새로운 패러다임을 만족시키는 리튬이온 배터리 충전기 요구조건

최신 리튬이온 배터리는 고성능 역할을 담당하는 최신형의 전자제품 보호를 위해 충전 과정에서 복잡하고 특수한 요구조건을 충족시켜야 한다. 또한 독립형 충전 IC는 외장형 부품 수를 적게 유지해야 한다. 이를 위해서는 리튬이온 셀과 주변의 팩 보호 시스템 특성 모두를 이해해야 한다.

글│마크 게리스(Mark Gurries), 리니어 테크놀로지

다른 배터리 화학물질처럼, 리튬이온 배터리도 충전 과정에서 더욱 고성능 역할을 담당하는 최신형의 전자제품 보호로 더욱 복잡한 특수 충전 조건을 요구하고 있다.

독립형 충전 IC는 새로운 요구조건을 만족시켜야 하며 동시에 외장형 부품 수를 적게 유지시키는 특징도 내부적으로 갖추고 있어야 한다. 충전기의 요구조건을 이해하기 위해서는 리튬이온 셀과 주변의 팩 보호 시스템(Pack-Protection-System) 특성 모두를 이해해야 한다.

재충전할 수 있는 리튬이온 셀 특징의 기본원리

리튬이온 충전 과정은 자동차에서 볼 수 있는 납축전지(Sealed Lead Acid) 셀을 충전하는 것과 유사하다. 두 가지 모두 제한된 온도 범위에서 충전될 수 있으며, 특정 전압이 도달할 때까지 전류 제약형 전압 장치로 충전시켜야 한다. 이 두 가지 방식은 배터리가 완전히 충전될 때까지 일정한 전압을 유지해야 한다. 마지막으로, 이 두 방식은 충전 전류가 제로(Zero)가 될 때 일정 전압 이하로 완전히 충전된다. 리튬이온의 경우, 충전을 위한 스펙의 한계는 0°~50°C 온도 범위에서 제한되며, 셀 전압이 2.5V~3V이상이 될 때까지 셀의 최대 충전 수용비율인 㰡C㰡‘에서 1/10th 또는 㰡C/10㰡‘ 이상으로 충전되어서는 안 된다. 또한 개방형 회로 셀 전압이 4.2V가 될 때 완전히 충전된다.

그러나, 납 배터리와 다르게, 리튬이온에 대한 전압을 부정확하게 흐르도록 할 수도 없으며 배터리 수명을 연장시키는 것을 기대할 수도 없다. 전압은 정확해야 한다. 그 이유는 최대 충전 전압을 초과하는 것이 배터리 팩의 엄청난 오류를 초래할 수 있기 때문이다. 이것이 리튬이온 배터리 팩이 보호 회로를 갖추고 있는 이유이다.

리튬이온 충전의 기본원리

리튬이온 배터리 충전기의 이해를 위해서는 이러한 셀의 특징과 전체 충전과정을 단계별로 나눠 주의 깊게 살펴 봐야 한다.

1단계는 프리컨디셔닝 충전 단계로 배터리가 0% 용량 포인트 이하로 드레인 되었을 경우에만 발생한다. 이 충전기는 셀 전압을 모니터하며 전압이 2.5V/셀 이상의 수준으로 회복될 때까지 C/10에서 또는 그 이하로 충전한다. 일반적으로 시간 제한은 2.5V 이상으로 복구하는 결함 있는 셀 오류를 검출하기 위해 요구된다.

2단계는 전류 제한방식의 충전 단계이다. 배터리와 시스템 요구조건에 따라 설정된 완전 충전 전류는 단말기에 적용된다. 시간 제한은 충전 과정에서 뭔가 잘못되었다는 것을 알리는 전압 제한에 도달하는 배터리 오류가 발생하는 조건을 검출하기 위해 필요하다.

3단계는 일정 전압 충전 단계이다. 배터리 전압이 10% 이내 또는 터미네이션 전압(Termination Voltage) 미만일 때, 변환은 이 단계에서 시작된다. 충전 전류가 제로로 하강하기 시작했기 때문이다. 그러나, 시간 제한은 배터리가 제로 전류의 완전 충전 상태로의 도달이 실패한 조건임을 검출하기 위해 필요하다.

