개요: USB는 모든 유형의 저전력 전자장치의 전력 공급원으로 사용되며 대부분이 배터리 구동식이다. USB의 광범위한 가용성은 배터리 충전 설계에 있어 고유한 이점을 제공하는 동시에 문제도 야기한다. 이 글에서는 단순한 배터리 충전기와 USB 전원 간 인터페이스 연결 방법이 설명되어 있다. USB 전원 버스 특성에 대해 검토한 부분에서는 NiMH 및 Li+ 배터리 기술, 충전 방법 및 충전 종단 기법, 그리고 USB 포트를 통한 NiMH 셀의 스마트 충전에 대한 완전한 예시 회로를 제공한다. 머리말 범용 직렬 버스 (USB) 포트는 전원 및 접지가 있는 양방향 데이터 포트이다. 외장 드라이브, 메모리 장치, 키보드, 마우스, 무선 인터페이스, 비디오 및 스틸 카메라, MP3 플레이어 및 수많은 기타 전자장치를 포함한 모든 유형의 주변 장치를 USB에 연결할 수 있다. 이와 같은 장치의 대부분은 배터리 구동식이며, 그 중 일부는 배터리가 내장되어 있다. USB의 광범위한 가용성은 배터리 충전 설계에 있어 고유한 이점을 제공하는 동시에 문제도 야기한다. 이 글에서는 단순한 배터리 충전기와 USB 전원 간 인터페이스를 연결하는 방법이 설명되어 있다. USB 전원 버스 특성에 대한 검토 내용에는 전압, 전류 제한값, 돌입 전류(inrush current), 커넥터 및 케이블링이 포함되어 있다. NiMH 및 리튬 배터리 기술, 충전 방법 및 충전 종단 기법에 대한 개요도 수록되어 있다. USB 포트를 통한 NiMH 셀의 스마트 충전에 대한 완전한 예시 회로가 충전 데이터와 함께 제공된다. USB 특성 USB 버스는 저전력 전자장치에 전원을 제공할 수 있다. 버스의 전원은 전원 메인과 분리되며 상대적으로 제어 상태가 우수하다. 그러나 부하와 호스트 또는 전원 간 가용 전류와 잠재적인 상호작용에 대한 제약이 존재한다. USB 포트는 90의 양방향 차동 차폐 트위스트 페어, VBUS(+5V 전원) 및 접지로 구성되어 있다. 이 4개의 와이어는 오직 알루미늄으로 제조된 내부 차폐와 가닥 형태의 외부 차폐로 보호되어 있다. USB 2.0 규격 사본은 USB 협회 기구에서 무료로 이용 가능하다 (www.USB.org). 이 규격을 완전히 준수하려면 기능 컨트롤러를 통해 장치와 호스트 간 양방향 통신이 필요하다. 규격에는 단위 부하가 100mA(최대)로 규정되어 있다. 장치가 공급할 수 있는 최대 전류는 5개 장치 부하이다. USB 포트는 최대 1개 장치 부하까지 공급하는 저전력 포트 또는 최대 5개 장치 부하까지 공급하는 고전력 포트로 분류된다. 장치가 USB 포트에 먼저 연결될 때, 이뉴머레이션(enumeration) 절차를 통해 장치가 식별되어 장치의 부하 요건을 결정한다. 이 절차가 실시되는 동안, 장치는 호스트에서 오직 1개 장치 부하만 공급할 수 있다. 이뉴머레이션 절차 후 보다 높은 전원으로 구동되는 장치는 보다 높은 전류를 공급할 수 있다. 단, 호스트의 관리 소프트웨어가 이를 허용하는 경우에 한한다. 퓨즈 또는 능동 전류 센서를 통해 전류를 제한하는 호스트 시스템(다운스트림 USB 허브 포함)도 있다. USB 장치가 이뉴머레이션 없이 (한 장치에) 고전류 부하를 USB 포트에 공급하는 경우, 사용 중인 USB 포트 중 1개 이상을 차단할 수도 있는 검출 가능한 과전류 상태가 발생할 수 있다. 독립형 배터리 충전기 등의 수많은 사용 가능한 USB 장치는 기능 컨트롤러 없이 100mA 이상 공급하여 이뉴머레이션 절차를 처리한다. 그러나 잘못된 상황에서는 호스트에 문제를 야기할 위험이 있다. 예를 들어, 500mA를 공급하는 장치가 버스 구동식 USB 허브에 연결된 경우, 허브 포트와 호스트 포트(적절하게 이뉴머레이트되지 않은 경우) 모두에 과부하가 걸릴 수도 있다. 호스트 작동 시스템이 고급 전력 관리 기능(특히 노트북의 경우)을 사용하여 포트 전류가 매우 낮을 것으로 예상될 때 더 복잡한 문제가 발생한다. 