한국리니어테크놀러지
저 전류 소스를 사용한 션트 충전기 시스템의 전력 수확
글: Steve Knoth
Senior Product Marketing Engineer
Power Products Group / Linear Technology Corporation
션트 전압 레퍼런스는 사용하기가 간편해서 수년 전부터 많은 제품에 이용되어 왔다. 하지만 이는 배터리를 효과적으로 충전하지 못한다. 이들 레퍼런스로 그러한 작업을 수행하도록 구성하는 것은 매우 번거로운 작업이다. 더군다나 저전류 소스나 일정치 않은 타입의 에너지 소스로 부터 리튬이온/폴리머, 코인 셀, 박막 배터리를 정밀하고 안전하게 충전한다는 것은 달성 불가능한 것이었다. 시장에 점차 모습을 드러내고 있는 에너지 수확 IC는 트랜스듀서의 신호를 배터리 충전기에 적합한 입력으로 변환할 수 있다.
개요
에너지 수확은 2000년 초반부터 등장하기 시작한 기술인데 최근의 기술 개발에 의해서 지금은 상용화가 가능한 수준으로 발전했다. 2010년에는 이 기술이 본격적으로 성장기에 접어들 것으로 보인다. 에너지 수확 애플리케이션은 다음과 같은 여러 방면에서 기회를 제공할 것이다.
· 배터리 교체가 불편하거나 실용적이지 않거나 위험한 경우에 배터리 구동 시스템을 대체하거나 재충전한다.
· 전력을 전달하거나 데이터를 전송하기 위해 배선을 필요로 하지 않는다.
· 스마트 무선 센서들이 네트워크를 이루어서 복잡한 산업 공정, 원격 현장 설치, 빌딩 HVAC를 모니터링하고 최적화한다.
· 산업 공정, 태양열 패널, 내연 엔진으로부터 낭비되는 열을 수확한다.
· 다양한 전자기기 부속품 충전기
이러한 많은 애플리케이션은 근본적으로 단속적인 또는 저전력 소스를 이용한다.
배터리 측면에서 보면 기술이 향상됐다고 하더라도 휴대 전자기기 배터리는 이들 기기가 최적으로 작동되도록 하기 위해서 여전히 보호 및 컨디셔닝을 필요로 한다. 리튬이온/폴리머 배터리는 성숙한 기술이며 많은 요인 중에서도 무엇보다 높은 에너지 밀도, 낮은 자체 방전, 낮은 유지보수, 넓은 온도 범위에 힘입어 많은 전자기기를 구동하기 위해 널리 선택되는 기술이다. 코인 전지는 소형 폼팩터로 높은 에너지 밀도, 안정적인 방전 특성, 낮은 무게를 특징으로 한다. 박막 배터리는 신생 기술로서 높은 충전 사이클 및 물리적 유연성 등의 이점을 제공하며 최종 애플리케이션에 따라서 거의 어떠한 형태로든 구현할 수 있다. 하지만 이들 배터리는 적절히 충전하고 컨디셔닝하지 않으면 몇 가지 문제를 일으킬 수 있다.
낮은 소비 전력 충전기를 위한 설계 과제
조절가능 션트 레퍼런스는 적합한 배터리 플로트 전압에 따라서 프로그램할 수 있으나 배터리 충전기의 NTC 기능을 제공하지 못한다. 더 중요한 점은 필요한 동작 전류가 너무 높아서 배터리를 저전력 또는 단속적 소스로 충전하는 것이 현실적으로 가능하지 않다는 것이다. 대안적으로 NTC 기능을 위해서 제너 다이오드, 저항, NPN 트랜지스터, 비교기를 이용해서 디스크리트 션트 레퍼런스를 구축할 수 있다. 하지만 이 역시 위에서 언급한 마찬가지의 한계점을 갖는다. 뿐만 아니라 이 방법은 구현하기가 까다롭고 상대적으로 더 많은 귀중한 PCB 면적을 사용한다.
