NE-Korea 저렴한 가격, 소형화, 경량화는 모든 휴대용 전자 시스템이 표방하고 있는 가치들이다. 맥심(Maxim)의 PMIC(Power Management IC)는 다양한 온 보드 서브시스템을 위한 전원뿐만 아니라 충전기를 내장해야 하는 시스템을 설계할 때 시스템 설계자가 필요로 하는 모든 기능을 제공한다. 이 칩은 USB 포트의 전원 핀이나 외부 AC-DC 전원 어댑터로부터 충전 전력을 가져올 수 있다. PMIC는 배터리 충전 기능 외에도 여러 개의 레귤레이트된 출력을 제공하는 5개의 독립적인 온 칩 레귤레이터와 USB 및 DC 입력을 위한 과전압 보호 전원 스위치를 내장하고 있다(그림 1). 이처럼 다양한 기능의 결합으로 시스템 설계자는 이미 과부하 상태인 회로 보드에 탑재되는 부품 수를 줄일 수 있다(삽입 사진 참조).
이와 같은 솔루션을 통해 설계자는 소매 패키지에 AC-DC 전원 블럭을 포함시키지 않아도 되며, 애프터마켓 옵션으로 파워 브릭을 제공할 수 있다. 이는 소매 패키지의 크기와 무게를 줄일 뿐 아니라, 제조업체는 출하 상자에 더 많은 유닛을 담을 수 있어 유통 비용을 줄일 수 있다. 또한 제조업체들은 USB 케이블만 포함하여 제품을 출하할 수도 있다. 사용자는 모든 컴퓨터 USB 포트에서 제품을 충전할 수 있으며, 선택적으로 현재 대부분의 전자제품 상가에서 판매하고 있는 AC-DC 파워 브릭이나 최신 AC-USB 전원 어댑터를 구입할 수 있다.
맥심의 PMIC에는 여러 기능들이 통합되어 있어 다양한 애플리케이션을 처리할 수 있다. 이 칩은 내장된 5개의 독립적인 전압 레귤레이터(최대 96% 효율을 갖는 2MHz 스위치 모드 스텝다운 레귤레이터 3개와 낮은 무부하 전류의 선형 레귤레이터 2개)를 이용해 여러 서브시스템에 효율적으로 전력을 공급한다. 또한 전원 스위치가 있는 리튬 이온 충전기는 배터리 충전과 전력 분배를 관리한다.
높은 통합 수준
PMIC에는 DC/USB 입력 과전압 보호, 단일 셀 리튬 이온(Li+) 배터리 충전 기능 및 배터리와 외부 전원 간의 부하 스위칭에 필요한 모든 전원 스위치가 내장되어 있다. 이렇게 스위치와 레귤레이터가 통합되어 있어 외부 MOSFET을 비롯한 전압 검출기, 전류 감지 저항, 비교기, 타이머 및 그밖에 다른 개별 부품들을 전원 핸드오프 회로에 복잡하게 배치할 필요가 없다. 그 결과 필요한 부품 수와 보드 공간을 절감하고 시스템 비용과 무게를 줄일 수 있다.
온 칩 레귤레이터의 높은 효율은 전력 손실을 최소화하고 배터리 수명을 극대화한다. 레귤레이터는 높은 부하에서 동작할 때 높은 효율을 제공하도록 설계되어 있지만 낮은 부하에서도 효율적으로 동작하므로 배터리 수명을 더욱 연장시켜 준다. 서브시스템 기능은 수백 밀리암페어의 피크 부하를 가질 수 있지만 대부분은 이보다 훨씬 적은 부하를 사용하기 때문이다.
많은 휴대용 시스템은 제품 수명의 대부분을 '수면' 상태에서 지낸다. 따라서 완전 부하(90% 이상)에서는 높은 효율을 갖지만 아이들 상태(60% 미만)에서 훨씬 낮은 효율을 제공하는 레귤레이터는 낮은 부하에서 높은 효율을 유지하는 레귤레이터보다 배터리 소모가 훨씬 빠르다. 맥심의 이 PMIC는 높은 부하 범위에서 최대 96% 효율을 제공하고(시스템 부하에 최대 425mA 공급), 단 1mA의 낮은 부하에서도 최대 85%의 효율을 유지함으로써 이러한 문제를 해결한다.
