휴대장비 전원 애플리케이션은 범위도 넓고 유형도 다양하다. 디자이너들은 자신의 제품으로 더 높은 기능성을 달성할 수 있도록 갈수록 더 높은 전력을 요구하고 있으며, 이용 가능한 어떤 전력 소스로든 배터리를 충전할 수 있기를 원한다. 이러한 디자이너의 요구를 충족하기 위해서는 더욱 더 높아진 배터리 용량이 요구된다. 그리고 높은 용량을 빠른 시간 안에 충전하기 위해서는 충전 전류가 높아져야 하며, 이 요구를 충족하기 위해서는 배터리 충전 솔루션으로 최대한의 유연성이 요구된다. 이 글에서는 이러한 문제들에 대해서 살펴보고자 한다.

휴대장비 전원 애플리케이션은 범위도 넓고 유형도 다양하다. 휴대장비 전원 제품은 수 마이크로와트 대의 평균 전력을 소비하는 무선 센서에서부터 수백 와트-시 배터리 팩을 이용하는 카트 기반 의료용 또는 데이터 포착 시스템에 이르기까지 다양할 수 있다. 그런데 이러한 다양성에도 불구하고 몇 가지 두드러지는 경향들이 나타나고 있다.
그것은 바로 디자이너들이 자신의 제품으로 더 높은 기능성을 달성할 수 있도록 갈수록 더 높은 전력을 요구하고 있으며 이용 가능한 어떤 전력 소스로든 배터리를 충전할 수 있기를 원한다는 것이다. 첫 번째 요구를 충족하기 위해서는 더욱 더 높아진 배터리 용량이 요구된다.
그런데 불행히도 사용자들은 참을성이 부족해서 이와 같이 높은 용량을 빠른 시간 안에 충전할 수 있어야 하는데 그러기 위해서는 충전 전류가 높아져야 한다. 두 번째 요구를 충족하기 위해서는 배터리 충전 솔루션으로 최대한의 유연성이 요구된다. 이 글에서는 이러한 문제들에 대해서 자세히 살펴보고자 한다.

더 높은 전력 요구

최신 휴대 장비들을 보자. 소비자 휴대장비와 산업용 장비들로서 휴대전화 모뎀, 와이파이 모듈, 블루투스 모듈, 대형 백라이트 디스플레이 등등, 수 없이 많은 예들을 들 수 있다.




많은 휴대장비는 전원 아키텍처가 휴대전화와 닮았다. 통상적으로 3.7V 리튬이온 배터리를 주된 전원 소스로 이용하는데 이것은 이 배터리가 중량(Wh/kg) 및 체적(Wh/m3) 에너지 밀도가 높기 때문이다. 과거에는 다수의 고전력 장비가 전류 요구량을 낮추기 위해서 7.4V 리튬이온 배터리를 이용했으나 저렴한 5V 전력 관리 IC를 이용할 수 있게 되면서 점점 더 많은 휴대장비가 저전압 아키텍처로 전환하였다.
태블릿 컴퓨터가 이 점을 잘 보여준다. 통상적인 태블릿 컴퓨터는 다수의 기능과 (휴대장비로서는) 아주 큰 화면을 포함한다. 3.7V 배터리로 구동할 때는 용량이 수천 밀리암페어-시 단위이다. 이와 같은 배터리를 수 시간 내에 충전하기 위해서는 수천 밀리암페어의 충전 전류가 필요하다.
그런데 이와 같은 높은 충전 전류와 함께 소비자들은 또한 고전류 AC 어댑터를 이용할 수 없을 때 USB 포트로 고전력 장비를 충전하기를 원한다. 이 요구를 충족하기 위해서는 배터리 차저가 AC 어댑터를 이용할 수 있을 때는 높은 전류(2A 이상)로 충전할 수 있어야 하며 그러면서도 USB로부터 2.5W~4.5W를 효율적으로 이용할 수 있어야 한다.
또한 이러한 장비들은 민감한 하위 저전압 장치들을 손상을 일으킬 수 있는 과전압 이벤트로부터 보호하고 USB 입력, AC 어댑터, 배터리로부터 부하로 높은 전류를 매끄럽게 전달하면서 전력 손실을 최소화해야 한다. 이와 함께 배터리 차저 IC는 배터리 충전 알고리즘을 안전하게 관리하고 주요 시스템 파라미터를 모니터링해야 한다.

