태양으로부터 지구가 받는 에너지는 현재 전세계가 사용하는 에너지 총 소비량에 비교한다고 하더라도 수천 배 더 많다고 한다. 이런 잠재적인 에너지원은 무료임에도 불구하고, 이 에너지를 모으고 활용하는 기술들이 없었다. 하지만, 수십 년간의 휴면 상태에 있던 태양 에너지 개발이 가속화되고 있으며, 태양에너지 비용이 지속적으로 낮아지고 있다.

트레버 바르셀로(Trevor Barcelo) / 리니어 테크놀로지 배터리 관리 제품 제품 라인 부장

1970년대 오일 쇼크 이후 수년동안 배터리 기술이 대폭 향상되었다. 1970년 납축 배터리가 사용 가능했지만, 니켈 기반 기술은 초창기에 머무르고 있었고, 재충전 가능 리튬 배터리 기술은 존재하지도 않았었다. 따라서 휴대형 제품을 위한 태양 에너지 배터리 충전기에 대한 개념 역시 태양 에너지 기술 개발이 활발하게 진행되었던 기간 동안에 나타나지 않았었다.
현재 휴대형 제품들은 도처에서 흔히 볼 수 있으며, 제품 설계자들은 몇 가지 이유 때문에 태양 에너지 기반 전원 기능을 구상하고 있다. 그들은 ‘환경친화’적으로 변화하기를 원하고 있으며, 전력망에 접근할 필요가 없으며, 이용 가능한 모든 에너지원을 통해 디바이스의 동작 수명을 간단하게 연장하기를 원하고 있기 때문이다. 태양 에너지는 풍부하고 편리하며 적절한 가격 조건을 제공한다. 원격 애플리케이션에서 태양 에너지는 사용 가능한 매우 제한적인 수의 에너지원들 중 하나이다.

태양 에너지 획득 방법
대형 광전(PV, photovoltaic) 셀의 어셈블리인 태양전지판(Solar panel)은 태양광 에너지를 전기로 변환하는 가장 일반적인 방법이다. 다양한 PV 셀 기술들이 있지만, 태양 전지판들의 기본기능은 동일하다. 패널은 빛을 받게 되면 전류를 생성한다. 하지만, 일반적인 전력공급과 달리 태양전지판은 정전압 또는 정전류를 생산하지 않는다.
(그림 1)은 교세라 40W 다결정질 태양전지판(KC40T)의 I-V 곡선을 나타낸 것이다. 이 그림은 태양 에너지 전원 시스템을 설계할 경우에 나타나는 최대의 설계 기술과제 중 하나, 즉 상대적으로 그리 크지 않은 전류 부하의 변화에 의해 패널 출력 전압이 상당히 크게 변동될 수 있다는 문제를 보여주고 있다. 뿐만 아니라, I-V 곡선은 온도에 따라 변화할 수 있기 때문에 22V 개방 회로 전압은 실온 조건에서 최대 25V까지 상승할 수 있으며, -10°C 조건에서도 동일한 상황이 나타난다.
일반적인 태양전지판의 효율은 약 10%에서 40% 정도이다. 보다 큰(즉, 보다 강한) 패널의 비용이 높다는 사실 때문에 태양 에너지 전원 설계는 반드시 효율을 극대화시켜서 시스템 비용을 최소화시켜야 한다. (그림 1)은 태양전지판의 출력 전력이 전압과 일사량(전달된 태양 방사 에너지의 측정기준)에 따라 어떻게 달라지는 지에 대해 나타내고 있다. 태양으로부터 가능한 최대의 에너지를 획득하기 위해서 태양전지판을 최대 전력 지점까지 동작시켜야 한다.
휴대형 제품에서 태양으로부터 에너지를 효율적으로 획득하기 위해서 설계는 매우 다양한 입력을 관리해야 하며, 태양전지판을 최대 전력 지점까지 동작시킬 수 있는 방법을 찾아야만 한다. 뿐만 아니라, 설계는 휴대형 제품을 위해 선택한 배터리 기술을 안전하게 충전시켜야 한다.

간편한 솔루션
가격이 저렴한 납축 배터리 충전기는 차단 다이오드(blocking diode)를 통해 간단하게 교세라 KC40T 등과 같은 태양전지판을 배터리에 직접 연결할 것이다. 납축 배터리의 출력 전압은 일반적으로 많은 태양전지판들의 최대 전력 지점에 맞춰 조정함으로써 이러한 접근법을 상당히 효율적으로 만들어준다.
하지만, 이러한 설계는 간단하고 비용이 낮을 수도 있지만 태양전지판과 배터리의 특성이 충전 전류와 충전 전압을 제한하여 충전 알고리즘이 배터리 제조업체의 사양을 분명하게 따르지 않게 될 수 있다(저속 저전류 세류 충전(trickle charge)이 구현되지 않을 경우). 뿐만 아니라, 납축 배터리를 통해 최대 전력을 추정할 수 있지만 이 기법은 선택한 배터리 기술에 대한 주문형 패널을 제조하지 않을 경우에 다른 배터리 기술로 확장할 수가 없다. 특히 리튬이온과 같이 복잡한 충전 알고리즘을 가진 배터리 기술의 경우에 충전 제어 기능이 없고 유연성이 부족하기 때문에 이 접근법은 상당히 제한된다.

