KR100902522B1 - 스위칭 배터리 충전 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시형태는 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 기술을 포함한다. 일부 실시형태는 디지털 기술을 사용하여 구성될 수 있는 프로그래밍가능 스위칭 배터리 충전기를 포함한다. 다른 실시형태는 배터리 전압 또는 스위칭 조정기로의 입력 전류와 같은 감지된 회로 조건에 기초하여 배터리 전류를 수정하는 스위칭 배터리 충전기를 포함한다. 일 실시형태에서, 본 발명은 USB 배터리 충전기를 포함한다.

배터리 충전기, 스위칭 조정기

Description

스위칭 배터리 충전 시스템 및 방법{SWITCHING BATTERY CHARGING SYSTEMS AND METHODS}

도 1a 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전기를 포함하는 전자 디바이스를 도시한다.

도 1b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전기를 포함하는 전자 디바이스를 도시한다.

도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리에 대한 프로그래밍 가능 충전 주기예이다.

도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 프로그래밍된 배터리 충전 파라미터의 사용을 나타낸다.

도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 나타낸다.

도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 나타낸다.

도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 파라미터를 나타낸다.

도 7a 및 도 7b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 충전 주기의 예이다.

도 8 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 배터리 충전기를 나타낸다.

도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 것을 나타낸다.

도 10a 및 도 10b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 것을 나타낸다.

도 11 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템의 구현예를 나타낸다.

도 12 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템의 구현예를 나타낸다.

도 13 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전기의 예이다.

도 14 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정 (constant) 전압 제어 회로의 예이다.

도 15 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정전류 제어 회로의 예이다.

도 16 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 아날로그 제어기의 예이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

101 : 전자 디바이스 102 : 디바이스 일렉트로닉스

103 : 스위칭 배터리 충전기 104 : 필터

112 : 데이터 저장소 111 : 제어기

131 : USB 포트 150 : 배터리

440 : 시스템 제어기 460, 1145 : 디지털 제어기

1305 : 듀티 주기 제어 1403, 1504 : DIFF

1402 : VDAC (V) 1502 : CSENSE+

1503 : CSENSE- 1645 : 전류원

1210, 1601 : 스위칭 조정기 1603 : 스위처

1648 : Vsense

본 발명은 배터리 충전기, 특히 스위칭 배터리 충전 시스템 및 방법에 관한 것이다.

배터리는 이동 전자 디바이스용 전력의 소스로서 오랫동안 사용되어 왔다. 배터리는 회로를 동작시키는 전류 및 전압의 형태로 에너지를 제공한다. 그러나, 배터리에 저장된 에너지는 제한적이고, 전자 디바이스가 사용되는 경우, 배터리는 전력을 손실한다. 배터리의 에너지 공급이 고갈된 경우, 배터리의 전압은 배터리의 정격 전압으로부터 하강하기 시작할 것이고, 전력에 대해 배터리에 의존하는 전자 디바이스는 더 이상 적절하게 동작하지 못 할 것이다. 이러한 임계값은 상이한 유형의 전자 디바이스에 대해 상이할 것이다.

