KR100876112B1 - 배터리 과방전 보호회로 - Google Patents

배터리 과방전 보호회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충방전용 배터리의 과방전 보호회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 AC전원와, 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터와, 배터리와, 상기 배터리의 전압을 전압분배한 후 기준전압과 비교하여 그 결과신호를 출력하는 전압감지부와, 상기 전압감지부에서 출력된 신호에 따라 충방전을 제어하는 릴레이구동부, 및 상기 주 회로에 역전류가 흐르는 것을 방지하고, 상기 배터리가 순방향으로 연결되었을 때 회로를 구동시키는 회로보호부를 포함하여 구성되며, 정류기나 UPS, 또는 인버터 회로에서 AC전원의 정전, 순간전압강하, 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터 고장발생시 배터리 전원을 주 회로의 직류부하에 출력하고 있다가 배터리의 방전전압이 기 설정된 기준전압 이하일 경우 배터리의 방전 전압원을 차단하여 배터리를 보호하고, 저전력을 소모하면서도 안정적으로 동작하고, 아울러 소형화가 가능하고 개발원가를 절감하는 효과가 있다.
충방전, 배터리, 과방전 보호, FET, 릴레이

Description

배터리 과방전 보호회로{Circuit for protecting over-discharge of battery}
도 1 은 본 발명에 따른 배터리 과방전 보호장치의 일실시예를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 과방전 보호회로의 동작 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
11: AC전원 12: 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터
13: 전압감지부 14: 릴레이구동부
15: 회로보호부 16: 배터리
RL: 릴레이 RLa: 릴레이 코일
RLb: 릴레이 접점 R1 내지 R13: 저항
VR: 가변저항 PC: 포토커플러
PCa: 적외선 다이오드 PCb: 포토 트랜지스터
U: 션트 다이오드 C: 컨덴서
D1 및 D2: 다이오드 ZD: 제너다이오드
n1 및 n2: 노드 Q1 내지 Q4: 제1 내지 제4 FET
본 발명은 배터리 과방전 보호장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 AC 전원의 문제로 인하여 백업 배터리가 전원 공급시 스위칭 소자로서 작용하는 릴레이구동부의 구성에 관한 것으로서, 종래의 대형릴레이를 소형릴레이 및 p채널 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, 이하 FET)로 대체하여 종래의 과방전 보호회로의 소형화 및 원가절감 효과를 제공하는 배터리 과방전 보호장치에 관한 것이다.
일반적으로 배터리 과방전 보호회로는 RF중계기 및 스위치 모드 파워 서플라이(Switch-Mode Power Supply: 이하, SMPS라 약칭함)시스템에서 AC입력전원의 정전, 순간전압강하, 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터 고장 발생시 배터리의 전원을 주 회로의 직류부하에 출력하고 있다가 배터리의 방전전압이 설정된 전압 이하일 경우 배터리의 방전전압을 차단하여 배터리를 보호하고, 손실 방전전류를 수 백 ㎂ 이하로 최소화하여 배터리의 수명을 향상시킨다.
종래의 배터리 과방전 보호회로는, 백업 배터리의 전압이 배터리 최대 충전용량의 20%~25% 범위일 때 상기 배터리의 전원공급을 차단하기 위하여 기준전압을 설정하고 상기 기준전압과 배터리에서 공급되는 전압을 비교하여 그 결과신호로써 배터리의 전원공급여부를 결정한다. 여기서, 상기 배터리의 전원공급은 스위칭 소자로서 릴레이를 이용하는 것이 보편적이다. 다시 말해, 상기 배터리 전압에 따라 상기 릴레이가 턴온 또는 턴오프되도록 하여 주 회로의 부하로 배터리 전력이 전달 또는 차단되도록 한다.
