배터리로 구동되는 휴대용 제품을 위한 컨버터 솔루션

[테크월드=정환용 기자] 오늘날 우리 모두에게 친숙한 배터리는 어디서나 수많은 제품과 애플리케이션에 사용되고 있다. 휴대전화와 노트북 컴퓨터는 물론 플래시라이트, 무선 공구, MP3 플레이어, 휴대용 비디오 게이밍 기기, 휴대형 멀티미터뿐 아니라 과학용 계측기와 빠르게 증가하는 헬스케어 기기에도 배터리는 필수적이다.

BCC 리서치(BCC Research)에 따르면 배터리로 구동되는 휴대용 제품의 전 세계 시장 규모는 2011년 4800억 달러에서 2016년에는 6110억 달러 이상으로 증가했으며, 2020년까지 지속적으로 확대될 것으로 전망됐다.

배터리로 구동되는 휴대용 제품 시장은 개략적으로 다음과 같이 세분화할 수 있다.

~29% 통신 제품
~29% 컴퓨터 관련 제품
~19% 의료용 제품
~‌23% 카메라, 장난감, 엔터테인먼트, 
  시계, 조명, 내비게이션, 군용 제품

이렇게 세분화된 다양성은 제품 간 고유 시너지, 제품에 탑재되는 배터리, 배터리 충전기 및 배터리를 재충전하는 전력 관리 시스템을 통해 달성된다.

화학전지와 애플리케이션
배터리로 구동되는 제품들은 방대한 시장 규모를 형성하고 있다. 여기에 어떤 화학전지가 쓰이는지 살펴보면, 다양한 제품군에서 가장 많이 사용되는 화학전지는 리튬 기반 배터리로 나타났다. 프로스트 앤 설리번(Frost & Sullivan)에 따르면 리튬 기반 배터리 시장은 2016년에 225억 달러를 차지한 것으로 조사됐다. 북미와 중국은 리튬 배터리의 전 세계 매출의 절반을 넘게 차지하고 있다. 더 나아가 리튬 배터리에 대한 수요는 소비자 가전기기 벤더의 핵심적인 최종 사용자, 산업용 상품 제조업체, 그리드 및 재생 가능한 에너지 저장장치 부문과 자동차 제조업체에 의해 한층 촉진될 전망이다. 산업용 부문에서는 헬스케어, 전동 공구, 군용 애플리케이션에 리튬이온 배터리 수요를 이끌고 있다.

일반적인 리튬이온 배터리는 완전 충전 시 4.2V의 높은 상태에서 방전 프로파일을 가지며, 완전 방전 시 2.7V까지 내려간다. 이러한 방전 프로파일은 스마트폰과 MP3 플레이어에는 매우 적합하지만, 휴대용 과학용 계측기나 전동 공구, 의료용 헬스케어 기기에는 적합하지 않을 수 있다. 이러한 경우 실제적으로 사용하는 데 필요한 지속 시간을 제공하기 위해 여러 개의 셀이 요구된다. 이것은 2~4개의 셀을 직렬이나 병렬, 또는 이 두 가지를 혼용해 사용해야 한다는 것을 의미한다. 그 결과 이러한 배터리 구성의 전압 범위는 높게는 10.8~16.8V(리튬 셀 4개를 직렬연결)에서부터 낮게는 5.4~8.4V(리튬 셀 2개를 직렬연결)까지 다양하다.

배터리 전압 변환 및 레이아웃 고려사항
전자장치의 기능적 밀도가 점점 더 증가하면서 DC/DC 컨버터의 높은 전력 밀도가 중요한 요구사항이 되고 있다. 마찬가지로 많은 기능들이 빼곡히 들어간 최근의 디바이스들은 온도 상승을 최소화하기 위해 높은 효율의 솔루션을 요구하기 때문에 전력 소모가 중요하다. 입력 전압 소스가 레귤레이트된 출력 전압보다 높거나 낮은 애플리케이션의 경우, 특히 높은 전력 레벨에서 효율적인 초소형 솔루션을 찾는 것은 쉽지 않다. 듀얼 인덕터 SEPIC 컨버터 등을 사용하는 기존의 설계 방법은 효율이 낮고 솔루션 크기도 크다.

앞서 언급했듯이 의료용 제품과 산업용 계측기와 같은 전력 소모가 많은 휴대형 기기들은 갈수록 증가하는 프로세싱 요구를 지원하기 위해 다중 셀 또는 고용량 배터리를 필요로 하는 경우가 많다. 많은 부하는 배터리 전압 범위 내의 레귤레이트된 출력을 필요로 하며, 따라서 스텝업과 스텝다운이 모두 가능한 컨버터가 요구된다. SEPIC 컨버터는 실행 가능한 솔루션이지만 크기가 크고 변환 효율이 높지 않아, 크기가 작거나 무거운 제품에 사용하기에는 최적의 선택이 아니다. 따라서 넓은 전압 범위와 높은 효율을 제공하는 벅-부스트 DC/DC 컨버터가 보다 긴 배터리 지속 시간과 다양한 입력 소스를 지원하는 데 이상적인 솔루션이다.