통상적인 배터리 충전기 IC는 일정한 DC 입력 전압을 필요로 하며 에너지 버스트를 처리하지 못한다. 그런데 실내 광전지 어레이나 압전기 트랜스듀서 같은 단속적 에너지 수확 소스는 전력 버스트를 제공한다. 이러한 유형의 에너지 소스로부터 배터리를 충전하기 위해서는 1mA 이하 정지/동작 전류의 특별한 IC가 필요하다.
리튬이온/폴리머 소재 배터리는 휴대 전자기기에 필요한 높은 성능 특성을 제공하나 다룰 때 주의를 필요로 한다. 예를 들어서 리튬이온/폴리머 셀은 권장 100mV 이상 높게 충전되면 불안정해질 수 있다. 더욱이 동시적으로 높은 전압 및 높은 온도일 경우에는 배터리 수명에 악영향을 미칠 수 있으며 극단적인 경우에는 자체 손상으로 이어질 수 있다. 코인 전지와 박막 배터리는 동시적으로 높은 온도 및 높은 전압일 때의 부정적인 영향뿐만 아니라 소형 폼팩터 때문에 용량 문제 또한 존재한다.
션트 아키텍처의 설명 및 이점
션트 레퍼런스는 current-fed 방식의 2단자 디바이스로서 목표 전압에 도달할 때까지 전류를 끌어가지 않는다. 션트 레퍼런스는 제너 다이오드처럼 사용되며 흔히 회로 배선도 상에 제너 다이오드로 표시된다. 하지만 대부분의 션트 레퍼런스는 실제로는 밴드갭 레퍼런스 전압을 기반으로 한다.
션트 레퍼런스는 이의 출력 전압을 조정하기 위해서 단일 외부 저항만을 필요로 하므로 사용하기가 매우 간편하다. 최대 입력 전압 제한이 없으며 적절한 동작을 위해서 약간의 헤드룸이 필요하므로 레퍼런스 전압의 값을 이용해서 최소 입력 전압을 설정한다.
또한 션트 레퍼런스는 넓은 전류 범위에 걸쳐서 안정성이 우수하다. 많은 션트는 크거나 작은 커패시티브 부하에 대해서 안정적이다.
간편한 솔루션
위에서 말하는 배터리 충전기 IC의 설계 과제를 충족하는 솔루션이 되기 위해서는 션트 레귤레이터의 특성과 배터리 충전 IC의 특성을 결합하고 저전력 연속적 또는 단속적 소스로부터 충전할 수 있어야 할 것이다. 이러한 디바이스는 또한 리튬이온/폴리머 배터리, 코인 전지, 박막 배터리를 보호하고 이들로부터 최대의 성능을 도출해야 할 것이다.
Linear Technology는 업계 최초로 션트 아키텍처 배터리 충전기를 개발했다. LTC4070은 리튬이온/폴리머 배터리, 코인 셀, 박막 배터리를 위한 사용하기 편리한 소형 션트 배터리 충전기 시스템이다. 450nA 동작 전류의 이 IC는 배터리를 보호하며 전에 이용할 수 없던 매우 낮은 전류의 단속적 또는 연속적 충전 소스를 이용해서 배터리를 충전할 수 있다. LTC4070의 충전 전류는 외부 PMOS 션트 디바이스를 추가해서 50mA에서 최대 500mA로 높일 수 있다. 내부 써멀 배터리 컨디셔너는 배터리 온도가 올라갔을 때 리튬이온/폴리머 셀을 보호하기 위해서 플로트 전압을 감소시킨다. 다수의 LTC4070을 직렬로 구성하면 다중셀 배터리 스택을 충전하고 밸런싱할 수 있다. 로우프로파일(0.75mm) 8리드 2mm×3mm DFN 패키지의 LTC4070은 포괄적인 소형화 충전기 솔루션을 제공하며 입력 전압과 직렬로 단일 외부 저항만을 필요로 한다. 이 디바이스의 특성은 리튬이온/폴리머 배터리 백업, 박막 배터리, 코인 셀 배터리, 메모리 백업, 태양열 구동 시스템, 임베디드 자동차, 에너지 수확을 비롯해서 연속적 및 단속적 저전력 충전 소스 애플리케이션 모두에 이용하기에 적합하다.
