충전기의 기본 사항과 연료 게이지 분할이 중요한 이유

글: 프랑코 콘타디니(Franco Contadini) FAE, 알레산드로 레오나르디(Alessandro Leonardi) 필드 세일즈 어카운트 매니저 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

개요

배터리 용량이 커질수록 기기의 동작 수명은 늘어나지만, 설계자는 충전 시간을 짧게 줄여야 하는 과제를 해결해야 한다. 고속 충전은 가전용, 의료용 및 산업용 애플리케이션을 비롯한 다양한 기기에 적용된다. 1, 2부로 구성되는 이 연재물에서는 배터리 고속 충전 기능의 구현 및 관련 과제를 간략히 살펴본다. 1부에서는 호스트와 배터리 팩 사이의 충전기와 연료 게이지를 분할하여 시스템 유연성을 높이고 전력 소모를 최소화하여 전반적인 사용자 경험을 향상시키는 방법에 대해 알아본다. 또한 안전한 충전 및 방전을 보장하는 모니터링 기능에 대해서도 알아본다. 2부에서는 병렬 배터리로 고속 충전 시스템을 구현하는 방법을 살펴볼 것이다.

머리말

요즘 같은 모바일 기기 시대에 배터리 수명은 사용자 경험에 중요한 영향을 미친다. 기기에 절전 기술을 구현하는 것이 중요하기는 하지만, 이는 솔루션의 일부일 뿐이다. 모바일 기기의 기능과 전력 요구사항이 높아짐에 따라 OEM 역시 배터리 용량을 크게 늘림으로써 배터리 수명을 향상시킨다.

예를 들면 2개의 셀을 병렬로 사용하여 전체 용량을 늘리는 1S2P(1개 셀은 직렬, 2개 셀은 병렬)와 같은 아키텍처의 채택이 늘고 있다. 그러나 배터리 용량이 늘어나면 그만큼 충전 시간이 길어진다는 단점이 있다. 배터리 기술이 발전하면서 충전 시간을 최소화하기 위해 충전 전류를 2C에서 최대 3C 또는 6C(즉, xC는 1시간에 배터리의 정격 암페어-시(the rated ampere-hours)를 통과하는 전류의 x배)로 늘리고 있다. 예를 들어 2000mAh 셀은 배터리 신뢰성에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 최대 12A의 전류로 충전할 수 있다.

높은 전류는 안전한 충전과 방전을 보장하기 위해 특별한 주의가 필요하다. 셀을 병렬로 사용할 경우 개발자는 임피던스와 초기 용량 불일치도 주의해야 한다. 1부에서는 가전용, 의료용 및 산업용 애플리케이션을 포함한 모든 유형의 기기를 위한 배터리 고속 충전 기능의 구현과 관련된 과제를 간략하게 살펴보기로 한다.

또한 고성능 1S2P 배열로 배터리를 충전하는 방법과 호스트와 배터리 팩 사이의 충전기와 연료 게이지를 분할하여 시스템 유연성을 높이고 전력 소모를 최소화하여 전반적인 사용자 경험을 향상시키는 방법에 대해 알아본다.

충전기의 기본 사항과 연료 게이지 분할이 중요한 이유

배터리 충전 시스템의 핵심 구성요소는 충전기 자체와 배터리 충전 상태(SOC), 배터리 남은 시간 및 충전 시간과 같은 지표를 보고하는 연료 게이지이다. 연료 게이지는 호스트 측이나 배터리 팩에 구현할 수 있다(그림 1).

Figure 1. The battery fuel gauge can be implemented on the host side or in the battery pack. — 그림 1. 배터리 연료 게이지는 호스트 측 또는 배터리 팩에 구현할 수 있다.

연료 게이지를 배터리 팩에 구현할 경우 배터리 정보를 저장하기 위한 비휘발성 메모리가 필요하다. 전원 경로의 MOSFET은 충전/방전 전류를 모니터링하고 위험한 조건으로부터 보호한다. 아나로그디바이스(ADI)의 MAX17330과 같은 디바이스는 보호 회로와 배터리 충전기 기능이 내장된 배터리 연료 게이지이다(그림 2).

Figure 2. A block diagram showing fuel gauge with a charging MOSFET regulation. — 그림 2. MOSFET 레귤레이션 충전 기능이 있는 연료 게이지

Figure 3. A block diagram for high voltage/high current fast charging system. — 그림 3. 고전압/고전류 고속 충전 시스템의 블록 다이어그램

충전 MOSFET은 충전 소스가 5V로 제한되고 충전 전류가 500mA 범위에 있는 경우 독립형 디바이스인 선형 충전기로 구현하여 세밀하게 조절할 수 있다. 리튬 배터리 충전은 충전 곡선의 99%에서 3.6V를 초과하므로 전력 손실이 제한된다.

