이 글에서는 공급 전원과 배터리 사이에 바람직하지 않은 저항에도 불구하고 어댑터로부터 최대의 전력을 추출하기 위해서는 충전 회로를 어떻게 설계해야 할 것인지에 대해 설명해 보고자 한다.

글/징 예 (Jing Ye) 시스템 엔지니어, 제프 폴린 (Jeff Falin) 애플리케이션 엔지니어, 케이케이 러쉴 (KK Rushil) 필드 애플리케이션 엔지니어
텍사스 인스트루먼트

재충전 배터리 사용 장비를 설계하는 설계자들은 공급 전원을 붕괴시키지 않음과 동시에 그로부터 최대의 전력을 추출함으로써 최대의 충전 전류로 충전 시간을 최소화할 수 있는 충전기를 원한다. 하지만 이것이 가능해 지려면 공급 전원과 배터리 사이의 저항이 먼저 해결되어야 한다. 이 글에서는 공급 전원과 배터리 사이에 바람직하지 않은 저항에도 불구하고 어댑터로부터 최대의 전력을 추출하기 위해서는 충전 회로를 어떻게 설계해야 할 것인지에 대해 설명해 보고자 한다.

스위치 모드 충전기의 일반적인 동작

그림 1은 벅 컨버터 기반 충전기의 회로 모델로서 인덕터의 DC 저항(RIND)을 비롯한 모든 바람직하지 않은 저항들을 표시하고 있다. VBUS 혹은 IN 핀에서 충전기 IC로 들어오는 입력 전원 전압은 통상적인 USB 포트나 월 어댑터(wall adaptor)로부터 제공되는 것이다. 이 글에서는 이 핀의 전압을 VBUS로 표기하고 있다. 이 모델을 이용해서 특정한 배터리 레귤레이션 임계값에 대해서 최소 전원 전압을 도출하는 것을 살펴볼 것이다.

리튬이온 충전기의동작

그림 2에서 보듯이 이 충전기의 동작은 배터리 전압에 따라서 3개 구간으로 구분 된다:

① 낮은 배터리 전압은 배터리가 과도하게 방전되었음을 의미한다. 이런 이유로 임계값 VPRECHG에 도달할 때까지 낮은 전류 값으로 충전해야 한다. 이 단계를 사전 충전 단계(precharge phase)라고 한다.

② 배터리 전압이 특정 임계값(VPRECHG)으로 상승하면, 사전에 지정된 최대 충전 전류가 흐를 수 있게 된다. 이에 레귤레이션 루프를 이용해서 이 전류를 유지한다. 이 단계는 전류 레귤레이션/정전류 단계 (current-regulation/constant-voltage phase)에 속한다.

③ 배터리 전압이 지정된 레귤레이션 전압으로 상승하고 충전 전류가 차츰 감소하면서 배터리가 최대로 충전된다. 충전 전류가 차츰 감소하는 동안에 충전기는 전압 레귤레이션/정전압 단계(voltageregulation/ constant-voltage phase) 에 속한다. 리튬이온(Li-Ion) 셀의 정격 레귤레이션 전압은 4.2V이다.

충전 시간을 단축하기 위해서는 충전기가 VBAT =4.2V가 될 때까지 지정된 최대 충전 전류를 제공해야 한다. 허용 가능한 최소 입력 전압 값(VBUS_MIN)을 계산하기 위해서
설계자는 하기 사항들을 고려해야 한다:

① 목표 충전 전류에 도달하기 위한 VBUS와 VBAT사이의 동작 헤드룸

② 스위칭 레귤레이터의 최대 듀티 사이클

동작 헤드룸

전류가 흐르는 과정에서 MOSFET과인덕터 상의 저항이 전압 강하를 일으킨다. VBUS와 VBAT 사이의 전압 차이가 너무 작은 경우, 목표충전 전류를 달성할 수 없다. 예를 들어 VBUS와 VBAT이 각각 4.3V, 4.2V이고 BUS 입력에서 배터리까지의 총 저항이 150mW라면, 배터리로 제공 가능한 최대 전류는 660mA이다.

스위칭 레귤레이터의 최대 듀티 사이클(duty cycle)

현실적으로 어떤 하이-사이드 NMOS 벅 컨버터라도 100% 듀티 사이클을 달성할 수 없다. HSFET/LSFET 턴온/턴오프 시에 슈트-쓰루(shoot-through)를 방지하기 위해 항상 데드 타임(dead time) 이 존재하기 때문이다. 만약 듀티 사이클이 그 최대의 값을 초과하면 스위칭 레귤레이터가 일부 LSFET 턴온 펄스를 생략하여 평균 출력 전류/전압을 유지한다.

