[Technical Focus]
멀티 셀 배터리 애플리케이션을 위해 좁은 전압 DC/DC 시스템 버스를 제공하는 태양광 충전 솔루션

MPPT와 배터리 분리 회로에 연결된 NVDC 충전 IC 아키텍처는 표준 충전 아키텍처에 비해 몇 가지 이점이 있다. 이는 적절한 작동 조건에 따라 배터리를 시스템에 지능적으로 연결 및 분리하여 시스템의 필요에 의해 태양 전지판의 출력 전력을 최적화할 수 있도록 한다. 충전 IC는 또한 좁은 시스템 작동 전압을 제공하므로 배터리 효율을 최적화하고 수명을 늘린다.

Wang Li/Michael Day Texas Instruments

태양광 전력 시스템은 일반적으로 태양 전지판의 출력 전압 변동이 크므로 매우 넓은 입력전압 범위서 작동해야 한다. 이 넓은 작동 범위는 다양한 밝기 조건에 의해 태양 전지에서 최대 전력을 소비하는 시스템의 능력을 제한한다. 최대 전력점(MPP)에서 태양 전지를 작동시키는 동시에 시스템의 입력 전압 범위를 제한하는 것을 이상적인 태양광 충전 애플리케이션으로 생각할 수 있다. 이러한 목표를 달성하려면 좁은 전압 DC/DC(NVDC) 배터리 충전 아키텍처와 태양광 충전 IC 설계를 통합하면 된다. 시스템 전력 버스를 위한 전압 범위가 좁으면 시스템 효율을 높이고 배터리 충전 시간을 최소화하며 배터리 작동 시간을 연장시켜준다.

여기서는 태양광 충전 애플리케이션에서 NVDC 충전 아키텍처를 살펴보고 배터리 과열, 방전된 배터리, 완전히 충전된 배터리 및 시스템 전류 과부하와 같은 각종 작동 조건에 따라 충전 IC 작동이 가능한 회로를 소개한다.

기존의 충전 IC 토폴로지



그림 1은 고전력 스위칭 충전 IC에 사용되는 기존의 충전 IC 토폴로지를 나타낸 것이다. 이 토폴로지의 대표적인 애플리케이션으로는 노트북 충전을 들 수 있다. 한 가지 단점은 시스템의 넓은 동작 전압 범위인데, 이는 하류 회로(1)를 위한 전력 레일을 생성하기 위해 더 비싸고 효율이 떨어지는 전원 공급 장치를 필요로 한다. 시스템 전압은 가장 높은 AC 어댑터 전압(일반적으로 경부하 어댑터에서 22V)에서 가장 낮은 배터리 전압인 3S2P 랩톱 배터리 팩을 위한 9V에 이르기까지 범위가 다양하다(3S2P는 배터리 3개를 직렬로 접속하고 이들 직렬 접속 2개를 병렬로 접속한 것의 약어이다).

AC 어댑터가 개입되면, 전력 경로 선택기 MOSFET(Q1과 Q2)은 켜지고 배터리 MOSFET(Q3)은 꺼진다. AC 어댑터 전압은 시스템 전압과 배터리 충전 IC 입력 양쪽에 인가되어 양쪽 회로에 동시에 전력이 공급된다. 입력전압 저하, 과전류 상태, 어댑터 접속 해제로 인해 AC 어댑터 전압이 떨어질 경우 배터리 전력이 어댑터로 거꾸로 흐르는 것을 방지하기 위해 Q1과 Q2가 꺼지게 된다. Q3이 켜지고 배터리 팩 전압을 시스템에 직접 연결시킨다. 이러한 방식으로 시스템에는 어댑터 또는 배터리에서 항상 전력이 공급된다.

태양광 구동 충전 IC의 요건

그림 1의 배터리 충전 IC 아키텍처는 AC 어댑터를 사용하는 시스템용으로 무난하지만, 입력 전류를 제한하는 수단이 없으므로 태양광 충전 애플리케이션에는 이상적이지 않다.

태양 전지에 있어서 배터리 충전 시간과 태양 전지의 크기 및 가격을 최소화할 수 있도록 항상 해당 MPP에서 작동하게 하려면 충전 IC에 전류 제한 장치가 필요하다. 기존의 벽면 장착형 AC 어댑터와 달리, 태양 전지는 그 부하전류 전체에 걸쳐 매우 엄격한 제어 형태로 작동되어야 한다.

그림 2에는 일정 밝기 조건에 따른 전형적인 태양 전지의 VI 특성을 나타낸 것인데, 이 개념의 설명을 도와주고 있다. 실선은 태양 전지판의 전압이 변동하는 데 따른 출력 전류이고 점선은 출력 전력이다. 공급되는 전류가 증가함에 따라 전지판의 전압이 떨어지므로 MPP는 특정 전압과 전류에서 생성된다.