그러나, 종래 과방전 보호회로의 릴레이는 동작용량이 큰 대형릴레이로서 그 크기가 상당하여 인쇄회로기판 상에 실장되지 않았다. 또한, 이러한 릴레이를 하나만 쓸 경우 비교적 큰 전류를 흘려주어야 하고, 그에 따라 아크가 발생할 우려가 있으며, 연속적으로 2 개 릴레이를 구성하여 주 회로의 안정성을 향상시킬 수는 있었으나 소형화에는 어려움이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 종래의 과방전 보호회로의 대형릴레이를 소형릴레이 및 p채널 FET로 대체함으로써, 과방전 보호회로의 소형화가 가능하고, 동작이 보다 안정적이며, 적은 소모전류로도 구동가능한 배터리 과방전 보호장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명은 AC전원과, 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터와, 전압감지부와, 릴레이구동부와, 회로보호부, 및 배터리로 구성되는 과방전 보호회로에 있어서,
상기 릴레이구동부는 저항, 다이오드, 제너다이오드, 소형릴레이 및 제1 내지 제4 FET로 구성하되, 상기 제너다이오드는 상기 전압감지부의 출력에 따라 역방향 전류의 흐름을 제어하여 상기 제4 FET의 게이트단에 제공하고, 상기 소형릴레이는 상기 제3 FET의 턴온시 전류가 여자되는 릴레이 코일과 상기 릴레이 코일에 전류가 여자됨에 따라 턴온되는 릴레이 접점으로 구성되고, 상기 제1 FET 및 제2 FET는 상기 배터리 및 주 회로의 직류부하 사이에 위치되어 상기 소형릴레이의 구동여부에 따라 그 구동여부가 동일하게 결정되고, 상기 제3 FET는 상기 제4 FET의 구동여부에 따라 그 구동여부가 반대로 결정되며, 상기 제4 FET는 상기 전압감지부로부터 출력되는 논리신호를 입력 받아 그 구동여부가 결정되도록 하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)는 p채널 FET로서 상기 배터리 전력이 차단되고 AC 전력이 복전되면 내부의 바디 다이오드를 통해 배터리에 충전을 개시하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 배터리 과방전 보호장치의 일실시예를 나타낸 도면으로서, AC전원(11)과, 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터(12)와, 전압감지부(13)와, 릴레이구동부(14)와, 회로보호부(15), 및 배터리(16)를 포함하여 구성된다.
상기 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터(12)는 상기 AC전원(11)으로부터 공급되는 AC전원(11)을 일정 직류 전압원으로 변환하여 출력하게 된다.
상기 전압감지부(13)는 상기 배터리(16) 전압에 따라 배터리(16)의 전력공급을 유지 또는 차단하며, 전압분배부(미도시), 션트 다이오드(U), 및 저항(R8)을 포함하여 구성된다.
상기 전압감지부(13)의 전압분배부는 상기 배터리(16)에서 변환되어 출력된 일정 직류전압을 전압분배하며, 가변저항(VR), 저항(R9, R10), 및 컨덴서(C)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 가변저항(VR) 및 저항(R9)은 직렬로 연결되어 AC전원(11) 또는 배터리(18)에서 출력되는 전압을 전압강하시키게 된다. 여기서, 상기 가변저항(VR)은 본 발명의 과방전 보호회로를 다양한 시스템에 적용시 배터리(16)의 종류가 다 를 수 있으므로, 이를 보완하여 배터리(16) 전력이 차단되는 전압을 변경하기 위하여 상기 가변저항(VR)의 크기가 조절된다.
또한, 상기 저항(R10) 및 컨덴서(C)는 병렬로 연결되어 상기 가변저항(VR) 및 저항(R9)에 의해 전압강하된 배터리(16) 전압을 전압강하시키게 된다. 상기 저항(R10) 및 컨덴서(C)와 저항(R9)에 의한 전압은 일 노드(n1)에 의해 후술되는 션트 다이오드(U)에 제공된다.
상기 전압감지부(13)의 션트 다이오드(U)는 애노드(anode)단, 캐소드(cathode)단, 및 기준(reference)단으로 구성되어, 상기 기준단이 노드(n1)에, 상기 애노드단이 접지에, 상기 캐소드단이 제너다이오드(ZD)를 통해 후술되는 제4 FET(Q4)에 각각 연결되어 있다. 이러한 상기 션트 다이오드(U)는 내부에 기 설정된 기준전압 및 비교기를 구비하고 있어, 상기 기준전압과 전압분배부에서 전압분배된 전압을 비교하여, 상기 전압분배된 전압이 상기 기 설정된 기준전압보다 큰 경우 캐소드단에 로우신호를 출력하고, 작은 경우 하이신호를 출력하게 된다.
상기 전압감지부(13)의 저항(R8)은 상기 션트 다이오드(U)의 캐소드단 출력전압에 따라 상기 배터리(16)로부터 방전된 전압을 전압강하시키게 된다.
상기 릴레이구동부(14)는 상기 전압감지부(13)에서 출력된 신호에 따라 구동되어 상기 배터리(16)의 충방전을 제어하게 되며, 릴레이(RL)와, 제1 내지 제4 FET(Q1 내지 Q4), 다이오드(D1, D2), 제너다이오드(ZD), 및 저항(R1 내지 R7, R11, R12)을 포함하여 구성된다.
