텍사스 인스트루먼트

휴대형 전자 기기의 설계자들은 케미스트리, 충전IC 토폴로지, 충전 관리 솔루션 등의 유형에서 여러 가지 다양한 선택을 할 수 있다. 가장 적합한 솔루션을 선택하는 일이 간단할 것 같지만, 대부분의 경우 프로세스가 좀 더 복잡하다. 설계자는 성능, 비용, 폼팩터 및 기타 핵심 요건들 간에 최적의 상태를 찾아내야 한다. 본고에서는 설계 시스템 엔지니어들이 이러한 선택을 좀 더 쉽게 내릴 수 있도록 지침과 도움을 주고자 한다.
충전 컨트롤은 세 개의 "C"로 시작된다 재충전형 배터리를 활용하는 시스템 설계자는 기본 설계 기법을 충분히 숙지하여 다음의 세 가지 필수 요건들이 충족되도록 해야 한다: 1. 셀 안전: 말이 필요 없이, 모든 시스템 설계에서 최종 사용자의 안전이 최우선 순위가 되어야 한다. 대부분의 리튬이온(Li-Ion)과 리튬폴리머(Li-Pol) 배터리 팩에는 보호 전자공학이 들어 있다. 리튬이온의 경우 여기에 충전 마지막 단계에서 전압 조절 허용오차를 ±1%로 확보하는 일, 극도로 방전된 셀을 안전하게 처리할 수 있도록 미리 조절해둔 모드, 안전 타이머, 셀 온도 모니터링 등이 포함된다.
2. 셀 커패시티: 모든 배터리 충전 솔루션은 모든 사이클마다 매번 최대 커패시티까지 충전되도록 해야 한다. 조기에 충전이 종료되면 런타임이 짧아지기 때문에, 전력소비가 왕성한 현대의 휴대형 기기에는 바람직하지 못하다.3. 사이클 수명: 최종사용자가 각 팩마다 사이클 횟수를 최대한 끌어내려면 권장 충전 알고리즘을 지키는 것이 매우 중요하다. 매번 셀 온도와 전압으로 충전을 하고, 완전히 셀이 방전되도록 미리 조건을 조절해두고, 충전 종료가 늦어지거나 잘못되지 않도록 방지하는 것도 사이클 수명을 최대화하는데 필요한 단계들이다. 배터리 케미스트리 선택 오늘날 시스템 설계자는 다양한 배터리 케미스트리를 고를 수 있는 선택권을 가지고 있다. 일반적으로 설계자는 다음과 같은 기준에 근거하여 케미스트리를 선택한다: 쪾에너지 밀도쪾크기와 폼팩터쪾비용쪾활용 패턴과 사이클 수명 최근에는 리튬이온과 리튬폴리머 케미스트리의 추세가 강하긴 하지만, 니켈 기반의 케미스트리도 다양한 소비자 애플리케이션에서 여전히 실용적인 옵션이다.어떤 케미스트리를 선택하는지에 상관없이, 케미스트리 저마다에 적합한 변동 관리 방식을 지키는 것이 매우 중요하다. 이러한 방식은 안전을 해치거나 사이클 수명을 저해하는 일 없이 배터리가 매번 최대 커패시티까지 충전되도록 하는 것이어야 할 것이다. 니켈카드뮴(NiCd) / 니켈수소(NIMH) 충전 사이클을 시작하기 전에, 니켈카드뮴과 니켈수소 배터리는 반드시 먼저 한정을 하고 조절을 한 후에 고속 충전을 시작해야 한다. 배터리 전압이나 온도가 허용 범위를 벗어날 경우 고속 충전을 제한한다. 안전을 위해 "HOT" 배터리(보통 45℃ 이상)는 정상 작동 온도 범위 내로 배터리가 식을 때까지 정지시킨다. "COLD" (보통 10℃ 이하) 배터리나 과방전된 배터리(보통 셀 당 1V 미만)를 조절하기 위해, 적당한 미량의 전류가 적용된다.
