리튬이온 배터리 충전기 원리 - lityum-ion baeteoli chungjeongi wonli

리튬 이온 2차 전지의 충전 제어 기술

리튬 이온 2차 전지는 체적당 에너지 밀도가 높고 휴대기기의 소형경량화와 장시간 동작의 양립을 실현하는 핵심 부품이라 할 수 있다.
한편, 그 에너지 밀도는 해마다 증가하고 있으며 화재 등 큰 사고로 연결될 정도의 크기가 되고 있다. 이와 관련, 본지에서는 리튬 이온 2차 전지의 기본적인 성질과 안전하게 사용할 수 있는 충전 방법, 최근의 충전 시스템에 대해 해설한다.

리튬 이온 전지 팩의 구조와 보안 기능

1. 과충전과 과방전은 화제로 이어진다
리튬 이온 2차 전지는 과충전, 과방전을 실행했을 때 전지 수명이 짧아진다. 또 전극에 금속 리튬이 석출되고 이것이 성장함에 따라 전지 내부에서 단락이 발생하여 발화하는 경우가 있다. 때문에 리튬 이온 2차 전지를 내부에 넣은 전지 팩에는 과충전, 과방전을 방지하는 보호 회로가 반드시 필요하다. 또, 리튬 이온 2차 전지를 충전할 때의 온도 범위도 0℃에서 45℃로 제한해야 한다.

2. 이중 삼중의 보안 기능 내장
사진 1에 나타난 것은 휴대전화에서 빼낸 리튬 이온 2차 전지를 내장한 전지 팩이다. 전원용 ＋단자와 －단자 이외에 온도 센서 단자가 있다. 사진 2에 나타난 것은 이 전지 팩의 내부이다.

▲ 사진 1. 리튬 이온 전지 팩의 외관

▲ 사진 2. 리튬 이온 전지 팩의 내부

그림 1과 같이 리튬 이온 전지 팩에는 과충전/과방전에서 전지를 보호하는 제어 IC와 온도 센서가 내장되어 있다.

▲ 그림 1. 리튬 이온 전지 팩의 내부 회로

보호 회로는 전지전압이 4.3V(완전 충전 시의 전지전압)를 넘으려고 할 경우 전류를 차단하여 충전전류의 흐름을 강제적으로 정지시킨다. 또, 방전 시 전지전압이 2.5V 미만이 되면 방전전류를 강제적으로 차단한다.
보호 회로가 동작하여 갑자기 전원이 끊어져버리면 시스템 동작에 큰 지장을 준다. 이러한 상태가 발생하지 않도록 대부분의 전지 팩은 전지전압이 3V 정도까지 저하될 경우 ‘전지 잔량이 적다’라고 시스템 측에 경고한다. 이 경고 신호를 받은 시스템은 데이터를 메모리 등에 저장하고 동작을 정지시킨다.
이와 같이 리튬 이온 전지 팩은 이중 삼중의 보안 기능을 갖고 있다. 특히 대용량 타입의 전지 팩에는,

· 대전류 방전에 의해 전지에 미치는 손상을 방지하기 위한 과전류 제한 기능을 갖고 있는 것

· 부하 단락 등에 의한 과전류를 검출했을 때나 회복 불능의 이상을 검출했을 때, 물리적으로 전지를 분리하는 특수한 퓨즈가 들어 있는 것

이 있다. 리튬 이온 2차 전지의 충전 회로는 전지를 과충전하지 않도록 고정밀도로 출력 전압을 제어하고 있다.
아키하바라의 부품 가게 등에서 판매되고 있는 리튬 이온 2차 전지 중에는 보호 회로를 내장하지 않은 것이 있다. 이들은 과충전이나 과방전이 일어날 수 있으므로 매우 위험하다. 사용할 때에는 반드시 보호 회로를 추가해야 한다.

완전 충전까지의 제어

1. 충전 시퀀스의 기본
일반적으로 리튬 이온 2차 전지는 어떤 온도 범위 내에서 다음과 같은 시퀀스로 충전한다.
① 프리차지
② 급속 충전(정전류 충전)
③ 정전압 충전
④ 완전충전판정
그림 2에 완전 방전 상태에서 완전 충전까지의 충전전류와 전지전압의 변화를 나타낸다. 초기 단계에는 작은 전류를 흘려 넣는다. 일정 전압에 도달했다면 일정한 크기의 전류에 의한 충전(정전류 충전)을 실행한다.

▲ 그림 2. 기존의 리튬 이온 2차 전지의 충전 시퀀스

이렇게 정전류에서 정전압으로 이동하는 제어 방식을 정전류정전압(CVCC : Constant Voltage Constant Current) 방식이
라고 하며 이와 같은 방식의 전원을 CVCC 전원이라고 한다.
완전 충전 근처까지 전지전압이 상승했다면 일정 전압으로 충전을 실행한다. 정전압 충전기간에는 전지의 내부 전압이 상승함에 따라 충전전류가 자연적으로 감소된다. 전류값이 일정 전류까지 감소했다면 ‘충전 완료’ 라고 판정하고 충전을 종료한다.