상기 릴레이구동부(14)의 릴레이(RL)는 릴레이 코일(RLa)과 릴레이 접 점(RLb)으로 구성되어, 전압감지부(13)로부터 출력되는 신호에 따라 턴온 또는 턴오프된다. 상기 저항(R1)에 의해 배터리(16) 전압이 전압강하되면, 그에 따른 전류가 흐르게 되어 릴레이 코일(RLa)이 여자되면서 릴레이 접점(RLb) 턴온된다. 그러면, 상기 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터(12)로부터 출력되는 일정 전압에 따라 배터리(16)를 충전하거나, 배터리(16)에 충전된 전압을 방전시켜 상기 주 회로의 직류부하(미도시)로 공급하게 된다.
상기 릴레이구동부(14)의 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)는 p채널 FET로서 직류부하 및 배터리 사이에 위치된다. 이는 상기 릴레이(RL)의 릴레이 접점(RLb)이 턴온되는 경우에 동작하게 되고, 턴오프된 경우 상기 AC전원이 복전되면 내부의 바디 다이오드를 통해 배터리에 충전을 개시한다.
상기 릴레이구동부(14)의 저항(R11, R12)은 상기 릴레이(RL)의 릴레이 접점(RLb)이 턴온되었을 때, 상기 AC전원(11) 또는 배터리(16)로부터 출력되는 전압을 전압분배하여 상기 제3 및 제4 FET(Q3, Q4)의 게이트단에 제공한다.
상기 릴레이구동부(14)의 제3 및 제4 FET(Q3, Q4)는 상기 전압감지부(13)로부터 출력되는 논리 신호에 의해 순차적으로 게이트단에 전압이 입력됨으로써 구동여부가 결정된다.
먼저, 상기 전압감지부(13)의 출력이 하이일 경우, 이웃하는 제4 FET(Q4)의 게이트단에 입력되어 컬렉터 전극과 에미터 전극이 턴온된다. 그러면, 상기 제4 FET(Q4)와 저항(R2)을 사이에 두고 연결된 제3 FET(Q3)는 게이트단에 입력되는 전압이 낮으므로 컬렉터 전극과 에미터 전극이 오픈되어 구동되지 않는다.
반면에, 상기 전압감지부(13)의 출력이 로우일 경우 이웃하는 제4 FET(Q4)의 게이트단에 입력되어 컬렉터 전극과 에미터 전극이 오픈된다. 그러면, 상기 제4 FET(Q4)와 저항(R2)을 사이에 두고 연결된 제3 FET(Q3)는 게이트단에 입력되는 전압이 상기 제3 FET(Q3)를 구동시기기 위해 충분하므로 컬렉터 전극과 에미터 전극이 턴온되어 구동된다.
상기 릴레이구동부(14)의 다이오드(D1)는 상기 릴레이(RL)의 릴레이 접점(RLb) 턴오프시 상기 릴레이 코일(RLa)에 여자된 전압에 따른 전류를 소모하게 된다.
상기 릴레이구동부(14)의 제너다이오드(ZD)는 상기 전압감지부(13)의 출력단과 제4 FET(Q4)의 게이트단 사이에 위치되어, 상기 전압감지부(13)의 출력에 따라 역방향 전류의 흐름을 제어하여 상기 제4 FET(Q4)의 게이트단에 제공한다. 상기 전압감지부(13)의 출력이 로우인 경우에는 상기 제너다이오드(ZD)에 전류가 거의 흐르지 않는다. 반면, 상기 전압감지부(13)의 출력이 하이인 경우에는 상기 제너다이오드(ZD)의 역방향 항복전압을 초과하고 아울러 역방향 전류가 상기 제2 FET(Q2)의 게이트단으로 유입된다.
상기 릴레이구동부(14)의 저항(R1, R3 내지 R6)은 상기 AC전원(11)의 상기 AC전원(11) 및 배터리(18)에서 출력된 방전전압을 전압강하시키게 된다.
상기 릴레이구동부(14)의 저항(R2)은 제3 FET(Q3)의 게이트단과 연결되어 인가되는 전류의 크기를 조절한다.
상기 릴레이구동부(14)의 저항(R7)은 상기 전압감지부(13)의 노드(n1)와 노 드(n2) 사이의 전압을 전압강하시키고, 상기 다이오드(D2)는 상기 저항(R7)과 직렬로 연결되어 상기 저항(R7)에 의해 발생된 전류를 상기 제3 FET(Q3) 방향으로 정류한다. 이러한 전류는 상기 제3 FET(Q3)가 상기 제3 FET(Q4)의 동작 여부에만 의존하여 채터링되는 것을 방지한다.
