PassThru 기술을 사용하면 에너지 저장 시스템의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.

배터리 수명을 연장하고 에너지 저장 시스템 성능을 향상시키는 방법

배터리는 에너지 저장 시스템의 중요한 구성 요소입니다. 배터리 수명을 연장하면 더 강력한 시스템 성능, 더 긴 작동 시간 및 더 낮은 비용을 얻을 수 있습니다. 일반적으로 배터리 수명을 연장하는 방법에는 배터리 기술을 개선하고 더 나은 장치를 설계하며 혁신적인 에너지 관리 시스템을 제공하는 세 가지가 포함됩니다.

배터리 기술 개선은 특정 애플리케이션에 적합한 배터리를 선택하고, 충전 제어, 온도 조절 및 전력 소비를 최소화하기 위한 적절한 배터리 관리 시스템을 설계하는 것을 포함합니다. 더 나은 장치를 설계하려면 효율적인 하드웨어 구성요소와 견고한 펌웨어를 고려해야 하며, 이 두 가지는 기능성과 수명 지표의 균형을 맞추는 데 필수적입니다. 에너지 최적화를 지능적으로 달성하기 위해 최신 전력 관리 시스템을 활용할 수 있습니다. 이러한 시스템은 PassThru 모드와 절전 모드와 같은 AI 기반 알고리즘, 새로운 토폴로지 구조, 효율적인 컨버터 제어 방법을 사용합니다.

또한, 배터리와 함께 초고용량 커패시터와 같은 에너지 저장 장치를 활용하면 다양한 응용 시나리오에 이점을 제공할 수 있습니다. 초고용량 커패시터는 단기적인 burst 전력의 빠른 충전 및 방전을 지원하고, 수명이 더 길며, 전체 시스템 효율이 높다는 장점을 제공합니다. 예를 들어, 초고용량 커패시터는 신속한 에너지 저장 및 백업 전력 제공에 적합합니다. 이는 극한의 온도 조건을 견딜 수 있습니다. 전기차와 같은 배터리와 함께 사용될 때, 초고용량 커패시터는 성능을 개선하고 배터리 수명을 연장하는 데 도움을 줍니다. 게다가, 초고용량 커패시터는 환경적으로 더 친화적입니다.

슈퍼커패시터와 배터리의 주요 차이점 중 하나는 동일한 정격 전압의 경우, 6셀 0.1Ah 리튬 폴리머 배터리가 전압 공급원의 특성을 나타내며 작동 동안 보다 안정적인 전압을 제공합니다. 반면에, 전류가 2F 슈퍼커패시터에서 부하로 흐를 때 전압이 선형적으로 감소합니다. 슈퍼커패시터의 선형 방전 특성은 에너지를 변환하기 위한 보다 효율적인 시스템을 필요로 합니다. 이러한 상황에서는 입력 전압이 설정된 출력 전압보다 낮거나 높더라도 적절하게 출력 전압의 안정성을 조정하고 규제할 수 있는 벅-부스트 컨버터 기능을 사용하는 것이 더 적합합니다.

PassThru 모드는 효율성 최적화를 달성하는 중요한 수단입니다

PassThru 기술은 광범위 입력 전력 장치의 기본 기능입니다. 기존 제어 방식(표준 버크-부스트 컨트롤러)을 사용하는 시스템에 비해 효율성을 개선하고 에너지 저장 시스템의 수명을 연장할 수 있습니다. "Pass-through"는 사전 정의된 전압 창 내에서 입력을 출력으로 직접 전달하는 것을 의미하며, 마치 전선이 단락된 경우처럼 작동합니다. PassThru 기술은 전력원(예: 슈퍼커패시터)과 부하 간의 네트워크 역할을 하며, 지정된 허용 범위 내에서 전압 조절을 보장합니다. 이는 전력원에서 부하까지 직접적인 경로를 제공하여 장치가 최대한 효율적으로 작동하도록 보장합니다. PassThru 모드는 슈퍼커패시터로 작동하는 장치의 최적화된 효율성을 보장하기 위해 중요한 방식이며, 슈퍼커패시터의 충/방전 주기를 줄이고 장치의 EMI와 전체 성능을 개선합니다.