4단계는 톱오프(Top-Off) 충전 단계이다. 이것은 실제로 3단계의 연속이나 정확하게 제로의 전류를 모니터 하고 있어 실제로 기술적 한계가 존재한다. 충전이 되는 대신, 전류는 C/10 트립 레벨에서 모니터 되며, 이것은 타이머가 톱-오프 단계의 충전을 종결하고 지속적인 부동 충전을 방지하게 한다.

마지막인 5단계는 유지 단계이다. 충전기는 개방형 회로 셀 전압을 모니터한다. 셀 전압이 한정된 재시작 포인트 이하로 떨어질 때, 충전기는 다시 켜지고 터미네이션 전압에 다시 셀을 재저장하기 위해 충전 전류를 제공한다.

전원 관리

일부 애플리케이션에서, 1차적인 전원은 다른 부하와 공유된다. 전원이 충전기와 부하 모두를 지원하도록 정해지지 않았다면, 충전기는 전원 등급 내에서 작동할 수 있는 축소된 레벨로 영구적으로 설정된 충전 비율을 갖도록 해야만 할 것이다. 고정형 감소에 대한 대체 제품은 전력을 동적으로 공유한다. 전력 모니터링의 보편화된 방법은 전원이 조절되는 것으로 가정하고 전류를 측정하기 위한 유일한 방법은 전원으로 공급되는 것이다. 전원의 최대 전류가 도달했을 때, 충전기는 전원 전류 제한이 초과되는 것을 방지하기 위해 배터리 전류를 자동으로 감소시킨다. 이 기법을 입력 전류 제한(Input Current Limiting)이라 부른다.

배터리 팩 보호 특징

리튬이온 셀의 도입 이후, 리튬이온 셀이 안전하다고 인정 받고 있다 하더라도, 여전히 과충전 보호와 같은 해결해야 할 기본적인 약점이 존재한다. 실제로, 보호는 셀이 손상을 입는 것을 막기 위해, 충전 조건의 결과, 즉 전압의 조건에서 가득 차 있거나 비어있는 경우 모두를 살펴 봐야 한다. 전압 시스템은 직렬 회로에서 배열된 다중 셀이 존재할 경우, 각각의 셀의 셀 전압을 모니터 한다.

보호 회로는 MOSFET처럼 2개가 연속으로 구성된다. 즉, MOSFET은 하나의 MOSFET, CFET가 충전 전류를 분리시키면 다른 MOSFET, DFET는 방전 전류를 분리시키도록 배열된다. 보호 회로는 셀에 손상을 입힐 조건을 감지할 때, 적절한 FET는 앞으로 발생할 손상이나 사용을 방지하기 위해 작동한다.

최신 배터리 팩 보호

최신형 셀 보호 시스템은 충전기에서 제어를 멀리 떨어뜨리도록 하는CFET를 사용해 충전 과정에서 더욱 중요한 역할을 맡고 있다. 충전의 3, 4단계 동안, 보호 회로는 개방형 회로 환경에서 충전의 셀 상태를 분석하기 위해 특정 간격으로 CFET를 끄게 할 것이다. 일부는 마이크로초 범위 내에서 CFET를 켤 수 있다.

갑작스런 배터리 전류 차단은 충전 전류가 다시 라우트되어 충전기 출력 커패시터로 보내게 한다. 커패시터는 전류를 전압에 통합시켜 그 결과 충전기 출력 전압은 레귤레이션에서 벗어나게 한다. 아날로그 피드백 루프는 이 상태를 바로 감지하기에 너무 느리기 때문에, 전압 상승은 루프가 알아내어 충전기 전류를 제로로 만들 때까지 계속 될 것이다.

부하가 없는 경우, 축적된 커패시터 전압을 방전시키는 방법은 없다. 여기서 다시 한번 최첨단 배터리 팩 보호는 앞으로 더욱 복잡해 질 수 있는 충전 과정을 제어하는 역할을 담당한다. 배터리 팩이 CFET을 끄게 하더라도, 이것은 여전히 충전기로 가는 배터리 팩 단말기의 전압을 감사한다. 보호 회로는 터미네이션 전압을 살펴 볼 수 있을 것으로 예측하나 너무 높다는 사실만 인지한다. 그 결과, 보호 회로는 충전 오류의 결과를 가져오는 CFET을 다시 켜지 않을 것이다.

