친환경 파워서플라이 설계 기술
자료제공: ST마이크로일렉트로닉스 / www.st.com
친환경 영향
휴대전화 산업이 환경에 영향을 미칠 것이라고 누가 생각할 수 있었을까? 환경 침해를 줄이는 방법을 논할 때, 일반적으로 휴대전화와 관계없는 자동차의 기술 변화나 그린 에너지 사용 등이 언급됐다. 그러나 휴대전화 충전기가 환경에 영향을 미치고 있으며, 휴대전화 업계의 이해관계자들이 UCS(Universal Charging Solution)를 통해 이 문제에 대처하기 시작했음을 보게 될 것이다. UCS는 휴대전화 제조사가 핸드셋을 설계하는 방식을 변화시킬 것이다. 이 글에서는 안전한 충전 인터페이스를 구현하기 위해 해결해야 할 절충 과제들에 대해 살펴볼 것이다.
휴대전화 사용자는 한 사람이 일 년에 약 17kg의 이산화탄소를 발생시킨다. 이는 자동차로 111km를 주행하는 것과 같은 수치이다. 이 수치가 그다지 커 보이지 않기 때문에, 휴대전화 문제가 환경을 위한 최우선 과제로 보이지 않는다. 그러나 관점을 바꾸어보면 지난해에 전 세계적으로 12억 개의 휴대전화기가 출하되었으며, 이들 각각은 전용 충전기를 갖고 있다는 사실에 주목할 필요가 있다. 이 12억 개 휴대전화 출하량 중에서, 5억 개는 이전 전화기를 교체하는 것으로 추산되고 있다. 새로운 기능의 최신 휴대전화를 장만하는 데에는 언제나 뜨거운 관심을 보이지만 충전기를 교체한다는 사실에 주의를 기울이는 사람은 거의 없다. 휴대전화의 평균 교체 기간이 18개월이고 대부분의 휴대전화가 동일한 브랜드의 제품을 포함해 특정 충전기를 제공한다는 사실을 고려한다면 가정에 3, 4개의 사용하지 않는 휴대전화 충전기가 있다는 점은 드문 일이 아니다. 실제로 새로운 휴대전화가 이전에 사용하던 충전기를 사용할 수 있는 가능성은 약 10%에 불과하다! 바로 이점 때문에, 정부와 기관뿐만 아니라 휴대전화 업계의 주요 관계자들이 이러한 낭비를 줄이기 위한 정책을 시작하고 있다는 사실에 주목해야 한다.
중국 정보 산업국은 2006년 12월에 콘센트 충전기 및 연결 케이블 표준화에 관한 새로운 규정(YD/T 1591-2006)을 발표했다. 중국에서 공식적인 인증을 받기 위해서는 중국 시장에 판매되는 모든 새로운 휴대전화는 이 규정을 준수해야 한다. 또 다른 주요 진전은 2009년 2월 바르셀로나에서 열린 지난 MWC(모바일월드콩그레스)에서 있었다. 세계 5대 휴대전화 제조사를 포함하여 GSMA와 17개 휴대전화 사업자는 2012년에 마이크로 USB 커넥터를 사용하는 USB를 통해 UCS(Universal Charging Solution)를 제공하기로 합의했다.
이러한 정책은 최대 51,000톤의 사용하지 않는 휴대전화 충전기를 없애는 데 도움을 줄 수 있다. 휴대전화 충전기 생산이 매년 2%씩 감소된다고 가정한다면 연간 1,300만 톤에서 2,200만 톤의 온실가스 효과를 줄일 수 있을 것으로 업계는 기대하고 있다.
확실한 친환경 효과 외에도, 휴대전화기 사용자는 앞으로 가족과 여행을 떠날 때 여러 대의 충전기를 가지고 다니지 않아도 되며, 자신의 휴대전화와 호환되는 충전기를 쉽게 빌릴 수도 있을 것이다.
표준화
그러나 UCS가 성공하기 위해 휴대전화 제조사에게 필요한 첫 번째 사항은 USB를 통한 배터리 충전 표준화에 합의하는 것이다. 2007년 3월 8일에 발표된 배터리 충전 규격 개정 1.0은 USB 전용 충전기로부터 전류를 소비하는 휴대용 장치를 위한 제한 및 검출 방식을 정의하고 있다. 중국 통신 표준 YD/T 1591-2006은 중국에서 출시되는 휴대전화에 동일한 범위를 적용하고 있다.
