빠르고 안전한 충전을 위한
독립형 배터리 고속 충전기 활용방안
충전 배터리에서 소비하는 절대적 전력량은 증가하고 있다. 휴대용 장치에서의 전력 소비량이 증가하면서 충전 배터리는 표준 배터리에 비해 더 저렴하고 환경 친화적인 성격을 띠게 되었다. 각 배터리의 특성을 소개하고, 마이크로컨트롤러 감시소자 없이 NiMH 및 Lion 충전 배터리를 빠르고 안전하게 충전하는 방법을 설명한다.
글│Tam Nguyen, Maxim Integrated Products Inc.
충전 배터리는 오늘날 다양한 제품들, 특히 노트북 컴퓨터, Palm 파일럿, 휴대전화기와 같은 휴대용 장치의 표준 전원 장치다. 이러한 단일 배터리의 전력이 줄어드는 추세이긴 하지만 충전 배터리에서 소비하는 절대적 전력량은 증가하고 있다. 그 이유로는 디지털 카메라, 휴대전화 등에서 계속되는 기능의 집적, 노트북 컴퓨터의 컴퓨팅 속도 향상, 디지털 카메라에서 대형 디스플레이의 편의성 등을 들 수 있다. 이렇게 휴대용 장치에서의 전력 소비량이 증가하면서 충전 배터리는 표준 배터리에 비해 더 저렴하고 환경 친화적인 성격을 띠게 되었다.
NiCd, NiMH 및 Li-Ion 충전 배터리에 관한 개요에서는 각 배터리의 특성을 소개하고, 마이크로컨트롤러 감시소자 없이 NiMH 및 Lion 충전 배터리를 빠르고 안전하게 충전하는 방법을 설명한다.
충전 배터리 유형
1980년대 중반의 DECT 폰, Walk-man, 전기 면도기와 같은 휴대용 장치에서는 주로 NiCd(Nickel-Cadmium) 충전 배터리를 사용했다. 그 이후에 NiMH(Nickel-Metal-Hydride) 및 Li-Ion(Lithium-Ion) 충전 배터리가 등장하면서 1990년대 말 무렵부터 일반에게 보급되기 시작했다(표 1).
NiCd 배터리는 특히 저가형 애플리케이션에서 큰 인기를 끌었는데, NiMH 및 Li-Ion 배터리보다 저렴했기 때문이다. NiCd는 방전 전류의 레벨이 가장 높기 때문에 단기간 높은 전력이 필요한 애플리케이션에서도 사용되었다.
한편 NiCd 배터리는 배터리 용량을 단축시키는 메모리 효과 문제를 겪기도 했다(최신형 NiCd에서는 거의 발생하지 않음). 메모리 효과가 발생하는 NiCd 배터리를 완전히 방전하지 않고 충전할 경우, 일부 활성 물질(양극의 카드뮴의 경우 최고 100μm)이 사용되지 않고 남아 있어 결정화되면서 화학 작용에 참여하지 않게 된다(새 배터리 양극에서의 카드뮴 크리스털의 두께는 약 1마이크로미터).
그 결과 발생하는 메모리 효과로 인해 배터리 용량이 줄어들고 단자 전압이 낮아져 NiCd 배터리는 예상보다 일찍 최소 가용 단자 전압(차단 지점: Shut-Off Point)에 도달하게 된다.(그림 1)
NiCd 배터리의 또 다른 단점은 활성 물질에 독성 카드뮴(Cd)이 함유되었다는 것이다. 그로 인해 European Regulation 2000/53/EG에서는 2005년 12월 31일자로 NiCd 충전 배터리의 판매를 금지했다.
