넷북, 울트라 모바일 PC 및 모바일 인터넷 기기를 위한
글: Jinrong Qian / 배터리 충전 관리 매니저 겸 DMTS
텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments) / www.ti.com
시스템을 안전하게 개선하기 위해서는 배터리 충전IC 요구사항을 이해하는 것이 극히 중요하다. 이 글에서는 충전 시스템 안전과 충전IC와 시스템 간의 성능 최적화 등과 같은 리튬-이온 배터리 충전 요구사항을 살펴 본다. 또한, 넷북 애플리케이션을 위한 신속한 배터리 충전과 어댑터 전력 정격을 최적화하는 동적 전원 관리 기능을 갖춘 동기식 스위칭 독립형 배터리 충전 IC 컨트롤러의 설계 예제가 제시되어 있다.
저렴한 소형 넷북, 울트라 모바일 PC(UMPC) 및 모바일 인터넷 기기(MID)가 점점 널리 보급되고 있으며 사용자 또한 증가하고 있다. 이러한 휴대형 기기에 쓰이는 리튬-이온(Li-Ion) 배터리 충전 시스템은 휴대전화에 쓰이는 것보다 훨씬 더 정교하다. 시스템을 안전하게 개선하기 위해서는 배터리 충전 IC 요구사항을 이해하는 것이 극히 중요하다.
이 글에서는 충전 시스템 안전과 충전 IC와 시스템 간의 성능 최적화 등과 같은 리튬-이온 배터리 충전 요구사항을 살펴 본다. 또한, 넷북 애플리케이션을 위한 신속한 배터리 충전과 어댑터 전력 정격을 최적화하는 동적 전원 관리 기능을 갖춘 동기식 스위칭 독립형 배터리 충전 IC 컨트롤러의 설계 예제가 제시되어 있다.
넷북, UMPC및 MID의 소개
올해 노트북 컴퓨터의 출하는 데스크톱 컴퓨터를 능가하였으며, 개인용 컴퓨터 시장에서 우위를 차지하기 시작하였다. 한편으로는, 다양한 저가의 휴대형 컴퓨팅 디바이스들이 널리 보급되고 있으며 그 사용자들 또한 증가하고 있다.
넷북은 주로 일반적인 컴퓨팅과 웹 기반 애플리케이션을 이용하기 위한 저가의 소형 랩톱 컴퓨터의 고속 파생제품이다. 랩톱에 비해 화면과 키보드의 크기가 작으며 사양과 컴퓨팅 성능이 축소되어 있다. 대부분의 넷북에는 인텔짋 아톰(Atom™) 마이크로프로세서와 2~3개의 리튬-이온 셀이 직렬로 구성된 배터리 팩이 탑재되어 있다.
울트라 모바일 PC(UMPC)에는 강력한 프로세서가 탑재되어 있으며 최신식 커넥티비티 표준을 지원한다. 4~7인치의 디스플레이와 터치 기능을 제공하며, 모든 기능이 하나의 패키지에 탑재된 그 무게가 2 파운드도 채 되지 않는다. 하지만, 사용자들이 이미 익숙한 모든 윈도우 비스타(Vista짋) 호환 소프트웨어를 실행할 수 있다. 또한 UMPC에는 GPS(global positioning system) 기기, 웹캠, 지문 인식기, 스테레오 스피커, TV 튜너, 메모리 카드 리더기 등도 탑재할 수 있다. 전력 공급은 2~3개의 리튬-이온 셀이 직렬로 구성된 배터리 팩으로 이루어진다.
모바일 인터넷 기기(MID)는 멀티미디어 처리가 가능한 핸드헬드 컴퓨터로서, 무선 인터넷 액세스를 제공한다. 기업용이라기보다는 개인용으로 엔터테인먼트, 정보 및 위치 기반 서비스를 제공하며, 양방향 통신과 실시간 공유가 가능하다. MID는 스마트폰보다는 크지만, UMPC보다 작다. 일반적으로 하나의 리튬-이온 셀 배터리 팩을 사용한다.
시스템 및 배터리 충전IC 성능 최적화
우수한 배터리 충전 전압 정확도
배터리 충전 전압과 전류는 배터리 수명과 배터리 용량에 있어 매우 중요한 부분이다. 배터리 충전 전압이 높을수록, 배터리 용량이 크다. 그림 1은 배터리 충전 전압, 배터리 수명과 배터리 용량 간의 관계를 보여준다. 4.3V인 배터리의 초기 용량은 4.2V에 비해 10% 더 크다. 하지만 높은 셀 전압에 의해 셀 열화가 빨라, 200회 충전 후에는 배터리 용량이 더 적어진다.
