USB OTG 및 OVP 기능의 컴팩트한 파워매니저
USB OTG 및 OVP 기능의 컴팩트한 파워매니저
늘어나는 USB-전원 전자기기의 시장성장률에 따라 USB OTG기술의 출현은 USB의 도달 범위를 더욱 확장시키고 있다. PC가 없을 경우에도 직접적인 P2P통신과 2개의 디바이스 사이의 연결을 지원하는 USB OTG의 단순화한 데이터 교환을 통해 휴대형 기기들은 주변기기에 보다 쉽게 전력을 공급할 수 있게 된 것이다. 이에 따라 제품 설계자들은 컴팩트한 전력관리자 디바이스를 사용할 수 있게 되었고, 컴팩트한 리니어 및 스위칭 전력관리기 IC 제품군으로 작업을 한층 더 간편하게 할 수 있게 되었다. 이에 본지는 이번 연재에서 USB 온더고와 OVP 이용한 소형 파워 매니저에 대해 알아보고자 한다.
글: 스티브 크노츠(Steve Knoth) / Senior Product Marketing
Engineer, Power Products Group
리니어 테크놀로지 / www.linear.com
연 재
① 소형 배터리 구동식 휴대형 기기에서 동작시간 연장시키는 초저 IQ IC
② USB 온더고와 OVP 이용한 소형 파워 매니저
③ 보편적인 입력 배터리 차저 IC
배경지식
2008년 25만개 이상의 USB-지원 전자 기기가 선적되면서 연평균 성장률이 8% 이상을 기록함에 따라 USB-전원 전자기기 시장은 폭발적인 성장을 거듭하고 있다. 뿐만 아니라 USB OTG(Universal Serial Bus On-the-Go) 기술의 등장은 사람들의 삶에 보다 많은 선택권을 제공하고 있다. USB OTG를 통해 주변기기들은 주변기기 또는 호스트로서 동작할 수 있다. 호스트로서 OTG 디바이스는 다른 주변기기들과 통신을 하면서 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 카메라 또는 스마트폰을 중개 장치인 PC 없이 프린터에 간편하게 바로 연결할 수 있다. 하지만, USB OTG 기술을 휴대형 기기에 통합함에 따라 보다 높은 전력 동작, 온도 제약조건, 시스템 복잡성 증가 수렴에 대한 요구 등과 같은 설계 기술과제들이 발생한다. 이들 디바이스 시스템은 배터리 실행시간 연장, 다양한 전원에 대한 호환성, 높은 전력밀도, 소형 크기, 효율적인 열 관리 등에서 최적의 균형을 필요로 한다. 가장 필요한 것은 바로 기존 솔루션들보다 한층 더 높은 성능을 통해 이러한 휴대형 기기에 효율적으로 전력을 제공하면서 한층 더 소형화된 풋프린트에서 USB OTG 기능을 제공할 수 있는 전력관리기 IC이다.
설계 기술과제
휴대형 제품에서 복수의 입력 전원 간의 전력 흐름을 자동적으로 관리하면서 열 발생을 최소화하고 효율적으로 전력을 부하에 제공하는 것은 상당한 설계 기술과제를 제시한다. 사실상 거의 모든 휴대형 배터리 전원 제품들이 5V AC어댑터, USB 포트, 리튬이온/폴리머 배터리 등과 같은 복수의 저전압 소스로부터 전력을 제공 받는다. 전통적으로 설계자들은 MOSFET, OP앰프 등과 같은 디스크리트 컴포넌트를 사용하여 이러한 기능을 수행해 왔다. 크기에 따른 불리함뿐만 아니라 디스크리트 솔루션은 핫 플러깅(hot plugging)으로 인한 높은 돌입 전류(inrush current)와 부하 전압 과도전류를 견뎌야만 한다. 이러한 문제들이 조정되지 않는다면 시스템 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있다.
일반적으로 OTG 솔루션 - 특히 100mA USB 공급 장치 -은 주변기기에 전력을 공급하기 위해서 스위칭-커패시터 전압 컨버터(차지 펌프)를 사용해 왔다. 차지 펌프는 간단하고 소형이며 비용이 낮고 고유한 출력 차단 특성으로 인해 VBUS-투-GND 단薦?견딜 수 있다. 하지만 사용자들은 완벽하게 500mA를 공급하면서 USB OTG 호스트로서 동작할 수 있는 기능을 더욱더 필요로 한다. 배터리 동작시간을 극대화하면서 전력 소모가 높은 주변기기에 전력을 공급하는 데에는 효율적인 인덕터 기반 스위칭 레귤레이터가 차지 펌프보다 우수하다. 배터리의 과방전을 방지하기 위해서 인덕터-기반 OTG 부스트 기능은 출력 차단 기능을 제공해야만 한다. 이상적으로 OTG 전력공급은 또한 단락회로 고장 내성 특성과 정확한 출력 전류 제한 기능을 제공해야만 한다.
