배터리-전원 전자 기기가 지속적으로 일반화되고 한층 강력해짐에 따라 간단하게 채택할 수 있는 배터리 충전기 설계가 필요하다. 표준 컴포넌트들을 통해 배터리 충전기 설계를 보다 유연하면서도 동시에 보다 비용을 효율적으로 변화시킬 수 있다. 혼합-신호(mixed-signal) 설계는 새롭고 우수한 기능들을 간단하게 시스템에 추가하도록 해주는 동시에 차별화된 기능의 추가도 가능하게 해준다.
배터리 충전기 애플리케이션을 위한 적정한 혼합-신호 전력 시스템의 개발
글│테리 클레버랜드(Terry Cleveland)애플리케이션 엔지니어,
스콧 디어본(Scott Dearborn) 선임 애플리케이션 엔지니어,
마이크로칩
배터리 화학 기술
재충전 가능한 휴대형 애플리케이션을 위해 리튬이온(Li-Ion, Lithium-Ion), 니켈수소(NiMH, nickel metal hydrate), 니켈카드뮴((NiCd, Nickel Cadmium), 연축(Lead Acid) 배터리를 포함한 여러가지의 다양한 배터리 화학 기술이 사용되고 있다. 본고에서 논의한 주제가 다른 화학기술에도 물론 적용될 수 있을지라도 보다 대중적인 화학기술인 리튬이온과 니켈수소 2개에 대해서 초점을 맞추어 논의할 것이다.
리튬이온 배터리는 모든 배터리 형식 중에서 가장 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 모든 재충전 가능 기술들 중에서 가장 휴대성이 높다. 니켈수소 배터리는 안전하고 환경친화적이기 때문에 대중적이다. 이들 배터리 화학기술 모두를 충전할 수 있는 혼합-신호 범용 배터리 충전기를 설계하는 것이 가능하다.
배터리 충전 관련 용어
충전 및 방전률은 배터리 성능과 관련하여 표현된다. ‘C-Rate’로 알려져 있는 이러한 충전률은 충전 또는 방전 전류와 같으며, 다음과 같이 정의된다:
I = M x Cn
여기서:
I = 충전 또는 방전 전류, A
M = C의 배수 또는 분수
C = 정격 성능의 절대값, Ah
n = C가 확인되는 시간
1의 C-rate에서 배터리 방전은 1시간 동안의 명목상 정격 성능이다. 예를 들어, 정격 성능이 1,000mAhr인 경우, 1C의 방전률은 1,000mA의 방전 전류와 일치한다. 이와 마찬가지로 C/10의 방전률은 100mA의 방전 전류와 일치한다.
선호되는 충전 프로파일 (리튬이온 및 니켈수소)
리튬이온 배터리 화학기술은 정전류 또는 제어 전류 및 정전압 알고리즘을 활용하여 다음과 같이 4개의 단계로 구분할 수 있다:(1) 트리클(trickle) 충전,(2) 정전류 충전(3) 정전압 충전(4) 충전 종료(termination).
그림 1. 리튬이온 충전 프로파일
그림 2. 니켈수소 충전 프로파일
니켈수소에서 선호되는 알고리즘은 다음과 같은 단계로 구성된다: (1) 트리클 충전, (2) 정전류, (3) 톱-오프 충전, (4) 충전 종료. 그림 2는 니켈수소 배터리 충전의 이와 같은 4가지 단계를 나타낸 것이다.
·단계 1: 트리클 충전 - 트리클 충전은 완전히 방전된 셀들에 전하를 저장한다. 리튬이온 배터리의 경우, 셀 전압이 약 3V 이하가 되면, 최대 0.1C의 정전류로 충전된다. 니켈 수소 배터리의 경우, 셀 전압이 셀 당 0,9V 이상이 될 때, 트리클 충전은 한계에 다다른 배터리를 조절하여 고속(Fast) 충전 또는 정전류 충전을 시작할 수 있다.
