KR100850916B1

KR100850916B1 - 배터리 충전장치

Info

Publication number: KR100850916B1
Application number: KR1020020001917A
Authority: KR
Inventors: 유동준; 황범영
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2002-01-12
Filing date: 2002-01-12
Publication date: 2008-08-07
Also published as: KR20030061907A

Abstract

본 발명은 개인 휴대 단말기(PDA) 및/또는 휴대폰에 사용되는 배터리의 충전 시간을 단축시킬 수 있도록 구성된 배터리 충전장치에 관한 것으로서, P-MOSFET(211) 및 그 P-MOSFET(211)를 단속(斷續)하는 집적회로(212)를 구비하여, 교류 아답터(21)를 통해 제공되는 전원을 단속하여 배터리(24)의 충전 전압으로 제공하는 배터리 충전부(210); 상기 아답터(21)의 출력단과 상기 배터리 충전부(210)의 입력단으로서의 상기 P-MOSFET(211)의 전류 유입단 사이에 직렬 연결된 N-MOSFET(221)로 구성되어, 상기 배터리(24) 전원으로부터 상기 아답터(21) 전원측으로 흐르는 역방향 전류의 흐름을 차단하는 배터리 블록킹부(220); 상기 아답터(21) 출력단의 전압(V_in)과 상기 배터리 충전부(210)의 출력단의 전압(V_chg)에 근거하여, 상기 배터리 블록킹부(220)와 상기 배터리 충전부(210) 사이의 중간 전압(V_ave)을 일정 레벨로 유지하는 전압 조정부(230); 및 상기 아답터(21)의 입력단으로의 상기 전원(예컨대, 상용 교류 전원)의 입력(AC_IN#) 여부에 따라, 상기 N-MOSFET(221)를 단속(ON/OFF) 제어하는 단속부(240)로 구성되어, 기존과 비교하여 충전시간이 약 두배가량 빨라지고 전력 손실을 줄여 과열을 방지한다.

배터리, 충전기, 전압 강하, 발열, 소모 전력, 충전시간

Description

배터리 충전장치{Battery Charger}

도 1은 종래의 배터리 충전기의 회로도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기의 회로도이고,

도 3은 도 1의 기존 회로와 도 2의 본 발명 회로의 주요 특성 그래프의 상호 비교도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 아답터 24 : 리튬 이온 배터리

210 : 배터리 충전부 220 : 배터리 블록킹부

230 : 전압 조정부 240 : 단속부

211,221,241 : MOSFET

본 발명은 배터리 충전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개인 휴대 단말기(PDA) 및/또는 휴대폰에 사용되는 배터리의 충전 시간을 단축시킬 수 있도록 구성된 배터리 충전장치에 관한 것이다.

일반적인 종래의 선형 충전기(Linear Charger)의 회로는, 도 1에 도시된 바와 같이, 교류 아답터(AC Adapter)(11) 전원과 접지 사이에 연결된 제 1 캐패시터(C1), 상기 전원에 양극(-)단이 연결된 다이오드(D), 상기 다이오드(D)의 음극(-)단에 일단이 연결된 저항(R), 상기 저항(R)의 타단과 배터리(14)의 충전을 위한 출력측에 각각 전류 유입단과 전류 유출단이 연결되고 구동단은 선형 충전기용 집적회로(Linear Charger IC)(12)에 의해 제어되는 P형 전계효과트랜지스터(P-MOSFET)(13) 및 상기 P-MOSFET(13)의 전류 유출단과 접지 사이에 연결된 제 2 캐패시터(C2)로 구성되어 있고, 상기 제 2 캐패시터(C2)이 양단에 상기 배터리(14)의 양단이 연결되어 충전되도록 되어 있다.

그러나, 상기와 같이 구성된 종래의 충전기는 상기 P-MOSFET(13)에서 상기 아답터(11)의 전압(약 4.75V ∼ 5.25V)과 상기 제 2 캐패시터(C2)에 걸리는 상기 배터리(14)의 충전 전압(약 3.0V ∼ 4.2V)의 차이만큼 전압 강하가 발생하여 과대한 열이 발생되기 때문에, 충전 전류는 일정 레벨 이상으로 설정할 수 없다. 따라 서, 충전 전류가 상기 레벨 이하로 작게되고, 이로 인해 배터리를 충전하는데 걸리는 시간이 길이지게 된다.

