KR100871573B1 - 재충전 배터리용 충전/방전 보호 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 퓨저블 링크(fusible link)에 의해 보호되는 재충전 배터리용 충전/방전 보호 회로에 관한 것으로, 그 재충전 배터리는 배터리 전압, 보호 회로의 충전/방전 단자들 상의 전압 및 충전/방전 전류의 크기에 의존하는 부하 전류 스위치를 개방 또는 폐쇄하는 제어 로직을 포함한다. 그 보호 회로는 절연 강도(dielectric strength)가 단지 실제의 최대 배터리 전압만을 매칭시키는데 필요하도록 설계되므로, IC 칩 상에 부지(real estate)를 거의 요구하지 않으며, 또한 대부분의 요소들이 집적되도록 한다.
Figure R1020020004518
퓨저블 링크, 재충전 배터리, 충전/방전 보호 회로, 부하 전류 스위치, 제어 로직

Description

재충전 배터리용 충전/방전 보호 회로{Charge/discharge protection circuit for a rechargeable battery}
도 1은 블록 다이어그램을 도시한 도면.
도 2는 도 1에 따른 보호 회로 내의 과전압 검출기의 제 1 실시예를 도시한 도면.
도 3은 과전압 검출기의 제 2 실시예를 도시한 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 리튬-이온 셀 2: 퓨저블 링크
3: 부하 전류 스위치 4: 전류 감지 저항기
7: 필터 커패시터 14: 과전압 검출기
15: NAND 게이트 143: 슈미트 트리거
141: 트리거 소자 145: NAND 게이트
146: D-플립-플롭
본 발명은 퓨저블 링크(fusible link)에 의해 보호되는 재충전 배터리( rechargeable battery)용 충전/방전 보호 회로(charge/discharge prtection circuit)에 관한 것으로, 그 재충전 배터리는 배터리 전압, 보호 회로의 충전/방전 단자들 상의 전압 및 충전/방전 전류의 크기에 의존하는 부하 전류 스위치를 개방 또는 폐쇄하는 제어 로직을 포함한다.
이러한 보호 회로는 Texas Instruments Incorporated의 명칭 UCC 3952를 갖는 집적 회로(IC)로서 알려져 있다. 이러한 회로는 다른 것들 중 배터리의 충전/방전 회로 전압을 모니터링하고, 충전 시에는, 충전 장치를 부하 전류 스위치를 통해 배터리로부터 단절시키고, 방전 시에는, 부하(예를 들어, 이동 송신기)를 단절시킨다. 또한, 보호 회로는 전류 감지 저항기(sensing resistor)를 통해 방전 전류를 모니터링하고, 한계가 초과될 때(예를 들어, 도 3a) 부하 전류 스위치를 개방한다.
알려진 보호 회로의 절연 강도 및 부하 전류 스위치의 항복 전압(breakdown voltage)은 가장 높은(적당하게 기대되는) 인가 전압에 대해 설계되어야 하고, 예를 들어, 결함이 있는 충전 장치 또는 실제 전압보다 높거나, 훨씬 많은 수의 셀들을 갖는 배터리를 위해 의도된 충전 장치를 접속할 때 발생한다.
집적 회로 기술에서 높은 절연 강도를 달성하기 위해, 각각 항복 전압, 큰 실리콘 영역들 및/또는 전문 기술들 필요하다. 대안으로, 제어 로직이 실제의 배터리 전압에 적합한 절연 강도가 제공될 수 있을지라도, 그 때 부하 전류 스위치는 외부 요소로서 비슷하게 높은 항복 전압으로 수행될 필요가 있다.
본 발명의 태스크는 정상 동작에서 보통의 기능들을 제공하지만, 실제의 최대 배터리 전압에 의해서만 결정될 필요가 있는 앞서 기재된 형태의 충전/방전 보호 회로를 생성하기 위한 요구 조건에 기초하며, 따라서, 집적 회로 기술에서 생산될 때 경제적이고, IC 칩 상의 부지(real estate)를 거의 요구하지 않는다.