일부 절전 모드에서 컴퓨터가 USB 장치에 중지 명령(suspend command)을 내리면 저전력 모드로 진입할 것이다. 항상 호스트뿐 아니라 저전력 장치와도 통신할 수 있도록 기능 컨트롤러를 포함시키는 것이 좋다. USB 2.0 규격은 상당히 면밀하게 작성되어 있으며, 전력 품질, 커넥터 구성, 케이블 재료, 허용 가능한 전압 강하 및 돌입 전류를 명시하고 있다. 저전류 및 고전류 포트의 경우, 전류 품질 규격이 서로 다르다. 이 같은 규격은 호스트와 부하를 연결하는 커넥터 및 케이블링의 전압 강하(USB 구동식 허브를 통한 전압 강하 포함)를 통해 주로 결정된다. 컴퓨터 또는 자체 구동식 USB 허브와 같은 호스트에는 최대 500mA까지 지원할 수 있는 고전류 포트가 내장되어 있다. 저전류 포트는 수동 버스 구동식 USB 허브에서 볼 수 있다. 표 1에는 고전류 및 저전류 포트에 대한 USB 포트의 업스트림 (전원) 측에 있는 핀의 전압에 대한 허용 오차가 나와 있다. 표 1. USB 2.0 규격 전력 품질 표준 Parameter Requirement DC voltage, high-power port* 4.75V to 5.25V DC voltage, low-power port* 4.40V to 5.25V Maximum quiescent current (low power, suspend mode) 500µA Maximum quiescent current (high power, suspend mode) 2500µA Maximum allowable Input capacitance (load side) 10µF Minimum required output capacitance (host side) 120µF ±20% Maximum allowable inrush charge Into load 50µC * 이 규격은 호스트 핀에 적용되거나 업스트림 측의 허브 포트 커넥터에 적용된다. 케이블 또는 커넥터 때문에 강하되는 추가 I x R은 별도로 계산되어야 한다. USB 2.0 규격과 호환 가능한 호스트에서 고전류 포트의 업스트림 측에는 120µF의 낮은 ESR 커패시턴스가 제공된다. 부착된 USB 장치의 입력 커패시턴스는 10µF로 제한되며 초기 부하 연결 시 호스트 또는 전원 허브에서 공급되는 총 허용 가능한 충전량은 50µC이다. 따라서 새 장치가 USB 포트에 연결될 때, 업스트림 포트의 과도 전압 강하는 0.5볼트 미만이다. 정확한 부하 동작에 보다 많은 커패시턴스가 요구되는 경우, 100mA 이하에서 보다 큰 커패시턴스를 충전할 수 있도록 돌입 전류 리미터가 반드시 제공되어야 한다. 저전력 구동 기능이 내장된 버스 구동식 USB 허브가 있는 USB 포트의 허용 가능한 DC 전압 강하는 그림 1에 나와 있다. 전력 구동식이 아닌 허브에 연결된 고전력 부하는 그림 1에 표시된 부하보다 전압 강하가 크며, 버스에 과부하를 걸 수 있다. 그림 1. 호스트에서 저전력 부하까지의 허용 가능 DC 전압 강하보다 큰 강하로 인해 버스에 과부하가 걸릴 수 있다. 배터리 충전 요건 단일 셀 리튬 이온 및 리튬 폴리머 현재 통용되는 리튬 화학 배터리는 셀이 최대 정격 용량으로 충전될 때 일반적으로 4.1V ~ 4.2V이다. 보다 최근에 출시된 용량 증가 셀은 4.3V ~ 4.4V 범위의 전압으로 표시된다. 일반 스펙트럼 리튬 이온(Li+) 및 리튬 폴리머(Li-Poly)의 용량은 600mAh ~ 1400mAh이다. Li+ 및 Li-Poly 셀 모두에 선호되는 충전 프로파일은 셀 전압이 정격 전압이 될 때까지 일정한 충전 전류로 충전을 시작하는 것이다. 이 경우에, 충전기가 셀 전반에 걸쳐 전압을 제어한다. 이 2개의 제어 상태는 정전류(CC) 및 정전압(CV) 충전이라고 한다. 