USB 기술이 전자 기기의 편의성을 증대시켰다는 데에는 의심의 여지가 없다. 사용자들은 필요한 데이터 전송을 수행하는 동일한 USB 포트로 디바이스를 충전하여 독립적인 AC 어댑터에 대한 필요성을 제거한다. 하지만 이러한 편의성은 비용을 증가시킨다. 2.5W(최대) USB 전력 제한 기능은 세심하게 관리되어야만 한다. 성능을 최적화시키기 위해 USB 전력관리기는 디바이스에 전력을 공급하고자 효율적으로 2.5W를 추출하여 배터리를 충전하는 동시에 열 발생을 최소화해야 한다.
요약하면 시스템 설계자에게 있어 주요 설계 기술과제는 다음과 같다.
새로운 간단한 솔루션
PowerPath™ 제어 기능과 USB OTG 부스트 컨버터 등과 같은 다양한 최상의 통합 기능 블록들을 제공하는 리니어 테크놀로지의 전력관리 IC는 앞서 설명한 설계 기술과제들을 간단하고 편리하게 해결한다. 사실상 많은 애플리케이션에서 전력관리기를 통합한 리니어 테크놀로지의 IC 1개로 모든 코어 시스템 전력 요구를 처리할 수 있다. 이것이 가능한 이유는 리니어 테크놀로지가 어떠한 성능 손상 없이 완벽하면서도 컴팩트한 솔루션을 제공하는 통합 수준을 활용하여 자사의 IC 개발에 대해 차별화된 접근법을 선택했기 때문이다.
PowerPath 제어
PowerPath 제어 기능은 USB 포트, AC 어댑터, 배터리 등과 같은 복수의 전원 사이의 전력 흐름을 자동적으로 완벽하게 관리하면서 전력을 시스템 부하에 선택적으로 제공한다. 전통적인 배터리-전원 충전 시스템에서 사용자는 시스템에 전력을 제공할 수 있는 충분한 전압이 발생할 때까지 완전히 방전된 배터리를 충전시키기 위해서 기다려야만 한다. 반면, 배터리의 충전 상태에 상관없이 최종 제품은 플러그-인이 되는 즉시 PowerPath 제어 기능을 통해 동작할 수 있으며, 이를 일반적으로 "인스턴트 온(instant on)" 동작이라고 한다. PowerPath 제어 기능은 리니어 및 스위칭 토폴로지 모두를 포함하고 있는 많은 LTC 제품에서 제공되고 있다. 리니어 PowerPath 토폴로지의 장점으로는 리니어 배터리 충전기에서 손실되는 전력을 최소화하여 시스템 부하에 대한 전력 전달 효율을 향상시키는 Bat-Track™ 적응형 출력 제어 기능을 들 수 있다. 스위치 모드 PowerPath 기술은 이러한 장점들을 제공하면서 시스템 부하와 배터리에 대한 전력 전달 효율을 향상시킨다. 2가지 기능 모두 배터리 전압이 낮거나 입력 전력이 제한되는 경우(예를 들어 USB)에 특히 중요하며, 스위칭 토폴로지는 탁월한 열 특성을 제공한다. 스위칭 토폴로지의 다른 장점으로는 배터리 전압이 낮은 경우(<2.9V)에도 표준 USB 포트(~2.3W)로부터 최대 600mA까지 배터리 충전 전류를 추출할 수 있다는 것이다.
리니어 테크놀로지의 LTC4160과 LTC4160-1은 미디어플레이어, 개인용 내비게이션 기기, 디지털 카메라, PDA, 스마트폰 등과 같이 USB OTG 기능을 필요로 하는 단일-셀 리튬-이온/폴리머 배터리-기반 애플리케이션을 위한 전력관리기 IC 제품군의 최신 제품이다. LTC4160/-1은 USB OTG 기능, 입력 OVP(overvoltage protection) 기능, 독립형 배터리 충전기, 이상적인 다이오드 및 컨트롤러 등의 기능을 통합한 양방향 스위칭 전력관리기로서 이 모든 기능을 컴팩트한 초저 프로파일(0.55mm) 3mm x 4mm UTQFN 패키지로 제공한다(그림 1 참조). LTC4160-1은 4.1V 배터리 부동 전압(float voltage)을 제공하여 높은 온도 안정성 마진을 지원하며 LTC4160은 최적화된 배터리 동작 시간을 위한 4.2V 최종 충전 전압을 특징으로 한다.