단일 셀 휴대장비의 전력 과제 해결

이와 같은 요구들을 단일 IC로 충족한다는 것이 불가능하게 보일 수 있는데, 리니어 테크놀로지의 LTC4155는 단일 IC로 고전력 I2C 제어 고효율 PowerPath 관리기, 아이디얼 다이오드 컨트롤러, 리튬이온 배터리 차저를 결합하였다.
LTC4155는 다양한 5V 소스로 최대 3A를 효율적으로 제공할 수 있도록 설계됨으로써 배터리 충전과 시스템 사용 용으로 3.5A 이상을 이용할 수 있도록 한다(그림 1). 이와 같은 높은 전류 수준에도 불구하고 LTC4155는 효율이 88~94%를 달성함으로써 열 성능 상의 제약을 완화한다(그림 2).
LTC4155의 스위칭 PowerPath 토폴로지는 AC 어댑터와 USB 포트 같은 2개 입력 소스로부터 장비의 재충전가능 리튬이온 배터리로 전력 분배를 매끄럽게 관리하며 입력 전력이 제한적일 때는 시스템 부하로 우선적으로 전력을 공급한다.
LTC4155의 스위칭 레귤레이터가 트랜스포머처럼 작동함으로써 VOUT 상의 부하 전류가 입력 전원으로부터 인출하는 전류보다 높을 수 있으므로 통상적인 리니어 모드 차저와 비교해서 배터리 충전을 위해서 가용 전력의 사용을 훨씬 향상시킬 수 있다.
앞서의 예에서는 LTC4155가 어떻게 최대 3.5A로 효율적으로 충전함으로써 더 빠르게 충전할 수 있는지 설명하였다. 보통의 스위칭 배터리 차저와 다르게 LTC4155는 instant-on 동작을 특징으로 함으로써 배터리가 완전히 방전되었거나 심각하게 고갈된 상태에서도 플러그를 연결했을 때 곧바로 시스템 전력을 이용할 수 있다.
배터리를 높은 전류로 충전할 때는 배터리 안전성을 모니터링해야 한다. LTC4155는 배터리 온도가 0℃ 아래로 떨어지거나 40℃ 이상으로 높아지면(외부적 NTC(negative temperature coefficient) 서미스터로 측정했을 때) 자동으로 충전을 정지한다.
이와 같은 자율 기능과 함께 LTC4155는 7비트 확장 스케일 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 제공하므로 약 1℃ 분해능으로 배터리 온도를 모니터링할 수 있다(그림 3). 4개 플로팅 전압 설정 및 15개 배터리 충전 전류 설정과 함께 이 ADC를 이용해서 배터리 온도를 기반으로 한 맞춤화 충전 알고리즘을 작성할 수 있다.
단순한 2와이어 I2C 포트를 통해서 NTC ADC 결과값을 액세스할 수 있으므로 충전 전류와 전압 설정을 조절할 수 있다. 이 I2C 포트는 또한 16개 입력 전류 제한 설정을 제어해서 USB 적합성을 달성할 수 있다(USB 2.0 및 3.0 호환 설정 포함). 통신 버스는 LTC4155가 입력 전원 상태, 차저 상태, 결함 상태 같은 추가적인 상태 정보를 표시할 수 있도록 한다. USB On-The-Go를 지원하므로 추가적인 부품을 필요로 하지 않고 USB 포트로 5V 전원을 제공할 수 있다.
LTC4155의 듀얼 입력 우선순위 다중화기가 사용자가 지정한 우선순위에 따라서 AC 어댑터와 USB 중에서 적합한 입력을 자율적으로 선택한다(디폴트 우선순위는 어댑터 입력이다). 과전압 보호(OVP) 회로가 실수로 높은 전압이나 역 전압을 인가했을 때 발생할 수 있는 손상으로부터 두 입력을 동시에 보호한다. LTC4155의 아이디얼 다이오드 컨트롤러는 입력 전력이 충분하지 않거나 입력 전력이 제공되지 않을 때라도 VOUT으로 항상 충분한 전력을 이용할 수 있도록 한다.
태블릿 컴퓨터나 산업용 바코드 스캐너 같은 다수의 휴대장비 애플리케이션은 2개 입력(USB와 AC 어댑터 등)을 관리하는 것으로 충분하다. 그러나 휴대장비 디자이너들은 이용 가능한 어떠한 전력 소스로나 배터리를 충전할 수 있는 방법들을 끊임없이 모색하고 있다.