다수의 유형의 배터리가 일회용으로 디자인된다. 이러한 배터리는 충전이 고갈된 경우 폐기된다. 그러나, 일부 배터리는 재충전되도록 디자인된다. 재충전 가능 배터리는 통상적으로 일부 형태의 배터리 충전 시스템을 요구한다. 통상적으로 배터리 충전 시스템은 AC 벽 플러그와 같은 전원으로부터의 전력을 배터리로 전달한다. 재충전 프로세스는 통상적으로 전원으로부터의 전압 및 전류를 프로세싱하고 조절하는 단계를 포함하여, 배터리에 공급된 전압 및 전류는 특 정 배터리의 충전 조건을 만족시킨다. 예를 들어, 배터리에 공급된 전압 또는 전류가 너무 큰 경우, 배터리는 손상되거나 심지어 폭발할 수 있다. 반대로, 배터리에 공급된 전압 또는 전류가 너무 작은 경우, 충전 프로세스는 상당히 비효율적이거나 효력이 없을 수 있다. 배터리의 충전 조건의 비효율적인 사용은 예를 들어 상당히 긴 충전 시간을 유발할 수 있다. 또한, 충전 프로세스가 효율적으로 수행되지 않는 경우, 배터리의 셀 용량 (즉, 배터리가 유지할 수 있는 에너지량) 은 최적화되지 않을 수도 있다. 게다가, 비효율적인 충전은 배터리의 유효한 수명 (즉, 특정 배터리의 충전/방전 주기의 회수) 에 영향을 미친다. 또한, 비효율적인 충전은 시간에 따라 배터리의 특성이 변화하게끔 한다. 이들 문제점은 배터리의 특정 전압 및 재충전 전류를 포함하는 배터리 특성이 배터리마다 상이하다는 사실에 의해 더 심각해진다.

기존의 배터리 충전기는 통상적으로 정적 시스템이다. 충전기는 배터리의 충전 사양에 기초하여 특정 소스로부터 전력을 수신하고 특정 배터리에 전압 및 전류를 제공하도록 구성된다. 그러나, 기존의 충전기의 인플렉서빌리티는 전술한 다수의 비효율성 및 문제점들을 유발한다. 기존의 시스템보다 더 플렉서블하고 심지어 특정 배터리 또는 배터리 충전 환경 변화에 적응가능한 배터리 충전 시스템 및 방법을 가지는 것이 상당히 유리한다. 그 결과, 배터리 충전 프로세스의 효율성을 개선하는 개선된 배터리 충전기 시스템 및 방법에 대한 필요가 있다. 본 발명은 스위칭 배터리 충전 시스템 및 방법을 제공함으로써 이들 및 다른 문제점들을 해결한다.

본 발명의 실시형태는 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 기술을 포함한다. 일부 실시형태는 디지털 기술을 사용하여 구성될 수 있는 프로그래밍가능 스위칭 배터리 충전기를 포함한다. 다른 실시형태는 배터리 전압 또는 스위칭 조정기로의 입력 전류와 같은 감지된 회로 조건에 기초하여 배터리 전류를 수정하는 스위칭 배터리 충전기를 포함한다.

일 실시형태에서, 본 발명은, 제 1 입력 및 제 1 출력을 가진 하나 이상의 스위칭 트랜지스터를 가진 스위칭 조정기로서, 스위칭 트랜지스터의 제 1 입력은 USB (Universal Serial Bus) 전원에 결합된, 상기 스위칭 조정기; 제 1 입력 및 제 1 출력을 가지는 필터로서, 필터의 제 1 입력은 스위칭 조정기의 제 1 출력에 결합된, 상기 필터; 및 필터의 제 1 출력에 결합된 배터리를 포함하는 USB 배터리 충전기를 구비하고, 스위칭 조정기는 USB 전압을 수신하고 이와 함께, 스위칭 조정기의 제어 단자로의 스위칭 신호를 생성하며, 스위칭 조정기의 출력에서의 스위칭 전류 및 스위칭 전압은 배터리를 충전하는 필터링된 전류 및 필터링된 전압을 생성하기 위해 필터를 통해 결합된다.

일 실시형태에서, 필터링된 전압은 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에서 스위칭 신호를 제어하는 전압 제어기에 의해 감지된다.

일 실시형태에서, 전압 제어기는 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 결합된 제 1 입력, 하나 이상의 전압 감지 입력에 결합된 제 2 입력, 및 스위칭 트랜지스터의 제어 입력에 결합된 출력을 구비하고, 상기 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 상기 배터리상의 전압이 제 1 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리로의 프로그래밍된 전압을 생성하도록 전압 제어기를 구성한다.

일 실시형태에서, 필터링된 전류는 전류 제어기에 의해 감지되어 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에서 스위칭 신호를 제어한다.

