각종 애플리케이션에 범용 배터리 충전기 적용하기

  • 2018-11-06
  • 글 | 재커리 팬틀리(Zachary Pantely) / 아나로그디바이스




엔지니어는 모든 애플리케이션에 적용이 가능한 범용 배터리 충전기를 사용하기 원할 것이다. 핵심적인 설계 파라미터에 상관없이 시중의 범용 배터리 충전기 IC를 선택하기만 하면 될 것이다. LTC4162는 그러한 작업을 위한 최고의 선택이라고 할 수 있다.

배터리 충전기를 설계할 때 가장 먼저 해야 할 일은 시중의 엄청나게 많은 솔루션들 중에서 배터리 충전기 IC를 선택하는 것이다.

객관적인 결정을 내리기 위해 설계팀은 먼저 배터리 파라미터(화합물, 셀의 개수 등)와 입력 파라미터(태양광, USB 등)를 명확하게 정의해야 한다. 그 다음, 설계팀은 입/출력 파라미터에 맞는 충전기를 검색해서 여러 데이터시트를 비교한 후 최종적으로 최적의 솔루션을 결정한다. 이 같은 선택 절차를 통해 설계팀은 해당 애플리케이션을 위한 최적의 솔루션을 찾아낼 수 있다. 이는 물론 설계 파라미터가 달라지기 전 까지 이며, 파라미터가 변경되면 데이터시트 비교 단계로 다시 돌아가야 한다.

만약 이런 단계를 모두 생략할 수 있다면 어떨까? 설계자가 애플리케이션 솔루션에 보다 집중하고, 작동하는 솔루션을 내놓아야 할 때에는 배터리 충전기 IC를 실제 IC로 채워진 블랙박스처럼 다룰 수 있다면 얼마나 좋을까? 이 경우, 설계자는 핵심적인 설계 파라미터에 상관없이 시중의 범용 배터리 충전기 IC를 선택하기만 하면 될 것이다. 심지어 입력이나 배터리 종류의 변경 같이 애플리케이션 파라미터가 바뀌어도 이 상용 배터리 충전기 IC는 여전히 적합하며, 추가로 데이터시트를 검색할 필요도 없다면 말이다.

다음과 같은 두 가지의 서로 다른 배터리 충전기 프로젝트를 살펴보면 이러한 이슈가 잘 드러난다.

▶ 설계팀 A는 태양광 패널 입력을 사용해 납축전지를 충전하는 배터리 충전기를 설계하는 작업을 맡았다. 충전기는 마이크로컨트롤러가 없는 독립형이어야 하지만, 몇 가지 다른 태양광 패널 모델을 지원할 수 있도록 충분히 다용도로 사용할 수 있어야 한다. 설계팀은 일주일 안에 회로도 설계를 완성해야 한다.

▶ 설계팀 B는 보다 복잡한 충전기 문제를 안고 있다. 이들의 설계는 5V USB 전원을 사용하여 1셀 리튬이온 배터리를 1.3A으로 셀 당 4.1V 종단 전압까지 충전한다. 47°C가 넘으면 0.5A에서 셀 당 4V로 충전 전압을 낮추고, 72°C가 넘으면 충전을 중단시키고자 한다. 시스템의 마이크로컨트롤러는 배터리의 전압, 전류, 온도 및 상태를 알아야 한다. B 설계팀 역시 일주일 안에 회로도 설계를 완성해야 한다.

이처럼 설계 조건이 판이하게 다른 두 상황에서 두 설계팀 모두 동일한 배터리 충전기 IC를 사용할 수 있다고 하면, 이 IC는 두 애플리케이션 모두에서 가능한 최고의 선택이 될 수 있는 것이다.

탁월한 특성과 소형 패키지

LTC4162 35V, 3.2A 모놀리식 벅 충전기는 단순성과 범용성의 최적의 결합을 자랑한다. 단독으로도 동작할 수 있고, 또는 호스트 컨트롤러와 함께 동작하는 것도 가능한 LTC4162는 기본적인 솔루션에서부터 복잡한 솔루션까지 구현할 수 있다. 또한 완전한 기능을 갖춘 I2C 텔레메트리 시스템이 통합되어 있어 사용자는 선택적으로 배터리를 모니터링하고 특정 배터리 모델에 맞춤화 한 충전 파라미터를 구현할 수 있다.

진정한 의미의 최대 전력 점 추적(MPPT) 알고리즘을 이용해 예컨대 태양광 패널과 같은 모든 하이 임피던스 소스에서도 최적으로 동작할 수 있다. 충전 알고리즘은 리튬이온, LiFePO4, 또는 납축 등 선택한 배터리 화합물에 맞춰 조정된다.

