전력용 반도체 기술 동향

글 : 케이스 켈러 / 전력 아날로그 필드 애플리케이션엠 에이 바나크 / 일렉트로닉스 설계 컨설턴트텍사스 인스트루먼트 / www.ti.com휴대형 시스템의 런타임은 전력 소모가 많은 프로세서, 트랜스미터, 리시버, 미디어 재생 등 장치의 기능이 풍부해지면서 점점 더 중요해지고 있다. 배터리 ‘연료 게이지’를 사용하는 것은 시스템의 런타임을 높이는 자연스러운 단계이다. 안타깝게도 과거 세대의 게이지는 사용량 프로파일과 셀 에이징에 따라 최대 15%까지 정확도가 떨어졌다. 이 글에서는 임피던스 트랙이라 불리는 TI의 제 3세대 기술에 대해 설명하고자 한다. 이것은 배터리 팩의 전체 수명 기간 동안 최대 99%까지의 정확성을 제공하여 배터리 수명을 늘릴 수 있다.리튬이온 배터리 애플리케이션의 공통적인 문제점배터리 서브시스템 설계에서 가장 중요하게 고려해야 할 점은, 가용 전력의 안전한 사용과 신뢰성이다. 배터리 수명을 예측할 수 없다면 가장 안전한 설계도 아무 소용이 없다. 누구도 충전된 배터리가 영원히 지속되리라 생각하지 않으며, 메커니즘의 결함은 피할 수 없는 현실이다. 따라서 배터리 시스템 설계자는 배터리 안에 남아 있는 충전량이 얼마나 되는지 사용자가 알 수 있게 하고 셀을 다양한 결함의 조건으로부터 보호할 수 있는 수단을 반드시 고안해야 한다. 이러한 관심의 대부분은 배터리가 완전히 방전되었다고 생각되는 지점 근처까지 배터리를 관리하는데 집중된다.고객은 시스템이 갑자기 멈춰버리거나, 그보다 최악의 경우 데이터까지 잃게 되는 상황을 원하지 않는다. 과거 세대에서는 배터리 모니터링 기술 부재와 실제 배터리 동작을 고려하지 않은 ‘공격적인’ 시스템 구현 때문에, 언제든 갑자기 시스템이 정지할 가능성이 항상 존재했었다. 그리고 순정 용량은 시간이 지남에 따라 점점 더 부정확해지곤 했다. 우리는 평소의 충/방전 사이클링으로부터 개개의 셀들이 시간이 지남에 따라 어떻게 노후화 되는지 경험에 근거한 추측만 할 수 있을 뿐이었다(전해질 아노드/캐소드 물질의 내부 임피던스 증가로 전개).그림 1에서 일반적인 셀 에이징의 경우 500회의 충/방전 주기면 셀 임피던스가 증가하여 런타임이 새로운 셀의 절반에 불과하게 된다는 것을 알 수 있다(사이클이란 전체 에너지 중 70% 이상 셀로 들어오고 나가는 이동현상을 말한다).리튬이온 셀은 몇 가지 잘 알려진 특성을 가지고 있다. 임피던스는 방전 중 온도에 극도로 많은 영향을 받는다. 고온 및 셀에서의 미세한 과전압은 셀 수명을 크게 떨어뜨린다. 그림 2에서는 지정된 최대값보다 50mV 더 높게 셀을 충전하면 셀 수명이 최대 50%까지 떨어지는 것을 알 수 있다.1 그림 3은 80% 이상 방전된 셀이 실내온도에서 0℃까지 DC 임피던스가 5배 증가(약 300mΩ~ 1.5Ω 이상까지)한다는 것을 보여주고 있다.1장시간 사용할 경우, 직렬 셀이 불균형하게 될 수 있다. 셀 중 한 개가 다른 셀들에 비해 더 빨리 셀 미달전압(CUV)에 도달하게 되는 경우, 팩의 사용 수명이 줄어들 수 있다. 이때 셀 팩은 제로 용량을 보고하며 셧다운해야 한다. 비유하자면 체인의 강도가 체인의 가장 약한 링크밖에 안 되는 것이다. 극한 환경에서는 로우 셀 전압 보호(low cell voltage protector)들 중 하나가 작동하여 즉시 추가 방전을 모두 중단시킬 수 있다. 시스템이 경고도 없이 정지되지만, 과거 세대의 연료 게이지는 남은 시간을 적정을 넘어 보고할 것이다.사실, 연료 게이지 레지스터를 가지고 있는 보호 디바이스를 잘못 추적하는 일은 해묵은 문제거리이다. 이 문제에 대처하는 한 가지 전략은, 연료-게이지 보고서에 상당한 여백을 메우는 것이었다. 이는 시스템 설계자가 저전압 셧다운 쓰레스홀드 값보다 한참 위에 있는 셀 수준에서 제로 용량이 보고되도록 할 수 있다. 이것은 시스템을 사용 중일 때 갑자기 정지되는 것을 막아줄 것이다. 그러나 신뢰도를 확보하기 위해 보통 15%의 여유분을 두어야 한다는 것은 너무 비싼 대가이며, 이 여유분은 셀 에이징, 온도 영향 및 사용자의 방전 프로파일에 따라 더 늘어나게 될 수도 있다.모든 환경에서 완전한 배터리 용량 모델리튬이온 셀의 충전 상태는 다음의 파라미터들이 포괄적인 모델에 포함되어 있는 경우 완전히 예측 가능하다:쪾 셀의 총 화학적 용량(Qmax). 이것은 처음에 데이터시트 용량(예: 18650 원통형 셀의 경우 2400mAh)으로 지정되어 있지만, 배터리의 충전/방전 최초 사이클 후에는 연료 게이지가 자동으로 이것을 업데이트한다.쪾 셀 안으로 들어가거나 나오는 전하의 양. 이것은 쿨롱 카운팅(coulomb counting) 프로세스로 측정되고 얻어진다.쪾 시스템 내의 현재 부하 전류(평균과 피크).쪾 전류를 전달하는 동안 셀의 내부 저항. 이것은 온도 변화, 셀 에이징의 영향 및 셀의 충전 상태에 따라 달라진다.쪾 셀의 느슨한 오픈 회로 전압(OCV). 이것은 배터리 전압의 변화가 샘플링 시간 동안 마이크로볼트에도 미치지 못하는 가벼운 부하(>>참고문헌1. Soo Seok Choi and Hong S. Lim, "Factors that affect cycle-life and possible degradation mechanisms of a Li-ion cell based on LiCoO2," Journal of Power Sources, Vol. 111, Issue 1 (Sept. 18, 2002), pp. 130136.>>>관련사이트power.ti.comwww-s.ti.com/sc/techlit/sluc106.zipwww-s.ti.com/sc/techlit/sluu277www.ti.com/sc/device/partnumberpartnumber: bq20z75-v160, bq20z95, bq27500-v100, bq27540스마트 배터리 시스템 장치 포럼 (SBS-IF), www.sbs-forum.org시스템 관리 버스 (SMBus), www.smbus.org시스템 관리 인터페이스 포럼 (SMIF), www.smiforum.org
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