[논문]무인항공기를 위한 3.7V 단일 배터리 셀 고효율 전력관리 회로시스템

강운성; 황선남; 장호정; 김현식

doi:10.6117/kmeps.2017.24.3.063

무인항공기를 위한 3.7V 단일 배터리 셀 고효율 전력관리 회로시스템
3.7-V Single Battery-Cell High-Efficiency Power Management Circuit and System for UAV-Drones 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.24 no.3, 2017년, pp.63 - 69

강운성 (단국대학교 전자전기공학과) , 황선남 (단국대학교 전자전기공학과) , 장호정 (단국대학교 전자전기공학과) , 김현식 (단국대학교 디스플레이공학과)

초록
AI-Helper

본 논문은 드론의 체공시간 증대를 위해 고효율 전력관리 회로 및 시스템을 제안한다. 종래의 드론은 다수개의 직렬 배터리와 낮은 효율의 선형 레귤레이터 사용으로 무겁고 발열이 크며 이로 인한 전력누수 문제가 있었다. 본 논문에서는 3.7V 단일 Li-Po 배터리 셀을 사용할 수 있는 스위칭 방식의 승압형 DC-DC 전력변환 회로에 대한 연구를 다룬다. 본 연구를 통해 시제품 개발 결과 3.7V 입력, 5V 출력의 step-up regulation을 실현하였다. 또한 종래 선형 레귤레이터의 50% 수준이었던 전력효율 대비 최대 91.3% 효율과 $50^{\circ}C$ 이하의 표면온도를 달성하였으며, 0.02V/V 및 0.15V/A의 line/load regulation 성능을 측정으로 검증하였다. 본 연구결과를 통해 3.7V 단일 셀 배터리 사용으로 충방전을 위한 별도의 cell-balancing 회로가 필요하지 않게 되며, 높은 전력관리 효율로 드론의 체공시간을 획기적으로 개선시킬 수 있는 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a highly efficient power management system for UAV-drones. For free from the battery cell-balancing issue, the proposed system allows the drone to utilize a single-cell Li-Po battery. To realize low-voltage input of 3.7V, the switch-mode step-up DC-DC converter is optimally designed with high power efficiency. The prototype DC-DC converter was implemented with an output voltage of 5V, which will be provided to digital parts of the drone. The power efficiency was measured to be max. 91.3% with low surface temperature. The measured line and load regulations were 0.02V/V and 0.15V/A, respectively. Thanks to the proposed power management system, the available time-to-fly of the drone is expected to be significantly extended in virtue of the enhanced power efficiency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

기존의 드론 디지털 부품에 전력을 공급하는 linear regulator는 DC-DC 전력변환 과정에서 회로 내 저항성분에 의하여 많은 전력에너지가 열에너지로 치환되어 소모되는 현상이 있다. 본 논문에서는 이러한 전력 손실을 최소화하고자 고효율 switch-mode power supply (SMPS) DC-DC 컨버터를 사용하여 드론 디지털 시스템에 전력을 공급한다. SMPS DC-DC 컨버터는 발열이 매우 낮고, 전압을 승압하여 전력을 공급할 수 있으므로 단일 셀로 구성된 저전압 배터리를 사용할 수 있다.
이에 따라 cellbalancing 문제 및 linear regulator의 step-down 전력변환에 의한 50% 수준의 낮은 전력효율이 문제가 되었다. 본 논문은 단일 배터리 셀을 사용할 수 있는 드론 전력공급회로를 제안하였다. 제안하는 전력회로는 SMPS DC-DC 변환 방식을 활용하여 최대 91%의 높은 전력효율을 달성하였으며, 단일 배터리 셀로 인해 cell-balancing 문제로부터 자유로울 수 있다.
위에서 언급한 문제점들을 해결하기 위해 본 논문은 3.7V single-cell 배터리로 운용될 수 있는 새로운 전력관리 회로 및 시스템을 제안한다. 단일 셀 배터리 운용을 통해 드론의 무게를 경감시킬 수 있고 cell-balancing을 추가 적으로 필요로 하지 않기 때문에 배터리 수명 증대 및 발열 위험을 줄일 수 있다.
7V의 낮은 입력전압을 고효율로 승압(step-up)하여 공급한다. 종래의 linear regulator를 대체하는 고효율 switch-mode DC-DC converter 회로를 개발하여 적용함으로써 전력효율 개선으로 드론의 체공시간 극대화를 목표로 한다.

