예기치 않은 시스템 종료 방지

[산업일보]
새로운 배터리 연료 측정 기술의 발전으로 인해 실제 남은 충전량을 더 정확히 파악함에 따라 과거에 예기치 않은 시스템 종료로 겪었던 사용자들의 불편함은 곧 사라지게 될 것이다.

다양한 종류의 휴대용 기기들은 현대인들의 생활에 없어서는 안될 필수품으로 공공 장소에서 노트북을 사용하거나 사무실 밖에서 스마트폰으로 업무를 보는 경우 또는 여행 또는 생산 현장, 무선 연결 장소 및 오락 중에도 태블릿 PC로 영화를 보는 경우 등 어디에서든 이동 단말 장치의 배터리에 의존한다.

휴대용 기기의 배터리가 떨어지면 얼마나 그 기기를 사용할 수 있을지 장담할 수 없게 되며 이러한 불안감은 중요한 순간에 현실화돼 사용자들에게 좌절감을 안겨 준다. 특히 중요한 작업을 저장하지 않은 노트북 사용자의 경우 배터리가 중요한 순간에 꺼져 버려 해당 작업을 날려 버릴 수 있으므로 이러한 불안감은 더욱 증가한다.

휴대용 기기 사용자들에게 있어서 항상 배터리가 얼마나 남았는지를 확인하는 것은 매우 중요하기 때문에 정확한 배터리 "연료량 측정계" 는 필수적인 기능이다. 하지만 기존의 측정 방법은 부정확할 뿐만 아니라 예기치 않게 종료될 수 있는 확률이 높아서 온도로 인한에러 발생으로 인해 긴급하게 필요한 순간에 추가적으로 배터리를 소모하기도 한다.

기존의 충전 방법

Coulomb-counting 방식은 단말기의 충전 정도를 사용자에게 알려 주기 위해 오랜 기간 사용돼 온 가장 일반적인 방법이다. 이 방법은 정밀 전류 센싱 레지스터를 사용해 배터리 출력 전류를 지속적으로 모니터링 한다. 시간이 지남에 따라 배터리 전류량이 통합돼 최대 배터리 충전량과 비교해 현재 남아 있는 충전량을 계산한다.

그러나Coulomb-counting 방식이 가지고 있는 가장 큰 문제점은 고질적인 부정확성이다. 배터리의 자기 방전을 감지하지 못하는 이유는 쿨롱 카운터 센스 레지스터를 통해 흐르지 않는 자기 방전 전류때문이다. Coulomb-counting 방식이 가지고 있는 또 다른 단점으로는 정밀 센스 레지스터의 상대적으로 높은 비용 외에도 센스 전류가 계속 흐르는 동안 레지스터에 의해 소실되는 배터리 에너지 등을 들 수 있다.

쿨롱 카운터가 제공하는 배터리량 측정 정확도는 약 8%이다. 계기판이 남은 배터리 충전량을 10%로 측정한 경우라면 실제 남은 배터리 충전량은 2%정도이다.

이러한 측정 방법은 노트북이나 태블릿 사용 시 작업 손실을 우려하는사용자들의 불만을 야기했다. 휴대폰 사용자의 경우에는GPS 또는 블루투스등과 같은 기능 외에도 전화 기능까지 사용하지 못하는 경우가 있었다. 배터리 충전이 20%이하로 떨어진 경우 사용자들은 필요한 기능을 사용하는 데 시간 제약을 받을 뿐 아니라 불안한 심리까지 보태져서 불만을 초래하기도 했다.



세팅 또는 환경 설정 시 정확도 개선

이와 같은 문제들을 해결하기 위해 온세미컨덕터는 특허 'HG-CRV '(전류 - 전압 추적 하이브리드 측정) 방법을 개발했다. 'HG-CRV' 방법은 정밀 디지털 변환 컨버터(ADC)를 사용해 배터리로부터 측정된 전압을 바탕으로 남아 있는 배터리 에너지를 계산하는 방법이다.

이 방법을 채택하면 모니터 되는 배터리의 전압 대 전류량 특징을 보다 정확하게 설명하는 기준표를 저장함으로써 해당되는 조건들에 대한 수치를 예상할 수 있다. 표에 저장된 수치들과 측정 전압을 비교하면 남은 배터리의 잔량을 계산하는 게 가능해진다. 그림2는 이러한 방법을 발 보여주고 있는데 예를 들어 측정 전압이 4.0V인 경우 기준표에 따르면 남은 배터리량은 75%이다.



이러한 방법을 통해 얻은 남은 배터리량에 대한 정보의 정확성은 미리 설정한 시간 간격에 따라 반복적으로 전압을 측정해 얻어진다. 배터리 온도 역시 모니터링 대상이다. 배터리 방전까지 남아 있는 시간은 전압 및 온도 측정 그리고 미리 설정한 시간 간격에 따라 기록된 전압 변화를 기반으로 계산된다. 배터리 수명이 얼마 남지 않은 경우 낮은 배터리 전압에서 이를 정확하게 판독할 수 있다.

