최근 휴대용 전자기기에는 갈수록 더 많은 멀티미디어 기능들이 통합되고 있으며, 전력 요구 또한 각각 다르다.
이제 연료 게이지라고 불리는 배터리 충전 표시등은 스마트폰이나 디지털 카메라와 같은 장치들을 관리하는 데
필수적이다. 남은 사용시간을 정확하게 예측하는 기능은 의료용 장비와 같은 특정 휴대용 전자장치에서 매우
중요하다. STMicroelectronics에서는 스위칭 배터리 충전기를 정확한 전압 모드 연료 게이지와 결합하여 충전 및
배터리 모니터링 기능을 간소화했다.

단일 셀 리튬 이온 배터리용 스위치 모드 배터리 충전기인 STBCFG01에는 배터리 충전 상태를 모니터링 하는 고정밀 전압 모드 연료 게이지가 통합되어 있다. 이 디바이스는 배터리 방전 상태에서 시스템 부팅을 지원하기 위한 LDO 선형 전압 레귤레이터 외에 USB OTG(On-The-Go) 버스 전원으로 동작하는 장치에 전력을 공급하기 위한 5V 출력도 제공한다. STBCFG01은 배터리 전압을 정확히 측정함으로써 전류 감지 저항기가 없어도 그 충전 상태(SOC)를 추정해낼 수 있다. 이 스위칭 충전기는 연료 게이지와 함께 기능하며, 모니터링 기능을 간소화하고 장치가 충전되고 있지 않을 경우 전류 소비를 줄여준다.
이 배터리 충전기는 스마트 입력 전류 제한 기능을 갖추고 있다. 즉, 최대 입력 전류를 I2C 인터페이스로 선택할 수 있으며, 입력 전압이 프로그램 가능한 임계값 이하로 떨어질 경우, 선택된 최대 전류 제한값의 전류에 아직 도달하지 않았어도 동적 입력 전류 제한 기능이 작동하여 더 이상의 입력 전류 증가를 막아 준다. 동적 입력 전류 제한 기능은 필요할 경우 비활성화시킬 수 있다.
이 디바이스는 자동 입력 프리 바이어스(Pre-bias) 부하로 인해, 정확하게 조절하기 위해 최소한의 외부 부하를 필요로 하는 전압원이 사용되는 애플리케이션에 적합하다. 그리고 사용자 수준의 I2C 인터페이스는 마이크로컨트롤러가 이 디바이스의 모든 기능들을 손쉽게 구성할 수 있도록 해준다. 그림 1은 이 디바이스의 간소화된 블록도를 나타낸 것이다.
STBCFG0은 공간을 절감하는 2.3×2.2mm2의 CSP 패키지 안에 전부 탑재되어 있으므로 크기, 효율성, 비용이 중요한 모든 휴대용 및 웨어러블 애플리케이션에 적합하다.

 ‌

STBCFG01의 기능

1. 충전기 아키텍처

그림 1. STBCFG01의 아키텍처

STBCFG01은 2MHz 또는 3MHz로 동작하며 1.25A를 공급할 수 있는 고효율성 DC-DC 동기식 벅 컨버터를 채택하고 있다. 스위칭 주파수는 I2C 인터페이스를 통해 선택할 수 있다. 이 디바이스에는 전용 감지 구조를 통해 출력 전류 및 전압, 입력 전류 및 전압, 실리콘 온도를 조절하는 여러 가지 제어 루프가 통합되어 있다.
또한 리튬 배터리 기술의 발전을 수용하기 위해, 배터리의 부동 전압 조절은 3.52V에서 4.78V까지 프로그램할 수 있다.
이 디바이스의 시스템 아키텍처는 스위치 모드 벅 컨버터를 역으로 사용할 수 있도록 해주므로 500mA의 USB OTG 부스트 레귤레이터가 구현되고 USB 주변장치에 전력이 공급된다. 이 디바이스는 듀티 사이클이 100%에 이르기까지 작동할 수 있으며, 입력 전압의 연결이 끊어지거나 배터리 전압보다 낮을 경우, 배터리에서 입력부로 역전류가 흐르지 않도록 막아 준다.
혁신적인 아키텍처를 사용한 이 충전기는 충전 주기 관리에 필요한 아날로그 비교기를 연료 게이지의 ADC 컨버터를 이용하여 디지털 방식으로 구현함으로써 높은 정확도를 보장하며 디바이스의 크기는 줄여 준다. 연료 게이지를 정확한 전압계로 사용하고 자동조절 전략을 통해 전압 루프의 정확도를 최대 0.5%까지 구현할 수 있다.