일 실시형태에서, 전류 제어기는 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 결합된 제 1 입력, 하나 이상의 전류 감지 입력에 결합된 피드백 입력, 및 스위칭 트랜지스터의 제어 입력에 결합된 출력을 포함하고, 상기 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 상기 배터리상의 전압이 제 1 임계값보다 낮은 경우, 상기 배터리에 제 1 프로그래밍된 전류를 공급하도록 전류 제어기를 구성한다.

일 실시형태에서, 본 발명은 최대 입력 전류를 나타내는 입력 신호를 수신하고, 최대 입력 전류에 기초하여 최대 배터리 전류를 설정하도록 전류 제어기를 프로그래밍하는 것을 더 포함한다.

일 실시형태에서, 전류 제어기는 필터링된 전류를 설정하는 제어 입력을 가지고, 전류 제어기의 제어 입력은 스위칭 조정기의 제 1 입력 또는 배터리에 결합되어 배터리상의 전압이 증가함에 따라 필터링된 전류를 감소시킨다.

일 실시형태에서, 필터링된 전류는 스위칭 트랜지스터의 제 1 입력으로의 제 1 입력 전류보다 크고, 필터링된 전류는 배터리상의 전압이 증가함에 따라 감소한다.

일 실시형태에서, USB 전압은 적어도 4.1V 내지 5.25V 의 범위이다.

일 실시형태에서, 본 발명은, USB 전원으로부터 스위칭 조정기의 입력에서 제 1 입력 전압 및 제 1 입력 전류를 수신하는 단계; 스위칭 조정기의 출력을 배터리의 단자에 결합하는 단계; 배터리의 단자에서 제 1 출력 전압 및 제 1 출력 전류를 생성하는 단계; 배터리로의 제 1 출력 전류 또는 배터리상의 제 1 출력 전압을 감지하는 단계; 및 감지된 제 1 출력 전류 또는 제 1 출력 전압에 응답하여 스위칭 조정기의 제어 단자에서 스위칭 신호를 생성하는 단계를 포함하는, USB 포트로부터 배터리를 충전하는 방법을 포함한다.

일 실시형태에서, 본 발명은 USB 포트 유형에 대응하여 로직 신호를 수신하는 단계를 더 포함하고, 로직 신호가 제 1 상태인 경우, 제 1 출력 전류는 100mA 보다 크고 제 1 입력 전류는 100mA 보다 아래이며, 로직 신호가 제 2 상태인 경우, 제 1 출력 전류는 500mA 보다 크고 제 1 입력 전류는 500mA 보다 아래이다.

일 실시형태에서, 제 1 입력 전압은 배터리상의 전압보다 크고, 배터리로의 제 1 출력 전류는 제 1 입력 전류보다 크며, 배터리상의 제 1 출력 전압이 증가함에 따라 제 1 출력 전류는 감소한다.

일 실시형태에서, 본 발명은 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 충전 파라미터를 저장하는 단계를 더 포함하고, 제 1 출력 전류는 상기 충전 파라미터에 의해 설정된다.

일 실시형태에서, 스위칭 조정기는 제 1 출력 전압을 감지하고 스위칭 신호를 생성하여 제 1 출력 전압을 제어한다.

일 실시형태에서, 본 발명은 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 충전 파라미터를 저장하는 단계를 더 포함하고, 제 1 출력 전압은 상기 충전 파라미터에 의 해 설정된다.

일 실시형태에서, 본 발명은 USB 전원에 결합된 제 1 입력, 제 1 레지스터를 통해 배터리에 결합된 제 1 출력, 및 제어 입력을 가진 스위칭 조정기; 제 1 출력 전류를 감지하기 위해 제 1 레지스터의 제 1 및 제 2 단자에 결합된 제 1 및 제 2 전류 감지 입력, 및 스위칭 조정기의 제어 입력에 결합된 제어 출력을 가지는 전류 제어기; 배터리상의 제 1 출력을 감지하기 위해 배터리에 결합된 제 1 전압 감지 입력, 및 스위칭 조정기의 제어 입력에 결합된 제어 출력을 가지는 전압 제어기를 구비하는 USB 배터리 충전기를 포함한다.

