TI 초저 대기전류 제품군… 극한의 배터리 수명 연장 실현

2019-09-19
윤범진 기자_esmaster@elec4.co.kr

배터리 구동 전자기기의 경우, 배터리 수명 연장은 시스템 디자이너의 핵심 미션이다. 긴 배터리 수명은 낮은 대기전류가
필요하다. TI는 산업용 및 개인용 전자기기의 배터리 수명을 두 배 이상 향상시키기 위해 업계 초저 대기전류에 도전하고 있다.



오늘날 대부분의 배터리 구동 전자기기 설계에서 중요한 과제 중 하나는 시스템의 전력 소비를 최소화하는 것이다. 이를 위해 대부분의 시스템은 다양한 저전력 모드를 이용해 전체 전력 소비를 최소화한다. 이러한 시스템의 배터리 수명을 연장하기 위해서는 특히 낮은 대기전류(Quiescent current, IQ)가 요구된다.

TI의 사무엘 웡(Samuel Wong) 전원관리 솔루션 제품 매니저는 “낮은 IQ는 배터리 유효 수명과 시스템 수명을 향상시키고 시스템 비용절감 효과를 제공한다”고 말했다.


텍사스인스트루먼트(TI)는 최근 초저 대기전력과 빠른 과도응답으로 성능 트레이드오프 없이 시스템 수명과 성능을 향상시킬 수 있는 초저전력 LDO 선형 전압 레귤레이터(TPS7A02)를 비롯해 에너지 효율을 높일 수 있는 전력관리 솔루션을 연이어 출시했다,

일반적으로 전압을 안정화하는 데 사용하는 LDO 선형 전압 레귤레이터는 모든 전력 시스템의 공통 부품으로 전체 시스템 전력소비에 큰 영향을 미친다. LDO는 초저 대기전류뿐만 아니라 민감한 회로에 적합한 안정적이고 노이즈가 없는 전압 레일을 보장하기 위해 우수한 동적 성능을 제공해야 한다. 이러한 요구사항은 상호 배타적이며 IC 설계자들에게 도전과제이다. 현재 시장에 나와 있는 LDO가 이러한 요구사항을 모두 만족하는 것은 아니다.

TI에 따르면, TPS7A02는 전압 강하(Dropout) 상태에서도 경부하 시 IQ가 매우 낮게 유지되기 때문에 배터리 수명이 두 배 이상 되도록 애플리케이션 설계가 가능하다. 


사무엘 웡(Samuel Wong) 전원관리 솔루션 제품 매니저

웡 전력관리 솔루션 제품 매니저는 “TPS7A02의 IQ는 25 nA 이하로, 무선 비디오 도어벨과 보안 카메라 설계의 경우 배터리 수명을 24개월 이상 유지할 수 있다”고 말했다. 

3 nA의 셧다운 대기전류는 휴대용 의료기기 및 웨어러블 기기의 배터리 수명 연장을 돕는다. 또한 1~50 mA 부하 과도상태에서 5 μs 미만에 안정화할 수 있어 짧은 응답시간과 우수한 동적 성능을 갖는 애플리케이션을 설계할 수 있다. 따라서 인체 주위에서 정확한 신호를 얻기 위해 깨끗한 전력을 필요로 하는 휴대용 의료기기 및 무선 사물인터넷(IoT)과 같은 고정밀, 저전력 애플리케이션에 적합하다고 할 수 있다. 추가적인 외부 회로나 부품도 필요없다. 

이와 관련 웡 전력관리 솔루션 제품 매니저는 “TPS7A02를 사용해 솔루션 크기를 70%까지 줄이고 공간이 제한된 애플리케이션에서 설계에 더 많은 기능을 추가하거나 더 작은 보드를 사용해 시스템 비용을 낮출 수 있다”고 말했다.

현재 TPS7A02는 1mm × 1mm 4핀 X2SON 패키지로 공급되고 있으며, 2.9mm × 1.6mm 5핀 SOT-23 패키지는 올 하반기부터 공급될 예정이다. 또한 0.65mm × 0.65mm 4핀 DSBGA 패키지는 내년 초 공급될 예정이다. 


TI는 구동 시 대기전류가 60 nA인 스위칭 레귤레이터(TPS62840)도 발표했다. 스위칭 전압 레귤레이터는 선형 전압 레귤레이터보다 효율성 면에서 우수하고 보다 적은 열이 발생하지만 더 비싸고 회로가 복잡하다. 

