소비자들이 에너지 소모를 줄이고 실외에서 보다 많은 시간을 보낼 수 있는 방법을 찾음에 따라 휴대형 태양광-전원 전자 기기 시장이 지속적으로 성장하고 있다. 태양에너지는 가변적이고 신뢰성이 낮기 때문에 거의 모든 태양광-전원 기기들은 재충전 가능한 배터리를 제공한다. 목적은 배터리를 신속하게 충전하면서 전하를 유지하기 위해 최대한으로 태양에너지를 추출하는 것이다.

짐 드류(Jim Drew) / 리니어 테크놀로지 선임 애플리케이션 엔지니어


태양전지는 본래 비효율적인 디바이스 이지만, 최대 전력 출력 지점을 가지고 있기 때문에 이 지점에서 동작하도록 하는 것이 명확한 설계 목적이 될 수 있다. 문제는 최대 출력 전력의 전류-전압(I-V) 특성이 조도에 따라 변화한다는 것이다. 단결정 태양전지의 출력 전류는 조명 강도에 비례하지만, 최대 전력 출력에서의 전압은 상대적으로 일정하다(그림 1 참조).
해당 조명 강도에 대한 최대 전력 출력은 전지가 고정 전압 디바이스에서 고정 전류 디바이스로 전환하는 각 곡선의 아래에서 나타난다. 태양 전지판(solar panel)으로부터 전력을 효율적으로 추출하는 충전기 설계는 조도 수준이 충전기의 전체 전력 요구사항들을 지원할 수 없을 경우에 패널의 출력 전압을 최대 전력 지점으로 조정할 수 있어야 한다.

입력 전압 레귤레이션
LT3652의 입력 전압 레귤레이션 루프는 특정 입력 전압 범위에 대해서만 동작한다. VIN_REG 핀의 레지스터 분배기를 통해서 측정되는 VIN이 특정 설정 지점 이하로 떨어질 경우, 충전 전류가 감소한다. 충전 전류는 벅 레귤레이터 충전 회로의 인덕터와 직렬로 연결된 전류 감지 레지스터를 통과하는 제어 전압을 통해 조정된다. 조도가 감소하면 패널 전압이 낮아져서 패널이 최대 전력 출력 지점으로부터 벗어날 수 있다.
LT3652의 경우, 입력 전압이 VIN_REG 핀의 레지스터 분배기에 의해 정의된 설정 지점 이하로 낮아지면 전류 제어 전압이 감소하여 충전 전류를 감소시킨다. 이러한 동작으로 인해 새로운 피크 전력 동작 지점을 찾을 때까지 태양 전지판으로부터의 전압은 전압-전류(V-I) 특성 곡선에 따라 증가하게 된다.
태양 전지판이 필요한 것보다 많은 전력을 공급할 수 있을 정도로 조명을 받게 되면, 패널 전압이 전압 레귤레이션 루프의 제어 범위 이상으로 증가하게 되며, 충전 전류는 최대값으로 설정되고 충전 주기 내의 배터리 지점을 위한 최대 충전 전류에 기반하여 새로운 동작 지점을 찾게 된다.
(그림 2)는 일반적인 VIN_REG 제어 특성 곡선을 나타낸 것이다. VIN_REG 핀의 전압이 2.67V 이상으로 증가함에 따라 전류 감지 레지스터를 통과한 전압 VSENSE - VBAT은 최대 100mV에 도달할 때까지 증가한다. 입력 전압 제어 범위에 대해 이를 표현하는 식은 (식 1)과 같다.
2.67V와 2.74V 사이의 VIN_REG를 (그림 2)의 곡선 영역으로 선형화 시킨다면, (식 2, 3)과 같이 전류 감지 전압 VSENSE - VBAT를 나타낼 수 있다.
배터리의 충전 전류는 (식 4)와 같다.
LT3652의 충전 회로는 전류-제어 벅 레귤레이터이기 때문에 입력 전류와 충전 전류의 관계를 (식 5)로 나타낼 수 있다.
이제 (식 4)와 (식 5)를 입력 전압과 통합함으로써 (식 6)과 같이 입력 전력을 결정할 수 있다.
일단 최대 충전 전류에 대해 RSENSE가 선택되고, 입력 전압 전류 제어 범위를 선택할 수 있도록 RIN1와 RIN2 가 결정되면, 다양한 배터리 전압을 위한 충전기의 동작 지점을 결정하기 위해 (식 6)을 태양 전지판 전력 곡선에 대해 나타낼 수 있다. 예를 들면 설명해 본다.

설계 예제
(그림 3)은 LT3652를 사용하는 2A 태양광 전원 2셀 리튬이온 배터리 충전기를 나타낸 것이다.
첫 번째 단계는 태양 전지판에 대한 최대 요구사항을 결정하는 것이다. 중요한 파라미터로는 개방 회로 전압 VOC, 최고 전력 전압 VP(MAX), 최고 전력 전류 IP(MAX) 등이 있다. 태양 전지판의 단락 회로 전류 ISC는 다른 3가지 파라미터를 토대로 하는 계산 범위에서 벗어나 있다.
개방 회로 전압은 낮은 강도의 시동 및 동작에 대해서는 2셀 리튬-이온 배터리의 플로트 전압 더하기 D1의 포워드 전압 강하 더하기 3.3V한 값에 15%를 추가한 전압이 되어야만 한다.
최고 전력 전압은 낮은 강도 동작에 대해서는 플로트 전압 더하기 D1의 포워드 강하 더하기 0.75V한 값에 15%를 추가한 전압이 되어야만 한다.
최고 입력 전력 전류는 플로트 전압과 최대 충전 전류의 곱을 최고 전력 입력 전압과 충전 회로의 효율로 나눈 값이다.
(식 7)에서 (식 9)의 3가지 식을 풀어 실제 태양 전지판보다 클 수는 있지만 태양 전지판의 최대 요구사항을 다음과 같이 정의할 수 있다.