이러한 태스크는 과전압 검출기를 제어 로직에 제공함으로써 앞서 기재된 형태의 보호 회로가 창의적으로 해결된다. 그 과전압 검출기가 활성화되고, 과전압 검출기가 보호 회로의 절연 강도에 차례로 의존하는 고정된 전압 한계에 도달할 때 단락-회로 스위치(short-circuit switch)를 폐쇄한다. 단락 회로 스위치의 폐쇄는 퓨저블 링크를 통해 배터리 단자들을 접속시킨다.
본 관점에 있어서, 용어 "배터리" 및 "배터리 전압"은 재충전 가능한 배터리 및 배터리의 전위를 나타내고, 특히, 용어 "배터리"는 예를 들어, 리튬-이온 셀(Litium-Ion cell)과 같은 단지 하나의 셀만을 포함하는 전압원을 또한 나타낸다. 그러한 전압원들은 통상적으로 이동 전화들에 제공되므로, 전문 안전 규칙들(special safety rules)을 필요로 함이 잘 알려져 있다. 특히, 대규모의 과충전은 관련된 폭발의 위험 및 화재 위험 때문에 확실히 예방되어야 한다. 이것은 본 발명에 의해 제안되는 것으로서, 최악의 조건에 대해 요구되는 절연 강도보다 현저히 낮은 절연 강도를 갖는 회로 기술로 달성된다. 그리고, 그것은 적절한 미리 정해진 전압 한계가 도달되었을 때, 퓨저블 링크의 보장된 파괴를 유도하는 결과적인 단락 회로로 단락-회로 스위치를 폐쇄함으로써 성취되고, 따라서 위험한 전류 과충전으로부터 배터리를 보호할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 제안된 실시예는 낮은 항복 전압을 갖는 표준 서브 마이크로 기술로 보호 회로를 경제적으로 실현하는 것이 가능하게 한다. 원한다면, 이것은 부하 전류 스위치가 보호 회로의 다른 구성요소들과 동일한 칩상에 집적되도록 하는 반면에, 이후, 개별 구성요소(discrete component)로서 빈번하게 실현된다.
과전압 검출기는 바람직하게 공급 전압으로서 개방된 부하 전류 스위치를 통해 전압을 수신한다(청구항 2). 과전압 검출기가 응답하는 전압 한계는 이러한 경우에 부하-전류 스위치의 돌파(break-through) 전압의 바로 아래의 전압으로서 정의된다.
대안으로, 과전압 검출기는 공급 전압으로서 충전/방전 단자들에서의 전압과 배터리 단자들에서의 전압 간의 차이를 수신할 수 있다(청구항 3). 이어서, 그 전압 한계는 적어도 모든 기능적으로 중요한 회로 요소들이 여전히 확실하게 수행하는 가장 높은 전위로서 정의된다.
전압 한계가 초과되는 경우, 제어 로직은 시간 지연된 단락-회로 스위치의 폐쇄에 선행하는 이전에 개방된 부하 전류 스위치를 폐쇄하는 것이 바람직하다(청구항 4). 부하 전류 스위치가 현재 고려되는 고장 모드에서 개방되는 이유는 보호 회로가 정상 동작을 위한 최대의 허용가능한 부하 전류가 초과되었음을 결정하고, 따라서, 부하 전류 스위치를 개방한다는 것이다. 전압 한계가 초과된 경우 부하 전류 스위치를 폐쇄함으로써, 위험하게 높은 전위들이 부하 전류 스위치를 통해 감소된다. 그러나, 현재 허용할 수 없게 높은 부하 전류가 흐른다. 이것은 이미 전류가 충분히 높은 경우, 퓨저블 링크의 원하는 융해(melting)를 유도할 수 있다. 그 전류가 충분히 높지 않다면, 그 후 단락-회로 스위치는 수 밀리세컨드(milliseconds) 또는 최대 수 초의 범위 내의 지연 시간 후에 폐쇄할 것이며, 그로 인해 퓨저블 링크의 파괴를 시작한다.
