개요: 충전형 배터리가 들어있는 모든 기기는 배터리가 연결되어 있을 때 USB 전원을 사용하여 배터리를 충전한다. 이 애플리케이션 노트에서는 USB로 이용가능한 전원과 이 전원이 어떻게 배터리 충전에 이용되는지에 대해 설명한다. 회로와 약간의 힌트도 제공된다.
USB 인터페이스 규격에는 기기에 전원을 공급하는 성능이 포함된다. 과거 직렬 및 병렬 포트로부터 진보된 이 변화로 PC에 쉽게 연결할 수 있는 다양한 기기들이 급격하게 증가하게 되었다.
USB 전원을 이용하는 방법 중의 하나가 배터리 충전*이다. MP3플레이어나 PDA와 같은 많은 휴대용 기기들이 PC와 정보를 교환하기 때문에 배터리 충전이나 데이터 교환이 한 케이블에서 동시에 이루어진다면 기기의 편의성이 매우 향상된다. USB와 배터리 전원공급 성능을 조합하면 PC에 연결되었든 안 되었든 간에 동작하는 이동이 가능한 웹 카메라와 같이 전 영역에 걸친 “케이블에 구애받지 않는” 다양한 기기가 가능하게 된다. 많은 경우에 더 이상 불편한 AC 어댑터나 “벽에 혹”을 달지 않아도 된다.
USB를 이용한 배터리 충전은 USB 기기의 요구사항에 따라 복잡하거나 직접적일 수 있다. 설계는 “비용”, “사이즈” 및 “무게” 등의 변수 외에도 영향을 줄 수 있다. 기타 주요할 고려사항은 다음과 같다. 1) 배터리가 방전된 기기가 USB 포트에 꽂았을 때 얼마나 빨리 모든 동작을 하는가, 2) 배터리 충전에 허용된 시간, 3) USB의 한계 내에서 전원관리, 4) AC 어댑터 충전 포함의 필요 여부. 이런 사항들과 이에 대한 솔루션이 전원 관점에서 USB를 검토한 후 제시될 것이다.
USB 전원
PC 및 노트북과 같은 모든 USB 호스트 기기는 최소한 500mA, 다시 말해, USB 소켓 당 다섯 개의 "단위 부하(unit load)"를 소싱할 수 있다. USB로 볼 때 "하나의 단위 부하"는 100mA이다. 또한 자체 전원공급 방식을 가진 USB 허브는 다섯 개의 단위 부하를 공급할 수 있다. 버스 전원공급 방식의 USB 허브는 단 하나의 단위 부하(100mA)만을 공급할 수 있도록 보장되어 있다. USB 규격에 따르면 케이블의 주변기기 끝단에 있는 USB 호스트 또는 전원공급 허브로부터 사용할 수 있는 최소 전압은 4.5V인 반면, 버스 전원공급 방식의 USB 허브의 최소 전압은 4.35V이다 (그림 1 참조). 이러한 전압들은 일반적으로 4.2V를 필요로 하는 리튬 배터리를 충전하기 위해서는 거의 여유분이 없기 때문에 충전기의 전압강하가 대단히 중요하다.
그림 1. USB 전압 강하 (USB 규격 Rev 2.0).
USB 포트에 접속해 사용하는 모든 기기는 구동 시 100mA 이하의 전원으로 시동해야 한다. 호스트와 통신이 이루어진 후에 이들 기기는 최대 500mA까지 받아들일 수 있는지를 결정하게 된다.
USB 주변기기들은 두 개의 소켓 중에서 하나의 형태로 구성된다. 두 소켓은 모두 PC 및 기타 USB 호스트에 있는 소켓보다 작다. "직렬 B(Series B)"와 이보다 작은 "직렬 미니-B(Series Mini-B)" 소켓들로 그림 2에 나타냈다. 전원은 직렬 B의 핀 1(+5V)과 4(GND)에서, 그리고 직렬 미니-B의 핀 1(+5V)과 5(GND)를 통해 얻어진다.
그림 2. 이러한 USB 주변기기의 소켓들은 호스트와 허브에 있는 커다란 4핀 소켓과는 다르다. 그림에 전원과 데이터 연결 핀이 표시되어 있다.
