기존의 단일 집적회로(IC) 기반의 솔루션은 다양한 입력 전압, 충전 전압, 충전 전류 중에서 일부밖에 지원하지 못한다. 고전압, 고전류 배터리 충전 컨트롤러인 LTC4000은 다양한 유형의 배터리를 충전할 수 있으며 외부 보상 DC-DC 컨버터와 결합해서 강력한 배터리 충전 및 전력관리 솔루션을 구현할 수 있다.

글 | 스티븐 노스(Steve Knoth)
     전력제품사업부 선임 제품 마케팅 엔지니어
     리니어 테크놀로지(Linear Technology)    

배터리 충전은 다양한 시장 분야에서 요구하는 다양한 배터리 재료, 전압, 전류 수준을 지원할 수 있어야 한다. 예컨대 산업용, 의료용, 차량용 배터리 충전기는 계속해서 더 높은 전압과 전류를 요구하고 있으며, 태양광 분야에서 밀폐형 납축전지(Sealed Lead Acid, SLA) 배터리의 사용이 늘고 있는 것과 같이 기존 배터리와 신규 배터리 재료로 새로운 애플리케이션이 등장하고 있다. 기존의 단일 집적회로(IC) 기반의 솔루션은 다양한 입력 전압, 충전 전압, 충전 전류 중에서 일부밖에 지원하지 못한다. 대부분의 이러한 조합 및 토폴로지를 충족하기 위해서는 통상적으로 IC와 디스크리트 부품을 복잡하게 결합해야 했다.



최근 시장 동향을 살펴보면, 고용량 SLA 배터리 셀에 대한 관심이 되살아나고 있음을 볼 수 있다. 이 배터리는 더 이상 자동차에만 이용되지 않는다. 자동차 또는 “starting” SLA 셀은 가격/전력 출력 관점에서 비싸지 않고 짧은 시간에 높은 펄스 전류를 공급할 수 있으므로 자동차 및 기타 차량 스타터 애플리케이션에 이용하기에 적합하다. “deep cycle” 납축전지 또한 산업용 애플리케이션에 널리 사용되고 있는 기술이다. 이러한 납축전지는 자동차 배터리보다 도금이 더 두껍고 최대 충전 용량의 20%에 이르기까지 방전되도록 설계되었다. 이 배터리는 통상적으로 지게차나 골프 카트 같이 긴 시간에 걸쳐서 전력이 요구되는 애플리케이션에 주로 사용된다. 그런데 납축전지는 과충전에 매우 민감하므로 신중한 충전이 대단히 중요하다.



태양광 구동 애플리케이션이 증가하고 있다는 것은 분명한 사실이다. 이제는 다양한 크기의 태양광 패널을 이용해서 횡단보도 표시등, 쓰레기 압축기, 해양용 부표 같은 다양하고 혁신적인 애플리케이션을 구동하고 있다. 태양광 구동 애플리케이션에 이용되는 배터리는 긴 시간에 걸쳐서 반복적인 충전 사이클과 극심한 방전을 견딜 수 있는 “deep cycle” 배터리다. 이러한 유형의 배터리는 태양광발전이나 풍력발전 같은 “off-grid”(전력망으로부터 차단된) 재생 에너지 시스템에 주로 이용된다.

