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더 빠르고 효율적인 배터리 충전을 위한 동적 전원 관리

태블릿이나 스마트폰 같은 첨단 휴대형 기기의 사용이 빠르게 늘어남에 따라서 배터리 작동 시스템의 성능 향상을 위한 새로운 과제들이 제기되고 있다. 배터리 관리 시스템은 각기 다른 다양한 어댑터 및 배터리 소재를 지원하도록 지능적이어야 할 뿐만 아니라 고효율로 빠르게 충전이 가능하도록 해야 한다. 또한 향상된 사용자 경험을 위해 빠른 시스템 턴온(turn-on), 배터리 사용 시간 연장, 빠른 충전 등이 이루어져야 한다. 본고에서는 동적 전원 관리(dynamic power management: DPM)를 적용하여 신속한 배터리 충전과 배터리 충전 성능을 향상시키는 것에 대해서 설명한다. 동적 전원 관리는 시스템 충돌을 방지하고 어댑터로부터 이용할 수 있는 전원을 극대화한다. 동적 전원 관리는 입력 전류 또는 전압을 기반으로 할 수 있으며, 동적 전원 관리와 함께 배터리 보충 모드를 결합할 수 있다. 또한 이 글에서는 배터리 사용 시간을 연장하기 위한 주요 설계 고려사항들에 대해서 살펴본다.

리튬이온 배터리는 에너지 밀도가 매우 높기 때문에 갈수록 높아지는 휴대형 기기의 전원 요구량을 충족하기에 적합하다. 현재 일반적인 10인치 태블릿은 장시간 사용이 가능한 6~10Ah 용량의 배터리 팩을 채택하고 있다. 향상된 사용자 경험을 위해, 고용량 배터리는 빠르게 효율적으로 충전할 수 있어야 한다. 뿐만 아니라 태블릿은 열 성능이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 배터리가 거의 방전된 때에라도 즉각적인 턴온이 가능해야 한다. 이러한 요구를 모두 충족하기에는 많은 기술적 과제들이 남아있다. 그 중 하나가 전원 소스 충돌을 일으키지 않으면서 전원 소스로부터 이용할 수 있는 전원을 극대화하는 것이다. 또 다른 과제는 어떻게 하면 극심하게 방전된 배터리를 충전하면서 동시에 시스템을 작동할 것인가 하는 것이다. 또한 배터리 사용 시간을 연장하고 열 성능도 향상시켜야 한다.

동적 전원 관리(DPM: dynamic power management)
어떻게 가용 전원을 최대화하여 배터리를 빠르고 효율적으로 충전할 수 있을까? 모든 유형의 전원 소스는 출력 전류, 다시 말해서 전원 한계가 정해져 있다. 예를 들어서 하이스피드(high-speed) USB(USB 2.0) 포트로부터 이용할 수 있는 최대 출력 전류는 500mA로 제한되어 있고, 슈퍼스피드(SuperSpeed) USB(USB 3.0) 포트로부터 이용할 수 있는 출력 전류는 최대 900mA이다. 만약 시스템의 전원 요구량이 전원 소스로부터 이용할 수 있는 전원을 초과하면 전원 소스 충돌이 발생할 수 있다. 그러면 배터리 충전 시 전원 소스 충돌은 방지하면서 전원 출력은 극대화하는 방법은 무엇일까? 입력 전류 기반 동적 전원 관리, 입력 전압 기반 동적 전원 관리, 동적 전원 관리와 배터리 보충 모드의 결합, 이 세가지가 해답이 될 수 있다.

입력 전류 기반 DPM
그림 1은 DPM 제어를 이용한 고효율 스위치 모드 충전기이다. MOSFET Q2 및 Q3과 인덕터 L이 동기 스위칭 벅 기반 배터리 충전기를 구축하고 있다. 벅 컨버터는 어댑터의 입력 전원을 효율적으로 변환함으로써 되도록 신속하게 배터리를 충전한다. 배터리 역류 차단 MOSFET으로 MOSFET Q1을 이용하여 배터리에서 MOSFET Q2의 바디 다이오드를 거쳐서 입력으로 누설이 일어나는 것을 방지한다. 또한 이를 입력 전류 검출기로 이용해서 어댑터 전류를 모니터링한다.

그림 1. 입력 전류 기반 DPM
그림 1. 입력 전류 기반 DPM

MOSFET Q4를 이용해서는 DPM을 달성하도록 배터리 충전 전류를 동적으로 모니터링 및 제어한다. 입력 전원이 시스템 부하와 배터리 충전 둘 다 지원할 만큼 충분할 때는, 배터리를 원하는 충전 전류 값 ICHG를 이용해서 충전한다. 그러다 시스템 부하(ISYS)가 갑자기 상승하고 총 어댑터 전류가 전류 제한 설정(IREF)에 도달하면 입력 전류 레귤레이션 루프가 입력 전류를 동적으로 레귤레이션하고 사전에 지정된 IREF 입력 레퍼런스 전류로 유지한다. 이를 달성하는 방법은 시스템으로 전원을 공급하는데 더 높은 우선순위를 두어서, 되도록 높은 성능을 달성하도록 하면서 충전 전류를 낮추는 것이다. 그러므로 입력 전원 소스 충돌을 일으키지 않으면서 입력 전원을 극대화하고 동시에 시스템과 배터리 충전간에 가용 전원을 역동적으로 공유할 수 있다.