NiMH 배터리는 NiCd 배터리보다 더 환경 친화적이지만, 가격이 높다. 방전 전류가 더 낮긴 하지만, NiCd 배터리의 메모리 효과와 비슷하지만 정도가 덜한 레이지 효과(Lazy Effect) 문제가 발생한다. 레이지 효과 역시 결정화 현상에서 비롯되지만, 여기서는 카드뮴이 아니라 니켈이 관련된다. 충전 배터리의 용량을 십분 사용할 수 없게 만드는 레이지 효과 및 메모리 효과는 방전 기능이 있는 충전기를 사용한다면 이를 없애거나 방지할 수 있다.
Li-Ion 충전 배터리는 더 고가이지만, 에너지 밀도가 상당히 높은 편이므로 특정 크기에서 더 강력한 성능을 발휘한다. 그 덕분에 휴대성이 높은 소형 장치에 적합하다.
NiMH 충전 배터리용
독립형 고속 충전기
Li-Ion 배터리를 선호하는 사람들 사이에서도 NiMH 배터리의 인기가 높은데, Li-Ion 배터리보다 훨씬 저렴하고 MP3 플레이어, 플래시 부속품, 자전거 램프 등에서 자주 사용되는 표준 AA 및 AAA 크기로 보급되기 때문이다.
NiMH 충전 배터리의 온도 및 단자 전압은 배터리가 충전되는 동안 꾸준히 상승하다가 배터리가 완전히 충전되면 떨어진다(그림 2). 따라서 NiMH 충전기에서는 변곡 지점을 파악해서 충전을 중지시키거나 고속 충전에서 트리클 충전으로 전환하는 것이 관건이다. 뿐만 아니라, 온도 및 전압을 꾸준히 독립적으로(2차) 모니터링함으로써 충전 과정에서의 안전성이 향상된다.
DS2711/DS2712 제품군 충전기가 이러한 기능을 갖추고 있다. 뿐만 아니라 독립적으로 동작하므로 마이크로컨트롤러나 마이크로프로세서가 감시할 필요가 없다. 표준 AA/AAA 충전 배터리를 단독으로 또는 둘씩 짝지어 직렬이나 병렬 구성으로 충전하도록 설계되었다. DS2711은 선형 컨트롤러 역할을, DS2712는 스위칭 컨트롤러 역할을 한다. 사용 수명을 극대화하고 배터리를 절약할 수 있도록 이 충전기는 네 가지 충전 모드, 즉 예비 충전(Precharge), 고속 충전(Fast Charge), Top-Off 충전 및 보존(트리클) 충전을 지원한다. 예를 들어, Top-Off 모드에서는 배터리가 완전히 충전되면 곧 충전 속도가 더 낮아진다(DS2711의 경우 25% 정도로).
앞서 언급한 모니터링 기능 외에도 DS2711-2712 충전기에는 타이머가 내장되어 있어 외부 저항을 TMR 핀에 연결하여 최대 충전 시간을 설정할 수 있다(예: 고속 충전 모드에서는 0.5~ 10시간). 이 경우 Top-Off 충전 시간(0.25~5시간)은 이미 설정된 최대 충전 시간의 절반이다. 희망 충전 시간 근사값(Tapprox)을 설정하기 위한 저항 값을 구하는 공식은 다음과 같다.
R = 1000Tapprox/1.5.
고속 충전 모드에서 최대 충전 시간을 초과하면 충전기는 고속 충전에서 Top-Off 충전으로 전환하고 타이머를 리셋한다. 그러면 타이머는 Top-Off 충전 시간을 카운트 다운한다. 그 값을 초과하면 충전기는 Top-Off 모드에서 보존(트리클 충전) 모드로 전환한다(그림 3).
커넥터 VP1 및 VP2는 각 충전 배터리의 전압을, THM1 및 THM2(서미스터 사용)는 온도를 모니터링한다. 충전 시간 및 충전 전력을 설정할 때 단자 TMR(타이머) 및 RSNS(센서 저항)가 사용된다. DS2711/DS2712 충전기의 또 다른 특징은 충전할 배터리의 고장 여부 또는 충전기에 충전 배터리 유형 대신 1차 알칼라인 배터리를 실수로 넣었는지 여부를 감지한다는 것이다. 그러한 경우에는 충전기가 꺼진다.
