무선 응용 분야에서 동전형 리튬 전지의 수명을 연장하는 배터리 부스터 IC

사물 인터넷(IoT)의 등장과 함께 무선 센서 확산이 가속화되었습니다. 소비자 가전, 의료, 산업, 농업 등 분야를 막론하고 무선 센서는 작고 가벼우며 배터리 수명이 길어야 합니다. 또한 이러한 장치는 송신 모드와 수신 모드 중에 전원에 간헐적으로 고전류 부하를 받게 됩니다. 예를 들어 송신 버스트 시에는 100mA를 소비하고 수신 작업에서는 10mA를 소비할 수 있으며, µA 범위 저전류 절전 모드 작동은 훨씬 오래 지속될 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 일반 무선 장치의 부하 프로파일에서는 짧은 간격으로 이루어지는 송신(100mA) 및 수신 작동(10mA)에 대한 짧은 간격의 고전류 수요와 훨씬 더 길게 지속되는 저전류 절전 모드 작동이 나타납니다. (이미지 출처: Nexperia, 저자에 의해 수정됨)

송신 또는 수신 작동의 지속 기간은 일반적으로 수십 밀리초이며, 장치는 일반적으로 수백 초 동안 절전 모드로 유지됩니다. 짧은 듀티 사이클로 인해 평균 전류는 낮지만 높은 피크 전류로 인해 문제가 발생합니다.

동전형 리튬 전지 배터리는 작고 에너지 밀도가 높지만 10mA 이상의 전류를 공급하면 수명이 급격히 줄어들 수 있습니다. 또한 내부 저항이 상대적으로 높으며 이러한 고전류를 공급하는 데 비효율적입니다. 예를 들어 새 동전형 전지의 내부 저항이 약 10Ω이라고 가정하겠습니다. 100mA의 전류를 공급하면 전지의 내부 저항을 거치면서 1V 전압 강하가 발생합니다. 이렇게 과부하가 걸리면 전지의 화학 반응 속도로 인해 출력 전압 강하가 발생합니다. 또한 전지를 오래 사용할수록 내부 저항이 높아집니다. 한 가지 가능한 대안은 알카라인 배터리를 사용하는 것입니다. 알카라인 배터리는 피크 전류 정격이 더 높지만 동전형 전지보다 훨씬 크다는 단점이 있습니다.

부스터로 동전형 전지의 수명 연장

Nexperia는 동전형 전지를 지원하기 위해 탁월한 솔루션을 개발했습니다. 동전형 전지 배터리 수명 부스터 집적 회로(IC) 제품군은 RF 회로망의 고전류 수요로부터 동전형 전지를 분리합니다. 이를 통해 무선 센서 응용 분야에서 전지의 사용 기간이 늘어나 더 작고 가벼운 패키지로 뛰어난 배터리 수명을 구현할 수 있습니다.

부스터는 이중 DC-DC 컨버터 단계를 사용합니다. 첫 번째 단계에서는 동전형 전지에서 낮은 전류로 에너지를 끌어와서 배터리보다 더 높은 전압으로 정전 용량 방식 저장 소자를 충전합니다. 스토리지 커패시터가 충전되면 두 번째 DC-DC 컨버터가 온디맨드 방식을 통해 정격 출력 전압으로 간헐적인 부하에 에너지를 공급합니다. 동전형 전지 배터리는 외부 부하로 인해 발생하는 고전류 수요의 영향을 받지 않으므로 배터리 수명이 연장됩니다.

이 접근 방식을 사용하면 피크 출력 전류를 최대 25배 높이면서 간헐적인 고전류 부하가 발생하는 응용 분야에서 배터리 수명을 4배에서 최대 10배까지 연장할 수 있습니다. 리튬 이산화망간(LiMnO₂) 또는 리튬 염화티오닐(Li-SOCl₂) 배터리의 특성과 일치하는 두 가지 장치 제품군이 있습니다(표 1).

표 1: NBM5100/NBM7100 동전형 전지 배터리 수명 부스터 집적 회로 제품군의 특성 (표 출처: Art Pini)

배터리 부스터는 내부적으로 유사합니다(그림 2).

그림 2: 기능적으로 유사함을 보여주는 NBM5100A/B와 NBM7100A/B 장치의 제품 구성도 (이미지 출처: Nexperia)

동전형 전지 배터리 부스터의 작동도 비슷합니다(그림 3).

