스마트폰 충전회로는 왜 배터리가 가득 차면 자동으로 충전을 멈추나요?

Question

배터리가 완충되면 충전이 자동으로 중단되는 기능이 있다고 배우는데, 이 회로가 어떤 방식으로 배터리 상태를 감지하고 충전을 제어하는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

스마트폰 충전회로는 배터리의 전압,전류,온도를 실시간으로 감지하여서

완충 시 충전을 자동으로 멈춘답니다. 과충전으로 인한 폭발 화재를 방지하지 위한 필수적인

안전장치입니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

리튬이온 배터리는 전압이 얼마인지 보면 얼마나 찼는지 알 수 있어요. 충전 칩은 배터리 셀의 전압과 흘러 들어가는 전류를 계속 재면서 충전을 두 단계로 나눠 진행해요.

처음에는 일정한 전류를 밀어 넣는 정전류 단계예요. 이때 배터리 전압이 점점 올라가다가 보통 4.2V(고전압 셀은 4.4V 안팎)에 닿으면, 전압을 그 값에 고정하는 정전압 단계로 넘어가요. 전압을 고정하고 나면 배터리가 찰수록 충전기와 배터리 사이의 전압 차이가 줄어들어 전류가 저절로 줄어들어요. 컵에 물을 따를 때 처음엔 콸콸 붓다가 가득 찰 즈음 조금씩 따르는 것과 비슷해요. 전류가 처음 값의 10분의 1이나 20분의 1까지 떨어지면 칩은 완충으로 판단하고 트랜지스터 스위치를 열어 충전을 끊어요. 이후엔 폰이 어댑터 전원으로 돌아가고, 배터리 전압이 조금 떨어지면 다시 살짝 채워줘요.

4.2V를 넘겨 계속 충전하면 음극 표면에 리튬 금속이 쌓이고 전해질이 분해되면서 가스와 열이 생겨요. 배터리가 부풀거나 불이 날 수 있어서 이중 안전장치를 둬요. 배터리 팩 안에 별도의 보호회로가 있어 과전압, 과전류, 온도 이상을 감지하면 충전 칩과 관계없이 회로를 차단해요. 요즘 폰에 있는 최적화 충전 기능은 80%에서 한동안 멈췄다가 기상 시간에 맞춰 마저 채워서, 높은 전압에 오래 머무는 시간을 줄여줘요 :)

Answer 3

안녕하세요. 설효훈 전문가입니다. 배터리가 완충됐을 때 충전이 멈추는 것은 충전기가 단순히 시간을 재서 끄는 방식이 아니라, 충전 회로가 배터리의 전압과 충전 전류, 온도 등을 계속 측정하면서 상태를 판단하기 때문입니다.

 스마트폰에 많이 사용하는 리튬이온 배터리를 예로 들면, 충전 초기에는 비교적 큰 전류를 흘려보내다가 배터리 전압이 정해진 상한값에 가까워지면 충전 전류를 점점 줄입니다. 이후 전류가 아주 작아지고 배터리 전압이 목표 수준에 도달하면 충전 IC가 충전을 종료하거나 아주 미세한 수준으로 관리합니다.

 이 과정에서 충전 IC가 배터리 전압을 측정하는 회로와 전류를 감지하는 회로, 온도 센서 등을 이용해 배터리 상태를 계속 확인합니다. 온도가 지나치게 올라가거나 비정상적인 전압이 감지되면 충전을 제한하거나 중단하기도 합니다.

 그래서 요즘 스마트폰은 충전기를 꽂아둔다고 해서 계속 최대 전류를 밀어 넣는 것이 아닙니다. 완충에 가까워질수록 충전량을 조절하고, 배터리 보호를 위해 충전 속도 자체를 낮추거나 충전을 일시적으로 멈추기도 합니다.

Answer 4

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

스마트폰 내부의 PMIC라는 전력 관리 반도체와 BMS가 실시간으로 감지합니다. 배터리 충전은 전압을 높여 전류를 넣었다가 완충 전압에 도달하면 전류를 줄이는 방식을 쓰죠. 그러다가 전류가 거의 흐르지 않는 한계점에 이르면 회로 내부의 스위칭 FET를 차단해버립니다. 그래서 전기가 들어오는 길목을 물리적으로 막아 버리는 원리이죠.

만약에 이 제어가 안 돼서 완충 후에도 계속 전기가 들어가면 과충전 폭발이나 화재가 터질 수 있습니다. 리튬 이온 배터리는 전압이 기준치를 넘으면 내부 전해액이 분해되고 가스가 부풀어 오르죠. 그래서 회로가 배터리 잔압과 전류와 온도까지 3중으로 체크하면 완충 시 전원을 확실하게 꺼 주는 겁니다.

Answer 5

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

스마트폰 내부의 충전 관리 전용 보호 회로는 배터리 양단의 전압과 전류 내부 온도를 실시간으로 미세하게 감지하여 충전 상태를 파악합니다. 배터리 충전 초기에는 일정 전류를 넣어 급속 충전하다가 완충 직전인 약 4.2V~4.4V 부근에 도달하면 CV 모드로 전환하여 전류량을 단계적으로 줄여나갑니다. 이후 유입되는 전류량이 설정된 임계치 밑으로 떨어지거나 적정 전압에 도달하는 순간 회로 내부의 MOSFET 스위치를 닫아 스위칭 작용으로 외부 전원의 공급을 완전히 차단합니다. 이러한 제어 덕분에 배터리 내부 리튬의 과열이나 가스 발생 부풀어 오름등의 과충전 위험을 방지하고 화학적 안정성을 안전하게 유지할 수 있습니다

Answer 6

안녕하세요.

회로설계 방식따라 다르겠지만

완충됬는지 여부는 베터리 극성에 전압체크하는 회로를 별도로 연결해서 그 전압이 기준에 도달하면

그때 충전을 멈추는 시퀀스를 설계할 수도 있습니다.