충전기 앞에 스텝다운 컨버터를 사용하여 출력 전압을 조절하면 고전압 충전 소스와 높은 충전 전류를 적용할 수 있다(그림 3). 또한 이렇게 하면 드롭아웃을 최소화하여 충전 MOSFET에서의 전력 소모를 줄일 수 있다(그림 4).

Figure 4. Using a step-down converter to regulate output voltage to allow 10 A charge current with high efficiency. Shown here is the MAX20743 step-down converter with VIN = 12 V. — 그림 4. 스텝다운 컨버터를 사용하여 출력 전압을 조절하면 10A 충전 전류를 고효율로 제공할 수 있다. 여기에 보이는 것은V_IN = 12 V인 MAX20743.

배터리 팩에 연료 게이지를 구현하면 배터리가 스마트해져 향상된 충전 시나리오와 기능을 구현할 수 있다. 예를 들어 연료 게이지는 배터리 팩 내부의 셀에 적합한 충전 프로파일을 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다. 이는 호스트 마이크로컨트롤러(MCU)의 충전 작업의 부담을 줄이는 추가적인 이점을 제공한다. 이제 호스트 MCU는 배터리 팩에서 오는 ALRT 신호만 관리하여 수신된 경보 유형에 따라 스텝다운 컨버터의 출력 전압을 증가 또는 감소시키면 된다.

CP: 열 제한 → 전압을 낮춘다.

CT: MOSFET 온도 제한 → 전압을 낮춘다.

Dropout: → 전압을 높인다.

CP는 보호 MOSFET에 흐르는 전류가 열 방출을 저하시킬 수 있을 때 설정되는 플래그이며, CT는 MOSFET 온도가 너무 높을 때 설정되는 플래그이다. 열 제한 및 MOSFET 제한 설정은 nChgCfg1 레지스터 세트를 사용하여 설정된다.

MAX20743과 같은 프로그래밍 가능한 스텝다운 컨버터는 PMBus^® 를 사용하여 출력 전류를 세밀하게 조절할 수 있다. 스텝다운 컨버터에 통합된 MOSFET은 최대 10A 충전 전류를 지원한다. 또한 PMBus는 I²C 를 물리 계층으로 사용하므로 단일 I²C버스를 사용하여 스텝다운 컨버터와 연료 게이지를 모두 관리할 수 있다.

다음 보기는 단일 3.6V 리튬 셀을 충전하는 방법을 보여준다. 그림 5는 충전 시스템의 전압과 전류의 시간 영역 형태를 보여준다. 특히 그래프는 벅 컨버터의 배터리 전압, 배터리 전류 및 출력 전압을 보여준다.

Figure 5. A single cell fast charging for a 3.6 V lithium cell. — 그림 5. 3.6V 리튬 셀을 위한 단일 셀 고속 충전

그림에서 보듯이 스텝다운 컨버터 출력 (V_PCK)은 배터리 전압보다 50mV 높게 설정되어 있다. 이 출력 전압은 드롭아웃을 방지하고 전체 전력 소모를 최소화하기 위해 지속적으로 증가한다.

배터리 안전 관리

고속 충전에는 고전류가 포함되므로 OEM은 안전한 충전을 보장할 수 있어야 한다. 이에 따라 스마트한 고속 충전기는 전체 배터리 관리의 일부로서 여러 가지 중요한 파라미터를 모니터링해야 한다. 예를 들어 고속 충전기는 배터리 온도와 주변/실내 온도를 모니터링함으로써 셀 제조회사의 규격 및 권장사항에 따라 언제 충전 전류를 감소시키고 종단 전압을 낮춰야 할지를 결정해 안전을 보장하고 배터리 수명을 향상시킬 수 있다.

전압과 전류는 6구간 JEITA 온도 설정(그림 6) 및 배터리 전압에 기반한 3구간 단계별 충전을 준수하여 온도에 따라 조정할 수 있다.

Figure 6. Six-zone JEITA temperature ranges. — 그림 6. 6구간 JEITA 온도 범위

배터리 전압에 따라 충전 전류를 변경하는 단계별 충전 프로파일을 사용하여 배터리 수명을 더욱 향상시킬 수 있다. 그림 7은 3가지 충전 전압과 그에 대응하는 3가지 충전 전류를 사용하는 단계별 충전 프로파일을 보여준다. 단계 간 전환은 상태 머신(state machine)을 통해 관리할 수 있다(그림 7).

