고속 충전 기술로 리튬이온 배터리 수명을 극대화할 수 있게 되었다. TI는 배터리 열화를 최소화하면서 충전 시간을 최소화할 수 있는 맥스라이프 알고리즘을 적용한 배터리 게이지 및 충전 칩셋을 출시했다.



스마트폰 배터리를 오래 사용하는 방법에 관하여 여러 가지 속설이 있다. 예를 들어, 배터리를 오래 사용하려면 완전 충전(100%)하고 완전 방전(0%)해야 한다는 식이다.
동일한 배터리를 사용하더라도 소비자 사용 환경(온도, 충전 주기, 전류값)에 따라 평균 수명은 크게 달라질 수 있다. 다만 배터리 제조사는 일반적으로 ‘500 Cycles 80%’ 수명을 보증하고 있다(최초 사용 후 약 6개월).
리튬이온 전지는 제조된 직후부터 열화(degrading)가 시작된다. 사용하든지 사용하지 않든지에 관계없이 시간의 흐름에 따라 노화된다. 대개 수명은 2~3년 정도다. 배터리는 특히 온도에 민감하다. 온도가 높을수록 노화가 빨리 진행된다. 0℃에서는 연간 약 6%, 25℃에서는 약 20%, 40℃에서는 약 35%의 수명 감소가 일어나는 것으로 알려져 있다.
배터리 제조업체들은 대개 배터리 용량이 정격 용량의 80%로 떨어지게 되면 수명이 다 된 것으로 본다. 그러나 배터리는 충전 용량의 80%를 밑돌게 되더라도 비록 사용시간은 짧아지지만 여전히 사용 가능한 전력을 제공할 수 있다.

맥스라이프(MaxLife™) 기술
배터리 수명을 단축시키는 화학적 변화는 제조 시점부터 시작되며, 높은 부동 전압과 고온은 이러한 변화들을 가속시킨다. 충방전은 궁극적으로 배터리의 활성 소재를 감소시켜 다른 화학적 변화를 야기함으로써 내부 저항을 증가시키고 영구적인 용량 손실을 초래한다. 영구적인 용량 손실은 충전으로 복구할 수 없는 손실을 의미하며, 이는 주로 완전 충방전 사이클 회수, 배터리 전압 및 배터리 온도로 인한 것이다.
배터리의 충전 속도 또한 빠를수록 배터리 수명을 단축시킨다. 이는 충전 속도가 1C 이상일 때 여분의 리튬이온이 양극에서 금속 리튬으로 변하기 때문이다. 금속 리튬은 활성 물질이므로, 전해액과 쉽게 반응을 일으켜 리튬이 영구적으로 손실된다. 따라서 배터리 충전 속도는 1C 미만이 적당하다.
배터리의 영구적인 용량 손실은 피할 수 없다. 하지만, 이를 최소화시킬 방법은 있다. 최근 TI는 단일 셀 리튬이온 배터리를 보다 빠르게 충전하면서 배터리 사용 수명을 연장할 수 있는 전원 관리 칩셋 2종을 발표했다. TI에 따르면, bq27530 및 bq27531 배터리 게이지 IC와 bq2416x 및 bq2419x 충전 IC를 결합한 이들 칩셋은 배터리의 서비스 수명을 최대 30%까지 향상시킨다.
자사의 특허 기술인 맥스라이프(MaxLife™) 고속 충전 기술을 적용한 이 칩셋은 배터리 열화를 최소화하면서 가능한 가장 빠른 충전 속도를 지원하여 배터리 성능을 극대화시킬 수 있다. 배터리 잔량을 오차 약 1%로 측정하는 임피던스 트랙(Impedance Track™) 기술을 기반으로 한 맥스라이프 알고리즘은 배터리 용량을 정확하게 예측하고, 배터리를 열화시키는 충전 조건을 방지한다. 다시 말해 배터리의 열화 상태를 모델링하고 충전 시에 그 열화 상태에 빠지지 않도록 제어하는 것이다. TI는 이 제어 알고리즘을 자사의 충전 제어 IC에 구현했다.
bq27530 배터리 게이지 IC 및 2.5A 충전 속도의 bq24160 충전 IC 칩셋과 bq27531 배터리 게이지 IC 및 4.5A 충전 속도의 bq24192 충전 IC 칩셋은 배터리 게이지 IC가 충전 IC를 직접 제어해 설계자에게 보다 높은 유연성을 제공한다. 이같은 자율적인 배터리 관리 시스템은 소프트웨어 오버헤드를 줄이고 배터리 안전성 및 보안을 향상시키는 동시에 열관리 기능을 개선시킨다. 또한 이 충전 알고리즘을 이용해 다른 플랫폼이나 새로운 대용량 배터리도 지원할 수 있다고 회사는 설명했다.