제어 로직은 배터리 전압이 너무 낮은 경우, 적절하게 배터리로부터 제 1 공급 전압을 수신하고, 충전된 버퍼 커패시터와 같은 보조 전압원으로부터 적어도 제 2 공급 전압을 수신한다(청구항 5). 이것은 현재 예상되는 고장 모드에서 퓨저블 링크가 파괴될 때까지 기능하는데 필요한 공급 전압을 보호 회로에 제공하는 것을 보장한다.
과전압 검출기는 바람직하게는 단지 단시간 동안 미리 정해진 전압 한계가 초과된 경우에서조차 단락-회로 스위치의 폐쇄가 시작되도록 쌍안정 플립-플롭(bistable flip-flop)을 포함한다(청구항 7).
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, 저항기(4)로서 도 1에 도시된 부하 전류 스위치(3)와 충전/방전 단자(5) 간에 결합된 저항 수단이 충전 또는 방전 전류의 크기를 결정하기 위해 전류 감지기로서 동작한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 부하 전류 스위치(3)의 전달 저항은 전류 감지 저항으로서 이용될 수 있다.
제어 로직(10)의 비교기들(D1, D2)는 배터리측의 과전압 또는 부족 전압 상태를 각각 인식하도록 배치되고, 비교기 출력 전압들은 과전압 또는 부족 전압 상태의 경우에 부하 전류 스위치(3)의 개방을 트리거한다.
커패시터들을 제외하고, 낮은 전력의 적어도 모든 회로 소자들이 하나의 칩 상에 집적된다. 게다가, 다시 커패시터들을 제외하는 것 이외에는 회로의 모든 부분들은 부하 전류 스위치(3), 단락-회로 스위치(20), 및 퓨저블 링크(2)를 포함하는 칩 상에 집적될 수 있다.
도 1에 따르면, 리튬-이온 셀(1)의 음(negative)의 공급 단자는 고속 퓨저블 링크(2)(예를 들어 4 암페어의 공칭 트립 전류를 갖는), 게이트 반도체 부하 전류 스위치(3) 및 직렬 연결된 전류 감지 저항기(4)를 통해 충전/방전 접속의 단자(5)에 결합된다. 충전/방전 접속의 다른 단자(6)은 리튬-이온 셀(1)의 양(positive)의 공급 단자에 결합된다. 가파르게 경사진 전압 증가들로부터 보호하기 위해 필터 커패시터(7)가 단자들(5 및 6)에 병렬로 결합된다.
보호 회로는 바람직하게는 집적 회로의 형태로 전체적으로 10으로 지정된 제어 로직을 포함한다. 내부적으로 발생된 기준 전압(Vref)을 갖는 차동 증폭기들(D1, D2)을 사용하여 저항 디바이더(R1, R2, R3)를 통해 감소된, 배터리 전압(Vbatt)을 포함한다. 부족 전압의 경우에, 차동 증폭기(D1)는 출력 신호(UV)를 생성한다. 과전압의 경우에, 차동 증폭기(D2)는 출력 신호(OV)를 생성한다. 또한, 제어 로직은 미리 정해진 최대값과 충전 및 방전 전류를 각각 비교한다. 엔드 차동 증폭기(D3, D4) 각각은 부하 전류 스위치(3)와 전류 감지 저항기(4) 간에서 측정되는 바와 같은 전압(Vsense), 단자(5)에서의 출력 전압(Vout) 각각을 일정 전류원(I1, I2)과 직렬인 저항들(R4, R5) 각각을 통해 각각 Vout, Vsense로부터 유도될 수 있는 대응 기준 전압들과 비교한다. 차동 증폭기들(D3, D4)은 최대 충전 또는 방전 전류 각각에 도달할 경우, 출력 신호들(OCC, OCD)을 전달한다.