제안 방법

PCB는 총 2층으로 구성되었으며, 전력변환 시 커플링 잡음을 최소화하기 위해 VCC와 GND 배선의 배치를 충분한 간격을 두고 분리하였다. MOSFET의 스위칭 시에 서지(surge) 전압 발생으로 인한 잡음이 입력전원 및 피드백 보상 회로로 유입되는 것을 방지하기 위하여 MOSFET을 최대한 제어부와 분리하는 PCB layout을 적용하였다. 총 PCB 면적은 100 mm × 34 mm 크기로 저면적 설계가 실현되었다.
5와 같이 설계하였다. PCB는 총 2층으로 구성되었으며, 전력변환 시 커플링 잡음을 최소화하기 위해 VCC와 GND 배선의 배치를 충분한 간격을 두고 분리하였다. MOSFET의 스위칭 시에 서지(surge) 전압 발생으로 인한 잡음이 입력전원 및 피드백 보상 회로로 유입되는 것을 방지하기 위하여 MOSFET을 최대한 제어부와 분리하는 PCB layout을 적용하였다.
02V/V로 측정되어 입력변화에 따른 출력전압 변동이 매우 작음을 알 수 있다. Table 4와 Fig. 9에서와 같이 3.7V의 입력전압을 기준으로 부하 조건을 0.1A에서 1.5A까지 0.1A 단위로 변동시키며 load regulation 성능을 평가하였다. 그 결과 load regulation 0.
단일 셀 배터리 운용을 통해 드론의 무게를 경감시킬 수 있고 cell-balancing을 추가 적으로 필요로 하지 않기 때문에 배터리 수명 증대 및 발열 위험을 줄일 수 있다. 각 부품에서 요구되는 전압 공급을 위해 본 논문에서 제안하는 전력관리 시스템은 3.7V의 낮은 입력전압을 고효율로 승압(step-up)하여 공급한다. 종래의 linear regulator를 대체하는 고효율 switch-mode DC-DC converter 회로를 개발하여 적용함으로써 전력효율 개선으로 드론의 체공시간 극대화를 목표로 한다.
동작 검증 실험은 단일 배터리 셀 전압인 3.7V를 인가하고, 출력전압은 드론의 디지털 시스템에 공급할 5V 전압을 설정하여 측정하였다. 실험 및 측정은 DC 파워전원, 부하기, 그리고 오실로스코프를 세트로 구성하여 수행하였다.
따라서 권선의 굵기는 0.6 mm이며 전류 용량을 감안하여 Φ0.1 × 70인 리츠 와이어를 사용하여 권선하였다.
본 전력회로의 line regulation 성능을 평가하기 위해 출력(부하)전류 1A 조건에서 입력전압을 배터리 전압의 변동 범위인 2.9V에서 4.3V까지 0.1V 단위로 변화시키며 출력전압을 측정하였다. Table 3과 Fig.
상온에서 출력전압 5V, 출력전류 0.7A 조건으로 30분간 동작 시킨 후 열화상 카메라를 사용하여 모듈 및 부품의 표면온도를 측정하였다. Fig.
인덕터에 흐르는 전류의 파형은 삼각파 형태를 보이므로 스위치 off 시에 손실이 크며 코어 손실도 주파수가 낮을수록 적어지므로 가급적 큰 인덕턴스 값을 사용할 필요가 있다. 하지만 물리적 공간의 제약이 존재하여 인덕턴스 값을 무한히 키울 수 없으므로 코어를 먼저 선정한 후 최대의 인덕턴스 값을 설계하는 방식을 취하였다. 식 (1)을 이용하여 입력전압 3.

대상 데이터

또한 고속 스위칭이 가능하여야 하기에 스위치 on 및 off 시에 응답속도가 빨라야 한다. 따라서 gate-source 문턱 전압이 2.2V이하, 내부저항이 1.4mΩ이며, 응답속도가 빠른 NEXPERIA社의 PSMN1R2¹⁰⁾를 선정하였다. 이러한 설계 과정을 거쳐 Fig.
7V를 인가하고, 출력전압은 드론의 디지털 시스템에 공급할 5V 전압을 설정하여 측정하였다. 실험 및 측정은 DC 파워전원, 부하기, 그리고 오실로스코프를 세트로 구성하여 수행하였다. Fig.
여기에 과전류 방지 및 과전압 등의 보호기능이 추가되어야 한다. 이를 위해 TI社의 저전압 부스트 컨버터 제어 IC인 LM3488⁹⁾을 사용하였다. 출력 부하가 바뀌는 상황에서도 일정한 출력전압을 유지하기 위해 출력전압을 검출하여 제어 IC의 FB 포트에 입력한다.
총 PCB 면적은 100 mm × 34 mm 크기로 저면적 설계가 실현되었다.