2. 실제 충전 제어 IC의 동작
(1) 모드 1 : 프리차지
충전을 시작하기 전에 먼저 충전 전의 전지전압을 측정하고, 전지가 2.9V 이하까지 방전되어 있을 경우 작은 전류로의 충전
을 실행한다. 이것을 프리차지라고 한다. 전지가 방전 상태로 있고 충전전압이 2.9V 미만으로 되어 있을 경우에는 전지의 내부임피던스가 높아져 있으므로 갑자기 큰 전류로 급속 충전을 시작하면 전지가 손상을 입고 수명이 단축될 가능성이 있다.
프리차지가 필요한 이유는 그 외에도 있다. 충전기가 리니어타입의 전원인 경우, 전압이 낮은 상태의 전지에서 대전류로 충전하려고 하면 충전기의 입력전압(어댑터의 출력전압)과 전지전압의 차이가 크기 때문에 리니어 전원의 전력제어 소자가 발열, 고온으로 된다. 예를 들면 5V 출력의 AC 어댑터에서 2.5V의 전지에 1A로 충전하면 리니어 전원은,

(5.0V－2.5V)×1A＝2.5W

를 소비한다. 2.5W를 방열하기 위해서는 히트싱크 등이 필요하며 충전기가 대형으로 된다.
프리차지 전류의 크기는, 예를 들면 ‘1/10C 이하’ 와 같은 식으로 규정되어 있다. 이 경우 1,000mAh의 전지에 대해 100mA 이하의 전류로 충전이 실행된다.
(2) 모드 2 : 급속 충전(정전류 충전)
프리차지에 따라 어느 정도까지 전지전압이 상승했다면 설정된 전류값으로 정전류에 의한 급속 충전이 시작된다.
충전전류는, 예를 들면 ‘0.5∼1C로 충전’ 등이라 규정되어 있다. 이것은 1,000mAh의 전지에 대해 500mA에서 1,000mA로 충전한다는 것을 의미한다.
정전류에 의한 대전류 충전은 전지 단자전압이 4.2V에 도달할 때까지 계속된다. 금속 충전이 종료된 시점에서 전지 용량의
6∼7할 정도는 충전이 끝나 있다.
최근, 이 최대 전류 제한이 ‘4C’ 등이라고 하는, 대전류 충전이 가능한 리튬 이온 2차 전지를 탑재한 기기가 시판되고 있다.
4C는 15분이면 완전 충전된다고 계산할 수 있다.
이러한 대전류로 충전하면 전지의 단자에 있어서 전압강하가 커지고 정전류 충전 모드의 기간이 짧아진다. 15분 정도의 충전이라도 용량의 반 정도는 충전되기 때문에 유저에는 좋다. 단, 1,000mAh의 전지를 4C로 충전하려면 충전기의 충전용량이 4A나 필요하므로 충전기의 사이즈가 커진다.
(3) 모드 3 : 전전압 충전
충전기의 출력전압이 4.2V에 달하면 정전류 충전 모드에서 정전압 충전 모드로 전환하고 충전기의 출력은 고정밀도로 제어
된 4.2V 정전압으로 된다. 이 충전 모드에서 충전전류 Ichg [A]는,

여기서 Vbat : 전지전압 [V], Rprt : 보호 회로 저항 [Ω], RBI : 전지 내부 임피던스 [Ω]
로 나타낸다. 이 식에서 알 수 있는 바와 같이, 전지전압 Vbat가 상승하는 만큼 충전전류 Ichg는 감소한다.
1) 4.2V±0.03V로 제어된다
이 모드에서 충전기의 출력전압(리튬 이온 2차 전지의 완전충전 전압)인 ‘4.2V’라는 전압에는 높은 정밀도가 요구된다.
전지 메이커의 사양서를 보면 ‘4.2V±0.03V/셀’ 등으로 기재되어 있다. 이것은 전압 정밀도 0.7%에 해당한다. 일반적인 기준전압원인 TL431A(텍사스 인스트루먼트)도 2.5V±0.055V이고 그 전압 정밀도는 2% 정도 밖에 안 된다. LT1004-2.5도 2.5V±0.02V이며 겨우 0.8%이다.
충전 회로의 출력전압을 설정하는 저항의 허용차도 1%는 문제 밖이며 더 고정밀도인 저항을 사용해야 한다.
오프셋 전압 등 회로에서 발생하는 오차뿐만 아니라 온도 드리프트 등의 오차가 누적되는 것을 고려한다면 0.7%라는 정밀
도를 달성하기 위해 0.2%급의 초고정밀도 기준전원(REF3025등)과 고정밀도 부품을 조합시켜야 한다. 이러한 요구를 만족시키는 충전 회로용 IC로는 bq24010(텍사스 인스트루먼트) 등이 있다. 이 출력전압 정밀도는 4.2V±0.5%이다.
(4) 모드 4 : 완전 충전 검출
1) 니켈 수소와 니카드는 충전전압의 저하를 검출한다
완전 충전됐는지의 여부는 그림 3에 나타난 바와 같이 완전충전 후의 전압 저하를 검출하는 것으로 알 수 있다. 이 검출 방
식을 ‘ΔV 방식’ 이라고 한다.