4-스위치 벅-부스트 컨버터에서 PassThru 모드는 지정된 윈도 설정에 따라 전원 소스에서 출력 부하로 직접 경로를 제공합니다. 입력은 출력으로 직접 전달되어 스위칭 손실을 제거함으로써 지정된 PassThru 윈도 내에서 효율성을 향상시킵니다. 또한, PassThru 모드 중에는 스위칭 주파수가 없기 때문에 전자기 적합성(EMC)을 강화합니다. 벅-부스트 컨버터의 PassThru 모드는 부스트 출력과 비교하여 벅 출력에 대해 다른 출력 전압을 허용함으로써 유연성을 제공합니다. 이는 단일 공칭 출력 전압만 제공하는 일반적인 벅-부스트 IC와 다릅니다. 이 기능은 입력 전압이 비정상적으로 작동할 때 부하를 보호하기도 합니다.

PassThru 모드 제어는 시스템 운영 효율성을 개선합니다

PassThru 모드는 LT8210의 작동 모드로, 이 기능을 갖춘 유일한 승압/강압 컨트롤러 IC입니다. DC2814A-A 데모 보드를 예로 들면, 이 데모 보드는 입력 전압 범위 4V에서 40V, 완전 부하 전류 3A, 출력 전압 8V에서 16V의 LT8210을 사용합니다. PassThru 모드에서 작동할 경우, 승압/강압 작동에 비해 무거운 부하에서 최대 5%까지 그리고 가벼운 부하(예: 10% 전류 부하)에서 최대 17%까지 효율이 향상될 수 있습니다. 따라서 PassThru 모드는 가벼운 부하 작동 조건에서 상당한 성능 향상을 달성합니다.

LT8210의 PassThru 모드가 출력 전압이 벅 출력 전압과 다르게 설정될 수 있다는 점은 주목할 만합니다. 하지만 입력 전압이 출력 전압 설정값에 가까운 경우 여전히 벅-부스트 영역이 존재합니다. LT8210에서 이 벅-부스트 영역이 생기는 이유는 인덕터 전류 조절 벅 및 부스트 제어 영역 간에 겹치는 부분이 있기 때문입니다.

PassThru 모드의 응용 효과를 평가하기 위해, 4스위치 벅-부스트 컨버터를 포인트-오브-로드 컨버터의 프리 레귤레이터로 사용하며, 이는 또한 모터 드라이버로 사용됩니다. 전원 공급은 24V 슈퍼커패시터이지만, DC 모터는 9V 입력 전압과 0.3A 입력 전류를 요구합니다. 벅-부스트 컨버터는 PassThru 모드에서 작동하거나, 연속 전도 모드(CCM)로 작동하는 일반적인 4스위치 벅-부스트 컨트롤러로 작동합니다. 일반적인 벅-부스트 컨트롤에는 PassThru 모드가 없으며, 벅 모드, 부스트 모드 및 벅-부스트 작동만 가능합니다.

PassThru 모드를 사용하는 시스템은 부스트 출력 전압을 12V로 설정하고 벅 출력 전압을 27V로 설정합니다. 이를 통해, 슈퍼커패시터의 시작 전압이 패스밴드 한계 내에 있을 수 있습니다. 따라서 시스템은 24V에서 12V 슈퍼커패시터 전압까지 PassThru 모드를 거치게 됩니다. 이 기간 동안 효율은 99.9%에 도달합니다. 기존 제어 방식 시스템과 비교했을 때, PassThru 모드는 효율을 22%에서 27%까지 향상시킵니다.

PassThru 모드로 제어되는 시스템의 효율성이 높은 주요 이유 중 일부는 강압 작업의 제거, 배터리 전압이 권장 통과 대역 내에 유지되도록 보장, 그리고 경부하 조건에서 작동하도록 설계되어 스위치 손실을 줄이는 데 중점을 둔 설계입니다. PassThru 기술은 슈퍼커패시터로 구동되는 장치의 성능을 최적화하는 중요한 방법입니다. CCM(Continuous Conduction Mode) 강압-승압 방식으로 제어되는 기존 시스템과 비교하여, PassThru 모드를 사용하는 LT8210 동기식 강압-승압 컨트롤러를 채택하면 슈퍼커패시터로 구동되는 장치의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

동기 4-스위치 벅-부스트 DC/DC 컨트롤러를 지원합니다

ADI는 LT8210을 출시했습니다. LT8210은 100V VIN 및 VOUT를 지원하는 동기식 4-스위치 벅-부스트 DC/DC 컨트롤러로, PassThru 기능을 제공합니다. 이 컨트롤러는 PassThru, 강제 연속 모드, 펄스 스킵 모드, Burst® 모드로 작동합니다. PassThru 모드에서는 입력 전압이 사용자가 설정한 창 내에 있을 경우 입력이 출력으로 직접 전달됩니다. PassThru 모드는 스위칭 손실과 EMI를 제거하면서 효율을 극대화합니다. PassThru 창 밖에서 입력 전압이 높거나 낮을 경우 벅 또는 부스트 조정 루프가 각각 최대 또는 최소 값으로 출력을 유지합니다.

