5V 공급 장치에 대한 백업 전력으로 단일 슈퍼 커패시터를 사용하는 방법

한동안 기능상 중요한 장치로 제한되었던 백업 전력 솔루션은 이제 산업, 상업, 소비자 최종 제품의 광범위한 전자 응용 분야에 대해 인기를 끌고 있습니다. 몇 가지 옵션이 있지만 슈퍼 커패시터는 주 전원 공급 장치가 중단될 때 에너지 저장소로서 가장 콤팩트하고 에너지 밀집적인 솔루션을 제공합니다. 예를 들어 주 전원에서 정전이 발생하거나 배터리를 교체하는 경우를 들 수 있습니다.

그러나 슈퍼 커패시터는 각 장치가 최대 2.7볼트까지만 제공할 수 있기 때문에 설계 문제가 발생합니다. 이는 잠재적으로 5볼트 전력 레일에 안정된 전력을 공급하기 위해 전압 안정화 및 승압(부스트) 또는 강압(벅) 전압 컨버터와 관련된 여러 슈퍼 커패시터가 필요함을 의미합니다. 그 결과 상대적으로 비싸고 기판 공간을 과도하게 차지하는 복잡하고 미묘한 회로가 탄생했습니다.

이 기사에서는 배터리를 슈퍼 커패시터와 비교하고 슈퍼 커패시터가 콤팩트한 저전압 전자 응용 제품에 여러 가지 기술적 이점을 제공하는 이유를 설명합니다. 그런 다음 가역 벅/부스트 전압 컨버터와 결합된 단일 커패시터만 사용하여 5볼트 레일에 전력을 공급하는 간단한 고급 솔루션을 설계하는 방법을 설명합니다.

배터리와 슈퍼 커패시터

무중단 전력은 최신 전자 장치의 만족스러운 사용자 경험을 위한 중요한 요소가 되었습니다. 지속적인 전원 공급 장치가 없으면 전자 제품은 작동을 멈출 뿐만 아니라 중요한 정보를 잃을 수도 있습니다. 예를 들어 주 전원에 연결된 PC의 경우 정전이 발생하면 휘발성 RAM에 저장된 데이터가 손실될 수 있습니다. 또는 인슐린 펌프의 경우 배터리 교체 중에 휘발성 메모리에서 중요한 혈당 측정값이 손실될 수 있습니다.

이러한 손실이 발생하지 않도록 하는 한 가지 방법은 주 전원이 고장일 경우 방출될 수 있는 에너지를 저장하는 백업 배터리를 통합하는 것입니다. 리튬 이온(Li-ion) 배터리는 고급 기술이며 매우 우수한 에너지 밀도를 제공하므로 상대적으로 콤팩트한 장치에서 백업 전력을 장기간 제공할 수 있습니다.

그러나 기본적인 화학 물질에 상관없이 모든 배터리에는 특정 상황에서 문제가 될 수 있는 고유한 특성이 있습니다. 예를 들어, 상대적으로 무겁고 재충전하는 데 꽤 오랜 시간이 걸리며(정전이 자주 발생하는 경우 문제가 될 수 있음), 전지는 제한된 횟수에 한해 재충전이 가능하고(유지보수 비용 증가) 안전 및 환경 위험을 초래할 수 있습니다.

백업 전력을 위한 대체 솔루션은 울트라 커패시터라고도 하는 슈퍼 커패시터입니다. 슈퍼 커패시터는 기술적으로 전기 이중층 커패시터(EDLC)로 알려져 있습니다. 이 장치는 대칭적이고 전기화학적으로 안정적인 양극 및 음극 탄소 전극을 사용하여 구성됩니다. 이러한 전극은 유기 염/용매 전해질로 채워진 컨테이너에 내장된 절연 이온 투과성 분리기에 의해 격리됩니다. 전해질은 이온 전도도와 전극 웨팅을 최대화하도록 설계되었습니다. 전하 분리가 극히 작은 고표면적 활성 탄소 전극의 조합으로 인해 기존 커패시터에 비해 슈퍼 커패시터의 정전 용량이 훨씬 높아집니다(그림 1).

그림 1: 슈퍼 커패시터는 전해질에 잠긴 절연 이온 투과성 분리기에 의해 격리된 대칭 탄소 전극과 탄소 전극을 사용합니다. 고표면적 전극과 매우 작은 전하 분리의 조합으로 높은 정전 용량이 생성됩니다. (이미지 출처: Maxwell Technologies)

전하는 고표면적 탄소 전극에 대한 전해질의 가역적 흡착에 의해 정전기적으로 저장됩니다. 전하 분리는 전극/전해질 계면의 분극에서 발생하여 동일한 이중층을 생성합니다. 이 메커니즘은 매우 가역적이어서 슈퍼 커패시터가 수십만 번 충전 및 방전될 수 있지만 시간이 지남에 따라 정전 용량이 약간 감소합니다.