LTC4160/-1은 VBUS 와 VOUT 사이의 양방향 스위칭 레귤레이터를 특징으로 한다. 스텝다운 모드에서 스위칭 레귤레이터는 애플리케이션에 전력을 제공하면서 USB 포트를 통해 배터리를 충전할 수 있다. 스위칭 레귤레이터는 출력 전압을 배터리 전압보다 높은 약 300mV로 유지하여 배터리 충전기의 효율을 대폭 향상시키는 Bat-Track 적응형 출력 제어 기능을 특징으로 한다. LTC4160/-1 입력 전류는 100mA와 500mA의 USB-호환 입력 전류 제한 기능뿐만 아니라 AC 어댑터 입력을 위해 최대 1.2A까지 프로그램이 가능하다. 고속 충전을 위해 LTC4160/-1은 USB 포트를 통해 제공하는 2.5W를 거의 모두 충전 전류로 전환하여 최대 600mA까지의 충전 전류 또는 500mA 제한 USB 공급으로부터 최대 700mA까지의 시스템 부하 전류를 지원한다(그림 2 참조). AC 어댑터를 위해 충전 전류를 최대 1.2A까지 프로그램할 수 있다.
스텝 업 모드에서 스위칭 레귤레이터는 5V를 생성하기 위해서 VOUT으로부터 전력을 공급 받을 수 있으며 추가적인 컴포넌트에 대한 요구 없이 USB OTG 애플리케이션을 위해 최대 500mA를 VBUS에 공급할 수 있다. 이 모드에서 VOUT에 대한 전력은 이상 다이오드를 통해 배터리로부터 제공된다. 자세한 사항은 그림 3을 참조하라. 스텝 업 모드의 스위칭 레귤레이터는 고효율 변환, 출력 차단 기능, 단락회로 고장 보호 기능, 정확한 전류 제한 기능 등을 특징으로 한다. 이를 통해 휴대형 기기 또는 USB 주변기기는 호스트로서 동작하면서 다른 주변기기에 전력을 제공할 수 있다.
과전압 보호
LTC4160/-1은 단지 2개의 외부 컴포넌트, 즉 N-채널 MOSFET와 6.2k 레지스터만으로 VBUS에 대한 부주의한 애플리케이션에 의한 과도 전압에 대해 자체 보호 기능을 제공한다. 최대 안전 과전압 크기는 외부 MOSFET와 그와 관련된 드레인 항복 전압에 따라 최대 68V까지 선택이 가능하다.
최근에 LTC4160/-1의 PowerPath™ 제어 기능은 자동 부하 우선순위부여 기능을 통합하여 전력 흐름을 완벽하게 관리하고 "인스턴트 온" 동작을 제공하여 심지어 완전 방전 배터리에서도 시스템 부하 전력을 보장하게 해준다. 내부 180mΩ 이상 다이오드는 선택 가능한 외부 이상 다이오드 컨트롤러와 결합하여 입력 전력이 제한되거나 제공되지 않는 경우에도, 배터리에서부터 부하까지 낮은 손실 전력 경로를 제공한다. LTC4160/-1의 독립형 배터리 충전기는 충전 단말에 대한 설계를 단순화하고 외부 마이크로프로세서에 대한 요구를 제거하는 자동 동작을 특징으로 한다. 배터리 에너지를 보호하기 위해서 LTC4160/-1은 이전 스위칭 전력관리기에 비해 상당히 개선되어 정지 모드에서 배터리로부터 4μA를 소모하며 배터리 전력 공급 시(이상 다이오드 모드, VBUS전력이 전혀 존재하지 않을 경우)에는 8mA를 소모한다.
결 론
USB-전원 전자기기의 시장성장률은 폭발적이며, 따라서 USB OTG 기술의 출현은 PC를 넘어 USB의 도달 범위를 확장시키고 있다. USB OTG는 모바일 애플리케이션에 최저화 되었으며 PC가 없을 경우에도 직접적인 P2P(point-to-point) 통신과 2개의 디바이스 사이의 연결을 지원함으로써 데이터 교환을 단순화한다. 이를 통해 휴대형 기기들은 주변기기들과 호스트 모두로 동작할 수 있을 뿐만 아니라 다른 주변기기에 전력을 공급할 수 있다. 디스크리트 전력 IC 컴포넌트를 사용하는 대신에 시스템 설계자들은 더 작고 더욱 간단한 솔루션 수준의 성능을 위해 주요 전력관리 기능을 통합한 새로운 세대의 컴팩트한 전력관리자 디바이스를 사용할 수 있다. 리니어의 컴팩트한 리니어 및 스위칭 전력관리기 IC 제품군은 제품 설계자들의 작업을 한층 더 간편하게 만들어준다. 신형 IC인 LTC4160/-1은 USB OTG 부스트 기능, 과전압 보호 기능, 컴팩트한 크기 등을 제고하는 스위칭 전력관리기를 특징으로 한다. IC는 USB OTG의 편의성 및 충전 기능, 완전 방전 배터리 상태에서 즉시 시스템 전력 제공, 더 높은 신뢰성, 더욱 긴 배터리 동작 시간, 더 신속한 충전 시간 등과 같은 이점을 최종 사용자에게 제공한다.
그림 1. 간단한 LTC4160 애플리케이션 회로
그림 2. LTC4160 USB 충전 전류 성능
그림 3. LTC4160 PowerPath 블록 다이어그램 - USB OTG
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