Design and Implementation of a Switching Circuit for Automatic Charge/Discharge Control in Wearable Healthcare Devices

본 연구는 웨어러블 헬스케어 기기의 전원 관리 효율성을 높이기 위해, 충전과 방전을 자동으로 제어하는 소형 스위칭 회로를 설계하고 검증하였다. 기존 상용 전원 관리 IC의 크기 및 비용 문제를 해결하기 위해, BJT 기반의 EMD53과 FET 기반의 NTZD3155C 소자를 활용한 상보형 스위칭 회로를 설계하고 분석하였다. 시뮬레이션을 통해서 BJT 및 FET 회로 모두 충전 시에는 제어 단자에 4.2V 인가되고, 부하 단자는 0V로 차단된다. 반면, 방전 동작 시에는 제어 단자에 0V가 인가되고, 부하 단자에 배터리 전압인 3.7V가 공급되는 역위상 동작을 확인하였다. 그러나 실제 충전기 분리 상황을 모사한 제어 단자 플로팅 실험에서는 BJT 회로는 내부 저항과 풀다운 저항의 전압 분배가 발생하였으며, FET 회로는 내부 기생 다이오드로 인해 제어 단자와 부하 단자가 정상 동작하지 않았다. 이를 해결하기 위하여 FET의 드레인-소스 연결 구조를 재설계한 개선 회로를 제안하였으며, 충전 및 방전 상황에서 제어 단자와 부하단자의 전압을 측정하였을 때 정상 동작이 확인되었다. 또한, 충전 실험에서 2V 이하로 방전된 배터리를 5분, 15분, 30분 충전 후에 각각의 전압을 측정하였을 때 충전 기능이 정상적으로 작동함을 확인하였다.