성능/효과

10는 본 전력변환회로의 효율을 측정한 결과이다. 0.15A 부하전류 상황에서 효율 91.3%, 2.3A 부하전류에 서는 효율 85.6%로 측정되었으며 평균적으로 88%의 효율을 유지하며 동작하고 있다. 부하전류가 증가함에 따라 비 이상적인 기생성분인 MOSFET 스위치의 R_DS 저항과 인덕터의 equivalent series resistance (ESR) 저항에 의해 효율저하가 발생함을 확인할 수 있다.
1A 단위로 변동시키며 load regulation 성능을 평가하였다. 그 결과 load regulation 0.15V/A의 우수한 성능을 확인하였다.
6%로 측정되었으며 평균적으로 88%의 효율을 유지하며 동작하고 있다. 부하전류가 증가함에 따라 비 이상적인 기생성분인 MOSFET 스위치의 R_DS 저항과 인덕터의 equivalent series resistance (ESR) 저항에 의해 효율저하가 발생함을 확인할 수 있다.
본 논문은 단일 배터리 셀을 사용할 수 있는 드론 전력공급회로를 제안하였다. 제안하는 전력회로는 SMPS DC-DC 변환 방식을 활용하여 최대 91%의 높은 전력효율을 달성하였으며, 단일 배터리 셀로 인해 cell-balancing 문제로부터 자유로울 수 있다. 따라서 본 연구를 통해 더욱 가벼운 무게와 함께 높은 전력효율로 배터리 소모를 최소화하여 드론의 체공시간을 획기적으로 증대 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
⁴⁾ 이러한 높은 전압의 배터리 전력공급은 크게 두 가지 문제점이 있다. 첫째, 2셀(2s) 이상으로 배터리를 직렬 구성할 경우 충전 및 방전 시 셀 간의 편차가 발생하게 되며, 배터리 수명 단축 및 발열의 원인이 된다. 이러한 현상이 극대화 될 경우 폭발 및 발화의 원인이 될 수 있으므로, 배터리 셀 간 편차를 보상해주는 cell-balancing 모듈이 추가로 필요하다.

후속연구

4℃로 측정되었으나 모듈의 전체온도는 평균적으로 50℃보다 낮게 측정되고 있다.¹¹⁾ 이 결과는 본 전력변환 회로가 높은 효율로 동작함을 증명하고, 추후 드론의 발열 및 화재문제를 저감 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
제안하는 전력회로는 SMPS DC-DC 변환 방식을 활용하여 최대 91%의 높은 전력효율을 달성하였으며, 단일 배터리 셀로 인해 cell-balancing 문제로부터 자유로울 수 있다. 따라서 본 연구를 통해 더욱 가벼운 무게와 함께 높은 전력효율로 배터리 소모를 최소화하여 드론의 체공시간을 획기적으로 증대 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	드론 디지털 시스템에 SMPS DC-DC 컨버터를 사용했을 때 이점은 무엇인가?	본 논문에서는 이러한 전력 손실을 최소화하고자 고효율 switch-mode power supply (SMPS) DC-DC 컨버터를 사용하여 드론 디지털 시스템에 전력을 공급한다. SMPS DC-DC 컨버터는 발열이 매우 낮고, 전압을 승압하여 전력을 공급할 수 있으므로 단일 셀로 구성된 저전압 배터리를 사용할 수 있다. 또한 이러한 단일 셀 배터리 채용으로 cell-balancing 기능이 필요하지 않게 되어 충전 및 방전 매커니즘의 단순화로 인하여 배터리 관리가 용이하다.
	스위칭 방식의 DC-DC 변환에 LPF 회로를 적용하는 이유는 무엇인가?	7V 단일 셀 배터리는 메인 컨트롤러와 SMPS DC-DC boost converter 회로에 직접 전력을 공급하고, SMPS DC-DC boost converter 회로는 스위칭 방식의 PWM 제어를 통해 정류 및 승압된 출력전압 5V를 각 부품에 공급한다. 스위칭 방식의 DC-DC 변환은 출력전압에 잡음(ripple)이 발생하기 때문에 low pass filter(LPF) 회로를 통해 잡음을 최소화한 후 각종 정밀센서 및 디지털 시스템에 전력을 공급한다. 이러한 전력공급은 전력변환효율 극대화에 목적을 두고 있다.
	DC-DC 부스트 컨버터는 무엇으로 구성되어 있는가?	7V 입력전원을 5V 전원으로 승압하여 출력하는 DC-DC 부스트 컨버터 회로도이다. 이 회로는 입력 에너지를 누적 및 변환하는 인덕터(L1), 인덕터의 전류 방향을 제어하는 다이오드와 MOSFET 스위치, 출력전압을 정류하는 커패시터(C4)와 저항, 출력전압을 검출하는 저항(R4, R5), 일정한 출력전압을 유지시키는 피드백 loop 제어 IC, MOSFET 스위치 구동회로(Q2, Q3)로 구성되어 있다. 여기에 피드백 loop의 주파수 안정도 보상회로(C2, C4, R6, R10)와 MOSFET 스위치의 과전류를 방지(shortcircuit protection) 회로(R3, C3), 그리고 PWM 주파수를 제어하기 위한 저항(R2, R7)이 추가된다.

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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