개요: MAX8671X 전력 관리 IC(PMIC)는 리튬 배터리를 충전하고 휴대용 시스템 설계에서 전력을 레귤레이트한다. 이 소자는 리튬 이온 (Li+) 리튬 폴리머 (Li-Poly) 배터리를 충전하기 위해 USB 포트 또는 외부 AC-DC 전력 어댑터로부터 입력 전원을 사용한다. 이 PMIC는 또한 USB 및 DC 입력을 위한 과전압 보호 전원 스위치를 포함하여 다양한 전력 관리 기능과 시스템 전원을 위한 5개의 독립적인 레귤레이터를 내장하고 있다.
저렴한 가격, 작은 크기, 가벼운 무게는 최근 모든 휴대용 전자 시스템의 요구사항이다. 배터리 충전 기능과 다양한 온 보드 서브시스템을 위해 레귤레이트된 전원을 통합하고 있는 시스템에 이상적인 MAX8671X 전력 관리 IC(PMIC)는 휴대용 시스템 설계에 필요한 모든 기능을 제공한다. 이 소자는 USB 포트 또는 외부 AC 어댑터로부터 리튬 이온 (Li+) 또는 리튬 폴리머 (Li-Poly) 배터리를 위한 충전 전력을 공급받는다. 배터리 충전 외에도 이 PMIC는 USB 및 DC 입력을 위한 과전압 보호 전원 스위치뿐 아니라 시스템 전원을 위한 5개의 독립적인 온 칩 레귤레이터를 내장하고 있다. 이렇게 여러 가지 기능이 결합되어 공간이 제한된 회로 보드(그림 1)에서 부품 수를 크게 줄여주므로 특히 스마트폰, PDA, 휴대용 미디어 플레이어, GPS 네비게이션 장치, 디지털 스틸 카메라 및 디지털 비디오 카메라와 같은 소형의 휴대 기기에 이상적이다.
그림 1. 이 MAX8671X EV 보드의 사진은 일반적인 애플리케이션 회로를 위한 초소형 PCB 레이아웃을 보여준다.
MAX8671X가 USB 및 AC 어댑터 전원 소스를 완벽하게 관리해주므로 제조업체는 휴대 기기의 소매 패키지 일부로 AC-DC 벽면 충전기를 제공할 필요가 없어 공급 가격뿐 아니라 패키지의 크기와 무게를 줄일 수 있다. 결과적으로 제품은 컴퓨터의 USB 포트를 통한 충전과 데이터의 동기 및 전송을 위한 USB 케이블만 포함하여 출하되거나 애프터마켓 옵션으로 AC 어댑터와 함께 제공된다.
MAX8671X에는 배터리 충전, 어댑터-USB-배터리 스위치오버, 시스템 전압 레귤레이션 및 다양한 모니터링 기능과 같은 풀 어레이 기능이 통합되어 있다. 그림 2에서 보듯이 이와 같은 기능을 모두 갖춘 이 PMIC는 다양한 애플리케이션에 적합하다. 내장된 5개의 독립적인 전압 레귤레이터(최대 96% 효율을 갖는 2MHz 스위치 모드 스텝 다운 레귤레이터 3개, 낮은 무부하 전류 선형 레귤레이터 2개)는 여러 개의 서브시스템에 효율적으로 전력을 공급한다.
그림 2. 5개의 독립적인 레귤레이터를 포함하여 모든 배터리 충전 기능 및 전원 선택 스위치가 MAX8671X PMIC 내에 통합되어 있다. 전원은 AC 어댑터 또는 USB 케이블을 통해 공급할 수 있다.
고집적으로 전원 스위치오버 클러터 감소
MAX8671X PMIC에는 DC/USB 입력 과전압 보호, 단일 셀 Li+ 배터리 충전 기능 및 배터리와 외부 전원의 부하 스위칭에 필요한 모든 전원 스위치가 내장되어 있다. 이렇게 스위치와 레귤레이터가 통합되어 있어 외부 MOSFET을 비롯한 전원 모니터링 및 스위치오버 회로에 흔히 사용되는 전압 검출기, 전류 감지 저항, 비교기, 타이머 및 기타 개별 부품들이 필요 없다. 그 결과 부품 수를 줄이고 보드 공간을 절감할 수 있어 보다 저렴한 초소형 시스템을 구현할 수 있는 것이다.
