 사용하여 산출됩니다.

방정식 1

백업 작동을 완료하는 데 필요한 에너지 양은 방정식 2를 사용하여 산출됩니다.

방정식 2

여기서 I_SYS는 백업 중 부하 전류입니다.

백업 이벤트 중 부하에 필요한 에너지는 슈퍼 커패시터에 의해 공급되므로 변환 효율(η)을 가정하고 필요한 T_BACKUP이 주어지면 필요한 C_SC 값(F)은 방정식 3을 사용하여 결정됩니다.

방정식 3

그림 5에 표시된 응용 회로를 예로 들면 시스템 부하 200mA, 평균 효율 93%, 백업 시간 10초를 가정할 때 필요한 슈퍼 커패시터의 최소값은 다음과 같습니다.

방정식 4

그림 6은 그림 5에 표시된 응용 회로의 충전 및 방전 곡선을 보여줍니다.

그림 6: 그림 5에 표시된 응용 회로의 충전 및 방전 곡선 V_SYS = 3.6V, V_CAP = 2.7V, V_BACKUP = 3V. (이미지 출처: Analog Devices)

평가 기판 시작하기

MAX38889AEVKIT# 커패시터 충전기 전력 관리 평가 기판은 벅/부스트 백업 조정기를 평가하고 MAX38889 및 슈퍼 커패시터 기반 UPS를 테스트할 수 있는 유연한 회로를 제공합니다. 외부 부품을 사용해 광범위한 시스템 및 슈퍼 커패시터 전압과 충전 및 방전 전류를 공급할 수 있습니다.

이 기판에는 ENC(충전 사용), ENB(백업 사용), LOAD(그림 7)라는 세 개의 션트가 통합되어 있습니다. ENC 션트가 위치 1-2에 설정된 경우, V_SYS가 충전 임계값을 초과하면 충전이 활성화됩니다. ENB 션트가 위치 1-2에 설정된 경우, V_SYS가 백업 임계값 아래로 떨어지면 백업이 활성화됩니다. LOAD 션트를 위치 1-2로 설정하여 4.02Ω 부하를 V_SYS와 접지에 연결하여 방전 시나리오를 시뮬레이션하는 테스트 모드로 전환할 수 있습니다. 션트가 하나의 핀에만 연결되면 기판이 정상 작동 모드로 전환됩니다.

그림 7: MAX38889AEVKIT는 MAX38889 벅/부스트 슈퍼 커패시터 백업 조정기를 평가할 수 있는 유연한 회로를 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

주 배터리가 충전에 필요한 최소 시스템 전압 이상을 공급하는 경우 MAX38889 조정기는 평균 전류가 1.5A인 슈퍼 커패시터를 V_FBCH = 0.5V, 저항기 R1 = 499kΩ, R2 = 402kΩ, R3 = 1.82MΩ으로 충전한 다음 V_CAPMAX = 2.7V로 충전합니다.

EVKIT V_BACKUP은 저항기 R5(1.21MΩ) 및 R6(1.82MΩ)에 의해 3V로 설정되며, V_FBS = 1.2V로 설정됩니다. 이는 주 배터리가 제거되고 V_FBS가 1.2V로 강하되면 MAX38889가 슈퍼 커패시터의 전력을 소비하고 V_SYS를 V_BACKUP으로 조절하도록 지시합니다.

MAX38889A EVKIT는 슈퍼 커패시터 충전 상태를 모니터링할 수 있는 RDY 테스트 포인트를 제공합니다. RDY 테스트 포인트는 FBCR 핀의 전압이 0.5V FBCR 전압 임계값(R1, R2 및 R3에 의해 설정됨)을 초과하면 높아집니다. 즉, V_CAP가 1.5V를 초과하면 RDY가 높아집니다. 마찬가지로 슈퍼 커패시터가 백업을 제공하는 경우, 슈퍼 커패시터가 1.5V 미만의 전압을 공급하면 RDY 플래그가 낮아집니다.

또한 EVKIT는 시스템 백업 상태를 모니터링할 수 있는 BKB 테스트 포인트를 제공합니다. 시스템에서 백업 전력을 공급하는 경우 BKB가 낮아지고, 시스템이 충전 중이거나 유휴 상태인 경우 높아집니다.

저항기(R4)는 ISET와 접지(GND) 사이의 피크 인덕터 전류를 설정합니다. 33kΩ 저항 값은 공식에 따라 피크 인덕터 전류를 3A로 설정합니다. 공식: 피크 충전 전류(I_{LX_CHG}) = 3A x (33kΩ/R4)(그림 8)

그림 8: MAX38889 평가 기판의 회로도를 보여줍니다. 이 평가 기판은 11 F 슈퍼 커패시터를 사용하여 작동하며 V_CAP, V_SYS, RDY 및 BKB를 모니터링할 수 있는 테스트 포인트를 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

결론

슈퍼 커패시터는 UPS의 에너지 저장 소자로 사용될 수 있습니다. 기존 UPS 토폴로지는 다수의 전압 조정기를 사용해 상당한 공간을 차지하므로 설계가 까다롭습니다. 통합 벅/부스트 조정기 접근 방식은 여러 개의 컨버터와 충전 회로를 하나의 콤팩트 부품으로 대체하여 이러한 설계 문제를 완화합니다.