LTC3128은 평균 입력 전류 제어 벅-부스트 DC/DC 수퍼커패시터 충전기이며 고유의 스위칭 알고리즘을 사용해 출력을 입력 전압의 위, 아래 또는 동일하게 레귤레이트 할 수 있다. 이 디바이스는 초소형 단일 칩으로 강력하고 유연한 솔루션을 구성한다.

글/John Bazinet, Staff Scientist, Power Products
Steve Knoth, Senior Product Marketing Engineer, Power Products
Sam Nork, Director, Boston Design Center, Power Products
Linear Technology

수퍼커패시터(SCAP 또는 울트라커패시터)의 생산비용이 지속적으로 감소함에 따라 이들 수퍼커패시터가 기존 커패시터와 배터리 사이의 틈새 시장을 파고들고 있다. 비록 수퍼커패시터는 일정한 정도의‘관심과 주의’를 필요로 하지만 고전류, 짧은 시간의 백업 전원을 필요로 하는 데이터 스토리지 애플리케이션에서 배터리를 대체하고 있다. 뿐만 아니라 이들 저장장치는 고전류 버스트 또는 순간 배터리 백업을 필요로 하는 다양한 종류의 높은 최대 전력 및 휴대용 애플리케이션에 그 용도를 넓혀 나가고 있다. 배터리에 비해 수퍼커패시터는 더 작은 폼팩터로 더 높은 최대 전력 버스트를 제공하고 더 넓은 동작 온도 범위에서 보다 긴 충전 사이클 수명을 갖는다. 표준 세라믹, 탄탈륨 또는 전해 커패시터와 비교해 수퍼커패시터는 유사한 폼팩터와 무게에서 더 높은 에너지 밀도와 정전용량을 제공한다. 이에 더하여 수퍼커패시터 수명은 커패시터의 톱오프(top-off) 전압을 낮추고50℃도 이상의 고온을 피하면 극대화할 수 있다.

수퍼커패시터와 배터리 비교 요약

◎ 배터리
- 우수한 에너지 밀도

- 중간 수준의 전력 밀도
- 저온에서 높은 ESR

◎ 수퍼커패시터
- 중간 수준의 에너지 밀도
- 우수한 전력 밀도
- 저온에서도 낮은 ESR(25℃ 대비 -20℃에서 2배까지 상승)

◎ 수퍼커패시터의 한계점
- 최대 2.5V~2.75V로 제한
- BAT 삽입 돌입 전류 매우 높음
- hold-up 애플리케이션에서 역 전류 보호되지 않음

◎ 직렬 연결 수퍼커패시터의 장점
- 뛰어난 에너지 이용 가능 E = 1/2 CV2
- ‘dying gasp’/백업 회로 간소화 3.3V 백업을 위한 스텝다운 대비 부스트
- 고전력 백업, 산업용 온도에 적합

◎ 직렬 연결 수퍼커패시터의 잠재적 문제
- SCAP 간 정전용량이 불일치할 수 있음
- SCAP 누설 불일치가 시간이 지나면서 과전압을 일으킬 수 있어 지속적인 셀 밸런싱 필요
- SCAP 정전용량과 ESR은 시간이 지나면서 저하되지만 항상 동일한 비율로 저하되지는 않음
- SCAP 성능 저하가 과전압과 고온으로 인해 가속화됨

수퍼커패시터 설계 과제

수퍼커패시터는 장점이 많은 기술이다. 그러나 직렬로 연결된 에너지 저장장치를 충전해야 할 때 최종 제품 설계자는 셀 밸런싱, 충전 시 셀 과전압 손상, 과도한 전류 소비, 그리고 공간 제한적인 경우 대형 크기의 풋프린트와 솔루션과 같은 문제에 직면하게 된다.

직렬로 연결된 커패시터에서 셀 밸런싱은 각 셀의 전압이 대략 같아지도록 보장한다. 수퍼커패시터에서 셀 밸런싱이 되지 않으면 과전압 손상이 발생할 수 있다. 셀 당하나의 밸런싱 저항이 포함된 외부 회로를 이용하는 것은 이러한 문제를 해결하는 한 가지 방법이 될 수 있다. 밸런싱 저항 값은 수퍼커패시터 동작 온도와 충전/방전 프로파일에 따라 달라진다. 밸런싱 저항으로 인한 전류 드레인이 수퍼커패시터 에너지 저장에 미치는 영향을 제한하기 위해 설계자들은 또 다른 방법으로 매우 낮은 전류의 능동 밸런싱 회로를 사용할 수 있다. 셀 불일치를 일으키는 다른 요인으로는 누설 전류의 차이가 있다.

커패시터셀의 누설 전류는 처음에는 매우 높게 시작되다 시간이 지나면서 낮은 값으로 감쇄된다. 그런데 만약 직렬 연결된 셀들 사이에 누설이 일치하지 않으면 설계자가 밸런스 저항으로 누설을 제거하지 않을 경우 재충전 시에 셀이과전압 될 수 있다. 그러나 밸런싱 저항은 원하지 않은 부품과 부하 전류로 애플리케이션 회로에 부담을 안겨줄 수
있다.

수퍼커패시터 충전기 IC의 설계 과제

설계자가 수퍼커패시터 충전 프로젝트를 시작할 때 고려해야 하는 까다로운 문제들은 다음과 같은 요구사항을 필요로 한다.