휴대전화는 자체 기기가 USB 충전기에 꽂혀 있는지 또는 데이터 교환을 위해 다른 단말기 (컴퓨터, 기타 휴대전화 등)에 연결되어 있는지를 탐지해야 한다. 이를 위해 USB 충전기에서 D+ 및 D-가(200Ω 보다 낮아야 하는 저항 RDCHGR_DAT를 통해) 내부적으로 단락회로 된다. USB 포트를 통해 장치를 휴대전화에 연결하면 D+ 라인이 VDAT_SRC 전압으로 구동되어 IDAT_SRC 전류를 소싱한다. D 라인 상에 지정된 전압이 검출되면 (RDCHGR_DAT 및 IDAT_SRC에 의해 결정), 이는 휴대전화가 USB 충전기에 연결되어 있음을 의미한다.
다음으로 배터리 충전 규격을 만족하려면 최대 충전기 출력 전류는 1.5A이어야 하며 최대 충전기 출력 전압은 5.25V이어야 한다. 중국의 YD/T 1591-2006은 최대 충전기 출력 전류를 1.8A로 지정하고 있다.
그럼에도 불구하고, 주요 과제는 현재 잘 정의되어 있는 배터리 충전의 표준화 보다는 USB 충전기의 품질에 있다. 실제로 충전 모니터링 기능이나 보호 기능도 없고 잡음이 있는 신호를 발생시키는 매우 불량한 USB 충전기에 고가의 스마트폰을 연결할 수 있다. 사용자는 휴대전화기가 외부 충전기에 의해 손상을 입을 수 있다는 점을 쉽게 인정하지 않겠지만, 충전을 하면서 휴대전화기가 약해진다는 사실이 알려진다면 휴대전화 브랜드 이미지가 떨어질 것이다.
따라서 휴대전화 제조사들은 더 이상 콘센트 충전기의 품질에 대해 노력을 기울이지 않기 때문에, 단말기 내부에 직접 보호 기능을 추가해야 할 필요가 있다. 휴대전화를 보호하는 것은 다음 2가지 이유로 충전기를 보호하는 것보다 더 어렵다.
● 수 백 개 기능이 내장되므로 휴대전화의 PCB 공간이 줄어든다. 보호 소자의 두께는 슬림 폰(전체 7mm!) 또는 폴더형과 호환되어야 한다.
●보호 기능은 휴대전화의 자율성에 영향을 미쳐서는 안 되므로, 누설 전류가 매우 낮아야 한다.
적합한 보호 소자를 선택하려면, 휴대전화 설계자는 USB 포트에 연결된 내부 충전 회로에 대한 리스크를 평가해야 한다.
첫 번째 잘 알려진 리스크는 ESD 발생이다. 휴대전화는 충전 중이거나 충전되지 않을 때에도 ESD(Electro-Static Discharges)가 발생할 수 있다. USB 커넥터만 만져도 사용자는 최대 30kV의 ESD 서지를 USB 회로에 일으킬 수 있다. 이는 USB 포트 라인을 최소 IEC61000-4-2 레벨 4 서지(8kV 접촉 방전)를 견딜 수 있는 소자로 보호해야 함을 이미 알고 있는 설계자에게는 문제가 되지 않는다. 이러한 리스크를 완화시켜주는 TVS (Transient Voltage Suppressors) 다이오드 시장은 충분히 크게 형성되어 있다.
그러나 우리가 USB 충전기의 품질에 의존할 수 없다고 가정하면, 두 번째 리스크는 휴대전화가 가정의 메인 파워에 직접 연결되어 메인 파워에 나타나는 모든 서지에 노출된다는 사실에 있다. 이점이 설계자가 고려해야 하는 새로운 요소이다. 가정의 메인 파워에 나타나는 주요 교란은 다음과 같다:
● 산업 시설물(인근 플랜트, 공장) 또는 외부 중/고압 전력선에 대한 조치(전력 분배망의 스위치 온/오프)로 인한 서지
● 번개로 인한 서지
가장 중요한 것은 번개 서지이다. 번개로 인한 메인 파워의 서지는 다행히 매우 드물긴 하지만 집에 낙뢰가 칠 때 발생할 수 있다. 실제로 전력선이나 단순히 전력선에 가까운 지상에 낙뢰가 칠 때마다 매설된 접지 라인에 전압 증가가 발생한다. 이러한 전압 및 전류파는 중앙 전원 및 심지어 집안의 전기 계기판에 있는 다양한 보호 장치에 연결된 전력선을 타고 전파된다. 그러나 잔여 서지는 휴대전화를 꽂는 소켓에 직접 흐를 수 있다.
이러한 잔여 서지는 낙뢰의 파형과 관련된 가파른 di/dt의 특징을 갖는다. 실험과 측정에 의해 IEC61000-4-5에서 정의된 8/20μs라고 하는 다음의 파형에 의해 이러한 서지의 전류가 모델화되었다.
피크 값의 10%~90% 사이에서 전류의 상승 시간은 8μs로 설정된다. 전류는 20μs 후 피크 값의 절반이 되어야 한다.