모든 USB 기기는 일단 연결되면 호스트에 자신의 존재를 식별시켜 주어야 한다. 이 과정을 "에뉴머레이션(enumeration)"이라 한다. 이러한 규칙에는 실용적인 예외도 있는데, 이 부분은 이 글의 말미에서 논의하도록 하겠다. 식별 과정에서 호스트는 USB 기기의 전원 필요량을 판단하고 전원을 공급하며, 기기는 부하를 최대 100mA에서 최대 500mA로 증가시키도록 허락하거나 거부한다.
간단한 USB/AC 어댑터 충전
아주 간단한 일부 기기들은 사용 가능한 USB 전원을 구별하고 최적화하는데 필요한 소프트웨어 오버헤드를 원하지 않을 수도 있다. 기기의 부하 전류가 100mA (USB 용어로 "하나의 단위 부하")로 제한될 경우, 모든 USB 호스트를 비롯해 자체 전원공급 방식 허브, 또는 버스 전원공급 방식 허브가 기기에 전원을 공급할 수 있다. 이러한 설계의 경우 아주 기본적인 충전기 및 레귤레이터 구조를 가지며, 이를 그림 3에 나타내었다.
그림 3. USB로부터 100mA, 혹은 AC 어댑터로부터 350mA의 단순 충전을 할 경우에는 USB 충전전류가 "하나의 단위 부하"(100mA)를 초과하지 않기 때문에 충전기에 대한 에뉴머레이션은 필요치 않다. 3.3V 시스템 부하는 항상 배터리에서 발생된다.
이 회로는 기기가 USB에 도킹되거나 AC 어댑터에 플러그가 꽂아질 때마다 배터리를 충전한다. 동시에 시스템 부하는 최대 200mA를 공급할 수 있는 간단한 선형 레귤레이터(U2)를 통해 항상 배터리에 연결되어 있다. 만약 배터리가 USB로부터 100mA에서 충전되는 동안 시스템이 계속해서 그만큼의 전류를 소비한다면 부하 전류가 충전전류를 초과하기 때문에 배터리는 계속 방전될 것이다. 대부분의 소형 시스템에서 피크 부하는 총 동작시간 중 극히 일부분에서만 발생하므로 평균 부하 전류가 충전전류보다는 적기 때문에 배터리는 계속 충전될 것이다. AC 어댑터가 연결될 경우, 충전기(U1)의 최대 전류는 350mA로 증가한다. 만약 USB와 AC 어댑터가 동시에 연결될 경우에는 AC 어댑터에 자동으로 우선순위가 부여된다.
USB 규격에서 요구하는(또한 일반적으로 충전기의 입장에서 보면 현명한) U1의 한가지 특성은 배터리나 다른 전원 입력으로부터 들어온 전원의 역류가 허용되지 않는다는 점이다. 기존 충전기에서는 입력 다이오드를 사용하여 이를 보장할 수 있지만, 최소 USB 전압(4.35V)과 요구되는 리튬 배터리 전압(4.2V) 간의 약간의 차이 때문에 쇼트키 다이오드조차 적절한 해결책이 되지 못한다. 이러한 이유 때문에 모든 역 전류 경로는 U1 IC 내에서 차단된다.
그림 3의 회로는 일부 재충전 USB 기기에는 부적절한 한계점이 있다. 가장 명백한 것은 상대적으로 낮은 충전전류 때문이다. 만약 리튬 이온 배터리 용량이 시간당 수백mA 이상을 필요로 하게 될 경우에는 충전 시간이 길어지게 된다. 두 번째 문제는 부하(선형 레귤레이터 입력)가 항상 배터리에 연결되어 있기 때문에 발생하는 것이다. 이 경우, 시스템은 배터리가 시스템이 동작하기에 충분한 전압에 도달하기 전에 지연이 발생할 수 있기 때문에 배터리가 심하게 방전된 경우 시스템은 플러그를 꽂는 즉시 동작하지 않을 수 있다.