보다 우수한 솔루션
(그림 1)에 대한 추가적인 연구를 통해 태양전지판의 최대 출력 전력은 모든 수준의 일사량에 대해 거의 동일한 출력 전압을 나타낸다는 흥미로운 사실이 밝혔다. 태양전지판 제조업체는 이 전압을 최대 전력 전압으로 참조한다. 리니어 테크놀로지의 혁신적인 신형 배터리 충전기인 LT3652는 이러한 사실을 활용하여 태양전지판으로부터 최대 가용 전력을 추출하는 우수한 태양 에너지 전원 배터리 충전기 솔루션을 제공한다.
LT3652 전력 트래킹 태양 에너지 배터리 충전기(Power Tracking Solar Battery Charger)는 패널 출력 전압이 프로그램된 수준 이하로 떨어질 경우에 충전 전류를 줄여주는 레귤레이션 루프를 채용하고 있다. 이 입력 전압 레귤레이션 루프는 패널을 사용되는 실제 태양전지판을 위한 최고 출력 전력 지점과 일치하는 출력 전압으로 유지한다. 레지스터 분배기(resistor divider)는 필요한 특정 최대 전력 전압을 프로그램한다.
뿐만 아니라, LT3652는 40V의 최대 정격 절대값(Absolute Maximum rating )을 제공하여 일반적인 태양전지판의 개방 회로 전압을 (심지어 냉온 조건에서도) 간단하게 수용할 수 있다.
배터리 충전기 블록 다이어그램 예제인 (그림 2)를 참조하라. VIN_REG 핀에 연결된 레지스터 분배기는 LT3652의 입력 전압 레귤레이션 루프를 17V로 프로그램한다. 50mΩ 감지 레지스터는 최대 충전 전류를 2A로 프로그램한다. 태양 에너지 조건들이 패널이 완전 프로그램 충전 전류를 제공하지 못하도록 방지한다면, 입력 레귤레이션 루프는 태양 에너지 패널 출력을 17V로 유지함으로써 충전 전류를 감소시킨다.
이 서보 루프(는 배터리 충전기 시스템의 전력 요구사항을 패널이 제공할 수 있는 최대 전력으로 극적으로 낮춰 태양전지판 최고 전력 효율을 100%에 가깝게 유지한다. 40W BP 솔라 패널 모델 340J를 검토해 보자. 최대 출력 전력 조건에서 이 패널의 출력 전류는 약 2.3A로 LT3652의 최대 충전 전류보다 약간 높다. 하지만, 일사량이 변화함에 따라 최대 전력 조건에서 BP 340J의 출력 전류도 변화한다.
(그림 3)은 BP 340J 의 95%와 98% 최대 출력 전력에 상응하는 전압을 나타낸 것이다. 다시 말해, 적색 영역은 각 출력 전압과 관련하여 98%에서 100%까지의 최대 출력 전력에 상응하는 전압을 나타낸 것이며, 청색 영역은 95%에서 98%까지의 최대 전력에 상응하는 전압을 나타낸 것이다. 검정색 굵은선의 위치는 LT3652의 입력 전압 레귤레이션 루프가 패널이 최대 가용 전력의 거의 100% 수준을 유지한다는 것을 나타내고 있다.

온도 관련 사항
이제까지의 분석과 일반 곡선들은 25°C 동작을 중심으로 이루어졌다. P-N 접합과 같이 PV 셀은 온도 계수를 가진다. 이 온도 계수는 태양전지판의 개방 회로 전압뿐만 아니라 최대 전력 전압 모두에 영향을 미친다. 일반적인 최대 전력 전압 온도 계수 범위는 -0.4%/°C에서 0.5 %/°C까지이다.
이것은 BP 340J 등과 같은 패널에서 0°C 에서 75°C까지의 동작 범위에 대해 5V 또는 6V로 대치한다. LT3652의 입력 전압 레귤레이션 루프 설계는 온도 보상 기능을 단순화시켜준다. (그림 4)는 모든 태양전지판의 온도 계수를 정밀하게 일치시키기 위해서 가격이 저렴한 3개의 열 디바이스를 사용하는 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. LM134/234/334, 전류 소스 및 온도센서는 태양전지판의 온도를 측정하여 이에 따라 LT3652의 입력 레귤레이션 전압을 조정한다. 설계 방정식은 (그림 4)에 나타내었으며, 단지 2개의 입력, 즉 25°C 조건에 대한 패널의 최대 전력 전압과 전압의 온도 계수만을 필요로 한다(주: -0.45%/°C의 TC는 -0.0045/°C로 입력되어야 한다).
LT3652 입력 전압 레귤레이션 루프는 트랜지스터 또는 다이오드 온도 센서, 또는 NTC(negative temperature coefficient) 써미스터 등의 사용과 같은 다른 기법들을 통해 온도 보상이 가능하다.

유연성, 기능, 성능
LT3652은 4.95V에서 32V까지의 입력 전압 범위에 대해서 동작하는 고성능 모노리식 스텝-다운 배터리 충전기이다(40V의 최대 정격 절대값을 통해). 최대 충전 전류는 5%의 정확도로 최대 2A까지 프로그램 될 수 있으며, 이것의 레지스터 프로그램 가능 플로트 전압은 리튬이온/폴리머, LiFePO4, 납축, 니켈 배터리 기술을 수용한다.
LT3652는 충전 전류가 프로그램된 최대 충전 전류의 1/10 이하로 낮아지