머리말

통상적으로, 전원 공급장치 설계는 몇 가지 기본적인 개념 증명(proof of concept, PoC) 테스트에서부터 시작하며, 여기에는 종종 기존 데모 보드 테스트가 포함된다. 이 데모는 간단히 데모 하드웨어에서 단일 레일을 테스트하는 기존의 단계와, 여기서 나아가 데모 하드웨어를 사용하여 작동 시스템을 제작하는 단계로 확장된다.

게다가 이 데모는 비교적 짧은 시간 안에 필요했기 때문에 설계, 레이아웃, 빌드, 조립, 테스트, 설계 변경과 같은 전형적인 개발 프로세스를 준수할 수 없었으므로 쉽게 구할 수 있는 하드웨어만을 사용하여 전체 시스템을 프로토타입으로 개발했다.



애플리케이션

글의 서두에서 제기한 질문에 답하기 위해 이러한 시도가 가능하다는 것을 증명하기 위한 출발점으로 높은 수준의 애플리케이션을 선택할 필요가 있었다. 이에 따른 개념 증명으로서, 파워 뱅크 충전 애플리케이션을 선택했다. 전력 관리는 모든 전자 프로젝트의 기본 전제 조건이므로 다른 어떤 애플리케이션도 선택이 가능하다.

파워 뱅크 충전기는 대부분의 소비자들이 접하고 사용하는 충분히 일반적인 애플리케이션이다. 일례로 많은 여행자들이 장기 여행 중에 휴대폰이 완전히 방전되지 않도록 하기 위해 파워 뱅크를 휴대하고 다닌다. 파워 뱅크는 기본적으로 충전할 수 있는 하나 이상의 USB-A 포트와 USB-C 입력 포트가 있는 배터리 팩이다(가격과 범위에 따라 용량은 다양하다). 물론 이러한 기본적인 기능에 무선 충전 패드나 야외 활동 애호가들을 위해 태양광 충전이 가능한 입력을 추가하는 등 더 복잡하게 설계할 수도 있다.

이 애플리케이션의 경우 태양광을 통한 배터리 충전 또는 표준 12V AC-DC 벽면 어댑터로부터 DC 입력을 통해 충전하는 옵션이 포함되어 있다. 출력에는 기본적인 USB-A 충전 포트(총 2개)가 있어 휴대전화와 다양한 USB 전원 전자장치에 사용할 수 있는 5V를 생성한다.

하드웨어 선택

전원 소스 선택 - LTC4416
이 예제에서, 제품 설계는 두 개의 입력 전원(태양광 패널과 간단한 AC-DC 전원 공급장치인 AC-DC 벽면 어댑터)을 지원한다. 이를 위해 사용 가능한 전원 입력에 따라 지능적으로 전환하고, 두 가지 입력 전원을 모두 사용할 수 있을 때에는 둘 중 어느 하나에 우선 순위를 부여함으로써 상황을 관리할 수 있는 전원 경로 우선순위 지정기(power path prioritizer)라고 하는 스마트한 디바이스가 필요하다.

간단히 몇 개의 다이오드를 활용하여 이러한 기능의 간단한 버전을 구현할 수도 있는데, 일반적으로 다이오드의 두 음극끼리 연결하고, 양극은 각각의 소스에 연결하면 된다. 유감스럽게도, 이 구성은 일반 다이오드에 내재하는 순방향 전압 강하(약 0.6V)로 인해 손실이 발생할 뿐 아니라, 우선순위 선택과 같은 스마트한 선택 기준을 구현할 수는 없다. 단지 더 높은 전위의 입력이 통과하도록 허용할 뿐이다.

LTC4416은 이에 대한 솔루션을 제공한다. LTC4416은 손실이 발생하는 다이오드를 훨씬 더 효율적인 PFET로 대체하고, 우선순위를 할당할 수 있다. 이 애플리케이션에서 우선순위는 항상 벽면 어댑터에 할당된다. 벽면 전원을 사용할 수 있을 때, 이 설계는 가용 전력(및 더 높은 전류)을 이용할 수 있다. LTC4416은 설계 요구사항에 따라 다양한 동작 모드를 제공하므로 매우 유연하다. 표 1은 LTC4416 데이터시트 상에 표시된 동작 모드를 보여준다.
 
스위칭 벅 배터리 충전기 - LTC4162-L

배터리 충전기를 위해, 넓은 입력 전압 범위(최대 35V)와 3.2A 충전 기능, 그리고 내장 FET 설계로 인해 솔루션 크기를 소형화 할 수 있다는 점에서 LTC4162-L을 선택했다. 이 디바이스는 광범위하게 사용되는 모든 기능을 갖춘 충전기 IC로서, 사용자가 원격 측정 정보를 추출할 수 있는 I2C 인터페이스는 물론 LiFePO4, 리튬이온, 납축전지 같은 다양한 종류의 화합물 배터리에 사용할 수 있어 애플리케이션 유연성이 뛰어나다. 