▲ 그림 3. 니켈 수소 2차 전지의 완전 충전 검출 방법 (완전 충전을 끝낸 곳의 전지전압 저하를 검출한다)

완전 충전을 검출했다면 타이머를 이용하여 0.1C 이하의 작은전류로 10시간 이상 걸려 완전 충전으로 하는 것이 일반적이다.
2) 충전전류가 0A에 가까워진 것을 검출한다
무부하 시의 전지전압이 4.20V로 됐다면 ‘완전 충전’ 이라고 판정할 수 있으므로 완전 충전 검출은 매우 간단한 것 같지만,
실제로는 그렇지 않다. 전술한 바와 같이, 대부분의 리튬 이온 2차 전지는 보호 회로나 온도 센서 등과 함께 패킹되어 있다. 그림 4에 리튬 이온 2차 전지 팩의 내부 블록을 나타낸다. 이 그림에서 알 수 있듯이, 전지 팩의 충전 경로에는 직렬로 접속된 2개의 MOSFET과 충전 회로 등이 있으며 전원 단자에서 본 내부임피던스는 낮지 않다. 이러한 저항분의 영향으로 충전전류가 흐르면 전지의 단자 전압이 상승하므로 충전과 동시에 내부에 있는 생전지부의 기전압을 정확하게 측정하기 힘들다.

▲ 그림 4. 전지 팩의 내부 저항은 작지 않다 (충전전류가 흐르면 단자전압이 상승하므로 충전하면서 내부 생전지의 기전압을 정확하게 측정할 수는 없다)

그러면 어떻게 해야 완전 충전을 판별할 수 있을까? 충전 모드3에서 출력전압 4.2V의 고정밀도 전원 회로로 정전압 충전하는 기간에는 완전 충전에 가까울수록 전지의 전압이 상승하고 있다. 이윽고 충전전류는 감소되고 내부 전지의 기전압이 전원 전압과 같아지며(완전 충전 상태에 도달하며) 충전전류는 0A로 된다. 즉, 충전전류를 모니터하여 0A에 가까워진 것을 검출하면 완전 충전에 도달했는지의 여부를 판정할 수 있다.
실제 충전 IC에서도 충전의 최후 방법으로 충전전류가 어떤일정값, 예를 들면 정전류 충전 시 전류값의 10%까지 감소한 시점에서 완전 충전이라 판단하여 충전을 종료시키고 있다.
(5) 단시간에 완전 충전하는 펄스 충전 방식
충전전류가 0A에 가까워졌다는 것을 검출하는 완전 충전 검출 방식은, 실제로 안전성도 높지만 충전전류가 자연스럽게 감
소하는 것을 기다리므로 정전압 충전(모드 3)에서 충전 완료까지 긴 시간을 필요로 한다. 이미 실용화된 펄스 충전 방식으로 이문제를 해결할 수 있으며, 펄스 충전에는 다양한 방식이 있다.
그림 5는 펄스 충전 방식의 충전기이며, 리튬 이온 2차 전지를 충전했을 때의 충전전류와 충전전압의 변화 모습을 나타내고
있다. 프리차지에서 정전류 충전까지는 CVCC 방식의 전원과 같이 동작한다. 정전류 충전이 끝난 후, CVCC 방식에서는 전지 단자 전압이 4.2V에 달한 시점에서 정전압 제어로 이행하여 충전전류가 자연스럽게 감소하는 것을 기다린다.

▲ 그림 5. 펄스 충전에 의한 고속 충전 모습 (정전류 충전 모드가 종료됐다면 펄스 형태의 정전류를 흘려넣으면서 전지전압을 모니터한다)

한편, 펄스 충전은 충전전류의 자연스러운 감소를 기다리지 않고 적극적으로 정전류에서 펄스전류를 흘려 넣는다. 이 때의
충전전류는 피크값이 정전류 충전일 때의 전류값과 같은 구형파형태의 전류이다. 완전 충전되었는지의 여부는 전류 펄스와 전류 펄스 사이의 충전 정지 기간에 전지전압을 조사하여 판정하고, 다음 펄스전류를 더할지의 여부를 결정한다. 이 방식이라면 단시간에 전지를 완전 충전 상태로 할 수 있다.
1) 과충전되지 않도록 제어해야 한다
CVCC 방식에서는 완전 충전 전압(4.2V) 이상의 전압을 가하지 않으므로 과충전되는 경우가 없다. 펄스 충전 방식은 단시간에 완전 충전할 수 있지만, 완전 충전 전압 이상의 전압이 가해지는 것을 허용하여 강제적으로 전류를 흘려 넣으므로 전지의스트레스가 크고 전지 수명이 짧아진다고 한다.
또 이 펄스 충전 방식은 완전 충전 판정을 어떻게 실행하는가가 매우 중요하다. 최종 충전 펄스를 가하기 전의 전지 상태를
모니터할 때, 펄스 1회분의 빈 용량이 있는지에 대해 판정을 잘못하면 1펄스분 과충전된다. 이렇게 판정 동작이 틀리는 충전기를 계속 사용할 경우, 완전 충전 시마다 과충전이 발생하므로 전지에 손상을 입히고 이 손상은 누적된다.
충전식 전지는 어떤 것이라도 사용 횟수가 증가하면 용량이 감소되거나 내부 임피던스가 증가된다. 펄스 충전 방식은 이러
한 전지의 경년 변화에 대응하여 충전전류와 완전 충전의 판정조건이 적당히 변경되도록 제어해야 한다.