이처럼 배터리 팩에서 측정한 전압을 통해 배터리 자기 방출을 고려할 수 있다. 이 작업을 위해 배터리 잔량 측정을 위한 충전 작업을 별도로 하지 않아도 된다. 이 방법을 채택하면 배터리가 단지 50%밖에 충전되지 않은 경우라도 배터리 수명이 얼마나 남았는지 정확히 계산할 수 있다.

미리 설정한 시간 간격으로 측정하는 방법의 또 다른 장점은 회로가 계속 활성화되고 있는 지 모니터링할 필요가 없다는 것이다. 이러한 방법은 측정하는 시간 중에도 연료 측정 회로를 에너지 절약 수면 모드로 변환시킨다. 센스 레지스터가 필요하지 않으므로 기존 쿨롱 카운터와 비교해 활성 전원 소비량 또한감소된다.

특히 리튬 이온 배터리는 환경 조건 및 주변 온도 변화에 취약한 경향을 보인다. 온도가 0°C 이하로 내려가는 경우 배터리 임피던스가 변하는 데 이때 방출 전류가 흐르면 배터리 전압 강하 폭이 증가한다.

온세미컨덕터는 LC709203인 배터리 전압 센싱 Fuel Gauge IC에 자사 기술의 교정 알고리즘을 추가시켰다. 이 알고리즘은 주변 온도 범위를 포함해모든 배터리 전압 상태에서 연료 측정 정확도가 2.8%를 유지할 수 있도록 한다.

온세미컨덕터는 이러한 연료 측정 효과에 대해 통합적인 실험을 수행했다. 이를 위해 쿨롱 계수 회로 성능을 가진 새로운 배터리 장착 스마트폰을 배터리 양극 및 음극에 연결시켰다. 그 다음 스마트 폰의매립형 연료 측정 기능을 계속 작동시키면서 LC709203F에 배터리 팩의 서미스터 출력을 연결시켰다.

데이터 기록기는 사용해 매립형 연료 측정량을 기록하며 스마트폰 I2C 버스 및 LC709203F의 출력량을 통해 모니터링 됐다. 스마트폰을0°C의 상시 온도를 유지하는 탱크에 넣어 두고 백 라이트를 켜 둔 채 비행 안전 모드로 작동시켰다. 아래 그림3은 이 배치도를 보여준다.



실험 결과에 따르면 LC709203F의 연료 측정 정확도가실험 내내 2.8% 이상을 유지했으며 남아 있는 최저 배터리 수준이 2% 이상이었다.

표준 쿨롱 계수 연료 측정 시스템이 다양한 에러조건에서 작동됐으며 충전량이 0에 가까워 질수록 해당 에러 수준은 최고 6%이상까지 높아졌다. 사용자 입장에서 보면 시스템이 완전히 종료되기 전의 시점은 얼마 동안 단말기를 사용할 수 있을지 가늠할 수 있게 되므로 정확성 측면에서보자면 이는 매우 중요한 시점이다.

저전력, 소형솔루션

14개의 추가 부품을 필요로 하는 다른 소자들과 달리 온세미컨덕터의LC709203F는 단 한 개의 외부 부품을 사용해 효율적인 연료 측정을 가능하게 한다. 이러한 장점은 비용 및 시간을 절약하게 할 뿐만 아니라 단말기 기능에 대한 신뢰성도 증가시킨다.

LC709203의 중요한 장점 중 하나는 1.76mm x 1.6mm크기의 패키지에 실장 되므로 크기가 다른 소자들에 비해 약 45%나 작다는 점이다. 부품 개수가 줄어들었을 뿐만 아니라 연료 측정 회로의 전체 PCB 면적도 약 77%나 줄여준다. 소형화로 인한 내부 공간 제약에도 불구하고 사용자 요구 기능들이 증가하고 있는 스마트폰 및 태블릿 등 단말기에서 이러한 장점들은 매우 의미가 크다.

작동 전류가 가장 유사한 경쟁사 제품의 10분의 1 수준인 15?A인 LC709203F는 소비 전력을 괄목할 만한 수준으로 감소시켜준다. LC709203F는87%이상의 활성 전력 소비 개선 률외에도 수면 모드 상태에서 전류 수준을 최고 60%까지 낮게 한다.

결론

휴대용 기기 사용자들은 이로써 남은 배터리 수명을 더 정확하게 감지하게 돼 배터리 상태가 낮아지게 될 경우에도 전원이 꺼질 것이라는 불안에서 자유로워질 수 있다. 이처럼 정밀 배터리 전압 센싱 뿐만 아니라 매립형 에러 수정 및 온도 보상 기능을 사용하는 기술은 기기 제조사들에게 보다 정확하며 원가를 절감할 수 있는고효율 에너지 솔루션을 제공한다.