맥심의 설계자들은 1.7~5.5V 입력 전압 범위에서 동작하는 LDO(Low Dropout) 전압 레귤레이터를 개발했다. 이는 LDO가 온 칩 스텝다운 레귤레이터 중 하나로부터 전력을 공급받을 때, 시스템 설계자들이 더 많은 설계 유연성과 추가적인 전력 절감 효과를 누릴 수 있게 해준다.
내장된 충전기로 충전 사이클 관리
그림 2에서 보듯이 칩의 듀얼 입력 충전기 부분은 DC USB 전원 소스 또는 일반적인 AC-DC 파워 브릭을 받아들인다. 이와 함께 내장된 스마트 파워 셀렉터(Smart Power Selector) 기술과 충전 사이클을 관리하는 상태 제어 로직을 사용하여 모든 충전 제어 기능을 수행한다. 이러한 특성에 힘 입어 이 칩은 스마트폰, PDA, 휴대용 미디어 플레이어, GPS 내비게이션 장치, 디지털 카메라, 디지털 비디오 카메라와 같은 휴대용 애플리케이션에 적합하다.
배터리 충전기는 유효한 DC 또는 USB 입력을 사용하여 충전기가 동작 상태가 될 때 충전 사이클을 시작한다. 충전기는 먼저 배터리 전압을 확인하여 배터리 전압이 PQ (Prequalification) 임계값(3.0V) 미만인지 확인한다. 그런 경우 충전기가 PQ 모드로 전환하여 완전 방전되어 있는 동안 배터리가 설정된 최대 고속 충전 전류의 10%를 충전하도록 한다. 배터리 전압이 3.0V 이상으로 상승하면 충전기는 고속 충전 모드로 전환하여 최대 충전 전류를 인가한다.
충전이 계속되면 배터리 전압은 배터리 레귤레이션 전압(BVSET으로 선택)에 도달할 때까지 상승하며, 이 지점에서 충전 전류는 점차 줄어들기 시작한다. 충전 전류가 설정된 최대 고속 충전 전류의 4%까지 감소하면 충전기는 짧은 톱 오프(Top-off) 상태로 전환되고 충전이 중지된다. 충전이 중지된 후 배터리 전압이 배터리 레귤레이션 전압에서 120mV 이하로 떨어지면 충전이 다시 시작되고 타이머가 리셋된다.
배터리 충전률은 배터리 전압, USB/DC 입력 전류 제한, 충전 설정 저항, RCISET, 시스템 부하(ISYS) 및 다이 온도와 같은 여러 요소에 의해 결정된다. 또한, 입력 과부하를 방지하기 위해 충전 전류를 자동으로 감소시킬 뿐 아니라 열 레귤레이션 시 충전 전류를 감소시킬 수 있다.
USB 포트에서 전력 끌어오기
맥심 PMIC의 USB 핀은 시스템 출력 핀(SYS)에 최대 500mA를 공급하는 전류 제한 전원 입력이다. USB를 SYS에 연결하는 전류 제한 스위치는 강하 전압에서도 동작하도록 설계된 선형 레귤레이터이다. 이 선형 레귤레이터는 SYS 전압이 5.3V를 넘지 않도록 조절한다. USB 핀은 일반적으로 USB 인터페이스의 VBUS 라인에 연결된다. USB 입력은 PEN2 (Power Enable2) 핀 및 USUS(USB Suspend) 디지털 제어 입력을 사용하여 3개 전류 제한 중 하나로 설정할 수 있다. USB를 위한 동작 전압 범위는 4.1~6.6V이지만 입력은 최대 14V까지 손상 없이 견딜 수 있다.