에너지를 저장하는 정전기 메커니즘에 의존하기 때문에 슈퍼 커패시터의 전기적 성능은 배터리보다 더 예측 가능하며 구성 재료로 인해 온도 변화에 대한 취약성이 덜하고 더욱 신뢰할 수 있습니다. 안전 측면에서 슈퍼 커패시터는 배터리보다 휘발성 물질이 적고 안전한 운송을 위해 완전히 방전될 수 있습니다.

또 다른 장점은 2차 전지에 비해 슈퍼 커패시터의 재충전 속도가 훨씬 빠르다는 것입니다. 따라서 첫 번째 고장 후 곧 다시 전력이 손실되더라도 백업 전력을 쉽게 사용할 수 있으며 과충전될 수 없습니다. 슈퍼 커패시터는 또한 더 많은 충전 주기를 견딜 수 있어 유지보수 비용을 낮출 수 있습니다.

게다가, 배터리보다 훨씬 더 높은 전력 밀도(단위 시간에 얼마나 많은 전력을 저장하거나 전달할 수 있는지 측정)를 제공합니다. 이것은 빠른 충전을 보장할 뿐만 아니라 필요한 경우 고전류 버스트를 허용하여 더 많은 응용 분야에서 백업 전력으로 사용할 수 있습니다(그림 2). 또한 슈퍼 커패시터는 배터리보다 유효 직렬 저항(ESR)이 훨씬 낮습니다. 따라서 과열 위험 없이 보다 효율적으로 전력을 공급할 수 있습니다. 일반적으로 슈퍼 커패시터 전력 변환 효율은 98% 이상입니다.

그림 2: 충전식 배터리는 적절한 전류로 장기간 전력을 공급할 수 있지만 재충전하는 데 시간이 오래 걸립니다. 반대로 슈퍼 커패시터(또는 울트라 커패시터)는 고전류로 빠르게 방전되지만 빠르게 재충전됩니다. (이미지 출처: Maxwell Technologies)

슈퍼 커패시터의 주요 단점은 충전식 배터리에 비해 에너지 밀도(단위 부피당 저장된 에너지 양의 척도)가 상대적으로 낮다는 것입니다. 오늘날의 기술을 통해 리튬 이온 배터리는 같은 부피의 슈퍼 커패시터에 비해 20배의 에너지를 저장할 수 있습니다. 새로운 재료를 통해 슈퍼 커패시터가 개선됨에 따라 격차가 좁혀지고 있지만, 이는 수년 동안 상당한 수준으로 유지될 것입니다. 슈퍼 커패시터의 또 다른 큰 단점은 리튬 이온 배터리에 비해 상대적으로 비용이 높다는 것입니다.

슈퍼 커패시터에 대한 설계 고려 사항

전자 제품에 대한 백업 전력으로 슈퍼 커패시터를 사용하는 경우 설계자는 안정적인 에너지 저장 및 전달과 긴 수명을 위해 최상의 부품을 선택하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다.

규격서에서 가장 먼저 확인해야 할 사항 중 하나는 정전 용량 및 저항에 대한 온도의 영향입니다. 백업 전력이 필요한 경우 공급 전압이 안정적이고 에너지가 효율적으로 전달되도록 최종 제품의 의도된 작동 온도 범위에서 변화가 거의 없는 장치를 선택하는 것이 좋습니다.

슈퍼 커패시터의 수명은 주로 작동 전압과 온도의 결합된 효과에 의해 결정됩니다(그림 3). 슈퍼 커패시터는 고장이 발생하는 경우가 거의 없습니다. 대신 시간이 지남에 따라 정전 용량과 내부 저항이 변하고 부품이 더 이상 최종 제품 사양을 충족할 수 없을 때까지 점차적으로 성능이 저하됩니다. 성능 저하는 일반적으로 최종 제품의 수명 초기에 더 크며 최종 제품이 노후화됨에 따라 점차 감소합니다.