스티브 램부스(Steve Lambouses) 부사장은 “마이크로컨트롤러, PMIC, DSP를 이용한 기존의 소프트웨어 제어 배터리 관리 시스템은 배터리의 잔량을 정확하게 예측하고 그 데이터를 남아 있는 배터리 사용 시간으로 환산하는 능력에 한계가 있었다”며 “수년간 노트북 배터리 관련 기술과 경험을 보유하고 있는 TI가 6개월간의 테스트 과정을 거쳐 맥스라이프 기술을 선보이게 됐다”고 말했다.

공급시기 및 가격
충전 제어 기능을 갖춘 bq27530 및 bq27531 배터리 게이지 IC는 2mm × 1mm × 0.65mm 15핀 WCSP 패키지로 현재 공급되고 있다. 4.5A 배터리 충전 IC인 bq24192는 24핀 4mm × 4mm QFN 패키지로 제공된다. 듀얼 입력 2.5A 충전 IC인 bq24160은 24핀 QFN 패키지 및 2.8mm × 2.8mm 49볼 WCSP 패키지로 제공된다.


 

Interview 스티브 램부스(Steve Lambouses) 부사장, TI 배터리 관리 솔루션 그룹 스마트폰이나 태블릿PC 고객들은 빠른 충전과 낮은 가격에 대한 요구가 높다. 가격이 사용자 경험 측면에서 대단히 중요하기 때문이다. 두 번째는 배터리의 잔량, 즉 런타임이 얼마나 남아 있는지 정확히 알기를 원하고 있다. 이를 위해서는 배터리 용량을 정확히 측정할 수 있어야 한다. 세 번째는 좀 더 고성능의 배터리를 요구하는 시장의 요구가 높다. 삼성 갤럭시폰을 보면, 배터리 용량이 더 커졌음에도 아주 얇은 형태로 나와 있는 것을 볼 수 있다. 네 번째는 폼팩터가 더 작았으면 좋겠다는 요구가 있다. 실제로 배터리의 런타임은 늘었지만 더 작은 형태로 동작을 하고 있는 것을 볼 수 있다. 끝으로 무선 충전에 대한 요구가 있다. Qi 표준 준수 기기의 80%는 TI 제품 TI는 자기유도 방식 무선충전 기술 중 하나인 WPC의 Qi(치) 표준을 준수하는 시스템을 선보인 첫 번째 회사다. TI는 WPC(세계무선충전협회)의 창립 멤버이면서 동시에 PMA( Power Matters Alliance)와 A4WP(Alliance for Wireless Power)에도 참여하고 있다. TI는 현재 5개의 무선충전 트랜스미터와 7개의 리시버를 제공하고 있다. 무선충전 기술은 새롭고 복잡한 기술이다. TI는 시스템 엔지니어를 지원하기 위해 디자인 측면은 물론, 기술 문서를 비롯해 다양한 트레이닝을 지원하고 있다. 희망하는 엔지니어에게는 집중 훈련을 실시하고 있으며, 인증 받은 레퍼런스 디자인과 함께 토털 시스템 솔루션을 제공하고 있다. 또한 Qi 인증 제품을 내놓기 위해서는 제 3자 인증을 받아야 하는데, TI는 고객들이 Qi 인증을 받을 수 있도록 지원하고 있다. 현재 Qi 표준을 준수하는 기기의 80%는 TI의 제품을 사용하고 있다. 