오늘날 리튬 이온 배터리는 낮은 자기 방전 특성과 크기 등의 유연성으로 휴대 장치에 많이 활용된다. 하지만 리튬 이온 배터리는 부정확한 배터리 차저 전압 조정이나 충격 등의 단점을 나타내기도 한다. 이 글은 소형 폼팩터의 고전력 차저 설계에 대한 순수 PSR과 PSR+SSR을 함께 결합한 방식의 새로운 솔루션에 대해 알아본다.

배터리는 스마트폰과 미디어 태블릿이 점점 더 많이 사용함에 따라 커지고 강력해졌다. 다시 말해, 차세대 장치를 위한 배터리의 암페어시(Ah) 정격이 증가하고 있다. 이는 결과적으로 배터리 용량이 증가하면 배터리 차저 정격도 커져야 한다는 것을 의미한다. 최신 시장 동향은 그림 1에서와 같이 차저 정격이 5 W에서 10 W로, 심지어 15 W까지도 증가함을 보여준다. 따라서 소비 전력 관리와 효율성이 차저를 소형으로 유지하는 데 주요한 인자가 될 것이다.

PSR+SSR 솔루션의 필요성

현재 리튬 이온 기술은 고에너지 밀도와 낮은 자기 방전 특성, 크기 및 형태에 대한 높은 유연성으로 소형 폼팩터 휴대 장치용에서 사용되는 배터리 기술이다. 리튬 이온 배터리 셀은 일반적으로 정전류(CC) 및 정전압(CV) 충전에 적합하다. 배터리 전압이 낮을 때는 차저가 CC 충전 모드로 작동한다. 배터리가 플로트 전압(영전류의 배터리 전압, 보통 약 4.2 V)까지 충전되면 시스템은 원하는 전압을 유지하고 CV 모드로 전환하기 위해 충전 전류를 감소시키기 시작한다.


이 충전 과정은 간단해 보이지만 실제로는 배터리 용량을 최대화하고 배터리 서비스 수명을 향상하기 위해 플로트 전압 레벨 주변에서 정밀하게 충전을 제어해야 한다. 부정확한 배터리 차저 전압 조정은 배터리를 충분히 충전하지 못하기 때문에 배터리 용량을 급격히 감소시켜 휴대 장치의 사용 시간을 단축할 수 있다. 또한 충전 전압이 너무 높으면 배터리 수명이 크게 저하된다. 리튬 이온 셀의 과도한 충전 역시 장치에 치명적 오류를 유발할 수 있다. 배터리 충전 조정을 정밀하게 해야 배터리의 유용성과 수명을 극대화할 수 있다.

1차측 조정(PSR) 설계는 저전력 또는 소형 폼팩터 배터리 차저에 일반적으로 사용된다. 새로운 컨트롤러는 PSR 초기 설계와 비교해 훨씬 향상된 CC 성능을 제공한다. 하지만 설계 시 PSR 계획만 사용하면 출력 전력이 증가해 CV 조정이 어렵다. CV 조정 시의 성능 결함뿐 아니라 PSR만 적용된 설계는 동적 반응에도 약하다. 실제로 부하 조정은 순수 PSR 솔루션에서 중요한 문제이다. 새로운 컨트롤러가 훨씬 향상된 부하 조정 성능을 제공하더라도,

PSR만 적용된 설계는 전력이 상승함에 따라 더욱 어렵다. 따라서 1차측 조정과 2차측 조정을 함께 결합한 방식의 새로운 솔루션이 제안되고 있다. 그림 2는 이 계획의 개념 설계를 보여준다. 여행용 어댑터나 차저 설계에 PSR+SSR 솔루션을 적용하면 매우 우수한 CC 및 CV 동적 반응, 그리고 초저 대기 전력 소비량이라는 두 가지 성과를 모두 달성할 수 있다.

넓은 입력 전압 작동 범위 제공

대기 전력 소비량은 IC 경부하 작동 및 버스트 모드 구현과 관련이 있다. 순수 PSR 설계는 동적 반응 성능으로 낮은 대기 전력 소비량을 구현하기가 어렵다. 동적 반응을 좋게 하려면 최저 버스트 주파수가 상대적으로 높아지고 추가적인 변환 손실이 발생한다. 그뿐만 아니라 PSR 설계는 1차측에서 출력 전압을 모니터링하고, 내부 샘플링 블록이 절전 모드로 바뀔 수 없다. 이 때문에 SSR 설계보다 IC 내부에 더 높은 내부 전류가 흐르게 되고 이는 전류 피드백을 사용한다.

그림 3은 순수 PSR과 PSR+SSR 솔루션 간의 비교 분석 상황을 보여준다. 페어차일드의 PSR 시리즈는 순수 PSR 솔루션으로, 시장에서 동급 최고의 대기 전력 소비량과 조정을 자랑한다. 페어차일드의 SSR 시리즈는 PSR+SSR 솔루션으로 더 높은 전력 기능과 훨씬 우수한 동적 반응 및 더욱 낮은 대기 전력 소비량까지 제공한다.

또한 SSR 솔루션은 100 kHz 및 그 고조파에서의 노이즈 간섭과 관련된 터치패널 오류 문제를 해결하는 데 도움이 되는 고정 변환 주파수 기능을 갖췄다. 주파수 변이가 더 높은 SSR용 UL 시리즈도 소형 차저 설계에 사용할 수 있다. 페어차일드의 SSR용 UL 시리즈는 140 kHz에서 작동한다.
페어차일드의 SSR 시리즈의 또 다른 이점은 더 넓은 입력 전압 작동 범위를 가능하게 하는 30 V 프로세스이다. 또한 내부 래치 보호 기능을 제공해 2차측 과전압 보호 기능을 사용하는 다른 컨트롤러보다 그림 4처럼 여러 가지 외부 구성품을 줄일 수 있다.