다중 입력 소스

사용자가 다중의 입력 소스로 배터리를 충전하고자 하는 데는 여러 가지 이유가 있을 수 있다. 어떤 애플리케이션은 전력망으로부터 멀리 떨어져 있어서 태양열 패널을 이용해서 전력을 공급하고자 할 수 있다. 또 다른 애플리케이션은 AC 어댑터나 자동차 배터리나 고전압 산업용 또는 통신 전원으로 충전할 수 있는 편리함을 원할 수 있다. 어떠한 경우이든 이러한 요구는 배터리 충전 시스템으로 상당한 부담을 가한다.
대다수 배터리 차저는 스텝다운(스위칭 또는 리니어) 아키텍처를 이용해서 최대 배터리 전압보다 높은 전압 전원으로 배터리를 충전한다. 이전의 차저 제품들은 통상적으로 약 30V의 입력 전압으로 제한되었다. 이러한 제한 때문에 디자이너가 통신 전원이나 42V 개방 회로 전압의 태양열 패널을 적용 가능한 입력 전원으로 고려할 수 없었다.
어떤 경우에는 원하는 입력 전원의 전압 범위가 배터리 전압보다 높고 낮게 변동적이다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 솔루션을 설계하기 위해서는 고정밀 전류 검출 증폭기, ADC, 충전을 제어하기 위한 마이크로프로세서, 고성능 DC/DC 컨버터, 아이디얼 다이오드 또는 다중화 회로를 필요로 한다. 리니어는 이보다 나은 솔루션을 제공한다.




유연성 뛰어난 강력한 충전 솔루션

LTC4000을 이용해서 어떠한 외부 보정 DC/DC 전원장치를 PowerPath 제어 기능의 포괄적인 배터리 차저로 변화시킬 수 있다. LTC4000으로 구동할 수 있는 DC/DC 컨버터 토폴로지로는 벅, 부스트, 벅-부스트, Sepic, 플라이백 등을 포함한다.
이 디바이스는 정밀한 입력 및 충전 전류 레귤레이션을 달성하며 3V~60V의 넓은 입력 및 출력 전압 범위로 동작하므로 각기 다른 다양한 입력 전압 소스, 배터리 스택 크기, 배터리 소재와 호환 가능하다. 이 디바이스의 범용 구성에 의해서 다양한 유형의 애플리케이션이 가능하며 그러한 애플리케이션들로서 고전력 배터리 차저 시스템, 고성능 휴대 장비, 배터리 백업 시스템, 산업용 배터리 사용 장비, 노트북/서브노트북 컴퓨터를 들 수 있다.
LTC4000은 높은 전압 용량에다 다양한 DC/DC 토폴로지와 결합할 수 있다는 점을 더함으로써 거의 어떠한 입력 전원으로나 강력한 배터리 충전 솔루션을 구현할 수 있다(그림 4 및 그림 5).
이들 입력으로부터의 전력이 적절한 부하로 흐르도록 하기 위해서LTC
4000은 지능적인 PowerPath 토폴로지를 채택해서 입력 전력이 제한될 때 우선적으로 시스템 부하로 전력이 공급되도록 한다. LTC4000이 외부 PFET를 제어해서 저손실 역 전류 방지, 배터리의 저손실 충전 및 방전, instant-on 동작을 가능하게 하므로 배터리가 완전히 방전되었거나 심하게 고갈되었을 때라도 플러그를 연결했을 때 곧바로 시스템 전력을 이용할 수 있다.
외부 검출 저항이 입력 전류 및 배터리 충전 전류 정보를 제공하므로 LTC4000이 컨버터와 함께 동작해서 전력 범위를 밀리와트에서 킬로와트로 확장시킬 수 있다. LTC4000의 포괄적 기능의 배터리 충전 컨트롤러는 리튬이온/리튬폴리머/리튬인산, SLA(sealed lead acid), 니켈 같은 다양한 유형의 배터리 소재를 충전할 수 있다. 또한 이 배터리 차저는 정밀 전류 검출이 가능하므로 고전류 애플리케이션으로 더 낮은 검출 전압이 가능하도록 한다.

결론

최신 휴대 장비 제품 디자이너들은 특히 전력과 관련해서 극히 까다로운 해결 과제에 직면해 있다. 사용자들이 갈수록 더 높은 전력을 필요로 하고 그러므로 더 대형의 배터리를 필요로 하는 기능들을 요구하고 있는 것이다. 그러면서도 사용자들은 이러한 배터리를 이용 가능한 거의 어느 전력 소스로나 충전할 수 있는 편리성 또한 원하고 있다.
휴대 장비의 전력과 관련한 이러한 경향들에 따른 설계 상의 과제들을 해결할 수 있도록 LTC4155와 LTC4000이 편리한 솔루션을 제공한다. 저전압 시스템에 이용할 수 있도록 LTC4155는 최대 3.5A의 충전 전류를 효율적으로 제공하며 일련의 고성능 기능들을 제공한다. LTC4000은 뛰어난 성능 및 유연성으로 거의 어떠한 입력으로나 강력한 충전 솔루션을 구현할 수 있도록 한다.