( 01 Oct 2009 )
글/ 파비앙 프랑(Fabien Franc), 온 세미컨덕터
배터리에 사용되는 휴대용 장치에는 메가픽셀 카메라폰에서 활용되는 고강도 플래시나 휴대폰의 데이터를 전송 때 필요한 높은 정점의 전류펄스가 공급되어야 한다. 비상용 플래시를 포함하고 있는 휴대용 기기의 경우 배터리로부터 높은 전류가 직접 인가될 때 일차적 원인인 직렬저항으로 인해 터미널 전압이 순간적으로 떨어지는데, 이를 보완하기 위해 높은 정점의 전류펄스가 필요한 것이다. 이처럼 중요한 정점전류를 오늘날에는 배터리가 아닌 새로운 전자회로와 결합된 초대형 커패시터를 통해 공급할 수 있게 됐다. 따라서 휴대용 장치에 더 많은 기능을 설계할 수 있게 된 것은 물론 배터리의 수명도 연장할 수 있는 길이 열렸다.
이 글에서는 리튬이온 배터리에 적용되는 고전류의 과도부하와 시스템 운용에 대한 영향을 살펴 보는데, 휴대폰 800mAh 리튬이온 배터리 팩을 사용하고 100ms 동안 2A 전류부하를 적용한다는 것을 알아두기 바란다. 보통 배터리의 터미널 전압은 배터리의 RESR 및 전류와 비례하는 VESR을 나타내는 것으로, VESR = RESR × I이다.(그림 1)
2A 펄스로 인해 공급전압이 처음에는 4V에서 3.7V로 감소하고 100ms 후에는 3.6V로 감소한다. 부하펄스가 정지하면 바로 배터리 전압이 원래의 최초전압으로 되돌아간다. 이 예에 따르면 배터리의 내부저항은 RESR = VESR / I = 0.3V / 2A = 0.15로 산출된다. 일반적으로 휴대폰은 공급전압이 한계값 3.3V 이하로 감소할 때마다 정지모드에 들어가기 때문에 배터리 전압이 3.5V 이하로 감소하면 이와 같은 부하 이벤트로 인해 배터리가 완전히 방전된 것처럼 시스템은 정지된다.
배터리가 방전됨에 따라 최대로 허용되는 부하전류는 감소되지만 일반적으로 리튬이온 배터리에서는 시간이 지남에 따라 내부저항은 증가한다. 각 배터리 팩에는 전압이 부족할 때 과도전류가 감지되면 배터리 터미널을 외부와 격리시키는 보호회로를 비롯해 리튬셀이 있는데, 이 기능은 배터리 손상을 방지하고 사용자를 보호하기 위한 용도이다. 리튬이온 배터리는 니켈메탈 하이브리드 및 니켈카트뮴 같은 다른 충전 가능한 화학제품보다 내부저항이 높다. 내부저항의 증가는 부하가 걸릴 때 터미널의 전압을 급강하시키는 동시에 그로부터 인출될 수 있는 최대전류를 감소시키는 원인이 된다. 이와 같은 한계를 피하기 위해서는 수퍼커패시터(Supercapacitor)로 불리는 대형 커패시터를 사용할 수 있다. 수퍼커패시터는 수백 마이크로패럿(Microfarad) 뿐 아니라 낮은 ESR을 가지고 있어 정점일 때에도 부하를 공급할 수 있다.
수퍼커패시터는 일반적으로 낮은 연속전류에 의해 사전에 미리 충전되고 약 5V의 공칭전압에 도달할 수 있다. 커패시터 전압이 높으면 전하(Q)가 전압과 커패시터 용량(C)의 곱과 동일하기 때문에 더 오랜 시간 동안 부하를 공급하게 된다. 대형 커패시터를 직접 배터리에 연결하면 극도로 높은 돌입전류를 초래할 수 있다. 제한적으로 제어된 충전전류와 정확한 최종전압을 보장하기 위해서는 충전기 전용의 IC를 사용할 수 있는데, 이 때 수퍼커패시터에 유입되는 배터리 전류는 20mA와 500mA 사이 또는 그 이상으로 조절될 수 있다. 낮은 충전전류의 단점은 충전 시간이 길어진다는 것이다.
파워 LED 플래시에 수퍼커패시터 사용
높은 정점전류는 여러 암페어 전류가 100ms의 짧은 시간 동안 지속되는 카메라 LED 플래시에 일반적으로 적용된다. 수퍼커패시터는 LED에 동력을 공급하기 위한 전하를 저장하는 저장소로 사용된다. LED 드라이버는 플래시가 동작할 때 전류를 일정하게 조절할 수 있다. 수퍼커패시터 충전기와 LED 드라이버의 두 기능은 그림 2에서 보는 바와 같은 온 세미컨덕터(ON Semiconductor)의 싱글 디바이스인 CAT3224에 통합되어 있다.
