까다로운 고전압 고전류 배터리 충전 시스템 간소화 솔루션

LTC4020은 까다로운 고전압 고전류 충전 시스템을 간소화할 수 있도록 한다. 이 디바이스 제품은 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬 인산철, 밀폐형 납축전지, 니켈 기반 셀을 비롯해서 다양한 유형의 배터리 소재를 충전할 수 있다. 또한 몇 년 전에 출시된 LTC4000 배터리 충전 컨트롤러 IC는 그 때까지 꽤 복잡하고 번거로웠던 솔루션을 크게 간소화할 수 있게 하였다.

많은 배터리 사용 장비는 다양한 유형의 충전 소스, 다양한 배터리 소재, 다양한 전압 및 전류로 동작할 수 있을 것을 요구한다. 예를 들어서 산업용, 의료용, 자동차용 배터리 차저는 모든 배터리 소재 타입으로 새로운 형태의 대형 배터리 스택 애플리케이션이 등장함에 따라서 갈수록 더 높은 전압과 전류를 요구하고 있다.

또한 횡단보도 표시등에서부터 이동형 스피커 시스템, 쓰레기 압축기, 심지어 해상 부표에 이르기까지, 재충전가능 밀폐형 납축전지(sealed lead acid: SLA)나 리튬 기반 배터리를 채택한 다양한 유형의 혁신적인 시스템에 다양한 전력 레벨과 크기의 태양광 패널의 사용이 갈수록 늘어나고 있다.

이러한 태양광 애플리케이션에 이용되는 납축전지는 고도의 심방전에 더해서 장기간에 걸친 반복적인 충전 사이클을 견딜 수 있는 딥사이클(deep cycle) 배터리 타입이다. 이러한 대표적인 예가 10년의 설비 수명을 필수적으로 요구하는 원양 해상 부표라고 할 수 있다. 또 다른 예는 태양광이나 풍력 발전을 비롯한 “오프-그리드(off grid)” 재생 에너지 시스템이다. 이러한 설치의 경우에는 접근성에 있어서 어려움 때문에 시스템 수명이 무엇보다도 중요하기 때문이다.

고용량 SLA 배터리 셀
태양광 이외의 애플리케이션에서도 또한 현재 시장에서는 고용량 SLA 배터리 셀에 대한 관심이 다시 고조되고 있다. 자동차용 혹은 “시동용” SLA 셀은 가격/전력 출력 관점에서 저렴하고 짧은 시간 동안 높은 펄스 전류를 공급할 수 있어서 자동차와 기타 운송수단의 스타터(시동기) 애플리케이션에 이용하기에 뛰어난 솔루션을 제공한다. 산업용 애플리케이션에 널리 이용되고 있는 또 다른 기술은 딥사이클 납축전지이다.

딥사이클 납축전지는 자동차용 배터리에 비해서 전극판이 더 두껍고 최대 충전량의 20퍼센트까지 방전하도록 설계할 수 있다. 이 타입의 배터리는 주로 전동지게차와 골프 카트 등의 애플리케이션에서 장시간에 걸쳐 전력을 필요로 하는 경우에 이용한다. 그렇지만 리튬이온과 마찬가지로 납축전지는 과충전에 매우 민감하므로 신중하게 취급하는 것이 무엇보다도 중요하게 요구된다.

기존의 단일 IC(integrated circuit) 기반 솔루션은 많은 가능한 입력 전압, 충전 전압, 충전 전류 조합 중에서 단지 일부밖에 지원하지 못하고 있다. 그러므로 그 나머지 대부분의 좀더 까다로운 조합 및 토폴로지를 지원하기 위해서는 통상적으로 IC와 이산 소자들을 아주 복잡하게 결합해서 사용해야만 했다. 그런데 2011년에 리니어 테크놀로지가 LTC4000 배터리 충전 컨트롤러 IC와 외부 보정 DC/DC 컨버터로 이루어진 2칩 충전 솔루션을 내놓음으로써 바로 그와 같은 시장의 문제를 해결하고 디자인을 간소화할 수 있게 하였다.

복잡하지 않은 “벅-부스트 배터리 차저에 대한 요구
디자이너가 충전 프로젝트를 시작할 때 직면하는 까다로운 과제 중의 몇 가지를 들자면, 입력 소스가 다양할 수 있고 배터리 유형이 다양할 수 있으며, 고용량 배터리를 충전해야 할 수 있으며, 입력 전압 범위가 배터리 전압 범위보다 높거나 낮을 수 있고 그럼으로써 벅-부스트 토폴로지를 필요로 할 수 있다는 점을 들 수 있다.