LT8210의 GATEVCC 드라이버는 표준 수준의 MOSFET 사용을 가능하게 하고 효율성을 향상시키기 위해 EXTVCC 핀을 통해 전원을 공급받을 수 있도록 10.6V로 조절됩니다. GATEVCC 조절기는 입력 전압 강하 시에도 조절 상태를 유지하는 역구동 보호 기능을 탑재하고 있습니다. 단일 N-채널 MOSFET을 추가하여 -40V까지의 역입력 보호를 선택적으로 구현할 수 있습니다. LT8210은 정밀 전류 감지 증폭기를 포함하고 있어 출력 또는 입력 평균 전류를 정확하게 모니터링하고 제한할 수 있습니다.

LT8210은 핀 선택 가능한 PassThru 또는 고정 출력 CCM, DCM, Burst® 작동 모드를 제공하며, 프로그래매블 비스위칭 PassThru 창을 지원합니다. 18μA PassThru 모드 IQ와 99.9% 효율을 가지며, VIN 범위는 2.8V에서 100V (시동 시 4.5V), VOUT 범위는 1V에서 100V, -40V까지 역입력 보호, ±1.25% 출력 전압 정확도 (-40°C ~ 125°C), ±3% 정확한 전류 모니터링 및 ±5% 정확한 전류 조절 기능을 제공합니다. 이 제품은 10V 쿼드 N-채널 MOSFET 게이트 드라이버를 지원하며, EXTVCC LDO는 VOUT/외부 전원 레일로부터 전원을 공급받을 수 있습니다. ±20% 주기별 인덕터 전류 제한, 벅 또는 부스트 모드에서 상위 MOSFET 리프레시 노이즈 없음, 80kHz에서 400kHz까지 고정/위상 고정 주파수 및 저-EMI 스펙트럼 주파수 변조(SSFM)에 적합합니다. 전압/과전류 모니터가 포함된 전력 양호 출력 기능이 있으며, 38리드 TSSOP와 40리드 (6mm x 6mm) QFN 패키지로 제공됩니다. LT8210은 자동차, 산업, 통신, 항공 전자 시스템, 자동차 시작-정지 시스템, 긴급 호출 애플리케이션 및 ISO 7637, ISO 16750, MIL-1275, DO-160 규격을 준수하는 애플리케이션에 적용될 수 있습니다.

LT8210은 또한 여러 평가 키트를 제공하며, 여기에는 DC2814A-B 데모 보드가 포함됩니다. 이 보드는 입력 전압 범위가 9V에서 80V인 고전압, 고효율 동기식 벅-부스트 DC/DC 컨버터로, 최대 부하 전류 2.5A를 제공하며 출력 범위는 24V에서 34V입니다. 또 다른 데모 회로로 DC2814A-C는 입력 전압 범위가 26V에서 80V이며, 최대 부하 전류 2A를 제공하며 출력 범위는 36V에서 56V입니다. 추가로 DC2814A-A 데모 회로는 입력 전압 범위가 8V에서 80V이며, 기기 시작 후 3.5V까지 내려가 구동 가능하며, 최대 부하 전류 3A를 제공하고 출력 범위는 8V에서 16V입니다.

이 데모 보드들은 모두 LT8210EUJ 컨트롤러를 포함하고 있으며, 상수 주파수 전류 모드 아키텍처를 활용하여 최대 400kHz의 위상 잠금 가능한 주파수를 제공합니다. 또한, 선택적인 입력 또는 출력 전류 피드백 루프는 배터리 충전 및 기타 애플리케이션을 지원합니다. 추가적으로, ADI는 강력하고 효율적인 무료 시뮬레이션 소프트웨어인 LTspice®를 제공하며, 이는 회로도 작성 및 파형 뷰어 기능을 통해 아날로그 회로 시뮬레이션을 개선하기 위한 기능 및 모델을 향상시킵니다.

결론

ADI에서 선보인 LT8210은 4-스위치 동기식 벅-부스트 DC/DC 컨트롤러로, PassThru, 강제 연속 모드, 펄스 스킵 모드, Burst® 모드에서 작동하여 슈퍼커패시터 기반 장치의 효율성을 크게 최적화합니다. PassThru 기술을 지원하는 이 벅-부스트 DC/DC 컨트롤러는 배터리 효율을 향상시키고 에너지 저장 시스템의 수명을 연장하여 자동차, 산업용, 통신, 항공우주 전자 시스템과 같은 애플리케이션에 이상적인 선택이 됩니다.