배터리의 구조에 대한 기본적 이해와 충전 모듈 사용법.

오래전 집에서 사용하는 모바일 장비들에 연결할 USB 충전 포트가 부족해서 포트 10개짜리 PCB를 설계한 적이 있는데요. 그 글을 보고 어떤 분께서 질문을 주셔서 답변을 작성하다 보니 글이 점점 길어져서 포스팅으로 대신하기로 했습니다.

https://r2adve.tistory.com/202

10포트 USB 충전기 만들기

질문 주신분이 하시고자 하는 건 " 보조배터리 100개를 동시에 충전할 수 있는 충전기"를 만드는 것입니다.
그리고, 알리익스프레스 같은 곳에서 충전 모듈을 찾으셨더군요.
여기서 우리가 먼저 이해를 해야 하는 부분이 있습니다.
바로 "보조배터리"의 형태입니다.

1. 완성형 보조 배터리

만약 질문 주신 분께서 말씀하신 "보조배터리"가 시중에서 쉽게 구매하고, 휴대용으로 사용하고 있는 제품이라면, 그 구조는 아래 그림과 같아요.

내부에 충전회로, 승압회로, 보호회로가 포함돼 있으며, 그 아래에 리튬폴리머가 들어있습니다.
당연히 외부에서는 충전을 위해 5V를 입력으로 넣으면 됩니다. 내부 배터리의 실제 충전된 전압은 약 3.2V ~ 4.2V이고, 출력될 때는 승압 회로에 의해 다시 5V 가 나오는 구조입니다.
이런 보조배터리를 충전하기 위함이라면, 그저 고출력 5V SMPS의 출력을 USB-A 포트 여러개로 병렬 연결한 형태만 만들면 되지요. 이게 지난글에서 제가 만들었던 형태 입니다. 바로 이렇게 말이죠.

아무런 회로랄 것도 없이 그냥 SMPS 의 출력을 병렬 연결 한 것입니다.

 

2. 리튬 폴리머 배터리

하지만, 만약 질문 주신 분께서 말씀하신 "보조배터리"의 형태가  완성형 보조배터리가 아니라 그냥 배터리를 말씀하시는 거라면 이야기가 달라집니다.
이제 이 배터리는 더 이상 완성형 제품이 아니라 부품에 속합니다. 따라서 사용을 위해서는 회로가 필요합니다.
먼저 소형 디바이스들에 사용되는 리튬폴리머 배터리의 내부구조입니다.

위에서 먼저 설명드린 완성형 보조 배터리에서 충전회로와 승압회로가 빠진 형태입니다.
보호 회로만 들어있기 때문에 이 배터리를 사용하기 위해서는 별도의 충전회로가 필요합니다.
일반적으로 이런 배터리는 보조배터리로 사용하지 않고, 소형 디바이스에 사용되며, 그 디바이스에 맞게 출력 전압을 다른 전압으로 바꿔주는 변압 회로도 함께 설계해 사용됩니다.
그래서 그 사용 형태는 아래 그림과 같습니다.

3. 18650 배터리

그리고 또 하나 일반적으로 사용되는 배터리는 18650 같은 배터리입니다.
이 배터리는 보호 회로까지도 제거된 형태입니다.

그렇기 때문에 18650의 경우 반드시 별도의 보호 회로를 설계해서 사용하거나, PCM 모듈을 구매해서 사용하는 것을 권장 합니다. 이 보호 회로(PCM)는 과방전, 과충전을 방지하는 회로인데 간혹 출력을 높이기위해 PCM 을 제거 하고 사용 하는 경우가 있습니다. 이럴 경우 불에 타 죽기 딱 좋으니 조심하시기 바랍니다.
알리익스프레스 같은 사이트에서 충전모듈을 검색해 보면 아래 그림과 같은 것들이 보이는데요.

TP4056

일반적으로 많이 사용한다는 TP4056 모듈입니다.
사실 TP4056 은 저 충전 회로의 중앙에 배치된 Chip의 이름이고요, 중국산입니다.
그 데이터시트를 열어서 레퍼런스 회로를 보면 아래와 같습니다.

Rprog 저항을 이용해 충전 전류를 설정할 수는 있지만, 배터리에 연결된 측의 회로를 보면 과충전, 과방전에 대한 회로가 없다는 것을 볼 수 있어요.
만약 이 형태의 모듈을 그대로 18650에 연결해서 사용한다면, 문제가 발생할 수 있습니다. 
따라서 이렇게 pcm 이 없는 형태는 위에서 언급한 리튬폴리머 배터리에 적합하고, 18650 에는 pcm 이 포함된 형태의 모듈을 사용해야 합니다.

위 모듈의 회로를 찾진 못했지만, 겉으로만 봐도 PCM 이 포함된 형태와 포함되지 않은 형태를 쉽게 구분할 수 있습니다.
또한 모듈 설명을 잘 보시면 pcm 이 포함될 경우 "Protection"이라는 설명이 반드시 들어가 있으니 참고하시기 바랍니다.  
PCB까지 포함된 형태의 모듈을 도식화 해보면 아래와 같습니다.

이 모듈에 18650 배터리를 연결해서 배조배터리를 설계한다면 아래와 같은 형태가 됩니다.

다른 장비의 충전 회로들의 입력전압이 5V 이기 때문에 이 자작 보조배터리의 출력을 5V로 승압해서 출력해야 하는 거죠.

 

결론

결국 예전글에서 제가 만들었던 부분은 아래 그림의 녹색 점선 내부일 뿐입니다.
충전회로, 보호회로, 승압회로고 뭐고 간에 아무것도 없는 형태였지요.

연결하고자 하는 배터리의 형태에 따라 달라질 수 있다는 거고요. 만약 충전회로가 없는 배터리를 사용한다면 녹색 점선 안에 그 회로를 포함시켜야겠습니다. 
충전전류 설정은 순전히 해당 충전 회로에서 설정이 가능하며, 외부에서 공급되는 전원은 그저 그 충전 전류를 충분히 감당할 수 있기만 하면 되겠지요.

이 글이 도움이 되셨길 빌어봅니다.