일 실시형태에서, 전류 제어기는 제 1 출력 전류를 설정하는 제어 입력을 포함하고, 최대 USB 전류에 대응하는 제 1 로직 신호는 전류 제어기의 제어 입력에 결합되어 제 1 출력 전류를 설정한다.

일 실시형태에서, 전류 제어기는 제 1 출력 전류를 스위칭 조정기의 제 1 입력에서 수신된 제 1 입력 전류보다 크도록 설정한다.

일 실시형태에서, 전류 제어기의 제어 입력은 스위칭 조정기의 제 1 입력 또는 배터리에 결합되고, 전류 제어기는 배터리상의 전압이 증가함에 따라, 제어 입력에서 수신된 제어 신호에 응답하여 제 1 출력 전류를 감소시킨다.

일 실시형태에서, 본 발명은, 제 1 출력 전류를 설정하기 위해 전류 제어기의 제어 입력에 결합된 제 1 프로그래밍가능 데이터 저장 소자로서, 제 1 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 배터리상의 전압이 제 1 임계값보다 아래인 경우, 상기 배터리에 제 1 프로그래밍된 전류를 공급하도록 전류 제어기를 구성하는, 상기 제 1 프로그래밍가능 저장 소자; 및 제 1 출력 전압을 설정하기 위해 전압 제어기의 제어 입력에 결합된 제 2 프로그래밍가능 데이터 저장 소자로서, 제 2 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 배터리상의 전압이 제 1 임계값을 초과하는 경우, 상기 배터리로의 프로그래밍된 정전압을 생성하도록 전압 제어기를 구성하는, 상기 제 2 프로그래밍 가능 저장 소자를 포함한다.

일 실시형태에서, 본 발명은 다른 전원에 결합될 수도 있다. 다음의 상세한 설명 및 첨부 도면은 본 발명의 본질 및 이점의 더 양호한 이해를 제공한다.

본 명세서의 설명은 배터리 충전 시스템 및 방법에 대한 기술이다. 다음의 설명에서, 다수의 예 및 특정 세부사항이 설명의 목적으로 본 발명에 대한 완전한 이해를 위해서 제공된다. 그러나, 청구항에 의해 규정된 바와 같은 본 발명이, 이들 예에서의 특징들의 일부 또는 전부를 단독으로 또는 이하의 설명된 다른 특징들과 조합하여 포함할 수도 있고, 여기서 설명된 특징 및 개념의 명백한 변형예 및 균등물을 더 포함할 수도 있음이 당업자에게 명백하다.

도 1a 는 본 발명의 실시형태에 따라 스위칭 배터리 충전기 (103) 를 구비하는 전자 디바이스 (101) 를 포함하는 시스템 (100) 을 나타낸다. 전자 디바이스 (101) 는 배터리 (150) 에 의해 전력이 공급되는 디바이스 일렉트로닉스 (102) 를 구비한다. 배터리는 스위칭 배터리 충전기 (103) 를 사용하여 재충전될 수도 있다. 스위칭 배터리 충전기 (103) 는 제 1 전원 (110) 에 결합된 제 1 입력 및 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이 필터를 통해 하나 이상의 배터리에 조정된 출력을 제공하는 제 1 출력을 가진다. 본 발명의 일 실시형태는 USB 의 전력 공급 라인으로부터의 입력 전압 Vin 을 충전기 (103) 의 스위칭 조정기의 입력에 결합하는 단계를 포함한다. 스위칭 배터리 충전기는 USB 포트로부터 떨어진 배터리에 대해 효율적인 충전을 가능하게 한다.

