KR0151494B1 - Charging mode conversion circuit of battery - Google Patents
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Abstract
본 발명은 충전 가능한 배터리의 쾌속 충전시 △V를 보다 정확하게 감지할 수 있고 배터리의 수명 단축을 방지하기 위한 것으로, 연산 증폭기(10)와, 다이오드(D1), 커패시터(C1, C2), 출력 전압의 조절이 가능한 전압 공급부(10), 비교기(30)로 구성되며, 배터리의 쾌속 충전시, 배터리가 완전 충전된 이후에 일어나는 자연 방전으로 인해 감소되는 전압이 소정의 전압(△V) 이상이 되거나, 배터리가 완전 충전된 이후 완전 충전 시점으로부터 배터리의 내부 온도가 급상승하기 시작하는 시점 이전까지의 소정의 시간이 경과하면 배터리의 쾌속 충전 모드를 자동으로 세류 충전 모드로 변환한다.The present invention is to more accurately detect the ΔV during rapid charge of the rechargeable battery and to prevent shortening of the battery life, the operational amplifier 10, the diode (D1), capacitors (C1, C2), output voltage It is composed of a voltage supply unit 10, a comparator 30 that can be adjusted, and when the fast charging of the battery, the voltage that is reduced due to the natural discharge that occurs after the battery is fully charged or the predetermined voltage (ΔV) or more When a predetermined time elapses from the time when the battery is fully charged to the time when the internal temperature of the battery starts to rise rapidly, the rapid charging mode of the battery is automatically converted into the trickle charging mode.
Description
제1도는 충전 가능한 배터리의 특성 곡선을 나타낸 도면.1 shows a characteristic curve of a rechargeable battery.
제2도는 본 발명에 따른 충전 모드 변환 회로의 바람직한 실시예의 회로도.2 is a circuit diagram of a preferred embodiment of a charge mode conversion circuit according to the present invention.
제3도는 배터리 전압에 따른 충전 모드 변환 회로의 출력 전압의 파형도.3 is a waveform diagram of an output voltage of a charging mode conversion circuit according to a battery voltage.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 연산 증폭기 20 : 오프셋 전압 공급부10: operational amplifier 20: offset voltage supply
30 : 비교기 40 : 세류 충전 모드 변환단30: comparator 40: trickle charging mode conversion stage
C1,C2 : 커패시터 D1 : 다이오드C1, C2: Capacitor D1: Diode
본 발명은 충전 가능한 배터리(chargeable battery)의 충전용 IC에 관한 것으로, 더 구체적으로는 충전 가능한 배터리의 쾌속 충전시 그것의 충전 상태에 따라 충전 모드를 자동으로 변환하는 모드 변환 회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a charging IC for a rechargeable battery, and more particularly, to a mode conversion circuit for automatically converting a charging mode according to its state of charge during rapid charging of a rechargeable battery.
최근, 충전 가능한 배터리(이하, '배터리'라 약칭함)를 사용하는 휴대용 전자 기기의 수요가 급증하고 있다. 이런 추세와 더불어, 휴대용 전자 기기의 배터리는 쾌속 충전이 가능하고, 보다 오랫 동안 사용할 수 있으며, 보다 긴 수명을 가질 것을 요구 받고 있다.In recent years, the demand for portable electronic devices using rechargeable batteries (hereinafter, abbreviated as 'batteries') is rapidly increasing. In addition to this trend, batteries in portable electronic devices are required to be capable of fast charging, to be used longer, and to have a longer life.
배터리를 쾌속 충전할 때, 배터리의 특성상, 제1도에 도시된 바와 같이, 배터리가 완전 충전된 이후에는, 일반적으로, 자연적인 방전에 따라 배터리의 전압이 완전 충전시의 전압 보다 소정의 전압(△V) 만큼 감소된다. 이때에는, 배터리의 충전 모드를 쾌속 충전 모드(quick charge mode)로부터 자연 방전량 만큼의 전류를 공급하는 세류 충전 모드(trickle charge mode)로 변환해야만 한다. 그러나, 배터리가 완전 충전된 이후에도 충전모드의 변환이 이루어지지 않아 배터리로 계속해서 충전 전류가 공급되면, 그 배터리는 과충전됨과 아울러 그것의 내부 온도가 급상승하기 때문에 배터리의 수명이 단축되며, 나아가 이런 상태가 반복되면 결국 배터리는 사용 불가능한 상태에 이르게 된다. 따라서, 쾌속 충전시, 배터리의 수명을 단축시키지 않도록 하는 것이 매우 중요하며, 배터리의 완전 충전 이후에는 그것의 내부 온도가 급상승하기 전에 충전을 차단하지 않으면 안된다.When fast charging the battery, due to the characteristics of the battery, as shown in FIG. 1, after the battery is fully charged, in general, the voltage of the battery is reduced to a predetermined voltage (ie, at full charge) according to a natural discharge. ΔV). At this time, the charging mode of the battery must be changed from a quick charge mode to a trickle charge mode that supplies a current equal to a natural discharge amount. However, if the charging mode is not supplied even after the battery is fully charged and the charging current is continuously supplied to the battery, the battery is overcharged and its internal temperature is rapidly increased, which shortens the battery life. If is repeated, the battery eventually becomes unusable. Therefore, during fast charging, it is very important not to shorten the life of the battery, and after full charging of the battery, charging must be cut off before its internal temperature rises.