본체에 충전 기능이 있는 기기의 충전 시스템

니켈 수소 2차 전지와 니카드 2차 전지는 기기에서 전지를 빼내 전용 충전기를 사용하여 충전하면서 사용하는 것이 일반적이다. 리튬 이온 2차 전지도 초기의 비디오 캠코더로 대표되는 바와 같이 전용 충전기를 사용하여 충전했었다.
최근에는 휴대전화와 같이 전지(특히 리튬 이온 2차 전지)를기기 내에 내장한 것이 늘어나고 있다. 이러한 기기는 전지를 교환하지 않고 본체를 충전 스탠드 등에 놓은 후 충전한다. 이러한타입의 휴대기기의 충전 시스템은 어떻게 되어 있을까.

1. 기존 충전 회로의 문제
(1) 전지를 교환하지 않는 휴대기기는 그 나름의 충전 제어를 필요로 한다
충전 전용기에 전지를 세트하여 충전하는 시스템의 경우, 충전기가 공급하는 전류는 전지의 충전에만 사용된다. 전술한 바
와 같이 충전기는 전지의 충전 상태만 모니터하고, 충전전류를 제어하면 되므로 충전 관리 기능은 심플하다.
한편, 충전 제어 기능을 기기 내부에 두고 AC 어댑터를 기기본체에 접속하여 내장된 전지를 충전하는 기기에서는 회로 동작용 전류를 공급하면서 충전도 실행할 수 있는 기능이 요구된다. 이러한 시스템에서는 나름대로의 충전 관리가 필요하다.
(2) 완전 충전 전 충전전류의 자연 감소를 검출하는 기존의충전 시스템은 사용할 수 없다
1) 충전이 멈추지 않는다
그림 6에 나타난 것은, 전지전압이 상승하여 충전전류가 감소하면 완전 충전이라 판정하는 제어 IC를 사용한 휴대기기의
충전 회로이다. 이 충전 회로는 부하 회로에도 전류가 흐를 경우, 그 출력전류가 I1＋I2로 된다. 회로전류 I2가 전지의 완전 충전검출전류보다 크면 아무리 시간이 흘러도 충전기의 출력전류가 감소하지 않으므로 완전 충전을 검출할 수 없다. 이러한 시스템에서는 전지가 완전 충전됐다는 것을 판단할 수 없고 충전 중의 LED 표시도 점등된 채로 있게 된다.

▲ 그림 6. 충전전류의 자연 감소로 완전 충전을 판정하는 충전 시스템에 회로를 연결하면 완전 충전을 검출할 수 없게 된다

2) 충전용 AC 어댑터를 연결해 사용하니 전지가 텅 비었다!?
충전이 길게 계속되는 경우는 없다. 왜냐면 충전 제어 IC의 대부분은 일정 시간 이상 경과하면 충전을 멈추는 과충전 방지용 타이머를 내장하고 있기 때문이다. 이 타이머 덕분에 어떤 트러블에 의해 과충전을 검출할 수 없는 경우에도 과충전을 방지할수 있다. 그러나 AC 어댑터를 접속한 채 기기를 동작시켰을 때 타이머가 동작하면 AC 어댑터에서의 전류 공급이 차단되고 내장 전지에서 회로로 전류가 공급된다. 이윽고 전지는 완전히 방전돼버리며 AC 어댑터를 연결하여 사용하고 있는데도 내장 전지가 텅 비어버린다.
2) 기존의 충전 시스템으로는 해결할 수 없다
이 문제는 충전 타이머를 정지시키거나 주기적으로 리셋함으로써 AC 어댑터로부터 공급이 끊어지지 않도록 하면 해결할 수 있을 것 같다. 그러나 보호 회로인 과충전 방지 타이머가 동작하지 않게 되므로 완전 충전 후에도 전지에 전압이 계속 가해져 전지가 과충전된다. 전지가 과전압 상태로 되면 전지 팩에 내장된 프로텍터가 전지와 시스템을 분리하지만, 전지의 수명에 영향을 미칠 가능성이 있다.

2. 먼저 떠오르는 해결책
(1) AC 어댑터의 삽입을 검출하여 전류 경로를 전환한다
이러한 문제는 그림 7과 같이 충전전류와 회로의 전류를 분리하면 해결할 수 있다.