입력 전압 기반 DPM
시스템에서 전류 한계를 식별할 수 없는 서드파티 전원 소스를 연결할 때는 입력 전류를 제한하는 방식의 DPM은 사용하기 어렵다. 이럴 때는 입력 전압 기반 DPM을 이용할 수 있다(그림 2). 저항 분할기 R1과 R2를 이용해서 입력 전압을 검출하고, 이를 입력 전압 레귤레이션 루프의 오차 증폭기로 보낸다. 이 방식에서도 마찬가지로 시스템 부하가 상승하고 입력 전류가 어댑터 전류 한계를 초과하면, 어댑터 전압이 감소하기 시작하고 결국에 사전에 지정된 최소 입력 전압에 도달하게 된다. 그러면 입력 전압 레귤레이션 루프가 작동되고 입력 전압을 지정된 레벨로 유지한다. 이를 달성하는 방법은 전원 소스 충돌을 일으키지 않으면서 입력 전원 소스로부터 인출되는 총 전류가 최대 값에 도달하도록 충전 전류를 자동으로 낮추는 것이다. 그러므로 시스템이 어댑터의 최대 입력 전류를 추종할 수 있다. 입력 전압 레귤레이션은 배터리를 최대로 충전하기 위해서 충분히 높은 전압을 유지하도록 설계한다. 예를 들어서 단일 셀 리튬이온 배터리 팩을 최대로 충전하기 위해서 이 전압을 약 4.35V로 설정할 수 있다.

그림 2. 입력 전압에 기반한 DPM
그림 2. 입력 전압에 기반한 DPM

배터리 보충 모드
입력 전류 또는 입력 전압에 기반 DPM은 전원 소스 충돌을 일으키지 않으면서 어댑터로부터 최대 전원을 인출할 수 있다. 스마트폰이나 태블릿 같은 휴대형 기기는 시스템 부하가 통상적으로 높은 맥동 전류(pulsating current)를 이용해서 역동적으로 동작한다. 그러면 맥동 시스템의 피크 전원이 입력 전원보다 높을 때는 어떻게 될 것인가? 더군다나 충전 전류가 이미 0으로 감소했을 때는 어떻게 될 것인가? 그러면 입력 전원 소스 충돌이 발생할 수 있다.

이는 어댑터의 전원 정격을 높여서 해결할 수 있는데, 이렇게 하려면 어댑터의 크기와 비용이 늘어난다. 또 다른 방법으로는 MOSFET Q4를 턴온해서 배터리를 충전하는 대신 방전하여 일시적으로 배터리가 시스템에 추가적인 전원을 공급하도록 하는 것이다. 이와 같이 DPM 제어와 배터리 보충 모드를 결합함으로써 어댑터를 최대 피크 시스템 전원이 아니라 평균 전원을 지원하도록 최적화하여 비용을 낮추고 솔루션 크기를 되도록 소형화할 수 있다.

시스템 성능을 향상시키기 위한 설계 상의 고려사항
향상된 사용자 경험을 위해 태블릿이나 스마트폰 같은 휴대형 시스템은 즉시 시스템 턴온이 가능해야 한다. 이는 배터리가 최대로 충전되어 있거나 또는 고갈되어 있거나 어댑터를 연결했을 때 시스템이 즉시 턴온해야 한다는 것을 말한다.

예를 들어서 그림 1 및 그림 2의 시스템에 단일 셀 리튬이온 배터리를 이용한다고 하자. MOSFET Q4를 이용하지 않고서 배터리를 시스템으로 직접 연결한다면 시스템 버스 전압(VBUS)이 배터리 전압과 동일하다. 3V 미만의 극심하게 방전된 배터리이면 시스템 턴온을 못할 수 있다. 그러면 사용자는 배터리가 3.4V로 충전될 때까지 기다려야만 시스템 턴온을 할 수 있다. 이럴 때 즉시 턴온이 가능하도록 하기 위해서 MOSFET Q4를 추가하고 선형 모드로 동작함으로써 최소 시스템 동작 전압을 유지하면서 방전된 배터리를 충전할 수 있다. 최소 시스템 전압은 스위칭 컨버터를 이용해서 레귤레이션하고, Q4로부터의 충전 전류는 선형 제어 루프를 이용해서 레귤레이션한다. 배터리 전압이 최소 시스템 전압에 도달하면 MOSFET Q4를 최대로 턴온한다. 그런 다음 충전 전류를 동기 벅 컨버터의 듀티 사이클을 이용해서 레귤레이션한다. 그러므로 시스템을 구동할 수 있도록 시스템 전압을 항상 최소 시스템 동작 전압과 최대 배터리 전압 사이로 유지한다.