부하 스위칭 및 기타 개선사항
좀 더 진보된 시스템에서는 충전기 내외부에 여러 가지 기능 향상을 필요로 한다. 예를 들어, 소스(USB 또는 AC 어댑터) 또는 배터리의 전류 능력에 맞추어 충전전류를 선택하거나 전원 플러그가 꽂아질 때 부하 스위칭을 하거나 과전압을 보호할 수 있는 기능 등이다. 그림 4의 회로는 충전기 IC의 전압 검출기에 의해 구동되는 외부 MOSFET을 사용하여 이러한 기능들을 추가한 것이다.
그림 4. SOT-23 전원 MOSFET은 과전압 보호 및 외부 전원 적용 시 배터리 차단과 같은 유용한 기능을 제공한다. 능동 전원 소스는 배터리가 무부하 상태로 충전되는 동안 직접적으로 시스템을 구동한다.
MOSFET Q1과 Q2, 그리고 다이오드 D1과 D2는 배터리를 바이패스하여 능동(USB 또는 AC 어댑터) 전원 입력을 직접적으로 부하에 연결한다. 전원 입력이 유효할 경우에 모니터 출력(UOK＼ 또는 DCOK＼)이 낮아져 적절한 MOSFET을 구동시키게 된다. 두 개의 입력이 모두 유효할 경우에는 DC 입력이 우선권을 가진다. 즉 U1은 두 개의 입력이 동시에 능동 입력이 되는 것을 방지하게 된다. 다이오드 D1과 D2는 "시스템 부하" 전원 경로를 통해 입력 간에 역전류가 흐르는 것을 방지하고, 충전기는(BATT에서) 충전 경로를 통한 역전류를 방지하기 위한 내장 회로를 집적하고 있다.
또한 MOSFET Q2는 최대 18V의 AC 어댑터 과전압 보호 기능을 제공한다. 저/과전압 모니터(DC에서)는 AC 어댑터 전압이 4V ~ 6.25V 사이에 있을 경우에만 충전을 허용한다.
마지막 MOSFET Q3은 유효한 외부 전원이 존재하지 않을 경우 배터리를 부하에 연결하기 위해 작동된다. USB 또는 DC 전원이 연결되면, 파워 온(PON) 출력은 즉시 Q3를 닫아 배터리와 부하를 분리시킨다. 따라서 배터리가 심하게 방전되거나 손상된 경우에도 시스템은 외부 전원이 공급되는 즉시 동작할 수 있다.
USB가 연결되면, USB 기기는 호스트와 통신하여 부하 전류를 증가시킬 수 있는지 판단하게 된다. 부하는 하나의 단위 부하에서 시작하여 호스트가 허용할 경우 다섯 개의 단위 부하까지 증가된다. 이러한 5 대 1 전류 범위는 USB 용으로 설계되지 않은 기존 충전기에서는 문제가 될 수 있다. 왜냐하면 기존 충전기의 전류 정확도가 고전류에서는 적절하다 해도 전류 감지 회로 내의 오프셋으로 인하여 일반적으로 저전류 설정에는 무리가 따르기 때문이다. 이로 인해 낮은 범위(하나의 단위 부하의 경우)의 충전전류는 절대 100mA 한도를 초과해서는 안되기 때문에 사용할 수 없을 정도로 너무 낮게 설정되어 유용하지 않게 될 수 있다. 예를 들어, 500mA에서 정확도가 10%일 경우, 출력은 500mA를 초과하지 않도록 450mA에 설정되어야 한다. 오직 이 값만이 수용될 수 있다. 그러나, 낮은 범위의 충전전류가 100mA를 초과하지 않도록 하려면, 공칭 전류가 50mA에 설정되어야 하는데, 이 때의 최소값은 0mA가 될 것이며, 이 값은 절대 수용될 수 없다. 따라서 USB 충전에 있어서 두 범위 모두에서 유효하려면 USB 제한조건을 초과하지 않으면서 가능한 최대 기본 충전전류를 허용할 수 있는 충분한 정확도가 필요한 것이다.