MAX8671X Smart Power Selector™는 외부 입력과 배터리, 그리고 시스템 부하 간에 완벽하게 전력을 분배한다(그림 3 참조). 셀렉터는 다음과 같은 동작을 수행한다.
외부 전원(USB 또는 AC 어댑터)과 배터리가 모두 연결되어 있을 때 시스템 (SYS) 부하 전류가 선택된 입력 전류 제한보다 낮으면 배터리는 시스템에서 사용하지 않는 가용 전류로 충전된다. 시스템 부하가 입력 전류 제한을 초과하면 배터리는 부하에 전류를 보충하여 공급하고 SYS 부하 전류(ISYS)를 유지하여 리셋을 방지한다.
배터리가 연결되어 있고 외부 전원이 없을 때 시스템은 배터리로부터 전력을 공급받는다.
외부 전원이 연결되어 있고 배터리가 없을 때 시스템은 외부 전원 입력으로부터 전력을 공급받는다.
그림 3. Smart Power Selector는 부하 스위치와 충전 스위치 역할을 하는 내장된 전원 스위치 MOSFET(Q3)을 이용한다.
일부 경우 피크 시스템 부하를 공급하기에 어댑터 또는 USB 전류가 충분치 않을 수 있다. 이를 해결하기 위해 시스템 부하 피크가 선택된 입력 전류 제한을 초과하거나 DC 또는 USB 입력에서 사용 가능한 전원 소스가 없을 때, 낮은 RDSON을 갖는 MOSFET이 내부적으로 배터리를 SYS 핀에 라우팅하여 부하에 전력을 공급한다. 시스템 부하가 지속적으로 입력 전류 제한을 초과하면 외부 전원이 연결되어 있을 때에도 배터리는 충전되지 않는다. 높은 부하는 보통 짧은 피크 동안에만 발생하기 때문에 대부분의 경우 이러한 상태는 오래 지속되지 않는다. 이러한 피크 동안에는 배터리 전원이 시스템을 지원하며 그 밖의 다른 모든 경우에는 배터리가 충전된다.
MAX8671X는 배터리를 충전하는 외에도 SYS 출력과 다중 온 칩 레귤레이터를 통해 시스템에 전력을 공급한다. 이 IC는 충전 전류가 SYS 노드를 통해서도 공급되도록 설계되었다. 따라서 선택된 입력 전류 제한이 전체 SYS 전류(즉, ISYS와 배터리 충전 전류의 합)를 제어한다.
SYS는 DC 또는 USB 입력 핀으로부터 (또는 외부 전원이 연결되어 있지 않을 때에는 배터리로부터) 전력을 공급받을 수 있다. DC와 USB 소스가 모두 연결되어 있을 때에는 DC 입력이 우선적으로 사용된다. 설계자는 또한 MAX8671X에서 USB 및 AC 어댑터 전원에 대한 개별 입력을 사용하거나 두 가지를 모두 받아들이는 단일 입력을 선택적으로 사용할 수 있다. 로직 입력 PEN1 및 PEN2는 듀얼 입력 또는 단일 입력 동작에 따라 적절한 전류 제한을 선택한다. DC 입력의 전류 제한은 최대 1A까지 조정 가능하며, DC와 USB 입력은 모두 100mA, 500mA, USB-서스펜드 모드를 지원한다.
긴 배터리 수명을 위한 레귤레이터 설계
MAX8671X에 내장된 5개의 레귤레이터는 높은 효율로 전력 손실을 최소화하여 배터리 수명을 극대화한다. 이들 레귤레이터는 높은 부하에서 실행할 때 높은 효율을 제공할 뿐 아니라 낮은 부하에서도 효율적으로 동작하므로 배터리 수명을 더욱 연장시켜준다. 서브시스템 기능은 몇 백 밀리암페어의 피크 부하를 가질 때도 있지만 대부분의 경우 이보다 훨씬 적은 부하를 사용하기 때문이다. 따라서 이러한 시스템에서 배터리 수명을 극대화하기 위해서는 최고 부하가 아닌 대부분의 동작에 소비되는 부하 전류에 대한 효율을 최적화해야 한다.
