핸드헬드 휴대형 기기에서의 동작 시간 문제 해결에 돌파구를 제시하는 요소로는 용량이 증가되고 작동 전압 범위가 확장된 새로운 음극 화학물인 리튬이온(Li-Ion) 셀의 이용, 최고 20GB의 저장 용량의 특징을 제공하는 서브 1인치 소형 HDD, 고집적 저전류 벅 부스트 컨버터의 이용을 들 수 있다.

글│토니 암스트롱(Tony Armstrong), 리니어 테크놀로지

배터리 구동형 핸드헬드 기기에서 주요 저장 매체로 소형 HDD를 활용하는 㰡돌풍㰡‘이 불고 있다는 사실이 단기적 관점에서 분명해 지고 있다. 핸드헬드 휴대용 기기에는 PMP, MP3 플레이어, DSC(Digital Still Camera), DVR, 스마트 폰, GPS 시스템 등이 포함된다.

이러한 핸드헬드 휴대형 기기에서의 동작 시간 문제 해결에 돌파구를 제시하는 요소로 3가지를 꼽을 수 있다. 첫 번째는 용량이 증가되고 작동 전압 범위가 확장된 새로운 음극 화학물인 리튬이온(Li-Ion) 셀의 이용이다. 두 번째 시장 원동력은 최근 도입된 서브 1인치 소형 HDD로 최고 20GB의 저장 용량의 특징을 제공한다. 마지막으로 세 번째는 고집적 저전류 벅 부스트 컨버터의 이용이다. 고집적 저전류 벅 부스트 컨버터는 출력 전압 이상, 또는 이하로 혹은 동일한 수준으로 입력 전압을 조절할 수 있으며, 스핀업 기간 동안 소형 HDD를 구동할 수 있는 충분한 피트 전류 성능으로 변환 효율이 높은 것이 특징이다.

확장형 리튬이온 배터리 성능

가장 보편적인 리튬이온 배터리 형태 중 하나는 1990년대 초에 처음 소개된 원기둥형(Cylindrical) 18650 이다. 처음 소개 되었을 당시, 18650 리튬이온 셀 용량은 단지 960mAh에 불과했다. 그러나 셀 제조업체들은 기존 전극 시스템 활용으로 셀 용량을 증대시킬 수 있는 역량에 한계에 부딪혔다. 기존의 음극 및 양극 재료로 인한 용량 제한의 결과 때문에, 제조업체들은 새로운 음극과 양극을 통할 수 있는 셀을 도입하기 시작했다.

새로운 재료들이 셀 용량을 증대시킬 수 있는 것이 가능해 졌음에도 불구하고, 제조업체들은 배터리의 충전 및 방전 전압 범위를 동시에 변경해야 하는 문제에 직면하게 되었다. 이 확장된 전압은 장비 설계자들이 가능한 이용할 수 있는 전압 범위(에너지)를 사용하려고 할 때 새로운 문제를 제시하게 될 것이다.

최근 2004년까지, 셀 제조업체들은 보편적인 18650 포맷으로 2.6Ah로 높은 용량을 가진 원통형 리튬 이온을 생산해 왔다. 이러한 셀은 이전 세대에 이용된 동일한 리튬코발트 산화물 음극 재료 및 흑연(Graphite) 양극 재료를 사용했다. 제조업체들은 더욱 활성적인 재료를 동일크기의 패키지에 채워 넣음으로써 용량을 더욱 확대시킬 수 있었다. 이 방법은 용량성이 상당히 좋은 반면에, 이를 달성하는데 13년이 소요되었다.

차세대 리튬이온 셀은 2005년도 초에 이미 2.8Ah의 셀 용량을 달성함으로써 짧은 시간 내에 3Ah 셀 용량을 실현하는데 성공했다. 새로운 음극 재료를 갖춘 배터리의 일례로 마쯔시타(Matsushita)가 개발한 것을 들 수 있다. 전통적인 리튬코발트 산화물 음극을 사용하는 대신, 마쯔시타는 니켈코발트 알루미늄 산화물을 사용했다. 이 새로운 음극 재료는 전류 충전 전압에 영향을 미치지 않으면서 더 높은 용량을 실현할 수 있게 하며, 뛰어난 저장 기능의 특징을 제공한다.

또 다른 일본 배터리 제조업체인 소니는 2005년 1분기에 음극 및 양극 재료 모두를 변경시킨 하이브리드 리튬이온 배터리로 넥셀리온(Nexelion) 제품군을 출시했다. 넥셀리온 배터리는 흑연 기반의 양극을 주석 기반의 비결정 재료로 대체해 기존 리튬이온 셀 대비 용적 당 저장 용량을 500% 향상시키는 결과를 이룩했다. 게다가 넥셀리온 배터리는 낮은 온도에서 향상된 충전 및 방전을 제공하며, 충전 시간이 더욱 빨라졌다. 그러나, 전압 범위를 4.2V에서 3.0V까지 방전시키는 기존의 리튬이온 셀과 다르게 넥셀리온 셀은 4.2V에서 하강시켜 2.5V만큼 낮게 방전시킨다.