VOC = 13.8V
VP(MAX) = 10.9V
IP(MAX) = 1.8A

태양 전지판 특성을 (그림 1)에 나타내었다.
전류 감지 레지스터 RSENSE는 2A의 최대 충전 전류로 100Mv의 최대 VSENSE - VBAT를 나눔으로써 결정된다.

RSENSE = 0.05Ω

RFB1과 RFB2의 출력 피드백 전압 분배 회로는 다음과 같이 결정된다. 전압 분배 회로는 입력 바이어스 전류 오류를 보상하기 위해서 250k의 테브닌(Thevenin) 등가 저항(equivalent resistance)을 제공해야 한다. VFB 핀의 레퍼런스 전압은 3.3V이다(식 10, 식 11).
다음 단계는 VIN 과 VIN_REG 핀 사이에 연결된 RIN1과 RIN2의 전압 분배 회로를 사용하여 최고 전력 트래킹 전압을 설정하는 것이다(식 12).
최고 전력 입력 트래킹 전압의 최소 및 최대값을 검증해야 한다(식 13, 식 14).
레지스터 값을 선택하는 데 있어서 마지막 단계는 RSHDN1과 RSHDN2으로 구성된 VSHDN 전압 분배 회로를 결정하는 것이다. VSHDN 상승 쓰레스홀드는 120mV의 이력을 가진 1.2V ± 50mV이다. 전압 분배 회로는 VIN 핀의 전압이 VREG(MIN)일 때 VSHDN이 최대 가능 값이 되도록 설정되어야만 한다(식 15).

RSHDN2 = 100k가 되어야 한다.
RSHDN1 = 798.2k
Let RSHDN1 = 787k
       VSHDN 제한은 이제 다음과 같이 결정된다.
       VSHDN 상승 쓰레스홀드

VSHDN(MIN) = 10.7V
VSHDN(MAX) = 11.6V

       VSHDN 하강 쓰레스홀드

VSHDN(MIN) = 9.6V
VSHDN(MAX) = 10.5V
0.85의 효율을 사용하여 제어된 전류인 VIN의 범위에 대해 PIN을 구성한다. 이것은 레귤레이션된 VIN 또는 VREG 전력선이다. VREG 전력선과 태양 전지판 전력 곡선의 교차점이 동작 지점이다. 배터리가 충전됨에 따라 VREG 전력선의 기울기는 증가하며, 증가하는 출력 전력을 지원하는 데 필요한 입력 전력의 증가를 나타낸다. 충전기가 고정 전류 모드를 벗어날 때까지 VREG 전력선의 교차점은 태양 전지판의 전력 곡선을 계속해서 따라 간다.

동작 시의 회로
(그림 1)은 100W/m2에서 1000W/m2 단계까지의 조명 강도 수준에서 구성된 태양 전지판의 전력 출력을 나타낸 것이다. 최대 조명 강도(그림 1의 최상위 곡선)와 사전 설정된 수준 이상의 배터리 전압((VBAT(MIN) @ 2A)에서 태양 전지판은 충전기가 필요로 하는 것 보다 많은 전력을 생성하고 있다.
태양 전지판 전압은 VREG 제어 전압 이상으로 상승하고 이와 같은 강도 수준을 위한 조명-전력-강도(light-power-intensity) 곡선과 교차할 때까지 고정 전력선을 통과한다. 배터리가 충전됨에 따라 입력 전력은 증가하고 태양 전지판의 동작 지점은 배터리가 완전 충전 상태에 접근할 때까지 조명-전력-강도 곡선으로 이동한다. LT3652는 고정 전류 모드에서 고정 전압 모드로 전환되고 충전 전류는 감소된다. 배터리가 최종 플로트 전압에 도달한 경우, 태양 전지판의 동작 지점은 다시 조명-전력-강도 곡선 아래에서 개방 회로 전압으로 이동한다.
배터리가 충전되는 동안 조명 강도가 약해지면 동작 지점은 새로운 전력-강도 곡선에 도달할 때까지 배터리 전압을 위한 고정 전력선을 통과하여 이동한다. 조명 강도 수준이 계속해서 낮아지면, 동작 지점은 VREG 전력선에 도달할 때까지 이 고정 전력선을 따라 이동한다. 이 지점에서 동작 지점이 조명-전력-강도 곡선과 VREG 전력선의 교차점이 될 때까지 충전 전류는 감소한다. 배터리가 이 조명 강도 수준에서 계속해서 충전될 경우, 동작 지점은 배터리가 완전 충전 상태에 접근할 때까지 새로운 조명-전력-강도 곡선을 따라 이동한다.
어두운 상태에 접근함에 따라 동작 지점은 충전 전류가 중단될 때까지 VREG 전력선 아래로 이동하며, 태양 전지판 출력 전압