우리가 만들고자 하는것
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배터리로 동작하는 모델을 만들고자한다.
여러 가지가 있을 수 있다.
1. 1.5V 배터리 하나를 넣어서 5V를 만들어서 동작하는 모델
2. 리튬폴리머 1개를 쓰고 5V로 만들어서 동작시키고 USB로 충전이 가능한모델
블록다이어그램으로 생각하기
 USB/ 외부전원 ->충전회로->배터리->Step Up 회로-> 메인회로
USB / 외부전원
USB: 5V
외부전원: 6~9V
충전회로
한번 살펴보세요
전원부만 따로 있는거 Microchip MCP7384(충전회로)(국내엔 없는듯 해요)
배터리
적당하고 좋은 배터리 추천바람
1.2V 용 산요 에네루프
리툼폴리머 3.7V 500mAh 3000원 (가격대 용량 괜찮은거같아요)
배터리 잔량체크
스텝업
릴리패드 쓰는것보다 전류 한계 용량 큰거
이걸 써볼까 합니다. devicemart에서도 팔고
LM2623 DC/DC boost converter
Datasheet
LM2623 Evaluation Board Application Note
또다른 스텝업 컨버터들
issues
메인회로
우리가 만들어 놓은것
회로도  예상보다 많이 힘들군요.. 부품사러가야하는데.. 3. 배터리 연결 커넥터만 있는 모델
등등
These are real-world battery life results for Arduino projects and XBee mesh networking radios. Use them to help choose which battery setup is right for your project. All tests performed at room temperature with nominally fresh or fully charged batteries. Tests with multiple run times are intended to give a sense of the potential for variance in the results. Results were monitored in a Processing program that keeps track of the first and last time it receives bytes on the serial port. Download the Battery Tester program or read the code. ARDUINO NG
XBee
Automatic switchover between battery and source!
LM3658
LM3658 Evaluation Kit
소량부품 구매 관련 한국 사이트
대량구매 재고관련
Power design using MOSFET
한국에서 제공하는 핸드폰 충전 모듈
휴대폰 TTA 충전기 관련 자세한 설명
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리튬 이온 관련이지만 관련된 내용이라 복사해왔습니다
게 된다. 그 중 중요한 한 가지 과제는 주 전원으로 배터리를 사용해야 한다는 점이다. 이로 인해 시스템 디자이너들은 배터리의 능력을 최대한 활용하는 정교한 시스템을 제작해야 한다는 부담을 짊어지게 되었다.
Scott Dearborn / 마이크로칩 테크놀로지, 수석 애플리케이션 엔지니어
애플리케이션은 저마다 고유한 특성을 갖지만 한가지 공통된 테마는 바로 배터리 사용량을 극대화해야 한다는 점이다. 이것은 곧 재충전식 배터리에 어떻게 적절히 에너지를 복원하는가 하는 문제와 직결된다. 모든 애플리케이션에 통하는 단 한 가지의 방법은 존재하지 않는다. 적절하고 안정적인 배터리 충전 시스템을 설계하기 위해서는 배터리의 충전 특성과 애플리케이션의 요구 사항에 대한 이해가 반드시 선행되어야 한다. 각각의 방법에는 저마다의 장단점이 존재하고 고유한 요구 사항을 가진 각 애플리케이션마다 적합한 방법은 달라진다.
많은 경우 충전 시스템은 우선적으로 고려해야 하는 요소로 취급되지 않는다. 특히 비용에 민감한 애플리케이션에서 이러한 현상은 더욱 두드러진다. 그러나 충전 시스템의 품질은 배터리의 수명과 안정성에서 핵심적인 역할을 한다. 이 자료에서는 리튬 이온(Li-Ion) 배터리 충전의 기본적인 사항을 살펴본다.
특히 선형 충전 솔루션과 마이크로컨트롤러 기반의 스위치 모드 솔루션에 대해 알아볼 것이다. 마이크로칩의 MCP73843과 MCP73861 선형 충전 관리 컨트롤러, PIC16F684 마이크로컨트롤러, 그리고 MCP1630 PWM(Pulse Width Modulator)을 예로 사용한다.
리튬 이온 충전
충전 또는 방전율은 배터리의 용량과 관련하여 표현되는 경우가 많다. 이 충방전율을 C-Rate라고 한다. C-Rate는 충전 또는 방전 전류로 수식화 되며 (식 1)과 같이 정의된다.
