엔지니어들 입장에서 각 프로젝트별로 배터리 충전 요구 사항이 다른데 소비자들에게 최상의 충전 경험을 제공할 수 있도록 충전식 배터리를 사용하는 애플리케이션을 설계하는 일은 어려운 과제다. 애플리케이션별로 모두 다른 배터리 충전기를 사용하는 경우 새로운 회로를 모두 다시 설계하고, 디버깅하고, 재인증해야 하기 때문에 설계 시간이 늘어난다.
다양한 프로젝트에서 모두 사용할 수 있는 배터리 충전기를 선택해 개발 시간을 최소화할 수 있다면 어떨까? 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT) 범위가 넓은 단일 배터리 충전 집적 회로(IC)를 사용하면 다양한 애플리케이션에서 입력 어댑터 및 배터리 구성만 달리해서 같은 충전기를 사용할 수 있기 때문에 개발 소요 시간을 단축할 수 있다.
VIN 및 VOUT 범위가 넓은 충전기를 사용하면 설계 소요 시간을 단축하는 데 도움이 될 뿐 아니라, 태양광 및 양방향 충전과 같이 소비자의 충전 경험을 향상시킬 수 있는 새로운 기술을 탐색해볼 수도 있다. 이 글에서는 VIN 및 VOUT 범위가 넓은 벅-부스트 배터리 충전기의 이점에 대해 알아볼 예정이다.
단일 배터리 충전기 IC로 다양한 설계 지원
여러 모델에 걸쳐 동일한 배터리 충전기 IC를 사용하는 데 따른 이점을 보여주는 애플리케이션의 한 예로, 전기 자전거용 배터리 충전 시스템의 설계를 들 수 있다. EPR(Extended Power Range, 확장 전력 범위)라고 하는 새로운 USB PD(Power Delivery, 전원 공급) 표준이 있는데, 출력 전력은 최대 240W, VIN은 최대 48V다. EPR 전력이 더 높고 표준 USB Type-C® 어댑터를 사용할 수 있다는 편리함 때문에 설계자들은 전기 자전거용으로 USB PD EPR 충전 구현을 모색하고 있으며, 이를 위해서는 배터리 충전기 IC를 전기 자전거 배터리 팩에 결합하는 작업이 필요하다.
전기 자전거 업체별로 모델도 다르고 배터리 화학 성분과 충전 전압도 다르다. 36V 배터리가 탑재된 전기 자전거를 충전할 때와 48V 배터리가 탑재된 전기 자전거를 충전할 때 각각 다른 배터리를 사용하는 대신 같은 배터리로 두 가지 모델을 모두 충전할 수 있다면 더 편리할 것이다. USB PD EPR 어댑터 전체 전압 범위를 지원하면 서로 다른 모델 간에 필요한 설계 변경을 최소화하는 데에도 도움이 될 것이다. 같은 배터리 충전기를 사용할 수 있으려면 USB PD EPR을 지원할 수 있을 만큼 VIN 범위가 넓고 36~48V 배터리를 지원할 수 있을 만큼 VOUT의 범위가 넓어야 한다.
USB PD EPR과 관련해, 양방향 충전은 폭넓은 VIN 및 VOUT 배터리 충전기가 지원하는 새로운 기능이다. 그림 1에서 보듯이, 동일한 USB Type-C 포트를 사용해 배터리 충전기가 포워드 모드에 있을 때는 전기 자전거 배터리 같은 배터리를 충전하고, 리버스 모드에 있을 때는 배터리가 방전되도록 할 수 있다. 그러면 애플리케이션이 일반적인 기능 외에 파워 뱅크 역할까지 하게 되어 기능이 새로 추가되는 것이기 때문에 소비자에게 이점으로 작용한다. 파워 뱅크로서의 기능을 지원하려면 배터리 충전기의 VIN 및 VOUT 범위가 넓고 양방향 충전이 가능해서 포워드와 리버스 모드에서 다양한 입력 및 출력 전압 조합을 지원할 수 있어야 한다.