또한, 상기 다이오드(D)는 상기 아답터(11)가 제거된 경우 상기 배터리(14)의 전원 전류가 상기 P-MOSFET(13)의 기생 다이오드를 통하여 입력측까지 역으로 흐르게 되는 역방향 전류를 저지하기 위한 배터리 블록킹 다이오드인데, 그 다이오드(D)에서도 약 0.4V의 전압 강하가 발생하여 열이 발생되고, 그 발생 열이 장시간의 충전 시간 동안 누적되면 부품을 파손하거나, 상기 배터리(14)와 결합된 채로 장착된 기기(PDA, 휴대폰 등)의 온도를 상승시켜서, 해당 기기의 부품 파손에 원인이 되는 문제점이 있었다.

상기의 문제점에 대한 구체적인 예를 설명하면, 예를 들어, 상기 아답터(11)의 전원 전압이 5V±5%(즉, 4.75V ∼ 5.25V)이고, 충전 전류 설정이 500mA일 경우에 예상되는 상기 배터리(14)의 충전 시간을 고려하여, 상기 P-MOSFET(13)에서의 최대 전력 소모량과 상기 다이오드(D)에서 소모되는 전력을 계산하면, 상기 배터리(14)의 용량이 1000mAh 이고 그 배터리(14)에 대한 예상 충전 시간이 4 시간일 경우, 상기 P-MOSFET(13)의 최대 소모 전력은 '(5V-3V)×500mA = 1W'가 되고, 상기 다이오드(D)의 소모 전력은 '0.4V×500mA = 0.2W가 된다.

이와 같이 도 1과 같은 종래의 충전 장치는, 일정 레벨까지만 충전 전류 설정이 가능하고 그 이상일 경우 발열이 발생하는데, 배터리 용량이 증가하면 할수록 충전 시간은 길이지고 그 충전시간의 크기에 대응하여 발열량이 많아지게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 배터리의 충전시간을 단축시키고 충전기의 과열을 방지하도록 된, 배터리 충전 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 배터리 충전 장치는, 제 1 반도체 스위칭 소자 및 그 반도체 스위칭 소자를 단속하는 제어수단을 구비하여, 교류 아답터를 통해 제공되는 전원을 단속하여 배터리의 충전 전압으로 제공하는 배터리 충전 수단; 상기 아답터의 출력단과 상기 배터리 충전 수단의 입력단 사이에 연결되어, 상기 배터리 전원으로부터 상기 아답터 전원측으로 흐르는 역방향 전류의 흐름을 차단하도록, 제 2 반도체 스위칭 소자로 구성된 배터리 블록킹 수단; 상기 아답터의 상기 출력 전압과 상기 배터리 충전 수단의 출력 전압에 근거하여, 상기 배터리 블록킹 수단과 상기 배터리 충전 수단 사이의 중간 전압을 일정 레벨로 유지하는 전압 조정 수단; 및 상기 아답터의 입력단으로의 상기 전원의 입력 여부에 따라, 상기 제 2 반도체 스위칭 소자를 단속하는 단속 수단을 포함하여 구성된다.

상기 전압 조정 수단은, 상기 아답터의 상기 출력 전압과 상기 배터리 충전 수단의 출력 전압의 평균 전압이 기준 전압으로 비반전단에 입력되고 상기 중간 전 압을 반전단에 입력되는 연산 증폭기; 상기 연산 증폭기의 출력단에 역방향 연결된 정류 소자; 및 상기 정류소자의 전류 유입단과 상기 제 2 반도체 스위칭 소자의 가동단 사이를 연결하는 연결선상에 연결된 정정류원을 포함하여 구성된다.