전원 설계자의 관점에서 프로토타입 전원 보드에 맨 처음 전원을 인가할 때마다 잘 작동되면서 조용하고 열이 발생하지 않는다면 좋겠지만, 유감스럽게도 항상 그런 것은 아니다. 스위칭 전원은 공통적인 문제로 불안정한 스위칭 파형을 갖는다. 때때로 파형 지터가 매우 뚜렷해서 자기 부품에서 가청 잡음이 들리기도 한다. 문제가 PCB 레이아웃과 관련되면 원인을 식별하기가 어려울 수 있다. 따라서 스위칭 전원 설계의 초기 단계에서 PCB 레이아웃을 적절히 설계하는 것이 매우 중요하며, 그 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다.

물론 전원 설계자는 최종 제품에 들어가는 전원의 기술적 세부사항과 기능적인 요구사항을 이해하며, 언제나 처음부터 PCB 레이아웃 설계자와 핵심적인 전원 레이아웃에 대해 긴밀히 협력한다. 우수한 레이아웃 설계는 전원 효율을 최적화하고 열 응력(heat stress)을 완화하면서, 가장 중요하게는 트레이스와 부품 간 상호작용과 잡음을 최소화하는 것이다. 이를 달성하려면 설계자가 스위칭 전원에서 전류의 전도 경로와 신호 흐름을 이해하는 것이 중요하다.

표면 실장 전력 MOSFET과 인덕터에 대해 외부 히트싱크 없이 설계하는 경우, 히트싱크의 역할을 하도록 충분한 구리 영역을 가질 필요가 있다. 입/출력 전압과 전원 접지와 같은 DC 전압 노드에서는 구리 영역을 가능한 크게 하는 것이 바람직하다. 여러 개의 비아는 열 응력을 추가로 감소시키는 데 도움이 된다. 높은 dv/dt 스위치 노드에서 스위치 노드의 구리 영역에 대한 적절한 크기는 dv/dt 관련 잡음을 최소화하는 것과 MOSFET에 우수한 히트싱크 성능을 제공하는 것 간의 설계 절충을 통해 결정한다.

마지막으로, 제어 회로는 잡음이 존재하는 스위칭 구리 영역에서 떨어뜨려 배치해야 한다. 벅 컨버터의 경우 제어 회로를 Vout+ 측에 가깝게 배치하고, 부스트 컨버터의 경우에는 전원 트레이스가 연속적인 전류를 운반하므로 Vin+ 측에 가깝게 배치하는 것이 좋다. 공간이 허용하는 경우, 제어 IC는 잡음과 열이 많이 발생하는 전력 MOSFET과 인덕터로부터 약간의 거리(0.5–1인치)를 두고 배치하도록 한다. 만약 공간 제약으로 인해 컨트롤러를 전력 MOSFET과 인덕터에 가깝게 배치하지 않을 수 없다면, 접지 면을 갖는 전원 부품으로부터 제어 회로를 절연하도록 특별한 주의를 기울이도록 한다.

최적화된 전력 컨버터 솔루션
전원 설계는 분명 쉽지 않은 작업이다. 입력이 높거나 낮거나 같을 때도 고정된 출력 전압을 발생시키기 위해 SEPIC 컨버터와 같은 번거로운 솔루션을 최적화하는 것과 관련된 리스크를 완화하는 솔루션을 갖는다면 많은 이점을 얻을 수 있다. 초소형·고효율 솔루션을 용이하게 구현할 수 있도록, 전력 MOSFET을 최적화하고 통합하면 설계 작업을 간소화할 수 있다. 다행히 리니어 테크놀로지에서는 이러한 문제를 해결하는 여러 새로운 컨버터 솔루션을 내놓고 있다.

LTC3119는 동기식 전류 모드 모놀리식 벅-부스트 컨버터이며, 벅 모드에서 단일 또는 다중 셀 배터리, 레귤레이트되지 않은 벽면 어댑터뿐 아니라 태양광 패널, 슈퍼커패시터를 포함해 다양한 입력 소스로부터 최대 5A의 연속 출력 전류를 공급한다. 펄스 부하 애플리케이션을 위해 더 높은 출력 전류도 지원할 수 있다. 디바이스의 2.5~18V 입력 전압 범위는 기동 후 최소 입력 전압이 250mV까지 확장된다. 출력 전압은 출력보다 높거나 낮거나 같은 입력으로 레귤레이트되며, 0.8V에서부터 18V까지 프로그래밍할 수 있다.

사용자가 선택할 수 있는 버스트 모드(Burst Mode) 동작은 무부하 전류를 단 31μA로 낮춰, 경부하 효율을 향상시키고 배터리 지속 시간을 늘려준다. LTC3119에 통합된 고유의 4스위치 PWM 벅-부스트 토폴로지는 모든 동작 모드에서 잡음이 낮고 지터 없는 스위칭을 제공해 전원 잡음에 민감한 RF 및 정밀 아날로그 애플리케이션에 이상적이다. 