이러한 과전류는 실제로 저전압과 저전류로 동작하도록 설계된 전자 소자에는 매우 중요하다. 우수한 보호 소자는 GND를 통해 과전류를 싱크 (sink)하는 동시에 충전 회로가 손상되지 않도록 낮은 클램핑 전압을 적절히 유지해야 한다. 이러한 서지는 ESD 서지보다 강력하므로 설계자에게 보다 어려운 과제를 제공한다.
프랑스(550,000km²)에서는 매년 1백만 건의 낙뢰가 대지에 떨어진다! 따라서 이러한 현상은 예외적일 수 없다. 집에 낙뢰가 칠 가능성은 매우 낮더라도 일 년에 한 번 수 킬로미터 주위의 나무나 대지에 낙뢰가 칠 가능성은 100%에 가깝다.
가전 제품은 이러한 서지에 취약하지 않지만 전자 장치는 무방비 상태에 있다. 컴퓨터, TV 등은 메인 파워에 꽂도록 설계되어 있어 보호 기능이 내장된다. 다른 휴대용 기기는 적절히 보호되는 전용 충전기를 갖고 있거나 탈착 가능한 충전기를 통해 전력을 공급받는다. 그러나 비용 상의 이유로 범용 충전기가 이러한 서지로부터 보호되지 않는다면 휴대전화는 이러한 위험에 급격히 노출된다.
또한 산업 시설물 또는 중/고압 전력선에 대한 조치로 인한 서지는 더 낮은 피크 전류 값을 갖는 8/20μs 파형으로 모델화할 수 있다. 이러한 서지 가능성 또한 매우 높다.
두 번째 과제는 보호 소자의 전류 소비이다. 8/20μs 정도의 서지로부터 보호할 수 있는 TVS 다이오드는 많지만, 이들의 전류 누설은 최대 20μA에 이를 수 있다. 매우 간단한 계산은 1000mAh 배터리 용량 및 대기 모드 시 400h의 자동 동작에서 바이어싱된 라인에 이러한 소자를 추가할 경우 약 1%의 자율성이 감소됨을 보여준다!
설계자는 보호 소자의 소형화, 서지와 전력 소비에서 효율 간의 어려운 절충에 직면한다.
휴대전화를 위한 다음의 일반적인 토폴로지 예는 위에 설명된 세 가지 파라미터 간의 수용 가능한 절충을 제공할 수 있다:
TVS 다이오드는 충전기 IC와 USB 커넥터 사이에 연결된다. 커넥터에 가까울수록 ESD 성능이 우수하다. 실제로 ESD 발생과 보호 소자 간의 기생 인덕턴스는 전압 증가(V = Ldi/dt)를 처리하는 PCB 금속 트랙으로 인해 최소화된다. 이러한 종류의 다이오드는 30kV 접촉 방전을 견딜 수 있다(IEC61000-4-2).
8/20μs에서의 성능은 위에서 설명했듯이 이러한 애플리케이션에 핵심적이다. 이 경우 다이오드는 충전기 IC를 보호하기 위해 27A의 피크 펄스 전류 (IPP)를 GND로 싱크한다. 이는 소켓과 USB 충전기에 흐르는 전류 서지가 27A에 도달할 수 있음을 의미하므로 GND로 싱킹되어 TVS 다이오드나 충전 회로에도 손상이 발생하지 않는다. 충전기 IC에 나타나는 전압은 서지 시간 동안(수십 마이크로초) 18.5V를 넘지 않으므로 IC의 무결성에 영향을 미치지 않는다. 전체 피크 펄스 전력은 500W 정도이다.
또한 어떠한 이유로 TVS 다이오드를 VBAT 또는 다른 영구 바이어싱 라인에 연결할 경우 TVS 다이오드의 누설 전류는 매우 낮아야 한다. 0.5μA에서 이러한 솔루션의 누설 전류는 휴대용 기기 요구사항을 만족할 수 있다.
마지막으로 솔루션은 이미 많은 기능과 많은 IC가 탑재된 PCB 상에 구현할 수 있도록 매우 작은 풋프린트를 가져야 한다. ESDA8V2-1MX2는 최대 두께가 0.6mm인 1.0mm× 1.45mm의 μQFN로 제공된다.
결론
UCS는 휴대전화 업계에서 달성된 성과이며 환경 보존을 위한 명백한 진전을 가져다준다. 이제 휴대전화 제조업체의 주요 과제는 충전기에서 휴대전화로 흐르는 서지 및 ESD로부터의 보호 문제가 되고 있다. 이러한 애플리케이션 전용의 보호 소자는 소형 및 낮은 누설 전류를 제공해야 할 뿐 아니라 8/20μs 파형에 노출될 때 높은 수준의 전류를 견딜 수 있어야 한다. 이러한 성능을 모두 구현하는 보호 소자를 찾기는 어렵지만, 이제 TVS 시장이 이러한 모든 요구사항을 만족하는 솔루션을 제안하기 시작했다.
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