시스템의 전원 요구가 큰 일부 설계에서는 부하에 별도로 전원을 공급하고 500mA 미만의 USB 전류로 배터리를 충전하는 것이 실용적이지 않을 수 있다. 하지만 AC 어댑터에서는 이것은 문제가 되지 않는다. 그림 4의 일부분을 단순화한 그림 5의 연결방식을 이용하면 매우 저렴한 방식으로 이를 수행할 수 있다. USB 전원은 직접적으로 부하로 경로가 지정되어 있지 않다. 여전히 충전과 시스템 동작 모두 USB 전원에서 수행되지만, 시스템은 계속해서 배터리에 연결되어 있다. 제한사항은 그림 3과 동일하다. 즉 USB가 연결될 때 배터리가 심하게 방전되어 있으면 시스템이 동작하기 전에 지연이 발생할 수 있다. 그러나 DC 전원이 연결되면 Q2가 꺼지고 시스템 부하가 D1을 통해 배터리에서 DC 입력으로 넘어가기 때문에 그림 5는 배터리 상태에 상관없이 대기하지 않고 그림 4와 동일한 방식으로 동작하게 된다.
그림 5. 간단한 설계에서는 USB 전원이 직접적으로 부하로 통과하지 않지만 DC 입력의 경우에는 직접 부하로 연결된다. USB가 연결될 때 시스템은 여전히 전원이 공급되지만 배터리가 충전되는 동안에는 배터리에서 전원이 공급된다.
NiMH 배터리 충전
리튬 이온 배터리가 대부분의 휴대용 정보기기에 필요한 최상의 성능을 제공하고는 있지만 NiMH (Nickel-Metal Hydride) 셀도 저렴한 기기 설계를 위한 효과적인 선택이 될 수도 있다. 부하 요구사항이 그리 엄격하지만 않다면 낮은 비용을 유지하기 위한 좋은 방법은 NiMH 셀 하나를 사용하는 것이다. 이 경우 일반적으로 1.3V 셀 전압을 기기가 사용할 수 있는 전압(일반적으로 3.3V)으로 증가시킬 수 있는 DC-DC 컨버터가 필요하다. 배터리 전원공급을 필요로 하는 모든 기기는 몇 가지 타입의 레귤레이터를 필요로 함으로 이 때의 DC-DC 컨버터는 추가적인 레귤레이터가 아닌 필요한 다른 레귤레이터일 뿐이다.
그림 6의 설계에서는 외부 FET 없이 USB 입력과 배터리 간의 시스템 부하를 스위칭하고 NiMH 셀을 충전하기 위해 특별한 접근방식을 사용하고 있다. "충전기"는 사실상 전류 제한 내에서 동작하는 DC-DC 스텝 다운 컨버터(U1)이다. 충전기는 300~400mA에서 배터리를 충전한다. 비록 정밀한 전류 소스는 아니지만, 이 충전기는 목적에 적합한 전류 제어기능을 가지고 있으며, 심지어 단락된 셀로 유입되는 전류제어를 유지할 수도 있다. 더 일반적인 선형 구조에 비해 DC-DC 충전원리가 제공하는 큰 장점은 제한된 USB 전원 리소스의 효율적인 이용에 있다. 400mA에서 NiMH 셀 하나를 충전할 경우, 회로는 USB 입력에서 150mA만을 소비한다. 따라서 충전하는 동안 시스템은 350mA를 사용할 수 있는 것이다.
그림 6. 간단한 NiMH 충전/전원 공급 장치는 복잡한 MOSFET 스위치 어레이가 없어도 USB 전원을 자동으로 단절시킨다.
배터리에서 USB로의 부하 핸드오프는 부스트 컨버터 출력을 사용하여 다이오드 오링(D1) USB 전압에 의해 이루어진다. USB 연결이 끊어지면 부스트 컨버터는 출력에서 3.3V를 발생시키고, USB가 연결되면 D1은 DC-DC 부스트 컨버터(U2) 출력을 최대 약 4.7V까지 끌어올린다. U2의 출력이 이런 방식으로 올라가면 컨버터는 자동으로 꺼지고 배터리로부터 1uA 미만의 전류를 소비하게 된다. 만약 USB가 연결되어 있을 때 3.3V에서 4.7V로 출력전압을 변화시킬 수 없다면 선형 레귤레이터를 D1에 직렬로 삽입할 수도 있다.