USB 입력 전압이 저전압 임계값(VUSBL, 4V 일반) 미만이면 유효하지 않은 상태로 간주되어 전원이 차단된다. 마찬가지로 USB 전압이 과전압 임계값(VUSBH, 6.9V 일반)보다 높은 경우에도, 그리고 USB 전압이 배터리 전압 미만일 때에도 유효하지 않은 상태로 간주되어 전원이 차단된다. USB 입력의 USB 전류 제한 규격을 지원하기 위해, PEN2 및 USUS를 구동하여 3개의 내부적으로 설정되는 USB 관련 전류 제한 중에서 선택할 수 있다. 즉 저전력 USB 모드를 위한 100mA, 고전력 USB 모드를 위한 500mA, 또는 USB 서스펜드 모드 및 구성되지 않은 OTG(On-the-go) 모드용으로 USB 전류를 0.11mA(일반)으로 낮춰주는 서스펜드 모드를 선택할 수 있다.
USB 2.0 규격을 준수하기 위해, 각각의 디바이스는 초기에 저전력으로 구성해야 한다. USB 이뉴머레이션 후 이 디바이스는 USB 호스트로부터 허가가 주어지면 저전력에서 고전력으로 스위칭할 수 있다. 이 PMIC는 이뉴머레이션(Enumeration)을 수행하지 않지만, 대신 시스템은 USB 호스트와 통신하여 PEN1, PEN2, USUS 입력을 통해 이 칩에 명령을 전송한다. 부하가 입력 전류 제한을 초과하면 SYS는 BAT에서 82mV 미만으로 떨어지고 배터리는 보충 부하 전류를 공급한다.
다이 온도가 +100℃를 초과하면 MAX8671X PMIC는 USB 전류 제한을 5%/℃ 감소시킨다. 시스템 부하(ISYS)는 충전기 전류보다 우선하므로 먼저 충전 전류를 감소시켜 입력 전류를 낮춘다. 충전 전류를 감소시켜도 접합부 온도가 +120℃에 도달하면 입력 전류는 더 이상 소비되지 않으며 배터리로부터 시스템 부하가 공급되고 SYS는 BAT에서 82mV 미만에서 레귤레이트된다. 이러한 온 칩 열 제한 회로는 서미스터 입력(THM)과 무관하게 독립적으로 동작하므로 보통 외부 서미스터를 사용하여 열 조건을 모니터링한다. USB 전원 입력이 필요하지 않으면 USB를 접지에 연결하거나 분리한 채 두고 DC와 USB 입력에 모두 전력을 공급할 때에는 DC 입력이 우선순위를 갖는다.
맥심 PMIC인 MAX8671X 스마트 파워 셀렉터는 외부 입력과 배터리, 시스템 부하 간에 원활하게 전력을 분배한다(그림 3). 이 셀렉터는 다음과 같은 동작을 수행한다:
- 외부 전원(USB 또는 AC 어댑터)과 배터리가 모두 연결되어 있을 때 시스템(SYS) 부하 전류가 선택된 입력 전류 제한보다 낮으면 배터리는 시스템에서 사용하지 않는 가용 전류로 충전된다. 시스템 부하가 입력 전류 제한을 초과하면 배터리는 부하에 전류를 보충하여 공급한다.
- 배터리가 연결되어 있고 외부 전원이 없을 때 시스템은 배터리로부터 전력을 공급받는다.
- 외부 전원이 연결되어 있고 배터리가 없을 때 시스템은 외부 전원 입력으로부터 전력을 공급받는다.
일부 경우 피크 시스템 부하를 공급하기에 어댑터 또는 USB 전류가 충분하지 않을 수 있다. 이러한 상황을 해결하기 위해 MAX8671X 스마트 파워 셀렉터 회로는 AC 어댑터나 USB 소스로부터 배터리와 시스템 부하로 유연한 전력 분배를 제공한다. 배터리는 시스템 부하에서 사용되지 않는 가용 전력으로 충전된다. 시스템 부하 피크가 입력 전류 제한을 초과하면 배터리로부터 보충 전류를 가져온다. DC 또는 USB 입력에서 사용 가능한 전원 소스가 없을 때 낮은 RDSON을 갖는 내장된 MOSFET이 SYS 핀에 배터리를 라우팅하여 부하에 전력을 공급한다. 유효한 외부 소스가 검출되면 이 스위치는 자동으로 배터리 충전 스위치 역할을 한다.
