여기 나와 있는 CCR 기반의 충전 회로는 세류 충전기 소자를 없앤 덕분에 주요 배터리 기술을 지원한다. 이 CCR 기반의 충전 회로는 가정환경에서 매일매일 사용되는 AA에서부터 휴대용 가전, 휴대형 전동공구에 이르기까지 여러 애플리케이션에 구현될 수 있다.

현대 사회의 일상에서 휴대전화, 태블릿 PC, MP3 플레이어, 디지털 카메라 같은 휴대용 전자기기가 필수품으로 자리 잡음에 따라 충전용 배터리가 널리 사용되는 추세다. OEM 업체들은 그러한 배터리의 효율적 충전을 통해 기기의 기능성을 더욱 충분히 지원해 더 긴 동작 수명의, 향상된 사용자 경험을 제공하는 제품들을 선보일 수 있다. 이로써 OEM 업체들은 경쟁력을 가지고 더 큰 시장을 차지하게 된다. 이 글에서 CCR(Constant Current Regulator) 소자로 다양한 애플리케이션을 커버하는 충전용 배터리에 적합한 저전력, 저비용, 고효율 충전 솔루션을 만드는 방법을 살펴본다.

배터리 충전 기능의 고려사항
충전기는(충전할 때마다 사용자들이 불편해 하지 않도록) 충전 과정이 수행되는 비율을 최적화하고(배터리가 장기적으로 동작하는데 영향을 주는 손상이 없도록), 이 과정을 종료시키는 등 배터리를 충전하는 기본적인 역할을 수행해야 한다. 간단한 컨트롤러 메커니즘을 구현하면 이러한 충전을 적시에 끝낼 수 있다.

충전기의 유형
충전기는 연속 DC 방식 또는 펄스화된 DC 전력 방식 중 한 가지를 이용할 수 있다. 각 방식에서 출력은 변하지 않고 전 충전 주기에 걸쳐 일정한 레벨로 유지되는데, 이는 이미 배터리에 들어간 총 전하에 의해 영향을 받지 않는다. 대신, 휴대기기에 일반적으로 사용되는 것과 같은 저용량의 배터리에 대해서는 단계별로 충전되는 세류식 타입이 대체로 많이 쓰인다.

1시간 주기에 걸친 배터리 용량은 C로 표시된다. 이것을 좀 더 설명해하기 위해 800 μAh 정격의 배터리를 생각해보자. 이 배터리가 0.5 C에 충전되어야 한다면 2시간의 주기 동안 400 μA의 충전 전류가 필요하다.

배터리 기술
C 값뿐만 아니라 충전용 배터리에 필요한 충전 전류는 배터리가 기초로 하는 기술에 따라 달라진다. 현재 사용되고 있는 각각의 기술들은 각각 특정한 종류의 애플리케이션에 더욱 적합한 속성들을 나름대로 가지고 있다. 가장 흔히 사용되고 있는 충전 배터리 기술에는 다음과 같은 것들이 있다:

1. 니켈 메탈 하이드라이드(NiMH) - 이는 다른 기술들에 비해 저장 용량이 매우 높아서 더 작은 폼팩터의 배터리로 더 큰 레벨의 전하를 저장할 수 있도록 해준다.
2. 니켈 카드뮴(NiCad) - 이는 NiMH에 비해 수명이 더 길고 자체 방전 레벨이 더 낮다. NiCad은 세 가지 기술 옵션 중에서 가장 저비용의 배터리 생산 방법이다.
3. 리튬이온(Li-ion) - 이는 야외 애플리케이션용에 적합한 것으로 더 낮은 온도에서 동작하는 경량 배터리를 만드는 방식이다. 이 기술은 상대적으로 짧은 충전 시간을 필요로 하며 NiCad이나 NiMH 같은 대안 기술들보다 더 많은 충전 사이클을 처리할 수 있다. 
 