2. 충전 주기
배터리를 보호하고 모바일 장치의 사용 시간을 극대화하기 위해, STBCFG01은 충전 주기를 미세전류 충전(Trickle Charge), 사전 충전(Pre-charge), 급속 충전(Fast Charge), 정전압(CV) 및 충전 완료(End of Charge)의 5단계로 구현한다(그림 2 참조).

그림 2. STBCFG01의 충전 주기

(1) 미세전류 충전
배터리가 심방전(2V 미만)될 경우, 해당 디바이스는 미세전류 충전 모드로 들어가 배터리를 선형 모드에서 낮은 전류(45mA 정도에서 미세전류 충전의 임계값까지)로 충전한다. 이 모드는 배터리 방전 상태(내부 배터리 팩의 보호 스위치가 열려 있는 상태)에 있는 배터리 활성화를 위해 사용된다.

그림 3. STEVAL-ISB033V1

그림 4. STEVAL-ISB033V1의 회로도

(2) 사전 충전 단계
배터리 전압이 사전 충전 범위(2V < VBAT < 3V)에 들어가자마자, 해당 디바이스는 스위치 모드 충전을 시작하여 충전 전류를 사전 충전 전류 수준(100mA, 450mA 중에서 선택 가능)까지 높이고, 시스템이 활성화될 수 있는 수준까지 시스템 전압을 신속히 상승시킨다.

(3) 급속 충전 단계
배터리 전압이 사전 충전 임계값 이상(VBAT > 3V)일 경우, STBCFG01은 급속 충전 모드로 들어가 충전 전류를 최대 IFAST 값까지 증가시킨다. 이 값은 최대 1.25A까지 프로그램 할 수 있다.

그림 5. USB-GPIO 인터페이스 보드

그림 6. STBCFG01 GUI : ‘애플리케이션’ 탭

(4) 정전압 단계
배터리 전압이 부동전압 임계값(VFLOAT, 3.60V에서 4.70V까지 20mV 단계로 프로그램 가능)에 도달하면 배터리 전압은 일정하게 유지되며, 충전 전류가 감소하기 시작한다.

(5) 충전 완료
충전 전류가 종료 전류 임계값(ITERM, 50mA에서 300mA까지 25mA 단계로 프로그램 가능)에 도달하는 정전압 단계에서 충전 과정이 정지된다. 각 단계 간 전환은 원활하게 이루어지도록 관리된다.
이 디바이스는 충전 완료 이후 배터리 전압이 임계값 이하로 떨어질 경우, 배터리 감지 및 자동 재충전과 같이 다른 충전기의 기능들도 수행한다.
배터리 충전기의 온도와 충전률은 고장 여부가 철저히 모니터링된다. 배터리에 과전압이 발생하거나 충전기 타이머가 종료되고, 또 배터리가 고장 나거나 배터리 전압이 입력 전압보다 높은 상태인 경우, 충전 과정이 정지되고 인터럽트 신호가 생성될 수 있다. 충전기는 입력 전압이 부족하거나 과전압, 또는 실리콘이 과열되는 경우에도 정지된다.

그림 7. STBCFG01 GUI : ‘연료 게이지 레지스터’ 탭

그림 8. STBCFG01 GUI : ‘충전기 레지스터’ 탭

그림 9. 전형적인 리튬 이온 배터리의 충전 주기

3. OTG 아키텍처
STBCFG01은 양방향 스위칭 파워 매니저를 갖추고 있어, 애플리케이션에 전력을 공급하면서 USB 커넥터의 전압을 입력원으로 이용, 배터리를 충전할 수 있다. 이 스위칭 레귤레이터는 역방향 모드로 동작할 경우, 배터리에서 전력을 공급 받아 USB 커넥터에 5V를 생성하며, 추가 부품 없이 USB OTG 애플리케이션에 최대 500mA를 공급할 수 있다.
OTG 기능을 구현하는 부스트 컨버터는 기울기 보정 기능을 갖춘 피크 전류 모드 제어장치다. 이 보정 회로망은 2MHz나 3MHz로 동작한다. 또한 펄스폭 변조(PWM) 모드와 펄스 주파수 변조(PFM) 모드의 제어 기법은 부하 인가의 폭 범위 내에서 높은 효율성을 유지해 준다.
과전압 보호(OVP) 회로는 IC가 부스트 모드에서 전력을 공급할 경우, USB 포트를 보호한다. 출력 단락 보호 및 코일의 피크 전류 보호 기능도 구현되어 있다. 그뿐 아니라 부스트 동작 시 배터리 전압이 과도하게 떨어지는 것을 피하기 위해, OTG 모드는 프로그램 가능한 입력부의 평균 전류 제한 기능도 갖추고 있다.