I = M x Cn <식 1>
I = 충전 또는 방전 전류, A
M = C의 배수 또는 분수
C = 정격 용량의 숫자 값, Ah
n = C가 선언된 시간(시간 단위)
C-Rate 1로 방전되는 배터리는 1시간의 공칭 정격 용량을 제공한다. 예를 들어 정격 용량이 1000mAhr인 경우 1C의 방전율은 1000mA의 방전 전류에 해당한다. C/10의 방전율은 100mA의 방전 전류에 해당한다.
일반적으로 제조업체들은 배터리가 완전히 충전 된 후 제품의 동작 시간을 5시간으로 (n=5) 설정한다. 예를 들어 위에서 언급된 배터리는 200mA의 정전류로 방전될 때 5시간의 동작 시간을 제공한다. 이론적으로 이 배터리는 1000mA의 정전류로 방전될 때 1시간의 동작 시간을 제공한다. 그러나 현실에서는 방전 주기에서의 비효율성으로 인해 동작 시간은 1시간 미만이 된다. 그렇다면 리튬 이온 배터리에 적절히 에너지를 복원하는 방법은 무엇일까? 리튬 이온 배터리 화학 구조에서 흔히 사용되는 충전 알고리즘은 세류 충전, 정전류 충전, 정전압 충전, 그리고 충전 종료의 4단계로 분할 가능한 정전류-정전압 알고리즘이다(그림 1 참조).
1단계 : 세류 충전 - 세류 충전은 상당 수준으로 소모된 셀에 전하를 복원하는 데 사용된다. 셀 전압이 약 3V 미만인 경우 이 셀은 최대 0.1C의 정전류로 충전된다.
2단계 : 정전류 충전 - 셀 전압이 세류 충전 임계치 이상으로 올라오면 정전류 충전을 수행하기 위해 충전 전류가 상승한다. 정전류 충전은 0.2C~1.0C 범위에 들어가야 한다. 정전류는 반드시 정확할 필요는 없으며 반 정전류도 허용된다. 선형 충전에서는 많은 경우 패스 트랜지스터의 열 발산을 최소화하기 위해 셀 전압 상승에 따라 전류가 높아진다.
1C를 초과하는 정전류 충전은 전체적인 충전 주기를 단축시키지 못하며 지양해야 한다. 높은 전류로 충전할 경우 전극 반응의 과전압과 셀 내부 저항의 전압 증가로 인해 전압이 더 빠르게 상승한다. 정전류 단계에 소요되는 시간은 짧아지지만 정전압 단계에 소요되는 시간이 이에 비례하여 증가하므로 전체적인 충전 주기는 단축되지 않는다.
3단계 : 정전압 - 셀 전압이 4.2V에 이르면 정전류 충전이 끝나고 정전압 단계가 시작된다. 최대한의 성능을 위해서는 전압 조정 공차가 +1%보다 우수해야 한다.
4단계 : 충전 종료 - 니켈 기반 배터리와 달리 리튬 이온 배터리에서는 세류 충전 지속이 바람직하지 않다. 세류 충전을 지속할 경우 금속성 리튬의 도금 현상을 유발하여 배터리 상태가 불안정하게 되고 그 결과 갑작스러운 자동 해체가 일어날 수 있다.
일반적으로 충전은 최소 충전 전류 또는 타이머의 두 가지 방법 중 하나로 종료된다(두 가지 방법의 조합도 사용됨). 최소 전류 접근 방식에서는 정전압 단계에서 충전 전류를 모니터링하며 충전 전류가 0.02C~0.07C 범위로 감소되면 충전을 종료한다. 두 번째 방법에서는 정전압 단계가 발동되는 시점을 확인한다. 여기서부터 2시간 동안 충전이 더 수행된 후 종료된다.
이러한 방식으로 충전할 경우 고갈된 배터리를 약 2.5~3시간 만에 충전할 수 있다. 더 진보적인 충전 방식에서는 부가적인 안전 기능도 사용한다. 예를 들어 셀 온도가 지정된 범위(일반적으로 0°C~45°C)를 벗어나면 충전이 중지된다.