림 7. 단계 간 전환을 관리하는 상태기를 통한 단계별 충전 프로파일

전류, 전압 및 온도는 모두 상호 연관되어 있다(표 1, 2).

병렬 충전

여러 셀을 병렬로 충전하는 데에는 추가적인 관리가 필요하다. 예를 들어 2개의 배터리 전압이 400mV 이상 차이가 날 때 충전기는 교차 충전을 방지해야 한다. 교차 충전은 최저 셀 충전량이 너무 낮아 시스템 부하를 지원할 수 없는 경우에만 제한된 시간 동안 허용될 수 있다(표 3 및 그림 8).

표 1. 단계별 충전 및 JEITA에 따른 충전 전류
온도	초저온 (<0°C)	저온 (0°C to 10°C)	실온 (10°C to 40°C)	온열 (40°C to 45°C)	고온 (45°C to 55°C)	초고온 (>55°C)
2단계	충전 안 함	0.19C	0.25C	0.22C	0.15C	충전 안 함
1단계	충전 안 함	0.38C	0.5C	0.44C	0.31C	충전 안 함
0단계	충전 안 함	0.75C	1C	0.88C	0.625C	충전 안 함

표 2. 단계별 충전 및 JEITA에 따른 충전 전압
온도	초저온 (<0°C)	저온 (0°C to 10°C)	실온 (10°C to 40°C)	온열 (40°C to 45°C)	고온 (45°C to 55°C)	초고온 (>55°C)
2단계	충전 안 함	4.14 V	4.2 V	4.18 V	4.16 V	충전 안 함
1단계	충전 안 함	4.1 V	4.16 V	4.14 V	4.12 V	충전 안 함
0단계	충전 안 함	4.06 V	4.12 V	4.1 V	4.08 V	충전 안 함

표 3. FET 로직의 관리
PAREN	BLOCKDIS	ALLOWCHGB	CHG FET	DIS FET
0	×	×	정상	정상
1	0	0	정상	정상
1	0	1 (타임아웃)	차단 준비	정상
1	1	0	정상	차단 준비
1	1	1 (타임아웃)	차단 준비	정상

Figure 8. To prevent cross charging, discharge on the higher voltage battery is blocked when the battery ΔV >400 mV. — 그림 8. 교차 충전을 방지하기 위해 배터리 ΔV > 400mV일 때 더 높은 전압 배터리의 방전이 차단된다.

결론

충전 및 연료 게이지 기능을 호스트 측에서 배터리 팩으로 옮기면 1S2P 구성으로 각 배터리를 개별 제어할 수 있다. 호스트 MCU가 충전을 전적으로 관리하지 않아도 스마트 충전기 자체가 최적의 충전 프로파일에 따라 자체적인 출력을 관리할 수 있다. 호스트 측의 관리는 연료 게이지에 의해 발생하는 ALRT 신호를 관리하는 데 한정되므로 시스템은 다양한 배터리 팩에 쉽게 적응할 수 있다.

또한 스마트 충전기는 교차 충전을 방지하기 위해 필요 시 충전과 방전을 차단할 수 있다. 이 방법은 배터리 불일치를 고려하지 않는 일반적인 고속 충전 시스템의 유연성을 높여준다. 이를 통해 설계와 전체 충전 과정을 단순화하는 것 외에도, OEM은 다양한 애플리케이션에서 전력 소모를 최소화하고 안전한 충전 및 방전을 보장하는 동시에 더 빠른 배터리 충전으로 사용자 경험을 향상시킬 수 있다.

2부에서는 평가 키트와 라즈베리 파이 보드를 사용하여 병렬 배터리를 고속 충전하는 시스템을 살펴본다.

저자 소개

프랑코 콘타디니(Franco Contadini)는 전자 업계에서 35년 이상의 경력을 갖고 있다. 10년간 보드 및 ASIC 설계 엔지니어로서 근무한 후 산업, 통신, 의료 분야 고객을 지원하는 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)가 되어 전력 및 배터리 관리, 신호 체인, 암호화 그래픽 시스템 및 마이크로컨트롤러에 주력하고 있다. 신호 체인 및 전력에 관한 여러 애플리케이션 노트와 글을 작성했다. 이탈리아 제노바의 ITIS에서 전자공학을 전공했다.

알레산드로 레오나르디(Alessandro Leonardi)는 밀라노에 있는 아나로그디바이스의 어카운트 매니저이다. 밀라노 공과대학에서 전자공학을 전공하고 학사 및 석사 학위를 받았다. 졸업 후 ADI의 필드 애플리케이션 연수생 프로그램에 참여했다.