4. 배터리 연료 게이지
전압 모드 연료 게이지는 리튬 이온 배터리의 충전 상태를 정확하게 평가한다. 전원 인가 시 연료 게이지 알고리즘은 전압을 판독한 뒤 배터리 모델링 데이터를 토대로 SOC에 대해 처음 평가한다. 다음에는 전압 변화를 이용해 배터리를 충방전하는 동안 SOC 변화를 추적한다. 외부 소프트웨어 드라이버는 온도 보정 작업을 수행한다.
연료 게이지 블록은 서로 다른 배터리에 적응시킬 수 있다. 프로그램 가능한 파라미터를 이용해 알고리즘을 각각의 배터리 모델에 맞춘다. 최적의 성능을 유지하고 배터리 충방전 시 알아낸 정보를 잃어버리지 않도록, 전원이 차단될 경우 사용자는 디바이스의 휘발성 메모리에 들어 있는 데이터를 저장해야 한다. 그리고 이 데이터를 전원 인가 시 복구시켜야 한다.
STBCFG01은 또한 배터리 전압 저하 및 SOC 저하 상태를 알리기 위한 프로그래머블 알람 기능도 제공한다.
연료 게이지의 정확도를 오류율 0.5%로 향상시키고 전류 소모(25㎂)를 줄이는 데 스위치드 캐패시터(SC) 기법을 이용하며, 완전 차동 입출력 구조인 14비트 델타-시그마 변조기가 있다. ADC도 네스티드 초퍼(Nested Choppers)와 디지털 이동 평균 필터 같은 첨단 기법들을 통해 오류를 줄인다. 이 디바이스는 완전히 프로그램할 수 있으므로 다른 배터리에도 적용 가능하다.

 ‌STBCFG01의 평가 툴

1. STBCFG01의 평가 보드

STEVAL-ISB033V1은 STBCFG01의 기능에 완전히 접근할 수 있도록 하며, 사용자가 평가 벤치를 신속하게 설정하여 디바이스의 성능을 실제 애플리케이션에서 테스트할 수 있도록 한다.
이 보드는 적절히 작동하는 데 필요한 모든 수동 부품들을 포함하고 있으며, 디바이스의 전압 수준을 모니터링하기 위한 테스트 포인트를 여러 개 제공한다. 헤더 커넥터는 I2C 인터페이스와 디지털 IO에 접근하며 파워서플라이에 연결할 수 있도록 한다. 마이크로 USB 리셉터클을 이용하면 USB 포트나 콘센트 충전기로부터 보드에 전력을 공급할 수 있다.
최적의 충전 및 연료 게이지 성능을 구현하기 위해, 배터리 헤더 커넥터(그림 4의 J9)에는 두 개의 전압 감지 핀이 준비되어 있는데, 이것은 배터리 전압 감지 라인들을 배터리 팩의 양극 및 음극 단자에 가능한 한 가까이 연결시키기 위해 사용된다. 이는 PCB 트랙과의 연결선에서 충방전 전류에 의해 발생하는 전압강하를 배터리 전압 평가에서 제외시킬 수 있도록 한다.
전압강하의 효과는 두 가지이다. 충전 시 전압강하가 배터리 전압 측정에 포함된다면 충전 주기의 정전압 단계(CV, 그림 2 참조) 시작 부분을 예상할 수 있다. VFLOAT 임계값(목표 충전 전압)에 도달하는 것은 실제 배터리 팩 전압이 예상보다 낮을 경우(측정된 전압＝Vbat＋Vdrop)로, 이는 충전 시간을 증가시키며 충전 전류가 높을 경우에는 그 증가 정도가 상당히 클 수 있다. 연료 게이지의 관점에서 볼 때, 충전과 방전 시의 전압강하로 인해 발생하는 오프셋은 SOC 평가의 정확성에 큰 영향을 미칠 수 있다.
배터리의 헤더 커넥터는 배터리의 연결이나 분리를 감지하는 데 사용되는 배터리 감지 핀(RID)도 포함하고 있다. 이 기능은 배터리를 삽입하거나 배터리를 교체할 경우 연료 게이지가 정확한 시작 지점을 SOC 평가 알고리즘에게 제공할 수 있도록 해주므로 매우 중요하다.
RID 핀은 배터리의 식별 저항기 접촉부나 NTC 서미스터 접촉부에 연결해야 한다.