5V USB 충전 시스템에서는 전원 소스와 배터리 사이의 모든 직렬 저항이 충전 효율에 영향을 미친다. 충전 경로 상의 이들 저항은 Q1, Q2, Q4 FET의 온 저항과 USB 케이블의 약 250mW을 포함한다. 케이블 전압 강하로 인해서 4.5V 충전기 입력이 되는 것이 드물지 않다. 그러므로 충전 시간을 최소화하기 위해서는 FET 온 저항을 되도록 낮추도록 충전기 회로를 설계해야 한다. 그림 3은 TI의 bq24190 USB/어댑터 충전 IC를 이용한 설계와 충전 경로 상에 추가적인 80mW을 포함하는 다른 설계의 충전 시간을 비교하고 있다. 4.5V 입력 전압으로 bq24190을 이용한 설계가 다른 설계에 비해 충전 시간을 20%까지 단축하고 있다는 것을 알 수 있다.

그림 3. 충전 경로 상의 ON 저항이 높을 때 미치는 영향
그림 3. 충전 경로 상의 ON 저항이 높을 때 미치는 영향

배터리 사용 시간 연장
배터리 용량이 높을수록 배터리 사용 시간이 길어지는 것은 당연하다. 통상적으로 3.3V 출력을 필요로 하는 단일 셀 동작 시스템의 정격 최소 시스템 전압은 약 3.4V이다. MOSFET Q4의 온 저항이 50mW이고 배터리 방전 전류가 3A이면 배터리 컷오프(cutoff) 전압은 3.55V이다. 이는 다시 말해 배터리 용량 중에서 15% 이상을 사용되지 못한다는 뜻이다. 그러므로 배터리 사용 시간을 극대화하기 위해서는 MOSFET Q4의 온 저항을 되도록 최소화해야 한다. 예를 들어서 온 저항이 10mW이고 피크 배터리 방전 전류는 3A로 동일하다고 하면, 배터리 컷오프 전압은 3.43V가 될 것이다. 그러면 온 저항이 50mW일 때보다 10% 더 높은 배터리 용량을 제공하는 것이다.

그림 4는 MOSFET을 통합한 고효율 단일 셀 I2C 배터리 충전 IC를 보여준다. 이 충전기는 태블릿 및 휴대형 미디어 디바이스에 USB와 AC 어댑터 입력 둘 다 지원한다. 모든 4개 전원 MOSFET을 통합하고 있으며, MOSFET Q1과 Q4를 이용해서 입력 전류 및 배터리 충전 전류를 검출함으로써 시스템의 솔루션 크기를 더욱 최소화 한다. 이 충전 IC는 USB 포트와 어댑터를 구분할 수 있어 재빨리 적절한 입력 전류 한계를 설정한다. 뿐만 아니라, 시스템이 턴오프(turn off)되어 있을 때라도 내부 디폴트 충전 전류, 충전 전압, 안전성 타이머, 입력 전류 한계를 이용해서 독립형 충전기로 동작할 수 있다. 또한, USB OTG(On-the-Go) 기능을 제공하여 부스트 모드로 동작해서 배터리로부터 USB 입력으로 5V 1.3A 출력을 제공할 수 있다.

그림 4. DPM을 이용한 고효율 4A I2C 스위칭 차저
그림 4. DPM을 이용한 고효율 4A I2C 스위칭 차저

열 성능
두께가 매우 얇은 휴대형 기기 PCB(printed circuit board)로부터 소산되는 열을 쉽게 느낄 수 있으므로 열 성능이 매우 중요하다. 이러한 열은 배터리 충전기를 비롯해서 다량의 전원을 소모하는 부품들에서 발생된다. 이 문제를 극복하기 위해서는 고효율 충전기와 우수한 레이아웃이 무엇보다도 중요하다. 열 성능을 보다 향상시키기 위해서는 bq2419x 제품군 중에서 열 레귤레이션 루프를 포함하는 제품을 이용하면 된다. 이 디바이스는 사전에 지정된 접합부 온도에 도달하면 충전 전류를 낮추어 최대 접합부 온도를 유지하도록 한다. 그림 5에서는 bq24190을 이용한 설계의 배터리 충전 효율 측정을 보여준다. 5V USB 입력으로 최대 94% 효율을 달성한다는 것을 알 수 있다. 9V 입력 및 4A 충전 전류일 때 온도 상승이 32°C에 불과하다.

그림 5: 충전 전류에 따른 배터리 충전 효율 측정
그림 5: 충전 전류에 따른 배터리 충전 효율 측정

결론
이 글에서는 휴대형 기기 구동을 위해 입력 전류 또는 입력 전압 기반 DPM을 이용할 수 있으며, 또한 배터리를 충전하면서 동시에 즉시 시스템 턴온이 가능하도록 할 수 있다는 것을 살펴보았다. 또한 배터리 보충 모드를 통해 전원 시스템 성능을 최적화하는 방법도 소개하였다. 이 밖에도 배터리가 거의 없어도 즉시 턴온 하도록 하는 방법, 배터리 사용 시간 연장, 충전 경로 상의 저항, 열 성능 등 여러 가지 설계 고려사항들도 함께 짚어 보았다.
[글_ 사무엘웡(Samuel Wong), 시스템 엔지니어, 텍사스 인스트루먼트]




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