상기 단속 수단은, 전류 유입단이 상기 가동단과 상기 정류 소자의 공통 연결점에 연결되고 전류 유출단이 접지되며 가동단이 상기 전원의 입력 여부에 따라 가동되는 제 3 반도체 스위칭 소자로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에서는, 상기 전압 조정 수단에 의해 상기 중간 전압 즉, 도 1의 상기 다이오드(D)와 상기 P-MOSFET(13) 사이의 전압을 입력단의 전압과 출력단의 전압의 편균값으로 일정하게 유지하므로, 기존에는 상기 P-MOSFET(13)에서만 전압 강하가 발생한 반면 본 발명에서는 상기 제 1 및 제 2 반도체 스위칭 소자에 각기 분산하여 전압 강하가 발생되므로 하나의 소자(MOSFET)에서 발생하는 열은 절반으로 줄어든다.

또한, 상기 단속 수단에 의해 상기 제 2 반도체 스위칭 소자를 단속하여, 상기 아답터의 플러그가 상용 전원으로부터 분리될 경우 상기 제 2 반도체 스위칭 소자가 오프되도록 함으로써, 상기 역방향 전류의 경로를 차단한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배터리 충전 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전기의 회로도로서, 동 도면에 도시된 바와 같이, P-MOSFET(211) 및 그 P-MOSFET(211)를 단속(斷續)하는 집적회로(212)를 구비하여, 교류 아답터(21)를 통해 제공되는 전원을 단속하여 배터리(24)의 충전 전압으로 제공하는 배터리 충전부(210); 상기 아답터(21)의 출력단과 상기 배터리 충전부(210)의 입력단으로서의 상기 P-MOSFET(211)의 전류 유입단 사이에 직렬 연결된 N-MOSFET(221)로 구성되어, 상기 배터리(24) 전원으로부터 상기 아답터(21) 전원측으로 흐르는 역방향 전류의 흐름을 차단하는 배터리 블록킹부(220); 상기 아답터(21) 출력단의 전압(즉, 상기 배터리 블록킹부(220)의 입력단의 전압(V_in))과 상기 배터리 충전부(210)의 출력단의 전압(V_chg)에 근거하여, 상기 배터리 블록킹부(220)와 상기 배터리 충전부(210) 사이의 중간 전압(V_ave)을 일정 레벨로 유지하는 전압 조정부(230); 및 상기 아답터(21)의 입력단으로의 상기 전원(예컨대, 상용 교류 전원)의 입력(AC_IN#) 여부―(즉, 상기 아답터(21)의 플러그가 상용 교류 전원에 연결되어 그 아답터(21)로부터 전압이 출력되는가의 여부)―에 따라, 상기 N-MOSFET(221)를 단속(ON/OFF) 제어하는 단속부(240)로 구성되어 있다.

상기에서 미설명된 참조부호 C1과 C2는 도 1의 제 1 및 제 2 캐패시터(C1,C2)와 동일한 구성이고, 상기 배터리 충전부(210)의 구성인 상기 P-MOSFET(211)와 상기 집적회로(212)는 도 1의 상기 P-MOSFET(23)와 상기 집적회로(22)와 동일한 구성으로서 동일 기능을 수행하며, R1, R2 및 R3는 저항을 나타낸다.

상기 전압 조정부(230)는, 상기 아답터(21)의 출력 전압(Vin)과 상기 배터리 충전부(210)의 출력 전압(Vchg)의 평균 전압 즉, '(Vin+Vchg)/2'이 기준 전압으로 비반전단(+)에 입력되고 상기 중간 전압(Vavg)이 반전단(-)에 입력되는 연산 증폭기(OP-AMP)(231); 상기 연산 증폭기(231)의 출력단에 역방향 연결된 정류 소자로서의 다이오드(232); 및 상기 다이오드(231)의 양극(+)과 상기 N-MOSFET(221)의 가동단으로서의 게이트 사이를 연결하는 연결선상에 연결된 정정류원(233)로 구성되어 있다.

상기 단속부(240)는 전류 유입단이 상기 N-MOSFET(221)의 게이트와 상기 다이오드(232)의 공통 연결점에 연결되고 전류 유출단이 접지되며 게이트가 상기 상용 교류 전원의 입력 여부에 따라 가동되는 반도체 스위칭 소자로서의 N-MOSFET(241)로 구성되어 있다.

이어 상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명한다.