따라서 이 유형의 충전기를 일반적으로 CCCV 충전기라고 한다. CCCV 충전기가 CV 모드일 때, 셀로 공급되는 전류가 강하하기 시작한다. 일반 충전율이 0.5C ~ 1.5C인 경우, 셀이 최대 충전 용량의 약 80% ~ 90%일 때 CC와 CV 모드 간 전환이 이루어진다. 충전기가 CV 충전 모드가 되면 셀 전류를 모니터링하며, 낮은 임계값(밀리암페어 또는 수십 밀리암페어)에 도달하면 충전기가 충전을 종료한다. 리튬 화학 배터리의 일반 충전 프로파일은 그림 2에 나와 있다. 그림 2. CCCV 충전기를 사용하여 충전되는 Li+ 배터리에 대한 일반적인 결과가 나와 있다. 그림 1에 표시된 USB 전압 강하를 통해 포트 구동식 허브의 다운스트림 측의 저전력 구동식 포트에는 셀을 4.2V까지 충전할 수 있는 충분한 공간이 거의 없다는 것을 알 수 있다. 충전 경로에 있는 소량의 추가 저항으로 인해 적절한 충전을 방해할 수도 있다. Li+ 및 Li-Poly 셀은 적정한 온도에서 충전되어야 한다. 제조업체가 권장하는 최대 충전 온도는 주로 +45° ~ +55° 범위이며, 허용 가능한 방전 온도는 약 10° 더 높다. 이 같은 셀에 사용되는 재료는 반응성이 매우 우수하며, 셀 온도가 +70°를 초과하는 경우 점화될 수 있다. 리튬 화학 셀용 충전기는 셀 온도를 모니터링하며, 셀 온도가 제조업체 권장 최대 충전 온도를 초과할 경우 종료되는 열 차단 회로와 함께 설계되어야 한다. 니켈 금속 수소화물 셀 NiMH 셀은 리튬 기반 셀에 비해 무겁고 에너지 밀도가 적다. 과거에는 리튬보다 가격이 쌌지만 최근에는 가격 차가 줄어들고 있다. NiMH 셀은 표준 크기로 이용 가능하며 대부분의 애플리케이션에서 알칼라인 셀과 직접적으로 교체할 수 있다. 명목상, 각 셀의 전압은 1.2V이며, 완전 충전 시 최대 1.5V이다. NiMH 배터리는 주로 정전류 소스로 충전된다. 셀이 완전 충전 상태가 될 때, 배터리 온도가 증가되어 단자 전압이 감소하는 발열성 화학 반응이 발생한다. 배터리 온도 상승률 또는 음극 전압 변화가 감지되며 충전 종료 시 사용 가능하다. 이 종료 방법은 각각 dT/dt 및 -V로 알려져 있다. 충전율이 매우 낮을 때 dT/dt 및 -V 효과가 덜 명확해져 정확하게 검출하기 어려울 수 있다. 셀이 과충전되기 시작할 때 dT/dt 및 -V 응답이 시작된다. 이 지점 이상으로 계속해서 충전할 경우 셀이 손상될 수 있다. C/3 이상의 충전율일 때 종단 검출(termination detection)은 충전율이 낮을 때보다 훨씬 쉽다. 온도 상승은 약 1°/min이며, -V 응답은 보다 낮은 충전율에 비해 더 강력하다. 급속 충전 종료 후, 셀을 톱 오프(top-off) 충전할 수 있도록 감소된 전류로 추가 충전하는 것이 좋다. 톱 오프 충전 사이클이 완료될 때, C/20 또는 C/30의 트리클 충전 전류는 자체 방전 효과를 무효로 하여 배터리를 완전 충전된 상태에서 유지한다. DS2712 NiMH 충전기를 사용하여 부분 충전된 NiMH 셀의 충전 사이클 동안 셀 전압을 보여주는 그래프가 그림 3에 나와 있다. 이 그래프에서 상부 곡선은 전류가 배터리로 유입되는 동안 얻어진 데이터인 반면, 하부 곡선은 충전 전류원이 꺼진 동안 얻어진 데이터이다. DS2712의 경우, 이 전압 차는 NiMH 셀과 알칼라인 셀을 구별하는 데 사용된다. 알칼라인 셀이 검출되는 경우 DS2712는 셀을 충전하지 않는다. 그림 3. DS2712 충전 컨트롤러는 NiMH 셀을 충전할 때 사용된다. 스위칭 vs. 선형 USB 2.0 규격은 저전력 포트에서 최대 100mA, 고전력 포트에서 최대 500mA까지 허용한다. 선형 통과 소자가 배터리로 공급되는 충전 전류를 제어하는 데 사용되는 경우, 이 전류가 최대 허용 가능한 충전 전류이다. 선형 통과 소자에서 소비된 전력(그림 4)은 P = VQ x IBATT이다. 