웨어러블 및 개인 전자기기 산업이 호황이다. 이 시장의 제품들은 애플리케이션과 용도에 따라 매우 다양하며 사람들의 일상 활동을 돕고 삶을 편하게 해준다. 이들 디바이스는 형태, 색상 및 크기, 안전 기준이 다 다르지만 배터리와 배터리 충전기가 필요하다는 점은 공통점 중의 하나다.
대다수의 휴대기기들은 디바이스 내부에 설치된 배터리로 구동된다. 배터리는 사용자의 안전하고 편리한 충전 경험을 충족시켜야 하므로 효율적이면서 빠른 충전이 요구된다.
웨어러블 애플리케이션에서 배터리 팩을 충전하는데 사용되는 각각의 토폴로지마다 고유한 문제점들이 있다. 선형 토폴로지와 스위치 모드 토폴로지의 차이는 각 토폴로지가 웨어러블 제품과 개인용 전자기기의 요건들을 어떻게 처리하는지 그 세부 양식을 보면 알 수 있다.
세부 양식은 크기, 애플리케이션 영역, 기능, 유연성, EMI(electromagnetic interference), BOM(bill-of-material) 수량, 충전 시간 등을 비롯한 열 성능부터 비용까지 매우 다양하다. 충전기 관련 시스템 레벨의 세부 양식을 이해하게 되면 개발자는 시간 및 비용을 모두 절약할 수 있다.
이 글에서는 선형 충전기와 스위치 모드 충전기의 상호간 균형에 관해 이야기하고자 한다.
◇ 배터리 충전기의 소개
배터리 충전기는 보통 스위치 모드와 선형 모드, 이렇게 두 토폴로지로 분류할 수 있다. [그림1]과 [그림2]는 각 컨트롤 토폴로지의 기본 아키텍처를 보여주고 있다. 짐작대로 두 토폴로지 모두는 장단점을 가진다.
스위치 모드 충전기는 두 개의 전력 FET(하이사이드 및 로우사이드)를 이용해 인덕터로 들어가는 전류를 제어한다. 이것은 선형 충전기에 비해 좀 더 복잡할 뿐만 아니라 더 많은 애플리케이션 영역과 더 많은 BOM 수량이 필요하며 외부 인덕터와 추가적인 커패시터가 요구된다.
하지만 분석 결과 스위치 모드 충전기의 효율은 더 높고 열 성능도 선형 충전기보다 더 뛰어나다. 또 스위치 모드 충전기는 높은 충전 전류를 요구하는 애플리케이션에 더 잘 맞는다. 더 나아가서는 스위치 모드 토폴로지가 더 자유롭고 조정도 간편하다.
반대로 선형 충전기는 패스 트랜지스터를 이용해 어댑터 전압을 배터리 전압으로 떨어뜨린다. 이것은 애플리케이션 영역이 작고 BOM 수량이 적은 비교적 단순한 충전기이며, 커패시터와 레지스터의 수도 적다.
선형 충전기는 인덕터가 필요 없고 커패시터도 추가할 필요가 없지만 높은 전력의 애플리케이션에서 효율 및 열 성능은 스위치 모드 충전기보다 떨어진다. 이 충전기는 크기와 BOM, 비용 등 중요한 저전력 애플리케이션에 더 잘 맞는다.
[그림2]에서 알 수 있듯이 선형 충전기는 배터리 팩과 시스템이 해당 디바이스의 동일한 VOUT 핀에 연결된다. 이 비전력 경로(non-power-path) 아키텍처는 보다 단순한 저비용의 충전기 솔루션이지만 갑작스러운 충전 중단과 심방전 배터리 시스템 동작과 같은 몇 가지 한계점을 가지고 있다.
◇ 열 성능
대부분의 웨어러블 기기는 사람 피부와의 접촉이 필요하다. 예를 들어 피부에 직접 접촉을 하게되는 스마트 워치 경우에는 사용자의 디바이스의 온도가 특정 임계를 넘어 올라가게 되면 불편해질 수 있으므로 사용 중과 충전 후의 열 예산이 낮아야 한다. 따라서 디바이스 충전 중에는 배터리 충전기의 열 성능이 중요하며 이를 최대한 낮춰야 한다.
배터리 충전기의 열 상승은 열 손실 때문인데, 이것은 인쇄회로기판(PCB)의 열 상승을 증명하는 것이다. 스위치 모드 충전기의 효율과 전력 소산은 잘 통제되는 반면에 선형 충전기는 선형 레귤레이터에서의 전압 강하와 전달된 전류를 곱한 것에 좌우된다.
선형 충전기의 전력 손실은 충전기 전류가 300밀리암페어(mA) 이하로 떨어지면 크게 감소한다.