이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 스위칭 배터리 충전기 (103) 는 스위칭 조정기를 포함한다. 스위칭 조정기로부터의 출력 전압 및 전류는 배터리에 대해 필터링된 출력 전류 및 전압을 생성하기 위해 필터에 제공되는 스위칭된 파형이다. 이 설명의 목적을 위해, 스위칭 조정기의 출력은 배터리로의 출력 (즉, 배터리 충전 전류) 전류 및 배터리 단말기에서의 출력 전압을 포함하는 필터의 출력이다. 이하 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 일 실시형태에서, 배터리 충전기 (103) 는 USB 포트 전원에 결합되고, 전자 디바이스 (101) 의 배터리는 USB 포트로부터 충전될 수도 있다. 전자 디바이스의 예는 셀 폰, PDA (personal digital assistants) , 포터블 뮤직 플레이어, 또는 다른 다양한 배터리 동작 전자 디바이스를 포함할 수도 있다. 그러나, 여러 다른 전원 (110) 은 다른 실시형태에서 사용될 수도 있다. 또한, 이하 설명되는 바와 같이, 배터리 충전기 (103) 의 상이한 실시형태는 예를 들어, 충전 파라미터를 프로그래밍하고, 배터리 충전 기능을 제어하고, 출력 전류 또는 전압을 제어하고, 입력 전류, 배터리 전류, 및/또는 전압을 감지하는 내부 회로를 더 포함할 수도 있다. 충전기 (103) 는 전원 (110) 으로부터 배터리 (150) 의 단자에 전압 및 전류의 전달을 제어하는데 이러한 기능성을 사용할 수도 있다.

일 실시형태에서, 스위칭 배터리 충전기 (103) 는 전류 제어 모드에서 동작하여, 충전 주기의 제 1 기간 동안 배터리 (150) 에 제어된 전류를 제공한다. 충전 주기의 제 2 기간 동안, 배터리 충전기 (103) 는 전압 제어 모드에서 동작하여, 배터리 (150) 에 제어된 전압을 제공한다. 전류 제어 모드에서, 스위칭 충전기의 출력 전류 (즉, 배터리로의 전류) 는 회로에 대한 제어 파리미터로서 사용된다 (예를 들어, 배터리로의 전류는 스위칭을 제어하는 피드백 루프를 제어하도록 사용될 수도 있다). 마찬가지로, 전압 제어 모드에서, 스위칭 충전기의 출력 전압 (즉, 배터리상의 전압) 은 회로에 대한 제어 파라미터로서 사용된다 (예를 들어, 배터리 상의 전압은 스위칭을 제어하는 피드백 루프를 제어하도록 사용될 수도 있다). 예를 들어, 충전기가 전류 모드에 있는 경우 (예를 들어, 배터리 전압이 특정 임계값보다 아래인 경우), 스위칭 조정기는 배터리로 소싱된 (sourced) 출력 전류를 제어할 수도 있다. 그 후, 배터리상의 전압이 특정 임계값 위로 증가하는 경우, 시스템은 전류 제어 모드로부터 전압 제어 모드로 스위칭될 수도 있다. 배터리상의 전압이 특정 레벨로 상승한 경우, 시스템은 배터리상의 전압을 제어할 수도 있고 (예를 들어,배터리 정전압을 유지함으로써) 비제어 전류는 테이퍼 오프 (taper off) 된다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 일부 실시형태는 충전 주기의 특징을 변경하는 다양한 충전 파라미터를 프로그래밍할 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 스위칭 조정기 (103) 에 의해 배터리 (150) 로 소싱된 전류는 배터리가 충전됨에 따라 (예를 들어, 배터리 전압이 증가함에 따라) 수정될 수도 있다. 일 특정 예에서, 소싱된 전류는 배터리 전압의 변경에 대응하여 디지털 제어기에 의해 변경된다. 디지털 제어기는 프로그래밍가능 데이터 저장 소자 (예를 들어, 레지스터 또는 메모리) 에 저장된 충전 파라미터를 변경할 수도 있다. 또 다른 특정 예에서, 소싱된 전류는 배터리 전압이 증가함에 따라, 출력 전류를 제어하는 전류 제어기의 제어 입력에서의 제어 신호를 변경하는 아날로그 제어기에 의해 변경된다.

