스마트폰과 태블릿에 더 강력해진 CPU와 더 큰 스크린, 고품질의 오디오 서브시스템이 탑재되고 있다. 그러나 이러한 기능들은 배터리에 부담을 주며, 배터리의 소스 임피던스는 유한하다. 배터리 팩의 크기가 커졌음에도 불구하고 일부 하위 섹션은 다양한 부하 조건에서 셀이 도달하는 최소 전압보다 사용 전압이 더 높아야 하는 경우가 종종 발생한다.
새로운 토폴로지는 이러한 문제를 해결하고 사용 전압 범위를 확장하기 위해 부스트 조정기에 필수적인 저임피던스 바이패스 스위치를 결합한다. 이 소자는 출력이 설정된 목표 출력 전압 아래로 떨어지지 않도록 자동으로 부스팅을 시작할 수 있을뿐 아니라 정동작 전류를 마이크로 암페어 범위까지 낮춰주는 외부 제어핀을 통해 바이패스 모드를 호출할 수 있다.
I. 서론
배터리는 스마트폰이나 태블릿과 같은 휴대용 기기에 적합하고 견고한 전원 공급원처럼 보인다. 벅-부스트 조정기를 추가하기만 해도 파워 공급 문제는 거의 끝날 것이다. 충전/방전 사이클을 효과적으로 관리하는 우수한 연료 측정 서브 시스템을 보유하고 있다면 필요한 전압과 전류를 얻을 수 있다.
그러나 현실은 배터리가 그렇게 신뢰할만한 에너지 및 전력 공급원이 아니라는 것이다. 배터리는 용량이 유한하며 온도 및 노화 편차가 있을 뿐 아니라 수십 mΩ에서 수백 mΩ까지 변화하는 내부 저항(보호 스위치 임피던스 및 셀 특성이 집적된)이라는 단점도 지닌다. 보다 복잡한 문제는 이 내부 저항 또한 주파수에 의존하는 측면이 있다는 것이다.
대표적인 응용분야에서, 배터리 레일(화학적 성질에 따라 일반적으로 2.5V에서 4.35V 사이)은 시스템 전력 관리 장치의 입력부에 연결되어 서로 다른 서브 시스템에 대한 시스템 전원 공급 레일을 수립한다. 고성능 애플리케이션 프로세서/CPU, 고전류 USB OTG, 카메라 플래시, 또는 부스트 오디오와 같은 스마트폰 표준 회로가 배터리 레일에 대해 아주 다양한 부하 조건을 제공한다.
오디오 증폭기 및 대형 디스플레이를 비롯해 멀티코어 CPU 및 전력 소모량이 큰 그래픽 처리 장치(GPU)에 전원을 공급하는 배터리 및 전력 서브 시스템을 고려해보자. 시스템이 자원 집약적인 작업을 수행하면 부하가 갑자기 증가하므로 전류 수요는 순간적으로 2A 내지 3A까지 커질 수 있다. 결과적으로 배터리 레일의 전압이 주기적으로 강화돼 시스템 전력 관리 장치의 일부 출력이 조절 기능을 상실하거나 최악의 경우 시스템 전력 관리 장치의 차단 전압을 조기에 발생해 절전 상태로 될 수 있다.
그림 1은 용량이 동일하지만 내부 저항 수준이 다른 배터리 3개에 대한 절전 조건을 나타낸다. 내부 저항이 높은 배터리는 고전류 펄스 부하가 발생할 때 시스템 차단이 빨라짐에 따라 실행 시간이 짧아진다.
▲ 그림 1. 내부 저항이 다양한 펄스형 부하에서의 방전 곡선
II. 트루 바이패스 부스트 조정기
배터리 전력 응용분야에 관련된 이러한 문제들을 극복해 보다 효율적으로 작동하기 위해 트루 바이패스가 탑재된 Fairchild의 FAN48623 부스트 조정기가 개발됐다. 이 소자는 작은 2500mA, 2.5MHz 동기 정류 IC(16범프, 0.4mm 피치 WLCSP)로서 2016, 0.47μH 인덕터 및 0603 입력/출력 커패시터를 포함해 소형 외부 부품 몇 개만 필요로 한다.
FAN48623이 작동할 때에는 그림 2에 나타낸 것과 같이 입력 전압 VIN이 목표 출력 전압 VOUT을 초과할 때 바이패스 모드로 자동 전환한다. 바이패스 모드에서 배터리는 아주 낮은 임피던스를 거쳐 출력에 곧바로 연결된다.
▲ 그림 2. 자동 바이패스 모드
자동 바이패스 전환 이외에도 설계자는 언제든지 이 소자를 바이패스 모드로 강제 전환할 수 있다. 강제 바이패스 모드에서는 2~3μA에 불과한 낮은 정동작 전류가 제공되지만 여전히 웨이크업 동작을 위해 전체 배터리 전압이 사용된다. 그림 3은 nBYP 신호에 의하여 제어되는 부스트 모드와 저 IQ 강제 바이패스 모드 간의 전환을 보여준다.
▲ 그림 3. 저 IQ 강제 바이패스
FAN48623을 바이패스 모드로 강제 전환하면 에너지 소실이 거의 제로인 풀 배터리 출력 조합을 통해 손실을 최소화하면서 최대 공급 전압을 얻을 수 있다.
트루 부하 분리 기능이란, ‘누설 부하’를 배터리 전압 레일에서 분리할 수 있음을 뜻한다.