차동 증폭기들(D1 내지 D4)의 출력 신호들(UV, OV, OCC, 및 OCD)은 OR 게이트(11)를 경유하여 AND 게이트(12)의 입력들 중 하나에 결합되고, 다른 입력은 정상 동작에서 인버터(13)의 출력으로부터 신호 "H"를 수신한다. AND 게이트(12)의 출력 신호(VL)는 이어서 부하 전류 스위치(3)의 개방을 제어한다. 개방된 부하 전류 스위치 양단의 전위를 모니터링하기 위해, 과전압 검출기(14)(쌍안정 플립-플롭의 특성을 갖는)는 배터리 전압(Vbatt) 및 전압(Vsense)을 각각 수신한다. 과전압 검출기(14)는 정의된 전압 한계가 부하 전류 스위치(3)의 항복 전압에 의존하여 도달되거나 초과되는 경우, 제 2 안정화 상태로 스위칭한다. 과전압 검출기(14)는 이러한 제 2 상태에서, AND 게이트(12 내지 "L")의 제 2 입력을 인버터(13)를 통해 설정하는 출력 신호를 전달하고, 그로 인해, 부하 전류 스위치(3)를 폐쇄하고, 과전압을 제거한다. 지연 소자(15)는 동일한 출력 신호를 수신하고, 통상적으로 수백 밀리세컨드의 지연 후 제어 신호를 접속기(VK)로 전달하며, 단락-회로 스위치(20)의 폐쇄를 제어하고, 마지막으로 퓨저블 링크(2)를 통해 배터리 단자들을 접속시킨다. 외부 단자들(5, 6)에 접속된 전압원(예를 들어, 결함있는 충전 장치)은 현 시점에서 제 시간, 즉, 시간 지연 동안에 퓨저블 링크(2)의 파괴를 유도하지 않았다면, 그 후 퓨저블 링크(2)는 리튬-이온 셀(1)에 의해 전달되는 높은 단락 회로 전류를 통해 즉시 파괴될 것이다. 이것은 외부 단자들(5, 6)로부터 리튬-이온 셀(1)을 확실하게 분리한다.
연속하는 전위 상승은 보호 회로를 영구히 쓸모없도록 하는 상당한 가능성을 가질 것이다. 그러나 이것은 계획된 트레이드 오프(trade-off)이다.
점선은 제어 로직(10)의 부분들이 IC 상에 위치될 수 있음을 나타낸다. 동일한 IC 상에 또한 부하 전류 스위치(3) 및/또는 단락-회로 스위치(20), 및/또는 퓨저블 링크(2)가 집적될 수 있다.
단락-회로 스위치(20)의 폐쇄는 보호 회로의 외부 공급 전압의 즉각적인 감소(immediate collapse)를 유도한다. 그러나 단락-회로 스위치(20) 및 부하 전류 스위치(3)는 퓨저블 링크(2)가 확실히 파괴될 때까지 적어도 충분히 긴 그것들의 제어 신호를 수신해야 한다. 이것은 보호 회로의 전압 Vbatt 단자와 전압 Vsuppl 단자간에 위치된 버퍼 커패시터(16)를 통해 달성된다. 버퍼 커패시터(16)는 보통 반도체 스위치(17)(다이오드로서 나타냄)를 경유하여, 배터리 전압에 충전된다. 외부 공급 전압이 없어진다면, 그때, 스위치(17)는 개방하고, 버퍼 커패시터(16)는 점선으로 표시된 접속을 경유하여 충분히 긴 시간동안 과전압 검출기(14), 지연 소자(15), 인버터(13), 및 AND 게이트(12)에 대해 공급 전압을 공급한다.
도 2는 과전압 검출기의 실시예의 일례를 도시한다.
외부 단자들의 명칭들은 도 1의 명칭과 일치한다. 전압들(Vbatt, Vsense)은 저항기들(R11, R12)을 통해 트리거 소자들(141, 142)에 각각 인가된다. 트리거 소자들은 단지 제너(zener) 및 역-바이어싱된(back-biased) 다이오드의 직렬 접속으로서 상징적으로 도시된다. 트리거 소자(141)는 양(positive)의 방향으로의 Vbatt 및 Vsense 간의 차이가 선택된 임계값에 도달했을 경우, 전도성이 되며, 그 선택된 임계값은 부하 전류 스위치(3)의 항복 전압보다 낮다. 이것은 NMOS 트랜지스터(T1)가 전도성이되게 한다. 부하 저항기(R13) 상의 전위는 Vbatt를 향해 증가한다. 다음의 슈미트 트리거(Schmitt Trigger)(143)는 이러한 가파르게 경사진 신호로부터 생성되고, NAND 게이트(15)의 제 1 입력에 인가된다. 그 결과, NAND 게이트(145)의 출력은 "H"로 스위칭하고, 그로 인해, 후속하는 D-플립-플롭(146)의 클럭 입력에 대한 상승 클럭 신호(Clk)를 생성하며, D 입력은 "H"에 묶여지고, 그에 의해, 출력(Q)는 또한 "H"로 스위칭된다. 출력(Q)는 도 1에서 회로 블록(14)의 출력에 대응한다.
