KR0151495B1

KR0151495B1 - 배터리 충전 모드 제어 회로

Info

Publication number: KR0151495B1
Application number: KR1019950046235A
Authority: KR
Inventors: 연상흠
Original assignee: 김광호; 삼성전자주식회사
Priority date: 1995-12-02
Filing date: 1995-12-02
Publication date: 1998-12-15
Also published as: KR970055042A; US5821736A; TW294855B; JPH09163621A

Abstract

본 발명은 충전 가능한 베터리의 급속충전시 그것의 충전 상태에 따라 충전 모드를 자동으로 변환하도록 제어하기 위한 아날로그 베터리 충전 모드 제어 회로에 관한 것으로,본 발명의 회로는 필터 회로(10)와, 버퍼 회로(20), 전압 증폭 회로(100), 피크 검출 회로(200)로 구성된다. 이로써, 아날로그-디지탈 변환기를 필요로하지 않으므로 작은 칩 사이즈와 낮은 생산비의 베터리 충전 모드 변환 제어 회로를 구현할수 있다.

Description

베터리 충전 모드 제어 회로

제1도는 본 발명에 따른 충전 모드 제어 회로의 블록도.

제2도는 본 발명의 바람직한 실시예의 회로도.

제3도 내지 제5도는 제2도의 점 A 및 B에서의 전압 파형을 나타낸 것으로, 제3도는 베터리가 완전충전되기 이전의 전압 파형, 제4도는 완전충전되는 시점에서의 전압 파형, 제5도는 완전충전된 이후의 전압 파향을 각각 나타낸 도면.

제6도는 배터리 전압에 따른 본 발명의 출력 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 필터 회로 20 : 버퍼 회로

100 : 전압 증폭 회로 105 : 연산 증폭기

200 : 피크 검출 회로 210 : 샘플홀드 회로

220 : 전압-전류 변환기 230 : 비교 회로

본 발명은 충전 가능한 배터리(chargeable battery)의 충전 제어용 IC에 관한 것으로, 더 구체적으로는 충전 가능한 배터리의 급속충전시 그것의 충전 상태에 따라 충전 모드를 자동으로 변환하도록 제어하기 위한 아날로그 배터리 충전 모드 제어 회로(analog battery charge mode controller)에 관한 것이다.

최근, 충전 가능한 배터리를 사용하는 휴대용 전자 기기의 수요가 급증하고 있다. 이와 함께, 휴대용 전자 기기의 배터리는 급속충전이 가능하고, 보다 오랫 동안 사용할 수 있으며, 보다 긴 수명을 가질 것을 요구 받고 있다.

배터리를 급속충전하는 시스템의 설계에 있어서, 가장 주의 깊게 고려해야 할 사항은 배터리의 급속충전 모드시 배터리가 완전 충전되는 시점을 정확하게 검출하여 배터리의 충전 모드가 저속 충전 모드(trickle charge mode)로 전환되도록 하거나 배터리의 충전이 중단되도록 하는 것이다. 그러나, 배터리가 완전 충전된 이후에도 충전 모드의 변환이 이루어지지 않아 배터리로 계속해서 충전 전류가 공급되며, 그 배터리는 과도충전(over-charge)됨과 아울러 그것의 내부 온도가 급상승하기 때문에 배터리의 수명이 단축된다. 특히, 셀의 내성이 약한 NiMH(nickel-metal hydride)배터리의 경우 과도충전의 영향은 아주 치명적인 것으로 알려져 있다. 따라서, 급속충전시, 배터리의 수명을 단축시키지 않도록 하는 것이 매우 중요하며, 배터리의 완전 충전 이후에는 그것의 내부 온도가 급상승하기 전에 충전을 차단하지 않으면 안된다.

급속충전시 배터리의 완전충전 시점을 검출하기 위한 기술로는, 배터리 충전 시간에 따른 전압 변화(dV_batt/dt)를 이용하는 기술, 충전종료시점에서의 배터리 전압의 강하치(-△V_batt)를 이용하는 기술, 충전에 따른 배터리 온도 변화를 이용하는 기술 등이 있으나, 이들의 적용은 배터리의 종류에 따라 달라진다. 예를 들면, NiCd 배터리의 경우, -△V 검출기가 주검출 수단으로서 사용되고, 상대적으로 셀의 내성이 약한 NiMH 배터리의 경우에는, 배터리 전압(V_batt)의 피크를 검출하는 피크 검출기가 주검출수단으로서 사용된다.