또한 앞서 언급한 입력 및 배터리 전압의 유연성 외에도 솔루션 크기를 최소화하는 데 도움이 되는 통합 특성을 갖추고 있기 때문에 이 애플리케이션을 위해 선택되었다. 이 디바이스의 또 다른 유용한 기능은 최대 전력점 추적(MPPT)이다. 활용 가능한 입력 소스 중 하나로 태양광을 포함할 경우, 가용 전력을 최대한 추출하도록 하려면 MPPT가 필수이다. 

LTC4162는 또한 입력 전원이 제거될 때 이 애플리케이션에 유용한 전원 경로 제어 기능을 내장하고 있어 다운스트림에 사용할 수 있도록 배터리 전압을 출력 단자에 공급할 수 있다.

USB 충전 솔루션 - CN0509

연결된 디바이스에 USB 충전 전압을 제공하기 위한 보드는 ADI의 Circuits from the Lab 레퍼런스 디자인 및 솔루션 컬렉션에서 선택하였다. 통상적으로 특정 디바이스를 평가할 수 있도록 하는 평가 보드에는 단일 디바이스가 표시된다. 그러나 Circuits from the Lab 보드는 솔루션에 초점을 맞춘 것으로, 특정 시스템 요구사항을 해결하기 위해 다양한 제품 포트폴리오의 여러 ADI 제품을 이용한다.

CN0509는 넓은 입력 범위의 듀얼 USB 전원 충전기로 설계되었다. CN0509는 자연 재해나 장기간의 정전과 같은 비상 상황에서 사용하도록 개발되었다. 흔히 이러한 상황에서 사용할 수 있는 전원 소스의 예로 자동차 배터리를 들 수 있다. 이 보드는 자동차 배터리로부터 전력을 공급받아 2개의 5V 포트를 제공할 수 있으며, 이 2개 포트는 안전을 위해 일차 전압으로부터 절연된다. 

느슨한 배터리 스택에서부터 간단한 발전기 역할을 하는 모터에 이르기까지, 다양한 대체 전원으로 사용할 수 있다. CN0509는 입력 전압 범위가 넓기 때문에 5V에서 100V 범위의 어느 전원에서나 실행할 수 있다. 이 모든 이유에서, CN0509는 기존 보드와 함께 사용하여 파워 뱅크 충전기에 필요한 USB 충전 출력을 제공하는 데 이상적이다.
 
또한 CN0509는 역극성 보호를 포함하여 잘못 연결된 전원으로부터 회로를 보호하며, 절연 플라이백 컨버터를 사용하여 충전기 출력을 입력 소스로부터 절연한다. 이는 -48V 통신 ADI백업 전원을 전원 소스로 사용하는 경우 특히 유용하다. 이 경우 휴대폰이 -48V로 충전되어 위험한 상황이 발생할 수 있다. 절연형 변환은 이러한 위험 상황을 방지한다. CN0509 보드는 선택된 IC가 매우 효율적이고 옵토커플러가 없는 플라이백 LT8302 덕분에 크기가 매우 작다는 게 특징이다. 플라이백 컨버터 LT8302의 주요한 차별화 요소는 절연형 광학 피드백 경로가 필요 없다는 것이다.

이 보드에는 2개의 USB 포트가 있다. 하나는 표준 USB 포트이고(D+/D- 연결 없음), 다른 포트는 USB 데이터 라인 전압을 모니터링하는 DCP 컨트롤러가 있어 고속 충전이 가능하고 최대 5V/2A를 제공할 수 있다. 이처럼 높은 수준의 충전 전류에 도달하는 것은 사용하는 입력 전압에 좌우된다. 그림 4에 보이는 성능 그래프에 따르면 12V가 최적이다.

전원 소스

선택한 일차 전원은 60W AC-DC 12V 어댑터이다. 이 어댑터는 LTC4416 데모 보드에 하나의 입력으로 사용되었으며, 대체 입력 전원을 제공하기 위해 비교적 작은 태양광 패널을 사용했다. 이 프로젝트는 실내 환경에서 사용할 예정으로, 태양광으로부터 실행할 수 있는 적정 수준의 사용 가능한 전력을 제공하기에 충분한 광원이 없기 때문에, 이 기능은 단순히 전원 경로 우선순위 지정기의 성능과 기능을 시연하기 위해 포함되었다.

이 설계는 파워 뱅크 구현용으로 개발된 것이므로, 저장 장치 기능을 하려면 배터리 팩이 필요하다. 배터리 관련 제품의 선적 제한은 매우 엄격하다. 이 데모는 특별히 일반 배터리 팩을 구매하고, 도착 즉시 삽입하여 데모를 실행할 수 있도록 개발되었다. 이러한 제한을 염두에 두고, 이벤트를 위한 데모를 실행하기 위해 2600mAh 용량의 공칭 7.4V를 생성하는 재충전 가능한 2× 직렬 셀리튬이온 배터리 팩을 선택하였다. 필요 시 더 큰 용량의 배터리를 쉽게 설치할 수 있다.
 
데모 빌드

빌드 관점에서 하드웨어는 표준이므로 입력 전원 소스에 올바른 우선순위를 보장하기 위해 LTC4416 임계값을 일부 조정하는 것 외에는 별다른 전기적 수정이 필요하지 않았다. 이벤트에서 시각적으로 보다 확실하게 보이도록, 보드는 표준 금속 스탠드오프를 사용하여 단순한 검정색 퍼스팩스(Perspex) 시트 위에 장착했다.