리튬 이온 충전 - 시스템 고려 사항
배터리를 신속하게, 안정적으로 재충전하기 위해서는 고성능 충전 시스템이 필요하다. 안정적이고 비용 효율적인 솔루션을 위해서는 다음과 같은 시스템의 요소들을 고려해야 한다.
■ 입력 소스
다수의 애플리케이션은 입력 공급원으로 초저가 어댑터를 사용한다. 출력 전압은 어댑터의 부하 전류와 AC 입력 전압에 따라 크게 좌우된다. 미국의 경우 일반적인 벽면 콘센트에서 가능한 AC입력 전압 범위는 90VRMS~132VRMS다. 공칭 입력 전압을 120VRMS로 가정하면 공차는 +10%, -25%다. 충전기는 입력 전압에 대해 독립적으로 배터리에 적절한 조정을 제공해야 한다. 충전기로의 입력 전압은 AC 전압과 충전 전류에 따라 조절된다.
VO = √2 x VIN x a - 1O (REQ + RPTC) - 2 x VFD <식 2>
REQ는 2차 권선의 저항에 1차 권선의 반사 저항을 더한 값이다(RP/a2).
RPTC는 PTC의 저항이며 VFD는 브리지 정류기의 순방향 강하다. 또한 변압기 코어 손실도 출력 전압을 약간 낮추는 역할을 한다. 자동차 어댑터를 통해 충전하는 애플리케이션 역시 비슷한 문제를 경험할 수 있다. 자동차 어댑터의 출력 전압 범위는 일반적으로 9V~18V다.
■ 정전류 충전율과 정확성
특정 애플리케이션을 위한 토폴로지 선택은 필요한 정전류에 따라 결정된다. 높은 정전류 또는 다중 셀을 사용하는 많은 애플리케이션들은 효율성 향상과 열 발생 감소를 위해 스위치 모드 충전 솔루션에 의존한다. 선형 솔루션은 크기와 비용 측면의 큰 장점을 생각하면 저가형에서 보급형에 이르는 고속 충전 전류 애플리케이션에서 매력적이다.
그러나 선형 솔루션은 과다 전력을 열 형태로 발산한다. 정전류 충전의 공차는 선형 시스템에서 상당히 중요한 요소가 된다. 조정 공차가 느슨할 경우 패스 트랜지스터 및 기타 부품이 비대해져 크기와 비용을 증가시킨다. 또한 정전류 충전이 낮은 경우 전체 충전 주기가 길어지게 된다.
■ 출력 전압 조정 정확도
원하는 목표, 즉 배터리 용량 활용의 최대화를 달성하기 위해서는 출력 전압 조정 정확도가 매우 중요하다. 출력 전압 정확도가 약간만 떨어져도 용량은 크게 줄어들게 된다. 반면에 출력 전압은 안전과 안정성 우려로 인해 임의로 높게 설정할 수 없다. (그림 2)는 출력 전압 조정 정확도의 중요성을 보여 준다.
■ 충전 종료 방법
과충전이 리튬 이온 셀의 최대 약점이라는 사실은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 안전하고 안정적인 충전 시스템을 위해서는 정확한 충전 종료 방법이 반드시 필요하다.
■ 셀 온도 모니터링
리튬 이온 배터리를 충전할 때의 적정 온도 범위는 일반적으로 0°C~45°C다. 이 범위를 벗어난 온도에서 배터리를 충전할 경우 배터리가 과열될 수 있다. 충전 주기 동안 배터리 내부의 압력이 증가하면서 배터리가 팽창한다. 온도와 압력은 직접적으로 연관된다. 온도가 상승하면 압력이 과도하게 높아질 수 있고 이는 배터리 내부의 기계적인 고장이나 배터리의 폭발로 이어질 수 있다. 또한 이처럼 온도 범위를 벗어난 상태에서 배터리를 충전하는 행위는 배터리의 성능에 부정적인 영향을 미치거나 배터리의 수명을 단축시킬 수 있다.
일반적으로 리튬 이온 배터리 팩에는 배터리 온도를 정학하게 측정하기 위한 서미스터가 포함되어 있다. 충전기는 서미스터 단자와 음극 단자 사이에서 서미스터의 저항 값을 측정한다. 저항(및 이에 따른 온도)이 지정된 동작 범위를 벗어나면 충전하지 않는다.