이 회로의 한 가지 제한사항은 충전 터미네이션을 제어하기 위해 시스템에 의존해야 한다는 것이다. U1은 전류 소스로만 동작함으로 계속 켜두게 되면 셀을 과충전하게 된다. R1과 R2는 U1의 최대 출력 전압을 안전 한계선인 2V에 설정하고 있다. 따라서 "충전 가능(Charge Enable)" 입력기능의 수행은 충전기의 150mA 입력 전류는 하나 이상의 단위 부하이므로 필요할 경우 시스템이 충전을 중단시키는 수단으로 활용하거나 에뉴머레이션 이전에 USB 부하 전류를 감소시키는 방법으로 처리할 수 있다.
기타 USB 관련 사항
다른 표준들과 마찬가지로 명시된 규격이나 혹은 불분명한 규격들이 실제 적용사례에서 어떻게 구체화되는지를 살펴보는 것은 매우 흥미롭다. USB는 가장 심사 숙고하여 만든 신뢰성 있고 유용한 표준이라는 것은 거의 확실하지만, 실제 세계에 던져질 충격에 대한 면역은 아직은 갖고 있지 못하다. 확실하지는 않지만 전원 설계에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 주의해야 할 만한 USB의 특성은 다음과 같다.
USB 포트는 전류를 제한하지 않는다. 비록 USB 규격에서는 USB 포트가 얼마만큼의 전류를 공급해야 하는지에 대해서 구체적으로 제시하고는 있지만 사실 전류공급량의 범위는 매우 넓다. 최대치로서 전류가 절대 5A를 초과하지 않도록 규정하고 있지만 현명한 설계자라면 이것에 너무 의존해서는 안된다. 어떠한 경우든, USB 포트가 출력 전류를 500mA 또는 이에 가까운 전류량으로 제한하고 있다고 믿어서는 안된다. 실제로, 멀티 포트 시스템(PC 등)은 시스템 내 모든 포트를 위해 단 하나만의 보호 소자를 가지고 있기 때문에 개별 포트에서 나오는 출력 전류는 종종 몇 암페어를 초과하기도 한다. 보호 소자는 모든 포트의 총 전원 정격 이상으로 설정되어 있다. 따라서 4포트를 가진 시스템은 다른 포트들이 부하되지 않을 경우 하나의 포트에서 2A 이상을 공급할 수도 있다. 더욱이 일부 PC는 10~20% 정밀도를 갖는 IC 기반의 보호 기능을 사용하는 반면, 다른 PC들은 이보다 낮은 정밀도의 폴리 퓨즈(자동 재설정되는 퓨즈)를 사용하기 때문에 부하가 100%이거나 정격 이상이 될 때까지도 작동하지 않기도 한다.
USB 포트는 거의(결코) 전원을 끄지 않는다. USB 규격에서는 이것에 대한 특별한 언급은 없지만 USB 전원은 에뉴머레이션이 실패하거나 다른 소프트웨어 또는 펌웨어 문제로 끊어질 수 있다. 실제 상황에서 전기적 오류(단락 등) 이외의 다른 요인에 의해 USB 전원을 셧오프시키는 USB 호스트는 없다. 물론 예외가 발생할 수도 있겠지만 지금까지는 없었다. 노트북과 마더보드 제조업체들은 스마트 전원 스위칭은 차치하더라도 오류 보호 기능을 위한 비용지불에 인색하다. 따라서 USB 주변기기와 호스트 간에 어떠한 내용의 정보가 교류된다고 하더라도(또는 이루어지지 않든), 5V(500mA 또는 100mA에서, 심지어 2A 혹은 그 이상에서)가 사용될 수 있을 것이다. 이것은 USB 전원공급 방식의 독서등이나 커피 보온컵, 그리고 통신 능력이 없는 이와 유사한 제품들이 시장에 등장한 것을 보아도 알 수 있다. 이러한 제품들은 "호환"되지는 않지만 기능은 제대로 발휘된다.
*Maxim Integrated Products는 모든 USB 리튬 배터리 충전 형식에 대한 미국 특허 #6,507,172를 보유하고 있다.
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