개요: DS2786 독립형, 개방 회로 전압 (OCV) 기반 배터리 게이지는 1셀 리튬 이온 (Li+) 배터리 팩용으로 설계된 동작 범위를 갖는다. DS2786은 일반 애플리케이션 회로에 몇 개의 별도 부품을 추가하면 2셀 애플리케이션에서도 사용할 수 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 2셀 Li+ 배터리 팩의 호스트 사이드에서 DS2786을 사용하는 회로에 대해 설명한다.
개요
DS2786 독립형, 개방 회로 전압 (OCV) 기반 배터리 게이지는 개방 회로 상태와 이완기(relaxation period)의 셀 전압을 기준으로 리튬 이온 (Li+) 및 리튬 폴리머 (Li+-Poly) 배터리의 가용 용량을 측정한다. OCV는 IC에 저장된 룩업 테이블을 기준으로 상대적인 셀 용량을 측정하는 데 사용된다. 이러한 기능으로 배터리 팩을 삽입하는 즉시 정확한 용량 정보를 파악할 수 있다.
DS2786의 동작 범위는 1셀 Li+ 배터리 시스템에 사용하도록 설계되었지만 2셀 시스템에서도 사용할 수 있다. 이 애플리케이션 노트에서는 IC 하나만 추가하면 2셀 시스템의 호스트 사이드에서 DS2786을 사용할 수 있는 회로에 대해 설명한다. 이 회로는 온 칩 전압, 전류 및 온도 측정 기능, 2개의 보조 전압 입력, 2선식 인터페이스를 포함하여 DS2786의 모든 기능을 사용할 수 있다.
회로 설명
그림 1은 2셀 배터리 애플리케이션의 호스트 시스템에서 DS2786을 사용하기 위한 회로를 보여준다. 제시된 회로도는 DS2786 회로와 함께 추가 IC 1개 (LDO 선형 레귤레이터 1개) 및 몇 개의 개별 부품으로 구성된다.
그림 1. 2셀 Li+/Li-Poly 애플리케이션의 호스트 사이드에 탑재된 DS2786
2셀 배터리 팩의 전압은 DS2786 VDD 핀의 최대 동작 전압보다 높기 때문에 VDD에 적절한 전압의 전력을 공급하기 위해서는 저전력 레귤레이터가 필요하다. 예제 회로는 MAX1726EUK5 LDO를 사용하여 레귤레이트된 전압을 제공한다. 이 레귤레이터는 2µA의 일반 동작 전류를 가지며 셧다운 모드에서의 전류 소비가 0.7µA에 불과하므로 배터리 전원 공급 방식의 애플리케이션에 이상적이다. 이 경우 DS2786의 VDD 핀 전압이 VIN 핀보다 높은 상태를 유지할 수 있도록 5V 버전의 LDO가 사용된다. LDO의 입/출력에는 안정성을 위해 커패시터를 배치하는 것이 좋다. 다른 LDO를 사용할 경우 VDD 핀의 전압은 모든 경우에서 VIN보다 높게 유지되어야 한다.
또한 2셀 팩 전압도 VIN 핀에 대해 허용되는 레벨로 낮추어야 한다. 저항 R2 및 R3은 팩 전압을 간편하게 2로 나누는 데 사용할 수 있는 전압 분배기를 생성한다. 이 방법으로 VIN 핀은 전체 팩 전압의 절반을 측정한다.
배터리 게이징에 필요하지는 않지만 예제 회로는 2개의 전압 분배기 회로를 구동하는 VOUT을 보여준다. 저항 R0 및 팩 식별 저항은 AIN0에 대한 전압 소스와 서로 다른 팩을 식별하는 방법을 제공한다. 저항 R1 및 서미스터는 AIN1에 대한 전압 소스와 팩 온도를 측정하는 방법을 제공한다. VOUT, AIN0 및 AIN1은 그 밖의 다른 목적에 사용되거나 전혀 사용되지 않을 수도 있다.