알칼라인 배터리 감지 방법
새 NiMH AA 충전 배터리의 일반적인 내부 저항은 30mΩ~100mΩ 수준이며, 알칼라인 배터리는 보통 200mΩ~300mΩ(그러나 충전 상태에 따라 최고 700mΩ) 수준이다. 고장이 발생한 충전 배터리는 내부 저항이 훨씬 높다. 따라서 DS2711/DS2712 충전기는 충전할 배터리의 내부 저항을 "30ms마다" 계산하는데, 측정된 배터리 전압(VP1 및 VP2) 및 설정된 충전 전력을 이용한다.
CTST 핀(셀 테스트용, 임계값 설정)을 사용하면 충전 배터리의 내부 저항을 계산할 때 필요한 전압 레벨(VCTST)을 측정할 수 있다. VCTST는 충전 전류(0.7A)와 non-NiMH 배터리의 내부 저항 임계값(150mΩ)의 곱이다. 또한 이 과정 중에 전원 저항(일반적으로 2mΩ)도 모니터링해야 한다. 외부 RCTST를 계산하는 공식은 다음과 같다.
RCTST = 8000 [V2/A]/VCTST, 여기서 VCTST = ICharge ¶ R.
따라서 RCTST = 8000 [V2/A]/(0.7A ¶ (0.150Ω + 0.002Ω)) = 75kΩ.
VCTST 레벨(이 경우에는 0.106V 이상)을 초과하여 내부 배터리 저항이 0.152Ω보다 높으면 이 IC는 논리적(Logical) 또는 광(Optical) 오류 메시지(LED1, LED2)를 출력하고 충전 절차를 중단한다(그림 4).
Li-Ion 충전 배터리용 독립형
고속 충전기
Li-Ion 충전 배터리의 충전은 NiMH 배터리 충전보다 더 간단하다. 전압 변동률(dV/dt)을 모니터링할 필요가 없기 때문이다. 그리고 Li-Ion 충전 배터리는 과전압에 민감하게 반응하므로 충전 과정에서는 충전 전력이 일정한 4.2V±50mV의 정밀한 전원이 필요하다. NiMH 배터리의 경우, 충전기는 1차 전압 모니터링 기능 외에 2차 모니터링 기능(온도, 타이머)을 갖춰야 한다.
Li-Ion 충전 배터리용 독립형 충전기(MAX8601)에는 Vbatt라는, 내부적으로 제어되는 전압 소스가 있는데, +25℃에서 4.2V±0.021V, 40℃
외부 저항(SETI 핀) 및 외부 커패시터(CT 핀)는 충전 전력 및 내부 타이머를 설정한다. 또 충전기는 NTC 저항을 사용하여 충전 배터리의 온도를 모니터링한다.
MAX8601 충전기의 대표적인 장점은 외부 메인 어댑터(DC 핀) 또는 USB 포트를 통해 배터리를 충전할 수 있다는 것이다(그림 6). USB 포트는 USEL 핀의 설정에 따라 100mA 또는 500mA의 충전 전력을 제공한다. 이 칩은 외부 소스를 자동으로 선택하며(메인 어댑터 또는 USB), 두 소스 모드 사용 가능한 경우 메인 어댑터를 통해 배터리를 충전한다. 두 소스 모두 최소 전압이 4.5V가 되어야 한다. MAX8601은 그 밖에도 파워 온 리셋, 예비 충전, top-off 충전 등과 같은 기능을 갖고 있다.
요약
독립형 충전기 DS2711 및 MAX-8601은 마이크로컨트롤러 또는 파워 서지 보호 메인 어댑터 없이도 다양한 모니터링 기능(전압, 전력, 온도, 타이머)을 수행할 수 있다. 두 장치 모두 명확하고 간단하게 외부 스위칭을 지원한다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2006년 11월호>