이를 위해서, 종래에는, 마이크로프로세서(mircoprocessor)를 이용하고, 샘플홀드(sample and hold)방식으로 배터리의 자연 방전으로 인한 전압 변화량(△V)을 감지하였다. 이 기술에 따르면, 보다 정확하게 △V를 감지하기 위해서는 샘플링 횟수를 증가시켜야 하는데, 이를 위해서는 여러 가지 제어 회로들이 부수적으로 필요하므로 모드 변환 회로의 구성이 복잡할 뿐만 아니라 생산비가 많이 든다.To this end, conventionally, a microprocessor (mircoprocessor) is used, and the voltage change amount ΔV due to the natural discharge of the battery is detected by a sample and hold method. According to this technique, in order to detect DELTA V more accurately, the number of sampling must be increased. This requires additional control circuits, which makes the mode conversion circuit complex and expensive.
본 발명의 주된 목적은 간단한 구성을 갖고 △V를 보다 정확하게 감지할 수 있는 모드 변환 회로를 제공하는 것이다.The main object of the present invention is to provide a mode conversion circuit having a simple configuration and capable of detecting DELTA V more accurately.
본 발명의 다른 목적은 배터리의 쾌속 충전시 발생될 수 있는 배터리의 수명 단축을 방지하는 것이다.Another object of the present invention is to prevent shortening of the life of the battery that may occur during rapid charging of the battery.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 모드 변환 회로는, 배터리의 쾌속 충전시, 배터리가 완전 충전된 이후에 일어나는 자연 방전으로 인해 감소되는 전압이 소정의 전압(△V) 이상이 되거나, 배터리가 완전 충전된 이후 완전 충전 시점으로부터 배터리의 내부 온도가 급상승하기 시작하는 시점 이전까지의 소정의 시간이 경과하면 배터리의 쾌속 충전 모드를 자동으로 세류 충전 모드로 변환한다. 이로써, 배터리의 수명에 영향을 주지 않는 쾌속 충전이 이루어질 수 있게 된다.In the mode conversion circuit of the present invention for achieving the above objects, when the fast charging of the battery, the voltage that is reduced due to the natural discharge that occurs after the battery is fully charged, the battery over the predetermined voltage (ΔV) or After a predetermined time elapses from the time when the battery is fully charged to the time when the internal temperature of the battery starts to rise rapidly, the rapid charge mode of the battery is automatically switched to the trickle charging mode. As a result, rapid charging may be performed without affecting the life of the battery.