간단한 충전 솔루션
일반적인 충전 회로가 그림 1에 간단하게 설명돼 있다. 이 회로는 기준 전압, 전원, LED 표시기, 컨트롤러, 그리고 CCR로 이루어져 있다. NiMH 배터리의 공칭 전압은 1.2 V/cell이며 최대 1.5 V ~ 1.6 V/cell까지 충전이 되어야 한다. 언제 충전을 끝낼 것인가를 결정하는 데에는 몇 가지 서로 다른 기법들이 있다. 여기에는 피크 전압 탐지, 네거티브 델타 전압, 델타 온도(dT/dt), 온도 임계값과 타이머가 포함된다. 하이엔드 충전기에는 이것들이 모두 합쳐져 있을 수 있다.



CCR 충전기에는 피크 전압 탐지 회로가 채용돼 있는데, 이것은 미리 결정된 피크 전압에 도달하면 충전 과정을 끝낸다. 이 피크 전압은 셀 당 1.5 V 이며, 최대 용량의 대략 97%까지 배터리 충전을 허용한다. NiCad 배터리는 매우 비슷한 방식으로 동작하기 때문에 동일한 방식으로 충전될 수 있다.

리튬이온 배터리의 충전 사이클은 더 복잡하다. 여기서 보통 하는 방식은 배터리를 0.5 C ~ 1 C 충전 용량 사이에서 4.2 V/cell로 충전하고, 그 후 세류 충전(Trickle charge)을 하는 것이다. 리튬이온 배터리의 온도 상승은 충전 과정이 이루어지는 동안 5 ℃ 표시 이하로 유지되어야 한다. 이보다 온도가 더 높이 상승한다면 이는 발화 가능성을 나타낸다.

배터리 온도가 가장 많이 오르는 것은 충전 사이클의 세류 충전 부분에서인데, 이때는 발화가 일어날 위험이 가장 높다. 종종 배터리 충전을 감시하고 제어하기 위해 특정 형태의 스마트 IC가 채용되어 이러한 위험으로부터 보호한다.

간단한 충전 회로
충전 회로의 서로 다른 부분들에 대해 우선 논해보도록 하자.



그림 2에는 3단자 프로그래머블 션트 레귤레이터(shunt regulator)를 이용해 기준 전압(Vref)을 설정하는 방법이 나와 있다. 저항 R2는 1.0 kΩ으로 설정되었으며, R ref는 필요한 Vref에 맞춰 조정할 수 있다. R2 대 R ref의 비율은 다음의 식과 같다.

 
배터리 전압을 Vref에 비교하기 위해 비교기가 하나 사용됐다. 반전 입력에 연결되는 것은 배터리 전압이다. 비교기에 진동이 생기는 것을 피하기 위해 셋업에 히스테리시스를 추가하여 시스템 성능을 향상시키게 되는데, 이는 피드백 저항 Rh를 출력과 비반전(non-inverting) 입력 사이에 위치시킴으로써 이루어진다. 1.0 kΩ 저항 R3는 R3 대 Rh 비율을 가능한 한 간단하게 만드는데 사용된다. Rh를 조정함으로써 히스테리시스 루프 대역폭이 변할 수 있다. Rh가 늘어난다는 것은 대역폭이 좁아진다는 것을 의미하고, Rh가 줄어드는 것은 대역폭이 늘어나는 것을 의미한다. 히스테리시스 루프의 대역폭은 200 mV보다 커야 하는데, 그 이유는 충전이 끝났을 때 배터리 전압이 약간 떨어지기 때문이다(그림 3 참조).
반전 입력의 높은 전압과 낮은 전압들을 계산하는 식은 다음과 같다:

그림 4는 전체 충전 회로의 세부 모습이다. 여기에는 PNP 트랜지스터, NPN 트랜지스터, 비교기, 프로그램 가능한 정밀 기준 전압, 그리고 두 개의 CCR과 병렬로 놓인 Q4와 Q5가 포함된다. 병렬로 놓인 Q4와 Q5은 전류를 조정하는데 사용된다. 필요한 모든 전류에 도달할 수 있도록 충전 회로 내에 두 개 이상의 CCR을 병렬로 연결하는 것도 가능하다.