태양광 발전이 어려운 저녁 시간에 제공되는 충전 전류는 간단한 USB 미터로 모니터링되었다. 이 기기는 휴대폰을 충전하는 데 사용할 수 있는 전류의 양을 시각적으로 보여준다.
데모 실행 결과

이 데모는 핵심 기능을 효과적으로 수행했다. 2개의 대체 전원 소스로부터 배터리 팩을 안정적으로 충전하고, 전원 경로 우선순위 지정기를 통해 전원 간 핸드오버가 잘 관리되었으며, CN0509는 연결된 USB 장치에 원활하게 충전을 제공했다. 또한 이 파워 뱅크에는 동시에 배터리팩을 충전하면서 연결된 USB 장치를 충전할 수 있는, 다른 파워 뱅크 충전기에는 없는 유용한 기능이 있다. 많은 사람들이 고급형이라고 간주할 만한 파워 뱅크 제품이라고 하더라도, 휴대전화와 파워 뱅크 자체를 동시에 충전하지 못한다면 상당히 불편할 것이다.

USB 포트로 흐르는 충전 전류는 최대 3.2A를 제공하는 내장 FET 설계를 갖춘 LTC4162의 기능에 의해 제한되며, 대부분의 전류는 충전하는 동안 배터리로 전송된다. 남은 전류는 USB 충전기 포트를 통해 사용할 수 있다. 입력 전원이 제거되는 경우 LTC4162 데모 보드의 전원 경ADI로 FET가 배터리 전력을 출력 포트로 경로를 재설정하여 CN0509와 USB 포트에 공급되는 전력을 유지한다. 이 모드에서 사용 가능한 충전 전류는 그림 4의 그래프와 같이 감소하는데, 이는 CN0509에 대한 입력 전원이 이제 공칭 7.4V인 배터리 전압이기 때문이다. 다음 단계

쉽게 구할 수 있는 간단한 데모 보드를 사용하여 애플리케이션이 작동한다는 것이 입증되었으므로, 다음 단계에서는 초기 프로토타입 작업에서 얻은 교훈을 최종 솔루션에 통합하는 제품 프로토타입을 개발하는 것이 합리적이다. 이 때에는 사용된 보드에서 기존 회로도를 수정하여 불필요한 항목(테스트 포인트, 커넥터 등)을 제거하는 과정이 포함된다. 그런 다음 사용자는 PCB 개발을 시작할 수 있는데, 이제부터 각 디바이스에 제공되는 리소스의 중요성과 유용성이 확연히 드러나게 될 것이다.

예를 들어 최적화된 데모 보드 레이아웃은 각 디바이스에 제공되는 무료로 사용할 수 있는 리소스이다. 데모 보드는 일반적으로 꽤 크기가 커 보이지만, 이는 디바이스의 테스트 가능성과 사용성을 돕기 위한 것일 뿐이다. 

보드 레이아웃을 자세히 살펴보면 보드가 개발된 IC와 구현 회로(저항, 커패시터, 인덕터 등)가 모두 사용자가 자신의 레이아웃에 적용할 수 있도록 최대한 작은 면적에 설계되어 있음을 알 수 있다. 이는 사용자가 자체 버전을 제작하기 전에 이것이 벤치에서 검증할 수 있는 테스트된 설계라는 것을 알 수 있으므로 사용자에게 확신을 제공한다.최종 애플리케이션의 경우 더 높은 전압의 대용량 배터리는 USB 포트에 제공되는 충전 전류의 양을 최적화하는 데 도움을 줄 수 있다.

CN0509는 이상적인 설계이며 해당 요구사항을 완벽하게 만족하지만, 특정 애플리케이션에서는 이보다 더 슬림한 설계를 사용하여 전체 배터리 뱅크 비용을 줄일 수 있다. 예를 들어, 이 설계에 LTC7103과 입력 극성 보호 회로가 필요하지 않을 수 있으며, 절연 플라이백은 LTC4162의 출력에서 직접 전력을 공급받을 수 있다(AC-DC 벽면 어댑터의 12V 또는 주 전원이 제거된 후 배터리 전압).



결론

쉽게 구할 수 있는 일부 하드웨어와 간단한 전원을 사용하여 파워 뱅크 충전기 또는 기타 전원 공급장치 설계의 프로토타입을 만들 수 있다. 이는 사용 가능한 데모 보드 하드웨어를 사용하면 개발에 많은 시간을 들이지 않고도 잠재적인 프로젝트에 대한 개념 증명을 빠르게 제공할 수 있다는 것을 명확히 보여준다.

또한 비교적 짧지만 유용한 이 단계를 통해 사용자는 보다 집적화된 설계에 들어가기 전에 확신을 얻을 수 있다. 다시 한 번 강조하고 싶은 점은 전원 공급장치 설계, 특히 전원 설계의 레이아웃은 까다로울 수 있으므로, 전체 개발 시간을 단축하기 위해 사용 가능한 리소스를 활용할 가치가 있다는 것이다.