VBUS_MIN 임계값의 계산

VBUS_MIN 임계값은 목표 최대 충전 전류를 제공하면서 듀티 사이클을 벅 컨버터의 최대 듀티 사이클 아래로 유지하기 위해 필요한 최소 BUS 핀 전압을 의미한다. 그림3은 CCM(continuous-conduction mode)으로 동작하는 벅 컨버터의 인덕터 전류와 스위치 노드 전압을 보여준다. VBUS는 하기와 같은 인덕터의 리플 전류 계산을 거쳐 도출할 수 있다.

인덕터 전류 상승 에지 시:

인덕터 전류 하강 에지 시:

리플 전류는 동일하므로 다음과 같은 VBUS 공식을 도출할 수 있다.

아래 제시된 가정을 사용하여 공식 4를 단순화할 수 있다:

◎ L = 2.2μH이면, 96%의 듀티 사이클일 때 리플 전류는 300mA 미만이다(1을 평균 전류로 가정).
◎ 96%의 최대 듀티 사이클일 때, 이 공식의 두 번째항과 비교해서(1-D)/D는 4.2%에 불과하므로 세 번째 항을 무시할 수 있다.

VBUS_MIN 임계값은 최대 듀티 사이클일 때 VBUS 전압을 의미한다.

VBUS가 이렇게 계산된 VBUS_MIN 임계값보다 아래로 떨어지면 배터리는 최대로 충전되지 않는다.

최소 USB 전원 공급 전압

?이 부분에서는 USB 어댑터를 이용할 시 입력 라인 저항 때문에 충전기로 들어오는 입력 전압이 어떻게 허용 가능한 것보다 낮게 떨어질 수 있는지에 대해 설명한다.

USB 규격에서는 저전력 포트에서 장비로 제공되는 출력이 풀 부하 시에 모든 허브와 케이블을 거친 후 4.1V까지 떨어질 수 있다고 명시되어 있다.
그림 1에서 입력 전원이 USB 포트이고 직렬 및 제로 저항으로 5V의 VUSB를 공급한다고 가정해 보자. RIN은 케이블, 커넥터 및 PCB 트레이스의 집합적 저항이며, 이 충전기는 100%의 듀티 사이클을 달성할 수 있는 이상적벅 컨버터로 모델링 된다.

충전기의 입력 전압(VBUS)은 배터리 충전 레귤레이션 임계값 VBATREG(정격 4.2V)보다 높아야 한다. VUSB가 떨어지는 최소 값이 4.75V라고 해보자.

USB 전원에서 BUS 핀으로의 저항 RIN = 400mΩ일때, 표 1은 USB 2.0 포트와 USB 1.5A 어댑터의 최소 VBUS 전압을 보여준다.

<표1. USB 전원공급 비교 >

최대 듀티 사이클에서 VBUS가 VBAT에 근접하므로 IUSB ? ICHG이다. 따라서 이제 공식 5를 확장해서 특정한 충전 전류에 대한 최소 입력 전원 전압을 계산할 수 있다.

공식 7을 이용해서 케이블과 커넥터 저항을 얼마나 낮게 할 것인지(예를 들어 높은 품질의 케이블과 커넥터를 선택하는 등), 또는 충전기의 BUS 핀에서 과도한 전압 강하를 피하기 위해서 PCB 트레이스를 얼마나 넓고 두껍게 할 것인지를 결정할 수 있다. 이렇게 함으로써 배터리를 충전하기 위한 어댑터 전원을 극대화할 수 있다.

입력 전압 기반 동적 전원 관리(VIN-DPM)

다중의 어댑터, 케이블 및 커넥터를 사용해야 할 때 모든 라인의 저항 시나리오들을 고려해서 설계한다는 것이 까다롭게 느껴질 수 있다. 이럴 때는 VIN-DPM을 사용하는 충전기를 이용함으로써 입력 라인 저항에 상관없이 입력 전압이 붕괴하는 것을 방지할 수 있다.

VIN-DPM이란?

VIN-DPM이란 다수의 TI 충전기 제품에 적용되어 있는 아날로그 루프이다. 이 루프는 어댑터를 붕괴시키지 않으면서 전원으로부터 제공되는 최대 양의 전류를 추출하기 위한 것이다. 다시 말해서 전원 전압을 VIN-DPM으로 유지하도록 하기 위해 입력 전류(그러므로 결과적인 충전 전류)를 제한하는 것이다. 이 기능은 USB 포트가 입력 전원 소스 중의 하나일 때 이용할 수 있다.