본 발명에 따른 배터리 충전 모드 변환 회로는 배터리 전압(Vbatt)이 인가되는 비반전 입력 단자(noninverting input terminal)를 구비하고 상기 배터리 전압의 감소가 시작될 때 상기 배터리 전압의 감소율에 비해 상대적으로 더 높은 감소율을 갖는 출력 신호(Vout)를 제공하는 연산 증폭기(operational amplifier)와, 상기 연산 증폭기의 반전 입력 단자(inverting input terminal)에 캐소우드 전극(cathode electrode)이 연결되고 상기 연산 증폭기의 출력 단자(output terminal)에 애노우드 전극(anode electrode)이 연결되는 다이오드와, 이 다이오드의 상기 캐소우드 전극에 두 전극들 중 제1 전극이 연결되고 제2 전극이 접지되는 제1 커패시터와 정(+) 및 부(-)전극들을 갖되 상기 부(-)전극은 상기 다이오드의 상기 애노우드 전극에 연결되며 출력전압의 가변이 가능한 전압 공급부와, 상기 다이오드와 병렬로 연결되며 두 전극들 중 제1 전극이 상기 다이오드의 상기 캐소우드 전극과 연결되고 제2 전극이 상기 다이오드의 상기 애노우드 전극과 연결되는 제2 커패시터와, 상기 전압 공급부의 상기 정전극에 연결되는 비반전 입력 단자와 상기 제1 커패시터의 상기 제1 전극에 연결되는 반전 입력단자 및 자연 방전량 만큼의 전류가 배터리로 공급되도록 하기 위한 세류 충전 모드 변환단(trickle charge mode converting stage)에 연결되는 출력단자를 갖는 비교기(comprator)를 포함하는 데 그 특징이 있다.The battery charge mode conversion circuit according to the present invention has a noninverting input terminal to which a battery voltage V batt is applied and is relatively higher than the rate of decrease of the battery voltage when the battery voltage begins to decrease. An operational amplifier providing an output signal Vout having a reduction rate, a cathode electrode is connected to an inverting input terminal of the operational amplifier, and an output terminal of the operational amplifier a diode having an anode electrode connected to the terminal, a first capacitor having a first electrode connected to the cathode electrode of the diode, and a second electrode connected to the ground and a positive and negative electrode; A voltage supply unit having negative electrodes, the negative electrode being connected to the anode electrode of the diode and capable of varying an output voltage; A second capacitor connected in parallel with an electrode, a first capacitor of the two electrodes connected to the cathode electrode of the diode, and a second electrode connected to the anode electrode of the diode; A trickle charge mode converting stage for supplying a non-inverting input terminal connected to the inverting input terminal connected to the first electrode of the first capacitor and a current equal to a natural discharge amount to the battery. It is characterized by including a comparator having an output terminal connected thereto.
제2도는 본 발명에 따른 충전 모드 변환 회로의 바람직한 실시예를 나타낸 것이다. 제2도를 참조하여, 본 실시예의 배터리 충전 모드 변환 회로는 연산 증폭기(10)와, 디이오드(D1), 제1 및 제2 커패시터(C1,C2), 전압 공급부(20), 비교기(30)로 구성된다. 연산 증폭기(10)의 비반전 단자에는 배터리 전압(Vbatt)이 인가된다. 그것의 반전 및 출력 단자들에는 다이오드(D1)의 캐소우드 및 애노우드 단자들이 각각 연결된다. 다이오드(D1)의 캐소우드 단자에는 제1 커패시터(C1)의 한 단자가 연결되고 그것의 다른 단자는 접지된다. 다이오드(D1)에 병렬로 그것의 애노우드 단자와 캐소우드 단자에 제2 커패시터(C2)의 양단자들이 각각 연결된다. 다이오드(D1)의 애노우드 전극 및 비교기(30)의 비반전 단자에는 출력전압의 가변이 가능한 전압 공급부(20)의 부전극 및 정전극이 각각 연결된다. 비교기(30)의 반전 단자와 출력 단자는 제1 커패시터(C1)와 세류 충전 모드변환단(4)에 각각 연결된다.2 shows a preferred embodiment of the charging mode conversion circuit according to the present invention. Referring to FIG. 2, the battery charge mode conversion circuit of the present embodiment includes an operational amplifier 10, a diode D1, first and second capacitors C1 and C2, a voltage supply unit 20, and a comparator 30. It is composed of The battery voltage V batt is applied to the non-inverting terminal of the operational amplifier 10. Its inverting and output terminals are connected to the cathode and anode terminals of diode D1, respectively. One terminal of the first capacitor C1 is connected to the cathode terminal of the diode D1 and the other terminal thereof is grounded. Both terminals of the second capacitor C2 are connected to its anode terminal and the cathode terminal in parallel to the diode D1, respectively. The anode electrode of the diode D1 and the non-inverting terminal of the comparator 30 are respectively connected to the negative electrode and the positive electrode of the voltage supply unit 20 which can vary the output voltage. The inverting terminal and the output terminal of the comparator 30 are connected to the first capacitor C1 and the trickle charge mode conversion terminal 4, respectively.
다음에는 위와 같은 구성을 갖는 본 실시예의 작용에 대해 상세히 설명해 나가도록 하겠는데, 본 실시예의 작용을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해, 배터리 전압에 따른 본 실시예의 충전 모드 변환 회로의 출력전압의 과형을 보이는 제3도를 참조하면서 회로의 동작을 구간별로 나누어 상세히 설명하도록 하였다.Next will be described in detail the operation of this embodiment having the above configuration, in order to make it easier to understand the operation of the present embodiment, the output voltage of the charge mode conversion circuit of the present embodiment according to the battery voltage is shown Referring to FIG. 3, the operation of the circuit is described in detail by section.