“All-in-One” 충전기 솔루션은 어디에?
설계자가 충전 프로젝트를 진행할 때 겪게 되는 어려운 문제 중 몇 가지는 높은 입력 전압 요구를 충족해야 하고 고용량 배터리를 충전해야 하며 입력 전압 범위가 배터리 전압 범위를 벗어날 수 있다는 점이다. 또한 문제를 더 어렵게 하는 것은 많은 애플리케이션이 전문적이면서 현재 단순한 충전 솔루션이 나와 있지 않다는 점이다. 그러한 예로서 다음을 들 수 있다:
- 직렬 셀 수가 높은 배터리 스택- 4개 이상의 리튬 셀을 위해서 이용할 수 있는 IC 솔루션이 존재하지 않는다.
- 높은 입력 전압 애플리케이션-30~40 V 이상에 달하는 IC 솔루션이 존재하지 않는다.
- 벅-부스트(buck-boost) 애플리케이션과 플라이백 구성 같은 절연형 토폴로지 IC 설계의 복잡성으로 인해 기존의 배터리 충전 컨트롤러는 주로 스텝다운 또는 벅 아키텍처로 제한됐다. 일부 기존 솔루션은 온보드 종단 등을 이용해서 여러 배터리를 충전할 수 있게 됐다. (하지만 아직까지도 어떤 충전 솔루션도 모든 문제를 해결할 수 있도록 필요한 기능을 제공하지 못하고 있다.) 이와 같은 디바이스의 주요 애플리케이션은 고전력 배터리 충전기 시스템, 휴대형 장비, 산업용 배터리 구동 장비, 범용 충전 등이다.

새로운 IC 솔루션
위에서 말하는 문제를 해결할 수 있는 IC 충전 솔루션이 되기 위해서는 다음과 같은 점을 갖춰야 한다.
- 유연성-다양한 스위처 토폴로지로 동작할 수 있어야 한다.
- 넓은 입력 전압 범위
- 다중의 배터리 스택을 지원할 수 있도록 넓은 출력 전압 범위
- 다양한 배터리 충전
- 단순하며 자율적인 동작 (마이크로프로세서 불필요)
- 높은 출력 전류
- 작고 얇은 솔루션 풋프린트
- 향상된 열 성능을 달성하고 공간을 절약하는 첨단 패키징

PowerPath™ 제어 및 입력 전류 제한 기능을 이용한 통상적으로 복잡한 경쟁 솔루션은 DC-DC 스위칭 레귤레이터, 마이크로프로세서, 다수의 IC 및 디스크리트 부품으로 이루어진다. 그런데 리니어 테크놀로지의 LTC4000 배터리 충전 컨트롤러의 등장으로 더욱 더 단순한 솔루션을 이용할 수 있게 됐다.
LTC4000은 거의 모든 외부 보상형 DC/DC 전원을 전 기능 배터리 충전기로 변환할 수 있는 고전압 컨트롤러 및 전력 관리기이다(그림 1). LTC4000은 벅, 부스트, 벅-부스트, SEPIC, 플라이백을 포함한 주요 DC/DC 컨버터 토폴로지를 구동할 수 있다. 이 디바이스는 정밀한 입력 및 충전 전류 레귤레이션을 달성하고 3~60 V의 넓은 입력 및 출력 전압 범위로 동작하므로 다양한 입력 전압 소스, 배터리 스택, 소재에 이용할 수 있다. 주요 애플리케이션은 고전력 배터리 충전 시스템, 고성능 휴대형 장비, 배터리 백업 시스템, 산업용 배터리 사용 장비, 노트북/서브노트북 컴퓨터 등이다.
LTC4000은 지능적인 PowerPath 토폴로지를 이용해서 입력 전력이 제한적일 때 우선적으로 시스템 부하로 전력을 공급한다. 2개의 외부 PFET를 이용해서 저손실 역 전류 방지 기능을 제공하며 배터리의 효율적인 충전 및 방전을 가능하게 하고, 배터리가 완전히 또는 심하게 방전되었을 때라도 플러그인 동안에 곧바로 시스템 전력을 이용할 수 있는 instant-on 기능을 제공한다. 또한 외부 검출 저항 및 정밀 검출 기능은 높은 효율로 정확한 전류를 제공함으로써 전력 범위가 밀리와트에서부터 킬로와트에 이르는 다양한 유형의 컨버터에 이용할 수 있다.
LTC4000의 전 기능 컨트롤러는 리튬이온/폴리머/인산, 납축전지, 니켈 등 다양한 배터리를 충전할 수 있다. 이 디바이스는 또한 FLT 및 CHRG 핀을 통해서 충전 상태 표시기를 제공한다. 이 배터리 충전기의 기타 특징으로는 ±0.25% 프로그램 가능한 부동 전압, 선택 가능한 타이머 또는 C/X 전류 종단, NTC 서미스터를 이용한 온도 검증 충전, 자동 재충전, 극심한 방전 셀의 C/10 세류 충전, 불량 배터리 검출 등을 들 수 있다.
LTC4000은 얇은 두께(0.75 mm)의 28핀 4 mm × 5 mm QFN 패키지와 28리드 SSOP 패키지로 제공된다. 이 디바이스는 -40~+125 ℃의 온도 범위에서 동작한다.