■ 배터리 방전 전류 또는 역방향 누설 전류
입력 전원이 없는 동안에도 충전 시스템은 배터리에 연결된 상태를 유지하는 애플리케이션이 많다. 입력 전원이 없을 때 충전 시스템은 배터리로부터의 누설 전류를 최소화해야 한다. 최대 누설 전류는 수 마이크로암페어 이하여야 하며 일반적으로는 1마이크로암페어 이하를 유지해야 한다.
리튬 이온 충전 - 애플리케이션 예
상기된 시스템 고려 사항을 참작하여 적절한 충전 관리 시스템을 개발할 수 있다.
■ 선형 솔루션
선형 충전 솔루션은 일반적으로 잘 조정된 입력 전원을 사용할 수 있는 경우에 채용된다. 이러한 애플리케이션에서 선형 솔루션은 사용의 용이함, 크기, 비용 측면의 장점을 제공한다. 선형 충전 솔루션의 경우 낮은 효율로 인해 열 설계가 가장 중요한 요소가 된다. 열 설계는 패스 트랜지스터와 주변 냉각 기류 사이의 열 임피던스, 입력 전압, 그리고 충전 전류의 직접 함수다.
최악의 경우는 디바이스가 세류 충전 단계에서 정전류 단계로 전환되는 시점이다. 이때 패스 트랜지스터는 최대 전력을 방출해야 한다. 충전 시스템의 충전 전류, 크기, 비용, 그리고 열 요구 사항 간에 적절한 타협이 필요하다. 예를 들어 0.5C 또는 1C의 정전류 충전율로 5V +/- 5% 입력을 통해 1000mAh의 단일 리튬 이온 셀을 충전해야 하는 애플리케이션을 가정해 보자. (그림 3)은 저렴한 독립형 솔루션을 만드는 데 사용된 마이크로칩의 MCP73843을 보여 준다. 몇 개의 외부 부품으로 기본적인 충전 알고리즘이 구현된다. MCP73843은 높은 정확도의 정전류, 정전압 조정과 자동 충전 종료 기능을 겸비한 제품이다.
선형 솔루션의 크기, 비용, 복잡성을 더욱 줄이고자 한다면 외부 부품의 상당수를 충전 관리 컨트롤러에 통합할 수 있다. 통합 밀도를 높이면 고급 패키징이 필요하며 유연성은 낮아진다.
이러한 패키지는 제조를 위한 고급 장비를 요구하며 많은 경우 재가공을 허용하지 않는다. 일반적으로 통합 대상에는 충전 전류 감지, 패스 트랜지스터, 역방전 방지가 포함된다.
또한 이러한 충전 관리 컨트롤러에는 일반적으로 일종의 열 조정 기능이 사용된다. 열 조정 기능은 디바이스 다이 온도를 기반으로 충전 전류를 제한함으로써 디바이스 안정성을 유지하는 동시에 충전 주기 시간을 최적화한다. 열 조정 기능은 열 설계를 위한 작업 부담을 크게 경감시켜 준다.
(그림 4)는 마이크로칩의 MCP73861을 사용하는 완전히 통합된 선형 솔루션을 보여 준다. MCP73861은 MCP73843의 모든 기능에 충전 전류 감지, 패스 트랜지스터, 역방전 방지 및 셀 온도 모니터링 기능도 도입한 제품이다.
▲ 충전 주기 파형
(그림 5)는 MCP73843을 사용하는 정전류 충전율 1C 및 0.5C의 완전한 충전 주기를 보여 준다. 1C 대신 0.5C로 충전할 경우 충전이 끝날 때까지 약 1시간 정도가 더 소요된다. MCP73843은 고속 충전 전류에 비례하여 충전 종료 전류를 조절한다. 그 결과 충전 시간은 36% 증가하고 용량에서 2%의 이득이 발생하고 전력 소모는 줄어든다. 종료 전류가 0.07C에서 0.035C로 변경되면 최종 용량이 ~98%에서 ~100%로 증가한다. 시스템 디자이너는 충전 시간, 전력 소모, 가용 용량 사이에서 적절히 타협해야 한다.
■ 스위치 모드 충전 솔루션
스위치 모드 충전 솔루션은 일반적으로 입력 범위가 넓거나 입출력 간의 전압 차이가 큰 애플리케이션에 사용된다.