많은 휴대용 시스템은 수명의 대부분을 "슬립" 상태에서 보낸다. 따라서 완전 부하(90% 이상)에서 높은 효율을 갖지만 아이들 상태(60% 미만)에서 훨씬 낮은 효율을 제공하는 레귤레이터는 낮은 부하에서 높은 효율을 유지하는 레귤레이터보다 배터리 소모가 더 빠르다. MAX8671X의 레귤레이터는 높은 부하 범위에서 최대 96%의 효율을 제공하고 (시스템 부하에 최대 425mA 공급) 단 1mA 부하에서도 최대 85%의 효율을 유지함으로써 이 문제를 해결한다.
3개의 가변 스위칭 레귤레이터(REG1, REG2, REG3)는 각각 최대 425mA를 공급할 수 있다. 이들 레귤레이터는 2MHz의 스위칭 주파수에서 동작하여 인덕터와 커패시터 크기를 최소화하는 데 도움을 준다. 외부 저항은 각 레귤레이터의 출력 전압을 설정한다.
나머지 레귤레이터(REG4 및 REG5)는 최대 150mA를 공급하는 저전압강하 (LDO) 선형 레귤레이터이다. REG5는 시스템의 USB 트랜시버 회로에 전력을 공급하고 USB 전원을 사용할 수 있을 때에만 동작한다. REG4는 DC나 USB 소스로부터 사용 가능한 전원이 없을 때 배터리로부터 전력을 공급 받는다. 이들 두 LDO는 배터리 수명을 연장시켜주고 시스템 설계자에게 더 많은 유연성을 제공하며 1.7V ~ 5.5V의 넓은 입력 전압 범위로 인해 추가적인 전력 절감을 제공한다. 입력 전압은 최소 1.7V까지 가능하므로 이들 LDO는 배터리로부터 직접 구동하는 대신 스텝 다운 DC-DC 컨버터 출력 중 하나로부터 전력을 공급받을 수 있다.
내장된 충전기로 배터리 관리
PMIC의 듀얼 입력 충전기 부분은 USB 전원 소스 또는 AC 어댑터의 출력을 받아들인다. 이 충전기는 그림 4의 충전 곡선에서 보듯이 내장된 Smart Power Selector 기술 및 충전 사이클을 관리하는 상태 제어 로직을 사용하여 모든 전원 제어와 충전 기능을 수행한다. 충전 전류는 최대 1A까지 조정 가능하므로 넓은 범위의 배터리 용량을 지원할 수 있다.
그림 4. 내장된 상태 컨트롤러는 Li+ 배터리 셀 충전을 관리하고 배터리를 안전하게 충전하는 데 필요한 전압과 전류를 공급한다.
배터리 충전기는 유효한 DC 및/또는 USB 입력을 사용하여 충전기가 동작 상태가 될 때 충전 사이클을 시작한다. 충전기는 먼저 배터리 전압을 확인하여 배터리가 프리퀄 임계값 (3.0V) 미만으로 방전되었는지 확인한다. 그런 경우 충전기는 안전 프리차지 (precharge) 모드로 전환하여 배터리가 설정된 고속 충전 전류의 1/10을 충전하도록 한다. 배터리 전압이 3.0V 이상으로 상승하면 충전기는 고속 충전 모드로 전환하여 설정된 충전 전류를 인가한다.
충전이 계속되면 배터리 전압은 배터리 레귤레이션 전압(BVSET 핀으로 선택)에 도달할 때까지 상승하며, 이 지점에서 충전 전류는 점차 줄어들기 시작한다. 충전 전류가 설정된 고속 충전 전류의 4%까지 감소하면 충전기는 짧은 톱 오프 (top-off) 상태로 들어가고 충전은 중단된다. 충전이 중지된 후 배터리 전압이 배터리 레귤레이션 전압에서 120mV 이하로 떨어지면 충전이 다시 시작되고 타이머가 리셋된다. 이 기능은 배터리가 과충전 없이 항상 완전 충전 상태 또는 최소한 완전 충전에 가까운 상태를 유지하도록 보장한다.
충전율은 배터리 전압, USB/DC 입력 전류 제한, 충전 설정 저항(RCISET), ISYS 및 다이 온도와 같은 여러 요소에 의해 결정된다. MAX8671X는 자동으로 충전 전류를 설정된 충전율보다 낮은 값으로 감소시켜 입력 과부하와 과열을 방지한다.