이는 통과 트랜지스터의 소비 전력을 유발시키며, 과열 방지를 위해 히트 싱크를 사용해야 할 수도 있다. 그림 4. 소비 전력은 통과 트랜지스터(pass transistor) 전반에 걸친 배터리 전류 x 전압이다. 공칭 입력 전압이 5V인 경우, 통과 소자가 셀의 타입, 개수는 물론 배터리 전압에 따라 다른 전력량을 소비한다. 그림 5. 5.0V의 입력 전압 시 NiMH 셀이 USB 포트에서 소비될 때 선형 통과 소자에서 전력이 소비된다. 그림 5에는 5.0V의 공칭 입력 전압에서 NiMH 셀이 내장된 선형 USB 충전기의 계산된 소비 전력이 표시되어 있다. 단일 셀 충전의 경우, 선형 충전기의 효율은 약 30%에 불과하며, 2셀 충전기의 경우 60%이다. 500mA에서 단일 셀을 충전하면 소비 전력이 최대 2W이 된다. 이 전력량에는 일반적으로 히트 싱크가 필요하다. 소비 전력이 2W일 때 +20°/W의 히트 싱크가 +25°의 주변 온도에서 최대 약 +65°까지 가열된다. 단 완전한 성능을 위해 외부 공기에 노출되어야 한다. 공기가 차단된 상태인 인클로저 내부에서는 더 뜨거워진다. 스위칭 레귤레이터 기반의 충전기를 사용할 경우 여러 문제들이 해결된다. 먼저, 선형 충전기를 사용할 때보다 보다 높은 전류에서 더 빠르게 충전될 수 있다(그림 6). 보다 적은 전력이 열로 손실되기 때문에 열 관리 문제가 감소된다. 또한 충전기의 신뢰성이 향상되는데, 이는 보다 차갑게 작동되기 때문이다. 그림 6. 단일 셀 NiMH 배터리 충전 시 선형 충전기와 스위칭 충전기의 충전 시간은 다르다. 그림 6의 계산된 값은 최대 허용 가능한 전류(500mA)의 약 90%에서 고전력 USB 포트를 통한 충전을 기반으로 한다. 이 예에서 스위칭 레귤레이터는 효율이 77%인 비동기 벅 컨버터로 간주된다. 회로 예 그림 7의 회로는 단일 NiMH 셀을 충전하는 스위치 모드 벅 레귤레이터이다. 또한 DS2712 충전 컨트롤러를 사용하여 충전 전류를 제어하고 충전을 종료시킨다. 충전 컨트롤러는 온도, 배터리 전압 및 배터리 전류를 모니터링한다. 온도가 +45° 이상 또는 0° 이하인 경우 컨트롤러는 배터리 충전을 시작하지 않는다. 그림 7. 회로도에는 USB 포트를 통해 고속 충전되는 단일 셀 NiMH 배터리가 나와 있다. 그림 7에서 Q1은 스텝 다운 충전기의 스위칭 전력 트랜지스터, L1은 평활화 인덕터(smoothing inductor), D1은 프리휠링(freewheeling), 캐치(catch) 또는 다이오드이다. 입력 C1은 10µF의 초저 ESR 세라믹 필터 커패시터이다. C1 대신 탄탈륨(tantalum)이나 기타 전해 커패시터(electrolytic capacitor)로 교체할 경우, 충전기 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다. R7는 전류 레귤레이터의 감지 증폭기의 전류 감지 저항이다. DS2712의 기준전압은 0.125V이며 히스테리시스는 24mV이다. 폐루프, 스위치 모드 전류 제어는 CSOUT을 통해 제공된다. Q1에 대한 게이트 드라이브는 충전 제어핀, CC1에 의해 Q2 게이트가 로우로 될 때 인에이블된다. Q1 및 Q2 모두 저전압 Vt (게이트 소스 임계값 전압) pMOSFET이다. CC1 및 CSOUT이 모두 낮은 경우, Q2의 드레인-소스 전압은 1Vt 보다 약간 크다. 이 전압 및 CSOUT의 순방향 전압 강하(forward voltage drop)는 Q1에 대한 가용 스위칭-게이트 드라이브 전압을 구현한다. CC1이 낮을 때, 전류의 폐루프 제어가 가능하다. 시동 스위칭 파형은 그림 8에 나와있다. 상단 파형은 0.125의 전류 감지 저항 전반에 걸친 전압이며, 하단 파형은 GND 전압에 대한 Q1 드레인이다. 초기에 Q1이 ON(CC1 및 CSOUT 모두 로우)일 때 인덕터의 전류가 상승한다. 