NiMH 배터리의 충전 제어를 위한 배터리 전압의 피크를 검출하기 위해서, 종래에는, 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter)에 의한 디지털 신호 처리 방식으로 소정의 시간 간격(time interval) 으로 배터리 전압(V_batt)을 측정하고, 미리 정해진 두 시점에서의 측정치들을 상호 비교하여 상기 배터리 전압의 피크를 검출하였다(U.S. Pat. No. 4,746,852). 이런 기술은 많은 제어 회로들을 부수적으로 필요로 하기 때문에 칩 사이즈가 증가하게 되고 제품의 생산비가 증가하게 된다.

본 발명의 목적은 작은 칩 사이즈를 갖고 생산비용이 작게 드는 배터리의 급속 충전 모드 제어 회로를 제공하는 것이다.

이런 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 간단한 구성을 갖는 아날로그 회로가 제공된다.

본 발명에 따른 배터리 충전 모드 제어 회로는: 배터리에 연결되는 입력 단자를 갖고, 시간에 따른 배터리 전압의 변화량을 증폭하는 전압 증폭 수단과; 상기 전압 증폭 수단의 출력 단자에 연결되는 입력 단자와 충전 모드의 변환을 위한 충전 모드 변환 수단에 연결되는 출력 단자를 갖고, 배터리 전압의 피크를 검출하는 피크 검출 수단을 포함하되; 이 피크 검출 수단은, 상기 전압 증폭 수단의 출력을 미분하는 미분 수단과, 이 미분 수단의 출력 전압과 소정의 기준 전압을 비교하는 비교 수단을 포함하는 데 그 특징이 있다.

이 특징의 회로는, 상기 배터리에 연결되는 입력 단자를 갖고 배터리 전압의 노이즈를 제거하는 필터 수단과, 이 필러 수단의 출력 단자와 상기 전압 증폭 수단의 상기 입력 단자사이에 연결되고 상기 필터 수단에 의한 상기 배터리 전압의 손실을 방지하는 버퍼 수단을 부가적으로 포함할 수도 있다.

이 특징의 회로에 있어서, 상기 미분 수단은, 소정의 샘플링 주파수로 상기 증폭 수단의 출력 전압을 샘플링하여 홀드하는 샘플홀드 수단과, 상기 증폭 수단의 상기 출력 단자에 연결되는 비반전 단자와 상기 샘플홀드 수단의 출력 단자에 연결되는 반전 단자를 갖는 전압-전류 변환 수단을 포함한다.

이제부터는 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 대해 상세히 설명하겠다.

제1도는 본 발명에 따른 배터리 충전 모드 제어 회로의 구성을 나타낸 블록도이다. 제1도에서, 전압 증폭 회로(voltage amplifier circuit)(100)는 시간에 따른 배터리 전압(V_batt)의 변화량을 증폭하여 피크 검출 회로(peak detector circuit)(200)로 제공한다. 피크 검출 회로(200)는 상기 전압 증폭 회로(100)의 출력을 받아들여 배터리 전압의 피크를 검출하고 이를 충전 모드 변환 회로(300)에 알린다. 이로써, 충전 모드 변환 회로(300)는 배터리가 완전충전된 것으로 인식하고 배터리의 충전 모드를 저속 충전 모드로 전환시키거나 배터리의 충전을 중지시킨다.

