배터리에 관한 열가지 팁

Len Sherman, Maxim Integrated Products

서론

지금부터 이어지는 이야기는 배터리 동작 제품을 설계하는 엔지니어들이 종종 저지르는 일련의 죄악에 관한 것들이다. 휴대용 기기를 접할 때 나의 관점은 설계자의 입장이긴 하지 만 이들 중 대부분은 소비자의 관점에서 보면 죄악 목록에 꼽 힐 수도 있다.
기술면에서 놀랍도록 다양한 진보를 이루고는 있지만 여전 히 많은 제품들이 소비자의 의욕을 꺾고 있다. 겨우 전원이 너무 빨리 닳아 버린다는 이유 때문에 말이다. 어떤 경우에는 이러한 죄를 피할 수 없는 경우도 있지만 단순히 이 문제 또 는 이 문제를 다루는 방법에 주의를 기울이지 않아 이 같은 결과를 초래하는 경우도 있다. 다음의 순서는 반드시 중요도 순은 아님을 부언해 둔다.

친구라면 AAA나 9V 배터리를 쓰게 하지않는다

AAA 및 9V 알칼라인 트랜지스터 라디오 배터리는 AA 셀 에 비해 상당한 약점을 갖고 있다. 둘다 출력 임피던스가 아 주 좋지 않아서 그렇잖아도 부족한 용량이 부하 증가에 따라 손실이 커지면 더욱 줄어들게 된다. 일반적인 제조사 발표 데 이터에 의하면 AA 배터리의 용량은 AAA보다 2.5배가 된다. 기계적 설계 때문에 어쩔 수가 없는 경우를 제외한다면 AAA 셀은 피해야 한다. AAA가 AA에 비해 크기가 작다는 것은 분 명한 사실이다. 하지만 보다 큰 배터리를 사용할 수 있는 충 분한 공간이 있는데도 AAA를 사용하는 경우가 허다하다. 9V 트랜지스터 라디오 배터리는 5V 시스템에 값싼 선형 레귤레이터를 달아 전원 공급이 가능하다는 점에서 나름의 정당성을 갖는다. 저전류 부하가 걸리는 상황에서는 9V 배터 리의 용량이 AA와 비슷하다.
하지만 9V 배터리는 6개의 아주 작은 전지를 직렬로 연결 해서 만든 만큼 출력 저항이 높고 용량이 부하 전류에 따라 크게 달라진다. 1년에 겨우 두 번 배터리를 갈아 주는 화재경 보기 같은 경우라면 괜찮다. 하지만 부하가 크고 사용자에 의 해 배터리 교환이 자주 일어나는 경우에는 사용자 측면의 비 용이 비싸지게 되며 배터리의 열악한 출력 저항은 이런 문제 를 더욱 복잡하게 만든다. AA와 9V 배터리를 비교할 때는 9V 셀이 AA보다 일반적으로 4배 더 비싸다는 사실을 염두에 두어야 한다.
요새 출시되고 있는 저렴한 DC-DC 컨버터 덕분에 2개의 AA 배터리로부터 5V 전원을 고효율로 만들어내는 일이 아주 쉬워졌다. 그림 1을 보자.



이 회로는 배터리 역전 보호 기능을 IC에 내장하고 있다. 여기 나와 있는 접속 방법을 쓰면 일반적으로 배터리에 교환 주기가 2배로 길어지며 9V 배터리에 비해 운 용 비용은 4분의 1 정도가 된다.

Off 상태의 부하 전류, No!

