다양한 종류의 배터리 소재를 지원하는 간소화된 배터리 차저 IC
 
글/ 스티브 노스(Steve Knoth)
수석 제품 마케팅 엔지니어(Senior Product Marketing Engineer)
아나로그디바이스 Power By Linear^TM 그룹(Analog Devices’ Power By Linear^TM Group)
 

배경

일반적으로 배터리로 동작하는 많은 기기들은 다양한 종류의 충전 소스, 배터리 소재, 전압 및 전류를 필요로 한다. 모든 종류의 배터리 소재로 새로운 대형 배터리 팩이 등장하고 있으며, 이에 따라 산업용, 하이엔드, 다기능 소비자용, 의료용 및 차량용 배터리 차저 회로는 더 높은 전압과 전류를 필요로 한다. 이 밖에 넓은 범위의 전력 레벨을 갖는 태양광 패널이 횡단보도 표시등, 휴대용 스피커 시스템, 쓰레기 압축기, 심지어 해상 부표 등 다양한 혁신적인 시스템에 전력을 공급하는 데 사용되고 있다. 이러한 시스템은 재충전 가능한 밀폐형 납축전지(SLA)와 리튬 기반 배터리를 포함한다. 뿐만 아니라 태양광 애플리케이션에 사용되는 일부 납축전지(LA)는 극심한 방전 외에도 장기간에 걸친 반복된 충전 사이클을 견딜 수 있는 딥 사이클 배터리이다. 이러한 딥 사이클의 대표적인 예가 10년 설치 수명이 필수조건인 원양 해상 부표이다. 또 다른 예는 태양광 발전이나 풍력 발전 같은 근접 접근의 어려움으로 인해 시스템 가동 시간이 가장 중요한 오프 그리드(전력회사와 연결되어 있지 않은) 재생 에너지 시스템이다.
태양광 이외의 애플리케이션에서도 최근의 시장 동향은 고용량 SLA 배터리 셀에 다시 관심을 보이고 있다는 것을 보여준다. 차량용 또는 시동용 SLA 셀은 가격/전력 출력 관점에서 저렴하며, 단 시간에 높은 펄스 전류를 공급할 수 있어 자동차와 기타 차량의 스타터 애플리케이션에 뛰어난 선택이다. 임베디드 자동차 애플리케이션은 30V 이상의 입력 전압을 가지며, 일부는 이보다 더 높다. 도난 방지를 위해 사용되는 GPS 위치 추적 시스템의 경우 통상 12V 입력을 가지면서 직렬 연결된 2개 리튬이온 배터리(7.4V 정격)로 스텝다운하고 훨씬 높은 전압에 대한 보호를 필요로 하는 선형 차저가 이러한 애플리케이션에 적합할 수 있다. 딥 사이클 납축전지는 산업용 애플리케이션에 많이 사용되는 또 다른 기술이다. 이들 배터리는 자동차용 배터리보다 전극판이 더 두껍고 전체 용량의 최저 20%까지 방전하도록 설계된다. 보통 장시간에 걸쳐 전력을 일정하게 유지해야 하는 지게차나 골프 카트 등에 사용된다. 리튬이온 배터리와 마찬가지로 납축전지는 과충전에 민감하므로 충전 사이클 시 주의 깊게 다뤄야 한다.

기존의 IC 기반 솔루션은 입력 전압, 충전 전압, 충전 전류의 많은 가능한 조합 중 단지 일부밖에는 지원하지 못한다. 이에 따라 나머지 더 까다로운 조합과 토폴로지를 다루기 위해 통상적으로 IC와 디스크리트 부품을 복잡하게 결합해서 사용해야 했다. 다행히 2011년 아나로그디바이스가 LTC4000 배터리 충전 컨트롤러 IC와 함께 호환 가능한 외부 보상 dc-dc 컨버터로 구성된 성공적인 2칩 충전 솔루션을 출시함으로써 이러한 시장 애플리케이션의 문제를 해결하고 간소화하였다.