Vbatt와 Vsense 간의 차이가 음의 방향으로 미리 정해진 전압 한계에 도달한다면, 그때 유사한 형태로 전압이 트리거 소자(142), NMOS 트랜지스터(T2), 및 NMOS 트랜지스터(T3)를 통해 생성되며, 이어서, 제 2 슈미트-트리거(Schmitt-Trigger)(144), 및 NAND 게이트(145)의 제 2 입력을 통해 또한 D-플립-플롭(145)의 출력에서 신호("H")를 생성한다. NMOS 트랜지스터(T3)는 이러한 경우에, 트랜지스터(T1)의 허용가능한 드레인-소스 전압이 초과되지 않음을 보장하기 위해 캐스코드-트랜지스터(cascode-transistor)로서 간단히 기능한다.
도 3은 도 1에 따라서 보호 회로에 대한 과전압 검출기(14)의 실시예의 또 다른 예를 도시한다. 도 2에 따른 실시예와는 다르지만, 주로 동일한 배치를 가지며, 그 트리거 소자들은 Vbatt 및 Vsense에 의해 공급되는 것이 아니라, Vcommon 및 Vsense, 즉, 부하 전류 스위치(3)가 개방될 때 충전/방전 단자들(5, 6)에서의 전위에 의해 공급된다. 그렇지 않다면, 그 회로는 도 2에 따른 회로와 동일한 소자들을 사용하고, 따라서 또한, 동일한 참조 번호들을 갖는다. 그러나, 캐스코드 트랜지스터를 필요로 하는 것이 아니라 NMOS 트랜지스터 대신에 PMOS 트랜지스터를 요구한다.
또한, 도 2 및 도 3에 따른 회로들의 조합이 이점들을 가질 수 있다. 예를 들어, 음의 과전압들은 도 2에 따른 회로로 수행될 수 있으며, 양의 과전압들은 도 3에 따른 회로로 수행될 수 있다. 또 다른 향상으로서, 트리거 소자들(141, 142)은 그들의 임계 전압들이 예를 들어, 온도 변화에 관계없도록 변경될 수 있다.
본 발명은 정상 동작에서 보통의 기능들을 제공하지만, 실제의 최대 배터리 전압에 의해서만 결정될 필요가 있는 충전/방전 보호 회로를 생성하기 위한 요구 조건에 기초하므로, 집적 회로 기술 분야에서 경제적이고, IC 칩 상의 부지를 거의 요구하지 않는 효과가 있다.

