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기술정보 벅-부스트와 USB Type C™ 전력 공급 방식을 사용한 전력 밀도 극대화

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 10회 작성일 20-09-11 15:14

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최근 몇 년 사이에 벅-부스트 충전기의 인기가 갈수록 높아지고 있다. 벅-부스트 충전기를 사용함으로써 입력 전압이 배터리 전압보다 높거나 낮은 것에 상관없이 어떤 입력 소스로도 배터리를 충전할 수 있다.

USB Type-C는 범용 어댑터에 대한 로드맵을 제시하며, 이를 통해 전자 폐기물을 줄일 수 있다. USB Type-C 커넥터는 단일화되어 있으나, 어댑터 전력 사용량과 전압은 기존의 5V USB 어댑터부터 5V~20V 범위까지 전압을 제공할 수 있는 USB PD 어댑터까지 여전히 편차가 크다. 또한, 각각의 휴대 기기마다 배터리 셀 수가 다를 수 있다. 이처럼 입력 전압과 배터리 전압의 가변성은 배터리 충전기용 IC에 있어서 벅-부스트 토폴로지를 요구한다. 높은 전력 밀도를 달성하기 위해서는 벅-부스트 충전기로 주요 충전 기능을 통합하는 것은 물론, USB PD 내의 부하 스위치와 DC/DC 컨버터 같은 추가 부품의 통합을 통해 시스템 설계를 간소화하고, BOM 비용은 절감하며, 전반적인 솔루션 크기를 줄일 수 있다. 그림 1은 USB PD 충전 솔루션의 시스템 블록 다이어그램을 보여준다.

USB OTG 사양을 지원하기 위해서는 한 개의 DC/D C 컨버터가 배터리를 방전시켜 VBUS에서 조정 전압을 구축해 어댑터가 없을 때도 외부 디바이스를 구동한다. USB Type-C 포트가 FRS(Fast roll swap)를 요구하는 경우에는, USB Type-C 포트로 어댑터가 연결되어 있더라도 DC/DC 컨버터가 항상 켜져 있어야 하고 대기 상태로 있어야 한다. 어댑터의 연결이 끊어지면, 방전 전원 경로의 백투백(Back-to-Back) MOSFET이 켜지며 U3 출력 전압을 VBUS로 전달하고, 전달된 VBUS 전압을 유지한다. 이와 같이 DC/DC 컨버터를 항상 대기 상태로 켜두면, 실제로 전체 시스템에서 대기 전류로 인한 추가적인 손실이 발생한다.

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그림 2는 USB PD 충전 솔루션으로 시스템 설계를 간소화할 수 있는 고도로 통합된 벅-부스트 충전기를 보여준다. 첫째로, 입력 전류 감지 기능이 충전기에 통합되어 있다. 이 충전기는 입력 전류를 감지해 입력 전류를 조절하고, 입력 과전류 보호 기능을 제공해 어댑터의 과부하를 방지한다. 또한, 입력 과전압과 과전류 보호 회로의 일부인 외부 백투백 MOSFET에 대한 제어 논리와 구동 회로도 충전기에 통합되어 있어서 블록 다이어그램에서 입력 전력 경로 관리와 입력 전류 감지를 위한 부품들을 제거할 수 있다.

네 개의 FET으로 이루어진 벅-부스트 컨버터로 양방향 동작을 구현함으로써 충전기가 OTG 모드를 지원할 수 있다. 어댑터가 연결되어 있을 때는 VBUS에서 배터리로 전력이 흐르면서 순방향 충전 모드로 작동한다. 어댑터가 연결되지 않았을 때는 그와 반대로 전력 흐름이 배터리에서 VBUS로 이루어진다. VBUS의 OTG 모드 출력 전압은 USB PD 3.0 사양과 호환되는 10mV 간격의 프로그래밍 가능한 스텝 크기로 2.8V부터 22V까지 전체적인 USB PD 전압 범위를 커버한다.

또한, USB Type-C 포트용 FRS를 지원하기 위해 이 통합 벅-부스트 충전기는 새로운 백업 모드를 구현한다. 여기서, 백업 모드는 버스 전압이 충돌하지 않으면서 벅-부스트 충전기가 순방향 충전 모드에서 역방향 O TG 모드로 재빨리 전환되는 것을 말한다. 그림 3의 애플리케이션 다이어그램을 보면 어댑터가 USB 포트에 연결되어 있고, 벅-부스트 전력단을 통해서 시스템을 구동하고 배터리를 충전한다. 동시에 어댑터가 충전기의 PMID 출력에서 액세서리에도 전원을 공급할 수 있다. 어댑터와 연결이 끊어지면 배터리 내부의 FET이 계속해서 시스템에 전원을 공급할 수 있지만, PMID의 액세서리에는 전원이 공급되지 않을 수도 있다.

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백업 모드를 활성화하면 충전기가 VBUS 전압을 모니터링할 수 있다. VBUS 전압이 사전에 설정된 임계값보다 낮아지는 것은 어댑터가 분리되었다는 것을 의미한다. 어댑터가 분리된 것을 감지하면 충전기가 최소한의 지연 시간으로 순방향 충전 모드에서 OTG 모드로 전환하고, 배터리를 방전해서 VBUS 전압으로 변환하고 스스로 FRS를 달성한다. 어댑터가 제거되면 시스템과 액세서리를 구동하기 위한 소스가 원활하게 어댑터에서 배터리로 전환되어 블록 다이어그램에서 OTG 모드와 FRS에 필요로 하는 DC/DC 컨버터를 제거할 수 있다.

그림 4는 FRS용 충전기 백업 모드의 테스트 파형을 보여준다. 9V 어댑터는 입력 전압으로 USB1에 연결된다. ACFET1-RBFET1를 켜면 VBUS가 어댑터로 단락된다. PMID에는 1-A 액세서리 전류가 있고, BAT에는 1-A 충전 전류가 있다고 가정해보자. 9V 어댑터 전압(VAC)이 제거되더라도 PMID와 VBUS는 여전히 5V에서 조절하며, 1A PMID 부하에 지속적으로 전원을 공급할 수 있다.

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TI가 최근에 출시한 벅-부스트 충전기 BQ25790과 BQ 25792는 이러한 모든 특징들을 결합함으로써 USB PD 충전 솔루션의 시스템 설계를 간소화한다. 이 충전기들은 전체적인 USB PD 입력 전압 범위를 비롯한 3.6V~24V 입력 전압에서 직렬로 1s부터 4s로 이루어진 배터리를 충전할 수 있다.

이 제품은 2.9mm×3.3mm WCSP나 4mm×4mm QF N 패키지로 제공된다. 전체적인 충전 솔루션은 45W의 전력을 공급할 수 있으며, 경쟁 디바이스들에 비해 약 두 배 더 높은 100W/in2(150mV/mm2)의 전력 밀도를 달성한다.