알칼라인 배터리는 자체 방전율이 매우 낮고 회로 구현 비 용이 낮다는 점(충전기 또는 AC 전원 잭이 불필요)이 장점이 다. 전력 필요량이 적으면 알칼라인이 아주 훌륭한 대안이 되 지만 적절한 사용을 위해서는 무부하 시 전류 또는 휴면 시 전류를 거의 종교적인 수준의 신념을 갖고 최소화해야 한다. 전원 시스템 설계 시의 일반적인 실수 중 하나는 제품의 동작 효율에만 초점을 맞추고 off 또는 sleep 상태의 전류는 무시하 는 것이다. 수십 μA의 버려지는 전류라도 배터리 고갈의 원인 이 되며 따라서 띄엄띄엄 사용하는 제품인데도 배터리는 자 주 갈아야 하는 상황이 발생하게 되는 것이다. 엉뚱하게도 이 러한 설계상의 실수는 몇 년 전보다 요즘 더 자주 발생하는데 이는 소프트웨어 스위치가 배터리를 완전히 분리해 주는 기 계식 스위치를 대체하고 있기 때문이다.
소프트웨어 스위치를 사용하게 되면 시스템은 살아 있지만 저전류(여기서의 저전류란 희망사항일 수도 있지만) 상태가 되고 ON/OFF 키에 대한 스캔만이 이루어지게 된다. 이러한 시스템은 탁월한 off 전류 성능을 가질 가능성이 있다. 왜냐하 면 CMOS 로직 회로의 정전류(클록이 없는 상태) 흐름은 거 의 0에 가깝기 때문이다. 하지만 현실적으로 말하자면 이러한 시스템은, 풀업 저항이 계속 배터리 전류를 흘리거나 활성화 되어 있지 않은 시스템의 전원 차단이 제대로 이루어지지 않 는 등 엉성한 설계 때문에 off 상태에서도 배터리를 소모하게 된다. 이러한 시스템에서 off 상태의 소비전류가 수 μA를 넘 을 합당한 이유란 있을 수 없다. 부스트 DC-DC 컨버터가 풀 타임으로 로직 전원을 유지하기 위해 돌아가야 하는 1셀 혹은 2셀 AA 설계에서도 MAX1722와 같은 소자를 사용하면 2μA 미만의 전류를 소모하도록 할 수 있다. AA 셀을 쓰는 경우 이 러한 수준의 동작 전류는 일반적으로 배터리 자체의 내부 방 전율 이하이다.

다이오드 OR 연결, No!

세상은 순방향 전압강하 10mV에 역방향 누설 전류 0인 완 벽한 다이오드를 원한다. 지금까지는 쇼트키 다이오드가 최 고의 성능을 가지는 데 순방향 전압강하는 300~500mV 사 이이다. 불행히도 많은 전압 선택 설계에 있어서는 쇼트키 다 이오드라도 충분히 괜찮지는 않다. 최첨단 고효율 전압 컨버 터를 쓴 다음 겨우 스티어링 다이오드의 순방향 전압강하 같 은 것 때문에 전력을 낭비해 버리는 것은 말이 안 된다. 저전 압 시스템에서 배터리 에너지의 보존이 진정 중요한 것이라 면 다이오드가 아니라 전력 MOSFET 스위치를 써야 한다. 턴온 저항이 수십 mΩ 정도인 SOT 소자를 사용하면 MOSFET의 순방향 전압강하는 휴대용 제품의 전류 레벨에서 무 시할 만한 정도가 된다.
MOSFET이 전력 제어를 위해 필요한지를 판단하는 방법 은, 다이오드 또는 MOSFET 전압강하를 배터리 전압과 비 교하여 그 비율을 효율 손실로 평가하는 것이다. 예를 들어 350mV의 순방향 전압강하를 갖는 쇼트키 다이오드로(공칭 3.6V의) 리튬 이온 배터리의 출력을 제어하게 된다면 손실은 9.7%가 된다. 2개의 AA 셀(공칭 2.7V)을 사용하는 경우 손 실은 13%가 된다. 저가형 설계에서는 이런 손실을 무시할 수 있을 것이다. 하지만 고효율 DC-DC 컨버터의 비용을 스티어 링 다이오드에서 MOSFET으로 업그레이드하는 데 있어서 얻어지는 13% 또는 9%의 개선 비용에 견주어 판단해야 할 것이다.
어떤 경우 시스템 설계를 교묘히 하면 스티어링 다이오드 와 MOSFET 스위치 간의 전환을 실행하지 않아도 될 수 있 다. 그림 2에서 시스템 전원은 단일 AA 셀에서 USB 입력으로 MOSFET 스위치 없이 전환된다.