스위칭 차저와 선형 차저

전통적인 선형 토폴로지 배터리 차저 IC는 초소형 풋프린트, 단순성, 저렴한 가격의 장점을 갖는다. 반면에 이러한 선형 차저의 단점은 제한된 입력과 배터리 전압 범위, 상대적으로 높은 전류 소비, 과도한 전력 소모, 제한된 충전 종료 알고리즘, 그리고 상대적으로 낮은 효율(효율 ~ [VOUT/VIN] × 100%)을 포함한다. 한편, 스위치 모드 배터리 차저는 유연한 토폴로지, 다양한 종류의 배터리 충전, 높은 충전 효율(발열을 최소화하여 빠른 충전 시간 제공), 그리고 넓은 동작 전압 범위 등의 특성을 갖춰 역시 많이 이용되고 있다. 그러나 동시에 스위칭 차저는 비교적 높은 가격, 복잡한 인덕터 기반 설계, 잠재적인 잡음 발생, 보다 큰 풋프린트 솔루션과 같은 일부 단점을 갖는다. 오늘날의 납축전지(LA), 무선 전력, 에너지 하베스팅, 태양광 충전, 원격 센서, 임베디드 자동차 애플리케이션은 위에서 언급한 이유로 일반적으로 전력 공급에 고전압 선형 배터리 차저를 이용해 왔다. 그러나 최신 스위치 모드 차저는 관련된 단점을 없애며 기회를 넓혀 나가고 있다.

복잡하지 않은 벅 배터리 차저

설계자가 충전 솔루션을 시작할 때 직면하는 까다로운 과제로는 다양한 사용 가능한 배터리와 관련된 넓은 범위의 입력 소스, 충전을 필요로 하는 고용량 배터리, 높은 입력 전압 등이 있다.
입력 소스는 가변적인 만큼 광범위하지만, 배터리 충전 시스템에서 다루는 일부 더 복잡한 입력 소스로 다음과 같은 것들이 있다. 전압이 5V ~ 19V 범위와 그 이상인 고전력 벽면 어댑터, 정류된 24VAC 시스템, 높은 임피던스 태양광 패널, 자동차, 중장비 트럭/군용차량 배터리 등이다. 따라서 이러한 시스템에 가능한 배터리 종류 – 리튬 기반(리튬이온, 리튬폴리머, 리튬인산철(LiFePO4)) 및 납축전지 기반 – 의 조합은 경우의 수를 증가시키므로 설계를 더욱 어렵게 만든다.

IC 설계의 복잡성으로 인해 기존 배터리 충전 IC는 주로 스텝다운(벅) 또는 보다 복잡한 SEPIC 토폴로지로 제한된다. 여기에 태양광 충전 기능이 더해지면 다양한 다른 복잡성이 또 추가된다. 마지막으로, 일부 기존 솔루션은 여러 배터리 종류를 충전하고, 또 일부는 온보드 종료 기능을 갖추고 있지만, 현재까지 어떤 단일 IC 차저도 이러한 문제를 해결하는 데 필요한 모든 성능 특징을 제공하지 못하고 있다.

새로운 다양한 기능의 초소형 차저

위에서 언급한 문제를 해결하는 벅 IC 충전 솔루션은 다음과 같은 특성들을 갖추어야 한다.

X 넓은 입력 전압 범위
X 다양한 배터리 스택에 대응한 넓은 출력 전압 범위
X 유연성 – 다양한 배터리 종류를 충전할 수 있는 기능
X 온보드 충전 종료 알고리즘을 사용한 단순하고 자율적인 동작(마이크로프로세서 불필요)
X 빠른 충전, 대형 고용량 셀을 위한 높은 충전 전류
X 태양광 충전 기능
X 향상된 열 성능과 공간 효율을 제공하는 첨단 패키징

ADI는 몇 년 전 성공적인 LTC4000 배터리 충전 컨트롤러 IC(외부 보상 dc-dc 컨버터와 함께 동작하여 강력하고 유연한 2칩 배터리 충전 솔루션 구성)를 개발함으로써 상당히 복잡하고 번거로웠던 기존 솔루션을 크게 간소화하였다. PowerPath™ 제어, 스텝업/다운 기능, 입력 전류 제한을 구현하기 위해 기존 솔루션은 벅-부스트 dc-dc 스위칭 레귤레이터 또는 프론트엔드 부스트 컨트롤러와 함께 사용하는 벅-스위칭 레귤레이터 차저 컨트롤러, 마이크로프로세서, 그리고 여러 개의 IC 및 디스크리트 부품으로 구성됐다. 이러한 솔루션의 주요 단점은 동작 전압 범위가 제한되고, 태양광 패널 입력 기능이 없고, 모든 종류의 배터리 충전을 다 지원하지 못할 뿐 아니라 온보드 충전 종료 기능도 없다는 점이다. 이제 이러한 문제를 해결해주는 더 단순하면서 훨씬 작은 모노리식 솔루션이 나왔다. 아나로그디바이스의 LTC4162 및 LTC4015 벅 배터리 차저는 다양한 충전 전류 레벨과 완전한 기능 세트를 갖춘 단일 칩 충전 솔루션을 제공한다.