소형 HDD

지난 20년 동안 배터리 구동형 핸드헬드 기기에 사용되었던 대부분의 HDD는 직경 2인치 미만의 플래터(Platter)를 가지고 있다. 예를 들어, 도시바의 싱글 플래터 상에서 30GB 용량 드라이브는 직경이 1.8인치이며, 히타치의 4GB 마이크로 드라이브에서 싱글 플랫폼은 직경이 1인치에 불과하다. 그럼에도 불구하고, 두 가지 경우에서 이러한 디스크 드라이브는 정상적인 작동을 위해 3.3V에서 300mA가 필요하며, 스핀업 시간 동안 피크 전류는 1.2A 정도로 높을 수 있다. 그러나 최근에 직경1인치 미만의 HDD가 출시됨에 따라 저장 용량 및 소비 전류 관점에서 획기적인 발전을 거두게 되었다.

일례로, 1인치 싱글 플래터 HDD는 20GB를 저장할 수 있으며, 정상적인 작동을 위해 3.3V에서 300mA의 공칭 전류가 요구된다. 뿐만 아니라 플래터의 초기 스핀업 기간 동안 불과 500mA의 피크 전류만이 요구된다. 이러한 특징은 리튬이온 구동형의 휴대형 기기에서 주요 저장 매체로 이용하는 데 매우 매력적인 요소로 작용한다.

벅 부스트 컨버터

일반적인 DC/DC 컨버터의 문제는 광범위한 입력 전압 사이에서 어디엔가 존재할 레귤레이트 된 출력 전압을 생성하는 것이다. 이 문제를 더욱 분명한 관점에서 살펴보기 위해서는 일반적인 애플리케이션을 고려해 보는 것이 유용하다. 3.3V 전력 레일로 미디어 플레이어를 구동시키는 단일 셀 리튬이온 배터리를 고려해 보자. 일반적인 리튬코발트 산화물 음극 셀을 이용하는 것은 방전 프로파일이 최고 4.2V에서 최저 3.0V까지의 범위를 갖는다는 것을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 시스템 전력 레일은 고정형 3.3V 출력을 요구한다. 출력 전압은 때로 리튬이온 배터리를 위한 입력 전압 범위 이상이거나 이하, 또는 동일하다.

이런 유형의 문제를 해결하기 위해 기존에는 SEPIC(Single-Ended Primary Inductance Convert)나 벅/부스트 컨버터를 이용하는 방법이 많이 쓰였다. 이와 같은 컨버터는 입력 전압이 출력 전압 이상이거나, 이하이거나 동일하든지 간에, 고정된 출력 전압을 제공할 것이다. 그러나 SEPIC 컨버터를 이용할 때는 다음과 같은 단점이 있다.

- 다중 인덕터 혹은 부피가 큰 트랜스포머가 요구되는 복잡한 설계 구조

- 제어 루프는 작동 모드 사이에서 변환 기간 동안 제어하기 어렵다

- 솔루션 풋프린트가 크고, 프로파일이 높다

- 변환 효율성이 낮다; 항상 70% 중반에서 80%까지 낮춰진다.

- 높은 출력 전력 레벨에서 온도 문제가 발생할 수 있다

더 효율적인 접근방법은 4개의 내부 스위치를 제어할 수 있는 단일 인덕터 기반의 컨버터를 사용하는 것으로, 이를 통해 스텝다운, 스텝업, 100% 듀티 싸이클 모드를 수행할 수 있다. 이 같은 4개 스위치의 벅 부스트 컨버터는 설계를 쉽게 해 주는 장점을 제공하며, 높은 전력 밀도를 실현시킬 뿐만 아니라 동기식 드라이브 용량으로 매우 효율적인 작동을 구현한다.

3가지 시장 동인의 결합

PMP 제조업체들은 수많은 기능들을 이미 한정된 폼 팩터에 통합시키면서 동시에 더욱 오랜 시간의 작동 시간을 달성해야 하는 중압감에 놓여 있다. PMP 내부에 HDD를 채택하고자 하는 움직임은 대용량으로 쉽게 읽고 쓸 수 있는 컴팩트한 저장장치의 필요성으로 인해 더욱 활발해지고 있다. PMP는 AC 어댑터, USB(Universal Serial Bus) 케이블, 혹은 리튬이온 배터리로 전원을 공급 받을 수 있다.

대부분의 PMP는 직경이 1인치 혹은 그 미만의 플래터를 갖춘 HDD를 사용하게 될 것이다. 1인치 직경을 사용하는 싱글 플래터에서 20GB 마이크로 드라이브는 이미 검증되어 이용할 수 있으며, 0.8인치의 직경을 가진 플래터의 사용이 임박해 지고 있다. 이러한 1인치 디스크 드라이브는 정상적인 작동을 위해 3.3V에서 약 300mA만 필요로 한다. 그러나 스핀업 시간 동안 피크 전류가 500mA 정도로 높게 요구될 수 있다.