상기 회로보호부(15)는 배터리(16)가 바르게 연결되었는지의 여부에 따라 과방전 보호회로에 흐르는 전류를 제어하게 되며, 포토커플러(PC) 및 저항(R13)을 포함하여 구성된다.
상기 회로보호부(15)의 포토커플러(PC)는 적외선 다이오드(PCa) 및 포토 트랜지스터(PCb)로 구성되어, 배터리(16)가 순방향으로 연결되었을 때 상기 적외선 다이오드(PCa)가 빛을 발하고 상기 포토 트랜지스터(PCb)가 상기 적외선 다이오드(PCa)로부터 발생된 적외선을 검출함으로써 도통된다.
상기 회로보호부(15)의 저항(R13)은 상기 포토커플러(PC)의 적외선 다이오드(PCa)와 직렬로 이웃하게 구성되어, 상기 적외선 다이오드(PCa)가 도통되면 배터리(16)의 방전전압을 전압강하시키게 된다.
상기 배터리는 충방전용으로 시스템에 따라 용량 및 종류가 다를 수 있으며, 상기 AC전원 정전시 주 회로의 부하에 임시로 전원을 공급한다. 이때, 상기 배터리의 전압 크기는 AC전원(11) > 배터리(16) > 제1 내지 제4 FET(Q1 내지 Q4) > 다이오드(D1, D2)이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 배터리 과방전 보호장치의 동작을 상세히 설명하면 도 2와 같다.
도 2는 본 발명의 과방전 보호회로의 동작 순서도로서, 순방향으로 연결된 배터리를 구비하는 임의의 시스템이 AC 전원에 의해 구동되다가 상기 AC전원에 문제가 발생한 경우, 상기 배터리가 시스템에 전력을 공급하고, 아울러 상기 배터리가 일정 전압 이하일 때 더 이상의 배터리 방전이 차단되는 일련의 과정을 도시하였다.
먼저, 배터리(16)가 장착되지 않거나 역방향으로 연결된 상태에서 AC전원(11)으로부터 정상적으로 전원이 공급된 경우 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터(12)는 상기 AC전원(11)으로부터 공급되는 교류전압을 일정 직류 전압원으로 변환하여 주 회로의 직류 부하로 출력하게 된다. 이때, 본 발명의 배터리(16)의 부재로 인해 상기 회로보호부(15)의 포토커플러(PC)가 구동되지 않으므로 상기 배터리 과방전 보호회로는 동작하지 않는다.
한편, 배터리(16)가 장착된 상태에서 AC전원(11)으로부터 정상적으로 전원이 공급된 경우 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터(12)는 상기 AC전원(11)으로부터 공급되는 AC전원(11)을 일정 직류 전압으로 변환하여 주 회로의 직류 부하로 출력하게 된다. 이때, 상기 회로보호부(15)의 포토커플러(PC)가 구동되어 상기 배터리 과방전 보호회로가 동작하고, 아울러 상기 배터리(16)가 충전된다.
이와 같은 상태에서, 상기 AC전원(11)의 정전, 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터(12)의 고장 발생시, 상기 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터(12)에서 출력되는 일정 직류 전압원은 차단되고, 상기 배터리(16)로부터 전압이 방전되어 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)를 통해 상기 주 회로의 직류부하로 공급되게 된다.
그러면, 상기 전압감지부(13)의 전압분배부는 상기 배터리(16)로부터 출력된 방전전압을 전압분배하여 노드(n1)을 통해 상기 션트 다이오드(U)의 기준단에 입력된다. 아울러, 상기 션트 다이오드(U)는 자체 내에서 기 설정된 기준전압(Vref)과 상기 배터리의 분배전압을 비교하여, 상기 배터리 분배전압이 상기 기준전압(Vref) 이상이면 캐소드단에 하이신호를 출력하고, 그렇지 않으면 로우신호를 출력한다.
먼저, 상기 션트 다이오드(U)의 캐소드단 출력이 로우인 경우, 상기 로우에 해당하는 전압이 작으므로 제너 다이오드(ZD)를 통과하여 제4 FET(Q4) 게이트단에 인가되는 전류가 미세하게 되고, 이로 인해 상기 제4 FET(Q4)가 구동되지 않아 턴오프된 상태가 된다.