그런데 문제는 많은 애플리케이션이 이러한 요구들을 모두 충족할 수 있는 간소한 전용 단일 IC 배터리 충전 솔루션을 이용할 수 없다는 것이다. 이러한 예로는 다음과 같은 경우를 들 수 있다:

•특정한 배터리를 다양한 입력으로 충전해야 하는 경우 (어떤 것은 배터리보다 높고 어떤 것은 배터리보다 낮을 수 있음)
•단일 입력의 범위가 배터리 전압 범위보다 높거나 낮은 경우
•높은 입력 전압 전원 (30V 이상)

입력 소스가 변동적이므로 범위가 넓을 수 있는데 배터리 충전 시스템에서 그보다 훨씬 더 다루기 복잡한 문제는 전압이 5V부터 19V 또는 그 이상에 이르는 고전력 월 어댑터, 정류 24VAC 시스템, 고-임피던스 태양광 패널, 자동차 및 대형 트럭/군용차량 배터리이다. 그러므로 이러한 시스템에 리튬 기반(리튬이온, 리튬폴리머, LiFePO4 등), 납축전기 기반, 심지어 니켈 기반을 비롯해서 가능한 배터리 소재들까지 고려한다면 가능한 조합이 더욱 더 늘어남으로써 설계 작업을 훨씬 더 복잡하게 만든다.

IC 설계 상의 복잡성 때문에 기존의 배터리 충전 컨트롤러는 주로 스텝다운(벅) 또는 그보다 좀더 복잡한 SEPIC 토폴로지로 한정되었다. 여기에 태양광 충전 기능까지 더하게 되면 무수히 다양한 가능성들을 고려해야만 한다. 또한 기존의 어떤 솔루션은 온보드 충전 종료를 이용해서 다중의 배터리 소재를 충전한다. 하지만 지금까지는 어떤 단일 IC 차저로도 이러한 모든 요구를 다 충족하도록 필요한 성능을 제공하지 못했다.

새로운 단일 IC 솔루션
위에서 언급한 문제들을 해결하는 벅-부스트 IC 충전 솔루션이 되기 위해서는 무엇보다도 다음과 같은 특성들을 갖추어야 할 것이다:

•유연성 - 스텝업 모드 또는 스텝다운 모드로 효율적으로 동작할 것
•넓은 입력 전압 범위
•다중의 배터리 스택을 지원하도록 넓은 출력 전압 범위
•다양한 배터리 소재를 충전할 수 있을 것
•간소하면서 자율적인 동작 (마이크로프로세서 불필요)
•높은 충전 전류로 대형의 고용량 셀을 빠르게 충전할 수 있을 것
•소형이면서 두께가 얇은 솔루션 풋프린트
•첨단 패키징으로 열 성능과 공간 효율을 향상시킬 것

리니어 테크놀로지는 몇 년 전에 LTC4000 배터리 충전 컨트롤러 IC를 출시함으로써(이 IC와 외부 보정 DC/DC 컨버터가 함께 동작해서 강력하고도 유연성이 뛰어난 2칩 배터리 충전 솔루션 제공) 그 때까지 꽤 복잡하고 번거로웠던 솔루션을 크게 간소화할 수 있게 하였다.

하지만 PowerPa th™ 제어를 가능하게 하기 위해서 최근까지만 해도 스텝업/스텝다운 기능과 입력 전류 제한 기능을 위해서 벅-부스트 DC-DC 스위칭 레귤레이터나 벅 스위칭 레귤레이터 차저 컨트롤러에 프론트엔드 부스트 컨트롤러, 마이크로프로세서, 다수의 IC 및 이산 소자들을 결합해서 사용해야 했다.

이러한 솔루션의 단점은 동작 전압 범위가 제한적이고, 태양광 패널 입력 기능이 없고, 모든 배터리 소재를 충전하는 것이 불가능하고, 온보드 충전 종료가 불가능하다는 것이었다. 그런데 이제 이러한 많은 문제들을 해결할 수 있는 더욱 더 간소하면서 훨씬 더 소형화된 풋프린트의 모노리식 솔루션을 이용할 수 있게 되었다. LTC4020 벅-부스트 배터리 충전 컨트롤러는 단일칩 스텝업/스텝다운 충전 솔루션을 제공한다.