두 개의 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), Q3와 Q6는 충전 전류를 제어하는 스위치로 작용한다. Q6의 베이스는 5.6 kΩ 저항 R6을 통해 비교기 출력에 의해 제어된다. Q6의 콜렉터는 1.0 kΩ 저항 R5를 통해 Q3의 베이스에 연결된다. 비교기 출력이 low로 갈 때 Q6는 off 상태로 전환되는데, 이는 Q3을 off로 전환시키며, 그로 인해 충전 전류가 종료된다. 배터리가 충전되고 있다는 것을 표시하기 위해 LED가 Q7에 직렬로 배치되어 연속 전류가 공급된다. 이 상태는 배터리가 완전히 충전되면 off 상태로 전환된다.

최근의 전자 시스템 설계에서 엔지니어들은 전력 소모를 제한하면서도 더 신뢰할 수 있을 뿐만 아니라 더 에너지 효율적인 제품을 개발하기 위해 고군분투하고 있다. 입력 전압을 낮추는 것은 회로 성능을 향상시키는 한 가지 방법이다. 그러한 이유로 낮은 VCE(sat)의 트랜지스터와 낮은 VF 쇼트키 다이오드도 충전 회로에 포함된다. 전력 소모 레벨은 CCR의 동작에 있어서 매우 중요하다. 모든 전압은 CCR을 통해 강하되므로 배터리는 연속 전류로 충전되는데, 이는 이미 논한 바와 같이 CCR 온도의 상승을 가져온다.

소자가 달아오르기 시작하면 안정 지점에 도달할 때까지 전류가 줄어든다. CCR의 온도 상승을 최소화하기 위해 보드 상에서 찾아볼 수 있는 많은 빈 공간들은 구리로 덮인다. CCR의 음극은 방열 기능을 위해 이 구리 영역에 연결된다. 여러 개의 CCR을 병렬로 이용할 때 개별 CCR에 의해 소모되는 전력은 전체 충전 전류가 아니라 전압에 CCR을 관통하는 전류를 곱하기만 한 것이라는 것을 명심하자. 여기 나온 그림 5는 시간 경과에 따른 CCR의 소모 전력을 나타낸다.

그림 4에 나와 있는 충전 회로를 이용해 Vref에 적합한 프로그램 가능한 정밀한 기준 전압을 설정할 수 있다. 배터리 전압과 Vref는 비교기 입력에 연결되어 있다. 배터리 전압이 Vref보다 작은 동안 연속 전류는 CCR을 통해 배터리에 전달된다. 배터리 전압이 Vref와 같아지면 충전이 완료된다.
온세미컨덕터의 TL431 3단자 프로그래머블 션트 레귤레이터와 LM311 비교기가 이 회로 설계에 권장된다. 충전 과정에서 세류 충전을 없앰으로써 스마트 IC를 포함시킬 필요(리튬이온 배터리 기술의 경우)가 없어졌다. 이는 배터리가 계속 안전 동작 영역에 있도록 하고 수명이 연장되도록 돕는다.

여기 자세히 나와 있는 CCR 기반의 충전 회로는 세류 충전기 소자를 없앤 덕분에 모든 주요 배터리 기술(NiCad, NiMH, Li-ion)과 함께 동작할 수 있다. 이렇게 해서 이 CCR 기반의 충전 회로는 가정환경에서 매일매일 사용되는 AA에서부터 휴대용 가전, 그리고 휴대형 전동공구에 이르기까지 (넓은 범위의 충전 전류를 지원하는) 여러 애플리케이션에 구현된다. 온세미컨덕터의 애플리케이션 노트 AND9031은 동작 중에 있는 자세한 회로와 결과들을 제공한다.