도 1b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전기를 포함하는 전자 디바이스를 도시한다. 전자 디바이스 (101) 는 배터리 (150) 에 의해 전력 공급된 디바이스 일렉트로닉스를 포함한다. 배터리는 스위칭 배터리 충전기 (103) 를 사용하여 재충전될 수도 있다. 스위칭 배터리 충전기 (103) 는 프로그래밍가능 스위칭 배터리 충전기일 수도 있다. 스위칭 배터리 충전기 시스템 (110) 은 제 1 전원 (예를 들어, 입력 전압 Vin) 을 수신하도록 결합된 제 1 입력 및 필터 (104) 를 통해 하나 이상의 배터리로 조정된 출력을 제공하는 제 1 출력을 가진 스위칭 조정기를 구비하는 스위칭 배터리 충전기 (103) 를 구비할 수도 있다. 스위칭 배터리 충전기 (103) 는 예를 들어, 배터리 전류 및 전압 또는 입력 전류 및 전압을 감지하는 내부 회로를 더 포함할 수도 있다. 스위칭 충전기 (103) 는 전원으로부터 배터리 단자로 전압 및 전류의 전달을 제어하기 위해 이러한 정보를 사용할 수도 있다.

일 실시형태에서, 배터리 (150) 는 예를 들어, 컴퓨터 (130) 상의 USB 포트 (131) 로부터 충전될 수도 있다. 물론, 본 발명의 일부 실시형태는 USB 포트를 포함하는 임의의 전자 시스템으로부터 배터리를 충전하도록 사용될 수도 있다. USB 포트는 스위칭 배터리 충전기 (103) 의 입력 (Vin) 에 결합될 수도 있는 전력 공급 단자 (105; 예를 들어, VBUS) 를 구비할 수도 있다. USB 포트는 배터리 충전기 시스템 (110) 에 USB 를 통해 정보를 통신하기 위해 데이터 단자 (106) 를 더 구비할 수도 있다. USB 는 2 개의 데이터 라인 (D+, D-), 전력 (VBUS), 접지 (GND) 를 포함하는 4 개의 와이어 케이블을 통해 신호 및 전력을 전달한다. 데이터 신호는 2 개의 와이어 (D+, D-) 를 사용하여 통신된다. VBUS 는 통상적으로 5V 이다. 그러나, 버스상의 전압은 더 높게 전력공급된 허브 포트에 대해 4.75V 내지 5.25V 의 범위일 수도 있고, 더 낮게 전력 공급된 허브 포트에 대해 4.4V 내지 5.25V 의 범위일 수도 있다. 과도 조건 (transient condition) 하에서, VBUS 공급은 4.1V 까지 하강할 수 있다. 그 결과, 스위칭 충전기는 배터리를 충전하기 위해 적어도 4.1V 내지 5.25V 의 범위의 USB 전압을 수신하도록 구성된 스위칭 조정기를 구비할 수도 있다. 또한, 최대 입력 전류는 USB HUB 에 대해 500mA, 또는 USB HOST 에 대해 100mA 일 수도 있다. 따라서, 스위칭 배터리 충전기는 100mA 또는 500mA 최대 입력 전류로 동작하도록 디자인되어야 한다. 일 실시형태에서, 배터리 충전기는 상이한 최대 입력 전류를 수용하도록 프로그래밍된다. 또한, 후술하는 바와 같이, 충전을 개선하기 위해, 배터리로 공급되는 출력 전류는 입력 전류보다 더 클 수도 있다. 이 예에서, USB 데이터는 배터리 충전 시스템 (110) 의 일부로서 포함된 제어기 (111) 에 결합된다. 데이터는 예를 들어, 충전 파라미터를 구성하기 위해 USB 데이터 라인 (106) 을 통해 전달될 수도 있다. USB 데이터 라인 (106) 은 디바이스 일렉트로닉스 (102), 및 특히 디바이스 일렉트로닉스의 프로세서 (120) 에 결합될 수도 있다.

