ESP32용 LiPo 배터리 충전회로

 

여기서 요구사항은 다음과 같습니다.

ESP32를 LiPo 배터리로 구동한다.

USB를 연결하면 배터리가 충전된다.

USB가 연결된 상태에서도 ESP32는 동작할 수 있다.

USB가 빠지면 자동으로 LiPo 배터리로 동작한다.

ESP32에는 안정적인 3.3V가 공급된다.

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이 구조를 만들기 위해 사용할 수 있는 조합 중 하나가

MCP73871 + TPS63020입니다.

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먼저 전체 구조를 단순하게 보면 이렇습니다.

USB 5V 입력

↓

MCP73871 LiPo 충전 및 전원 경로 관리 칩

↓

TPS63020 buck-boost converter

↓

안정적인 3.3V

↓

ESP32

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여기서 LiPo 배터리는 MCP73871에 연결됩니다.

즉, MCP73871은 USB 입력, LiPo 배터리, 시스템 출력 사이에서 전원 흐름을 관리하는 역할을 합니다.

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MCP73871의 역할

MCP73871은 단순히 LiPo 배터리만 충전하는 칩이 아닙니다.

이 칩의 중요한 특징은 power path management입니다.

 

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쉽게 말하면,

USB 전원이 있을 때는 USB 전원을 이용해서 배터리도 충전하고, 동시에 시스템(ESP32 + 기타 회로)에도 전원을 공급할 수 있습니다.

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USB 전원이 없을 때는 배터리에서 시스템으로 전원을 공급합니다.

즉, 충전과 사용을 동시에 고려한 칩입니다.

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동작을 나누어 보면 다음과 같습니다.

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첫 번째 상황은,

USB가 연결되어 있고(아래의 회로도에서 왼쪽 위, 18 혹은 19번 핀),

ESP32 쪽 부하(같은 회로도에서 오른쪽 위, 1번 혹은 20번 핀)가 거의 없거나 작은 경우입니다.

이때 MCP73871은 LiPo 배터리를 충전합니다. (14, 15, 16번 핀)

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두 번째 상황은,

USB가 연결되어 있고, ESP32도 동작 중인 경우입니다.

이때는 USB 입력 전원을 이용해 시스템에도 전원을 공급하고, 동시에 배터리도 충전합니다.

만약 순간적으로 ESP32 쪽에서 더 많은 전류가 필요하고 USB 입력만으로 부족한 상황이 되면, 배터리 쪽 전력까지 함께 사용해 부하를 감당할 수 있습니다.

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세 번째 상황은,

USB가 연결되어 있지 않은 경우입니다.

이때는 LiPo 배터리에서 나온 전원이 MCP73871을 거쳐 시스템 출력으로 전달됩니다.

즉, 사용자는 USB를 꽂으면 충전되고,

USB를 빼면 자동으로 배터리로 동작하는 구조를 만들 수 있습니다.

이 점이 단순한 충전 모듈보다 편리한 부분입니다.

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그런데 여기서 바로 ESP32에 연결하면 안 되는 이유

MCP73871의 출력은 ESP32가 원하는 3.3V로 고정된 출력이 아닙니다.

USB가 연결되어 있으면 5V 계열 전압이 나올 수 있고,

배터리로 동작할 때는 LiPo 배터리 전압 근처의 전압이 나옵니다.

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LiPo 배터리는 보통 nominal 3.7V라고 하지만, 실제 전압은 계속 변합니다.

완충 시 약 4.2V,

사용 중 3.7V 부근,

방전되면 그보다 더 낮아집니다.

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하지만 ESP32는 안정적인 3.3V 전원을 필요로 합니다.

그래서 MCP73871의 출력과 ESP32 사이에 전압 변환 회로가 필요합니다.

여기서 사용하는 것이 TPS63020 같은 buck-boost converter입니다.

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TPS63020의 역할

TPS63020은 입력 전압(아래의 회로도에서 VIN핀)이 3.3V보다 높을 때는 낮춰주고,

입력 전압이 3.3V보다 낮을 때는 올려줄 수 있는 buck-boost converter입니다.

이게 LiPo 배터리 기반 회로에서 중요한 이유입니다.

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LiPo 배터리는 전압이 일정하지 않습니다.

어떤 순간에는 4.2V처럼 3.3V보다 높고,

어떤 순간에는 3.3V 근처로 내려오고,

더 방전되면 3.3V보다 낮아질 수도 있습니다.

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일반적인 buck converter만 사용하면 입력이 3.3V보다 낮아지는 순간 안정적인 3.3V를 만들기 어렵습니다.