최신 물리적 환경

소형 휴대형 제품들은 주어진 환경을 지원할 수 있는 기능성 증대를 위해 소형 회로를 계속 요구하고 있다. 충전기 회로에서 가장 대형인 부품들 중 2개는 입력/출력 커패시터와 인덕터이다. 세라믹 커패시터는 매우 낮은 ESR과 크기에 비해 높은 리플 전류 등급을 제공했기 때문에 사실상의 소형 회로용 표준으로 자리잡았다.

세라믹 커패시터의 아래 측면은 압전 속성(Piezo-Electric Properties) 즉 㰡스피커㰡‘ 성능이다. 커패시터로 흐르는 AC 전류는 들을 수 있는 범위 내에 있으며 세라믹 커패시터는 사운드 보드로써 PCB를 이용해 소리를 내보낸다. 스위치 기반형 충전기가 들을 수 있는 범위에서 발생할 스위칭 동작을 유발할 수 있는 수많은 조건도 존재한다.

한가지 예로 4단계 전류 조건에서 초소형 단일 스위칭 사이클은 다음에 일어나는 사이클 스키핑(Cycle Skipp-ing)이 부하를 만족하는 시간 평균 전류로 달성시키게 하는 수많은 량의 전류를 생성할 수 있게 한다. 이 사이클 스키핑은 들을 수 있는 속도로 발생할 수 있다. 100% 듀티 사이클을 요구하는 충전기의 또 다른 예는 DC로 다가오는 오디오 범위를 통해 통과해야 하는 주파수에서 변경될 수 있다.

최신 스위칭 기반형 리튬이온 충전기

리니어 테크놀로지는 독립형 리튬이온 배터리 충전기 시리즈인 LTC4006 과 LTC4007을 출시했다. LTC4007은 최적의 진단과 제어 가능성을 위해 가장 높은 상태의 지원 신호를 가지고 있는 반면, LTC4006은 대부분의 상태 및 컨트롤 신호를 제공하나 소형 패키지에 알맞다. LTC4007은 사용자들에게 외부로 프로그래머블 충전 전류를 제공하는 반면, LTC4006 충전 전류는 내부로 제공되도록 고정되었다.

두 집적회로(IC) 모두 3셀 및 4셀 직렬 구성의 리튬 이온 배터리 팩을 보호한다. LTC4006은 2셀 직렬도 커버한다. LTC4006 과 LTC4007 모두 광범위한 입력 전압으로 충전 속도가 최고 4앰프로 효율성이 최고 96%이다. 전압 정확도는 0.8%으로 자동 재시작 트립 포인트가 3.9V/셀로 설정되어 항상 배터리를 가득 차게 한다. 그러나 이 요소들은 단지 기본적인 것에 불과하다. 이 부품들은 배터리 충전의 다른 모든 문제를 해결하기 위해 더욱 많은 기능을 수행하고 있다.

완벽한 상태 및 제어 신호 세트

그림 1은 LTC4007을 이용한 일반적인 애플리케이션 회로를 보여준다. 여기서 수많은 상태 신호들을 쉽게 볼 수 있다. ACP즉 AC Present는 입력 전원을 이용할 수 있을 때 나타나는 출력이다. SHDN은 충전기를 셧다운하기 위한 로직 출력이다.

FAULT 출력 신호는 온도가 범위를 벗어날 경우 오류를 발생시킬 것이며, 이 때 타이머는 1단계에서 꺼진다. 충전 신호 또는 CHG(L)은 충전기가 동작하고 충전하는 것을 나타낸다. FLAG 출력은 충전 과정의 4단계에 신호를 보낸다. 이것은 C/10 레벨에서 트립되며 여기서 일부 애플리케이션은 완전 충전을 나타내는 것으로 사용된다. LOWBAT 신호는 배터리가 1단계에 있다는 것을 나타낸다. 마지막으로, 입력 전류 제한(ICL) 출력은 입력 전류 제한 회로가 작동할 때 나타나게 될 것이다.

셀 화학작용과 셀 수를 구성하기 위해 사용되는 IC에 2가지의 핀도 존재한다. 3C/4C는 3셀 직렬 또는 4셀 직렬 배터리 팩을 설정한다. CHEM 핀은 셀 당 4.1V 또는 4.2V를 설정하기 위해 사용된다. 마지막으로 LTC4007 (IMON LTC4006)에 PROG 핀이라 불리는 전류 모니터링 핀이 존재한다. 이 핀을 통해 선택형 호스트 A에 대한 D 컨버터는 충전 전류를 측정할 수 있다.

