전용 하드웨어를 구축하지 않고 보조 배터리 충전기 프로토타입을 만드는 방법
RAQ 이슈 210: 전용 하드웨어를 구축하지 않고 보조 배터리 충전기 프로토타입을 만드는 방법
디어머드 캐리(Diarmuid Carey), 스태프 애플리케이션 엔지니어(Staff Applications Engineer), Central Applications
Q:
전용 하드웨어를 구축하지 않고 보조 배터리 충전기 애플리케이션의 프로토타입을 만들 수 있을까?
A:
이 질문에 짧게 대답하면 '예'라고 할 수 있다. 다년간 많은 고객이 이 질문을 했기 때문에 본 글에서는 해당 주제에 대해 더 자세히 살펴볼 것이다. 본문에서는 기존 평가 보드를 사용하여 애플리케이션을 개발하는 것과 관련된 프로세스를 검토하고, 이와 관련하여 직면한 문제에 대해 논의하며 추가적인 수정과 개선을 위한 권장 사항을 간략하게 설명한다.
도입
이론적으로, 모든 전원 공급 장치 설계는 기존 데모 보드의 테스트와 같은 기본적인 개념 증명 테스트로 시작해야 한다. 이 데모에서는 이 기존 단계(데모 하드웨어에서의 싱글 레일 테스트)를 간단히 수행하고 데모 하드웨어를 사용하여 작동하는 시스템을 생성하도록 확장한다. 또한 이 데모는 비교적 짧은 시간 내에 필요했다는 점으로 인해 설계, 레이아웃, 빌드, 조립 및 테스트에 있어 일반적인 개발 프로세스를 반복적으로 밟는 것이 불가능했기 때문에 쉽게 구할 수 있는 하드웨어만 사용하여 시스템 전체의 프로토타입을 만들 수밖에 없었다.
애플리케이션
본 글의 도입 부분에서 제기된 질문에 답하기 위해서는, 이것이 가능하다는 것을 증명하기 위한 출발점으로 높은 수준의 애플리케이션을 선택해야 했다. 이 같은 이유로 보조 배터리 충전 애플리케이션이 개념 증명으로 선택되었다. 전력 관리는 모든 전자 프로젝트의 전제 조건이기 때문에 다른 애플리케이션을 선택하는 것도 가능하다.
보조 배터리 충전기는 대부분의 소비자가 접하고 사용하는 일반적인 애플리케이션으로, 많은 여행자들이 휴대전화를 장거리 여행 중에 충전된 상태로 유지하기 위해 가지고 다니는 대표적인 물품이다. 보조 배터리는 본질적으로 배터리 팩이며(용량은 가격 및 용도에 따라 다름), 충전을 위한 하나 이상의 USB-A 포트 또는 USB-C 입력 포트를 갖추었다. 물론 이 같은 기본적인 기능에 무선 충전 패드나 아웃도어 애호가를 위한 태양광 충전 패널을 추가하는 등 보다 다양한 기능을 더하는 것도 가능하다.
이 애플리케이션의 경우에는 태양광을 통해 배터리를 충전하거나 표준 12V AC-DC 변압기(wall wart)의 DC 입력을 통해 충전하는 옵션이 포함되었다. 출력부에는 기본 USB-A 충전 포트가 포함되어 있으며(총 2개), 휴대전화 및 다양한 USB 전원 공급 장치에 사용 가능한 5V가 제공된다.
하드웨어 선택하기
전원 소스 선택하기—LTC4416
해당 설계 예시의 경우에는 2개의 입력 전원이 지원된다(태양광 패널 1개와 AC-DC 전원 공급 장치에 불과한 AC-DC 변압기 1개). 이러한 이유로, 사용 가능한 소스 간 지능적 전환뿐만 아니라, 우선순위를 할당하여 두 개 소스 모두 사용 가능한 상황을 관리하기 위해서는 전력 경로 우선순위 지정 장치(Power Path Prioritizer)라는 기발한 장치가 필요하다. 이는 주로 다이오드의 두 음극을 연결하고 양극을 각각의 소스에 연결하는 등 몇 가지 간단한 다이오드를 사용함으로써 간단하게 구현할 수 있다. 이처럼 특별한 구성 방식은 일반적인 다이오드(약 0.6 V)에 내재된 다이오드 강하로 인해 많은 손실이 발생하지만, 안타깝게도 우선순위 선택과 같은 현명한 선택 기준을 구현하는 것을 허용하지 않는다. 이는 그저 더 높은 잠재적인 입력이 통과하도록 허용하기만 한다.