·단계 2: 정전류 충전 - 리튬이온 및 니켈수소 배터리의 경우, 셀 전압이 트리클 충전 쓰레스홀드 이상으로 상승한 후에 충전 전류가 증가하여 정전류 충전을 수행한다. 정전류 충전은 0.2C~1.0C의 범위 내에 있어야 한다.
·단계 3: 정전압 - 리튬이온 배터리의 경우, 정전류 충전이 끝나고 셀 전압이 4.2V에 도달했을 때 정전압 단계가 시작한다. 성능을 극대화시키기 위해서 전압 조정 허용오차는 ±1%보다 양호해야 한다.
·단계 4: 충전 종료 - 리튬이온 배터리의 경우, 트리클 충전을 지속하는 것이 좋지 않다. 대신에 충전 종료가 좋은 선택이다. 니켈수소 배터리의 경우, 일정 시간의 트리클 충전이 배터리 성능의 100% 사용을 보장한다. 일정 시간의 트리클 충전이 완료되었을 때 충전 종료가 필요하다.
리튬이온 배터리의 경우, 2가지 방법 중 하나 - 최소 충전 전류 또는 타이머(또는 2가지 방법의 조합) -를 통해 충전을 종료시킨다. 최소 충전 전류 접근법은 정전압 단계에서 충전 전류를 모니터링하여 충전 전류가 0.02~0.07C의 범위로 감소하였을 때 충전을 종료한다. 타이머 방식은 정전압 단계가 언제 시작될지를 결정한다. 그 다음에 충전을 2시간 동안 지속한 후 충전을 종료한다.
이러한 방식의 충전은 완전히 방전된 배터리를 다시 충전하는데 약 2.5~3시간이 걸린다.
최신 충전기들은 추가적인 안전 기능들을 사용한다. 예를 들어, 많은 최신 충전기들이 배터리 온도가 0℃ 이하이거나 45℃보다 높은 경우에 충전을 중단한다.
니켈수소 배터리의 경우, 충전 종료는 배터리 팩의 -dV/dt 읽기, dT/dt(델타 온도 대 시간), 또는 둘의 조합을 토대로 한다. 이러한 경우, 온도 감지는 종료 방식일 뿐만 아니라 가능한 안전 예방 조치이다.
배터리 충전 - 시스템 고려사항
배터리를 신속하고 신뢰성 있게 재충전하기 위해서는 고성능 충전 시스템이 필요하다. 다음 시스템 파라미터들은 신뢰할 수 있는 효율적인 비용의 솔루션을 보장한다:
1. 입력 소스
많은 애플리케이션이 입력 공급을 위해 매우 저렴한 어댑터를 사용한다. 출력 전압은 어댑터로부터 도출된 부하 전류뿐만 아니라 넓은 범위의 ac 입력 전압에 의해 크게 좌우된다.
차량용 어댑터를 통해 충전하는 애플리케이션 역시 비슷한 문제를 경험할 수 있다. 차량용 어댑터의 출력 전압 범위는 일반적으로 9V~18V다.
2. 출력 전압 조정 정확도
리튬이온 배터리의 경우, 출력 전압 조정 정확도가 배터리 성능 사용을 극대화하는 데 있어서 중요하다. 출력 전압 정확도에서의 ‘작은’ 감소가 성능의 ‘큰’ 감소로 귀결된다. 하지만, 안전성과 신뢰성 문제로 인하여 출력 전압을 임의로 높게 설정할 수 없다. 그림 3은 출력 전압 조정 정확도의 중요성을 나타낸 것이다.
그림 3. 성능 손실 대 부족충전 전압
3. 충전 종료 방식
과충전은 리튬이온 및 니켈수소 셀의 아킬레스건과 같다. 정확한 충전 종료 방법이 안전하고 신뢰할 수 있는 충전 시스템을 위해 반드시 필요하다.