2. STBCFG01의 평가 소프트웨어
STEVAL-ISB033V1을 사용하면 디바이스의 성능을 고객의 애플리케이션에서 직접 평가할 수 있지만, 요청 시 USB-GPIO 인터페이스 보드와 “STBCFG01 GUI” 제어 소프트웨어도 출하 가능하다. 이러한 조합은 디바이스의 모든 구성 레지스터들을 액세스하고 이들의 상태를 모니터링할 수 있는 사용자 친화적인 인터페이스를 제공한다. 이 인터페이스 보드는 USB 인터페이스를 이용하여 제어 소프트웨어를 실행하는 PC에 연결되며, I2C 버스는 STBCFG01 평가 보드를 제어하는 데 사용된다.
STBCFG01 GUI는 서로 다른 네 가지 탭으로 정리되어 있다. ‘애플리케이션’ 탭(그림 6)은 디바이스 상태, 배터리 전압 및 SOC에 대한 개요를 신속하게 제공하며, 전형적인 애플리케이션 도표를 표시해 준다. 이 탭에는 오토 리드(Auto Read) 기능의 활성화 버튼도 포함되어 있는데, 이 기능은 전체 레지스터 세트를 끊임없이 판독하여 인터페이스가 표시하는 데이터를 최신 버전으로 유지한다.
‘연료 게이지 레지스터’ 탭(그림 7)은 연료 게이지 레지스터를 액세스할 수 있도록 한다. 사용자는 이 탭으로 연료 게이지 기능을 활성화/비활성화시키고, 연료 게이지 데이터(배터리 전압, SOC 및 개회로 전압)를 판독하며, VM_CNF 파라미터를 통해 연료 게이지 알고리즘을 미세 조정할 수 있다. 배터리 전압과 SOC 알람에 대한 제어 기능도 제공된다
(알람 활성화, 임계값 설정 및 소거 명령). 알람 상태 비트와 배터리 연결 감지기가 표시되며, OTG 모드 활성화 제어 비트도 포함되어 있다.
이와 유사하게, ‘충전기 레지스터’ 탭(그림 8)에는 배터리 충전기를 제어 및 구성하기 위해 필요한 모든 레지스터들이 두 개의 서브 탭(레지스터 주소 0x90∼0x95와 0x96∼0x9A)으로 그룹화되어 포함되어 있다. 모든 충전 파라미터들(충전 전류, 충전 전압, 입력 전류 한계 등)과 특수한 충전 기능들은 이 탭으로 설정할 수 있다. 충전기 상태 정보도 완전한 인터럽트 구성 기능과 함께 제공된다.
그리고 ‘LOG’ 탭은 실행된 모든 작업들의 목록과 USB-GPIO 인터페이스 보드의 펌웨어 버전을 표시한다. 더 자세한 내용을 확인할 수 있는 GUI 사용자 매뉴얼도 제공되고 있다.

그림 10. 충전 시스템의 기생 효과

그림 11. STBCFG01의 충전 프로필

3. STBCFG01의 충전 성능
그림 9는 전형적인 충전 프로필을 나타낸 것이다. 여기서 VBUS는 충전기의 입력 전압이고 IBUS는 충전기의 입력 전류, VBAT/IBAT는 배터리 전압/전류이다.
정전류 단계에서 충전 전류는 최대값이며 배터리 전압은 증가한다. 배터리 전압이 목표 전압(VFLOAT)에 도달하면 일정하게 유지되며, 전류는 종료 임계값에 도달할 때까지 점점 감소한다.
그림 10을 참조하면, 충전 전류가 감소 추세를 보이는 것은 배터리 팩의 내부 임피던스(RI), 그리고 배터리 단자에서 충전 장치의 양극 및 음극 감지 단자까지의 기생 저항(RP2, RP3)으로 인한 것이다. 충전 장치가 배터리 전압 감지 단자들 사이의 전압(VSENS)을 일정하게 유지하는 한편, 내부 배터리 팩의 전압(VCELL)은 정전압 단계에서 계속 증가된다. 이는 배터리의 내부 임피던스를 떨어뜨리고 기생 저항(RI＋RP2＋RP)을 감소시키므로 충전 전류도 감소하게 된다.
앞에서 이미 언급했듯이 RI, RP2, RP3의 전압 강하는 충전기가 예상보다 빨리(VCELL이 VFLOAT에 도달하기 전에) 정전압(CV) 상태가 되도록 하여, 충전 전류 수준이 높은 상태에서 충전 시간 증가를 초래한다. 이러한 현상을 완화시키고 정전류 단계의 지속 시간을 연장시키기 위해, STBCFG01은 감지되는 배터리 전압이 목표 전압보다 다소 높을 때 CV 단계로 들어간다. 일단 CV 단계가 시작되고 나면, 목표 전압은 자동적으로 공칭 배터리 충전 전압으로 낮아진다. 이것은 그림 11의 충전 프로필에서 확인할 수 있다. CV 단계가 시작될 때 충전 전압(적색 곡선)은 최종 값으로 감소된다. 충전 전류도 이에 맞춰 감소된다.