또한 SYS-BAT 스위치는 시스템 부하가 입력 제한 전류를 초과하면 SYS 전력을 유지한다. 이러한 상황이 발생하면 배터리가 SYS 출력 핀에 추가 부하 전류를 공급할 수 있도록 SYS-BAT 스위치가 켜진다. 시스템 부하가 지속적으로 입력 전류 제한을 초과하면 외부 전원이 연결되어 있을 때에도 배터리를 충전하지 않는다. 보통 높은 부하는 짧은 피크에서만 발생하기 때문에 대부분 이러한 상황은 발생하지 않는다. 이러한 피크 동안 배터리 에너지가 사용되지만 그 밖의 다른 모든 경우에는 배터리가 충전된다.
열 제한 회로는 배터리 충전률과 외부 전원 소스 전류를 감소시켜 MAX8671X의 과열을 방지한다. DC 입력의 전류 제한은 최대 1A까지 조정 가능하며 DC와 USB 입력은 모두 100mA, 500mA, USB 서스펜드 모드를 지원한다. 충전 전류는 최대 1A까지 조정할 수 있어 넓은 범위의 배터리 용량을 지원할 수 있다. 이 디바이스는 열 레귤레이션, 과전압 보호, 충전 상태 및 오류 출력, Power-OK 모니터, 배터리 서미스터 모니터, 충전 타이머와 같은 기능을 내장하고 있다. 따라서 외부 스위칭 부품이나 충전 관리를 위한 마이크로컨트롤러가 필요 없으므로 비용을 줄이는 데 도움이 된다. 또한 시스템 소프트웨어 문제가 충전이나 전력 관리에 영향을 미치지 않기 때문에 시스템과 배터리 신뢰성도 향상된다.
배터리 충전 외에, MAX8671X는 SYS 출력을 통해 시스템에 전력을 공급하고 5개의 온 칩 레귤레이터를 통해 추가적인 다중 전압을 공급한다. 충전 전류는 SYS에서도 공급되므로 설정된 입력 전류 제한이 전체 SYS 전류를 제한한다. 전체 SYS 전류는 시스템 부하 전류와 배터리 충전 전류의 합이다. SYS는 DC 입력 핀이나 USB 입력 핀으로부터 전력을 공급받는다. DC와 USB 소스가 모두 연결되어 있을 때에는 DC 소스가 우선적으로 사용된다. 설계자는 또한 MAX8671X에서 USB 및 AC 어댑터 전원에 대한 개별 입력을 사용하거나 두 가지를 모두 받아들이는 단일 입력을 선택적으로 사용할 수 있다. 로직 입력 PEN1 및 PEN2는 듀얼 입력 또는 단일 입력 동작에 따라 적절한 전류 제한을 선택한다.
3개의 가변 스위칭 레귤레이터(REG1, REG2, REG3)는 각각 최대 425mA를 공급할 수 있다. 이들 레귤레이터는 2MHz의 스위칭 주파수에서 동작하여 필요한 인덕터 크기를 최소화할 수 있다. 외부 저항은 각 레귤레이터의 출력 전압을 설정하는 데 사용된다. 나머지 2개의 선형 레귤레이터(REG4 및 REG5)는 부하에 최대 150mA를 공급할 수 있다. REG5는 시스템의 USB 트랜시버 회로에 전력을 공급하도록 설계되었으며 USB 전원이 사용 가능할 때만 동작한다. REG4는 DC나 USB 소스로부터 사용 가능한 전원이 없을 때 배터리로부터 전력을 공급 받는다.
메디 코탄(Mehdy Khotan) 비즈니스 디렉터｜맥심 인테그레이티드 프러덕츠
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