수퍼커패시터는 최대 5.4V까지 사전에 충전되어 일반적인 순방향 전압 3.3V로 백색 LED를 구동하기 위한 충분한 여유를 제공하며, 부분별 편차도 허용한다. 리튬이온 배터리 전압은 방전일 때 4.2V에서 3.3V까지의 범위에 이르기 때문에 전압을 높이고 커패시터를 공칭전압까지 충전하기 위한 승압 컨버터가 필요하다. CAT3224의 1x/2x 모드 충전펌프는 1x 선형모드에서 시작되고 커패시터 전압이 증가하여 배터리 전압에 접근함에 따라 2x 모드로 전이된다. 충전기의 입력전류는 외부 레지스터에 의해 설정된 최대 입력의 전류한계를 초과할 수 없기 때문에 배터리와 공급레일의 순간적인 전압강하를 방지한다. 1x 모드에서는 입력전류가 근본적으로 수퍼커패시터를 충전하는 전류와 동일하고 2x 모드에서는 전압이 충전펌프에서 두 배가 되기 때문에 수퍼커패시터의 입력전류는 절반이 된다. LED 전류가 조절되는 경우에 최대 TFLASH는 최초 CAP 전압, 커패시터 용량 C, LED 순방향 전압 및 LED 플래시 전류설정에 따라 결정된다. DVCAP이 방전으로 인한 커패시터 전압의 감소량인 경우에 총 LED 전류는 IOUT = C x DVCAP / TFLASH와 동일한 것을 알 수 있다.
또한 CAT3224는 LED 플래시를 충전하는 동시에 구동할 수 있다. 아래의 공식에서는 충전기의 고장이라는 최악의 경우를 고려했다. VCAP이 최초 CAP 전압이고(일반적으로 5.2V), VF가 LED 순방향 전압이며, IOUT이 CAP 총 출력전류이고, RCAP-ESR이 수퍼커패시터 ESR이고, RLEDAB가 CAT3224 전류원의 복귀저항인 경우에 커패시터 전기용량은 다음과 같이 산출할 수 있다.
이 공식에서는 상호접속의 기생저항을 무시할 수 있다고 가정한다. 예를 들면 3.1V VF 및 동작시간 100ms, 최초 CAP 전압 5.2V와 병행하여 4 Luxeon Rebel LED를 사용하는 4A 플래시의 경우에 권장 커패시터 용량은 아래와 같다.
4A 플래시를 지원하려면 전압정격 5.5V와 85m의 낮은 ESR과 함께 CAP-XX에서 0.55F 수퍼커패시터 HS206F를 사용할 수 있다. 커패시터 방전 전이파형은 그림 3과 같다.
100ms 후 CAP 전압이 1V 감소하고 LED 전류원은 총 4A로 일정하게 유지된다. CAP 전압이 더욱 감소하면 채널이 LED 전류를 더 이상 일정하게 유지할 수 없고 전류가 점차 감소하는 시점에서 결국 LED 전류원이 복귀되기 시작한다. 이 커패시터는 직렬로 연결된 2개의 셀(각각의 정격 2.75V)이 내장돼 있다. CAT3224는 두 셀의 균형을 자동으로 제어하고 셀 터미널 사이를 관찰하여 각 셀의 전압이 총 커패시터 전압의 절반이 되도록 한다.(BAL) 또한 CAT3224는 수퍼커패시터가 완전히 충전된 경우에 마이크로 컨트롤러에 이를 통지하는 출력 플래그를 제공한다. 이 플래그는 마이크로 컨트롤러가 연속 플래시를 실행하기 전에 충전모드를 유지해야 하는지의 여부를 확인하는 데 유용하다. 2연속 플래시 이전의 충전시간은 충전전류 및 플래시 시간과 전류에 따라 결정된다. 드라이버가 항상 2x 모드에 있는 것으로 가정하면(최악의 사례) 충전시간은 아래와 같다.
여기에서 IOUT은 이전 펄스의 총 LED 전류이고, TFLASH는 플래시 시간이고, IIN은 입력전류이다. 예를 들어 충전전류 300mA의 60ms 및 4A 플래시 펄스의 재충전 시간은 다음과 같다.
CAT3224 드라이버는 한 면이 3mm×3mm인 소형 TQFN 패키지에 내장되어 있다. 솔루션으로는 0.6F(HS206)의 경우 39mm×17mm×2.4mm 크기의 수퍼커패시터가 요구되고, 0.4F(HW204)의 경우 더 작은 28.5mm×17.5mm×2.9mm 크기의 수퍼커패시터가 요구된다. 물론 온 세미컨덕터 외 TDK 같은 다른 커패시터 업체도 수퍼커패시터 장치를 개발하고 있다. 이로 인해 수퍼커패시터 기술이 향상되면 대규모의 과도부하가 요구되고 수명이 연장된 소형의 배터리를 사용할 수 있는 휴대용 기기에 커패시터의 채용은 더욱 증가할 것으로 기대된다.
==========
댓글 없음:
댓글 쓰기