여기서 LTC4416이 등장하는데, 이는 손실 다이오드를 훨씬 더 효율적인 PFET로 대체할 뿐만 아니라 우선순위를 할당할 수도 있게 해준다. 이 같은 특정 애플리케이션에서는 변압기에 항상 우선순위가 지정된다. 이렇게 하면 설계에서 사용 가능한 전력(과 더 높은 전류)을 활용할 수 있게 된다. 해당 디바이스는 매우 유연하며 설계 요구 사항에 따라 다양한 작동 모드가 가능하다. 표 1 (LTC4416 데이터시트에서 가져옴) 은 다양한 작동 모드를 나타낸다.
표 1. LTC4416 데이터시트에 따른 다양한 작동 모드
그림 1. LTC4416 일반 애플리케이션 회로.
스위칭 벅 배터리 충전기 - LTC4162-L
배터리 충전기의 경우 LTC4162-L이 넓은 입력 전압 범위(최대 35 V)와 3.2A 충전 기능, 통합 FET 설계로 인해 선택되었으며, 이 같은 특성을 이용하면 솔루션 크기를 줄일 수 있다. 이는 리튬인산철(LiFePO4), 리튬 이온, 납산 등과 같은 다양한 배터리 화학 변형뿐만 아니라 사용자가 원격 측정 정보를 추출할 수 있는 I2C 인터페이스가 제공되기 때문에 일반적으로 사용되는 완전한 기능을 갖춘 충전기 IC라 할 수 있다. 이는 앞서 언급한 입력 및 배터리 전압에 대한 유연성뿐만 아니라 솔루션 크기를 최소로 유지하는 데 도움이 되는 통합 특성 때문에 이 애플리케이션에 선택되었다. 또 다른 유용한 기능은 최대 전력점 추적(Maximum Power Point Tracking, MPPT)으로, 태양광이 설계에 사용할 수 있는 입력 소스 중 하나인 경우 설계가 가능한 한 많은 가용 전력을 추출하도록 하기 위해서는 MPPT가 반드시 필요하다. 또한 LTC4162에는 입력 소스가 제거될 때 이 애플리케이션에 유용한 전력 경로 제어 기능이 내장되어 있어 다운스트림 사용을 위해 출력 단자에 배터리 전압을 공급할 수 있다.
그림 2. LTC4162-L 일반 애플리케이션 회로.
그림 3. CN0509 애플리케이션 회로.
USB 충전 솔루션—CN0509
연결된 디바이스에 USB 충전 전압을 제공하도록 선택된 보드는 당사의 레퍼런스 설계 및 솔루션 중 Circuits from the Lab® 컬렉션 제품 중 일부이다. 일반적으로 평가 보드에는 특정 장치를 평가할 수 있도록 단일 장치가 표시된다. 하지만 Circuits from the Lab에 속한 보드 제품들은 보다 솔루션 중심적인 구현 방법으로, Analog Devices의 다양한 포트폴리오 제품을 활용하여 특정 시스템 요구 사항을 해결한다.
CN0509는 넓은 입력 범위의 듀얼 USB 전원 충전기로 설계되었다. 해당 제품은 자연재해나 장기 정전 등의 비상 상황에 대비해 개발되었다. 많은 사람들이 사용하는 전원 공급 장치로 자동차 배터리를 예시로 들 수 있다. 이 보드 제품은 자동차 배터리를 통해 전원을 공급받아 2개의 5V 포트를 제공하며, 안전을 위해 주 전압과는 별도로 전원을 공급받게 된다. 대체 전원으로는 들뜬 배터리부터에서 간단한 발전기 역할을 하는 모터에 이르기까지 다양하게 존재한다. CN0509는 입력 전압 범위가 넓기 때문에 5~100V 범위 내의 모든 공급 장치에서 작동 가능하다. 이 같은 모든 이유로 보조 배터리 충전기에 필요한 USB 충전 출력을 제공하기 위해서는 기존의 보드 제품들과 페어링하는 것이 이상적이다.
