텍사스 인스트루먼트 BQ2407x 리튬 충전/방전 프리뷰

얼마전 IP5305 칩셋을 사용한 회로는 시스템에 충분한 전류를 제공할 수 없었을 뿐만 아니라 충전을 중단하면 시스템으로 전원 공급이 끊어지는 문제가 있었다.

차기 버전에는 돈을 좀 더 투자해서 텍사스 인스트루먼트의 BQ2407x 제품군으로 설계를 해보려고 한다. 

이 제품의 좋은점은 간단한 설계로 충전 전류를 프로그래밍 할 수 있고, 충전 전류를 독립적으로 모니터링 하면서 시스템에 부하를 끊김 없이 제공할 수 있다. 거기다 모델 이름 뒤에 Q1 이 붙은 제품군은 AEC-Q100 인증을 받은 제품으로 차량용으로도 사용할 수 있고 설명한다.

풋프린트와 3D 모델 데이터 텍사스 인스트루먼트에서 모두 제공하기 때문에 직접 작도 할 필요도 없어서 매우 좋다.

기본적으로 제공하는 회로도이다.

BQ24075 의 경우 위 설계대로 사용하면 최대 충전 전류는 1.3A로 제한되고 0.8A 로 충전된다. 

ILM 과 ISET 은 서로 관련이 있다고 볼 수 있는데, 왜냐하면 바로 이 핀들이 최대 전류와 충전전류를 프로그래밍 하는 부분이기 때문이다. ILM 과 VSS 사이에 연결되는 저항값으로 최대 입력 전류를 프로그래밍 할 수 있고 ISET 과 VSS  의 저항값으로 빠른 충전 전류를 설정할 수 있다.

스펙상 최대치인 1.5A 로 설정 할 수도 있지만 125°C 를 넘지 않도록 방열 대책도 마련해주어야 한다. 그렇지 않으면 수명이 줄어든다고 한다. 

방정식은 다음과 같으며, 각각의 K 값은 데이터 시트의 9 페이지에서 찾을 수 있다.

R(ISET) = K(ISET) / I(CHG)

K = 890AΩ, R = 590Ω ~ 8.9KΩ

R(ILIM) = K(ILIM) / I(I_MAX)

K = 1550AΩ, R = 1.1KΩ ~ 8KΩ

예를 들어 

R(ISET) = 1KΩ, R(ILIM) = 1.1KΩ 으로 세팅하면, 충전 전류 0.89A 최대 입력 전류 1.4A 로 설정할 수 있다. 데이터 시트 상으로는 이렇지만 실제 테스트에서는 약간 다를 수 도 있다.

권장 설계에 따르면 최대 입력 전류는 1.37A, 충전 전류는 0.75A 로 세팅 되어 있는데, 이는 최대 전류의 약 55%로 상당히 보수적으로 세팅 되어 있다.

세팅하고 싶은 값을 대입하여 사용하면 되지만 사용 가능한 저항에서 타협해도 된다.

충전 전류는 다음과 같이 EN1/EN2 으로 설정할 수 있다.

프로그래밍 한 값으로 사용하고 싶다면 EN2 는 HIGH, EN1 은 LOW 로 설정하면 된다.

TMR은 충전 단계 타이머를 프로그래밍 하는 부분으로 TMR 과 VSS 사이에 18KΩ에서 72KΩ의 저항을 연결하여, 충전 모드를 동적으로 관리할 수도 있다. 데이터 시트상에는 6시간 15분을 기준으로 46.4KΩ을 사용하도록 계산되어있다. 배터리 마다 충전시간이 다르기 때문에 기본 모드로 사용하길 원하면 비워두면 되고, TMR기능을 끄려면 VSS 에 연결하면 된다.

충전 모드는 프리 충전 (pre-charge) 와 빠른 충전(fast-charge) 모드가 있는데, 프리 충전 모드 (pre-charge mode)는 배터리가 초기에 상대적으로 낮은 전압이나 용량 상태로 충전되는 단계로, 배터리의 상태를 안정화 하고 안전하게 충전하기 위해 사용하고, 빠른 충전 모드(fast-charge mode)는 프리 충전 후에 배터리가 빠르게 충전되는 단계로, 마찬가지로 TMR 을 통해 충전 시간을 조절할 수 있다.

이 두 충전 모드는 BQ2407x 내부에서 단계적으로 동작하도록 프로그램 되어있으며, 기본 옵션을 사용하려면 VSS 에 연결해주면 된다.

BQ2407x 은 여러 제품이 존재하지만 동일 풋프린트를 사용하는 제품은 다음과 같다.

BQ24070, BQ24071 은 RHL 20Pin 패키지로 레이아웃이 다르다.

위 표에 따르면BQ24072는 15번 핀이 TD(Termination Disable) 기능을 하게 된다.

이 핀을  HIGH 로 설정하면 배터리 충전이 완료되어도 계속해서 충전을 하게 된다.

일반적인 상황에서는 충전을 스스로 종료할 수 있도록 VSS 에 연결해서 LOW 상태로 두는 것이 안전하다. TD핀을 시스템에 연결해서 직접 컨트롤 할 수 도 있지만 칩셋이 운영중에는 TD 핀의 상태를 바꿀 수 없다. 이 핀은 안전과 관련된 기능이기 때문에 운용시 주의가 필요하다.

간단한 회로 넒은 선택지 BQ2407x 은 리튬 배터리 관리 회로 설계에 있어 매우 좋은 선택지가 될 수 있다고 생각한다.

다음은 부스트 회로 영역이다.

새로운 전원부 설계에 리튬 배터리 관리는 BQ24072 을 사용하고 5V 승압은 TPS61230을 이용하려고 한다. 물론 TPS61232 를 사용하면, 고정으로 5.0V 를 얻을 수 있지만 전압을 조정하여 5.1~5.2V 정도를 얻고 싶기 때문에 TPS61230 을 사용하려고 한다.

예전에 TPS61090 을 사용해서 승압 회로를 구성해 봤었는데, TPS61230 와 비교하자면 스위칭 주파수도 많이 낮고 수동 소자도 많이 들어갔다. 저항기가 다양하게 들어가면 나중에 만들때 귀찮아진다. 

PCB 설계에서 상당한 시간을 소요하게 되는 부분이 아트워크인데, 데이터시트에 PCB 레이아웃 예제도 넣어주고 정말 친절하다. 텍사스 인스트루먼트 마음에 든다.

다음주까지 오늘 생각해둔 전원부와 디스플레이 회로 설계를 마무리해보겠다.