현재 무선충전 기술은 XY축 이동만을 허용하며 WPC에서 제공하는 전력은 5W이다. TI는 태블릿PC용으로 10W나 그 이상의 제품에 들어가는 솔루션을 선보였지만 표준은 아직 나오지 않은 상태다. 10W 이상을 지원하는 표준은 내년에 나올 예정이다. 현재는 하나의 패드 위에 하나의 제품만을 충전하는 원투원 페어링(one to one pairing) 방식이지만, 향후에는 하나의 패드 위에 한 개 이상의 제품을 올려놓을 수 멀티 페어링이 지원될 것이다. 또한 현재는 단방향 통신을 하는데 향후에는 양방향 통신을 지원하게 될 것이다. 배터리 트레이드오프의 극복 배터리 충전 속도가 빠를수록 배터리 수명은 짧아진다. 그러나 고객은 충전은 빠르되 수명은 길 것을 요구하고 있다. 이에 대응하기 위해서, TI는 혁신적인 솔루션을 내놓았다. 이미 TI는 수년간에 걸친 노트북 배터리 관련 기술과 경험을 보유하고 있다. 이 기술과 경험을 스마트폰에도 적용하기 위해 맥스라이프(MaxLife™)라는 새로운 기술과 칩셋을 선보이게 됐다. 맥스라이프는 빠른 충전을 하면서도 배터리의 열화를 최소화 하는 기술이다. TI는 이미 노트북에서 다양한 배터리 화학(chemistry)에 관련된 경험을 보유하고 있기 때문에 맥스라이프라는 기술을 내놓을 수 있었다. 이 기술은 충전을 빨리 하면서도 배터리 수명을 현재보다 30% 연장시킬 수 있다.  배터리 연료 게이지 칩셋(bq27531)은 배터리에 대한 정보를 다 가지고 있다. 배터리의 화학 구성과 이력, 충전 사이클, 현재 온도 등에 대한 다양한 정보를 가지고 있어서, 이러한 정보를 통해서 배터리 충전기(bq24192)를 직접 제어한다. 스마트폰을 만드는 제조사의 입장에서는 충전기를 어떤 것으로 해야 할지, 배터리 화학을 무엇으로 해야 할지, 어떤 배터리를 골라야 할지 고민하지 않아도 된다. 일반적인 스마트폰 제조업체의 경우, 15가지의 다양한 배터리를 골라서 사용하는 경우를 볼 수 있다. 맥스라이프 기술을 도입하게 되면, 우선 배터리와 관련된 오버헤드를 크게 줄일 수 있다. 두 번째는 안전성과 보안성이 좋아진다. 다시 말해, 호스트 컨트롤러를 포함하고 있는 충전기의 경우는 바이오스(BIOS)를 해킹하여 안전 기능을 바꿀 수 있다. 반면, 맥스라이프 기술을 적용한 배터리 게이지 및 충전 칩셋은 따로 떨어져 있기 때문에 그럴 걱정이 전혀 없다. 또한 전력과 열 소산도 개선되고 BOM 비용도 절약할 수 있다. 배터리에 대한 방대한 DB 같은 리튬이온 배터리라고 해도 내부 물질은 다를 수 있다. 또 배터리의 충방전 횟수에 따라 배터리의 거동이 달라진다. 따라서 TI의 가스 게이지 기술은 배터리의 화성은 무엇이고, 온도는 몇 도이고, 충방전 사이클은 몇 번인지를 충전기에 알려줌으로써 배터리에 맞춰 열화를 크게 줄일 수 있게 되는 것이다. TI는 배터리에 대한 500개 이상의 독특한 화학조성에 대한 데이터베이스를 완성했다. 기존 배터리에 대한 정보는 다 보유하고 있다고 할 수 있다.