Claims (15)

  1. 재충전 배터리용 충전/방전 보호 회로에 있어서,
    재충전 배터리의 단자들 양단에 퓨저블 링크(fusible link)와 직렬로 결합된 단락-회로 스위치로서, 상기 퓨저블 링크의 하나의 단부는 상기 배터리 단자들 중 하나에 접속되고, 상기 단락-회로 스위치가 폐쇄될 때, 상기 퓨저블 링크의 보장된 파괴를 유도하여, 위험한 전류 과충전으로부터 상기 재충전 배터리를 보호하는, 상기 단락-회로 스위치,
    상기 퓨저블 링크 및 상기 단락-회로 스위치의 접합점(junction)에 결합된 부하 전류 스위치의 하나의 단부, 및 상기 보호 회로의 제 1 충전/방전 단자에 접속된 상기 부하 전류 스위치의 다른 단부로서, 상기 부하 전류 스위치는 상기 재충전 배터리로부터 상기 제 1 충전/방전 단자를 접속 또는 단절시키는, 상기 부하 전류 스위치의 하나의 단부 및 다른 단부,
    상기 배터리 단자들 중 다른 단부에 결합된 상기 보호 회로의 제 2 충전/방전 단자, 및
    상기 배터리 단자들 간에 결합되고 상기 제 1 충전/방전 단자에 접속된 제어 로직으로서, 상기 제어 로직은 과전압/부족 전압(over-/under-voltage) 상태들로부터 상기 배터리 및 상기 제 1 및 제 2 충전/방전 단자를 보호하고, 상기 제어 로직은 배터리 전압 및 상기 보호 회로의 상기 제 1 및 제 2 충전/방전 단자에서의 전위의 크기에 의존하여 상기 부하 전류 스위치를 개방 또는 폐쇄하고, 상기 제어 로직은 미리 정해진 전압 한계에 도달할 경우, 상기 단락-회로 스위치를 폐쇄하는 과전압 검출기를 포함하고, 상기 미리 정해진 전압 한계는 상기 보호 회로의 절연 강도에 의존하는, 상기 제어 로직을 포함하는, 충전/방전 보호 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 과전압 검출기는 공급 전압으로서 개방된 부하 전류 스위치를 통해 상기 전위를 수신하는, 충전/방전 보호 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 과전압 검출기는 공급 전압으로서 상기 제 1 및 제 2 충전/방전 단자에서의 전위와 상기 배터리 단자들에서의 전위 간의 차이를 수신하는, 충전/방전 보호 회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 미리 정해진 전압 한계가 초과될 경우, 상기 제어 로직은 상기 단락-회로 스위치의 시간 지연된 폐쇄에 선행하여 이전에 개방된 부하 전류 스위치를 폐쇄하는, 충전/방전 보호 회로.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어 로직은 상기 배터리로부터 제 1 공급 전압을 수신하고, 충전된 버퍼 커패시터의 보조 전압원으로부터 제 2 공급 전압을 수신하는, 충전/방전 보호 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 과전압 검출기는 쌍안정 플립-플롭을 포함하는, 충전/방전 보호 회로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 쌍안정 플립-플롭의 출력 신호를 지연 소자에 공급하고, 상기 지연 소자는 상기 단락-회로 스위치의 폐쇄를 위한 제어 신호를 제공하는, 충전/방전 보호 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    인버터를 통한 상기 쌍안정 플립-플롭의 상기 출력 신호는 AND 게이트의 제 1 입력에 결합하고, 상기 AND 게이트의 상기 출력 신호는 상기 부하 전류 스위치를 제어하는, 충전/방전 보호 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 전류 스위치의 다른 단부와 상기 제 1 충전/방전 단자에 접속된 저항 수단이 상기 충전 또는 방전 전류의 크기를 결정하기 위해 전류 감지기로서 동작하는, 충전/방전 보호 회로.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 부하 전류 스위치의 전송 저항은 전류 감지 저항으로서 사용되는, 충전/방전 보호 회로.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 로직은 배터리측의 과전압/부족 전압 상태를 각각 인식하도록 제 1 및 제 2 비교기(D1, D2)를 갖는, 충전/방전 보호 회로.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 및 상기 제 2 비교기 각각으로부터의 출력 신호가 과전압/부족 전압 상태의 경우에 상기 부하 전류 스위치의 개방을 각각 트리거하는, 충전/방전 보호 회로.
  13. 제 1 항에 있어서,
    오프-칩 필터 커패시터가 상기 제 1 및 제 2 충전/방전 단자들에 병렬로 결합되는, 충전/방전 보호 회로.
  14. 삭제
  15. 제 5 항에 있어서,
    상기 버퍼 커패시터를 제외하고, 상기 보호 회로의 모든 부분들은 상기 부하 전류 스위치, 상기 단락-회로 스위치, 및 상기 퓨저블 링크를 포함하여 하나의 칩에 집적되는, 충전/방전 보호 회로.
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