LTC4162 배터리 차저

LTC4162는 다양한 종류의 배터리를 지원하는 고집, 고전압 동기식 모노리식 스텝다운 배터리 차저 및 PowerPath 매니저이며 온보드 텔레메트리 기능과 옵션인 최대 전력점 추적(MPPT)을 제공한다. LTC4162는 벽면 어댑터, 백플레인, 태양광 패널과 같은 다양한 입력 소스에서 전력을 효율적으로 전송하여 리튬이온/폴리머, LiFePO4 또는 납축전지 스택을 충전하면서 최대 35V까지 시스템 부하에 전력을 공급한다. 디바이스는 첨단 시스템 모니터링과 PowerPath 관리 외에도 배터리 상태 모니터링을 제공한다. LTC4162의 첨단 기능에 접근하려면 호스트 마이크로컨트롤러가 필요하지만, I2C 포트를 옵션으로 사용할 수 있다. 제품의 주요 충전 기능은 핀 스트랩 구성과 프로그래밍 저항을 사용하여 조정할 수 있다. 디바이스는 최대 3.2A까지 ±5%의 정밀한 충전 전류 레귤레이션과 ±0.75% 충전 전압 레귤레이션을 제공하고, 4.5V ~ 35V 입력 전압 범위에서 동작한다. 애플리케이션으로는 휴대용 의료기기, USB 전력 공급(USB-C) 기기, 군용 장비, 산업용 휴대기기, 고내구성 노트북/태블릿 컴퓨터 등이 있다.
 

그림 1. LTC4162-L의 일반적인 애플리케이션 회로

LTC4162(그림 1)는 명령에 따라 입력 전압, 입력 전류, 배터리 전압, 배터리 전류, 출력 전압, 배터리 온도, 다이 온도, 배터리 직렬 저항(BSR)을 비롯해 다수의 시스템 파라미터를 지속적으로 모니터링하는 정확한 16비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함한다. 모든 시스템 파라미터는 2-wire I2C 인터페이스를 통해 모니터링할 수 있으며, 프로그래밍 및 마스크 가능한 경보는 관심 있는 정보만 인터럽트를 발생시키도록 보장한다. 디바이스의 능동 최대 전력점 추적 알고리즘은 전역적으로 입력 저전압 제어 루프를 스위프 하여 태양광 패널과 다른 저항 소스로부터 전력 추출을 극대화하는 동작 지점을 선택한다. 또한 디바이스에 채택된 PowerPath 토폴로지는 출력 전압을 배터리에서 분리함으로써 충전 소스를 매우 낮은 배터리 전압 조건에서 인가할 때 휴대용 제품이 즉시 시동할 수 있게 한다. LTC4162의 온보드 충전 프로파일은 리튬이온/폴리머, LiFePO4, 납축전지를 포함하여 다양한 배터리 종류에 맞춰 최적화된다. 충전 전압과 충전 전류는 모두 배터리 온도에 기초해 JEITA 가이드라인을 따라 자동으로 조정하거나 커스터마이즈 할 수 있다. 납축전지의 경우 연속적인 온도 곡선은 주변 온도에 따라 자동으로 배터리 전압을 조정한다. 모든 배터리 종류에서 옵션인 다이 접합부 온도 레귤레이션 시스템을 사용하여 공간이 제한되거나 열 문제가 까다로운 애플리케이션에서 과도한 발열을 방지할 수 있다. 그림 2는 리튬이온 충전 효율 성능을 보여준다.
마지막으로 LTC4162는 탁월한 열 성능을 제공하는 노출형 금속 패드의 28핀 4mm × 5mm QFN 패키지로 제공된다. E 및 I 등급 디바이스는 –40°C ~ +125°C 온도에서 동작하도록 설계됐다.