본 발명에서는 도 1과 같은 기존 배터리 충전 장치의 상기 블록킹 다이오드(D) 대신에 반도체 스위칭 소자로서의 상기 N-MOSFET(221)를 사용함으로써 그 다이오드(D)의 전압 강하(0.4V)로 인해 발생되는 전력 소모를 없애고, 이와 아울러 상기 전압 조정부(230)를 구비하여 기존의 P-MOSFET(13)에서 과도하게 발생되었던 열을 상기 N-MOSFET(221)로 분산시킬 수 있다.

또한, 상기 아답터(21) 전원이 시스템으로부터 제거된 상태에서는 상기 단속부(240)가 온되어 상기 N-MOSFET(221)를 오프시키므로, 상기 배터리(24)의 전원이 충전기의 입력측으로 흐르게되는 역방향 전류를 차단한다.

상기 연산 증폭기(231)는 비반전단(+)에 상기 아답터(210)의 전압(Vin)과 상 기 배터리(24)의 충전 전압(Vchg)의 평균치 즉, '(Vin+Vchg)/2'가 기준전압이 되어 입력되고 반전단(-)에 상기 중간 전압(Vavg)이 입력되어 그 차이를 출력하고, 그 연산 증폭기(231)의 출력과 상기 정전류원(233) 및 상기 다이오드(232)의 작용으로 상기 N-MOSFET(221)를 제어하여 상기 중간전압(Vavg)이 일정 레벨 즉, 상기 평균치에 해당하는 일정 레벨로 유지되도록 한다.

따라서, 도 1의 종래방식에서 상기 P-MOSFET(13)에만 전압 강하가 발생하였던 것과는 달리, 본 발명에서는 상기 P-MOSFET(211)와 상기 N-MOSFET(221)에 각각 절반씩 전압 강하가 분산되어 발생되므로, 그 만큼 하나의 MOSFET에서 발생하는 열은 중어든다.

만일, MOSFET의 사양이 도 1에서 설명한 종래의 사양과 동일하다고 가정하면 본 발명에서는 전압 강하가 절반으로 줄어든 만큼 지원할 수 있는 충전 전류를 두배로 증가시킬 수 있다. 이에 따라 충전 시간을 종래보다 단축시킬 수 있는 것이다.

한편, 상기 아답터(21)가 시스템으로부터 제거된 플러그-인(plug-in) 상태가 되면, AC_IN#이 로우(Low) 상태가 되어서 상기 단속부(240)의 N-MOSFET(241)는 오프가되고 이때 상기 배터리 블록킹부(220)의 상기 N-MOSFET(221)의 게이트는 상기 연산 증폭기(230)의 출력에의해서 구동되지만 , 반대로 상기 아답터(21)가 플러그-아웃(plug-out) 상태가 되면, 상기 AC_IN#이 하이(High) 상태가 가 되어서 상기 단속부(240)의 N-MOSFET(241)는 온되고 이때 상기 배터리 블록킹부(220)의 상기 N-MOSFET(221)의 게이트는 접지(GND)로 연결되어 오프되므로, 결국 충전기 입력 레일(Rail)이 오픈되어서 배터리(24)의 전원으로부터의 역방향 전류를 차단한다.

도 3은 도 1 및 도 2에서 상기 이답터(11,21)의 전압 5V, 충전 전류 500mA, 충전 전압 4.2V 및 상기 배터리는 리튬 이온 배터리로 전제하고서, 도 1의 기존 회로와 도 2의 본 발명 회로의 주요 특성 그래프를 상호 비교해 볼 수 있도록 도시한 도면으로서, 동 도면에서 알 수 있듯이 본 발명의 회로에 따른 충전기는 종래의 충전기와 비교하여 전압 강하와 MOSFET 소모전력이 절반으로 줄어드는 것을 알 수 있고, 또한 기존과 같이 다이오드에 의한 전압 강하와 소모전력은 그 다이오드를 MOSFET로 대체하여 나타나지 않음을 알 수 있다.

즉, 도 2의 본 발명 회로에 따른 충전기를 도 1의 종래 충전기와 동일한 사양 조건에서 양자 소모 전력을 비교해 보면 다음과 같다.