제2도 및 제3도를 참조하여, 먼저, 구간 t0≤tt1에서는, 다이오드(D1)가 도통(turn-on)된다. 따라서 연산 증폭기(10)의 바이어스 전류 I1과, 다이오드(D1)를 통하여 흐르는 전류 I2, 비교기(30)의 바이어스 전류 I4, 및 제1 커패시터(C1)에 충전되는 전류 I5가 흐르게 되는데, I5는 다음과 같은 식들로 표시될 수 있다.With reference to FIGS. 2 and 3, first, in a period t0 ≦ tt1, the diode D1 is turned on. Accordingly, the bias current I1 of the operational amplifier 10, the current I2 flowing through the diode D1, the bias current I4 of the comparator 30, and the current I5 charged in the first capacitor C1 flow, where I5 is It can be expressed as
(여기서, dVbatt= Vbatt(t1)-Vbatt(t0), dt = t1-t0)(Where dV batt = V batt (t1) -V batt (t0), dt = t1-t0)
다음, 시점 t=t1에서는, 제1 커패서터(C1)가 완전충전되는데, 이때에는 Vb = Vc = Vbatt가 되므로 다이오드(D1)는 부도통(turn-off)된다.Next, at the time point t = t1, the first capacitor C1 is fully charged. At this time, the diode D1 is turned off because Vb = Vc = V batt .
구간 t＜tt2에서는, 제1 커패시터(C1)의 방전이 시작되며, 제1 커패시터(C1)의 방전 전류 I5'가 흐르게 됨과 동시에 전류 I3가 제2 커패시터(C2)로 흐르게 된다. 이때의 전류 I3와 I5'는 다음의 식들 (1), (2)로 표시될 수 있다.In the period t <tt2, the discharge of the first capacitor C1 starts, the discharge current I5 'of the first capacitor C1 flows, and the current I3 flows to the second capacitor C2. The currents I3 and I5 'at this time can be represented by the following equations (1) and (2).
(여기서, dVbatt= Vbatt(t1)-Vbatt(t2) = △V, dt = t2 - t1 = △t)Where dV batt = V batt (t1) -V batt (t2) = ΔV , dt = t2-t1 = Δt)
또한, Vc는 다음의 식(3)과 같다.In addition, Vc is as following Formula (3).
(여기서, VC2는 제2 커패시터 C2의 전압.)Where V C2 is the voltage of the second capacitor C2.
시점 t1이후에, Vb는 배터리 전압(Vbatt)이고, 제2 커패시터(C2)에 의한 강하 전압 VC2는 다음의 식(4)와 같으므로,After the time point t1, Vb is the battery voltage V batt , and the drop voltage V C2 by the second capacitor C2 is equal to the following equation (4),
결국, 배터리가 완전충전되는 시점 t1 이후에는, Vc는 Vb보다 작아지게 된다.As a result, after time t1 when the battery is fully charged, Vc becomes smaller than Vb.
한편, 비교기(30)는 Vb = Vd인 지의 여부를 비교하여, 그 결과에 대응되는 전기적인 신호(Vout)를 세류 충전 모드 변환단(40)으로 제공하는 데, Vd는 다음의 식(5)와 같이 표시될 수 있다.On the other hand, the comparator 30 compares whether or not Vb = Vd, and provides an electric signal (Vout) corresponding to the result to the trickle charge mode conversion stage 40, where Vd is the following equation (5) It may be displayed as follows.
(여기서, Voffset는 출력 전압의 가변이 가능한 전압 공급부(20)로 부터 비교기(40)로 제공되는 오프셋 전압.)(Wherein, V offset is the offset voltage provided to the comparator 40 from the voltage supply 20, which can vary the output voltage.)
앞의 식(5)에 식(3)을 대입하면, Vd는 다음의 식(6)으로 표시된다.Substituting equation (3) into the previous equation (5), Vd is represented by the following equation (6).
위의 식(5)에서, Vd = Vb로 두면(즉, 비교기 20의 두 입력을 동일하게 설정하면), 결국, Voffset은 다음의 식(7)과 같이 된다.In Eq. (5) above, if Vd = Vb (i.e., the two inputs of comparator 20 are set equally), then V offset becomes Eq. (7).