[그림3]은 300㎃ 충전 전류, 배터리 전압 4.0볼트(V), 어댑터의 5V 입력을 이용해 선형 충전기의 열 성능 및 스위치 모드 충전기의 열 성능을 비교한 것이다. 두 토폴로지 사이의 차이는 1도(°C)에 불과하다.
[그림3]에서 두 충전기의 열 차이는 무시해도 좋을 정도다. 그러나 전력이 증가하면 스위치 모드 충전기가 좀 더 적합하다. 어떤 충전기이든 열 성능은 여러 요소에 좌우된다는 점에 주목하자.
예를 들어 패키지 타입은 다이의 열 소산, 전력 트레이스의 레이아웃, 보드 레이어의 수, 레이어에서 구리의 양, 보드의 크기, 바이어스의 수와 크기, 보드의 형태 등을 지시한다.
가령 QFN(quad-flat no-lead) 패키지는 WCSP(wafer-chip-scale package)보다 열 성능이 뛰어나다. PCB에서 레이어가 많을수록 전력이 더 쉽게 소산된다. [그림3b]는 보드 전체에 걸쳐 열 소산이 균일하게 퍼져 있다. 이러한 보드 레이아웃은 IC 열을 더 쉽게 소산시켜 디바이스의 피크 온도를 낮춰준다.
◇ 애플리케이션 영역과 BOM 비용
충전기의 애플리케이션 영역이 중요한 이유는 웨어러블 기기의 예산 영역이 제한적이기 때문이다. 선형 충전기는 기기 주변에 추가 인덕터와 복잡한 회로가 필요 없는 단순한 충전기다.
[그림4]는 스위치 모드 충전기와 선형 충전기의 BOM 수량을 비교한 것이다. 이 충전 토폴로지들 각각을 설계하는데 필요한 최소한의 커패시터와 IC, 레지스터, 인덕터의 수를 알 수 있다. 이 비교 카테고리마다 선형 충전기 솔루션의 전반적인 부품 수가 더 적다.
하지만 스위치 모드 충전기 애플리케이션 영역은 지난 몇 년 동안 발전을 거듭해오며 BOM 수량이 크게 줄어들었다. 스위칭에 인덕터가 필요하지만 고성능 디바이스에서 인덕터 크기가 줄 수 있으며 그에 따라 보드의 풋프린트도 크게 줄어든다.
선형 충전기의 적은 BOM 수량은 애플리케이션 영역의 절약으로 이어질 수 있다. 사용되지 않는 패시브 구성 요소는 충전기에 필요한 공간을 줄여 준다. 선형 충전기에는 인덕터가 필요하지 않으므로 [그림5]처럼 공간이 절약된다. 공간이 무엇보다 중요한 저전력 애플리케이션에서는 선형 충전기가 더 적합할 수 있다.
텍사스 인스트루먼트(TI)와 같은 벤더들은 시장 수요에 맞춰 디바이스 성능의 하락 없이 BOM 비용과 보드 공간을 줄임으로써 혁신의 한계를 초월하고 있다. 예를 들어 bq24250은 고집적 스위치 모드 단일셀 리튬이온(Li-Ion) 배터리 충전기이자 시스템 전력 경로 관리 IC로써 고용량 배터리의 공간제약적인 휴대용 애플리케이션을 겨냥한 것이다.
◇ 전자기 간섭
EMI의 가장 단순한 부품은 전자기파다. 이것은 전기파(E-field)와 자기파(H-field)라는 두 개의 요소로 구성된다. 전기파와 자기파는 서로 직각으로 흐르는데 방출의 주요 출처 중 하나가 루프에서의 재빠른 전류 흐름 변화다. 루프 영역은 PCB에서의 트레이스 길이와 그라운드 평면까지의 거리를 곱한 것으로 정의된다.
전류가 스위치 모드 충전기에서 빠르게 변화하면 주로 내부 MOSFET에서 전기장이 전압 이동에서 생성된다. 그러면 이 전류 루프의 결과로 방사가 일어난다. 전도된 EMI의 또 다른 출처가 스위칭 컨버터 출력의 리플이다. 리플은 스위칭 주파수의 고조파에서 주로 나타난다.
EMI는 PCB 트레이스에서 전기 잡음으로 나타날 수 있다. 이 고주파수 잡음은 단순히 충전 영역에만 국한되지 않는다. 짧은 거리일지라도 병렬로 흐르는 트레이스들 사이에서 전기용량성 및 유도성 크로스토크가 일어나기 때문에 PCB 트레이스 전체에 잡음이 퍼져 추가적으로 방해가 일어날 수 있다.
스위치 모드 충전기에서 EMI를 줄이기 위해 쉴딩 추가나 PCB 재배치, 스위칭 주파수 변경 등 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 이는 비용을 높이고 애플리케이션 영역을 증가시킬 수 있으며, 저잡음 애플리케이션의 경우에는 선형 충전기가 EMI를 줄이는데 가장 안전하고 가장 간편한 솔루션이다.