▲ 그림 7. 스위치를 추가하여 충전전류와 회로의 전류를 분리하면 완전 충전을 검출할 수 있다 (AC 어댑터에 요구되는 전류 용량은 ‘충전전류의 최대값＋회로전류의 피크값’이다. 충전전류와 회로의 피크전류 모두 일시적인 것이므로, 이렇게 일시적으로 흐르는 큰 전류를 출력하기 위해 대용량의 대형 AC 어댑터를 사용하는 것은 아까운 일이다)

AC 어댑터가 기기에 접속된 것을 검출하고 전지와 회로를 스위치(SW1)로 분리, 회로가 필요로 하는 전류를 AC 어댑터에서
직접 공급한다. 전지는 제어 IC에서 충전한다.
이 경우, 회로 소비전류의 크기에 상관없이 완전 충전 검출과 전압 공급을 정지시킬 수 있다. 이 충전 시스템은 SW1이 전환될때 회로에 공급되는 전압이 변동된다. 회로 측의 입력부에 있는 DC-DC 컨버터에는,
· 입력전압이 변동해도 안정적으로 동작한다.
· 리튬 이온 2차 전지전압보다 높은 AC 어댑터의 출력전압에 견딘다.
· 입력전압이 높아짐에 따라 증가하는 발열에 견딘다.
등의 능력이 요구된다.
(2) 이 방식의 문제점
그림 7의 방식에서 필요한 AC 어댑터의 전류 용량은,

· 충전전류의 최대값
· 회로전류의 피크값
을 더한 것이다. 이렇게 되면 AC 어댑터의 사이즈가 커지는 것 뿐만 아니라 비용도 올라간다.

3. 완전 충전 검출과 AC 어댑터의 소형화를 양립한다
(1) 회로의 소비전류가 커졌을 때에는 전지에서 공급한다
그림 7에 나타난 AC 어댑터의 전류에 대해 스위치를 사용하여 회로와 전지로 배분하는 시스템은 완전 충전을 검출할 수 없
다는 전술한 문제를 해결해주지만 AC 어댑터의 형상이 커진다.
그림 8에 나타난 것은 AC 어댑터가 출력할 수 있는 전류가 회로전류의 피크값보다 작아도 부족한 부분을 전지가 공급하는
시스템이다.

▲ 그림 8. 회로전류가 피크로 되는 기간을 전지에서 보조하면 AC 어댑터를 작게 할 수 있다 (이러한 제어를 DPPM 제어라고 한다)

회로가 소비하는 전류의 피크는 평균값의 몇 배나 된다. 한편, 충전이 완료돼버리면 AC 어댑터는 충전을 위한 전류를 출력할 필요가 없다.
따라서 피크값에 맞춰 AC 어댑터를 설계하지 않고 피크값의 부족한 부분을 충전된 전지로 보충할 수 있다면 전류용량이 작
은 소형 AC 어댑터를 사용할 수 있다.
이와 같은 충전 제어법을 DPPM(Dynamic Power-PathManagement)이라고 한다. 이 방법은 전지가 완전히 방전됐을 경우 프리차지 기간동안 시스템을 기동할 수 없다.
(2) AC 어댑터의 소용량화가 가능한 이유
그림 9에 실제 DPPM형 충전 IC와 회로 및 AC 어댑터의 접속관계를 나타낸다. 그리고 그림 10에 그 충전전류와 회로전류
의 관계를 나타낸다.

▲ 그림 9. 실제 DPPM형 충전 IC, 회로 및 AC 어댑터의 접속 [DPPM형 충전 제어 회로(그림 8)와 전용 AC 어댑터를 조합시킨다. 전류 용량이 작은 소형 AC 어댑터를 사용할 수 있다. 단, AC 어댑터는 회로에 맞춰 전용 설계된 것이어야 한다]

▲ 그림 10. DPPM형 충전 제어 회로에 의한 충전전류의 제어 모습

회로전류가 증가하여 AC 어댑터의 정격값을 넘으면 AC 어댑터 내의 과전류 보호 회로가 동작, 출력전압 Vout이 저하된다. Vout이 설정된 전압값까지 내려가면 DPPM 충전 제어 IC는 충전전류를 줄여 Vout이 그 이상 저하되지 않도록 AC 어댑터의 부하를 가볍게 한다. 이 제어에 의해 AC 어댑터의 출력전류 증가가 멈추고 AC 어댑터 내 과전류 보호 회로의 동작도 멈춘다.

또한 회로전류가 증가하여 충전전류를 상회하면 AC 어댑터의 출력전류가 증가하고, Vout이 저하되기 시작한다. Vout이 리튬
이온 2차 전지의 전압보다 낮아지면 충전 제어 회로는 충전전류를 0A로 할 뿐만 아니라, 리튬 이온 2차 전지의 방전 스위치를 ON으로 하여 부족한 부분의 전류를 전지로부터 공급한다.
이 DPPM 기능에 의해 AC 어댑터의 전류 용량은 ‘회로의 평균 전류＋전지의 충전전류 이상’ 있으면 된다. 기기 사용 시 충
전시간이 길어도 되는 경우에는 회로의 평균전류에 약간 여유를둔 정도의 소용량으로 소형 AC 어댑터를 사용할 수 있다.
(3) 전용 AC 어댑터밖에 사용할 수 없다
DPPM 제어는 어떤 설정된 전류가 흐르면 AC 어댑터의 전압이 저하된다는 것을 기대한다. 즉,
· 정격 전류를 넘으면 AC 어댑터의 출력전압이 コ형태와 같은 특성으로 늘어진다.
· 늘어진 상태에서도 연속해서 급전할 수 있는 AC 어댑터를사용한다.
와 같은 것이 필요하다. DPPM 제어의 충전 시스템은 전용 설계된 순정 AC 어댑터를 사용해야 한다. 순정 이외의 AC 어댑터는 전압 저하 특성이 다르므로 목적대로 DPPM 동작하지 않는다. 예를 들면 다음과 같은 문제가 발생한다.
대용량 AC 어댑터는 출력전압이 저하되지 않는다. 이렇게 되면 급속 충전 중, 리니어 레귤레이터를 내장하고 있는 충전 제어 IC는 높은 전압이 입력된 상태로 대전류를 계속 출력하게 되어 발열한다.
또한 정격전류가 같은 것이라도 일반적인 AC 어댑터는 DPPM 충전기와 조합할 수 없다. DPPM 전용으로 설계된 AC 어댑터는 정격전류를 넘은 직후에 コ형태의 특성으로 전류가 늘어지지만 일반적인 AC 어댑터의 대부분은 정격의 1.5배 정도 흘러야 내장된 전류보호 회로가 동작하기 때문이다. 이러한 AC 어댑터를 DPPM 충전 제어 회로에 접속하면 회로전류가 증가하여 AC 어댑터의 정격전류를 넘어도 출력전압이 저하되지 않으므로 DPPM이 동작하지 않는다. 그 결과, AC 어댑터가 과부하 상태로 되어 과열된다.

