파워 디자인
시스템 전원 공급과 동시에 배터리 충전이 가능한 단일 칩 bq2403x 전원 경로 매니저
게재:2008년12월17일
Jinrong Qian
Email: jqian@ti.com
Applications Manager
Battery Management Applications
Texas Instruments
리튬-이온 배터리는 중량 및 용적 기준의 에너지 밀도가 모두 높기 때문에 휴대형 기기에 널리 채택되고 있다. 스마트폰, PDA 및 MP3 플레이어와 같은 어플리케이션의 사용자들은 배터리 없이 입력 소스로부터 기기를 작동시킬 수 있길 원한다. 이것은 기기의 시스템 전력 및 배터리 충전을 위한 두 개의 별도 경로를 갖춘 소위 ‘전원 경로 관리(power-path management)’라는 전력 아키텍처를 필요로 한다.
동적 전원 경로 관리(DPPM, Dynamic power-path-management) 배터리 충전IC
가장 널리 쓰이고 있는 배터리 충전 및 시스템 전원공급 구성에서 시스템 부하는 배터리 충전IC의 출력과 직접적으로 연결되어 있다. 이 아키텍처는 간단하며 저렴하지만, 배터리 충전 전류의 컨트롤이 비효율적이기 때문에 불충분한 충전 종료와 잘못된 안전 타이머 경보를 유발할 수 있다.
bq2403x 제품군의 DPPM 배터리 충전IC는 시스템에 전원을 공급하는 동시에 배터리를 충전시킬 수 있는 전력 공유 기능을 갖추고 있다. 이로써 충전 종료 및 안전 타이머 문제가 해소되고 AC 어댑터 전력 정격이 최소화되며 시스템 신뢰성이 향상된다. 또한, 완전히 방전된 배터리를 충전시키는 동시에 시스템을 작동시킬 수 있다.
그림 1은 전원 경로 관리 배터리 충전IC의 간이 블록 다이어그램이다. AC 어댑터를 꽂으면, MOSFET Q1을 이용하여 최대 배터리 조절 전압 VBAT보다 높은 시스템 버스 전압 VOUT을 사전에 조절한다. 이로써 어댑터 입력에서 시스템에 이르는 직접적인 경로가 설정된다. MOSFET Q2는 배터리 충전에만 사용되므로, 배터리와 시스템 간에는 상호작용이 전혀 없다. USB가 있는 상태에서 이를 선택하면, MOSFET Q3가 완전히 작동되어 Q3 출력이 USB 출력과 거의 동일한 전압을 공급하며, MOSFET Q2는 배터리 충전을 컨트롤한다.
그림 1. 간이 전원 경로 관리 배터리 충전IC
DPPM은 시스템 버스 전압을 능동적으로 모니터링한다. 어댑터나 USB로부터 입력 전류의 양이 제한되어 시스템 버스 전압이 사전 설정치로 하강하면, 출력 전류의 하강이 멈출 때까지 배터리 충전 전류가 감소된다. DPPM 컨트롤은 시스템이 필요한 전류를 확보하고, 잔여 전류로 배터리가 충전되는 정상(steady-state) 상태에 도달하도록 시도한다. 이런 기능 때문에 시스템의 최대 피크 전력이 아닌 평균 전력에 기반하여 어댑터가 설계된다. 이로써 설계자는 더 적은 정격 전력과 저렴한 어댑터를 이용할 수 있다.
그림 2는 전형적인 DPPM 어플리케이션 회로를 보여준다. 시스템과 배터리 충전IC의 총 전류가 AC 어댑터나 USB의 전류 제한을 초과할 경우, 시스템 버스에 연결된 커패시터가 방전되기 시작하고 시스템 버스 전압이 하강하기 시작한다. 시스템 버스 전압이 DPPM 핀에 의해 사전 설정된 쓰레스홀드로 하강하면, 충전 전류가 감소되어 AC 어댑터의 과부하로 인한 시스템 고장을 방지한다.
그림 2. DPPM 배터리 충전IC
충전 전류가 0A로 감소되어도 시스템 버스 전압이 유지될 수 없을 경우, 배터리가 일시적으로 방전되어 시스템에 전원을 공급함으로써 시스템 고장을 방지한다. 이를 “배터리 보충 모드”라고 하며 DPPM 실험 파형과 더불어 그림 3에 나와있다.
그림 3. DPPM 실험 파형
DPPM 전압 쓰레스홀드 VDPPM 는 레지스터 R3으로 설정하며 일반적으로 OUT 핀에서의 조절 전압보다 낮게 설계하여 시스템 작동을 안전하게 유지한다. R3은 다음 식을 이용하여 구할 수 있다:
R1은 고속 충전 전류의 설정에 쓰이며 다음 식을 이용하여 구할 수 있다:
R2는 안전 타이머 값을 설정하기 위해 사용된다. 일반적으로 리튬 이온 배터리의 충전이 이루어질 수 있는 적정 온도는 0℃~45℃이다. RT1과 RT2는 여러 다른 온도 범위에 따라 프로그래밍된다.
배터리 충전IC는 PSEL 핀을 통해 AC 또는 USB 전력을 주 전력 소스로 선택할 수 있으며, 또한 USB 포트를 선택한 경우 ISET2를 통해 최대 전류를 선정할 수 있다.
세 개의 전력 MOSFET과 하나의 전원 컨트롤러가 3.5 x 4.5mm의 방열 QFN 패키지에 통합되어 있다. 열적 레귤레이션 루프는 충전 전류를 감소시켜 반도체 온도가 125℃ 이상에 이르는 것을 방지한다. 열적 레귤레이션이나 DPPM의 활성화로 충전 전류가 감소될 때마다, 안전 타이머 지속 시간이 자동으로 증가되어 예기치 않은 잘못된 안전 타이머 경보를 방지한다. DPPM이나 열 조절 루프가 활성화되면, 충전 종료 기능도 비활성화된다. 이 방식은 잘못된 충전 종료를 방지한다.
결론
DPPM은 제한된 입력 전류로 인하여 시스템 버스 전압이 사전 설정된 쓰레스홀드로 하강할 경우 배터리 충전 전류를 감소시키면서 시스템 부하에 전원을 공급한다. 또한 DPPM은 잘못된 충전 종료 및 잘못된 안전 타이머 경보와 같은 배터리와 시스템 간의 상호 작용 문제를 완전히 배제시킨다. DPPM 배터리 충전IC는 배터리 충전이 동시에 이루어지는 전원 시스템에 이상적이다.
본 기사는 에 있는 전자 엔지니어 기사에서 인쇄한 것입니다:
http://www.eetkorea.com/ART_8800556712_1103011_NT_d9c89f55.HTM
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