제2도는 본 발명에 따른 배터리 충전 모드 제어 회로의 바람직한 실시예를 보이고 있다. 제2도를 참조하면, 본 실시예의 회로는 필터 회로(10)와, 버퍼 회로(20), 전압 증폭 회로(100), 피크 검출 회로(200)로 구성된다. 상기 전압 증폭 회로(100)는 차등 증폭기(differential amplifer)(105)와, 이 차동 증폭기의 비반전 입력 단자(noninverting input termonal)와 반전 입력 단자(inverting input terminal) 에 각각 연결되는 저항들(101∼104)을 구비하고, 저항 104에는 제1기준 전압(V_ref1)이 제공된다. 상기 피크 검출 회로(200)는 샘플홀드 회로(210) 및 전압-전류 변환 회로(voltage-current converter circuit)(220)로 이루어 지는 미분 회로(differentiator circuit)와, 이 미분 회로와 충전 모드 변환 회로(300) 사이에 연결되는 비교 회로(comparator circuit)(230)로 구성된다. 샘플홀드 회로(210)는 소정 주기(△T)의 클럭 신호(CLK)가 제어 단자로 제공되는 전달 게이트(transmission gate)(211)와 홀딩 커패시터(212)로 구성되고, 전류-전압 변환 회로(220)는 트랜스컨덕턴스 증폭기(transconductance amplifier)(221)와, 커패시터(222)로 구성된다. 비교기(232)의 비반전 입력 단자는 트랜스컨덕턴스 증폭기(221)의 출력 단자와 이에 병렬로 연결되는 저항(231)에 각각 연결되고, 그것의 반전 입력 단자와 상기 저항에는 소정의 제2기준 전압(V_ref2)이 제공된다.

다음에는, 이상과 같은 구성을 갖는 본 실시예의 동작에 대해 상세히 설명하겠다. SMPS(switching mode power supply)에 의한 급속충전으로 인해 발생되는 배터리 전압의 스위칭 노이즈는 필터 회로(10)에 의해 제거된다. 버퍼 회로(20)는 노이즈 제거를 위한 필터 회로(10)에 의한 배터리 전압의 손실을 방지하는 기능을 한다. 한편, SMPS 대신에 정전류원으로 배터리를 충전시키는 경우에는 필터 회로(10)와 버퍼 회로(20)를 필요로 하지 않는다. 전압 증폭 회로(100)는 소정의 기준 전압과 버퍼 회로(20)의 출력 전압 사이의 차전압(즉, 시간에 따른 배터리 전압의 변화량)을 전달 함수(transfer function) K로 증폭한다. 바꾸어 말하면, 이 전압 증폭 회로(100)는 시간 변화에 따른 배터리 전압 변화 특성이 매우 작기 때문에 이를 크게 해주는 역할을 한다. 따라서, 제2도에 표시된 점 A에서의 전압은 K·V_batt의 값을 갖는다. 이 전압 증폭 회로(100)의 출력 전압(K·V_batt)은 2개의 경로(path)들을 통하여 샘플홀드 회로(210)와 전압-전류 변환 회로(220)로 이루어지는 미분 회로로 각각 제공되는 데, 트랜스컨덕턴스 증폭기(221)의 비반전 압력 단자에는 전압 증폭 회로(100)의 출력 신호가 그대로 제공되는 반면 그것의 반전 입력 단자에는 샘플홀드 회로(210)에 의해 소정의 샘플링 주파수(sampling frequency)로 샘플된 신호가 제공된다. 이때, 전압 증폭 회로(100)의 출력 신호에 대한 샘플링은 소정의 주기(△T)를 갖는 클럭 펄스(CLK)가 제공되는 전달 게이트(211)에 의해 이루어진다. 한편, 샘플링 회로로서는 전달 게이트(211) 대신에 CMOS 트랜지스터, 바이폴라 트랜지스터 회로 등이 사용될 수도 있다.

제3도는 배터리가 완전 충전되기 이전의 A, B점에서의 전압 파형을 나타내고 있다. 이때, 미분 회로(210,220)의 전달 특성을 G라 하고 시간 t1에서 전압 증폭 회로(100)의 출력 전압의 증가량을 △V_batt라 하면, 시간 간격 t1∼t2 동안, 미분 회로에 의해 얻어지는 전압 증폭 회로(100)의 출력 전압의 미분치(즉, 제2도의 점 C에서의 전압값)는 대략 다음의 식 (1)과 같다.

이 실시예와는 반대로, 전압 증폭 회로(100)의 출력이 트랜스컨덕턴스 증폭기(211)의 반전 입력 단자로 제공되고 샘플홀드 회로(210)의 출력이 그것의 비반전 입력 단자로 제공되게 하면, 점 C에서의 미분치는 -G·[(△T·K·△V_batt)/2]가 된다.