전류가 0.125V가 될 때, CSOUT이 높아진다. 또한 전류 감지 저항의 전압이 약 0.1V가 될 때까지 전류가 감소한다. 결과적으로, CSOUT이 다시 낮아진다. CC1이 로우인 동안에는 이 과정이 지속된다. 그림 8. USB NiMH 충전기의 시동 파형 DS2712의 내부 상태 머신은 CC1의 게이트 작용을 제어한다. 충전을 시작할 때, DS2712가 셀 인증 테스트를 실시하여 셀 전압이 1.0V ~ 1.65V인지 확인하고 온도가 0° ~ +45°인지 검증한다. 전압이 1.0V 미만인 경우, DS2712가 0.125의 듀티 계수(duty factor)로 CC1을 낮게 게이팅하므로, 손상 방지를 위해 셀을 저속 충전한다. 셀 전압이 1.0V를 초과하면, 상태 머신은 고속 충전으로 전환된다. 고속 충전 듀티 계수는 31/32 또는 약 97%이다. "스킵" 펄스는 알칼라인 셀 등의 하이 임피던스 셀이 충전기에 장착되지 않았다는 것을 확인할 수 있도록 셀에 임피던스 테스트를 할 때 사용된다. 고속 충전은 -2mV의 V가 검출될 때까지 지속된다. -V이 검출되지 않은 경우, 고속 충전 타이머가 만료되거나 과열 및 과전압 오류 상태(임피던스 고장 포함)가 검출될 때까지 지속된다. (-V 또는 고속 충전 타이머 만료로 인해) 고속 충전이 완료될 때, DS2712가 top-off 모드가 된다. 이 때, 듀티 계수는 12.5%이고 기간은 프로그래밍된 고속 충전 타임아웃의 절반이다. Top-off가 완료된 후, 충전기는 1/64의 듀티 계수로 유지보수 모드가 되어 셀이 제거되거나 전력이 순환될 때까지 유지보수 모드로 유지된다. 그림 7에 표시된 충전기는 2시간보다 약간 긴 시간 동안 고전력 USB 포트에서 2100mAh NiMH 셀을 고속 충전한다. 이 때, 완전한 top-off 충전은 약 3시간 이내에 이루어진다. 포트에서 공급된 전류는 420mA이다. 호스트 및 고전류가 인에이블 상태에서 이뉴머레이션이 필요한 경우, 오픈 드레인 nMOSFET은 R9과 접지 사이에 직렬로 삽입될 수 있다. MOSFET이 off인 경우, TMR이 부상하여 DS2712는 중지 상태가 된다. 요약 USB 포트는 소형 가전제품의 배터리 충전을 위한 경제적이고 실용적인 전원이다. USB 2.0 규격을 완전히 준수하기 위해서는 USB 포트에 연결된 부하가 호스트와 양방향 통신이 가능해야 한다. 부하는 저전력 모드는 물론 포트에서 대전력이 공급될 때를 호스트가 결정할 수 있는 수단 등의 전력 관리 요건도 준수해야 한다. 부분적 준수 시스템도 대부분의 USB 호스트와 호환 동작할 수 있지만 때때로 예상치 못한 결과를 보여주기도 한다. 완전한 요건 준수와 부하 복잡성 간 올바른 균형을 맞추기 위해서는 부하에 대한 USB 요건과 기대치를 잘 파악해야 한다. 본문 내용과 유사한 기사가 Battery Power Products Technology 2006년 1월호에 게재되었다. We Want Your Feedback! 의견을 보내주세요! 위 내용이 도움이 되셨나요? 여러분의 의견을 기다립니다 — Maxim은 보내주신 정정이나 제안사항을 반영하고 있습니다. 이 페이지를 평가하고 의견을 보내주십시오. 자동 업데이트 관심있는 분야의 애플리케이션 노트가 나올 때 자동으로 업데이트 받고 싶으세요? 그렇다면 EE-Mail™을 신청하십시오. 추가 정보   APP 3607: Mar 03, 2006 DS2711 루즈 셀 NiMH 충전기 전체 데이터 시트 (PDF, 260kB) 무료 샘플 DS2712 루즈 셀 NiMH 충전기 전체 데이터 시트 (PDF, 260kB) 무료 샘플 DS2715 NiMH 배터리 팩 충전 컨트롤러 전체 데이터 시트 (PDF, 528kB) 무료 샘플   다운로드, PDF 형식 (128kB)  AN3607, AN 3607, APP3607, Appnote3607, Appnote 3607