USB 포트에서 전력 끌어오기
MAX8671X의 USB 핀은 SYS 핀에 최대 500mA를 공급하는 전류 제한 전원 입력이다. USB를 SYS에 연결하는 전류 제한 스위치는 강하 전압에서도 동작하도록 설계된 선형 레귤레이터이다. 이 선형 레귤레이터는 최대 14V의 USB 입력 오류 조건에서도 SYS 전압이 5.3V를 넘지 않도록 한다.
애플리케이션에서 USB 핀은 일반적으로 USB 인터페이스의 VBUS 라인에 연결된다. USB 핀은 2차 power-enable (PEN2) 및 USB-suspend (USUS) 디지털 제어 입력을 사용하여 USB 전류 제한 규격을 지원하는 3개 전류 제한 중 하나로 설정할 수 있다. 저전력 USB 모드에서 제한은 100mA이고 고전력 USB 모드에서는 500mA, USB 서스펜드 및 구성되지 않은 on-the-go (OTG) 모드에서는 0.11mA(일반)이다.
USB 입력 전압이 저전압 임계값 (VUSBL: 4V, 일반) 또는 배터리 전압보다 낮으면 유효하지 않은 상태로 간주되어 전원이 차단된다. 마찬가지로 USB 입력 전압이 과전압 임계값(VUSBH: 6.9V, 일반)보다 높은 경우에도 전원이 차단된다.
Hi-Speed USB 규격 준수를 위해 연결된 각 소자는 초기에 저전력으로 구성해야 한다. USB 이뉴머레이션 후 소자는 USB 호스트로부터 허가가 주어지면 저전력에서 고전력으로 스위칭할 수 있다. MAX8671X는 이뉴머레이션을 수행하지 않지만, 대신 시스템에 의존하여 USB 호스트와 통신한다. 호스트는 적절한 전류 제한을 결정하고 PEN1, PEN2 및 USUS 입력을 통해 MAX8671X에 명령을 전송한다.
온 칩 열 관리 기능
MAX8671X에는 열 관리 기능이 내장되어 있어 초소형 휴대 기기에서 일반적인 준최적화(suboptimal)된 열 조건에서도 과열을 방지한다. 이 기능은 다이 온도가 +100°C를 초과하면 입력 전류를 5%/°C 감소시킨다. 모든 조건에서 ISYS는 충전기 전류보다 우선하므로 충전 전류를 감소시켜 입력 전류를 먼저 낮춘다. 충전 전류를 감소시켜도 접합 온도가 +120°C에 도달하면 입력 전류는 더 이상 소비되지 않으며 배터리로부터 시스템 부하가 공급된다. 이러한 온 칩 열 제한 회로는 서미스터 입력(THM)과는 무관하게 독립적으로 동작하므로 보통 외부 서미스터를 사용하여 배터리를 모니터링한다.
완벽한 PMIC
MAX8671X는 충전, 전원 스위치오버, 시스템 레귤레이션과 같은 배터리 구동 휴대 기기에 필요한 주요 전력 관리 기능을 통합하고 있을 뿐 아니라 이러한 설계에 일반적으로 사용되는 개별 부품 회로를 줄여준다. 이 소자는 열 레귤레이션, 과전압 보호, 충전 상태 및 오류 출력, power-OK 모니터, 배터리 서미스터 모니터, 충전 타이머와 같은 기능을 내장하고 있어 외부 로직 및 스위칭 부품을 사용할 필요가 없으므로 비용을 줄여주며 설계 시간도 단축시켜준다. 또한 Maxim의 통합 하드웨어 솔루션은 시스템 소프트웨어 문제가 충전이나 전력 관리에 영향을 미칠 수 없음을 뜻하기 때문에 시스템과 배터리 안전 및 신뢰성도 높여준다.
MAX8671X는 방열 효과가 증대된 공간 절약형, 5mm x 5mm, 40핀 TQFN 패키지로 제공되므로 최근 공간이 제한된 대부분의 휴대용 제품에 적합하다. 이 밖에도 이 PMIC는 -40°C ~ +85°C의 넓은 온도 범위에서 동작하기 때문에 많은 산업 애플리케이션에 이상적이다.
유사한 기사가 EDN Power Supplement 2007년 10월호에 게재되었다.
Smart Power Selector는 Maxim Integrated Products, Inc.의 상표이다.
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