해당 제품에는 공급 장치로부터 회로가 잘못 연결되었을 경우 이를 보호하기 위한 역극성 보호 기능이 포함되어 있으며, 충전기의 출력을 입력 소스에서 분리하기 위한 절연 플라이백 컨버터도 포함되어 있다. 이는 48V 통신 백업 공급 장치를 전원으로 사용하는 경우에 특히 유용하다. 예를 들어, 휴대전화가 48V로부터 충전될 경우 위험한 상황이 발생할 수 있는데, 절연형 변환 장치는 이 같은 문제를 발생하지 않도록 해준다. 여기서 또 한가지 알아 두어야 할 사항은 CN0509 보드의 크기가 매우 작다는 점으로, 이는 대개 해당 제품에 사용된 고효율 IC와 '옵토 커플러가 필요 없는(no-opto)' 플라이백 LT8302 때문이다. 주요 차이점은 플라이백 컨버터 LT8302의 경우 절연된 광 피드백 경로가 필요하지 않다는 점이다.
이 특정 보드에는 2개의 USB 포트가 존재한다. 하나는 표준 USB 포트이며(D+/D– 연결되지 않음) 다른 하나는 USB 데이터 라인 전압을 모니터링하는 DCP 컨트롤러가 있어 빠른 충전이 가능하고 최대 2A에서 5V를 공급할 수 있는 포트이다. 이 같이 높은 수준으로 전류가 충전되는 것은 사용되는 입력 전압에 따라 달라진다. 그림 4의 퍼포먼스 그래프에 나타난 바와 같이, 12V가 최적이라고 할 수 있다.
그림 4. CN0509 최대 충전 전류와 VIN의 관계.
전원 공급 장치
여기서 사용되는 주 전원은 60W AC-DC 12V 어댑터이다. 이는 LTC4416 데모 보드에 대한 하나의 입력으로 사용되며, 대체 입력 소스로는 상대적으로 작은 태양광 패널이 채택되었다. 이는 해당 제품이 실내용을 염두에 두고 설계되었고, 태양광으로 구동 가능한 실질적인 수준의 가용 전력을 제공하기에는 충분한 양의 조명이 제공되지 않기 때문에 이 기능은 단순히 전력 경로 우선 순위 지정 장치의 기능을 시연하기 위해 탑재된 것이다.
이 특별한 설계는 보조 배터리로 개발되었으며, 따라서 스토리지 역할을 할 수 있는 배터리 팩이 필요했다. 배터리와 관련된 배송은 제한된 경우가 많다. 해당 데모는 시중에서 구할 수 있는 일반적인 배터리 팩을 구입, 수령하여 삽입하면 실행 가능하도록 특별히 개발되었다. 이 같은 제약에 따라, 2600 mAh 용량의 공칭 7.4V를 생성하는 충전식 2x 시리즈 셀 리튬 이온 배터리 팩이 이벤트 데모 실행을 위해 채택되었다. 필요에 따라서는 보다 큰 용량의 배터리를 설치하는 것도 가능하다.
그림 5. 보조 배터리 충전기 애플리케이션 트리.
그림 6. 프로토타입 제품의 시스템 다이어그램.
데모 빌드
빌드 관점에서는 하드웨어가 곧 표준이 되기 때문에, 입력 전원에 대한 정확한 우선순위를 보장하기 위해 LTC4416 임계값을 일부 조정하는 것 외에는 전기적 수정이 필요하지 않다. 이 이벤트를 보다 시각적으로 잘 보이도록 만들기 위해 해당 보드 제품에는 몇 가지 표준 금속 스탠드오프를 사용하여 간단한 검은색 퍼스펙스(Perspex, 유리 대신 쓰이는 강력한 투명 아크릴 수지) 시트를 장착했다.
해당 이벤트에 제공되는 충전 전류는 간단한 USB 미터로 모니터링되었다. 해당 디바이스는 휴대전화를 충전하는 데 사용할 수 있는 전류량을 시각적으로 나타낸다.
그림 7. 다양한 기능을 제공하는 데모 시스템.
수행 결과
이 데모는 핵심 기능을 효과적으로 수행했다. 두 개의 대체 전원 공급 장치는 배터리 팩을 안정적으로 충전하고, 전력 경로 우선순위 지정 장치를 통해 전원 공급 장치 간 전달 작업을 효율적으로 관리했으며, CN0509는 연결된 USB 장치를 성공적으로 충전했다. 이 특수 보조 배터리는 다른 일반적인 보조 배터리 충전기에는 없는 또 다른 유용한 기능을 갖추었는데, 바로 배터리 팩을 충전하고 연결된 USB 장치를 동시에 충전할 수 있는 기능이다. 예를 들어, 많은 사람들이 실용적인 하이엔드 제품이라고 생각하는 제품 중에도 휴대전화와 보조 배터리 자체를 동시에 충전하지 않는 제품이 많으며, 이는 분명 한계라고 볼 수 있을 것이다.