4.0V, 4.1V, 4.2V의 핀 선택 가능 설정으로 LTC4070의 1% 정확도 배터리 플로트 전압은 사용자가 배터리 에너지 밀도와 수명 사이에 절충을 할 수 있도록 한다. 독립적인 low battery 및 high battery 감시 상태 출력에 의해서 방전 배터리나 완전 충전 배터리를 표시한다. 부하와 직렬인 외부 PFET와 연계해서 low battery 상태 출력은 래치오프 기능을 가능하게 해서 배터리를 딥 방전으로부터 보호하기 위해서 배터리로부터 시스템 부하를 자동으로 차단시킨다.
컴팩트 2mm×3mm 8리드 DFN 패키지 이외에 LTC4070은 또한 8리드 MSOP 패키지로 공급된다. 이들 디바이스는 -40°C~125°C 범위로 동작한다.
LTC4070은 배터리 전압이 프로그램된 값을 초과하지 않도록 방지함으로써 간단하면서 신뢰할 수 있는 고성능 배터리 보호 및 충전 솔루션을 제공한다. 이의 션트 아키텍처는 다양한 유형의 배터리 애플리케이션을 처리하기 위해서 입력 전원과 배터리 사이에 단일 저항만을 필요로 한다. 입력 전원이 제거되고 배터리 전압이 high battery 출력 임계 아래로 떨어지면 LTC4070이 배터리로부터 450nA만 소비한다.
배터리 전압이 프로그램된 플로트 전압보다 낮은 동안에는 다음과 같이 입력 전압, 배터리 전압, 입력 저항에 의해서 충전 비율이 결정된다.
ICHG = (VIN-VBAT) / RIN
배터리 전압이 플로트 전압에 근접하면 LTC4070이 전류를 배터리로부터 션트시켜서 충전 전류를 감소시킨다. LTC4070은 온도에 걸쳐서 ±1%의 플로트 전압 정확도로 최대 50mA를 션트할 수 있다. 션트 전류는 최대 충전 전류를 제한하나 외부 P-채널 MOSFET을 추가함으로써 50mA의 내부 용량을 늘릴 수 있다(그림 1).
내부적으로 LTC4070은 P-채널 MOSFET이 증폭기 EA에 의해서 구동된다(그림 2). VCC와 GND 사이의 전압이 VF(션트 전압)에 도달할 때까지 이 디바이스에서는 제로 전류가 흐른다. VF는 ADJ와 NTC를 이용해서 변경할 수 있으나 항상 3.8V에서 4.2V 사이다. 만약 VCC 전압이 이 레벨 아래이면 PFET의 전류가 0이다. VCC의 전압이 VF보다 높게 상승하려고 하면 전압이 상승하는 것을 방지하기 위해서 이 디바이스에서 전류가 흐르는데 이것이 션트 전류이다.
동작 전류는 이 칩의 나머지 모든 회로를 구동하기 위해 필요한 전류이다. 외부 전원이 존재하지 않으면 이것은 배터리로부터 인출되는 전류이다.
배터리 전압이 낮으면 입력 저항 상에 더 높은 전압이 걸리고 그러므로 배터리로 흐르는 전류가 배터리가 완전 충전 상태일 때보다 다소 크다. 배터리가 완전 충전됐으면 배터리로 전류가 흐르지 않고 모든 입력 전류가 션트로 흐른다.