앞의 식(2)에서, dVbatt(즉, △V)와 dt(즉, △t)를 결정해 주면, 제1 커패시터(C1)로부터의 방전 전류 I5'을 얻을 수 있게 된다. I5'이 얻어지면, 식(1)로부터 I3이 결정된다. 이와 같이 I3이 얻어지면, 식(4)로부터 VC2를 얻을 수 있다. 따라서, 전압 공급부(20)의 출력 전압(Voffset)을 VC2로 조정할 수 있게 된다. 이와 같이 Voffset을 VC2로 조정해 두면, 쾌속 충전시 완전충전된 배터리의 자연 방전으로 인해 배터리 전압이 Vbatt에서 △V만큼 감소될 때 비교기(30)는 세류 충전 모드 변환단(40)을 제어하여 배터리의 충전 모드가 쾌속 충전 모드에서 세류 충전 모드로 변환되게 한다.In the above formula (2), if dV batt (ie, ΔV ) and dt (ie, Δt) are determined, the discharge current I5 'from the first capacitor C1 can be obtained. When I5 'is obtained, I3 is determined from equation (1). Thus, when I3 is obtained, V C2 can be obtained from Formula (4). Therefore, the output voltage V offset of the voltage supply unit 20 can be adjusted to V C2 . When the V offset is adjusted to V C2 as described above, the comparator 30 operates the trickle charge mode conversion stage 40 when the battery voltage decreases by V from V batt due to the natural discharge of the fully charged battery during fast charging. The control is such that the charging mode of the battery is switched from the fast charging mode to the trickle charging mode.
한편, 제1 커패시터(C1)의 방전 전류(I5')는 제2 커패시터(C2)의 충전 전류(I3)와 동일하므로, 앞의 식(4)는 다음의 식(8)로 표시될 수 있다.Meanwhile, since the discharge current I5 ′ of the first capacitor C1 is the same as the charge current I3 of the second capacitor C2, Equation (4) may be represented by Equation (8) below. .
위의 식(8)에 앞의 식(2)를 대입하면,Substituting equation (2) into equation (8) above,
이 된다.Becomes
따라서,이 성립되므로, Voffset을 가변시킴으로써, △V를 결정할 수 있게 된다.therefore, Since this holds true, by varying V offset ,? V can be determined.
이는 Voffset을 가변하면 배터리의 충전 모드를 변환하는 것이 가능하다는 것을 뜻한다.This means that it is possible to change the charging mode of the battery by changing the V offset .
제3도를 참조하여, 구간 t0≤tt1에서는 배터리 전압(Vbatt)이 증가하고, t=t1의 시점에 이르러 배터리는 완전충전되고, Vb = Vc = Vbatt가 된다. 시점 t1에서의 Vc는 Vbatt가 된다. 구간 tt1에서는 Vb는 Vbatt을 유지하는 반면, Vc는 제2 커패시터(C2)의 전압 VC2만큼 감소된다.Referring to FIG. 3, in the period t0 ≦ tt1, the battery voltage V batt increases, and when the t = t1 time point is reached, the battery is fully charged and Vb = Vc = V batt . Vc at the time point t1 becomes V batt . In the period tt1, Vb maintains V batt , while Vc is reduced by the voltage V C2 of the second capacitor C2.
따라서, 그 감소량만큼 전압 공급부(20)의 오프셋 전압(Voffset)을 미리 설정해주면, 구간 t0≤tt2에서, Vd(= Vc + Voffset)는 Vb(= Vbatt)보다 크게 된다. 따라서, 이때(VdVb)에서는, 비교기(30)가 '하이 레벨(high level)'의 출력 신호(Vout)를 세류 충전 모드 변환단(40)으로 제공하여 배터리의 쾌속 충전 모드를 유지시킨다. 그러나, 위와 같이 Voffset이 VC2로 설정된 상태에서, 시점 t=t2에 이르면, 쾌속 충전 중의 배터리의 전압(Vbatt)이 △V 만큼 떨어지게 되는 데, 이때에는 연산 증폭기(10)의 출력 특성에 따라서 Vb가 Vd보다 높아지게 되므로, 비교기(30)는 '로우 레벨(low level)'의 출력 신호(Vout)를 세류 충전 모드 변환단(40)으로 제공함으로써, 배터리의 충전 모드가 쾌속 충전 모드로부터 세류 충전 모드로 변환된다.Therefore, if the offset voltage Voffset of the voltage supply unit 20 is set in advance by the decrease amount, Vd (= Vc + V offset ) becomes larger than Vb (= V batt ) in the period t0 ≦ tt2. Therefore, at this time (VdVb), the comparator 30 provides the output signal Vout of the 'high level' to the trickle charge mode conversion stage 40 to maintain the fast charge mode of the battery. However, in the state where the V offset is set to V C2 as described above, when the time t = t2 is reached, the voltage V batt of the battery during rapid charging drops by ΔV , in which case the output characteristic of the operational amplifier 10 Therefore, since Vb becomes higher than Vd, the comparator 30 provides an output signal Vout having a 'low level' to the trickle charging mode conversion stage 40, whereby the charging mode of the battery is trickling from the fast charging mode. The charging mode is converted.
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