전 세계에서 여느 때보다 배터리 구동이 늘면서 우수하고 저렴한 배터리와 배터리 팩에 대한 수요가 급증하고 있다. 배터리 제조업체들이 새로운 화학 물질과 더 작은 팩을 도입하고는 있지만(그에 따라 전력 요구 사항에 새롭고 더 복잡한 제약이 따르고 있지만) 근본적인 기능은 동일하다. 오늘날의 배터리는 시스템 성능의 저하 없이 사용 시간과 유통 기한이 최대한 길어야 한다.
낮은 대기 전력, 빠른 응답 시간, 소형 폼 팩터
전력 소모를 줄이고, 그에 따라 배터리 수명을 늘리는 데 있어 가장 우선적인 과제는 정동작 전류(IQ)를 최소화하는 것이다. 장치의 IQ는 간단히 절전(대기) 모드 또는 경부하 작동 중 배터리에서 인출되는 전류, 즉 소비되는 전력을 말한다. IQ는 장치의 효율성에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 배터리로 구동되는 애플리케이션에서 무부하 내지 경부하 조건에서 고효율을 달성하려면 초저 공급 전류를 유지하면서 출력을 엄격하게 조절하는 전력 관리 솔루션이 필요하다.
오늘날의 설계 중에는 불과 몇 나노암페어 수준의 IQ를 요구하는 경우가 많으며, 이는 전기차(EV)부터 절전 모드 작동 시간이 긴 전동 공구, 헤드셋, 헤드폰 및 이어버드까지 다양한 애플리케이션에서 중요한 기능 요소다. 그리고 이러한 시스템 유형의 경우 사용 시간의 99%를 절전(대기) 모드 또는 최대 절전(슬립) 모드에서 보내기 때문에 절전 모드에서 IQ는 배터리 수명을 제한하는 요인이 될 수 있다.
DC/DC 변환기, LDO(저손실 레귤레이터), 전원 스위치, 전압 레퍼런스 및 슈퍼바이저, 배터리 관리 장치 등과 같은 전력 관리 구성 요소를 최적화하면 전력 소비를 절감하고 배터리 수명을 연장하는 데 도움이 될 수 있다.
여기서는 TI의 저 IQ 기술로 성능 저하 없이 배터리 수명과 유통 기한을 연장할 수 있는 가장 중요한 방법 세 가지를 소개하겠다.
낮은 상시 가동 전력 지원
초저 누출 프로세스 기술과 새로운 제어 토폴로지로 긴 배터리 작동 시간을 지원한다. 시스템이 절전 모드로 들어갔을 때 초저 IQ를 달성하면 배터리 사용 시간이 늘어난다.
그림 1에서 보면 TPS37-Q1 슈퍼바이저가 면적 또는 응답 시간을 저해하지 않고 최대 65V의 공급 전압을 지원하면서 일반 1µA에서 EV 배터리 모니터링을 위한 IQ를 달성하고 있다.
그림 1: TPS37-Q1을 이용한 직접 12V/48V 오프 배터리 전압 모니터링
배송 모드에서 IQ가 10nA인 BQ25155 와 같은 배터리 충전기 IC(집적 회로)는 수개월 내지 수년간 선반에 보관해 두더라도 배터리가 소진되지 않도록 한다. TPS7A02 같은 저전력 레귤레이터는 25nA의 초저 IQ, 발송 모드에서는 3nA의 IQ를 제공하기 때문에 정상 및 드롭아웃 작동 시 배터리 수명을 획기적으로 늘려준다.
빠른 응답 시간 달성
빠른 웨이크업 콤퍼레이터와 제로 IQ 피드백 제어로 낮은 소비 전력에 영향을 미치지 않고 빠른 동적 응답을 구현할 수 있다. 오류가 감지되었을 때 즉각적으로 콤퍼레이터를 가속화하는 지능형 바이어싱 방식은 추가적인 IQ 없이 속도를 향상시켜 준다. 예를 들어, 그림 3에 보면 IQ가 일반 275nA인 벅 스위칭 레귤레이터, TPS62843는 응답 시간 × IQ/ILOAD이 이전 세대 대비 3배 이상 개선된 것을 알 수 있다. 또한 TPS37-Q1은 업계 최고의 응답 시간 및 감지 시간을 자랑하며(보통 8µs), 이는 업계 유사 제품 대비 최소 2배에서 10배까지 더 빠른 속도다.
그림 2: TPS62843 부하 과도: 1.2VOUT, IOUT_MIN = 0A ~ IOUT_MAX = 300mA
폼 팩터 감소
저항기 및 커패시터의 면적 감소 기술은 정동작 전력에 영향을 주지 않으면서 공간 제약적인 애플리케이션에 원활하게 통합할 수 있다. 차세대 나노파워 장치는 대부분의 풀업 및 풀다운 저항기와 외부 저항기-분배기 네트워크의 필요성을 없애주며, 칩 스케일 패키지 크기 640µm x 64µm의 TPS7A02와 같이 훨씬 더 작은 폼 팩터를 제공한다.
보드 면적을 절약하는 또 하나의 방법은 더 많은 기능을 단일 다이에 집적하는 것이다. 이러한 집적을 이용하면 슈퍼바이저, 레퍼런스 시스템, LDO 레귤레이터, 배터리 충전기 및 DC/DC 변환기와 같은 블록이 공통 구성 요소를 공유하면서 동시에 총 IQ를 줄일 수 있다. 2.5mm x 2.5mm 크기의 웨이퍼 칩 스케일 패키지로 제공되는 배터리 충전기 관리 IC, BQ25125는 I2C를 이용해 여러 저 IQ 기능을 통합하고 유연하게 제어할 수 있으며, 설계자들은 이를 통해 다양한 저전력 애플리케이션 용도로 전체 전력 관리 시스템을 설계할 수 있다.
마무리
배터리 구동 애플리케이션을 흔하게 볼 수 있게 되면서 시스템 성능의 저하가 없는 저 IQ에 대한 수요가 감당하기 힘들 정도로 폭증하고 있다. 하지만 해결 방법이 있다. TI의 초저 IQ 기술 포트폴리오를 이용하면 성능 저하나 비용 측면의 희생 없이 초저 전력을 달성하여 다음 배터리 구동 설계에서는 배터리 사용 시간을 극대화하고 유통 기한도 연장할 수 있다.
기타 리소스
- [기술백서] “저전력 애플리케이션에서의 저 IQ 과제 극복 방법(Overcoming Low-IQ Challenges in Low-Power Applications)”
- [교육 영상 시리즈] “저 IT 기술을 이용해 배터리 수명 연장하는 방법(How to Extend Battery Life with Low-IQ Technologies)”
- [최신 레퍼런스 설계] “프리부스트, 충전기 및 1S 리튬-이온 연료 게이지를 이용한 백업 배터리 레퍼런스 설계(Backup Battery Reference Design with Preboost, Charger and 1S Li-ion Fuel Gauge)”
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