USB 전원이 플러그 인되면 AA 셀로부터의 전류 흐름은 없게 된다. USB 전원이 연 결되었을 때는 AA 전류 낭비를 막기 위해 MAX1675 부스트 컨버터의 셧다운(SHDN) 입력을 활성화시킬 필요가 없다. 왜냐하면 MAX8511 LDO가 이 상황에서 부스트 출력을 3V 에서 3.3V로 끌어올리기 때문이다. 이로써 부스트 컨버터로 배터리 전류가 흐르는 것을 방지한다.

10kΩ 풀업 저항, No!

대부분의 휴대용 기기(PDA, 카메라 등)는 아주 복잡하기 때문에 그 설계가 다양한 엔지니어링 그룹 간에 분담된다. 이 그룹들은 각자의 당면 목표에만 집중하고 설계의 다른 부분 에 대한 영향은 고려하지 않는 수가 있다. 대부분의 디지털 설계는 풀업 저항이 들어간다. 하나씩 따로 떼어 놓고 보면 풀업 저항으로 흘러 들어가는 전류는 전력 소모에 큰 영향을 줄 것으로 보이지 않는다. 그러나 풀업 저항이 잔뜩 달린 시 스템은 상당량의 배터리 에너지를 낭비하게 된다. 많은 경우 두 가지 로직 상태에서 모두 활성화되는 로직 회로를 사용하 면 풀업 저항을 완전히 없앨 수 있다. 저항이 꼭 필요한 경우 에도 속도가 문제되는 경우가 아니라면 그 값을 1㏁ 이상으로 올릴 수 있는 경우가 종종 있다. 가장 일반적인 풀업 상태(하 이 임피던스 상태인가 아니면 전류를 흘리고 있는가)를 고려 하여 가장 낮은 값의 풀업 전류(가장 높은 저항) 값을 갖도록 해야 한다.

뚱뚱한 철심 코어 60Hz 어댑터, No!

이것은 사실 배터리 문제는 아니지만 보증 방법에 크게 관 련되어 있다. 소비자 입장에서는 크고 무거운 AC 어댑터를 날렵한 크기와 가벼운 중량을 장점으로 내세우는 휴대용 기 기와 같이 상자에 넣는 것은 제품의 가치를 크게 떨어뜨리는 것이다. 제조사 입장에서는 이렇게 모순된 메시지는 더 이상 있을 수 없다.
소형 경량의 스위치 모드 AC 어댑터가 이제는 널리 사용되 고 있다. 뚱보 철심 코어를 사용한 어댑터보다 조금 비싸긴 하지만 소비자들에게 그것이 용납되려면 아주 저렴한 애플리 케이션에 끼워져 있어야 할 것이다.