고속 충전은 배터리 온도와 전압이 유효할 때 시작된다. 일반적으로 니켈수소 배터리는 1C 이하의 일정한 전류로 충전된다. 어떤 니켈카드뮴 배터리는 최대 4C의 속도로 충전될 수도 있다. 과충전 위험을 방지하려면 올바르게 충전 종료를 해야 한다.니켈 기반 재충전형 배터리의 경우, 전압이나 온도를 기반으로 고속 충전 종료를 할 수 있다. 그림 1에서 보듯이, 일반적인 전압 종료 방식은 피크 전압을 감지하는 것이다. 이 경우, 피크 셀-전압의 셀 당 0~-4mV의 범위 내에서 고속 충전이 종료된다. 온도 방식은 배터리 온도 상승률, T/t을 보고 최대 충전을 감지한다. 전형적인 T/t 비율은 1C/min이다. 리튬이온(Li-Ion)/ 리튬폴리머(Li-Pol) 
니켈카드뮴 및 니켈수소와 마찬가지로, 리튬이온 배터리도 반드시 먼저 한정을 하고 조절을 한 후에 고속 충전을 해야 한다. 앞서 설명한 방식과 유사한 한정 조절 방식이 사용된다.그림 2에서 보듯이, 한정과 사전 조절 후에 리튬이온 배터리는 먼저 1C 이하의 전류로 배터리가 충전 전압 한계에 도달할 때까지 충전된다. 보통 이 충전 단계는 커패시티의 70%까지 공급한다. 그런 다음 배터리는 보통 4.2V의 일정한 전압으로 충전된다. 안전과 가용 커패시티를 최대화하기 위해 충전 전압을 최소한 ±1 %로 조절해야 한다. 이 충전 단계에서, 배터리가 끌어내는 충전 전류는 점점 작아진다. 전류 수준이 1C-충전 속도에서 최초 충전 전류의 10~15% 밑으로 떨어지면 충전이 종료되는 것이 보통이다. 스위치 모드와 리니어 충전 토폴로지 전통적으로, 핸드헬드 기기는 선형 충전 토폴로지를 사용한다. 이 방식은 설계자에게 낮은 구현 비용, 설계 단순성, 고주파수 스위칭 부재로 인한 "조용한" 작동 등의 여러 가지 이점을 제공한다. 그러나 선형 토폴로지는 시스템에 전력 소산을 일으킨다. 특히 높은 배터리 셀 커패시티 때문에 충전 속도가 증가할 때 더욱 그렇다. 설계자가 열 문제를 관리할 수 있는 수단이 설계에 없을 경우 이것은 중대한 단점이 된다.그외 중대한 단점은 PC의 USB 포트가 전력원으로 사용될 때 생긴다. USB 충전 옵션은 오늘날 수많은 핸드헬드 기기에서 제공되고 있으며 최대 500mA의 충전 속도를 제공할 수 있다. 선형 솔루션의 경우, 낮은 효율 때문에 PC의 USB로부터 전달될 수 있는 "전력"의 양이 크게 줄어들게 된다. 다시 말해 충전 시간이 길어지게 된다.여기에서 스위치 모드 토폴로지가 구원투수로 등장하게 된다. 스위치 모드 토폴로지의 주된 이점으로는 효율성 증가를 들 수 있다. 선형 레귤레이터와 달리, 전력 스위치는 포화 지역에서 작동하며, 이것은 전체 손실을 크게 줄여준다. 벅 컨버터에서의 주된 전력 손실원으로는 스위칭 손실(전력 스위치에서)과 필터 인덕터에서의 DC 손실을 들 수 있다. 설계 파라미터에 따라, 이들 애플리케이션에서 95% 이상의 효율을 볼 수 있는 것이 그렇게 드문 일도 아니다.스위치 모드라는 용어를 들었을 때 대부분의 사람들은 커다란 IC, 큰 전력 FET, 수퍼 사이즈의 인덕트 등을 떠올린다. 사실 수 십 암페어의 전류를 다루는 애플리케이션에서는 이것이 현실적인 그림일 수 있지만, 핸드헬드 기기의 신세대 솔루션의 경우에는 꼭 그렇지도 않다. 새로운 세대의 단일셀 리튬이온 스위치모드 충전IC는 최고 수준의 실리콘 통합을 제공하고, 1MHz 이상의 주파수를 이용해 인덕터의 크기를 최소화한다. 그림 1은 오늘날 이용 가능한 이러한 솔루션의 모습을 보여주고 있다. 하이사이드와 로우사이드 전력FET 모두를 통합시킨 실리콘 크기는 면적이 4mm2 미만이다. 3MHz 스위칭 주파수의 경우, 이 솔루션은 작은 1uH 인덕터를 필요로 하며, 크기는 2mm×2.5mm×1.2mm (WxLxH)에 불과하다. 
충전IC 선택 설계자가 보다 쉽게 적정 충전IC를 선택할 수 있도록 하는 다양한 툴이 있다. 그림 3은 TI의 웹사이트에서 이용 가능한 툴 중 하나이다.저자소개Masound Beheshi는 텍사스 인스트루먼트의 배터리 충전 관리 디렉터로 전원 및 배터리 관리 분야에서 설계, 제품 정의, 전략 마케팅 및 사업 관리 담당으로 19년의 경력을 가지고 있다. Masound는 캐나다 토론토의 라이어슨 대학에서 전기공학 학사를 취득하였고 텍사스주, 댈러스에 위치한 남부감리교대학(Southern Methodist University)에서 파이낸스 및 마케팅 경영학 석사 학위를 취득하였다. 이메일: ti_masound_beheshti@list.ti.com참고문헌- 배터리 충전IC 선택 툴: www.ti.com/batterychargerselector-ca.- 이 제품 및 TI의 다양한 전력 솔루션에 대한 보다 자세한 정보는www.ti.com/power-ca 참고
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