이러한 기능들이 4mm × 5mm QFN 패키지로 제공되며, 일반적인 솔루션 크기는 약 1cm × 2cm이다.



강력한 성능


이 디바이스는 작은 크기에 강력한 성능을 제공한다. 스위칭 FET를 내장하고 있음에도, LTC4162는 60W 이상의 충전 전력을 지원할 수 있다. 다이 온도에 대한 자체 모니터링 기능을 내장하고 있어, LTC4162는 가장 뜨거운 환경과 가장 좁은 케이스에서도 과열되지 않도록 충전 전류를 조절할 수 있다.

PowerPath™ FET(INFET 및 BATFET)는 입력 전압(VIN)이 존재할 경우에는 시스템 부하(VOUT)가 항상 입력 전압에 의해 전력을 공급받도록 하고, VIN이 없는 경우 배터리에 의해 공급받도록 한다. 또한 외부 N-채널 FET을 사용함으로써, 부하에 전달되는 전류량에 제한 없이 저손실 경로를 제공할 수 있다.



유연한 온도 제어


LTC4162는 온도에 따라 충전이 이루어지도록 사용자가 온도를 조절할 수 있게 해준다. 리튬 기반 화합물(리튬이온 및 LiFePO4)의 경우, LTC4162는 JEITA 온도 제어 충전을 사용할 수 있다. JEITA를 통해 사용자는 맞춤형 온도 범위를 설정할 수 있으며, 이 범위 안에서는 맞춤형 배터리 충전 전압 및 전류를 사용하여 배터리 충전이 가능하다.

또한 이 기능을 이용해 설계자는 배터리 충전을 중단시키는 최고 온도와 최저 온도를 결정할 수 있다. 디폴트 JEITA 설정은 호스트 프로세서 없이도 많은 배터리에서 가능하지만, 이 기능은 LTC4162가 어떠한 배터리 온도 프로파일 요건과도 동작할 수 있게 해준다.



텔레메트리 및 제어


LTC4162는 호스트 컨트롤러 없이 동작할 수 있지만, 충전의 많은 측면을 I2C 포트를 통해 모니터링하고 제어할 수 있다. 온칩 텔레메트리 시스템은 시스템과 배터리 전압 및 전류를 실시간으로 판독한다. 측정값이 미리 설정한 임계값에 도달했거나 특정한 충전 상태에 들어오면 이를 호스트 컨트롤러에 알리도록 다양한 임계값과 경보 설정이 가능하다.

예를 들어 배터리 전압이 특정한 하한값 이하로 떨어지면 일반적인 기능들이 저전력 모드에 들어가도록 하는 설계를 가정해 보자. 마이크로컨트롤러가 지속적으로 배터리 전압을 폴링(polling)하는 대신, LTC4162가 모니터링을 수행하고 특정 임계값에 도달할 경우 이를 호스트 컨트롤러에 알린다. 그러면 호스트는 주 부하를 끄고 저전력 상태에 들어가는 것이다.

또한 이 텔레메트리 시스템은 배터리 상태를 표시하는 BSR(battery series resistance)을 측정할 수 있다. BSR 측정은 자동으로 실행하도록 설정할 수 있으며, 측정값이 사용자가 설정한 BSR 상한값을 넘을 경우 이를 호스트 컨트롤러에 알리도록 경보를 구성할 수 있다. 그러면 호스트 컨트롤러는 사용자에게 배터리를 교체해야 한다는 신호를 보낸다.

입력 전원이 제거되고 시스템이 배터리에서 전력을 공급받을 경우, LTC4162는 자동으로 텔레메트리 시스템의 전원을 끔으로써 배터리 수명을 보존한다. 측정이 필요할 경우, I2C 명령을 통해 텔레메트리 시스템을 강제로 작동할 수 있다. 이때 시스템은 보다 느린 저전력 텔레메트리 모드로 전환하여 5초마다 측정을 수행하는데, 필요시 언제든 텔레메트리를 고속 11ms/읽기 속도로 설정할 수 있다.

납축전지 역시 마찬가지다. 온도가 높아지면 온도 보상 알고리즘이 각각의 충전 스테이지에서 목표 전압을 선형적으로 감소시킨다. 이들 전압은 I2C 명령으로 오프셋 할 수 있으며, 간단히 서미스터를 변경하여 보상 기울기를 수정할 수 있다.