도 1의 종래 충전기는 상기 P-MOSFET(13)에서의 최대 소모 전력이 '(5V-3V)×500mA =1W'가 되고 상기 다이오드(D)에서의 소모 전력이 '0.4V×500mA = 0.2W'가 되어 총 소모 전력이 '1W+0.2W = 1.2W'가 된다.

이에 대응하여 도 2의 본 발명 충전기는 상기 P-MOSFET(211)에서의 최대 소모 전력이 '(5V-4V)×500mA =0.5W'가 되고 상기 N-MOSFET(221)에서의 최대 소모 전력이 '(4V-3V)×500mA =0.5W'가 되어 총 소모 전력이 '0.5W+0.5W = 1W'가 되므로, 종래보다 총 소모 전력이 줄어든다.

만약 충전 전류를 종래의 500mA에서 1A로 두 배 증가시켰을 때 예상되는 충전시간을 비교해 보면, 배터리 셀 용량이 1000mAh인 경우 종래는 약 4 시간이고 본 발명은 약 2 시간, 배터리 셀 용량이 1400mAh인 경우 종래는 약 6 시간이고 본 발 명은 약 3 시간, 배터리 셀 용량이 1800mAh인 경우 종래는 약 8 시간이고 본 발명은 약 4 시간으로서, 절반가량 줄어든다.

상기 충전 시간은 실험에 의한 실측 자료가 아니고 산술적인 계산에 의한 자료이므로 실제 충전 시간은 약간의 오차가 있을 것이지만, 본 발명은 기존과 비교하여 상대적으로 충전 시간이 약 두 배 정도 빨라진다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 배터리 충전 장치에 의하면, 기존과 비교하여 충전시간이 약 두배가량 빨라지고 전력 손실을 줄여 과열을 방지하는 효과가 창출된다.

Claims

제 1 반도체 스위칭 소자 및 그 반도체 스위칭 소자를 단속하는 제어수단을 구비하여, 교류 아답터를 통해 제공되는 전원을 단속하여 배터리의 충전 전압으로 제공하는 배터리 충전 수단;

상기 아답터의 출력단과 상기 배터리 충전 수단의 입력단 사이에 연결되어, 상기 배터리 전원으로부터 상기 아답터 전원측으로 흐르는 역방향 전류의 흐름을 차단하도록, 제 2 반도체 스위칭 소자로 구성된 배터리 블록킹 수단;

상기 아답터의 출력 전압과 상기 배터리 충전 수단의 출력 전압에 근거하여, 상기 배터리 블록킹 수단과 상기 배터리 충전 수단 사이의 중간 전압을 일정 레벨로 유지하는 전압 조정 수단; 및

상기 아답터의 입력단으로의 전원 입력 여부에 따라, 상기 제 2 반도체 스위칭 소자를 단속하는 단속 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전압 조정 수단은, 상기 아답터의 출력 전압과 상기 배터리 충전 수단의 출력 전압의 평균 전압치로, 상기 배터리 블록킹 수단과 상기 배터리 충전 수단 사이의 중간 전압을 유지하는 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 전압 조정 수단은,

상기 아답터의 출력 전압과 상기 배터리 충전 수단의 출력 전압의 평균 전압이 기준 전압으로 비반전단에 입력되고 상기 중간 전압이 반전단에 입력되는 연산 증폭기;

상기 연산 증폭기의 출력단에 역방향 연결된 정류 소자; 및

상기 정류 소자의 전류 유입단과 상기 제 2 반도체 스위칭 소자의 가동단 사이를 연결하는 연결선상에 연결된 정정류원을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 단속 수단은, 상기 정류 소자의 전류 유입단이, 상기 제 2 반도체 스위칭 소자의 가동단과 상기 정류 소자의 공통 연결점에 연결되고, 상기 정류 소자의 전류 유출단이 접지되며, 상기 제 2 반도체 스위칭 소자의 가동단이, 상용교류전원의 입력(AC_IN#) 여부에 따라 가동되는 제 3 반도체 스위칭 소자로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 반도체 스위칭 소자는 전계효과 트랜지스터로 구성된 것을 특징으로 하는 배터리 충전 장치.