상기 제4 FET(Q4)의 턴오프는 제3 FET(Q3) 게이트단에 충분한 전류를 인가하여 상기 제3 FET(Q3)이 턴온되도록 한다. 그에 따라, 상기 제3 FET(Q3)의 드레인-소스에 전류가 흐르게 되어 릴레이 코일(RLa)이 여자되면서 릴레이 접점(RLb)이 턴온된다. 아울러, 상기 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)가 턴온되면서 주 회로의 직류부하와 배터리(16)를 연결함으로써, 상기 배터리(16)의 전압이 방전되게 된다.
반면에, 상기 션트 다이오드(U)의 캐소드단 출력이 하이인 경우, 상기 하이에 해당하는 전압이 크므로 제너 다이오드(ZD)를 통과하여 제4 FET(Q4) 게이트단에 인가되는 전류가 충분하게 되고, 이로 인해 상기 제4 FET(Q4)가 구동되어 턴온된 상태가 된다.
상기 제4 FET(Q4)의 턴온은 제3 FET(Q3) 게이트단에 충분한 전류를 인가하지 못 하여 상기 제3 FET(Q3)이 턴오프되도록 한다. 그에 따라, 상기 제3 FET(Q3)의 드레인-소스에 전류가 흐르지 않게 되어 릴레이 코일(RLa)이 여자 되지 않아 릴레이 접점(RLb)이 턴오프된다. 아울러, 상기 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)가 턴오프되면서 주 회로의 직류부하와 배터리(16)의 연결을 차단함으로써, 상기 배터리(16)의 전압이 더 이상 방전되지 않는다.
그리고, 상기와 같은 배터리의 방전 또는 차단에 관계없이 AC전원(16)이 복전되어 정상적으로 전원이 공급되면, 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터(12)가 상기 AC전원(16)으로부터 공급되는 AC전원(16)을 일정 직류 전압으로 변환하여 주 회로의 직류 부하로 출력하고, 동시에 배터리를 충전하기 시작한다.
상기한 배터리 충전은, 배터리 분배전압이 기준전압 이상인 경우 상기 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)가 턴온되어 충전되지만, 기준전압 미만인 경우 상기 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)가 턴오프되어 있을지라도 자체의 내부 바디 다이오드를 통해 충전이 개시된다. 상기와 같이 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)의 내부 다이오드를 통해 배터리가 충전됨에 따라 배터리 전압이 증가하면, 상기 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)가 턴온되면서 충전을 유지한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구 범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 배터리 과방전 보호장치는 RF중계기 및 스위치 모드 파워 서플라이 시스템에서 AC입력전원의 정전, 순간전압강하, 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터 고장 발생시 배터리의 전원을 주 회로의 직류부하에 출력하고 있다가 배터리의 방전전압이 설정된 전압 이하일 경우 배터리의 방전전압을 차단하여 배터리를 보호하고, 저전력을 소모하면서도 안정적으로 동작하고, 아울러 소형화가 가능하고 개발원가를 절감하는 효과를 제공한다.

Claims (5)

  1. AC전원과, 교류-직류 또는 직류-직류 컨버터와, 전압감지부와, 릴레이구동부와, 회로보호부 및 배터리로 구성되는 과방전 보호회로에 있어서,
    상기 릴레이구동부는 저항, 다이오드, 제너다이오드, 소형릴레이 및 제1 내지 제4 FET로 구성하되,
    상기 제너다이오드는 상기 전압감지부의 출력에 따라 역방향 전류의 흐름을 제어하여 상기 제4 FET의 게이트단에 제공하고,
    상기 소형릴레이는 상기 제3 FET의 턴온시 전류가 여자되는 릴레이 코일과 상기 릴레이 코일에 전류가 여자됨에 따라 턴온되는 릴레이 접점으로 구성되고,
    상기 제1 FET 및 제2 FET는 상기 배터리 및 주 회로의 직류부하 사이에 위치되어 상기 소형릴레이의 구동여부에 따라 그 구동여부가 동일하게 결정되고,
    상기 제3 FET는 상기 제4 FET의 구동여부에 따라 그 구동여부가 반대로 결정되며,
    상기 제4 FET는 상기 전압감지부로부터 출력되는 논리신호를 입력 받아 그 구동여부가 결정되도록 하는 것을 특징으로 하는 배터리 과방전 보호회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 FET(Q1, Q2)는 p채널 FET인 것을 특징으로 하는 배터리 과방전 보호회로.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 FET와 제2 FET는 상기 배터리 전력이 차단되고 AC전원이 복전되면 자체의 내부 바디 다이오드를 통해 배터리에 충전을 개시하는 것을 특징으로 하는 배터리 과방전 보호회로.
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