리니어 차저 IC인 LTC4079는 인덕터가 없는 단순한 설계를 제공하며, 넓은 입력 전압 및 충전 전압 범위, 다중 소재 동작, 태양광 기능, 충전 시와 종료 시에 극히 낮은 정지 전류, 콤팩트한 풋프린트를 특징으로 함으로써 첨단 애플리케이션에 높은 성능을 지원한다.

스위치 모드 배터리 차저는 뛰어난 토폴로지 유연성, 다중 소재(multi-chemistry) 충전 가능, 높은 충전 효율로 열 발생 최소화, 빠른 충전, 넓은 동작 전압 범위 등을 제공하며 다양한 애플리케이션에 널리 채택되고 있다. 그렇지만 스위칭 차저는 비교적 가격대가 비싸고, 좀 더 복잡한 인덕터 기반 디자인이며, 잡음을 발생시킬 수 있고, 풋프린트가 대형이라는 것이 단점이다.

한편으로 전통적인 리니어 토폴로지 배터리 차저는 풋프린트가 콤팩트하고, 디자인이 간소하며, 비용이 저렴하다는 것이 장점으로 여겨진다. 기존의 리니어 차저의 단점은 입력과 배터리 전압 범위가 제한적이고, 상대적으로 소비 전류가 높다. 또한 과도한 전력을 소모하고, 충전 완료 알고리즘이 제한적이며, 상대적으로 효율(효율 ~[VOUT/VIN]×100%)이 낮다는 점이었다.

최신형 납축전지(LA), 무선 전원, 에너지 하베스팅, 태양광 충전, 원격 센서, 임베디드 자동차 애플리케이션 등은 위에서 언급한 장점들을 이유로 해서 전통적으로 스위치 모드 차저를 이용해왔다. 그런데 이제 이러한 애플리케이션들에, 위에서 열거한 것과 같은 통상적인 단점들을 제거하고 극히 소비 전류가 낮으면서 전압대가 높은 리니어 배터리 차저를 이용할 수 있게 됐다.

첨단 애플리케이션을 위한 리니어 차저

다음과 같은 애플리케이션에는 혁신적이며, 전압대가 높고, 정지 전류가 극히 낮은 리니어 차저를 이용하는 것이 더 적합할 수 있다:

?낮은 충전 전류를 이용하는 SLA(sealed lead acid) 애플리케이션. 많은 원격 센서/제어 애플리케이션에는 SLA 배터리의 넓은 온도 범위가 유용하다. 이들 원격 애플리케이션은 통상적으로 극저 전력이고 빠르게 충전할 필요가 없다. 그러므로 낮은 충전 전류를 이용할 수 있다.

?무선 전원 애플리케이션은 충전을 통상적으로 100 mW 아래의 극히 낮은 전력 수준으로 한다.

?마이크로-전력 소스를 이용하는 에너지 하베스팅 애플리케이션에서는 부하 전류가 낮을 때에도 효율을 극대화하기 위해 정지 전류가 반드시
낮아야 한다.

?태양광 충전은 태양광 패널과 배터리 양쪽으로부터 전력을 공급받으므로 전압이 큰 폭으로 변동적이다. 그러므로 저전력 애플리케이션에는 리니어 차저가 적합하다.

?저전력 산업용 애플리케이션에 이용되는 것과 같이 모니터링과 제어에 이용되는 원격 센서는 배터리를 주로 백업 용도로 이용한다. 그러므로 충전 시간이 그렇게 중요하지 않으며 애플리케이션에 따라서 입력/배터리 전압이 크게 변동적일 수 있다. 그러므로 IQ가 낮은 리니어 차저가 적합할 것이다.

?임베디드 자동차 애플리케이션은 입력 전압이 30 V에 이를 수 있고 어떤 경우에는 그 이상에 달할 수도 있다. 예를 들어 도난방지용으로 이용하기 위한 GPS 위치 시스템이라고 하자. 이러한 애플리케이션에는 12 V 대 2개 직렬 리튬이온(7.4 V 정격)이면서 이보다 훨씬 높은 전압까지도 추가적으로 보호할 수 있는 리니어 차저가 적합할 것이다.

새로운 리니어 차저 솔루션

그렇다면 위에서 열거한 애플리케이션 요구와 문제들을 해결하는 리니어 토폴로지 IC 솔루션이 되기 위해서는 다음과 같은 특성을 갖춰야 할 것이다:

?정지 전류가 낮아야 한다. 그러면 약한/연속적이지 못한 입력 소스로부터 배터리로 더 많은 에너지를 전달할 수 있고 버려지는 전력을 줄일 수 있다. 또한 IQ가 낮으면 충전이 완료됐을 때와 입력을 이용할 수 없게 되었을 때 배터리 사용 시간을 연장할 수 있다.