이 그림은 고충전 전압에 비해 저충전 전압에서 배터리 열화가 느리다는 점도 보여주고 있다. 배터리 충전 전압을 4.1V처럼 낮게 설정하면, 백업 애플리케이션과 같은 용량을 희생하여 배터리 수명을 극대화할 수 있다. 배터리 충전 IC의 충전 전압 톨러런스가 약 2%일 경우, 이 배터리는 4.284V까지 과충전되거나, 4.116V까지 저충전되어 용량이 10% 줄어들 수 있다. 따라서, 고전압 조정 정확도는 안전과 최대 용량 확보에 극히 중요하다.
동적 전원 관리
이러한 휴대형 기기에서 요구되는 전체 전력은 저전력 마이크로프로세서 때문에 랩톱 컴퓨터보다 낮다. 사용되는 어댑터 전력은 일반적으로 40W 미만이지만, 랩톱 컴퓨터는 주로 60W 및 90 W 어댑터를 사용한다. 그러나 어댑터는 배터리를 충전하는 동시에 시스템에도 전력을 공급해야 어댑터 전력 정격을 최소화할 수 있다.
마이크로프로세서의 전력 맥동이 심하다는 특성 때문에, 배터리 충전과 마이크로프로세서에 최대 전력을 공급하는데 필요한 전체 전력은 어댑터의 최대 가용 전력을 쉽게 초과한다. 그렇지 않으면, 충전IC와 시스템에 최대 전력을 공급할 수 있도록 어댑터를 재설계해야 하며 이럴 경우 비용이 증가하게 된다.
시스템과 배터리 충전IC를 최적화하기 위해, 어댑터 최대 전류 조정 루프를 도입한 DPM(dynamic power management)을 이용한다. 어댑터 입력 전류가 조정 쓰레스홀드에 도달하면, 배터리 충전IC는 자동으로 유효 충전 전류를 줄이면서 시스템 전력 공급에 주안점을 두게 되므로, 어댑터의 최대 전력 한계를 초과하지 않게 된다. 시스템에 전력을 공급한 후에 잔여 전력을 이용하여 배터리를 충전시킨다. 맥동 전력이 지나고 나면, 충전IC는 자동으로 초고속 충전 모드를 재개하여 충전 시간을 단축하게 된다(그림 2). 한 가지 중요한 사양은 입력 전류 조정 정확도이다. 입력 전류 조정 정확도가 높을수록 어댑터에서 더 많은 전력을 취할 수 있으므로, 배터리를 보다 신속하게 충전시킬 수 있다.
컴퓨팅 시스템 및 배터리 충전IC의 안전
a. 어댑터 입력 및 배터리 과전압 보호(OVP)
랩톱에는 주로 19V 및 16V 어댑터가 쓰이는 반면 스마트폰, 넷북, UMPC 및 MID에는 5V 어댑터가 널리 쓰이고 있다. 그리고 이러한 어댑터는 일반적으로 1~3개의 셀이 직렬로 구성된 배터리 팩을 충전하기 위한 19V를 필요로 하지 않으며, 따라서 개발 비용을 절감할 수 있다. 이렇게 보편적으로 쓰이는 어댑터로 인하여 시스템이 손상되지는 않아야 한다. 더욱이, IEEE P1725에서는 입력 어댑터와 배터리 OVP를 시스템에 포함시킬 것을 요구하고 있다. 과도한 입력 전압이 이러한 휴대형 기기에 가해질 경우, 시스템의 전원이 켜지지 않도록 해야 한다. 배터리가 과충전된 경우, 즉시 배터리 충전 IC를 꺼야 한다. 또한 어댑터 역전압이 가해진 경우에도 시스템의 전원이 켜지지 않도록 해야 한다.
b. 배터리 충전 안전
셀 온도가 극히 낮거나 높은 상태에서 리튬-이온 배터리를 충전하는 것은 위험하다. LiCoO2 음극 물질이 들어있는 리튬-이온 배터리는 4.3V에서 셀 온도가 175℃에 도달하면 폭발할 수 있다. 극히 낮거나 높은 온도에서 배터리 충전 전류와 전압을 낮춤으로써 배터리를 안전하게 충전하기 위한 JEITA(Japan Electronics and Informational Technology Industries Association)와 같은 산업용 배터리 충전 IC 안전 지침이 발표되었다.