그림 2. 셀 수에 따른 리튬이온 충전 효율과 입력 전압
 

더 높은 전류가 필요하다면?

LTC4015는 또한 다양한 종류의 배터리를 지원하는 고집적, 고전압 동기식 스텝다운 배터리 차저이며 온보드 텔레메트리 기능을 제공한다. LTC4015는 더 높은 충전 전류 기능(선택한 외부 부품에 따라 최대 20A 또는 이상)을 제공하기 위해 오프보드 전력 FET를 포함하는 컨트롤러 아키텍처를 채택하고 있다. 디바이스는 입력 소스(벽면 어댑터, 태양광 패널 등)로부터 리튬이온/폴리머, LiFePO4 또는 납축전지로 전력을 효율적으로 공급한다. 또한 배터리 쿨롱 계수와 상태 모니터링을 포함하여 첨단 시스템 모니터링 및 관리 기능을 제공한다. LTC4015의 첨단 기능에 접근하려면 호스트 마이크로컨트롤러가 필요하지만, I2C 포트를 옵션으로 사용할 수 있다. 제품의 주요 충전 기능은 핀 스트랩 구성과 프로그래밍 저항을 사용하여 조정할 수 있다.

그림 3. 12V_IN ~ 2셀 리튬이온 8A 벅 배터리 차저 회로

LTC4015는 최대 20A까지 ±2%의 정밀한 충전 전류 레귤레이션과 ±1.25% 충전 전압 레귤레이션을 제공하고, 4.5V ~ 35V 입력 전압 범위에서 동작한다. 애플리케이션으로는 휴대용 의료기기, 군용 장비, 배터리 백업 애플리케이션, 산업용 휴대기기, 산업용 조명, 고내구성 노트북/태블릿 컴퓨터, 원격 전력공급 통신 및 텔레메트리 시스템 등이 있다.
LTC4015는 또한 정확한 14비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 함께 고정밀 쿨롱 카운터를 포함한다. ADC는 명령에 따라 입력 전압, 입력 전류, 배터리 전압, 배터리 전류를 포함한 다수의 시스템 파라미터를 지속적으로 모니터링하고, 배터리 온도와 배터리 직렬 저항(BSR)을 보고한다. LTC4015는 이러한 파라미터를 모니터링하여 배터리 상태뿐만 아니라 충전 상태를 보고할 수 있다. 모든 시스템 파라미터는 2-wire I2C 인터페이스를 통해 모니터링할 수 있으며, 프로그래밍 및 마스크 가능한 경보는 관심 있는 정보만 인터럽트를 발생시키도록 보장한다. LTC4015의 온보드 충전 프로파일은 리튬이온/폴리머, LiFePO4, 납축전지를 포함하여 다양한 배터리 종류에 맞춰 최적화된다. I2C를 통해 파라미터를 조정할 수 있는 여러 알고리즘뿐 아니라 구성 핀을 이용해 사용자는 각 배터리 종류에 맞춰 여러 개의 사전 정의된 충전 알고리즘 중에서 선택할 수 있다. 충전 전압과 충전 전류는 모두 배터리 온도에 기초해 JEITA 가이드라인을 따라 자동으로 조정하거나 커스텀 설정도 가능하다. 그림 4는 납축 충전 효율 성능을 보여준다. LTC4015는 탁월한 열 성능을 위한 노출형 금속 패드의 5mm × 7mm QFN 패키지로 제공된다.

그림 4. LTC4015의 납축 충전 효율

공간 절약, 유연성, 더 높은 전력 레벨

LTC4162는 전력 MOSFET이 통합된 모노리식 디바이스이므로 균등한 전력 레벨에서(3A 등) LTC4015에 비해 최대 50%까지 PCB 공간을 절약할 수 있다. 기능 세트가 유사하므로 LTC4015는 출력 전류가 3.2A부터 최대 20A 또는 그 이상일 때 사용한다. 업계의 경쟁 IC 배터리 차저 솔루션 중 어떤 제품도 동일한 높은 수준의 통합을 제공하거나 동일한 전력 레벨을 생성하지 못한다. 충전 전류(2A ~ 3A)에 근접하는 제품들도 배터리 종류가 한 종류(리튬이온)에 그치거나 배터리 충전 전압이 제한되므로(최대 13V), LTC4162 또는 LTC4015의 전력 레벨이나 유연성을 제공하지 못한다. 뿐만 아니라 가장 가까운 경쟁 모노리식 배터리 차저 솔루션에 필요한 외부 부품 수를 고려할 때 LTC4162는 최대 40%의 PCB 공간 풋프린트를 절약하므로 더욱 확실한 선택이 된다.