디바이스는 또한 프로그래밍 가능한 최대 전력점 제어(MPPC) 기능을 포함하고 있어, 태양전지를 비롯한 높은 출력 임피던스를 갖는 전원으로부터 전력 공급을 극대화할 수 있도록 보장한다. [그림 1]에서 간략화한 회로도를 볼 수 있다.

LTC3119는 4개의 낮은 RDSONN-채널 MOSFET을 포함하고 있어 최대 95% 효율을 제공한다. 버스트 모드 동작을 비활성화할 경우 낮은 잡음의 연속 스위칭을 제공할 수 있다. 

외부 주파수 프로그래밍 또는 내부 PLL을 사용해 동기화하면 400kHz ~ 2MHz의 넓은 스위칭 주파수에서 동작할 수 있으므로, 변환 효율과 솔루션 크기 간에 절충할 수 있다. 그 밖의 기능으로는 단락 회로 보호, 열 과부하 보호, 3μA 미만 셧다운 전류, Power Good 표시 등이 있다. LTC3119는 소형 외부부품, 넓은 동작 전압 범위, 초소형 패키지와 낮은 무부하 전류를 결합함으로써 RF 전원, 고전류 펄스 부하 애플리케이션, 시스템 백업 전원은 물론 12V 납축전지 변환 시스템에도 매우 적합하다.

많은 휴대용 시스템은 단일 또는 다중 셀 배터리 구성, 벽면 어댑터, 슈퍼커패시터 스택을 포함해 다양한 입력 소스로부터 전력을 공급받을 수 있어야 한다. LTC3119와 같은 제품군에 속하는 다른 디바이스로 LTC3118이 있다. 듀얼 입력, 모놀리식 벅-버스트 LTC3118은 무손실 PowerPath를 통합해 최대 2A의 연속 출력 전류를 공급할 수 있다. LTC3118은 지능적인 기능을 구현하여 적절한 입력 소스로 자동으로 전환함으로써 레귤레이트된 출력을 매끄럽게 유지한다. 각각의 입력은 2.2~18V에서 동작할 수 있으며, 출력은 2~18V 사이에서 프로그래밍할 수 있으므로 다양한 애플리케이션에 적합하다.

LTC3118은 저잡음, 전류 모드 벅-부스트 토폴로지 아키텍처를 채택하고, 1.2MHz의 고정 스위칭 주파수를 갖는다. 고유한 설계는 벅과 부스트 모드 간에 연속적이고 지터 없는 전환을 제공하므로 RF 및 기타 잡음에 민감한 애플리케이션에 이상적이다. 소형 외부부품과 4x5mm QFN 또는 TSSOP-28E 패키지를 결합함으로써 초소형 솔루션 풋프린트를 구현한다. [그림 2]에서는 간략화한 회로도를 볼 수 있다. 

LTC3118은 4개의 낮은 RDS(ON) N-채널 MOSFET을 포함하고 있어 어느 입력에서나 최대 94% 효율을 제공한다. 사용자가 선택할 수 있는 버스트 모드 동작은 입력 무부하 전류를 단 50μA로 낮춰, 경부하 효율을 향상시키고 배터리 지속 시간을 늘려준다. 잡음에 민감한 애플리케이션의 경우, 버스트 모드 동작을 비활성화시키면 부하 전류와 관계없이 고정 주파수의 저잡음 동작을 수행할 수 있다. 

그 밖의 기능으로는 소프트 스타트, 과전압 보호, 단락 회로 보호, 열 셧다운 및 출력 차단 등이 있다.

결론
통신, 의료 및 컴퓨터 관련 제품의 증가하는 요구를 만족하면서 다양한 종류의 배터리로 구동되는 휴대용 제품을 설계할 수 있는 많은 기회가 창출되고 있다. 시스템 설계자는 효율과 지속 시간, 솔루션 크기를 타협하지 않으면서 입력-출력 전압 제한, 전력 레벨, 설계 용이성을 포함해 핵심적인 설계 목표를 만족하는 적합한 전력 변환 솔루션을 선택해야 하는 어려운 과제를 안고 있다. 

성능 영향 없이 시스템 목표를 만족하는 솔루션을 설계하는 것은 매우 어려운 작업이다. 다행히 리니어 테크놀로지에서는 설계를 간소화하고 업계 최고 기능을 제공하면서 넓은 범위의 부하에 걸쳐 고효율 동작을 구현함으로써 배터리 재충전 사이클 사이에 지속 시간을 극대화하는 다양한 벅-부스트 컨버터 솔루션을 출시하고 있다.

글 | 토니 암스트롱(Tony Armstrong) 전력 제품 사업부 제품 마케팅 디렉터
제공 | 리니어 테크놀로지(Linear Technology)