◇ 설계 유동성
같은 칩을 다양한 제품들이나 여러 세대에 맞춰 용도 변경을 할 수 있다는 점은 시스템 설계를 확장할 때 직접적인 비용을 절감시켜준다. 또 애플리케이션 학습 곡선을 단축시켜주고 이미 알고 있는 효과적인 솔루션을 이용하므로 불필요한 위험을 피할 수 있다.
시장은 여러 기능들을 집적해 다양한 애플리케이션에 맞춰 자유롭게 변용 가능한 배터리 충전기를 요구한다. I2C 인터페이스는 그러한 유연성을 제공할 수 있다. 각각의 애플리케이션을 필요한 만큼 맞춤형 설정을 할 수 있기 때문이다.
I2C 모드에서 개발자는 충전 전류, 입력 전류 한계, 조절 전압, 종료 레벨 등 여러 파라미터들을 프로그래밍 할 수 있다. 이와 관련해 TI는 I2C 버스 컨트롤의 충전 파라미터를 지원하는 스위치 모드 충전기들을 보유하고 있다.
스위치 모드 충전기는 기능이 풍부한 디바이스로 알려져 있다. 초기 버전의 선형 충전기는 유연성이 부족했지만 차세대 선형 충전기는 외부 부품을 이용해 프로그래밍이 가능하다. TI의 bq24072 및 bq24232 선형 충전기는 프로그래밍 가능한 빠른 충전과 사전 충전 전류, 전류 한계, 안전 타이머, 종료 전류 레벨 등 많은 부분에서 설계 유연성을 제공하고 있다.
또 이 조절 전압과 전력 레벨이 다양하게 출시되고 있다. 하지만 이러한 유연성은 복잡성, 애플리케이션 영역, BOM 수량 등의 증가라는 명목으로 비용이 증가된다.
◇ 충전 시간
리튬이온 배터리의 충전 사이클은 사전 충전(트리클), 빠른 충전(일정한 전류), 테이퍼(일정한 전압) 등 총 세 단계로 이뤄진다. 한 단계에서 다른 단계로의 변환은 대부분의 충전기에서 이상적이지 않으며 전압과 전류 둘 다 급격한 변환이 없다.
TI는 스위치 모드에서 충전 사이클의 충전시간 최적화를 시도해 이러한 변환을 개선한 최초의 제조업체다. 이 방법은 특정한 충전 레이트에서 다른 솔루션에 비해 충전시간을 줄여준다.
또 스위치 모드 충전기는 어댑터의 높은 전압을 다룰 수 있고 열 성능에 영향을 주지 않으며 더 높은 레이트에서 충전을 할 수 있다. 선형 충전기는 낮은 입력 전압의 애플리케이션에 주로 국한돼 있다. 이 두 가지 기능을 이용해 스위치 모드 충전기는 선형 토폴로지에 비해 더 빠른 충전시간을 달성할 수 있다.
◇ 결론
저전력 애플리케이션을 충전할 시에는 선형 모드 충전기와 스위치 모드 충전기 모두 매력적이다. 선형 충전기는 설계가 단순하고 비용 효과적이며 인덕터나 스위칭 회로가 필요 없기 때문에 EMI 문제가 없다.
반면 스위치 모드 충전기는 효율 및 열 성능이 훨씬 높고 기능도 더 많고 설계에 있어서 더 유연하다. 또 충전시간도 뛰어나고 입력 전압의 범위도 더 넓다. 결론적으로 원하는 완제품의 요건에 맞춰 각 토폴로지가 가진 장단점을 가늠하는 것은 전적으로 시스템 개발자의 몫인 것이다.
■ 참고문헌
- 진롱 퀴안(Jinrong Qian), 예브겐 바수코브(Yevgen Barsukov), ‘휴대용 디바이스의 배터리 전원 관리’, ISBN-10: 1608074919; ISBN-13: 978-1608074914, 아트테크 하우스, 2013년 5월 1일
- 웨어러블 및 피트니스 디바이스를 위한 배터리 관리 솔루션, 2014 텍스트 인스트루먼트 셀렉션 가이드(SLPT034C)
- 타하르 알라(Tahar Allag),‘“당신의 애플리케이션에 가장 최적인 bq2407x, bq2423x 단일셀 배터리 충전기 선택하기’, 텍사스 인스트루먼트 애플리케이션 노트(SLUA659), 2012년 11월
- 타하르 알라(Tahar Allag), ‘당신의 애플리케이션에 가장 최적인 bq2404x, bq2405x, 또는 bq2409x 단일셀 배터리 충전기 선택하기’, 텍사스인스트루먼트 애플리케이션 노트(SLUA667), 2012년 12월
글 : 타하르 알라(Tahar Allag) TI 스위칭 충전 솔루션 및 배터리 충전 제품 부문
시스템 엔지니어
자료제공 : 텍사스인스트루먼트(www.ti.com)
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