4. AC 어댑터를 선택하지 않은 DPM 제어
전술한 바와 같이, DPPM 제어의 충전 회로에 접속할 수 있는것은 전용 설계된 AC 어댑터뿐이므로 자유도가 없다. 그러나
AC 어댑터의 입력전류를 제어하면 다른 AC 어댑터도 사용할 수 있게 된다.
AC 어댑터의 입력전류는 회로전류와 충전전류를 합한 것과 같다. 이 입력전류가 설정된 값 이하로 되도록 제어하는 회로(입력전류 제어 회로)를 DPPM 회로에 추가한다. 이 방식을 DPM 제어라고 한다. 그림 11에 이 방식의 블록도를 나타낸다.

DPM 제어에 의해 AC 어댑터의 부하 특성에 상관없이 사용할 수 있다. 단, DPM 제어는,
· 최대 전류에서도 전압강하가 발생하지 않는 용량의 AC 어댑터를 사용해야 한다.
· 입력전류 제한 회로가 추가되어 제어 IC의 비용이 높아진다.
라는 두 가지 과제가 있다.

▲ 그림 11. AC 어댑터를 선택하지 않는 DPM 제어 시스템 (이 충전 제어를 DPM 제어라고 한다. 충전 회로가 입력전류를 설정한 값으로 자동 제어한다)

지정한 것 이외의 용량을 가진 AC 어댑터를 사용하면 정격 이상의 전류가 흘렀을 때 과부하 상태로 된다.

AC 어댑터와 USB를 입력원으로 하는 최신 충전제어 IC

1. AC 어댑터와 USB의 2입력 충전 시스템에 요구되는제어
최근 대부분의 휴대기기는 USB를 통해 PC와 데이터를 송수신하는 기능을 갖고 있다. USB 포트는 5V를 공급할 수 있으므
로 데이터 통신과 동시에 충전도 가능한 제품이 증가하고 있다.
USB 포트의 문제점은 전력공급 능력이다. PC의 USB 포트와 USB 허브의 셀프 파워에서는 500mA, USB 허브의 버스 파워
인 경우에는 100mA로 공급 능력에 한계가 있다. 5V의 스펙은 공급 측에서 5.0V±0.25V이고, 최소 전압은 4.75V이다. 수전
측은 케이블과 커넥터의 로스를 포함하여 4.375V까지 허용된다. 4.375V에서는 리튬 이온 2차 전지의 완전 충전전압(4.20V)
과의 차이가 적으므로 충전 IC에는,
· 입력전압 차가 작아도 안정적으로 전류를 출력할 수 있다.
· 100mA/500mA를 전환할 수 있다.
라는 두 가지 능력이 요구된다.
USB 포트에서는 500mA/100mA라고 규정된 전류밖에 사용할 수 없으므로 USB에서의 전원은 충전에만 사용하도록 제어해야 한다.
충전하면서 기기도 동작시키고 싶은 경우, 입력전류의 분배제어가 필요하므로 전술한 DPM 기능을 가진 충전 회로가 필요
하다. 또 AC 어댑터를 병용할 경우에는 대전류에 의한 급속 충전도 실행해야 한다.
이상을 고려하면 다음과 같이 세 가지 충전전류값을 전환할수 있는 기능을 가진 DPM 제어의 충전 회로가 최적이다.
· AC 어댑터와 USB의 입력 전환 회로
· AC 어댑터에서의 대전류 충전
· USB에서의 100mA/500mA
(1) 실제의 충전 제어 IC
그림 12에 나타난 것은 AC 어댑터와 USB의 2입력 충전 회로의 예이다. 그림 13에 각 부의 동작 파형을 나타낸다. 그리고 그림 14에 실제 충전제어 IC(bq2403x)의 내부 블록도를 나타낸다.

