차량 추적 시스템 용의 배터리 충전 겸 전원 백업 관리 IC

  • 2018-05-03
  • 글 | Steve Knoth, Analog Devices




유럽과 북미를 비롯한 선진국 지역에서는
자동차에 IoT 기술을 도입하는 것과 맞물려
차량 추적 시스템 도입이 증가할 것으로 예상된다.


머리말


차량 추적 시스템을 사용함으로써 한 대 혹은 여러 대의 차량들을 모니터링할 수 있다. 차량 추적 시스템은 자동 추적 하드웨어 및 소프트웨어로 이루어지며 데이터 수집과 경우에 따라서는 데이터 전송을 할 수 있다. 전세계 차량 관리 시장 규모는 2015년에 80억 달러 규모에서 2022년에 220억 달러로 증가함으로써 2016년부터 2023년에 이르기까지 20%의 CAGR(연평균 성장률)로 성장할 것으로 전망된다(출처: Global Market Insights). 남미, 중동, 아프리카 같은 지역에서 상업용 차량의 수요가 증가하는 것이 이러한 성장에 한 몫을 할 것으로 기대된다.

유럽과 북미를 비롯한 선진국 지역에서는 자동차에 IoT 기술을 도입하는 것과 맞물려 차량 추적 시스템 도입이 증가할 것으로 예상된다. 다만 지금까지는 높은 비용이 걸림돌이 되어 왔다. 아시아태평양 지역의 차량 추적 시장도 이 기간에 큰폭으로 성장할 것으로 전망된다. 이 지역에서는 일본, 인도, 중국이 성장을 견인할 것이다. 이들 국가에서 상업용 차량의 수요가 많기 때문에 그만큼 성장 잠재력이 크다고 할 수 있다.

능동 추적 대 수동 추적 시스템

능동 및 수동 추적 시스템은 데이터를 수집하는 방식도 동일하고 정확도도 같다. 두 타입에 있어서 가장 큰 차이점은 시간이다. 능동 추적 시스템은 위성이나 셀룰러 망을 통해서 데이터를 전송할 수 있기 때문에 “실시간 추적”이라고도 한다. 그러므로 자동차가 어디에 있는지를 바로 알 수 있다. 차량의 이동을 컴퓨터 화면 상에 실시간으로 표시할 수 있기 때문이다. 그러므로 능동 추적은 물품의 운송 효율을 높이고 운전자의 운전을 모니터링하고자 하는 기업들에서 사용하기에 적합하다.

능동 추적은 또한 “geo-fence”기능이 가능하다. 다시 말해서 자동차가 사전에 지정된 경계로 진입하거나 벗어났을 때 경보를 울릴 수 있다(출처: RMT Corporation). 또한 이러한 시스템을 사용함으로써 도난을 방지할 수 있으며 도난된 차량은 더 쉽게 찾을 수 있다. 하지만 능동 GPS 추적 장치는 수동 장치보다 더 비싸며 다달이 서비스 요금을 지불해야 한다.

이와 비교해서 수동 추적 시스템은 가격이 더 저렴하고, 더 작고, 덜 드러나게 할 수 있다. 단점은, 데이터 저장이 제한적이라는 것이다. 수동 추적은 정보를 장치 상에 저장하며 데이터를 원격지로 전송하는 것은 하지 않는다. 이 정보를 보려면 추적 장치를 자동차로부터 꺼내서 컴퓨터로 연결해야 한다.

이러한 시스템은 개인이 직업상 자신의 마일리지를 추적하고자 하거나 또는 기업들에서 자사 차량을 정해진 용도가 아닌 다른 용도로 남용하지 못하도록 방지하고자 할 때 사용하기에 적합하다. 또한 사람들의 활동을 확인하는 데도 사용될 수 있다(범죄 수사 등). 수동 추적 시스템은 즉각적인 피드백이 필요하지 않고 데이터를 주기적으로 확인하고자 하는 경우에 적합하다.

두 타입 모두 특성적으로 휴대가 가능해야 하며 폼팩터가 비교적 작다. 그러므로 전원 중단 시에 데이터를 저장하기 위한 백업 기능으로서 배터리 전원이 필요하다. 높은 자동차 시스템 전압과 배터리(통상적으로 단일 셀 리튬이온 전지)를 충전하기 위해서 필요한 전류 때문에 스위치모드 차저가 바람직하다. 선형 배터리 충전 IC에 비해서 충전 효율이 더 높기 때문이다.