이러한 애플리케이션에서 스위치 모드 솔루션은 효율성 향상이라는 장점을 제공한다. 단점은 시스템 복잡성, 크기, 그리고 비용이다.
예를 들어 0.5C 또는 1C의 정전류 충전율로 자동차 어댑터를 통해 2200mAh의 단일 리튬 이온 셀을 충전해야 하는 애플리케이션을 가정해 보자. 이 애플리케이션의 경우 열 문제로 인해 선형 솔루션을 사용하기가 극히 어렵다.
열 조정 기능을 추가한 선형 솔루션을 사용하는 방법이 있지만 낮아진 충전 전류에서 충전 주기 시간이 지나치게 길어질 수 있다. 성공적인 스위치 모드 충전 솔루션을 설계하기 위한 첫 번째 단계는 토폴로지 선택이다. 선택 가능한 옵션으로는 벅, 부스트, 플라이백, SEPIC(Single-Ended Primary Inductive Converter) 등이 있다.
이 애플리케이션의 경우 입출력 요구 사항을 감안하고 실험을 해보면 이내 벅 또는 SEPIC 두 가지 중 하나로 선택권이 좁아진다. 벅 컨버터는 하나의 인덕터만 필요하다는 점에서 장점을 가진다.
이 토폴로지의 단점으로는 역방전 방지에 필요한 추가 다이오드, 하이 사이드 게이트 드라이브 및 전류 감지, 맥동(pulsed) 입력 전류(EMI 관련) 등이 있다.
SEPIC 토폴로지의 장점으로는 로우 사이드 게이트 드라이브 및 전류 감지, 연속적인 입력 전류, 입력에서 출력으로의 DC 절연 등이 있다. SEPIC 토폴로지의 가장 큰 단점은 2개의 인덕터와 에너지 전달 커패시터 사용이다.
(그림 6)은 스위치 모드 충전기의 회로도를 보여 준다. 마이크로칩의 고속 PWM(Pulse Width Modulator)인 MCP1630은 의사(pseudo) 스마트 배터리 충전기 애플리케이션에 사용되어 왔다.
MCP1630은 마이크로컨트롤러와 연동 가능한 고속의 PWM(pulse width modulator)이다. 마이크로컨트롤러와 함께 사용할 경우 MCP1630은 전력 시스템 작업량 주기(duty cycle)를 제어하여 출력 전압 또는 전류 조정을 제공한다.
PIC16F684 마이크로컨트롤러를 사용하면 출력 전압 또는 전류, 스위칭 주파수, 최대 작업량 주기를 조정할 수 있다. MCP1630은 작업량 주기를 생성하며 다양한 외부 입력을 기반으로 신속한 과전류 방지 기능을 제공한다.
외부 신호로는 입력 오실레이터, 레퍼런스 전압, 피드백 전압, 전류 감지 등이 있다. 출력 신호는 구형파 펄스다. 충전기에 사용되는 파워 트레인은 SEPIC이다.
마이크로컨트롤러는 디자인에 상당한 유연성을 제공한다. 또한 마이크로컨트롤러는 배터리 팩 내의 배터리 모니터(마이크로칩의 PS700)와 통신하여 충전 주기 시간을 크게 줄일 수 있다.
▲충전 주기 파형
(그림 7)은 스위치 모드 충전 솔루션을 활용하는 완전한 충전 주기를 보여 준다. 충전 시스템의 배터리 모니터를 활용함으로써 충전 주기를 대폭 줄일 수 있다. 배터리 모니터는 팩 보호 회로와 충전 전류에 의한 접촉 저항에서 생성되는 전압 감지를 제거한다.
결론
오늘날의 휴대형 제품에서 최신 배터리 기술을 사용하여 에너지를 적절히 복원하려면 신중한 판단이 필요하다.
적절하고 안정적인 배터리 충전 시스템을 설계하기 위해서는 배터리의 충전 특성과 애플리케이션의 요구 사항에 대한 이해가 필수적이다.
본 자료에서는 리튬 이온 배터리를 위한 선형 및 스위치 모드 충전 솔루션을 제시했다. 배터리 충전 시스템을 개발할 때는 여기에 제시된 지침 및 고려 사항을 참고하기 바란다.
바떼리 글
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