그림 3: 더 높은 온도 및 인가 전압은 슈퍼 커패시터의 수명을 단축할 수 있습니다. (이미지 출처: Elcap, CC0, via Wikimedia Commons, 작성자에 의해 수정됨)

백업 전력 응용 제품에 사용되는 경우 슈퍼 커패시터는 오랜 기간 동안 작동 전압으로 유지되며 아주 가끔이기는 하지만, 저장된 에너지를 방전하도록 요청됩니다. 이는 결국 성능에 영향을 미칩니다. 규격서에서는 일반적인 작동 전압과 다양한 온도에서 시간 경과에 따른 정전 용량의 감소를 나타냅니다. 예를 들어, 25˚C에서 88,000시간(10년) 동안 2.5V로 유지되는 슈퍼 커패시터의 경우 정전 용량이 15% 감소하고 내부 저항이 40% 증가할 수 있습니다. 수명이 긴 최종 제품의 백업 장치를 설계할 경우 이러한 성능 저하를 고려해야 합니다.

커패시터의 시간 상수는 장치가 완전 충전의 63.2%에 도달하거나 완전 충전의 36.8%까지 방전하는 데 걸리는 시간입니다. 슈퍼 커패시터의 시간 상수는 약 1초이며 이는 전해 커패시터보다 훨씬 짧습니다. 이 짧은 시간 상수로 인해 손상이 발생할 수 있으므로 설계자는 백업 전력 슈퍼 커패시터가 연속적인 리플 전류에 노출되지 않도록 해야 합니다.

슈퍼 커패시터는 0볼트와 최대 정격 용량 사이에서 작동할 수 있습니다. 가장 넓은 전압 범위에서 작동하는 경우에 슈퍼 커패시터의 가용 에너지 및 전력 저장을 효율적으로 활용할 수 있지만 대부분의 전자 부품에는 최소 전압 임계값이 있습니다. 이 최소 전압 요구 사항은 커패시터에서 끌어올 수 있는 에너지의 양을 제한합니다.

예를 들어, 커패시터에 저장된 에너지는 E = ½CV²입니다. 이 관계에서 시스템이 커패시터 정격 전압의 절반(예: 2.7볼트 ~ 1.35볼트)에서 작동하는 경우 사용 가능한 에너지의 약 75%에 액세스할 수 있다고 계산할 수 있습니다.

여러 슈퍼 커패시터를 사용할 때의 설계 과제

여러 장점을 가진 슈퍼 커패시터는 광범위한 전자 제품에 백업 전력을 제공하는 데 적합하지만 설계자는 이로 인해 발생하는 설계 문제에 주의해야 합니다. 백업 전원 공급 장치 회로를 구현하는 것은 경험이 없는 엔지니어에게 중요한 작업이 될 수 있습니다. 복잡한 점이라면 상용 슈퍼 커패시터의 정격이 약 2.7V이므로 일반적인 5V 전력 레일을 공급하려면 2개의 슈퍼 커패시터를 직렬로 사용해야 한다는 것입니다(그림 4).

그림 4: 상업용 슈퍼 커패시터는 약 2.7볼트 정격이므로 일반적인 5볼트 전력 레일을 공급하려면 2개의 슈퍼 커패시터를 직렬로 사용해야 하기 때문에 설계 프로세스가 복잡해집니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

이는 만족스러운 해결 방법이지만 활성 또는 수동 전압 안정화가 필요하기 때문에 추가 비용과 복잡성이 발생합니다. 정전 용량 허용 오차, 다른 누설 전류 및 다른 ESR로 인해 공칭적으로 동일하고 완전히 충전된 두 개 이상의 커패시터에 걸리는 전압이 다를 수 있습니다. 이 전압 불균형으로 인해 백업 회로의 한 슈퍼 커패시터가 다른 슈퍼 커패시터보다 더 큰 전압을 공급하게 됩니다. 온도가 상승하거나 슈퍼 커패시터가 노후화됨에 따라 이 전압 불균형은 한 슈퍼 커패시터의 전압이 해당 장치의 정격 임계값을 초과하고 작동 수명에 영향을 미치는 지점까지 증가할 수 있습니다.

저 듀티 사이클 응용 제품의 전압 안정화는 일반적으로 바이패스 저항기를 각 전지와 병렬로 배치하여 달성됩니다. 저항기의 값은 모든 전류 흐름이 총 슈퍼 커패시터 누설 전류를 지배할 수 있는 값으로 선택됩니다. 이 기술은 슈퍼 커패시터 사이의 등가 병렬 저항의 변화를 무시할 수 있도록 효과적으로 보장합니다. 예를 들어 백업 회로에 포함된 슈퍼 커패시터의 평균 누설 전류가 10μA인 경우 1% 저항기는 100μA의 전류 바이패스를 허용하여 평균 누설 전류를 110μA로 높입니다. 이런식으로 저항기는 슈퍼 커패시터 사이의 누설 전류 변화를 수십 퍼센트에서 불과 몇 퍼센트로 효과적으로 감소시킵니다.