유연한 타이머

전체적인 타이머는 서로 다른 커패시터의 배터리를 충전하기 위해 필요한 시간에 대한 RT 핀에 연결된 레지스터를 변경함으로써 조정될 수 있다. 충전 과정 동안 사용되는 3가지의 다른 시간 기간이 존재한다. 그 중 하나의 타이머 기간은 전반적인 타이머의 고정 비율 1/4를 사용해서 모든 필수적인 단계를 커버한다. 애플리케이션 다이어그램에서 제시되는 것처럼, 2단계와 3단계 모두를 커버하는 2시간의 전반적인 타이머는 1단계와 4단계의 결과를 가져와 30분의 타이머가 된다.

입력 전류 제한

전류 공유는 LTC4007의 중요한 기능이다. 전류 센스 레지스터는 전원의 (+) 레일에 직렬로 위치한다. 이때 전원의 최대 전류가 흐르며 이것은 100mV 전압 드롭으로 발전한다. 100mV에서 ICL 핀이 존재하게 되며 오류 증폭기가 제어 루프를 받아 전류 센스 레지스터가 결코 초과할 수 없는 100mV 드롭의 충전기 전력을 감소시킨다.

에너지 관리

LTC4007은 다양한 에너지 관리 특징을 가지고 있다. 첫째는 입력 전원이 사라지거나 제거되었을 때 15uA 배터리 드레인 전류이다. 둘째는 INFET로 불리는 이상적인 다이오드로서 P-채널 MOSFET(PFET)를 전원 기능과 함께 직렬로 이용하고 있다는 것이다. 이 INFET는 효율성을 향상시키는 다이오드에서 발견되는 전력 손실을 제거한다. 입력 전력이 상실되었을 때, INFET는 배터리 팩에서 다시 전원으로 흐르는 역 전류를 보호하기 위해 꺼진다.

고속 전압 보호 및 복구

배터리 팩 보호 회로가 강제적으로 충전 전류를 차단할 때, LTC4007내에 있는 특수 고속 비교기는 동시에 상승하는 전압을 검출하며, 이 때 이것은 터미네이션 전압을 7%까지 초과한다. 이 IC는 충전기의 출력 전압이 떨어질 때까지 꺼지고 그 상태를 유지하며, 이 때 전압은 터미네이션 전압으로 다시 하강한다.

들을 수 있는 잡음 생성이 없다

LTC4007은 세라믹 커패시터와 함께 동작하도록 특별히 고안되었다. PWM 회로는 워치독 타이머를 갖추고 있다. 이 워치독 타이머는 최대 듀티 사이클을 98%으로 제한하는 대신 25kHz 아래로 주파수를 스위칭하는 것을 방지한다. 또 하나의 잡음 감소 기법은 제로 전류로 하강하는 방식으로 작동을 계속 스위칭 한다. 따라서 클록 사이클 스키핑이 없다.

부품 수 및 부품 크기 최소화 하기

PWM 시스템은 톱사이드(Topside) 스위치에 적합한 PFET를 사용한다. 이 시스템은 등가의 N-채널 MOSFET을 구동하기 위해 필수적인 외부 부품과 I/O 핀을 제거한다. 이것은 또한 높은 듀티 사이클 로우 드로아웃 조건에서 부스트 캡 전압을 유지하는 문제도 없애준다. 대형 필터 커패시터 및 인덕터를 위한 부품 크기 감소 기법은 300kHz 스위칭 주파수이다.

결론

LTC4006 과 LTC4007은 리튬 이온 배터리 충전의 최신 요구조건을 만족시킬 수 있는 충전기 IC의 좋은 예시이다. 이 제품들은 매우 뛰어난 고효율성, 소형 크기, 보호, 들을 수 없는 잡음, 전력 공유 및 제품 선택에 따라 상태를 나타내 주는 완벽한 상태 지시 셋트와 사용자 프로그래머블 셋팅을 제공한다. 낮은 부품수와 전력 레벨 지원을 위해 소형 커패시터 및 인턱터 사용의 결합으로, LTC4006과 LTC4007은 공간 제약형 제품에 충전기를 맞추는 시스템 설계자의 업무를 더욱 쉽게 만들어 줄 것이다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 06년 03월호>