USB 포트로 향하는 충전 전류는 내부 FET 설계가 최대 3.2A인 LTC4162의 기능에 의해 제한되며, 대부분의 전류는 충전 중에 배터리로 전달된다. 남은 전류는 USB 충전기 포트를 통해 사용할 수 있다.
입력 전원이 제거될 때마다 LTC4162 데모 보드의 전력 경로 FET는 배터리 전원이 출력 포트로 다시 전달되도록 하여 CN0509 및 USB 포트에 대한 전원을 유지하게 한다. 해당 모드에서 사용 가능한 충전 전류는 그림 4의 그래프에 따라 떨어지는데, CN0509에 대한 입력 소스가 이제 공칭 7.4V인 배터리 전압이기 때문이다.
다음 단계
애플리케이션이 간단하고 쉽게 사용 가능한 데모 보드를 통해 작동하는 것이 확인되면, 다음 단계는 초기 프로토타입 작업에서 학습한 내용이 적용된 최종 솔루션에 통합하는 제품 프로토타입을 개발하는 것이다. 이 중 일부는 불필요한 항목(테스트 포인트, 커넥터 등)을 제거하는 데 사용되는 보드에서 기존 회로도를 수정하는 것이다. 그런 다음 사용자는 각 장치에 제공되는 리소스의 중요성과 유용성을 자랑할 수 있는 PCB 개발을 시작할 수 있다. 예를 들어, 최적화된 데모 보드 레이아웃은 각 장치에 대해 무료로 제공되는 리소스이다. 데모 보드는 일반적으로 크기가 상당히 커 보이지만 이는 단순히 장치의 테스트 가능성과 유용성을 돕기 위한 것이다. 보드 레이아웃을 면밀히 살펴보면 보드가 개발된 IC와 인에이블링 회로(저항기, 커패시터, 인덕터 등) 모두 고객이 본인의 레이아웃으로 가져올 수 있도록 가능한 한 작은 공간으로 설계되었다. 이렇게 하면 고객은 자신의 버전을 구축하기 전에 벤치에서 검증할 수 있는 테스트된 설계라는 것을 확실하게 확인할 수 있다.
최종 애플리케이션의 경우 전압이 높은 대용량 배터리를 사용하면 USB 포트에 제공되는 충전 전류량을 최적화하는 데 도움이 된다.
CN0509는 훌륭한 설계이며 요구 사항을 완벽하게 충족한다. 하지만 이 특수 애플리케이션의 경우 전체 보조 배터리 비용을 절감하기 위해 보다 슬림한 설계를 사용할 수 있다. 예를 들어, LTC7103 및 입력 극성 보호 회로는 이 설계에 필요하지 않을 것이며, 절연 플라이백은 LTC4162의 출력으로부터 직접 전력을 공급받을 수 있다(AC-DC 변압기에서 나오는 12V 또는 주 전원이 제거된 후의 배터리 전압).
맺음말
쉽게 사용할 수 있는 하드웨어와 간단한 전원만으로도 보조 배터리 충전기나 기타 전원 공급 장치 설계를 프로토타입으로 만드는 것이 가능하다. 이는 사용 가능한 데모 보드 하드웨어를 통해 개발에 많은 비용을 들이지 않고도 잠재적인 프로젝트에 대한 개념 증명을 신속하게 제공할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 이 비교적 작지만 중요도가 매우 높은 단계는 사용자들로 하여금 보다 확신을 가지고 통합된 설계를 할 수 있도록 만들어줄 것이다. 다시 한번 강조하자면, 중요한 점은 전원 공급 장치 설계, 특히 전원 설계의 레이아웃이 어려울 수 있기 때문에 전체 개발 시간을 줄이려면 사용 가능한 리소스를 십분 활용할 수 있어야 한다는 것이다.
저자 소개
디어머드 캐리(Diarmuid Carey)는 아일랜드 리머릭(Limerick)에 위치한 European Centralized Applications Center의 애플리케이션 엔지니어(Applications Engeineer)이다. 그는 2008년부터 애플리케이션 엔지니어로 근무했으며 2017년 Analog Devices에 합류하여 유럽의 광범위한 시장 고객을 위한 Power by Linear™ 포트폴리오에 대한 설계를 지원해왔다. 그는 아일랜드 리머릭대학교(University of Limerick)에서 컴퓨터 공학 학사 학위를 취득했다.