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배터리 테스트 장비를 충전 및 방전할 때의 정확도 요구


배터리 테스트 시스템(BTS)은 배터리를 충전 및 방전할 때 높은 전압 및 전류 제어 정확도를 요구한다. 배터리 테스트 시스템은 배터리를 생산할 때 제조 공정에 사용된다. 또한 R&D 부서에서 배터리 성능을 파악하는 데도 사용된다.

BTS의 대표적인 애플리케이션이 단일 셀 리튬이온 배터리를 충전하고 방전하는 것이다. 이를 위해서는 케이블로 인한 전압 강하를 감안해서 0V~5V의 전압이 필요하다. 전압 변환 과정에서 우수한 효율을 달성하기 위해서 배터리를 충전할 때 전원 버스 전압은 통상적으로 12V이다. 배터리 에너지를 다시 전원 버스로 방전할 때는 버스 전압이 14V로 높아진다. 그러므로 BTS는 12V~14V 입력 전압과 0V~5V 출력 전압을 지원하는 양방향 컨버터를 필요로 한다. 이 컨버터는 배터리를 충전할 때는 벅 모드로 동작하고 배터리를 방전할 때는 부스트 모드로 동작한다.

바로 이러한 애플리케이션에 적합한 디바이스가 LM5170-Q1 양방향 전류 컨트롤러이다. 이 디바이스는 DIR 핀이 지정한 방향으로 고전압(HV) 및 저전압(LV) 포트 사이에 흐르는 평균 전류를 제어한다. 그림 1은 LM5170-Q1의 개략도를 보여준다. 2개 위상을 사용한 인터리브 토폴로지로 최대 100A의 충전 또는 방전 전류를 제공한다. 또한 5A 드라이버를 통합함으로써 전압 변환 시의 효율을 최적화한다. 그러므로 전력 손실을 줄이고 우수한 열 성능을 달성한다. 또한 LM5170-Q1은 다이오드 에뮬레이션 기능을 제공하므로 전류가 DIR 핀이 지정한 방향과 반대로 흐르는 것을 방지한다. 이 기능은 트랜션트가 발생했을 때 배터리를 과충전이나 과방전으로부터 보호한다.


그림 1: LM5170-Q1 개략도

BTS의 중요한 요구사항 중의 하나가 전류 정확도이다. 이 정확도가 풀스케일로 0.05% 이내여야 한다. LM5170-Q1로 내장된 전류 증폭기는 이 요구를 충족하지 못하므로 외부적 전류 검출 저항과 증폭기를 사용해서 전류 정확도를 높여야 한다.

LM5170-Q1을 사용해서 이러한 전류 정확도를 어떻게 달성하는지 보여주기 위해서 TI는 배터리 테스트 시스템 용으로 50A 0.05% 전류 정확도 전원 레퍼런스 디자인을 제공한다. 이 레퍼런스 디자인은 단일 셀 리튬이온 배터리를 높은 전류 정확도로 충전 및 방전하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

그림 2는 이 레퍼런스 디자인의 블록 다이어그램이다. 리튬이온 배터리를 1mW 저항을 통해서 LM5170EVM의 LV 포트로 연결한다. HV 포트는 12V~14V 버스로 연결한다. INA188을 사용해서 1mW 저항 상의 전압 강하로서 배터리로부터의 출력을 검출한다. INA188의 출력을 OP07C 연산 증폭기로 전달하고, 이 연산 증폭기는 INA188의 출력과 레퍼런스 전압 사이의 차이를 사용해서 적분 신호를 생성한다. 레퍼런스 전압은 이 레퍼런스 디자인에는 포함되지 않은 마이크로컨트롤러로부터 제공된다.

OP07C의 출력은 LM5170-Q1의 ISETA 핀으로 연결된다. LM5170-Q1은 1mW 저항을 거쳐서 전류 레퍼런스로 흐르는 전류를 레귤레이트한다. 배터리 전압 역시 전압 레퍼런스를 토대로 레귤레이트한다. 배터리 전압이 레퍼런스 전압에 도달하지 않았을 때는 배터리 전류를 레퍼런스 전류로 제어한다. 배터리가 레퍼런스 전압에 도달하면 전류 루프에서 전압 루프로 제어가 넘어가고 배터리 전류는 0으로 감소한다. 배터리를 충전하거나 방전하기 위한 전류 방향은 로직 신호(그림 2에서 “Direction”으로 표시)에 의해서 제어된다. 이 로직 신호는 LM5170-Q1의 DIR 핀으로 연결된다. 이 신호는 또 아날로그 다중화기를 통해서 INA188 입력 신호 방향을 제어한다.

 


그림 2: 배터리 테스트 시스템 용으로 50A 0.05% 전류 정확도 전원 레퍼런스 디자인의 블록 다이어그램

그림 3은 배터리를 1A부터 50A까지 충전할 때 전류 정확도를 보여준다. 이 그림을 보면 전류 정확도가 0.05% 이내라는 것을 알 수 있다. 그러므로 BTS 애플리케이션으로 LM5170-Q1의 우수성을 확인할 수 있다.


그림 3: 배터리 충전 전류 정확도

표 1은 각기 다른 레퍼런스 전압 조건으로 출력 전압을 보여준다. 0.05V부터 5V 레퍼런스 전압까지 차이가 0.5mV 미만이라는 것을 알 수 있다. 그러므로 BTS 애플리케이션에 사용하기에 적합하다.

Reference voltage (V) 0.04968 0.4988 0.99788 1.99434 2.9912 3.98935 4.98531
Actual voltage (V) 0.04969 0.49882 0.99788 1.99433 2.99116 3.98935 4.98526

 

 


표 1: 전압 제어 정확도

LM5170-Q1은 2개 전원 사이에 에너지 교환을 필요로 하는 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 높은 드라이버 전류, 다이오드 에뮬레이션, 사이클-대-사이클 피크 전류 제한 기능을 특징으로 하므로 전압 변환 시에 효율을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 안정 상태나 트랜션트 시에 보호 능력이 뛰어나다. 배터리 테스트 장비 용의 TI의 제품에 관한 더 상세한 정보를 볼 수 있다.

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