?다양한 유형의 전원 소스를 수용할 수 있도록 입력 전압 범위가 넓어야 한다.

?다중 배터리 스택을 지원할 수 있게 배터리 충전 전압 범위가 넓어야 한다.

?다양한 배터리 소재(리튬, 납축전지, 니켈 등)를 충전할 수 있어야 한다.

?온보드 충전 종료(charge termination)를 이용함으로써 간소하고 자율적인 동작이 가능해야 한다(마이크로컨트롤러 불필요).

?태양광 입력 소스에 이용하기 위해서는 입력 전압 레귤레이션이 가능해야 한다.

?솔루션 풋프린트가 소형이고 두께가 얇아야 한다.

?향상된 열 성능을 달성하고 공간을 절약하도록 첨단 패키징이어야 한다.

바로 이와 같은 특성을 갖춘 제품이 Linear Technology가 최근에 출시한 LTC4079 리니어 배터리 차저 IC이다. LTC4079는 60 V 정전류/정전압 250 mA 다중 소재 배터리 차저 IC로서 정지 전류가 낮다(충전 시에 4 μA에 불과). 이 IC는 리니어 토폴로지로서 인덕터를 필요로 하지 않는 간소한 디자인을 가능하게 하고 2.7 V~60 V에 이르는 넓은 입력 전압 범위를 수용할 수 있다.

저항을 이용해서 배터리 충전 전압을 1.2 V~60 V 사이로 설정할 수 있고 ±0.5%의 엄격한 전압 정밀도와 온보드 조절가능 충전 종료 기능을 통합함으로써 LTC4079는 리튬이온/폴리머, 리튬인산철(LiFePO4), 니켈, 납축전지 등의 다양한 배터리 소재에 이용할 수 있다. 충전 전류를 외부 저항을 이용해서 10 mA~250 mA로 조절할 수 있으며, 경쟁사 차저 IC와 달리 낮은 충전 전류에서도 높은 정확도를 유지한다.

소수의 외부 부품을 이용해서 3-스테이지 납축전지 충전이 가능하기는 하지만, LTC4079는 충전 전류가 비교적 낮으므로 납축전지 배터리를 부동 충전 방식으로 충전하는 것이 더 적합하다. 마찬가지로 고속 충전 니켈 종료 알고리즘을 구현하고 있지 않으므로 니켈 배터리는 LTC4079를 이용해서 세류 충전만 할 수 있다. 이 IC를 이용하기에 적합한 애플리케이션으로는 임베디드 자동차 및 산업용 시스템, 백업 배터리 충전, 에너지 하베스팅, 박막 배터리 기반 제품 등이 포함된다.

LTC4079의 입력 전압 레귤레이션 기능은 IN 핀을 일정한 전압 또는 배터리에 대해서 일정한 차동 전압으로 레귤레이트 할 수 있다. 이들 기능을 이용함으로써 약한 배터리나 태양광 패널 같이 전류 제한적 전원 소스의 입력 전압이 저전압 록아웃(UVLO) 전압보다 낮게 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 입력 전압이 프로그램 된 임계값에 가깝게 떨어지면 충전 전류를 낮춘다. 이러한 레귤레이션 메커니즘에 의해서 배터리 요구에 따라서 충전 전류를 선택할 수 있으며, 한편으로 입력 소스가 프로그램 된 최대의 충전 전류를 제공할 수 없게 되었을 때 LTC4079가 그러한 상황에 대처할 수 있게 한다.

LTC4079의 열 레귤레이션(thermal regulation) 기능은 과열의 위험성을 일으키지 않고 지정된 한계에 이르기까지 최대 충전 전류를 가능하게 한다. 충전은 C/10이나 온보드 조절가능 타이머를 이용해서 종료할 수 있다. 그 밖의 기능으로서 NTC 서미스터 온도 검증 충전, 불량 배터리 검출, 대기 모드로 피드백 샘플링을 이용해서 자동 재충전을 함으로써 최소한의 배터리 소모, 개방 드레인(Open drain) CHRG 핀 상태 출력을 포함한다. 일단 배터리가 충전됐으면 매 3초마다 피드백 네트워크를 통해서 배터리 전압을 샘플링함으로써 배터리 소모를 최소화하고 배터리 사용 시간을 연장한다.

그림 2는 C/10 충전 종료를 이용했을 때 LTC4079의 전체적인 리튬이온 충전 사이클을 보여준다.