반대로 boost converter만 사용하면 입력이 3.3V보다 높은 경우에 적합하지 않습니다.

그래서 LiPo 배터리처럼 전압이 위아래로 변하는 전원에는 buck-boost converter가 적합합니다.

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구조는 이렇게 됩니다.

 

LiPo 배터리 또는 USB 입력

↓

MCP73871에서 전원 경로 관리

↓

TPS63020에서 3.3V로 변환

↓

ESP32 3.3V 핀에 공급

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이렇게 하면 USB가 연결되어 있을 때도,

USB가 없고 배터리만 있을 때도,

ESP32에는 안정적인 3.3V를 공급할 수 있습니다. (회로도의 VOUT핀)

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이 회로의 장점

이 구조의 가장 큰 장점은 사용성이 좋아진다는 것입니다.

• 건전지를 계속 갈아끼울 필요가 없습니다.
• USB를 연결하면 충전됩니다.
• 충전 중에도 기기를 사용할 수 있습니다.
• USB를 빼면 자동으로 배터리 구동으로 넘어갑니다.
• ESP32에는 안정적인 3.3V가 공급됩니다.

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즉, 사용자가 보기에는 하나의 충전식 IoT 기기처럼 동작합니다.

식물 관리 센서처럼 집 안에 계속 설치해두는 장치라면 이 점이 꽤 중요합니다.

사용자가 매번 건전지를 사서 갈아끼우는 것은 생각보다 번거롭습니다.

특히 센서가 여러 개가 되면 관리 부담이 커집니다.

충전식 구조는 이 문제를 줄일 수 있습니다.

 

하지만 단점도 있습니다

문제는 저전력입니다.

ESP32 자체는 deep sleep을 사용하면 매우 낮은 전류로 대기할 수 있습니다.

그런데 실제 회로 전체의 deep sleep 전류는 ESP32만으로 결정되지 않습니다.

충전 칩,

buck-boost converter,

USB-serial 칩,

기타 주변 부품들이 계속 전류를 소비할 수 있습니다.

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특히 MCP73871 같은 충전 및 전원 경로 관리 칩을 사용하면, 편리한 대신 대기 전류가 추가됩니다.

즉, ESP32는 deep sleep에 들어갔는데,

회로의 다른 부품들이 계속 전류를 먹고 있는 상황이 생길 수 있습니다.

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이것이 배터리 구동 IoT 회로에서 자주 놓치는 부분입니다.

“ESP32 deep sleep 전류가 몇 µA다”라는 말만 보고 설계하면 안 됩니다.

실제 제품이나 장치에서는 전체 회로의 대기 전류를 봐야 합니다.

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충전 회로가 편리함을 주는 대신,

배터리 지속시간을 줄일 수 있습니다.

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그래서 이 회로는 다음과 같은 관점에서 봐야 합니다.

충전 편의성이 중요한가?

배터리 지속시간이 더 중요한가?

사용자가 자주 충전할 수 있는 환경인가?

기기가 몇 시간, 며칠, 몇 달 동안 버텨야 하는가?

deep sleep 중에도 주변 회로가 얼마나 전류를 소비하는가?

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이 질문에 따라 회로 선택이 달라집니다.

 

정리하면

 

ESP32를 LiPo 배터리로 구동하려면 단순히 배터리를 연결하는 것만으로는 부족합니다.

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LiPo 배터리는 충전 관리가 필요하고,

전압이 계속 변하기 때문에 3.3V로 안정화하는 회로도 필요합니다.

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MCP73871은 USB 전원과 LiPo 배터리 사이에서 충전 및 전원 경로 관리를 담당합니다.

TPS63020은 MCP73871에서 나온 전압을 ESP32가 사용할 수 있는 안정적인 3.3V로 변환합니다.

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이 조합을 사용하면 USB 충전과 배터리 구동이 모두 가능한 ESP32 회로를 만들 수 있습니다.

다만 충전 회로와 buck-boost converter가 추가되면 deep sleep 상태에서도 전류 소모가 생길 수 있습니다.

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그래서 배터리 기반 ESP32 회로에서는 항상 전체 전류를 봐야 합니다.

ESP32만 잠재우는 것이 아니라,

회로 전체가 얼마나 전류를 쓰는지를 확인해야 합니다.

 

다음번 글에서는 제가 실제로 ESP32 deep sleep 회로를 만들면서 겪은 시행착오와 deep sleep 모드에서의 시스템 전체의 실제 전류 소모 측정값, 그리고 예상되는 배터리 수명에 대해서 적어보겠습니다.

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