일 실시형태에서, USB 데이터는 USB 디바이스에 의해 전달될 수 있는 최대 입력 전류를 나타내는 입력 신호를 포함할 수도 있고, 스위칭 배터리 충전기는 신호를 수신하고 충전기 내의 전류 제어기를 프로그래밍하여, 최대 입력 전류에 기초하여 최대 배터리 전류를 설정할 수도 있다. 예를 들어, 배터리 충전기 (103) 는 USB 포트 유형에 대응하는 로직 신호 (예를 들어, 데이터 라인 (106) 상의 USB500/100 신호) 를 수신할 수도 있다. USB 포트 유형은 USB 포트가 HOST 또는 HUB 인지를 나타낸다. 따라서, 로직 신호는 최대 USB 전류에 대응한다. 로직 신호는 전류 제어기에 결합되어 (예를 들어, 전술된 디지털 제어기를 통해 로직 신호를 결합함으로써) 배터리로의 출력 전류를 설정할 수도 있다. 그 결과, 로직 신호가 제 1 상태인 경우, 스위칭 충전기로의 최대 입력 전류는 100 mA 이고 (즉, USB HOST), 로직 신호가 제 2 상태인 경우, 스위칭 충전기로의 최대 입력 전류는 500 mA 이다 (즉, USB HUB). 이하 더욱 상세히 설명된 일 실시형태에서, 배터리 충전 효율성은 스위칭 시스템으로의 입력 전류보다 큰, 배터리로의 전류를 생성함으로써 증진될 수도 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 로직 신호가 제 1 상태인 경우, 스위칭 조정기로의 입력 전류는 100 mA 아래일 수도 있고 (즉, USB HOST) 배터리로의 출력 전류는 100 mA 보다 크다. 로직 신호가 제 2 상태인 경우, 입력 전류는 500 mA 아래일 수도 있고, 제 1 출력 전류는 500 mA 보다 크다.

스위칭 배터리 충전 시스템 (110) 은 충전기를 구성하고 제어하기 위해 스위칭 충전기 (103) 에 결합된 데이터 저장소 (112) 를 더 구비한다. 데이터 저장소 (112) 는 배터리 (150) 의 충전 동안 충전기 (103) 를 제어하기 위한 복수의 충전 파라미터를 저장할 수도 있다. 파라미터는 재프로그래밍되어 전압 및/또는 전류 또는 배터리를 충전하도록 사용된 다른 파라미터를 변경할 수도 있고, 이에 의해 배터리 충전 효율성을 개선한다. 여기서 사용된 용어 "프로그래밍가능" 은 디지털 신호 (예를 들어, 버스를 통해 수신된) 에 응답하여 변경가능함 (또는 가변적임) 을 의미한다. 여기서 설명된 다른 실시형태가 예를 들어, 레지스터와 같은 물리 소자를 변경함으로써 프로그래밍가능할 수도 있을지라도, 본 발명의 일부 실시형태는 물리 소자를 변경하지 않고 프로그래밍 가능할 수도 있다. 데이터 저장소 (112) 는 예를 들어, 휘발성 또는 비휘발성 메모리일 수도 있고, 충전 파라미터는 상이한 충전 주기에 걸쳐 또는 단일의 충전 주기 동안 (배터리가 충전되고 있는) 재프로그래밍될 수도 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 시스템 (110) 은 데이터 저장소 (112) 및 충전기 (103) 에 결합된 제어기 (111) 를 구비할 수도 있다. 제어기 (111) 는 충전 파라미터로 데이터 저장소 (112) 를 프로그래밍하도록 사용될 수도 있다. 또한, 제어기 (111) 는 충전기 (103) 를 직접 구성하고 제어하기 위해 충전 파라미터를 저장할 수도 있다. 데이터 저장소 (112) 내의 충전 파라미터는 예를 들어, 디지털 버스 (예를 들어, 직렬 또는 병렬) 를 사용하여 제어기 (111) 를 통해 프로그래밍될 수도 있다. 따라서, 충전 파라미터는 예를 들어, 전자 디바이스 또는 컴퓨터와 같은 외부 시스템상의 소프트웨어의 제어하에서 변경될 수도 있다. 일 실시형태에서, 디지털 버스는 I²C 버스 또는 USB 를 사용하여 결합되거나 구현된다.