그러므로 낭비되는 전력이 열로 발생되는 것이 덜하다. 일반적으로 임베디드 자동차 애플리케이션은 입력 전압이 30V까지 이르거나 혹은 그보다도 높을 수 있다. 이러한 GPS 추적 시스템 용으로는 정격 12V부터 단일 셀 리튬이온 배터리(3.7V 정격)까지 가능하고 과도하게 높은 입력 전압(배터리 이상으로 인한 전압 트랜션트 등)에 대한 보호 기능과 일정한 형태의 백업 기능을 갖춘 차저를 사용하는 것이 이상적이다.

배터리 충전 IC 고려사항

기존의 선형 토폴로지 배터리 차저는 소형 풋프린트, 단순성, 적당한 가격대가 장점이다. 하지만 선형 차저는, 입력 및 배터리 전압 범위가 제한적이고, 비교적 전류 소모가 높고, 충전 종료 알고리즘이 제한적이고, 비교적 효율이 낮다는 것이 단점이다. 이와 비교해서 스위치모드 배터리 차저는 우수한 토폴로지, 유연성, 다중 소재 충전, 높은 충전 효율(그러므로 열 발생을 최소화하고 충전 시간 단축), 넓은 동작 전압 범위를 특징으로 한다.

물론 언제나 그렇듯이 단점이 없는 것은 아니다. 스위칭 차저의 단점은, 가격대가 비교적 높고, 인덕터 기반 디자인이 좀 더 복잡하고, 잡음을 발생시킬 수 있고, 풋프린트가 더 크다는 것이다. 최신 납축전지, 무선 전원, 에너지 포집, 태양광 충전, 원격 센서, 임베디드 자동차 애플리케이션 모두가 위에서 언급한 장점들 때문에 스위치모드 차저를 주로 많이 사용하고 있다.

기존 추적 시스템의 백업 전원 관리 시스템은 다중의 IC, 고전압 벅 레귤레이터, 배터리 차저, 그 외의 다수의 소자들을 포함함으로써 결코 컴팩트한 솔루션이라고는 할 수 없다. 통상적인 추적 시스템 애플리케이션은 저장 및 백업 용으로 자동차 배터리와 1셀 리튬이온 배터리를 사용한다.

그러면 왜 추적 시스템으로 고도의 통합적인 전원 관리 솔루션이 필요한지 살펴보자. 우선은, 추적 장치의 크기 자체를 줄여야 하기 때문이다. 이 장치는 작으면 작을수록 좋다. 또한 배터리를 안전하게 충전하고 IC를 전압 트랜션트로부터 보호해야 하는 요구 때문이다. 시스템 전원이 중단되었을 때 시스템 백업을 위해서, 그리고 최대 4.45V인 GPRS(general packet radio service) 칩셋의 비교적 낮은 레일 전압을 구동하기 위해서는 이 기능이 꼭 필요하다.

전원 백업 관리

위의 요건들을 충족하는 통합적인 전원 백업 관리 및 충전 솔루션을 위해서는 다음과 같은 특성들을 갖추어야 할 것이다:

• 동기 벅 토폴로지를 사용해서 높은 효율을 달성한다.
• 넓은 입력 전압 범위는 다양한 유형의 입력 전원을 수용할 수 있으며, 높은 전압 트랜션트에 대한 보호 기능을 포함해야 한다.
• GPRS 칩셋을 지원하기에 적절한 배터리 충전 전압이어야 한다.
• (마이크로컨트롤러를 필요로 하지 않고) 온보드 충전 종료 기능을 사용해서 자율적으로 동작할 수 있어야 한다.
• PowerPath 제어는 전원 중단 시에 입력 전원과 백업 전원을 매끄럽게 전환할 수 있다. 또한 입력 단락이 발생되었을 때 역류 차단을 할 수 있어야 한다.
• 입력에 문제가 있을 때 시스템 부하를 구동하기 위한 배터리 백업을 제공해야 한다.
• 공간이 제한적이므로 풋프린트가 작고 두께가 얇아야 한다.
• 향상된 패키징을 사용해서 열 성능과 공간 효율을 높일 수 있다.

바로 이러한 요구를 충족하는 제품으로 Analog Devices는 LTC4091을 출시했다. LTC4091은 메인 전원이 장시간 중단되더라도 계속해서 작동되어야 하는 3.45V~4.45V 전원 레일 용의 포괄적인 리튬이온 배터리 백업 관리 IC이다. LTC4091은 출력 조절 가능한 36V 벅 컨버터로서, 시스템 부하로 전력을 공급하면서 벅 출력을 사용해서 고효율 배터리 충전을 할 수 있다.