태양 전지의 MPP는 밝기 조건과 온도에 따라 변동한다. 매우 적은 충전 전류와 시스템 전류가 필요할 경우, 태양 전지는 MPP 아래인 그림 2의 A점에서 작동할 수 있다. 시스템이 필요로 하는 전력을 얻었으므로 태양 전지는 가능한 최대 전력보다 더 적은 전력을 공급한다. 그러나, 배터리에 전류를 충전하거나 시스템 전력 요구사항이 증가할 경우 충전 IC는 더 많은 전류를 끌어들이고 태양 전지는 그림 2의 B점에서 작동한다.

태양 전지의 출력 전류는 B점에서 증가했지만 전압 저하로 인해 실제 공급된 전력은 감소되었다. 태양 전지에서 전력이 감소하면 배터리 충전 시간은 늘어난다. 잘 설계된 태양 전지 충전 IC에는 태양 전지의 전체 전류를 컨트롤하는 회로 소자뿐만 아니라 전지가 MPP에서 작동할 수 있도록 태양 전지를 시스템에서 분리하는 회로 소자가 포함되어 있다. 이 회로 소자의 조합은 태양 전지의 유효 전력을 모두 이용할 수 있도록 하므로, 설계자가 충전 요건에 맞추기 위해 태양 전지의 규모를 늘리지 않아도 되기 때문에 더 저렴한 시스템을 제공할 수 있다.



최대 전력점 추적의 원리

태양 전지 충전 IC의 경우 충전 IC가 태양 전지의 최대 전력보다 더 많은 양을 소비하는 것을 방지하기 위해 최대 전력점 추적(MPPT) 회로 소자라고 하는 특수한 회로가 준비되어 있다. 이 회로는 전형적으로 태양 전지의 MPP에 대응하는 최소 작동 전압을 설정하는 방식으로 실행된다.

그림 2에서 태양 전지를 사용한 설계는 태양 전지의 전압이 VMPP 이상으로 유지되는 경우에 한해 충전 IC와 시스템이 태양 전지에서 전류를 나오게 할 수 있다. 전류가 VMPP로 떨어지는 점까지 증가할 경우, 충전 IC의 특수한 컨트롤 루프로 전환되어 태양 전지의 전압이 VMPP로 유지되도록 태양 전지에서의 전체 전류를 제어한다. 이 작동점에서 태양 전지는 최대 전력을 공급한다. 시스템 부하에 사용되지 않는 전력은 배터리 충전에 사용된다. 이 전압에 기반을 둔 MPPT 회로는 태양 전지 조명 수준이 바뀌더라도 최대 전력을 제공할 정도로 상당히 정확하다.

감소된 태양광이 태양 전지의 최대 전력과 전류 능력을 낮추지만, MPP는 여전히 거의 같은 전압² 에서 달성된다. 전압에 기반을 둔 MPPT 회로는 전형적으로 배터리 충전 IC³의 외부 저항기 단 두 개로 구성되어 있다. 다른 모든 회로는 충전 IC 자체에 통합되어 있다. 태양 전지의 VMPP는 온도에 따라 크게 변동한다. 필요할 경우, 온도에 따라 태양 전지의 VMPP 변동을 추적하기 위해 추가적인 회로를 사용할 수 있다. 또한 온도에 따른 MPP 추적은 충전 시간을 40%⁴로 단축시킬 수 있다

NVDC 충전 아키텍처 추가



그림 3은 좁은 전압 DC/DC(NVDC) 충전 아키텍처가 태양 전지를 시스템에서 분리하는 방법을 나타낸 것이다. 시스템은 전력 경로 선택기 FET를 경유하여 태양 전지에 접속되지 않고 직접 배터리에 접속된다. 시스템 전압은 어댑터 또는 태양 전지의 입력 전압과 무관하게 배터리 전압과 동일하다. 작동 전압이 좁으면 설계자가 규모, 비용과 효율¹ 을 위해 시스템 전력 공급 장치를 최적화할 수 있으며 배터리 FET도 필요하지 않다.

NVDC 아키텍처는 충전 IC를 통해 모든 전류가 공급되므로 태양광 충전에 유용하다. 이것은 MPPT 회로가 태양 전지로부터 전체 전류를 효과적으로 컨트롤하여 최대 정격 전력으로 작동할 수 있도록 한다.

