전압 컨버터를 활용하여 배터리 효율을 높이고 사용 시간을 늘리는 방법

2023년 09월 16일

글/프레데릭 도스탈(Frederik Dostal), 아나로그디바이스(Analog Devices) FAE

이 글에서는 기존 시스템에 아나로그디바이스(ADI)의 나노파워(nanoPower) 컨버터를 이용하여 배터리 사용 시간을 최대 20% 더 늘리는 방법에 대해 설명한다.

회로의 에너지 효율이 좋아야 배터리가 오랫동안 지속될 수 있다. 이러한 이유에서 시스템 설계 시 에너지 효율이 우수한 부품들을 선택해야 한다. 전자 회로에서 기능 블록의 수가 적을수록 시스템 전반에서 더 높은 에너지 효율을 달성할 수 있다. 그림 1은 배터리 전원으로 작동하는 장치의 사례로서 전자식 수도 계량기를 나타낸 것이다. 이 시스템은 아나로그디바이스의 MAX32662 마이크로컨트롤러를 기반으로 하며, 하나의 전원 전압만을 사용한다. 입력 전압 범위는 1.71V ~ 3.63V이다.

그림 1. 정전압 레귤레이터가 통합된 마이크로컨트롤러를 사용하는 배터리 구동 방식의 수도 계량기

이 마이크로컨트롤러는 배터리로부터 직접 전원을 공급받을 수 있으며, 배터리는 온도와 충전 상태에 따라 2V ~ 3.6V의 전압을 공급한다. 이 회로는 몇 개의 추가 부품만을 필요로 하므로 전반적인 시스템 효율이 매우 높을 수 있다. 하지만 마이크로컨트롤러의 전류 소모는 실제 공급 전압과는 크게 상관이 없다. 이 마이크로컨트롤러가 2V로 작동하든 3.6V로 작동하든 이 IC에는 아무런 차이가 없다.

이 같은 경우, 새로운 나노파워(nanopower) 스위칭 레귤레이터를 활용할 수 있다. 이러한 유형의 스위칭 레귤레이터를 사용함으로써 배터리 전압을 예컨대 2V 같은 보다 낮은 값으로 효율적으로 변환할 수 있다. 나노파워 스위칭 레귤레이터의 출력은 마이크로컨트롤러가 필요로 하는 전력을 제공하지만, 배터리 전압은 더 높을수록 더 낮은 전류가 소모된다. 그림 2는 고효율 나노파워 스위칭 레귤레이터인 MAX38650을 추가한 수도 계량기 회로를 보여준다.

그림 2. 나노파워 전압 레귤레이터가 추가된 수도 계량기

이 IC를 추가함으로써 배터리 사용 시간을 크게 늘릴 수 있다. 사용 시간은 20% 혹은 그 이상까지도 손쉽게 늘릴 수 있다. 다만, 에너지를 정확히 얼마만큼 절약할 수 있느냐는 사례마다 다를 수 있다. 온도, 피크 전류, 센서의 주기적 스위치 오프 같은 여러 요인에 의해 영향을 받기 때문이다. 여기서 결정적 역할을 하는 것이 추가된 DC-DC 컨버터의 대기 전류(quiescent current)이다. 만약 이 스위칭 레귤레이터가 너무 많은 에너지를 소모한다면 에너지 절약의 이점은 기대할 수 없을 것이다.

그림 3은 MAX38650 나노파워 전압 레귤레이터를 사용할 때의 회로를 보여준다. 제품명에서 알 수 있듯이, 이 IC는 대기 전류가 나노암페어 수준이다. 이 스위칭 레귤레이터는 작동 시에 390nA의 대기 전류만을 소비한다. 이 DC-DC 컨버터가 스위치 오프일 때는 5nA의 셧다운 전류만을 필요로 한다. 그러므로 이 나노파워 전압 컨버터는 그림 1과 같은 시스템에서 에너지를 절약하고자 할 때 이상적이다.

그림 3. 나노파워 레귤레이터 회로

그림 3에서 보이는 것처럼, 이 디바이스는 불과 몇 개의 외부 부품만을 필요로 한다. 저항 전압 분배기 대신 R_SEL 핀에 1개의 저항만을 사용해서 출력 전압을 설정할 수 있다. 저항 전압 분배기는 상당한 양의 전류를 소모하는데, 이 전류 소모량은 전압과 저항에 따라서 MAX38650의 대기 전류보다 훨씬 더 클 수 있다. 그러므로 이 IC는 초기 동작할 때 잠깐만 이 R_SEL 저항을 확인한다. 이 IC는 스위치 온일 때 잠깐 동안 이 저항을 통해서 200㎂의 전류가 지나가는 것을 통해 출력 전압 설정 값을 검출한다. R_SEL 핀의 전압을 측정해서 IC에 내부적으로 저장한다. 그러므로 기존 전압 분할기를 사용할 때와 같은 에너지 손실을 일으키지 않는다. 간단히 말해, 전압 컨버터를 추가함으로써 시스템 효율을 높이고 한 번 충전으로 사용 가능한 배터리 시간을 늘릴 수 있다.

저자 소개
프레데릭 도스탈(Frederik Dostal)은 전력 관리 전문가로서 이 업계에서 20년 넘게 종사하고 있다. 독일의 에를랑겐 대학에서 마이크로일렉트로닉스를 전공하고, 2001년에 내셔널 세미컨덕터(National Semiconductor)에 입사해서 FAE로서 고객 프로젝트로 전력 관리 솔루션 구현과 관련한 풍부한 경험을 쌓았다. NS 재직 시 애리조나주 피닉스에서 4년 간 근무하면서 애플리케이션 엔지니어로서 스위치 모드 전원장치(SMPS)를 맡았다. 2009년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사했으며, 이후 제품 라인 및 유럽 기술 지원과 관련한 다양한 직책을 거쳤다. 현재는 풍부한 설계 및 애플리케이션 지식을 바탕으로 전력 관리 전문가로서 ADI 뮌헨 지사에서 근무하고 있다. 문의: frederik.dostal@analog.com