외부 전원을 사용할 수 있을 때면 최대 2.5A에 이르는 총 출력 전류와 단일 셀 4.1V 또는 4.2V 리튬이온 배터리로 최대 1.5A의 충전 전류를 제공할 수 있다. 그러다가 메인 입력 소스가 중단되고 더 이상 부하로 전력을 제공할 수 없으면, LTC4091이 백업 리튬이온 배터리로부터 내부 다이오드를 통해서 시스템 출력 부하로 최대 4A까지 제공할 수 있으며, 외부 다이오드 트랜지스터를 사용하면 거의 제한 없이 전류를 제공할 수 있다. 민감한 하위 부하들을 보호하기 위해서 최대 출력 부하 전압은 4.45V이다.

또한 이 제품의 PowerPath 제어는 전원 중단 시에 입력 전원과 백업 전원 사이를 매끄럽게 전환할 수 있으며 입력 단락 시에 역류 차단을 할 수 있다. LTC4091을 사용할 수 있는 애플리케이션으로는 차량 및 자산 추적, 자동차 GPS 데이터 로거 및 텔레매틱스 시스템, 보안 시스템, 통신, 산업용 백업 시스템을 들 수 있다.

또한 LTC4091은 60V 절대 최대 입력 과전압 보호 기능을 포함하므로, 높은 입력 전압 트랜션트를 견딜 수 있다. 또 LTC4091의 배터리 차저는 리튬이온 배터리 백업 애플리케이션에 따라서 핀을 통해서 2가지 충전 전압을 선택할 수 있다. 표준적인 4.2V와 4.1V이다. 그러므로 배터리 사용 시간이냐 아니면 충전/방전 사이클 수명이냐에 따라서 적절한 전압을 선택할 수 있다. 그 밖에도 소프트 스타트와 주파수 폴드백(스타트업 및 과부하 시의 출력 전류 제어), 세류 충전, 자동 재충전, 배터리 부족 시 예비 충전, 충전 타이머 종료, 과열 보호, 온도 검증 충전을 위한 서미스터 핀을 특징으로 한다.

LTC4091은 로우프로파일(0.75mm) 22리드 3mm x 6mm DFN 패키지로서, 후면 금속 패드를 적용함으로써 열 성능이 우수하다. 그리고 -40℃~+125℃로 동작한다. 그림 1은 애플리케이션 회로 예를 보여준다.



과열 보호


과열로 인해서 IC 자신이나 주변 소자들이 손상되는 것을 방지하기 위해서, 다이 온도가 대략 105℃까지로 상승하면 내부적인 열 피드백 루프가 프로그램 된 충전 전류를 자동으로 낮춘다. 그러므로 LTC4091을 고전력 동작이나 또는 높은 주변 온도로 인한 과열로부터 보호할 수 있다. 특정한 회로 보드 디자인으로 전력 취급 용량에 한계를 가함으로써 LTC4091이나 외부 소자들을 손상되지 않도록 보호할 수 있다. 이 과열 보호 루프의 장점은, 최악 상황 조건이 아니라 실제적으로 예상되는 조건으로 충전 전류를 설정할 수 있다는 것이다. 최악 상황 조건 시에는 배터리 차저가 자동으로 충전 전류를 낮출 것이기 때문이다.



자동차 콜드 크랭크 상황 극복


자동차 애플리케이션은 콜드 크랭크 같은 상황일 때 큰폭의 전원 전압 변동을 겪을 수 있다. 그러면 고전압 스위칭 레귤레이터가 레귤레이션을 하지 못하게 되고 그러면 VIN을 회복했을 때 과도한 VC 전압이 발생되고 결과적으로 과도한 출력 오버슈트가 발생될 수 있다. 콜드 크랭크 조건으로부터 회복할 때 오버슈트를 방지하기 위해서는 RUN/SS 핀을 통해서 LTC4091의 소프트 스타트 회로를 리셋 해야 한다. 그림 2는 자동으로 브라운아웃 조건을 감지하고 RUN/SS 핀을 리셋 해서 소프트 스타트 기능을 리셋하고 위험한 출력 오버슈트를 방지하는 회로 예를 보여준다.

맺음말

차량 추적 시스템의 사용이 증가하고 있다. 최신 추적 시스템은 점점 더 소형화되고 있으며, 데이터 전송을 사용해서 실시간 추적까지도 가능하게 되었다. 또한 백업 기능을 필요로 하며, GPRS 칩셋을 지원하기 위한 낮은 전압을 필요로 한다. Analog Devices의 LTC4091은 고전압 고전류 벅 배터리 충전 겸 PowerPath 백업 관리 IC로서, 과열 보호와 여타의 포괄적인 보호 기능들을 포함한다. 차량 추적 애플리케이션 용으로 컴팩트하면서 강력하고 유연한 단일칩 솔루션을 제공한다. 그러므로 디자이너의 설계 작업을 간소화한다.
 

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