스마트폰 고속 충전을 위한 2차 보호 기술

고속 충전 스마트폰 및 리튬 이온 배터리

스마트폰의 성능은 매년 향상되어 이러한 장치에 장착된 리튬 이온 배터리의 용량이 증가하고 있습니다. 배터리 용량이 증가함에 따라 재충전에 필요한 시간도 늘어납니다. 따라서 일부 회사는 현재 이전보다 더 큰 전류를 전달하여 더 빠르게 충전할 수 있는 스마트폰을 판매하고 있습니다.

5년에서 6년 전에 설계된 스마트폰은 일반적으로 완전히 충전하는 데 3시간에서 4시간이 걸렸습니다만, 최신 고속 충전 스마트폰의 일부는 약 30분으로 완전히 충전할 수 있습니다. 스마트폰에 사용되는 리튬 이온 배터리의 2차 보호를 위한 새로운 기술이 필요하며 고용량 및 고속 충전 배터리에 대응할 수 있습니다.

2차 보호용 퓨즈 시스템: SCP (자체 제어 보호기) 및 FET(전계 효과 트랜지스터)

일반 스마트폰에서 리튬 이온 배터리를 보호하는 데 자주 사용되는 솔루션은 보호 IC와 전계 효과 트랜지스터(FET)를 결합한 이중 보호 회로를 설계하는 것입니다. FET는 전압을 감지하는 IC에 연결됩니다. IC가 표준량을 초과하는 전압을 감지하면 충방전 회로로 흐르는 전류가 차단됩니다. 아래 그림의 왼쪽에 표시된 회로의 경우 1차 보호에서 FET-1의 경우 4.4V, 2차 보호의 경우 FET-2의 경우 4.5V와 같이 전압 임계값이 약간 이동됩니다. 이를 통해 이중 보호가 가능합니다.

듀얼 FET 방식은 주요 스마트폰 제조업체에서 널리 사용됩니다. 그러나 기존의 이중 보호 시스템에 사용되는 FET의 저항 값은 약 2mΩ입니다. 저항 값을 크게 줄이는 한 가지 방법은 배터리를 더 크게 만드는 것입니다. 저항 값이 낮을수록 에너지 손실이 작아집니다. 반대로 저항 값이 높을수록 더 많은 열 발생(더 뜨거운)을 의미하므로 저항이 낮을수록 열 발생을 억제하는 데 가장 좋습니다.

보호 방법으로 2개의 FET를 사용할 수 있습니다. 그러나 동일한 방식으로 작동하기 때문에 기능을 벗어난 사고가 발생할 때 두 FET가 모두 작동하지 않을 가능성이 있습니다. 배터리의 안전성과 신뢰성을 보호하려면 1차 및 2차 보호 회로가 서로 다른 메커니즘을 사용하여 작동해야 합니다.

따라서 FET 대신 덱세리얼스가 개발한 저저항 SCP*가 2차 보호를 위한 퓨즈 소자로 채택되고 있습니다. 고속 충전 스마트폰은 충전 시 발생하는 열을 줄이기 위해 회로 부품의 저항을 최대한 낮추어 에너지 손실을 최소화해야 합니다. SCP 모델 SFJ-0422U의 퓨즈 저항은 0.9mΩ으로 소형 장치용 덱세리얼즈의 SCP 중 가장 작고, 2차 보호에 사용되는 일반 FET의 절반 이하입니다. 이로 인해 많은 급속 충전 스마트폰에 채택되었습니다.

* SCP는 Sony Chemicals(현 Dexerials)가 1994년에 출시한 리튬 이온 배터리의 2차 보호에 사용되는 퓨즈 요소입니다. 현재 리튬 이온 배터리가 장착된 많은 장치에 설치되고 있습니다.

위의 그림은 보드에 장착된 SCP의 온도와 전류 사이의 관계를 보여줍니다. 전류가 0.2A에서 5A로 증가하면 SFJ-0422U의 저항은 0.9mΩ으로 거의 변하지 않습니다. 줄열 때문에 온도가 상승하지만 상승은 점진적이며 +11°C에서 멈춥니다. (참고: 온도는 주변 환경의 영향을 많이 받기 때문에 참고용입니다.)
스마트폰 제조사는 장기간 사용 후에도 저온 화상 및 기타 건강 위험의 발생을 방지하기 위해 지정된 온도를 초과하지 않도록 제품을 설계합니다. 저항이 낮은 SCP는 온도 상승과 전력 소비를 억제하는 데 도움이 됩니다.

SCP의 작은 크기로 인해 2억 대가 도입되었습니다.

위의 다이어그램은 소형 저저항 SCP의 표준 제품인 SFJ-0412S가 스마트폰 리튬이온 배터리에 어떻게 통합되었는지 보여줍니다. 스마트폰에서는 공간이 제한되어 있어 보호 회로 모듈을 소형화해야 합니다. 많은 경우 그림과 같이 모듈 보드는 길고 좁습니다. 따라서 장착 영역 너비가 3mm인 SFJ-0412S는 공간 절약형 설계가 뛰어납니다. 덱세리얼스는 또한 보호 회로 모듈의 소형화를 지원하기 위해 더 작은 제품인 SFR-0412x(가장 짧은 쪽 1.8mm)를 개발했습니다. 덱세리얼스의 SCP는 1994년 출시 이후 2024년 3월 현재 28억 4천만 개 이상 출하된 리튬 이온 배터리용 2차 보호 퓨즈의 표준 부품으로 인정받고 있습니다.

빠른 충전 장치용 SCP (SFJ-0422U)

고속 충전 스마트폰에 사용되는 저저항 SCP의 개발은 몇 년 전 고객의 요청으로 시작되었습니다. 그런 다음 Dexerials는 저저항 소형 SCP 인 SFJ-0422U를 개발했습니다.

현재 Dexerials는 고속 충전 소형 스마트폰을 수용하기 위해 낮은 퓨즈 저항을 동시에 달성하기 위한 어려운 작업을 진행하고 있습니다. 퓨즈 소자의 단면을 통과하는 전류 경로를 늘리면 저항을 낮출 수 있지만 반대로 소자가 커져 소형화가 불가능해집니다. 특히 스마트폰과 같이 부품 높이가 제한된 경우 수평으로 늘리는 것이 유일한 방법이므로 장착 면적이 더 커집니다. 반면, 소형화는 단면을 통과하는 전류 경로를 감소시켜 퓨즈 저항을 증가시킵니다.

현재 구매 가능한 SCP(SFJ-0412S 및 SFJ-0422U)에 대한 제품 정보는 다음과 같습니다.

요약하면, 2차 보호 요소로서 SCP와 FET의 주요 차이점은 회로 차단 기능입니다. 스마트폰의 배터리에 문제가 발생하면 보호 IC가 비정상적인 전압을 감지하고 FET를 사용하여 회로를 차단합니다. 그러나 이것은 일시적일 뿐입니다. 전압이 정상 범위로 돌아오면 충전 및 방전이 다시 가능해집니다. 반면, 배터리에 비정상적인 과충전 또는 과전류 문제가 발생하면 SCP가 퓨즈 요소를 끊어뜨리고 회로가 영구적으로 차단됩니다. 2차 보호 요소는 비상시 손상을 방지하기 위해 존재하므로 문제가 발생하면 예방 조치로 배터리를 비활성화하는 것이 더 안전합니다.

실제로 리튬 이온 배터리 관련 사고는 오늘날에도 여전히 보고되고 있습니다. 덱세리얼은 리튬 이온 배터리의 안전성을 강화하기 위해 SCP를 지속적으로 개선해 나갈 것입니다.