4. 셀 온도 모니터링
재충전 가능한 배터리가 충전되어야만 하는 온도 범위는 일반적으로 0℃에서 45℃ 사이이다. 이러한 범위 밖의 온도에서 배터리를 충전하는 것은 배터리를 과열시킬 수 있다. 충전 주기 동안에는 배터리 내부 압력이 증가하여 배터리를 팽장시킨다. 온도와 압력은 직접적인 관계를 가지고 있기 때문에 배터리 내부에서 고온고압이 동시에 나타나는 경우 기계적 고장이나 배터리 내부의 벤팅(ven-ting)을 유발한다. 0℃에서 45℃ 사이를 벗어난 온도범위에서 배터리를 충전하는 것은 배터리 성능을 헤치거나 수명을 줄어들게 할 수도 있다.
5. ‘배터리 방전 전류’ 또는 ‘역방향 누설 전류’
많은 애플리케이션에서 충전 시스템은 심지어 입력 전원이 없는 경우에도 배터리와 연결된 상태를 유지한다. 충전 시스템은 입력 전력이 존재하지 않을 때 배터리로부터의 전류 소모를 최소화해야 한다. 최대 전류 소모는 수 마이크로암페어 이하이어야 하며, 1마이크로암페어 이하가 이상적이다.
배터리 충전기의 설계
앞서 언급한 시스템 고려사항을 토대로 하여 적절한 충전 관리 시스템을 개발할 수 있다.
리니어 솔루션
조정된 입력 소스가 제공되는 경우에 리니어 충전 솔루션을 사용한다. 리니어 충전 솔루션의 예로는 마이크로칩 테크놀로지의 MCP738xx 리니어 배터리 충전기(Linear Battery Charger) 제품군이 있다. 이러한 애플리케이션에서 리니어 솔루션은 사용 편의성, 크기, 비용 등과 같은 장점을 제공한다.
스위치 모드 충전 솔루션
조정되지 않은 ac-dc 벽면 어댑터 또는 챠량 dc 입력과 같은 넓은 입력 전압 범위에 대해서는 스위칭 레귤레이터가 내부 배터리 충전기 전력소모를 수용 가능한 수준으로 낮춰준다.
토폴로지의 선택
스위칭 레귤레이터 토폴로지는 레귤레이터의 스위치들과 수동 필터링 컴포넌트의 구성을 정의한다. 구성에서의 이러한 차이들이 토폴로지를 구분하며, 복잡성, 효율, 노이즈, 출력 전압 범위 사이에서의 트레이드-오프를 제공한다. 많은 컨버터 토폴로지가 존재하지만, 5W~50W 범위의 배터리 충전기에는 몇 가지 토폴로지만이 일반적으로 사용되고 있다.
그림 4. 벅 레귤레이터 토폴로지
벅 레귤레이터
벅 또는 ‘스텝-다운’ 레귤레이터는 배터리 충전 애플리케이션을 위한 가장 일반적인 토폴로지이다. 다른 솔루션들과 마찬가지로 벅 레귤레이터는 다음과 같은 장단점을 가지고 있다:
장점
1) 복잡성이 낮은 단일 인덕터 토폴로지.
2) 동기식 애플리케이션에 대해 변환 효율성이 90%에 도달할 수 있다.
단점
1) 벅 레귤레이터 MOSFET 스위치 완전 바디 다이오드(integral body diode)는 입력 전압이 존재하지 않을 때 배터리를 방전시키는 경로를 형성한다. 따라서 추가적인 컴포넌트를 추가하여 시스템의 전압을 낮추는 추가적인 블록킹 다이오드(blocking diode)가 반드시 필요하다.
2) 벅 레귤레이터 입력 전류는 진동하거나 ‘초핑(chopped)’한다. 이 토폴로지는 전력공급기의 입력에서 높은 EMI를 생성한다. 대부분의 벅 레귤레이터는 추가적인 입력 EMI 필터링을 필요로 한다.
3) 벅 레귤레이터는 입력 전압보다 상대적으로 낮은 출력 전압만을 조정할 수 있다. 일부 애플리케이션은 필요한 출력 전압 범위를 확장시키는 넓은 입력 전압 범위를 가지고 있다. 이것은 다중 셀 리튬이온 충전기 애플리케이션에서 보다 일반적이다.