충전 프로세스를 개시하기 위한, 일반적인 배터리 충전 온도 범위는 0~40℃이다. 따라서, 퓨얼 게이지나 충전 IC를 통해 셀 온도를 모니터링 해야 한다. 배터리 충전 시스템이 고장 난 경우에는 안전 타이머가 또 다른 보호 수단이 될 수 있다. 안전 타이머가 꺼지면 배터리 충전이 중단된다.
c. 배터리 충전 IC 출력 부족 및 과충전 전류 보호
컴퓨팅 애플리케이션에서 가장 널리 쓰이는 리튬-이온 배터리는 용량이 2,200-2,600mAh인 18650 i-Ion 셀이다. 12V 또는 19V 어댑터에서의 충전 전류는 0.7℃ 충전률에서 약 2~4A이다. 고효율 충전에는 동기 절체 벅 기반 토폴로지가 필요하다. 또한 충전 IC 출력 단락이나 인덕터 단락과 같은 비정상 작동 조건이나 부품 고장 시에 연기가 나지 않는 충전 시스템이 필요하다. 충전 IC는 화재나 연기를 방지할 수 있는 보호 메카니즘을 갖추어야 한다.
넷북, UMPC및 MID를 위한 배터리 충전IC 솔루션
시스템 최적화 및 안전 요구사항에 의거하여, 그림 3은 넷북 애플리케이션을 위한 동적 전원관리 기능을 갖춘 독립형 고효율 동기식 스위칭 리튬-이온 배터리 충전 IC를 보여준다. 이 설계 예제는 3시간의 안전 타이머를 갖추고 있으며 2A의 고속 충전 전류로, 충전 전 전류가 200mA인 2셀 리튬-이온 배터리를 충전한다. DPM 기능은 입력 전류 감지 레지스터 R1에 대한 전압 강하를 모니터링 하여 이루어진다. 이 동기식 스위칭 충전 IC는 효율과 솔루션 크기의 최적화를 위해 600kHz 스위칭 주파수에서 작동한다. 외부 레지스터 분할기 R11과 R12를 사용하여 원하는 배터리 충전 전압을 설정한다. 최대 배터리 용량을 얻으려면, 셀 당 4.2V의 전압으로 충전하도록 외부 레지스터 디바이더를 설정한다.
최대 배터리 수명을 얻으려면, 셀 당 4.1V로 배터리 충전 전압을 설정한다. 이 시나리오는 호스트 컨트롤러 없이도 여러 다양한 배터리 충전 애플리케이션에 적합한 외부 전력 MOSFET으로 1~6개의 리튬-이온 직렬 셀을 10A까지 충전할 수 있다. 또한, 입력 과전압, 배터리 충전 과전압, 배터리 부족, 과충전 전류 보호 등과 같은 여타 보호 기능을 제공하며, 안전한 충전을 위해 배터리 온도를 자동으로 모니터링 한다.
요약
휴대형 컴퓨팅 디바이스가 발전하고 더 많은 기능이 추가되면서, 배터리 충전과 시스템 설계가 높은 안전성 및 고성능의 시스템을 확보하는데 가장 중요한 설계 요인이 되고 있다. 배터리 충전 요구사항, 안전 및 시스템 최적화를 살펴보았다. 예를 들어, 넷북 애플리케이션을 위한 독립형 고효율 동기식 스위칭 배터리 충전IC 솔루션이 제시되었다.
참고문헌
1. bq24610 데이터시트 및 그 외 기타 자료 다운로드: www.ti.com/bq24610-ca.
2. 2006년 11월 15일, Power Management DesignLine, "배터리 관리 전자 기기가 배터리 안전을 얼마나 개선하는가" Jinrong Qian 및 Simon Wen 공저: http://www.powermanage mentdesignline.com/194400185
3. 2006년 3/4월호, Battery Power Products & Technology Magazine "DPPM(Dynamic Power Path Management)을 이용한 적절한 배터리 충전 종료와 잘못된 안전 타이머 경고 방지" Jinrong Qian 저: http://www.batterypoweronline.com/bppt_edhighlights.htm
저자소개
Jinrong Qian은 TI의 배터리 충전 관리 매니저 겸 휴대형 전력 배터리 관리 그룹의 DMTS(Distinguished Member of the Technical Staff)이다. 동료들이 검토한 수많은 전력 전자기기 트랜잭션 및 전원관리 논문을 무수히 발표하였으며, 22개의 미국 특허를 보유하고 있다. Qian 박사는 저장 대학(Zhejiang University)에서 전기공학 학사 학위를, 버지니아 폴리테크닉 주립 대학(Virginia Polytechnic Institute and State University)에서 박사 학위를 취득하였다. 이메일: ti_jinrongqian@list.ti.com.
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