모든 병렬 저항이 상당히 잘 일치하므로 전압이 더 높은 슈퍼 커패시터는 전압이 더 낮은 슈퍼 커패시터보다 더 빠른 속도로 병렬 저항을 통해 방전됩니다. 이는 일련의 전체 슈퍼 커패시터에 걸쳐 총 전압을 고르게 분배합니다. 고성능 응용 제품의 경우 보다 정교한 슈퍼 커패시터 밸런싱이 필요합니다.

5V 공급 장치에 대해 단일 슈퍼 커패시터 사용

두 개 이상이 아니라 단일 슈퍼 커패시터가 사용되는 경우 백업 전원 공급 장치 회로는 복잡성과 차지하는 공간을 줄일 수 있습니다. 이러한 배열은 슈퍼 커패시터 밸런싱의 필요성을 제거합니다. 그러나 다이오드에서 전압 강하를 극복하고 시스템에 5V를 제공할 수 있는 충분한 전압을 생성하도록 부스트 전압 조정기를 사용하여 단일 장치의 2.7V 출력을 증가시켜야 합니다. 슈퍼 커패시터는 충전 장치에 의해 충전되고 필요 시 부스트 컨버터를 통해 방전됩니다. 다이오드를 사용하면 기본 전원 또는 슈퍼 커패시터가 시스템에 전력을 공급할 수 있습니다(그림 5).

그림 5: 전력 백업 회로에서 단일 슈퍼 커패시터를 사용하면 전압 안정화가 필요하지 않지만 슈퍼 커패시터의 출력 전압을 높이기 위해 승압 조정기가 필요합니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

더 나은 해결책은 Maxim Integrated의 MAX38888 또는 MAX38889 가역 벅-부스트 전압과 조정기와 같은 특수 전압 컨버터로 보완되는 단일 커패시터를 사용하는 것입니다. MAX38888은 2.5볼트 ~ 5볼트 및 최대 2.5A(암페어) 출력을 제공하고 MAX38889는 2.5볼트 ~ 5.5볼트, 3A 출력을 제공합니다(그림 6).

그림 6: 슈퍼 커패시터 전력 백업 회로에 사용되는 경우 MAX38889(또는 MAX38888) 가역 조정기는 별도의 충전기 및 부스트 장치와 다이오드가 필요하지 않습니다. (이미지 출처: Maxim Integrated)

MAX38889는 슈퍼 커패시터와 시스템 공급 레일 간에 전력을 효율적으로 전송하기 위한 유연한 저장 커패시터 또는 커패시터 뱅크 백업 조정기입니다. 주 전원이 있고 해당 전압이 최소 임계 시스템 공급 전압보다 높으면 조정기는 충전 모드에서 작동하고 최대 3A 피크, 1.5A 평균 인덕터 전류로 슈퍼 커패시터를 충전합니다. 백업 작동을 실현하려면 슈퍼 커패시터를 완전히 충전해야 합니다. 슈퍼 커패시터가 충전되면 회로는 부품을 준비 완료 상태로 유지하면서 4μA의 전류만 소모합니다.

주 전원이 제거되면 조정기는 최대 3A까지 프로그래밍된 피크 인덕터 전류에서 슈퍼 커패시터 전압을 필요한 시스템 전압으로 승압하여 시스템이 설정된 시스템 백업 작동 전압 아래로 떨어지는 것을 방지합니다. 가역 조정기는 0.5볼트에 불과한 슈퍼 커패시터 공급 전압으로 작동하여 저장된 에너지 사용을 최대화합니다.

백업 기간은 슈퍼 커패시터의 에너지 비축량과 시스템 전력 소모량에 따라 달라집니다. Maxim Integrated 제품은 단일 2.7V 슈퍼 커패시터에서 최대 백업 전력을 허용하면서 별도의 충전기, 부스트 장치 및 다이오드가 필요하지 않아 회로 부품 수를 줄일 수 있습니다.

결론

슈퍼 커패시터는 배터리를 자주 교체해야 하는 응용 제품과 같은 특정 응용 제품에서 백업 전력에 대해 2차 배터리에 비해 여러 이점을 제공합니다. 충전식 배터리와 비교하여 슈퍼 커패시터는 충전 속도가 빠르고 수명이 길며 훨씬 더 높은 전력 밀도를 제공합니다. 그러나 최대 2.7볼트 출력은 일반적인 5볼트 공급 장치를 백업하려고 할 때 몇 가지 설계 문제를 야기합니다.

위에서 설명한 바와 같이 가역 강압/강압 전압 조정기는 공간과 필요한 부품 수를 최소화하면서 단일 슈퍼 커패시터가 5볼트 라인을 백업할 수 있도록 하는 우수한 해결책을 제공합니다.