올바른 배터리를 사용하자

모든 휴대용 기기는 고객들이 그 기기를 사용함에 따라 일 반적으로 예상할 수 있는 일정한 사용 패턴을 갖게 된다. 고 객 만족(혹은 불만족)은 제품이 이 패턴에 얼마나 잘 부합하 는가의 여부에 따라 달라지게 된다.
예를 들어 어떤 제품이 사용자로 하여금 배터리에 엄청나 게 신경을 곤두세우게 만든다면 그것은 꽤 성가신 물건이 될 것이다. 최고의 제품이라면 셀 교환 또는 충전을 아주 띄엄띄 엄 하거나(TV 리모콘) 또는 충전에 전혀 신경을 안 쓰게 만 듦으로써(전기 칫솔) 배터리의‘존재 자체가 눈에 안 띄게’ 하는 것이 마땅하다. 배터리(알칼라인, NiMH 및 리튬 이온) 를 제품의 사용 패턴에 잘 맞도록 선정함으로써 고객이 제품 의 용도와 기능보다 배터리에 더 신경을 쓰는 일이 없도록 해 야 한다.
위에서 언급한 것과 같이 알칼라인 셀은, 충전은 불가능하 지만 자체 방전율이 매우 낮고 회로 구현 비용이 낮다(충전기 또는 AC 전원 잭이 불필요하다). 만약 전원 필요량이 적다면 알칼라인이 좋은 선택이 될 수 있다. 알칼라인 배터리로 하기 에 부하가 너무 큰 경우에는 충전식 배터리가 필요하다. 이럴 때는 충전 배터리를 가능하면 눈에 안 띄도록 하는 것이 좋은 방법이다.
두 가지 널리 쓰이는 충전식 배터리인 NiMH 또는 리튬 이 온 배터리 중에서 NiMH는 비용이 적어 제품의 사용 패턴이 셀의 수명에 그다지 좋지 않은 경우 유리하다. 이러한 내용은 정밀한 충전 회로를 구현할 수 없는 저가형 제품에 있어 특히 중요한 고려사항이다. NiMH 셀은 완전 충방전 사이클로 사 용하는 것이 좋으며 따라서 전력 공구 등 자주 완전 방전 수 준까지 사용되는 제품에 가장 잘 어울린다.
NiMH에 잘 맞는 또 하나의 사용 패턴은 알칼라인의 대체 용도이다. 즉 셀이 방전되면 기기로부터 분리되어 외부 충전 기에서 충전되는 방식이다. 이것은 디지털 카메라의 경우 흔한 방식이지만 여전히 사용자가 많은 주의를 기울여야 하는 단점이 있다.
휴대폰과 같은 제품은 완전 충방전의 패턴에 그다지 잘 들 어맞지 않는다. 휴대폰은 규칙적으로(주로 야간에) 충전되지 만 방전은 산발적으로 일어난다. 이러한 제품은 리튬 이온 배 터리의 높은 중량 대 출력비, 낮은 자체 방전율 및 짧은 충방 전 사이클에 대한 부합성을 필요로 한다. 따라서 소비자는 배 터리 관리에 노력을 별로 기울이지 않고 제품의 기능에만 집 중할 수 있게 된다.

바이패스에 인색하지 말자, 특히 저전압의 경우에는

저전압 배터리 시스템은 시스템 전압의 공급을 위한 부스 트 컨버터를 갖고 있다. 이러한 컨버터는 배터리로부터 균일 한 전력을 사용하므로 배터리 전압이 떨어지면 입력 전류가 늘어나고 이로써 소스 저항에 의해 촉발되는 문제를 더욱 악 화시키게 된다.
또한 DC-DC 컨버터는 부하가 균일한 상태에서도 입력 소스로부터 전력을 펄스 형태로 취하게 된다. 이러한 동적인 부하의 변동은 배터리 저항 및 입력 저항에 더하여 기타 요 인들에 인한 손실을 더 악화시킨다. 저항을 통한 손실은 전 류의 제곱에 비례하므로 피크 상태가 자주 발생하는 부하의 경우에는 부하가 연속인 경우보다 더 많은 전력을 소모하게 된다. 이것이 DC-DC 컨버터를 포함하는 시스템에서 (커패 시터를 사용하는) 배터리 바이패스가 중요한 이유이다. 입력 저항을 통과하는 전류를 가능한 한 DC에 가깝게 할 수 있다 면 배터리 소비량을 무려 5%나 절약할 수 있다.

전압강하를 두려워 말자

배터리는 당연히 완벽하지 않으며 방전하는 동안 큰 전압 변동을 보이게 된다. 리튬 이온 셀의 경우 4.2V에서 최저 2.7V까지 변동한다. 3.3V의 출력을 생성한다고 할 때 일단 배터리 전압이 낮아지면 이 전압을 스텝 업 변환하는 것이 필 요한 것처럼 보이지만, 많은 벅-부스트(Buck-Boost) 전원은 시스템 구성 비용을 크게 증가시키며 전반적인 효율이 상대 적으로 단순한 순수 벅 형식의 DC-DC 컨버터만큼 높지 않기 때문에 배터리 수명을 연장해 주는 것도 아니다. 순수 벅 형 식의 설계를 사용할 경우에는 얼마나 낮은 전압까지 배터리 를 운용할 수 있느냐가 관건이 된다. 배터리 전압이 낮아질수 록 사용 가능한 수명은 더 길어진다. 레귤레이터의 입력과 출 력이 거의 같으면 레귤레이터는 전압강하(dropout) 상태에 있다고 표현한다. 과거에는 전압강하 상태를 피해야 할, 바람 직하지 않은 것으로 생각되었다. 하지만 단순 벅 설계의 경제 적 이익을 생각할 때 시스템의 진정한 최저 동작 전압을 조사 하여 고려해볼 가치는 있다.
요즘의 LDO 및 벅 DC-DC 컨버터는 시스템에 아무런 악 영향 없이 전압강하 상태에서 동작할 수 있도록 설계되어 있 다. 이로써 배터리 운용이 가능한 한 최저의 전압으로 이루어 질 수 있고 따라서 배터리로부터의 최대 에너지 사용이 가능 해진다.
이 방법의 한계는 시스템 로직 전압으로서 허용되는 최저 의 값이 얼마인가, 그리고 LDO 또는 DC-DC 컨버터의 전압 강하 사양이 얼마인가에 따라 정해진다. 대부분의 3.3V 시스 템에서 로직 전압은 ±5%(또는 ±10%)의 오차허용률을 갖 는다. 즉 5% 시스템의 경우 3.15V의 전압이 가능하다는 것 이다. 시스템이 최고 속도 클록으로 움직이지 않고 있다면 최 저 동작 전압은 이보다 더 낮아질 수도 있다.