그림 3과 같이 시스템을 직접 배터리에 연결하는 것은 상당한 이점이 있지만, 고려해야 할 특정 작동 조건에서의 단점도 갖고 있다. 조건은 다음과 같다.

① 배터리 전압이 배터리의 사전 충전 전압보다 낮을 경우, 배터리 전류는 사전 충전 전류로 제한되어야 하는데 이는 시스템을 작동시키는 데 충분하지 않다.

② 배터리 온도가 충전용 허용 범위를 벗어날 경우, 충전 IC를 충전할 수 없게 되어야 하는데 이렇게 되면 시스템 전력도 사용할 수 없다.

③ 배터리가 완전히 충전된 경우, 배터리 수명을 연장하기 위해 충전원으로부터 분리해야 하지만 시스템은 작동 상태로 유지되어야 한다.

이러한 조건은 모두 FET Q4와 Q5를 NVDC 아키텍처에 추가함으로써 해결할 수 있다(그림 4 참조). 가스 게이지 또는 호스트 컨트롤러는 전압, 전류와 배터리 온도를 감시하면서 작동 조건에 따라 이들 입력에 있어서 배터리와 충전 IC를 접속 및 분리하는 FET를 컨트롤하기 위해 사용한다. 호스트는 작동 조건을 지속적으로 감시하면서 시스템의 요구에 따라 충전 IC의 성능을 조절하는 A/D 컨버터를 가진 마이크로 프로세서만큼 복잡하거나, 배터리 전압과 온도를 감시하는 독립적인 회로처럼 간단할 수도 있다.

상당히 방전된 배터리는 충전에 앞서 전처리를 해야 한다. 전형적인 리튬 이온(Li-Ion) 배터리에는 충전 IC가 배터리 전압이 특정 전압(전형적으로 셀당 3V) 이상으로 높아질 때까지 급속 충전 전류의 1/10에 해당하는 사전충전 전류를 인가할 필요가 있다. 호스트에서 배터리 전압이 특정 사전 충전 전압 미만(VBAT ＜ VPRECHG)이라는 것을 검출할 경우, Q5를 켜고 RPRECHG를 통해 사전 충전 전류를 공급한다. RPRECHG의 값은 배터리 전압이 완전히 방전된 경우에 최대 허용 사전 충전 전류를 제공하도록 선택된다. 이 작동 방식에서, 시스템은 효과적으로 배터리 전압으로부터 분리되어 충전 IC가 방전된 배터리에 대해서도 NVDC 조절 전압을 유지할 수 있도록 한다.

배터리 전압이 사전 충전 전압 이상으로 높아질 경우, 호스트는 Q5를 끄고 Q4를 켜서 배터리와 시스템을 효과적으로 단락시킨다. 배터리 충전 전류는 충전 IC의 최대 출력 전류에서 시스템으로 유입되는 전류를 뺀 값까지 증가한다. 시스템 전류가 충전 IC의 급속 충전 전류를 초과할 경우에는 전류가 배터리에서 시스템으로 유입되는 보충 방식으로 전환된다.

호스트가 온도 초과 또는 온도 미달 장애 상태를 검출했다면 Q4, Q5를 모두 끈다. 이렇게 하면 배터리 충전은 중지시키지만 충전 IC가 계속해서 시스템에 전력을 공급할 수 있게 된다. 호스트는 또한 배터리가 완전히 충전된 전압에 도달한 경우, 배터리 수명을 늘리기 위해 Q4와 Q5를 끌 수도 있다. 배터리 분리 회로에 대한 자세한 내용은 참고문헌 5에서 확인하기 바란다.

참 고 문 헌

이 기사와 관련된 자세한 내용은 www.ti.com/lit/litnumber에서 다음과 같은 자료에 대해 "litnumber"를 TI Lit.#으로 바꾼 후 Acrobat® Reader® 파일로 다운로드 할 수 있다.

문서 제목 … TI 문서번호.#

(1) Xiaoguo Liang, Gnanavel Jayakanthan, and Meng Wang, "Design considerations for narrow Vdc based power delivery architecture in mobile computing systems," in Proc. Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Palm Springs, CA, 2010, pp. 794–800 [Online]. Available: http://ieeexplore.ieee.org

(2) Lokesh Ghulyani, "Simple MPPT-based lead acid charger using bq2031," Application Report … SLVA378

(3) "Synchronous switch-mode battery charge controller for solar power with maximum power point tracking," bq24650 Datasheet . . .SLUSA75

(4) Jared Casey, "Maximum power point tracking with the bq24650 charger," Application Report … SLUA586

(5) Wang Li, "A discrete narrow voltage DC/DC (NVDC) charger solution for multi-cell batteries," Application Report … SLUA620