◎ 높은 효율과 높은 충전 전류. 고효율, 고전류 벅-부스트 수퍼커패시터 충전기/밸런서는 수퍼커패시터의 장점을 완전히 구현하는 데 필요한 모든 특징과 기능을 포함한다. 디스크리트 솔루션은 가능하더라도 복잡하고 부피가 크며 효율과 정확성이 떨어진다.

◎ 높은 정확도와 부하 공유 기능. ±2% 정확도를 갖는 입력 전류 제한과 입력 부하 공유 기능은 여러 부하에서 최소 디레이팅과 마진으로 동일한 전원의 완전한 성능을 공유할 수 있게 한다. 이 기능은 디스크리트 솔루션으로 달성하기에는 너무 어렵다.

◎ 능동 밸런싱. 대부분의 수퍼커패시터 시스템은 소산(저항) 밸런싱을 이용한다. 능동 밸런싱은 커패시터간의 충전을 효율적으로 이동시켜 소산 방법 대비 전력 손실이 없고 이후의 재충전 사이클이 필요 없다.

수퍼커패시터 백업 시스템을 위한 새로운 솔루션

위에서 언급한 문제를 해결하는 벅-부스트 IC 수퍼커패시터 충전 솔루션은 다음과 같은 모든 특성을 갖출 필요가 있다.
◎ 유연성-스텝업 또는 스텝다운 모드에서 효율적 동작
◎ 프로그래밍 가능한 최대 커패시터 전압으로 능동 충전 밸런싱 수행 가능
◎ 높은 충전 전류 제공
◎ 프로그래밍 가능한 정확한 평균 입력 전류 제한
◎ 소형, 로우 프로파일 솔루션 풋프린트

◎ 향상된 열 성능과 공간 효율을 위한 첨단 패키징

능동 밸런싱을 갖춘LTC3128 벅-부스트 수퍼커패시터 충전기

LTC3128은 1개 또는 2개의 직렬 수퍼커패시터를 위한 능동 충전 밸런싱 기능을 갖춘 고효율, 입력 전류 제한 벅-부스트 수퍼커패시터 충전기이다. LTC3128은 ±2% 정확도로 최대 3A까지 프로그래밍할 수 있는 평균 입력 전류 제한을 가지므로 전원 과부하를 예방하면서 커패시터 재충전 시간을 최소화한다. 또한 매우 효율적인 능동충전 밸런싱으로 소산 외부 밸러스터 저항이 필요 없으며 커패시터가 불일치 하는 경우에도 밸런싱 동작과 충전을 보장하고 재충전 사이클을 줄여준다. 프로그래밍 가능한 최대 커패시터 전압 클램프는 직렬 스택에 있는 각 커패시터의 전압을 능동적으로 모니터링하고 실행함으로써 커패시터의 노화와 불일치한 정전용량이 발생해도 신뢰할 수 있는 동작을 보장한다.

낮은 잡음의 벅-부스트 토폴로지는 수퍼커패시터의 전압이 입력보다 높거나 낮아도 출력 수퍼커패시터를 충전할 수 있게 한다. 낮은RDS(ON), 낮은 게이트 전하 동기 스위치는 높은 효율 변환을 제공해 저장장치의 충전 시간을 최소화한다. 이러한 기능의 결합으로 LTC3128은 백업 전원 애플리케이션에서 대형 커패시터를 안전하게 충전하고 보호하는 데 이상적이다. 그림 2는 일반적인 백업 애플리케이션 회로를 보여준다.

LTC3128의 입력 전류 제한 및 최대 커패시터 전압은 단일 저항을 사용하여 각각 프로그래밍된다. 평균 입력전류는 0.5A~3A 프로그래밍 범위에서 정확하게 제어되며 개별 최대 커패시터 전압은 1.6V에서부터 3.0V까지 설정할 수 있다. 그 밖에 LTC3128의 기능으로는 버스트 모드(Burst Modeⓡ) 동작 시 VOUT로부터 2μA 미만의 대기 전류, 정확한 Power Good 및 Power Failure 표시장치 및 열 과부하 보호 등이 있다.

효율적 충전

LTC3128은 출력 커패시터(들)를 충전할 때 고정 주파수, 평균 입력 전류 PWM 제어를 사용한다. 고유의 스위칭 알고리즘은 인덕터 전류나 루프 특성의 끊김 없이 벅과 부스트 간에 전환할 수 있게 한다. 벅-부스트 충전기를 위한 스위치 토폴로지는 그림 3에 나와 있다.

2개의 스위치(D와 E)가 SW2를 VOUT에 연결하므로 전체 출력 전압 범위에서 높은 효율을 제공한다. LTC3128은 그림 4의 그래프에서 보듯이 90% 이상의 높은 효율을 갖는다.

요약
LTC3128은 평균 입력 전류 제어 벅-부스트 DC/DC 수퍼커패시터 충전기이며 고유의 스위칭 알고리즘을 사용해 출력을 입력 전압의 위, 아래 또는 동일하게 레귤레이트 할 수 있다. 이 디바이스는 초소형 단일 칩으로 강력하고 유연한 솔루션을 구성한다. 수퍼커패시터 충전을 효과적이고 효율적으로 스텝업 또는 스텝다운 하면서 셀 보호 및 밸런싱을 구현할 수 있어 지금까지 매우 까다로운 설계 과제였던 문제를 크게 간소화할 수 있다

<반도체네트워크 8월>