미래의 0.8인치 모델은 공칭 전류가 작고, 피크 전류가 400mA 미만이 될 것으로 예상된다. 좀 더 새로운 음극 화학물의 리튬이온 배터리가 PMP에서 사용된다면, 이 때 방전 프로파일은 4.2V~2.5V가 될 것이다. 따라서 광범위한 방전 전압 범위를 다룰 수 있는 DC/DC 컨버터를 설계하고 고정형 3.3.V 출력을 제공하는 것은 매우 까다로운 작업이 될 것이다.

HDD 스핀업을 위해 500mA에서 3.3.V 공급하기

휴대형 미디어 플레이어 설계자들이 배터리 수명을 자신들의 특수한 구성에 최적화하기 위해 이용할 수 있는 수많은 옵션을 가지고 있다는 것은 분명하다. 다중 기능의 ASSP와 VLDO 레귤레이션의 혼합은 필수적인 전압과 전력 레벨을 제공해 최적의 시스템 성능을 구현하면서 정상 작동 시 배터리의 전력 드레인을 최소화될 수 있도록 해준다.

그러나 ASSP는 소니의 넥실리온 제품군과 같이 최신 음극 화학물 리튬이온 배터리의 완전한 에너지 밀도를 활용할 수 없을 수도 있다. 그 이유는 일단 배터리의 전압이 공칭 3.3.V 출력 레벨 이하로 떨어지면, ASSP는 이 배터리 전압을 필수적인 출력 레벨로 증대시킬 수 없다. 넥실리온 배터리 범위는 4.2V~2.5V이며, 이로써 배터리 에너지의 30%가 사용되지 못한 채 남게 된다.

이러한 경우에 더욱 단순화된 빌딩 블록을 이용하는 방식이 새로운 리튬이온 배터리의 자연스런 방전 싸이클 기간 동안 필수적인 전력으로 HDD를 공급하는 데 있어 좋은 대안이 된다. 이 때, 모놀리식 동기식 벅 부스트 컨버터는 입력 전압이 출력 전압보다 높거나, 낮거나 동일하든지 간에 고정된 3.3V 출력을 제공할 수 있어 이상적인 솔루션이 될 것이다. 리니어 테크놀로지는 이러한 특정한 요구를 만족시키는 새로운 벅 부스트 컨버터 LTC3532를 최근 출시했다.

LTC3532는 고효율성의 고정 주파수를 갖춘 벅-부스트 DC/DC 컨버터로 출력 전압을 단일 인덕터를 사용해 입력 소스 전압 이상, 이하, 동일하게 조정할 수 있다. 입력 전압 범위는 2.4V~5.5V이며, 출력 전압 범위는 2.4V~5.25V이다. 피크 출력 전류 용량은 3.3V의 출력 전압에서 500mA이다. LTC3532의 아키텍처는 스텝다운, 패스 쓰루(Pass Through), 스텝업의 모든 작동 모드를 통해 지속적인 전송 기능을 제공한다. 이로써 LTC3532는 배터리가 방전 될 때 입력 전압이 감소되는 단일 셀 리튬이온 셀 알카라인이나 NiMH 애플리케이션에서 배터리 동작 시간을 연장시키는데 이상적으로 활용될 수 있다. 그림 1은 LTC3532의 완전한 회로 구성을 나타낸 것이다.

따라서 단일 셀 리튬이온 배터리로 구동되는 PMP에서, 1인치 소형 HDD는 공칭 300mA에서 500mA 피크 전류를 이용해 일정한 3.3V를 필요로 한다. 넥실리온 배터리의 출력 전압 범위는 4.2V~2.5V 정도로 다양하다. LTC3532는 스텝다운 모드에서 작동하며, 배터리 전압은 4.2V에서 공칭 3.3V까지 떨어진다. 3.3V에서 LTC3532는 패스 쓰루 모드로 변경되어 100% 드롭아웃이 될 것이다. 일단 배터리 전압이 3.3V 이하로 하강해 2.5V까지 지속적으로 하강하면, LTC3532는 스텝업 모드로 작동한다. 기존의 스텝다운 컨버터와 비교해 볼 때 LTC3532를 이용 시 배터리 수명을 30% 이상 연장할 수 있다.

끝으로 LTC3532는 2개의 0.36W N채널과 2개의 0.42W P채널 MOSFET이 일정 주파수의 동기식 토폴로지에 통합되어 95%의 높은 효율을 달성한다. 최고 2MHz의 스위칭 주파수는 외장형 타이밍 레지스터로 프로그램 되어 있으며, 오실레이터는 외장형 클록으로 동기화될 수 있다. LTC3532의 수동형 또는 프로그래머블 자동 버스트 모드(Burst Mode) 기능을 통해 내부 MOSFET은 부하 요구를 기반으로 간헐적으로 작동할 수 있으며 무부하 전류를 35mA까지 하강시켜 감소시킨다.

<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 05월호>