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특집 : 신 에너지 관련 기술
산업기기에 최적인, 로옴 그룹 라피스 세미컨덕터의 리튬이온 배터리용 배터리 감시 LSI

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1. 서론

최근 스마트폰 및 노트북 등의 어플리케이션을 비롯하여 사용 전압이 높은 산업기기 및 자동차에서도 세트의 소형 · 경량화 요구가 높아지고 있다. 이에 따라, 에너지 밀도가 높은 리튬이온 배터리를 사용하는 어플리케이션이 급증하고 있다. 이는 리튬이온 배터리가 다른 2차 전지에 비해 체적 및 중량 당 에너지 밀도가 매우 크므로, 동일한 구동 전압일 경우 사용 배터리 셀의 수를 줄일 수 있어, 배터리팩의 소형 및 경량화에 적합하기 때문이다 (그림 1).

그러나, 리튬이온 배터리에는 주의해야 할 특성이 있다. 리튬이온 배터리는 화학 반응에 의해 리튬이온이 배터리 내에서 플러스 극과 마이너스 극을 이동함으로써 충전 및 방전이 가능하다. 따라서 과충전 상태가 계속되면 발열, 발화, 폭발과 같은 위험한 상황이 발생하게 된다. 또한, 부하를 접속하여 과방전 상태가 계속되면 배터리 용량 저하 및 수명 단축으로 재충전 시에도 금방 소모된다 (그림 2).  그러므로, 리튬이온 배터리는 지속적으로 배터리 셀의 상태를 모니터링하여 과충전, 과방전과 같은 상태를 방지하기 위한 전용 보호회로가 필요하다. 그 보호회로의 중심 역할을 하는 LSI가 바로, 배터리 감시 LSI이다.

리튬이온 배터리의 특징
그림 1 : 리튬이온 배터리의 특징

리튬이온 배터리의 주의점
그림 2 : 리튬이온 배터리의 주의점

2. 배터리 감시 LSI의 기본 구성

배터리 감시 LSI는 (그림 3)과 같이 기본 구성으로 리튬이온 배터리를 감시하여 보호한다. 그 보호회로에는 하기의 3가지 역할이 요구된다.

① 과충전, 과방전 검출
전압 측정 회로에서 각 배터리 셀의 전압 검출
② 과전류 검출
배터리팩에 흐르는 회로전류를 전류 측정 회로에서 검출
③ 이상 온도 검출
외장 서미스터를 사용하여 온도 측정 회로에서 검출

리튬이온 배터리 및 배터리 감시 LSI 등 부품이 탑재된 배터리팩에서는 배터리 셀의 상태가 이상하지 않은지, 전압, 전류, 온도를 지속적으로 검출하여, 이상 유무를 판정한다. 만약 어느 하나라도 이상이 있다고 판정되면, 충방전 제어용 스위치로 전류 회로를 차단하여, 배터리 셀 및 시스템 회로를 보호한다.

라피스 세미컨덕터의 배터리 감시 LSI는 마이컴 제어가 필요 없으며, 단독으로 리튬이온 배터리를 보호하는 Stand-alone 타입과 마이컴 제어를 통해 고정밀도 및 다채로운 기능을 지닌 Analog Front End (아날로그 프론트 엔드) 타입이 있다.

그러면, 신제품인 Stand-alone 타입 배터리 감시 LSI의 2가지 제품에 대해 소개하고자 한다.

배터리 감시 LSI의 기본 구성
그림 3 : 배터리 감시 LSI의 기본 구성

3. 마이컴레스로 소형 기기에 최적인 배터리 감시 LSI : ML5233

ML5233」은 배터리 구동의 무선 청소기 및 전동 공구 등의 소형기기 시스템용으로, 동작 시의 소비전류를 업계 최소 수준인 25μA (@Typ.)로 억제한 10셀 대응 리튬이온 배터리 감시 LSI이다. 리튬이온 배터리팩의 이상 검출을 마이컴 없이 실현 가능하므로, 마이컴으로 구동하는 기존품 대비 실장 면적을 약 20%, 주요 부품수를 4개에서 1개로 삭감할 수 있어 배터리 보호 시스템의 소형화에 기여하고, 고객의 개발 부담을 경감할 수 있다 (그림 4).

ML5233의 특징
그림 4 : ML5233의 특징

<특징>

(1) 업계 최소의 저소비전류 실현
① 동작 시
소비전류를 기존품 대비 약 50% 삭감한 25μA (@Typ.)로 업계 최소 수준을 달성함으로써, 시스템의 에너지 절약화에도 기여.
② 파워다운 시
업계 최소 수준의 저소비전류 0.1μA (@Typ.) 실현. 배터리팩의 장기 보관 시에도 배터리 용량에 거의 영향을 미치지 않아, 충전된 배터리의 유효 활용 가능.
(2) 업계 최고 수준의 전압 검출 정밀도로 충전 효율 7% 향상

고정밀도 과충전 검출 정밀도 실현. 배터리팩 내의 각 셀 전압을 ±15mV로 고정밀도 검출. 기존 ±50mV의 경우에 비해 배터리 충전 효율이 7%로 대폭 향상.