동작 전류는 "실제적인" 입력 소스의 전류 용량의 하한 한계를 결정하므로 중요하다. 100nA의 구동 능력에 불과한 입력 소스는 LTC4070을 이용해서 배터리를 충전할 수 없을 것이다. 하지만 1μA의 구동 능력이면 충전을 위해서 소량의 전류가 남는다. 10μA의 구동 능력을 이용할 수 있다면 이 전류의 90% 이상을 충전에 이용할 수 있다.
NTC 배터리 컨디셔닝 회로를 이용한 배터리 보호
LTC4070은 배터리와 열적으로 결합된 음의 온도 계수 서미스터를 이용해서 배터리 온도를 측정한다. NTC 서미스터의 온도 특성은 저항-온도 환산표에서 정의하고 있다. 온도가 40°C 이상에서 10°C 상승할 때마다 내부 NTC 회로가 플로트 전압을 감소시킴으로써 배터리가 과열되는 것을 방지한다(그림 3).
LTC4070은 저항 값의 비율을 이용해서 배터리 온도를 측정한다. LTC4070은 NTCBIAS에서 GND로 4개 탭 포인트의 내부 고정 저항 값 분할기를 포함한다.
이들 탭 포인트의 전압을 NTC 핀의 전압에 대해 주기적으로 비교해서 배터리 온도를 측정한다. 전력을 절약하기 위해서 매 1.5초마다 NTCBIAS 핀에서 VCC로 바이어스해서 배터리 온도를 주기적으로 측정한다.
그 밖의 특징
LTC4070은 ADJ 핀으로 연결된 내부 3상태 디코더를 이용해서 4.0V, 4.1V, 4.2V의 3개 프로그래머블 플로트 전압을 제공한다. ADJ를 GND로 연결하면 플로트 전압이 4.0V로 프로그램되고 ADJ를 플로팅 상태로 하면 4.1V로 프로그램되고 ADJ를 VCC로 연결하면 4.2V로 프로그램된다. ADJ 핀의 상태를 약 1.5초에 한 번씩 샘플링한다. 이를 샘플링할 때 LTC4070이 ADJ 핀으로 비교적 낮은 임피던스 전압을 인가한다. 이러한 기법으로 낮은 수준의 보드 누설이 프로그램된 플로트 전압을 훼손하는 것을 방지한다. 저항을 제거하는 것은 솔루션 크기를 감소시킬 뿐만 아니라 높은 값의 저항을 필요로 하지 않으므로 정지 전류를 감소시킨다.
이 디바이스는 또한 상태 출력 및 시그널링 기능을 포함한다. High Battery Monitor Output HBO는 액티브 하이 CMOS 출력으로서 배터리가 완전 충전됐으며 전류가 BAT로부터 션트되고 있다는 것을 나타내는 것이다. Low Battery Monitor Output LBO 역시 액티브 하이 CMOS 출력으로서 배터리가 3.2V 아래로 방전됐다는 것을 나타낸다. 마지막으로, 외부 구동 출력 핀 DRV를 외부 PFET의 게이트로 연결해서 50mA 이상의 충전 전류(최대 500mA)를 필요로 하는 애플리케이션을 위해서 션트 전류를 높일 수 있다.
결론
션트 레퍼런스는 많은 유형의 애플리케이션에 이용되며 기능 형태에 따라서 배터리 충전에 이용할 수 있다. 그런데 이러한 유형의 구현은 높은 정지 전류와 배터리 보호 기능이 없는 등의 단점을 포함한다. 새로운 저전력 에너지 수확 애플리케이션을 위해서는 적합한 유형의 DC-DC 컨버터나 배터리 충전기를 필요로 한다. Linear Technology는 리튬이온/폴리머 셀, 코인 셀, 박막 배터리를 위해서 LTC4070 션트 충전기 시스템을 개발했다. 이는 저전력 소스를 이용한 첨단 애플리케이션을 위해서 간편하고 효율적인 배터리 충전 솔루션을 제공한다.
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