상향 변환 (up-conversion)이 낮은 VIN에서 전체 효율을 제한하는, 벅-부스트 조정기를 사용하는 기존의 접근법과 바이패스를 통한 부스트를 비교해보자. 바이패스 토폴로지를 통한 부스트를 사용해 더 높은 효율(96%까지)을 얻어 조정기가 추가적인 벅 조정기 또는 LDO로 종속되는 경우에도 전반적인 양단간 효율은 높게 유지된다. 부스트-바이패스 접근 방식은 1 A 부하 전류 범위에서 동급 크기의 벅-부스트 솔루션보다 상향 변환 효율이 약 10% 더 우수하다.
과도 응답의 이해 – 배터리 및 전원 공급 서브시스템은 갑작스럽게 부하가 변경할 때 응력을 받는다. 물론, 부하가 증가할 때 배터리와 전원 공급을 대처할 수 없는 어려운 경우도 있다. 배터리 전압은 배터리 내부 저항이 200mΩ이라고 가정해 1A 부하가 가해질 때 4.2V의 시동 부동 전압에서 ESR 강하로 인해 4V 아래로 급격히 떨어진다.
이제 FAN48623의 부스트-바이패스를 사용한 시스템 역학을 살펴보자. 빠른 부스트 모드 전환으로 인해 그림 4에 나타낸 것처럼 그 제어 루프는 500mA 부하 및 3.3V의 VOUT에서 10µs 엣지로 3.0에서 3.6VIN까지 600mV 선로 과도에 대해 높은 VIN(dV/dt) 슬루율을 처리할 수 있다.
▲ 그림 4. 자동 바이패스 모드를 통한 선로 과도 응답
부스트 및 바이패스 작동 모드 간의 전환이 신속하다. IC는 VIN이 목표 VOUT 보다 커지자 마자 5μs 이내에 바이패스 모드로 들어가 아주 밀접하게 과도를 추적한다.
III. 적용 가능한 응용분야
PMIC 내부의 전압 조정기 – PMIC 내의 일부 전압 조정기(벅 및 LDO)는 정상 작동을 유지하기 위해 특정한 최소 입력 전압을 필요로 한다.
▲ 그림 5. PMIC 내부 부스트 조정기의 응용 도식
RF DC/DC
전통적으로 안테나 구동에 사용되는 2G RF 전력 증폭기(PA)는 배터리에 곧바로 연결된다. 3G RF 전력 증폭기에는 Vcc로 강압 전압을 제공하기 위해 동적으로 조정 가능한 DC/DC 컨버터가 사용된다. DC-DC 컨버터는 휴대용 통신 기기에서 RF PA 시스템 효율을 향상시키고 전력 소모량을 낮추며 배터리 수명을 연장시키고 발열도 줄여준다.
FAN48623의 경우 배터리 전압이 너무 낮으면 부스팅 된다.
▲ 그림 6. 부스트 RF DC/DC의 응용 도식
클래스 D 오디오 증폭기 – 거의 범용에 가까운 오디오 채널용 클래스 D 스위칭 모드 증폭기도 새로운 도전 과제다. 사용 가능한 전력이 공급 전압의 제곱에 비례하므로 공급 레일이 약간만 증가해도 증폭기 헤드룸과 잠재적인 전력 출력이 상당히 증가한다. 따라서 FAN48623을 사용하면 스피커 드라이버를 공급해 효율이 높은 전력 부스트를 얻을 수 있다. FAN48623은 VBATT를 더 높은 전압으로 높이고 스피커의 음량을 향상시킨다. 고전류 능력을 갖춘 FAN48623은 클래스 D 오디오 증폭기를 동시에 두 개 이상 구동할 수 있다.
▲ 그림 7. 클래스 D 오디오 증폭기 부스트의 응용 도식
USB On The Go(OTG), 즉 스마트폰, 디지털 카메라, 태블릿 및 기타 모바일 기기의 기술이 발전함에 따라 컴퓨터를 필요로 하지 않고 이들 기기를 곧바로 상호 연결해야 할 필요성이 증가하고 있다.
▲ 그림 8. OTG의 응용 도식
USB 포트에 있는 또 다른 휴대용 기기에 전력을 공급하기 위해서는 배터리 전압을 5V USB 전압까지 부스팅시키는 부스트 컨버터가 필요하다. 일반 배터리 충전기로는 OTG 능력이 대개 200~500mA로 제한된다. FAN48623은 USB 3.0 포트 두 개를 지원해 배터리 충전기와 동일한 인덕터를 공유할 수 있어서 BOM 및 전체 비용을 낮추는 데에 도움이 된다. 배터리가 충전 모드에 있을 때 FAN48623가 완전히 꺼지면 배터리 충전기는 USB 전력을 통해 작동한다.
FAN48623의 강제 바이패스 모드 작동은 배터리가 없을 때 USB 포트로부터 직접 전력을 공급하는 상태에서 생산 시험 모드(PTM)을 용이하게 할 수 있다.
FAN48623 부스트 조정기는 크기가 작고 효율이 높으며 혁신적인 내부 구조를 가지므로 최신의 고-드레인, 다양한 부하 변화에 적합하다. 2.5V~5.5V 범위의 입력 전압을 수용하는 이 소자는 3V~ 5V의 고정 출력 전압을 사용한다. VIN이 2.5V이고 VOUT이 3.3V일 때 최대 연속 부하 전류는 2.5A이다. 사용 가능한 최대 출력 전류는 고유 VIN/VOUT 비에 따라 달라진다. 각 옵션마다 VSEL 핀으로 선택 가능한, 이미 프로그래밍된 출력 전압 두 개를 지원한다. 이 소자는 부스트 작동이 필요 없을 때 정동작 전류를 낮추기 위해 강제 바이패스 상태로 설정할 수 있다.
Jing Sun
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