(3) 각종 이상 검출 및 보호 기능을 마이컴 없이 실현하여, 실장 면적을 20% 삭감

온도 검출 회로와 쇼트 전류 검출 회로를 내장함으로써 마이컴 없이 충방전 시의 이상 온도 (고온) 검출과 배터리팩의 쇼트 검출 가능. 이에 따라 실장 면적을 약 20%, 주요 부품수를 4개에서 1개로 삭감. MOSFET, 전류 검출용 션트 저항 및 서미스터를 외장함으로써 완전 하드화가 가능하므로 배터리 보호 시스템의 소형화와 더불어 고객의 개발 부담 경감.

(4) 다단 접속 기능으로 10셀 이상의 시스템에도 대응 가능

라피스 세미컨덕터의 오리지널 고내압 프로세스를 통해, LSI 1개로 4직렬에서 10직렬 시스템까지 대응하여, 14V에서 최대 36V까지의 전동 공구 등에서도 안심하고 사용 가능.
예를 들어, 본 LSI 2개를 사용함으로써 20직렬 시스템 (72V)으로 확장이 가능하여, 전동 자전거, 승용 카트 등 폭넓은 고전압 어플리케이션에도 대응.

4. 기능 안전과 시스템의 소형화 실현, 2차 보호 LSI : ML5232

최근 리튬이온 배터리의 용도가 확대됨에 따라, 인체, 재산을 보호하는 기능 안전 규격에 준거한 신뢰성 확보가 사회적으로 요구되고 있다. 만일 리튬이온 배터리 감시 시스템에 탑재된 배터리 감시 LSI 측의 시스템에 문제가 발생하여 정상 동작하지 않을 경우, 리튬이온 배터리의 사고를 방지하기 위한 대책으로서 2차 보호 LSI를 사용하는 케이스가 증가하고 있다 (그림 5).

기능 안전
그림 5 : 기능 안전

ML5232」는 최대 14직렬 셀까지의 검출이 가능하여, 기존의 4직렬 대응 2차 보호 LSI에 비해 대폭적인 부품수 삭감과 회로의 간략화를 실현할 수 있다. 지금까지 리튬이온 배터리의 2차 보호를 실현하기 위해서는 여러 개의 2차 보호 LSI와 그 주변 회로가 필요했지만, 「ML5232」 1개로 이를 대체할 수 있다. 또한, 과충전 검출 시에 퓨즈를 절단함과 동시에 충전 제어용 MOSFET를 OFF할 수 있는 2종류의 보호 신호를 탑재하여, 시스템의 고신뢰화를 실현할 수 있다 (그림 6).

ML5232의 특징
그림 6 : ML5232의 특징

<특징>
(1) 업계 최대, 14직렬 셀 접속을 가능하게 하여, 약 50% 시스템 소형화 기여

기존의 배터리 2차 보호 LSI는 4직렬 또는 5직렬에만 대응하였으나, 「ML5232」는 믹스 신호 회로와 라피스 세미컨덕터의 고내압 프로세스를 구사함으로써, 최대 14직렬 셀까지의 리튬이온 배터리 감시 시스템에 대응 가능하다. 이에 따라, 부품수 삭감이 가능하여, 기존 대비 약 50%의 실장 면적을 실현함으로써 시스템의 소형화에 기여한다. 또한, 고전압 시스템 구축도 가능하여, 폭넓은 어플리케이션에서 플랫폼의 공통화도 실현할 수 있다.

(2) 과충전 검출 시의 독자적인 2종류 보호 신호 탑재

리튬이온 배터리 감시 시스템에 탑재되는 1차 보호 LSI측의 시스템에 문제가 발생하여 정상 동작하지 않는 경우, 「ML5232」가 즉시 보호 신호를 출력한다. 본 LSI는 충전 경로를 차단하는 Nch 오픈 드레인 타입과 CMOS 타입 2종류의 출력단자를 탑재하여, 과충전 검출 시 퓨즈를 절단함과 동시에 충전 제어용 MOSFET도 OFF할 수 있어, 시스템의 고신뢰화를 한층 더 실현할 수 있다.

5. 서포트 사이트

배터리 감시 LSI 제품의 데이터 시트 및 평가 보드 정보 (회로, 부품, 사용방법 매뉴얼) 등은 홈페이지에서 유저 등록 후, 다운로드 가능하다. 또한, 질문 및 요구에 따라 충실한 기술 서포트를 실시하고 있다.

자세한 사항은 로옴 그룹, 라피스 세미컨덕터 홈페이지 (http://www.lapis-semi.com/kr) 참조

6. 결론

리튬이온 배터리의 기술적 발전, 응용 범위의 확대에 따라 전동 공구, 전동 어시스트 자전거, 축전 시스템 등의 동력계 하이파워를 사용하는 어플리케이션에서의 수요가 높아지고 있다. 라피스 세미컨덕터에서는 우수한 믹스 신호 회로와 오리지널 고내압 프로세스를 활용하여 3직렬 셀에서 200직렬 셀까지 많은 배터리 셀을 직렬 접속하여 사용하는 배터리팩용으로,

  • 다수 셀 대응
  • 저소비전류, 고정밀도 전압 측정
  • 주변 회로 내장 (스페이스 절약)

등 특징 있는 제품을 개발해 나갈 예정이다 (그림 7).
라피스 세미컨덕터는 고객의 어플리케이션에 최적인 배터리 감시 LSI의 라인업을 더욱 확충하여, 리튬이온 배터리 감시 LSI 및 2차 보호 LSI로 일반 · 산업기기 시장의 고전압 배터리 감시 시스템 개발 및 발전에 기여해 나갈 것이다.

향후 시장 전개
그림 7 : 향후 시장 전개

본 제품에 대한 문의