VIN-DPM을 적용하지 않았을 때의 동작

그림 4에서 보여지는 것처럼 VIN-DPM 보호를 적용하지 않은 충전기의 경우를 보자. 시스템 부하 전류와 배터리 충전 전류가 상승함에 따라 입력 전류 또한 상승한다. 그러므로 전원 상의 저항으로 인한 강하 또한 상승하여, 충전기의 입력 핀으로 제공되는 전압이 공급 전원에서 공급한 정격 출력 전압보다 낮아진다. 뿐만 아니라 공급 전원(전압 소스)은 발생시킬 수 있는 전류 양에 있어서 규격 측면의 한계가 지정되어 있다. 부하 전류가 인출됨으로써 충전 전류와 부하 전류의 합을 유지하기 위해서 필요한 입력 전류가 공급 전원의 능력을 넘어서게 되면, 요구된 높은 전류를 제공하기 위해서 입력 커패시터가 방전함으로써 입력 전압이 떨어지기 시작한다. 입력 전압이 저전압 임계값에 도달하면 충전기가 턴오프된다. 이 오프시간 간격에 입력 커패시터가 다시 충전함으로써 입력 전압이 회복된다.

또한 입력 전압이 UVLO보다 높아질 경우 충전이 다시 재개된다. 충전기가 턴온되면 동일한 사이클을 반복함으로써 충전 전류로 비이상적인 온/오프 펄싱을 발생시킨다.

VIN-DPM의 이점

VIN-DPM 기능을 적용한 충전기는 입력 전류를 제한 함으로써 충전 전류의 비이상적인 펄싱을 방지한다. 특히, 입력 전압이 낮아지고 지정된 VIN-DPM 임계값에 이르면 VIN-DPM 기능이 작동하여 입력 전류를 더 낮은 값으로 감소시킨다. 이렇게 함으로써 입력 전압이 저전압수준으로 붕괴되는 것을 방지한다.
어댑터는 통상적으로 100mA와 수 암페어 사이에 이르는 전류를 공급하며, 최신 USB 포트는 최대 1.5A 또는 그 이상의 전류를 공급할 수 있다.

VIN-DPM을 적용한 충전기를 이용하면 장비 제조업체들은 전류 한계와 같이 어댑터 및 USB 포트의 특정한 출력 전력 한계에 따라 충전기를 최적화할 수 있다. 또한, VIN-DPM을 적용하면 더 저렴한 가격대의 어댑터, USB 포트 및 케이블을 이용할 수 있다. 예를 들어서 스마트폰에 VIN-DPM을 적용한 충전기를 이용한다고 가정하면, 낮은 가격대의 저항이 높은 USB 충전 케이블을 이용한다고 하더라도 포트를 붕괴시키지 않고서 1.5A USB 포트로부터 최대 전력을 추출할 수 있다. 에서는 공급 전원에서 충전기 IC로 각기 다른 입력 저항일 때 그에 따른 영향을 보여준다. 이평가 회로는 bq24192, bq24250, bq24260, bq24295와 같은 배터리 충전기를 기반으로 한 것이며, 1.5A 입력 전류 한계, 2A 충전 전류 및 4.76V VIN-DPM 임계값으로 구성된 것이다.

두 경우 모두 충전이 계속되며 어댑터도 붕괴하지 않는다. 하지만 그림 5(b)에서는 VIN-DPM 회로가 직렬 저항 상의 전압 강하에 대한 대응으로서 입력 전류 한계를 낮추고 있다. 입력 전류를 낮춤에 따라 충전기가 먼저 충전 전류를 낮추고 그 후 시스템 부하 전류를 낮춘다.

요약

공급 전원과 충전기 사이의 저항 때문에 공급 전원을 붕괴시키지 않고 충전기의 저전압 록아웃에 도달하는 일이 없이 충전기가 공급 전원으로부터 최대의 전력을 추출하는 것이 어려워질 수 있다. 이 글에서는 특정한 전원 어댑터로부터 최대의 충전 전류를 제공하기 위해서 충전기에 필요로 하는 최소 전원 전압을 계산하는 방법에 대해서 살펴보았다. 또한, VIN-DPM 기능을 이용하여 충전기의 입력 전류 한계를 역동적으로 낮춤으로써, 어댑터 전압의 붕괴를 염려할 필요 없이 다양한 유형의 어댑터와 전력 배선을 이용할 수 있다는 것에 대해서 설명하였다.

<반도체네트워크 7월>