4) 단일 고장 모드(벅 스위치 단락)은 입력으로부터 배터리까지 단락 회로를 형성한다. 완전 배터리 보호 기능이 없는 니켈수소 애플리케이션의 경우, 이것은 안전성 문제를 부과한다.
5) 벅 레귤레이터는(N-채널 MOSFET 스위치를 위한) 상측 구동(high side drive)을 필요로 한다. 이것은 하측 토폴로지와 비교하여 보다 복잡하다.
6) PWM(pulse width modulation) 컨트롤러 애플리케이션 내에서 감지되는 외부 스위치 전류는 복잡하다. 단락 배터리 또는 부하와 같은 고장 모드에 있어서는 스위치 전류를 제한하는 것이 중요하다. 고속 스위치 전류 제한이 없다면 배터리 충전기는 단락 조건에서 파괴될 수 있다.
SEPIC(Single-Ended Primary Inductive) 레귤레이터
SEPIC 레귤레이터 역시 배터리 충전 애플리케이션에서 사용되는 일반적인 토폴로지이다. SEPIC 레귤레이터는 벅 레귤레이터와 다른 토폴로지에 대해 많은 장점을 가지고 있으며 비교적 작은 단점을 가지고 있다.
장점
1) 블록킹 다이오드가 배터리 시스템 토폴로지 내에 빌트인되어 있기 때문에 추가적인 컴포넌트 또는 손실이 발생하지 않는다.
2) 벅 레귤레이터의 ‘변동이 심한(cho-ppy)’ 입력 전류에 비해 소스로부터 끌어 온 입력 전류가 연속적이다(부드럽다).
3) 출력에 대해 입력이 절연되어 있어 부하 또는 배터리를 스위치 단락으로부터 보호한다.
4) SEPIC 레귤레이터 토폴로지는 스텝-다운 또는 셋-업(벅-부스트) 성능을 가지고 있다.
5) SEPIC 스위치는 하측이기 때문에 스위치 내에서 게이트 구동과 전류 감지를 단순화시킨다.
6) 2차측 평균 인덕터 전류가 배터리 전류가 같기 때문에 배터리의 하측과 연결되지 않은 전류를 감지할 수 있다.
단점
1) 2개의 인덕터 또는 ‘결합(coupled)’ 인덕터가 필요하다.
2) 단일 커플링 커패시터가 필요하기 때문에 보다 높은 전력(> 50W) 또는 높은 전압(VIN > 100V) 애플리케이션의 경우 비용이 높아질 수 있다.
스위칭 배터리 충전기 설계
설계를 2개의 부분으로 분할함으로써 적정한 ‘지능형’ 전력 시스템을 개발할 수 있다. 배터리 충전기는 본질적으로 혼합신호 시스템이다. 예를 들어, 파워 트레인(이 경우, SEPIC 레귤레이터)이 아날로그이다. 높은 주파수에서 파워 스위치를 온 또는 오프 상태로 전환하기 위해서는 아날로그 드라이버 회로가 필요하다. 반면 충전 종료 타이머, 고장 관리, 온/오프 제어는 일반적으로 타이머와 프로그램 가능한 성능을 사용하는 디지털 기능이다.
배터리 충전기 사양
- 입력 전압: 6V~20V
- 출력 전압: 0V~4.2V(단일 셀),
0V~8.4V(듀얼 셀)
- 사전설정 전류: 200mA
- 사전설정 쓰레스홀드: 3V
- 정전류 충전: 2A
- 충전 종료 쓰레스홀드: 100mA(충전 주기가 완료되었을 때의 전류)
기능
- 과전압 보호 기능(배터리 제거)
- 과전류 보호 기능(배터리 또는 부하 단락)
- 충전 제한을 위한 배터리 온도 감지
전략
혼합-신호 설계에 대한 2-분법 접근법을 통해, 우선 배터리 팩의 상태(전압과 온도)를 읽을 수 있고 SEPIC 레귤레이터 출력 전류를 프로그래밍할 수 있는 마이크로컨트롤러를 선택한다. 예제의 경우, PIC