태양광 충전

태양광 패널을 최대 전력점(MPP)으로 동작하도록 하는 많은 방법이 있다. 가장 간단한 방법 중 하나는 다이오드를 통해 배터리를 태양광 패널에 연결하는 것이다. 이 기법은 패널의 최대 출력 전압을 배터리의 비교적 좁은 전압 범위에 매칭하는 것으로, 사용 가능한 전력 레벨이 매우 낮을 때(대략 수십 밀리와트 미만) 가장 좋을 방법일 수 있다. 그러나 전력 레벨이 항상 낮은 것은 아니다. 따라서 LTC4162 및 LTC4015는 입사광 양이 변함에 따라 태양광 패널의 최대 전력 전압(MPV)을 찾는 기법인 MPPT를 사용한다. 이 전압은 패널 전류가 20 이상의 동적 범위로 변할 때 12V에서 18V까지 급격하게 변할 수 있다. MPPT 회로 알고리즘은 배터리에 최대 충전 전류를 공급하는 패널 전압 값을 찾고 추적한다. MPPT 기능은 지속적으로 최대 전력점을 추적할 뿐 아니라 전력 곡선에서 여러 번의 피크가 발생할 경우 전력 곡선에서 올바른 최대값을 선택해 부분적인 음영 조건에서 패널로부터 얻을 수 있는 전력을 증가시킬 수 있다. 저조도 주기 동안 저전력 모드는 MPPT 기능이 동작하기에 충분한 빛이 없는 경우에도 차저에서 작은 충전 전류를 공급할 수 있게 한다.

결론

아나로그디바이스에서 최근 출시한 강력하고 다양한 기능을 갖춘 배터리 충전 및 PowerPath 매니저 IC LTC4162와 LTC4015는 매우 까다로운 고전압 및 고전류 충전 시스템을 간소화한다. 이들 디바이스는 벽면 어댑터, 백플레인, 태양광 패널과 같은 입력 소스와 리튬이온/폴리머, LiFePO4, SLA와 같은 다양한 종류의 배터리 충전 간에 전력 분배를 효율적으로 관리한다. 또한 단순한 솔루션과 초소형 풋프린트는 SEPIC과 같은 복잡하고 오래된 기술인 스위칭 레귤레이터 기반 토폴로지가 유일한 대안이었던 첨단 애플리케이션에서 높은 성능을 달성할 수 있게 한다. 이는 중-고전력 배터리 차저 회로와 관련해 설계자의 작업을 크게 간소화한다.
 

저자소개

스티브 노스(Steve Knoth [steve.knoth@analog.com])는 아나로그디바이스 Power by Linear™ 그룹의 수석 제품 마케팅 엔지니어이다. 모든 전력 관리 IC(PMIC) 제품, LDO 레귤레이터, 배터리 차저, 차지 펌프, 차지 펌프 기반 LED 드라이버, 수퍼커패시터 차저, 저전압 모노리식 스위칭 레귤레이터 및 아이디얼 다이오드 디바이스를 담당하고 있다. 2004년 아나로그디바이스(전 리니어테크놀로지)에 합류하기 전 1990년부터 마이크로파워시스템(Micro Power Systems), 아나로그디바이스(Analog Devices), 마이크렐반도체(Micrel Semiconductor)에서 다양한 마케팅 및 제품 엔지니어링 직책을 거쳤다. 산호세 주립대학에서 1988년에 전기공학 학사학위를, 1995년에 물리학 석사학위를 받았다. 2000년에는 피닉스대학에서 기술 경영학 MBA를 받았다. 자녀와 함께 시간을 보내는 것 외에도 핀볼, 아케이드 게임이나 머슬카를 다루고 빈티지 토이, 영화, 스포츠, 자동차 기념품을 수집하는 것이 취미이다.