4. STBCFG01의 연료 게이지 성능
리튬 이온 배터리의 충전 상태(SOC)를 정확히 평가하는 것은 모바일 애플리케이션에 있어서 매우 중요하다. 이는 최종 사용자에게 남은 배터리 수명에 대한 추정치를 제공하는데, 이것은 충전 상태가 배터리 방전 임계값에 도달하기 시작할 경우 중요한 정보가 된다. 정확한 SOC 평가는 장치의 작동이 갑작스럽고 예기치 않게 정지되는 사태를 피하고, 장치의 운영체제가 시스템 차단 전압에 도달하기 전에 중요한 데이터를 저장할 수 있도록 해준다.
방전된 리튬 이온 배터리에서 SOC와 개회로 전압(OCV) 사이에는 분명한 관계가 있다. 배터리는 가장 최근의 고전류 충방전 동작(|I| > IRLX) 이래 특정한 시간(tRLX)이 지났을 경우 방전된 것으로 간주된다. IRLX와 tRLX는 SOC와 OCV 사이의 관계와 함께 특정 배터리 화합물과 연관이 있는 파라미터들이다. 그림 12는 대용량 4.35V 리튬 이온 배터리의 전형적인 SOC/OCV 곡선을 나타낸 것이다.

그림 12. 개회로 전압과 충전 상태 비교

그림 13. OCV 오류가 SOC 오류로 확대된다

STBCFG01은 배터리 전원이 처음 애플리케이션에 연결되었을 때 OCV 곡선을 이용하여 배터리의 SOC를 감지한 뒤, 배터리 전압의 지속적인 모니터링을 통해 SOC의 변화를 알아낸다. 또한 배터리 연결이 끊어지는 것이 감지될 때마다 배터리 전압과 RID 입력의 정보를 결합하여 SOC의 시작점을 다시 한 번 평가한다.
STBCFG01 내부의 LUT에 일반적인 OCV 곡선이 저장되어 있지만, 정확성을 높이기 위해 애플리케이션에 사용될 배터리는 OCV 곡선과 조절 파라미터들을 추출하기 위한 특성 분석이 이루어져야 한다. 그림 13의 경우 초기의 SOC 평가에서 수용 가능한 오류율을 달성하기 위해서는, OCV의 정확한 판독이 필수적이라는 것을 알 수 있다. 이 곡선의 매우 낮은 경사 부분으로부터, OCV 판독에서의 작은 오류(ΔV)가 SOC의 커다란 오류(ΔSOC)로 확대된다는 것을 알 수 있다. 때문에 STBCFG01은 고정밀도의 14비트 델타-시그마 변조기가 연료 게이지 블록에 통합되어 있다.

그림 14. 충전 시 연료 게이지 정확성

그림 14, 그림 15는 휴대폰 애플리케이션에서 STBCFG01을 이용해 실제 충전 및 방전 주기로부터 추출한 전형적인 정확도 성능이다. 오류 곡선은 STBCFG01에 의해 계산된 SOC와 이상적인 SOC를 비교해서 얻는다. 이상적인 SOC는 고정밀도의 전류계를 이용해 배터리로 흘러 들어오는(충전) 전류나 배터리에서 흘러 나가는(방전) 전류를 측정하여 계산된다. 오류율은 ±5%보다 훨씬 작은 수치이며, 전압 모드 연료 게이지로서는 매우 훌륭한 성능이다.

그림 15. 방전 시 연료 게이지 정확성

STBCFG01은 하나의 칩에 고효율의 스위칭 배터리 충전기와 전압 모드 연료 게이지가 결합되어 있다. 단일 칩 솔루션이므로 PCB 공간과 다수의 외부 부품들이 절약된다. 전압 모드 연료 게이지는 어떤 외부 감지 저항기도 필요 없이, 자체적인 고정밀도 ADC 컨버터와 고성능 연료 게이징 알고리즘을 통해 높은 정확도를 제공한다. STBCFG01은 콤팩트한 패키지로 제공되는 다수의 프로그래머블 충전 파라미터들과 연료 게이지 기능 덕분에 중급 스마트폰 플랫폼과 중간급 배터리 용량의 모바일 애플리케이션을 위한 비용 효율적인 솔루션으로 자리매김하고 있다.

Agatino Alessandro, Adele Castorina, Giorgio Catanzaro, Barbaro Marano, Federico Musarra   
STMicroelectronics