고려 사항
DS2786은 VIN 핀에 제공되는 개방 회로 전압을 기준으로 배터리 팩 용량을 측정한다. 그림 1의 회로는 팩 전압의 절반만 측정하므로 DS2786의 EEPROM에 저장된 전압 기반 용량 룩업 테이블을 적절히 수정해야 한다. 배터리 팩을 특성화하여 얻은 전압과 용량값은 전압 레벨을 2로 나누어 EEPROM에 저장해야 한다. 예를 들어 배터리 팩이 8V에서 80%의 용량을 갖고 있으면 저장된 값은 4V에서 80%여야 한다.
저항 R2 및 R3에 의해 생성된 전압 분배기로 인해 시스템 설계자는 배터리 부하를 최소화하면서 동시에 VIN에서 정확한 전압 측정을 유지해야 하는 어려움이 있다. 저항값을 증가시키면 전류 소비가 감소하지만 VIN의 입력 저항(RIN)에 의해 발생되는 전압 오차가 증가한다. 표 1에는 3가지 예제 저항 값과 함께 전류 부하, 그리고 최악의 경우에 대한 전압 오차 계산이 나와 있다. 셀 용량과 전압에 대해 표시된 룩업 테이블 값은 DS2786에서 주어진 디폴트 값이다. 모든 경우에서 측정 오차는 대략 3.67V ~ 4V 사이에서 최대가 되는데, 이 범위에서 셀 전압 방전 곡선은 거의 평탄한 상태를 유지한다. 표 1은 R2 및 R3과 병렬로 연결된 최악의 RIN 값(최소 15MΩ)으로 인한 측정 오차만 고려한다. 다른 오차가 R2와 R3의 저항 차로부터 발생할 수 있으므로 R2 및 R3을 언제나 동일한 저항 로트에서 가져오는 것이 좋다.
표 1. 서로 다른 전압 분배기 값에 대한 오차 계산
R2 = R3 = 50kΩ, RIN = 15MΩ
R2 = R3 = 100kΩ, RIN = 15MΩ
R2 = R3 = 200kΩ, RIN = 15MΩ
VIN RThevenin 24958.403
VIN RThevenin 49833.889
VIN RThevenin 99337.748
DS2786 Default Lookup Table Values
Voltage Measurement Error 0.00166389
Voltage Measurement Error 0.00332226
Voltage Measurement Error 0.00662252
Capacity (%)
Cell Voltage (V)
Δ Capacity (%)
Δ Voltage (mV)
Δ Capacity/Δ Voltage
Max VIN Error (mV)
Max Capacity Error (%)
Max Current (µA)
Max VIN Error (mV)
Max Capacity Error (%)
Max Current (µA)
Max VIN Error (mV)
Max Capacity Error (%)
Max Current (µA)
100
4.17114
9.5
84.23
0.11279
6.94
0.78
83.42
13.86
1.56
41.71
27.62
3.12
20.86
90.5
4.08691
5.5
45.17
0.12177
6.80
0.83
81.74
13.58
1.65
40.87
27.07
3.30
20.43
85
4.04175
5
36.62
0.13653
6.73
0.92
80.83
13.43
1.83
40.42
26.77
3.65
20.21
80
4.00513
27.5
174.56
0.15754
6.66
1.05
80.10
13.31
2.10
40.05
26.52
4.18
20.03
52.5
3.83057
27.5
78.13
0.35200
6.37
2.24
76.61
12.73
4.48
38.31
25.37
8.93
19.15
25
3.75244
15
79.35
0.18905
6.24
1.18
75.05
12.47
2.36
37.52
24.85
4.70
18.76
10
3.67310
5
53.71
0.09309
6.11
0.57
73.46
12.20
1.14
36.73
24.33
2.26
18.37
5
3.61938
5
433.35
0.01154
6.02
0.07
72.39
12.02
0.14
36.19
23.97
0.28
18.10
0
3.18604
결론
DS2786은 1셀 Li+ 배터리 팩용으로 설계되었지만 2셀 애플리케이션의 호스트 사이드에서 배터리 게이지 데이터를 제공하도록 간편하게 수정할 수 있다. 본문에서 설명된 회로는 소자가 2셀 애플리케이션에서 동작할 수 있도록 표준 DS2786 회로와 함께 하나의 추가 IC와 몇 개의 개별 부품을 포함하고 있다. 위와 같은 회로를 구현함으로써 2셀 애플리케이션은 독립형, OCV 기반 배터리 게이징을 위해 DS2786의 모든 기능을 사용할 수 있다.
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