그림 1: USB로 전기 자전거 충전하기(상) 및 전기 자전거로 개인 기기 충전하기(하)
여러 다른 강도의 태양 빛을 이용한 태양광 충전
태양광 패널을 이용하면 근처에 전력망에 연결된 콘센트가 없어도 소비자는 제품을 충전할 수 있다. 그림 2에서 보듯이 태양광 패널의 출력은 배터리 충전기의 입력 전력 역할을 하기 때문에 태양광 패널의 MPP(최대 전력점)을 찾는 것이 중요하다. 배터리 충전기의 입력 전력이 낮으면 충전 전류가 낮아져 충전 시간이 길어진다. MPPT(최대 전력점 추적) 알고리즘을 적용한 배터리 충전기는 여러 다른 일광 조건에서 태양광 패널의 MPP를 자율적으로 찾게 된다. 넓은 범위의 VIN 및 VOUT 벅-부스트 배터리 충전기를 사용하면 태양광 패널의 가능한 출력 전압값 범위 전체를 지원할 수 있다.
그림 2: 태양광 충전 블록 다이어그램
MPPT 알고리즘을 적용한 충전기를 휴대용 파워 스테이션 용도로도 활용할 수 있다. 태양광 충전 애플리케이션의 경우, 자율 MPPT 알고리즘을 적용한 배터리 충전기를 사용해 충전 시스템을 설계하면 태양광 패널을 충분히 활용해 충전 시간을 단축할 수 있다.
넓은 범위의 VIN 및 VOUT용 배터리 충전기
BQ25756 벅-부스트 배터리 충전기는 입력과 출력에서 70V의 작동 전압과 최대 20A의 충전 전류를 지원하며, 이는 최대 240W의 USB PD EPR 전력 수준을 충족한다. 넓은 범위의 VIN 및 VOUT 외에, BQ25756은 동일한 USB Type-C 포트를 통해 충전과 방전을 모두 할 수 있는 양방향 배터리 충전기다. 충전기에는 태양광 충전을 위한 고급 MPPT 알고리즘이 탑재되어 있으며, 심지어 부분 그늘을 포함해 다양한 일광 조건에서 직렬 또는 병렬 형태로 연결되어 있는 여러 개의 태양광 패널을 사용해서도 MPPT를 찾을 수 있다. BQ25756는 넓은 범위의 VIN 및 VOUT, 양방향성 및 MPPT 기능을 갖고 있는 만큼 이를 잘 활용하면 여러 다양한 설계에 걸쳐 사용이 가능하다.
마무리
넓은 범위의 VIN 및 VOUT 충전기는 여러 다양한 애플리케이션에 걸쳐 동일한 회로를 재사용할 수 있기 때문에 엔지니어 입장에서 개발 시간을 단축하는 데 도움이 된다. 여러분이 새로운 전동 공구 포트폴리오를 설계해야 한다고 가정해 보겠다. 드릴, 열선총 및 송풍기에 맞는 배터리를 각각 따로 선택하려면 세 가지 충전기에 대해 알아야 하기 때문에 그만큼 업무량이 늘어난다. 이런 전동 공구에 모두 동일한 충전기를 사용할 수 있다면 각기 다른 충전기를 사용하는 경우와 비교했을 때 학습 시간과 개발 시간을 단축할 수 있다.
또한, 엔지니어 입장에서 넓은 범위의 VIN 및 VOUT 충전기를 사용하면 USB Type-C 전력 공급이나 태양광 충전 같은 새로운 기술을 활용할 수 있다. MPPT 알고리즘을 적용한 BQ25756처럼 넓은 범위의 VIN 및 VOUT 충전기를 사용하면 엔지니어는 소비자에게 빠른 충전 경험을 제공하면서 동시에 태양광 패널을 이용해 어디서든 충전이 가능한 제품을 설계할 수 있다. BQ25756을 TI USB-C PD 컨트롤러와 결합하면 한 가지 기기에서만 작동하는 어댑터를 설계하는 번거로움을 없앨 수 있다. 이 조합을 이용하면 소비자는 양방향 충전을 활용하고 공통 USB-C 어댑터를 사용해 전동 공구, 전기 자전거, 휴대용 파워 스테이션 등 다양한 애플리케이션을 충전할 수 있다. 넓은 범위의 VIN 및 VOUT 충전기는 고객의 충전 경험을 향상시키고 귀사의 개발 소요 시간을 단축해 준다.
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