MPPT 및 입력 레귤레이션


단순화를 위해, 많은 태양광 패널 레귤레이션 회로들이 최대 전력점 전압(VMPP)을 고정 값으로 설정한다. 그러나 실제로 VMPP는 조사되는 빛의 양에 따라 달라지며, 특히 부분적으로 가려진 태양광 패널은 여러 전력 피크를 가질 수 있다.



LTC4162의 첨단 최대 전력점 추적(MPPT) 알고리즘은 입력 전원에 연결된 패널의 전체 전압 범위를 스위핑함으로써 모든 변수를 고려하여 항상 최대 전력점으로 안정화한다. LTC4162는 태양광 패널 범위에 대한 간헐적인 스위핑 외에도, 입력 레귤레이션 전압을 지속적으로 디더링하여 VMPP의 변화가 최소화되도록 한다. 이러한 기능들은 맞춤형 프로그래밍이 필요 없으므로, 충전기를 변경하지 않고도 패널을 교체할 수 있다.

입력 레귤레이션의 이점은 태양광 패널 소스 외에 다른 애플리케이션에서도 누릴 수 있다. 예컨대 많은 USB 케이블은 상당한 양의 직렬 임피던스를 갖는데, 이는 전류가 소비될 때 충전기 입력에서 전압 드룹의 원인이 된다. LTC4162의 저전압 전류 제한 기능은 입력에서 최소 전압이 유지되도록 이러한 전류를 조절한다.



USB PD(Power Delivery)


LTC4162는 USB Type-C 케이블을 통해 최대 100W 전력을 공급할 수 있는 USB PD(Power Delivery) 규격을 충족한다. LTC4162의 입력 전류 제한은 입력 어댑터가 과부하되지 않도록 구성할 수 있다. 입력 전류 제한에 도달하면 시스템 부하는 여전히 입력으로부터 필요로 하는 만큼 전력을 끌어올 수 있지만, 배터리 충전 전류는 입력 전류 제한이 초과되지 않도록 감소된다. USB PD에서 이러한 특징은 하나의 LTC4162 회로를 다양한 전원 어댑터 프로파일로 공급할 수 있다는 것을 의미한다.



저전력 선적 모드


제품을 선적하거나 창고에 장기간 보관할 필요가 있을 때, I2C 명령을 통해 LTC4162를 저전력 상태로 전환하여 배터리의 전류 소비를 약 3.5μA로 낮출 수 있다. 옵션 기능을 활용하면, 이러한 기간 동안 시스템 부하로부터 전력을 차단하도록 회로를 구성할 수도 있다.

다양한 IC 버전

제품과 문서를 단순화하기 위해, LTC4162는 배터리 화합물, 충전 파라미터, 디폴트 시 MPPT 작동 여부에 따라 분류하고 있다. 표 1은 제공되는 모든 LTC4162 버전을 나타낸다.



각 버전은 핀 호환이 가능하며, 프로토타이핑 동안 다른 버전으로 교체할 수 있다. 각 LTC4162 버전들은 상호교환이 가능하므로 동일한 회로를 사용하면서 다른 배터리 화합물, 충전 전압 또는 입력 소스를 사용하는 제품을 쉽게 제작할 수 있다.

문서를 단순화하기 위해 LTC4162의 데이터시트는 화합물에 따라 분류된다. 리튬이온, LiFePO4, 납축전지 버전에 대한 각각의 데이터시트가 제공된다.

결론

설계팀은 하루 종일 다양한 배터리 충전기와 전력 모니터, 태양광 레귤레이터에 대한 데이터시트를 읽고, 또 몇 시간 동안 온도에 따른 맞춤형 충전 알고리즘 코드를 작성하고, 측정 결과를 수작업으로 폴링하여 언제 제한값을 초과하는지 검출하기보다, 모든 애플리케이션에 적용이 가능한 범용 배터리 충전기를 사용하기 원할 것이다. LTC4162는 그러한 작업을 위한 최고의 선택이라고 할 수 있다.

저자 소개
재커리 팬틀리(Zachary Pantely)는 아나로그디바이스 리니어그룹의 전력 애플리케이션 엔지니어이다. 현재 다양한 배터리 충전기, 수퍼커패시터 충전기, 다중 출력 벅 및 에너지 하베스팅 디바이스의 기능들을 시연하는 데모 보드를 설계하고 지원하고 있다. 하드웨어 작업 외에도 GUI 및 펌웨어 프로그래밍에 참여하여 디지털 인터페이스를 갖는 제품의 기능을 선보이고 있다. 매사추세츠 로웰대학에서 전기공학 및 사운드 레코딩 기술을 복수 전공하고 2015년 졸업했다(연락처 zachary.pantely@analog.com).

 

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