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충전 시스템 안전 향상시키는 배터리 차저 프론트 엔드 IC

게재:2008년11월13일

By Mao Ye
Applications Engineer
Battery Management Applications
Texas Instruments

개요

휴대전화와 같은 충전식 휴대형 기기는 지난 몇 년 사이에 사람들의 일상생활의 중요한 일부가 되었다. 많은 종류의 어댑터가 리튬이온 배터리를 충전하고 시스템에 전력을 공급하는데 사용되지만 어댑터의 전기적 사양은 일반적으로 제조업체마다 다르다. 이 때문에 시스템 설계자들은 서로 다른 어댑터를 사용할 때에도 안전하고 신뢰할 수 있는 휴대형 기기를 생산해야 하는 어려움을 갖는다. 이 글에서는 새로 출시된 배터리 차저 프론트 엔드(CFE) IC인 TI bq243xx를 살펴본다. 이 제품은 리튬이온 구동 시스템 충전의 안전을 향상시키도록 최적화되었다. 배터리 차저 IC와 배터리 팩의 보호 모듈과 함께 bq243xx CFE를 사용하는 충전 시스템은 보다 견고한 시스템 레벨 보호를 제공한다.

충전 시스템의 주요 안전 문제

충전 시스템은 입력 과전압, 입력 과전류, 배터리 과전압 또는 역 입력 전압으로 인해 손상될 수 있다.

입력 과전압은 어댑터를 핫 플러깅하거나 잘못된 어댑터를 사용할 때 또는 과도/안정 상태 과전압 조건에서 발생할 수 있다. 가장 흔한 경우는 충전 혹은 비조정되거나 부적합한 어댑터를 핫 플러깅했을 때, 또는 부하 과도 상태로부터 발생한다. 무부하 시 비조정된 어댑터는 어댑터의 출력 커패시터를 최고 정류 AC 전압까지, 정격 DC 전압의 약 1.4배를 충전할 수 있다. 이것은 종종 ‘저전압 프로세스’ (7V 프로세스) IC와 관련된 문제이다. 그림 1은 일반적인 조정 어댑터와 비조정 어댑터의 출력 전압을 비교하여 보여준다.

그림 1. 조정 및 비조정 어댑터 부하 라인

정전류 모드가 출력이나 배터리에 공급되는 전류의 양을 제한하므로 입력 과전류 문제는 스탠드얼론 차저와 관련된 문제는 아니다. 그러나 전력 경로 관리 부품의 경우에는 입력에서 시스템 버스 전압까지 직접 연결되기 때문에 과도한 전류 흐름으로부터 보호되지 않는 경우가 많다. 최근에는 이와 같은 전류 제한 모드에서 동작하는 어댑터의 안전을 우려하여 어댑터가 이러한 모드에 들어가지 않도록 하는 프로그래머블 입력 전류 제한 회로에 대한 요구가 있어왔다.

리튬 이온 및 리튬 폴리머 배터리 팩은 고온에서 과충전될 경우 "화재" 위험성이 있는 것으로 잘 알려져 있다. 과충전을 나타내는 핵심 표시는 과도한 셀 전압이다. 많은 제조업체들은 배터리 안전을 향상시키기 위해 배터리 과전압이 검출될 때 입력 전원소스를 제거해 주는 2차 레벨 과전압 보호 기능을 추가하고 있다.

범용 커넥터를 통해 역극성의 어댑터를 입력에 연결할 때 문제가 발생할 수 있다. 입력 역극성 보호 기능이 없는 경우 기판과 IC 간의 기생 다이오드가 포워드 바이어스되어 IC의 오동작이나 손상을 일으킬 수 있다. 그림 2는 입력 역극성 보호를 제공하는 두 가지 기본 방법을 보여준다. 첫 번째 방법은 다이오드를 입력과 직렬로 추가하여 역 전류를 차단하는 것이다. 그러나 이 방법은 전력 소모를 증가시킨다. 두 번째 방법은 low-r_DS(ON) MOSFET을 입력과 직렬로 사용하여 전력 소모를 최소화한다.

그림 2. 입력 전압 역극성 보호

배터리 차저 안전 향상시키는 CFE 솔루션

그림 3은 bq243xx CFE가 탑재된 배터리 충전 시스템을 위한 일반적인 회로를 보여준다. CFE는 높은 입력 전압을 저전압 차저와 시스템으로부터 절연시켜 입력 과전압으로부터 시스템을 보호한다. bq243xx 제품군은 돌입 전류를 방지하는 소프트 스타트 기능을 제공하며 입력 전류 조정 및 보호, 출력 전압 제한/조정 또는 배터리 과전압 보호 기능을 제공할 수 있다. 또 역극성 보호, 오류 상태 표시, 프로그래머블 입력 전류 제한 및 작동/ 억제 입력 전력을 위해 외부 FET를 구동하는 PGATE와 같은 옵션 기능을 제공한다.

그림 3. CFE가 탑재된 일반적인 어플리케이션 회로

그림 4는 입력 과전압에 대한 bq24314 CFE의 일반적인 반응을 보여준다. 입력 전압이 사전에 지정된 입력 과전압 쓰레스홀드에 도달하면 내부 MOSFET 스위치는 1μs 미만의 지연으로 즉시 꺼진다.

그림 4. 입력 과전압에 대한 bq24314의 보호 반응

시스템 부하가 입력 전류 제한을 초과하면, CFE는 입력 전류 조정 루프를 활성화시켜 CFE에 의해 설정된 최대 전류 제한을 제공한다. IC 버전에 따라 과전류 보호가 15번 활성화된 후 일정한 과전류 블랭킹 시간에 CFE는 MOSFET을 끄고 히컵 모드나 래치 모드에 들어갈 수 있다. 입력 과전류에 대한 bq24314의 일반적인 히컵(hiccip) 및 래치 반응은 그림 5에 나와 있다.

그림 5. 입력 과전류에 대한 bq24314의 보호 반응

배터리 팩 자체에 셀과 직렬로 연결된 보호 MOSFET을 끄는 셀 과전압 보호 기능이 있지만, CFE의 또 다른 중요한 기능으로 향상된 안전을 위한 배터리 2차 레벨 과전압 보호 기능이 있다. 배터리 차저나 보호 MOSFET의 오류로 인해 배터리가 과충전될 경우 CFE는 176μs 지연 시간으로 출력을 끄며 배터리가 과전압 상태를 벗어나면 복구된다. 배터리 과전압에 대한 bq24314 CFE의 일반적인 반응은 그림 6에 나와 있다.

그림 6. 배터리 과전압에 대한 bq24314의 보호 반응