LTC4079는 로우 프로파일(0.75mm) 10핀 3mm × 3mm DFN 패키지로서 후면 금속 패드를 채택함으로써 열 성능이 뛰어나다. 또한 이 IC 제품은 -40 ℃에서 125 ℃까지의 온도 범위로 동작한다. 제품의 주요 특징은 다음과 같다:

?넓은 입력 전압 범위 : 2.7 V~60 V

?배터리 전압 조절 가능 : 1.2 V~60 V

?충전 전류 조절 가능 : 10 mA~250 mA

?충전 시에 낮은 정지 전류 : IIN = 4μA

?셧다운이나 충전 완료 시에 극히 낮은 배터리 소모 : IBAT ? 0.01μA

?자동 재충전

?고 임피던스 소스에 대한 입력 전압 레귤레이션

?열 레귤레이션 기능은 과열을 일으키지 않으면서 출력 전류 극대화

?±0.5% 정확도의 정전압 피드백

?온도 검증 충전을 위한 NTC 서미스터 입력

?조절가능 안전성 타이머

?충전 상태 표시

?열 향상 10리드(3mm × 3mm) DFN 패키지

태양광 충전-입력 전압 레귤레이션과 차동 전압 레귤레이션

태양광 패널 기반 충전 애플리케이션이 다양한 유형의 배터리 소재를 이용해서 갈수록 늘어나고 있는데, 그 중에서도 가장 널리 이용되고 있는 소재가 리튬이온/폴리머/인산철과 납축전지다. LTC4079의 전압 레귤레이션 기능은 이러한 여러 경우들을 문제없이 처리할 수 있다. 이 IC는 약한 배터리나 태양광 패널 같이 전류 제한적 전원 소스를 이용해서 충전할 때 IN 핀을 일정한 전압으로 레귤레이트 할 수 있다.

이 기능을 이용함으로써 입력 전압이 UVLO보다 낮게 떨어지는 것을 방지할 수 있으며, 또 다르게는 입력 소스 전압을 피크 전력으로 유지할 수 있다. 그림 3에서 보는 것과 같이 입력 전압이, 입력 전원 소스에서 EN 핀과 GND로 연결한 외부 저항을 이용해서 설정한 임계값에 가깝게 떨어짐에 따라서 충전 전류를 감소시킨다.

입력 전압 레귤레이션 임계값 VIN(REG)는 다음과 같이 계산할 수 있다:

 이러한 레귤레이션 메커니즘에 의해 배터리 요구에 따라서 충전 전류를 선택할 수 있으며, 충전 소스로부터 최대의 전력을 이용할 수 있다. 입력 소스가 프로그램된 충전 전류를 제공할 수 없게 되면 LTC4079가 자동으로 충전 전류를 낮춘다.

LTC4079의 차동 전압 레귤레이션(VIN-VBAT) 기능은 입력 전력이 약한 전원 소스로부터 공급될 때 입력 전압이 붕괴되지 않도록 하는 추가적인 기법을 제공한다. 입력 전압이 배터리 전압에 가깝게 떨어지면 LTC4079의 차동 전압 레귤레이션 루프가 입력 전압 대 배터리 차동 전압이 떨어짐에 따라서 충전 전류를 낮춤으로써 입력 전압을 배터리 전압보다 160 mV(정격 수치) 높게 유지한다. UVLO를 방지하기 위해서는 위의 두 레귤레이션 조건 시에 입력 소스가 최소한 이 디바이스의 정지 전류를 공급할 수 있어야 한다. 입력 전압 레귤레이션이나 차동 전압 레귤레이션으로 인해서 충전 전류가 낮아질 때마다 충전 타이머가 일시정지 된다.

니켈 충전

LTC4079는 니켈 배터리를 지원할 수 있다. 니켈 소재 배터리(니켈 카드뮴(NiCd), 니켈 메탈 수소(NiMH) 등)는 과충전의 가능성을 고려해야 한다. 이에 대한 통상적인 한 가지 방법은 낮은 전류를 이용해서 장시간에 걸쳐서 세류 충전을 하는 것이다. NiCd나 NiMH 배터리는 C/300 충전을 무한정 흡수할 수 있으므로 시간 충전 알고리즘을 이용하면 더 짧은 시간에 충전을 할 수 있다.

또한 배터리 용량의 125 % 이상으로 충전하지 않도록 하는 것이 권장된다. 예를 들어 1,000 mAh NiMH 배터리라면 12~14시간에 걸쳐서 100 mA 충전 전류 설정으로 충전할 수 있을 것이다. 배터리가 최대 용량에 도달했으면 정전압 레귤레이션이 충전 전류를 제로(0)에 가깝게 점차적으로 감소시킨다.