LTC4020 배터리 충전 컨트롤러
LTC4020은 다양한 유형의 소스를 이용해서 시스템 전원 레일로 전력을 효율적으로 전송하고 배터리를 충전할 수 있도록 설계된 첨단 고전압 전원 관리 및 다중 소재 가능 배터리 충전 컨트롤러이다.

이 제품은 정밀한 충전 전류 레귤레이션, ±0.5퍼센트 충전 전압 레귤레이션, 4.5V~55V의 넓은 입력 전압 범위를 특징으로 함으로써 다양한 유형의 입력 전압 소스에 이용할 수 있다. 또한 LTC4020은 최대 55V에 이르는 출력 전압 범위, 20A에 이르는 충전 전류, 선택 가능한 3개의 종료 알고리즘을 제공함으로써 그에 상응하게 넓은 범위의 다양한 배터리 스택 전압 및 소재 타입을 지원할 수 있다.

뿐만 아니라 LTC4020은 스텝업/스텝다운 DC/DC 컨트롤러를 포함함으로써 입력 전압(VIN)보다 높거나, 낮거나, 동일한 배터리 전압으로 동작할 수 있다. 통상적인 애플리케이션들로는 이동형 산업용 및 의료용 장비, 태양광 구동 시스템, 군용 통신 장비, 12V~24V 임베디드 자동차 시스템을 포함한다.

•넓은 전압 범위: 4.5V~55V 입력, 최대 55V 출력 (60V 절대 최대 정격)
•동기식 벅-부스트 DC/DC 컨트롤러
•리튬이온 및 납축전지 충전 알고리즘
•±0.5% 부동 전압 정확도
•±5% 충전 전류 정확도
•극심하게 고갈된 배터리로 즉각적 턴온(“insta nt-on”) 가능
•아이디얼 다이오드 컨트롤러를 통합함으로써 입력 전력이 제한적일 때 저손실 PowerPath 가능
•고 임피던스 입력 전원 및 태양광 패널 최대 전력점 동작을 위한 입력 전압 레귤레이션
•보호 및 종료 기능에 이용하기 위한 온보드 타이머
•자동 리셋을 이용한 불량 배터리 검출
•온도 검증 충전을 위한 NTC 입력
•바이너리 코드 개방-컬렉터 상태 핀

태양광 충전
태양광 패널을 최대 전력점(maximum power point: MPP)으로 동작하도록 하는 데에는 여러 가지 방법이 있을 수 있다. 이 중에서 가장 간단한 방법은 배터리를 다이오드를 거쳐서 태양광 패널로 연결하는 것이다. 이 기법은 패널의 최대 출력 전압을 비교적 협소한 배터리 전압 범위로 매칭시키는 것이다.

그러므로 간단한 회로를 이용해서 패널이 고정적인 전압으로 동작하도록 하고 대략적인 최대 전력 동작을 달성하도록 할 수 있다. 전압 분할기를 이용해서 패널 전압을 측정하고 입력 전압이 프로그램 된 레벨보다 낮게 떨어지면 패널 상의 부하를 낮추어서 프로그램 된 전압 레벨을 유지하도록 한다.

니켈 충전
니켈 소재 배터리(니켈 카드뮴(NiCd), 니켈 메탈 하이드라이드(NiHM) 등)일 때는 과충전 가능성을 고려해야 한다. 이에 대한 통상적인 기법은 장시간에 걸쳐서 낮은 전류로 충전하는 것이다. NiCd 및 NiMH 배터리는 C/300 충전 레이트를 무한정하게 흡수할 수 있다.

“시간(timed)” 전류 소스 충전 알고리즘을 이용하면 단시간 충전이 가능하다. 충전에 앞서서 고갈된 배터리인지 확인하는 것이 좋으며 그런 다음 배터리를 충전하되 용량의 125퍼센트 이상으로 충전하지 않도록 해야 한다. 예를 들어서 완전히 고갈된 2000mAh NiMH 배터리를 한 시간 동안 2.5A로 충전할 수 있다.

결론
LTC4020은 까다로운 고전압 고전류 충전 시스템을 간소화할 수 있도록 한다. 이 디바이스 제품은 리튬이온, 리튬폴리머, 리튬 인산철, 밀폐형 납축전지, 니켈 기반 셀을 비롯해서 다양한 유형의 배터리 소재를 충전할 수 있다. 또한 이 IC는 태양광 패널을 비롯한 다양한 유형의 입력 소스를 효과적이고 효율적으로 스텝업 또는 스텝다운 할 수 있고 그러면서 동시에 충전할 수 있으므로 고전력 배터리 차저 회로 디자인을 대폭적으로 간소화할 수 있다.