제4도에는, 배터리가 완전충전되는 시점에서, A, B 점에서의 전압 파형이 도시되어 있다. 배터리가 완전충전되는 시점까지는 배터리 전압의 변화량이 증가하다가 배터리의 완전충전 시점(t4) 이후에는 배터리의 자연방전으로 인해 배터리 전압이 오히려 감소된다. 따라서, 완전충전되는 시간 t4에서 전압 증폭 회로(100)의 출력 전압의 증가량을 △V_batt1이라 하고, 시간 t5에서의 그것을 -△V_batt2라 하면, 시간 간격 t3∼t5 동안, 미분 회로에 의해 얻어지는 점 C에서의 미분치는 다음의식 (2)와 같다.

△V_batt1와 △V_batt2는 배터리 전압의 완전충전 시점(t4)에서의, 즉 배터리 충전 전압 곡선의 피크 부근에서의 배터리 전압 변화량이므로, △V_batt1≒△V_batt2가 된다. 따라서, 시간 간격 t3∼t5 동안, 미분 회로에 의해 얻어지는 점 C에서의 미분치는 거의 0이 된다.

제5도에는, 배터리가 완전충전된 이후, A, B 점에서의 전압 파형이 도시되어 있다. 제5도에 도시된 바와 같이, 배터리가 완전충전된 이후의 구간에서는 배터리의 자연 방전이 계속되므로 배터리 전압의 변화량은 음의 값을 가지므로 미분 회로에 의해 얻어지는 점 C에서의 미분치는 다음의 식 (3)과 같다.

이상의 설명으로부터, 점 C에서의 전압값은 배터리 충전 전압 곡선의 기울기에 비례한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 비교기(232)의 기준 전압(V_ref2)을 완전충전 시점에서의 점 C의 전압값으로 설정하면, 점 D에서의 전압 즉, 비교기(232)의 출력 전압(Vout)은, 제6도에 도시된 바와 같이, 배터리의 완전충전 이전에는 '하이 레벨'을 유지하다가 시간 간격 t3∼t5에서 '로우 레벨'로 천이된다. 이로써, 충전 모드 변환 회로(300)는 배터리의 충전 모드를 급속충전 모드로부터 저속충전 모드로 변환시키거나 배터리의 충전을 종료시키게 된다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 상세히 설명된 본 발명에 따르면, 아날로그-디지탈 변환기를 필요로하지 않는 아날로그 배터리 충전 모드 변환 제어 회로의 실현이 가능하므로, 작은 칩 사이즈와 낮은 생산비의 배터리 충전 모드 변환 제어 회로가 얻어질 수 있다.

Claims

배터리에 연결되는 입력 단자를 갖고, 시간에 따른 배터리 전압의 변화량을 증폭하는 전압 증폭 수단과; 상기 전압 증폭 수단의 출력 단자에 연결되는 입력 단자와 충전 모드의 변환을 위한 충전 모드 변환 수단에 연결되는 출력 단자를 갖고, 배터리 전압의 피크를 검출하는 피크 검출 수단을 포함하되; 상기 피크 검출 수단은, 상기 전압 증폭 수단의 출력을 미분하는 미분 수단과, 상기 미분 수단의 출력 전압과 소정의 기준 전압을 비교하는 비교 수단을 포함하는 배터리 충전 모드 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 배터리에 연결되는 입력 단자를 갖고 배터리 전압의 노이즈를 제거하는 필터 수단과, 상기 필터 수단의 출력 단자와 상기 전압 증폭 수단의 상기 입력 단자 사이에 연결되고 상기 필터 수단에 의한 상기 배터리 전압의 손실을 방지하는 버퍼 수단을 부가적으로 포함하는 배터리 충전 모드 제어 회로.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미분 수단은, 소정의 샘플링 주파수로 상기 증폭 수단의 출력 전압을 샘플링하여 홀드하는 샘플홀드 수단과, 상기 증폭 수단의 상기 출력 단자에 연결되는 비반전 단자와 상기 샘플홀드 수단의 출력 단자에 연결되는 반전 단자를 갖는 전압-전류 변환 수단을 포함하는 배터리 충전 모드 제어 회로.