외부 DC/DC 컨버터의 완벽한 제어
LTC4000은 전체적인 배터리 관리 솔루션을 구현하기 위해서 외부 보상 스위칭 레귤레이터를 필요로 한다. LTC4000과 함께 이용하는 스위칭 레귤레이터의 유형에 따라서 시스템 성능이 달라진다.
LTC4000은 입력 전류, 충전 전류, 배터리 부동 전압, 출력 전압(A4-A7)의 4가지 레귤레이션 루프를 포함한다(그림 2의 블록 다이어그램 참조). 레귤레이션을 위해서 ITH 핀으로 가장 낮은 전압을 필요로 하는 루프가 외부 DC/DC 컨버터를 제어한다. 입력 전류 레귤레이션 루프는 안정 상태일 때 지정된 입력 전류 한계를 초과하지 않도록 한다(IL의 저항 이용). 충전 전류 레귤레이션 루프는 지정된 배터리 충전 전류 한계를 초과하지 않도록 한다(CL의 저항 이용). 부동 전압 레귤레이션 루프는 지정된 배터리 스택 전압을 초과하지 않도록 한다(BAT에서 BFB를 통해서 FBG로 저항 분할기 이용). 출력 전압 레귤레이션 루프는 지정된 시스템 출력 전압을 초과하지 않도록 한다(CSP에서 OFB를 통해서 FBG로 저항 분할기 이용). 또한 각기 IIMON 및 IBMON 핀을 이용해서 입력 전류 및 충전 전류 모니터링 핀을 제공한다.

유연성 뛰어난 데모 회로
데모 회로 DC1721A-A는 LTC4000/LTC3789를 이용해서 14.6 V 5 A 배터리 충전기 및 PowerPath 관리기와 6~36 V 입력 벅-부스트 컨버터를 결합한 것으로서, 4셀 LiFePO4 애플리케이션에 이용하기에 적합하다. 그림 3은 이 회로의 시스템 다이어그램을 보여준다.
이 데모 보드의 출력은 Tenergy 10A-hour 배터리에 적합하도록 설정돼 있다. 외부 저항을 변경함으로써 다른 전압을 설정할 수 있다. 트림 저항을 이용해서 원하는 공칭 전압을 정확하게 트리밍 할 수 있다. 이 회로는 벅-부스트 컨버터 배터리 충전기 및 지능적 PowerPath 관리기로서 이들 부품을 이용해서 높은 수준의 성능, 효율, 작은 솔루션 크기를 달성할 수 있다는 것을 보여주기 위한 것이다. 이 회로는 400 kHz로 동작하며 6~36 V의 입력 전압 범위로 조정된 5 A/14.6 V 배터리 충전기 출력과 최대 6.25 A에 이르는 시스템 출력을 제공한다. 그러므로 계측장비, 산업용 장비, 전동 공구, 컴퓨터 등과 같은 다양한 유형의 휴대장비 애플리케이션에 이용할 수 있다. 또한 총 풋프린트 면적이 12.4 cm2이므로(LTC4000 회로만으로는 3.6 cm2) 아주 소형 솔루션을 제공한다(그림 4). 동기 정류 기법을 이용해서 풀 부하 및 공칭 입력으로 96% 이상의 효율을 달성할 수 있다(그림 5).
추가적인 회로 평가 및 시뮬레이션을 위해서 DC1830 데모 회로를 조만간 제공할 예정이다. 이 데모 회로는 LTC4000 보드를 다른 호환 가능 DC/DC 컨버터 독립형 평가 보드와 연결할 수 있다.  ES