그림 3: 충전(오른쪽 상단 구성도)과 활성 부하(오른쪽 하단 구성도) 주기의 NBM5100/7100 전압 및 전류 상태 그래프를 보여줍니다. (이미지 출처: Nexperia)

전지 배터리 부스터는 고효율 DC-DC 컨버터를 사용하여 단기간 고전류 부하 과도 상태로부터 배터리에 완충 작용을 제공합니다. 첫 번째 변환 단계에서는 충전 주기 동안 부스트 컨버터가 사용됩니다. 이 주기는 고부하 전류가 발생하는 시기에 앞서서 시작됩니다. 충전 중에 배터리에서 배터리 전지보다 높은 전압(V_CAP)을 가진 외장 스토리지 커패시터로 에너지가 전송됩니다. 충전 주기 중에 배터리에서 낮은 정전류(I_VBT)를 끌어냅니다. 내부 저항으로 인해 낮은 충전 전류가 배터리 출력 전압(V_VBT)의 강하를 생성합니다. 커패시터가 충전된 상태에서 벅 조정기 DC-DC 컨버터가 활성 주기를 처리하며, 스토리지 커패시터에서 출력(V_VDH)으로 에너지를 전송함으로써 최대 90% 효율의 조정 전압으로 고부하 전류(I_VDH)를 공급합니다.

끌어온 배터리 전류(I_VBT)는 충전 주기 동안에는 매우 낮게, 활성 주기 동안에는 무시해도 될 정도로 유지됩니다. 이를 통해 배터리에 대한 반복적인 응력이 감소하여 전지의 가용 용량이 확대됩니다. 충전 또는 활성 주기에 있지 않은 경우 출력이 정동작 또는 대기 상태 수준으로 떨어져서 50nA 미만의 전류를 소비합니다.

전지 배터리 부스터 IC는 적응형 학습 알고리즘을 사용하여 부하 펄스 특성을 모니터링하고 커패시터에 대한 에너지 전송 및 저장을 지능적으로 최적화합니다. 최대 63개의 부하 프로파일을 유지하여 충전 공정을 조정할 수 있습니다.

부스터 작동 모드

NBM5100/7100 장치는 연속 작동, 온디맨드, 자동 모드(NBM5100A 및 NBM7100A 버전에만 해당)로 작동합니다. 연속 작동 모드는 과도 부하에 대한 즉각적인 대응이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다. 스토리지 커패시터가 충전되고 DC-DC 컨버터가 유휴 상태로 유지됩니다. 스토리지 커패시터의 전압을 모니터링하고 필요한 경우 새로 고칩니다. 활성 명령이 수신되면 저장된 커패시터의 조정 출력을 즉시 사용할 수 있습니다. 스토리지 커패시터는 필요한 에너지를 부하에 공급한 후 재충전됩니다. 완전히 충전되면 준비 신호가 설정됩니다.

온디맨드 모드는 최대 배터리 수명이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다. 대기 상태에서 시작됩니다. 온디맨드 모드는 I/O 인터페이스를 통해 시작되어 적절한 비트를 설정합니다. 필요할 때 스토리지 커패시터가 충전되어 준비 신호에 표시된 대로 저장된 에너지를 제공합니다.

자동 모드에서는 I/O 인터페이스를 사용하지 않고 시동 신호를 사용하여 온디맨드 작동을 시작합니다. 준비 신호는 스토리지 커패시터가 완전히 충전되어 사용 가능함을 나타냅니다.

NBM5100/NBM7100 계열은 직렬 I/O 인터페이스를 사용하여 제어됩니다. NBM5100ABQX 및 NBM7100ABQX 장치는 I²C 인터페이스를 사용하고, NBM5100BBQX 및 NBM7100BBQX IC에는 SPI 인터페이스가 탑재되어 있습니다.

이러한 배터리 수명 확장기는 동전형 전지의 충전 주기 수를 모니터링하고 남은 충전 주기를 보고합니다. 직렬 인터페이스를 통해 사용 가능한 연료계 레지스터를 통해 배터리 충전 상태를 보고합니다.

NBM5100/NBM7100 계열 동전형 전지 배터리 수명 확장기는 SOT763-1(DHVQFN16) 16핀 패키지로 제공되며 작동 온도 범위는 -40°C ~ +85°C입니다.

Nexperia는 NBM5100ABQX 및 NBM7100ABQX에 각각 NEVB-NBM5100A-01 및 NEVB-NBM7100A-01 평가 기판을 제공합니다. 이 기판을 사용하면 배터리 부스터를 빠르고 간편하게 평가할 수 있습니다. 기판을 개발 중인 기판에 연결하면 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용하여 USB 연결을 통해 PC에서 기판을 제어할 수 있습니다.

결론

NBM5100/NBM7100 배터리 부스터는 과도 부하가 높은 무선 IoT 응용 분야에서 동전형 리튬 전지 배터리의 수명을 연장합니다. 이 부스터가 없다면 동전형 전지보다 훨씬 큰 AA 또는 AAA 배터리를 사용해야 할 수 있습니다. 즉, 이 배터리 부스터는 비용을 절감하는 동시에 장치 크기도 줄일 수 있는 훌륭한 수단입니다.