웡 제품 매니저는 TPS62840 스위칭 레귤레이터의 이점은 길어진 배터리 구동 시간, 향상된 성능, 늘어난 활용 분야, 작아진 솔루션 크기에 있다고 소개했다. 그에 따르면, TPS62840은 1 μA 부하에서 80%의 높은 경부하 효율을 제공해 시스템 디자이너는 배터리 수명을 연장할 수 있다.

TPS62840의 입력 전압 범위는 1.8V ~ 6.5V이다. 따라서 연속된 2개의 리튬이산화망간(2s-LiMnO2) 셀, 염화티오닐리튬(LiSOCL2)의 단일 셀, 4개 또는 2개의 알카라인 셀과 리튬폴리머(Li-Po) 등 다양한 배터리 방식이나 구성을 지원할 수 있다. TPS62840은 선택 가능한 모드와 정지 기능을 갖추고 있다. 모드 핀으로 강제 펄스폭 변조(PWM) 모드라고 불리는 연속 전도 모드(Continuous Conduction Mode, CCM)를 사용하면 리플과 노이즈 성능을 향상시킬 수 있다.

특히 정지 핀을 사용해 모든 스위칭 동작을 해제한 경우, EMI나 리플이 감소해 신호 왜곡을 최소화한다. 따라서 시스템 개발자들은 높은 가격의 고정밀 신호 체인 소자, 센서, 무선 솔루션이 없이도 동일한 성능을 구현할 수 있어 솔루션 설계 비용을 낮출 수 있다. 

웡 제품 매니저는 “TPS62840은 이전 세대 제품보다 대기전류는 6분의 1로, 크기는 절반으로 감소시킨 제품”이라며 “협대역 사물인터넷(NB-IoT), 그리드 인프라, 건물 자동화, 웨어러블 등 배터리로 구동되는 다양한 산업용 및 개인용 전자기기에 적합하다”고 소개했다. 

TI의 TPS3840 전압 수퍼바이저는 1.5V ~ 10V의 넓은 입력 전압 범위를 지원하며 9V 레일 전압 또는 외부 저항이 있는 24V 레일 전압뿐 아니라 배터리 전압을 모니터링할 수 있다. 대기전류는 350 nA로, 저전력 애플리케이션에 사용되는 배터리 수명을 연장할 수 있다. 

TPS3840은 시동 지연 시간이 빨라서 시스템의 나머지 전원이 켜지기 전 전압 오류를 발견할 수 있다. 덕분에 위험한 시동 결함 조건에서 안정성이 최대한 보장된다. 또한 낮은 파워-온-리셋(VPOR) 특성 덕분에 리셋 오류, 다음 장치의 조기 활성화 또는 턴 온, 전원 켜기 및 전원 끄기 중 적절한 트랜지스터 제어가 가능하다.  

TPS3840은 5핀, 산업 표준 SOT-23 패키지로 제공된다. 출력 토폴로지는 오픈 드레인(Open-drain) 액티브-로우(TPS3840DL), 푸시-풀(Push-pull) 액티브-로우(TPS3840PL), 푸시-풀 액티브-하이(TPS3840PH) 등 3가지 옵션이 제공된다. 동작 온도범위는 -40 ℃ ~ +125 ℃이다. 고정 임계전압은 1.6 V~4.9 V이다. 가용한 전력관리 애플리케이션은 회로 차단기 등 그리드 인프라 장비, 스마트 계량기나 기타 모니터링 및 보호 장비, 공장 및 건물 자동화, 전자 POS 시스템, 휴대용 및 배터리 구동 제품 등이다.

TI의 스위칭 배터리 차저 BQ25619는 보청기, 이어폰, 무선충전 케이스, IP 네트워크 카메라, 환자 모니터링 장치와 같은 크기가 작은 개인 휴대기기 및 의료 기기를 보다 효율적으로 설계할 수 있도록 도와준다. BQ25619는 쓰리인원(three-in-one) 스위칭 컨버터를 통해 20 mA의 대기전류를 지원하며, 배터리 용량을 7% 늘리고 수명을 연장할 수 있다. 또한 4.6 V와 0.5 A 출력에서 95%의 효율성을 달성할 수 있어 초고속 충전이 가능하다.

웡 제품 매니저는 “BQ25619는 출하 모드(Ship mode)에서 배터리 누출을 20 μA ~ 6 μA로 낮춤으로써 배터리 스위칭 차저를 사용하는 기성 디바이스들의 품질 수명을 두 배로 늘릴 수 있다”고 말했다.

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