배터리 덮개(수납부)에 인색하지 말자

이 역시 배터리 기술에 직접 관련이 있는 이야기는 아니지 만 소비자에게 있어서는 큰 관심거리이고 많은 제품의 경우 허점이 되고 있는 부분이다. 배터리 교환이 자주 있는 경우라 면 배터리 덮개는 여러 번의 조작 사이클을 파손 없이 만족시 킬 수 있어야 한다.
또한 조작하기 어려워서도 안 된다. 설계상의 요구사항은 배터리 교환의 빈도에 따라 달라지는데, 특히 NiMH 셀의 충 전이 카메라 밖에서 이뤄지고 충전이 다 되면 갈아 끼우는 방 식인 디지털 카메라의 경우에 중요하다.

정확한 배터리 게이지는 돈 낭비가 아니다

정확한 잔량 게이지가 특히 요긴하게 사용되는 제품은 배 터리가 한 번의 사용으로 완전히 방전되지 않는 부류의 제품들이다. 물론 거의 모든 배터리 방식 제품이 이런 방식이겠지 만 디지털 카메라, 휴대폰 및 PDA의 경우가 특히 그러하다. 특히 카메라의 경우에는 비정규적으로 사용되며(따라서 배터 리 충전 여부를 늘 기억하고 있기가 어렵다) 그럼에도 불구하 고 실제로 사용할 때는 배터리 잔량이 매우 중요한 제품이다. 배터리 잔량의 계측이 정확하지 않으면 디지털 카메라의 전 원이 나가버릴 위험이 커지며 특히 중요한 순간에 촬영을 놓 치는 일이 발생할 가능성이 높아진다.
휴대용 기기를 설계하는 대부분의 설계자는 소비자들이 이 부분을 중요하게 여길 것이라고 생각하지 않기 때문에 잔량 측정기에 충분한 예산을 할당하지 않는다. 사실 이런 생각에 는 문제가 있다.
왜냐하면 소비자들은 주변에 배터리 방식의 기기들이 있어 도 그들이 어느 수준까지 기대를 할 수 있을지 알 길이 없고 정확한 잔량 측정계의 혜택을 본 적도 없기 때문이다. 시중의 이른바 잔량 측정계들의 설계가 조악해서 실제로는 제대로 구실을 못 한다는 사실까지 더한다면 실제 시장은 이 부분에 대해 명확한 기준을 가지지 못 했다고 말할 수 있으며 또한 소비자들은 배터리 잔량계로부터 응당 최악의 상황을 기대하 도록 프로그램됐다고도 할 수 있다.
그러나 이제는 충분히 낮은 비용으로 휴대기기에 실질적인 부가가치를 더할 수 있는 배터리 잔량 측정용 집적 솔루션이 나왔다. 이러한 솔루션 중 하나가 그림 3의 DS2751이다.



이 소자는 전류 센싱 저항을 내장하고 있으며 스탠바이 전류는 2 μA이고 시스템과 1-Wire 직렬 인터페이스를 통하여 통신하 도록 설계되었다.