▲ 그림 12. AC/USB의 2입력 충전 시스템

▲ 그림 13. DPPM 제어된 AC 어댑터 측(그림 12)의 전압과 전류 변화

▲ 그림 14. DPPM 제어와 DPM 제어가 가능한 AC 어댑터/USB 입력의 충전 IC bq2403X (텍사스 인스트루먼트)

AC 어댑터로부터의 충전 제어는 DPPM 동작, USB 포트로부터는 500mA/100mA의 입력전류 제한에 의한 DPM 제어로 되
어 있다.
bq2403x 내부의 MOSFET에 의한 스위치 Q1과 Q2는 AC 어댑터와 USB의 두 가지 전력공급원을 선택한다. Q2는 리튬 이온2차 전지로의 충전과 전지에서 부하로의 공급을 제어한다. 전지로부터의 역류를 방지하고 AC 어댑터의 입력전압을 4.6V로 강압하여 회로에 공급한다.

신형 리튬 이온 2차 전지

1. 리튬 이온 2차 전지에서 3.3V를 생성하는 일반적인 방법
그림 15에 나타난 바와 같이, 리튬 이온 2차 전지는 완전 충전 상태에서 4.2V, 종지전압은 2.5V 정도이다. 회로 측에는 DCDC컨버터가 있고 변동하는 입력전압에서 안정적인 3.3V,1.8V, 1.2V 등을 생성하고 있다.

▲ 그림 15. 고용량인 신형 리튬 이온 2차 전지의 방전 특성

리튬 이온 2차 전지의 최저 전압(2.5V)보다 낮은 전압은 강하형 컨버터에서 생성할 수 있다. 4.2V보다 높은 전압은 승압형 컨버터에서 생성할 수 있다.
(1) 타입 Ⅰ
3.3V는 그림 16(a)와 같은 회로에서 생성하는 것이 일반적이다. 이것은 일단 승압형 컨버터에서 5V로 승압하고, 이것을 강
압형 DC-DC 컨버터로 3.3V를 만드는 방법이다.

▲ 그림 16. 많이 사용되는 리튬 이온 2차 전지에서 3.3V를 생성하는 전원

(2) 타입 Ⅱ
대부분의 리튬 이온 2차 전지의 방전 특성을 조사하면 3.7V의 기간이 길게 계속된다. 3.7V보다 낮은 곳에서는 에너지가 별로 남아 있지 않으므로 단번에 전압이 저하된다. 그래서 이용할 수 있는 전지용량을 90%까지로 나누어 3.5V 부근에서 사용을 멈추도록 설계하고 있다. 그림 16(b)에 나타난 4.2∼3.5V를 3.3V로 강압하는 DC-DC 컨버터를 사용한 예도 많이 눈에 띈다.
(3) 타입 Ⅲ
승강압형 DC-DC 컨버터를 사용하는 방법도 있다. 그림 16(a)와 같이 승압형 컨버터와 강압형 컨버터를 조합한 전원 회로에 비해 코일의 수가 1개면 되므로 기판의 점유 면적을 줄일 수 있다는 이점을 갖고 있다. 그러나 변환효율이 별로 좋지 않으므로 실제로는 많이 이용되지 않는다.
일반적으로 승강압형 DC-DC 컨버터의 전력 변환 회로는 그림 17과 같은 H브리지형으로 되어 있고, 강압형 컨버터와 승압
형 컨버터를 조합하여 구성되어 있다. 동기정류형 강압형 DCDC컨버터 등에서는 2개의 MOSFET 스위치가 사용되고 있지
만 이 H브리지형의 승강압형 DC-DC 컨버터는 4개의 MOSFET 스위치로 스위칭하므로 2배의 손실이 발생한다.

▲ 그림 17. 일반적인 승강압형 DC-DC 컨버터는 4개의 MOSFET으로 전력 변환하므로 효율이 나쁘다

2. 신형 대용량 전지 탄생!
최근 전지 메이커 각 사에서 새로운 재료를 사용, 전지 용량을 증가시킨 차세대 리튬 이온 2차 전지가 발표됐다. 새로운 전지의 방전 특성을 그림 15에 나타낸다. 기존의 전지보다 초기 전압이 높고 용량 감소에 의한 전압 저하가 완만하며 종지전압도 낮은(2.0V) 것이 특징이고, 10% 이상의 용량 증가를 실현했다.
기존의 전지는 중간 영역의 전압이 안정적이라는 이점이 있지만 전압에서 남은 용량을 추측하는 것이 힘들다는 단점이 있었다. 그러나 일단 전압이 저하하기 시작하면 급격하게 종지전압에 가까워진다. 한편, 신형 전지는 전압이 완만하게 저하되므로 전지전압에서 남은 용량을 대략 추측할 수 있다.

3. 고효율인 승강압 전원의 요구가 높아지고 있다
신형 리튬 이온 2차 전지는 종지전압이 낮아 전지전압이 3.3V이하로 되더라도 대부분의 에너지가 남아 있다. 따라서 그림
16(a)의 전원 회로 또는 승강압형 DC-DC 컨버터와 조합시키는 경우가 많아지고 있다.
TPS63000(텍사스 인스트루먼트)은 효율 악화 문제를 해결한 승강압형 DC-DC 컨버터이다. 모든 전압범위에서 4개의
MOSFET 스위치 중 동시에 2개만 동작하도록 되어 있다.
그림 18에 입력전압과 효율의 곡선을 나타낸다. 입출력간 전압 차가 적을 때 가장 높은 효율을 나타내며 넓은 전압 범위에서 고효율인 승강압 전원을 실현하고 있다.

▲ 그림 18. 최신 승강압형 DC-DC 컨버터는 효율이 높다

리튬 이온 2차 전지는 왜 위험한가?

리튬 이온 2차 전지는 주원료로 Li(리튬)이라는 매우 활성도가 높은 원소를 사용하고 있다. 리튬은 상온에서도 수분을 포함한 공기와 접촉할 경우 질소와 반응하여 Li3N으로 되고, 온도가 높아지면 산소와 연소 반응하여 Li2O로 된다. 반응은 매우 빠르고 반응열에 따라 발연, 발화한다. 경우에 따라서는 폭발하는 경우도 있다. 같은 알칼리 금속인 나트륨에 비하면 반응 속도가 느리지만 마그네슘 정도로는 위험하다.
리튬 이온 2차 전지는 이 위험한 리튬을 이온 상태로 하여 용매매에 확산시키고 있으므로 안전하게 사용할 수 있다. 그러나 충방전을 반복하면 전극에 금속 리튬이 석출된다. 용매는 수용액을 사용할 수 없으므로 유기용제를 사용하고 있다.
매우 큰 에너지가 축적되고 있음에도 불구하고 전극 사이의 세퍼레이터는 수십㎛밖에 없다. 이 얇은 세퍼레이터에 상처가 나서 단락되면 매우 큰 전류가 흐른다. 내부 구조를 조사하기 위해 리튬이온 2차 전지를 분해하는 것은 매우 위험하다. 전지 메이커는 안전 대책을 위해 다양하게 개량했으며 그에 따라 초기 제품에 비해 안전성이 향상되었다. 그러나 전지의 케이스에 구멍을 뚫는 것은 안되며 기계적인 충격도 가급적 가하지 않도록 해야 한다.

충전전류와 충전시간의 비를 나타내는 단위 ‘C’

2차 전지에 흐르는 충전전류의 크기에는 제한이 있다. 이 크기는 어느 정도라고 판단하는 것이 좋을까?
전지 업계에서는 일반적으로 충전전류가 그 전지에 있어서 큰 것인지, 작은 것인지에 대해 전지 용량과의 비로 표현한다.
이 전류 대 용량비의 단위가 ‘C’이다. C는 쿨롱이 아니다. 혼동을 피하기 위해 최근에는 ‘ItA’라는 단위도 많이 사용되고있다.
예를 들어 용량 1,000mAh의 전지를 1,000mA의 전류로 충전하는 경우, ‘1C(1Ita)로 충전한다’라고 한다. 600mAh의 전지를 60mA의 전류로 충전할 경우, ‘0.1C 충전’ 이라고 한다. 1C 충전인 경우에는 약 1시간, 0.1C의 경우에는 10시간 정도로 충전이 완료된다.

리튬 이온 2차 전지는 메모리 효과가 발생하지 않는다

니켈 수소 2차 전지나 니카드 2차 전지는 사용 방법에 따라 전지용량이 감소된다.
그림 A(a)에 나타난 바와 같이, 완전 방전과 완전 충전을 반복하여 사용하면 문제가 없지만, 그림 A(b)와 같이 조금 사용한 후 충전하는 사용법을 반복하면 메모리 효과가 발생한다.

▲ 그림 A. 니켈 수소 2차 전지와 니카드 2차 전지는 완전히 방전할 때까지 사용한 후 충전하는 것이 좋다

그림 B에 나타난 바와 같이, 메모리 효과가 발생해 버린 전지에서 평소에 사용하지 않는 영역까지 사용하려고 하면 에너지는 많이 남아 있는데도 전지의 전압이 저하하기 시작, 시스템이 동작하지 않게 되어버린다.

▲ 그림 B. 니켈 수소 2차 전지와 니카드 2차 전지는 짧은 충방전을 반복하여 사용할 경우 용량이 감소된다(이것을 메모리 효과라고 한다)

이와 같이, 전지가 미사용 영역을 기억하는 것처럼 동작하므로 메모리 효과라고 한다.
니켈 수소 2차 전지와 니카드 2차 전지는 완전 방전까지 사용하고 나서 충전하는 사용법이 권장되고 있다. 그러나 리튬 이온 2차전지는 메모리 효과가 없어 짧은 충방전을 반복하거나 조금씩 보충하여 충전하며 사용할 수 있다.

USB를 입력으로 하는 충전 회로는 스위칭형이 좋다

최근의 기기에서는 USB 포트에서 출력되는 5V를 이용하여 리튬 이온 2차 전지를 충전할 수 있는 기기가 증가하고 있다. USB포트가 출력할 수 있는 전류의 최대값은 5V/500mA이므로 리니어방식인 경우에는 500mA 이상의 전류로 충전할 수 없다. 한편, 스위칭 방식인 경우 효율을 95%로 하면 전지전압이 3.3V일 때,

전지전압이 3.7V일 때,

와 같은 식으로 500mA 이상의 전류를 출력할 수 있다. 스위칭형 충전 IC는 발열이 작을 뿐만 아니라 큰 충전전류를 출력할 수 있어 단시간 충전이 가능하다.

弥田 秀昭

本 記事는 日本 CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌(2007年11月號)와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.