일 실시형태에서, 충전 파라미터들은 복수의 디지털 비트로서 각각 저장될 수도 있고, 상이한 충전 파라미터는 개별적으로 및/또는 독립적으로 프로그래밍될 수도 있다. 그 후, 복수의 충전 파라미터에 대응하는 디지털 비트는 전압 또는 전류와 같은 아날로그 파라미터로 변환될 수도 있다. 차례로, 아날로그 파라미터는 스위칭 배터리 충전기 (103) 의 노드에 결합되어 원하는 대로, 조정기의 행동을 수정하고, 따라서, 충전의 특징을 변경한다. 일 실시형태에서, 후술하는 바와 같이, 디지털 비트는 디지털/아날로그 변환기 ("DAC") 를 사용하여 아날로그 파라미터로 변환될 수도 있다.

일 실시형태에서, 저장된 충전 파라미터는 값의 범위에 걸쳐 가변적일 수도 있다. 따라서, 정전류 및/또는 정전압과 같은 충전 특징들은 예를 들어, 전류 또는 전압 값의 대응하는 범위에 걸쳐 프로그래밍될 수도 있다. 일 실시형태에서, 충전 파라미터 값의 범위는 적어도 최대값, 최저값, 및 최대값과 최저값 사이의 복수의 중간값을 포함한다. 그 결과, 정전압 또는 정전류는 데이터 저장소 (112) 내의 대응하는 충전 파라미터를 재프로그래밍함으로써 최대값, 최저값, 또는 임의의 중간값으로 프로그래밍될 수도 있다. 이러한 프로그래밍 이점의 예는 상이한 전압 레이팅 및 재충전 전류 레이팅을 가지는 배터리를 충전하기 위해 하나의 프로그래밍가능 충전기를 사용하는 능력이다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기는 제 1 주파수에서 스위칭하고, 제 1 주파수는 프로그래밍가능 데이터 저장 소자들 중 하나에 저장된 파라미터에 의해 설정된다.

본 발명의 실시형태는 미리 규정된 알고리즘에 따라 하나 이상의 충전 파라미터를 재프로그래밍하는 단계를 더 포함한다. 충전 프로세스를 제어하는 소프트웨어는 앞서 기록되고 전자 디바이스에 로딩되어 동적으로 충전 프로세스를 제어할 수도 있다. 예를 들어, 전자 디바이스 (101) 는 예를 들어, 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기일 수도 있는 프로세서 (120) 를 구비할 수도 있다. 프로세서 (120) 는 휘발성 또는 비휘발성 메모리 (예를 들어, 데이터 저장소 (112) 또는 전자 디바이스 (101) 의 부분으로서 포함된 또 다른 메모리) 내의 충전 제어 소프트웨어에 접속할 수도 있고, 데이터 저장소 (112) 내의 충전 파라미터를 재프로그래밍하는 알고리즘을 실행할 수도 있다. 알고리즘은 예를 들어, 배터리가 충전되는 동안 하나 이상의 충전 파라미터를 변경할 수도 있고, 또는 복수의 충전 주기에 걸쳐 하나 이상의 충전 파라미터를 변경할 수도 있다.

본 발명의 실시형태는 다양한 전자 디바이스에 사용될 수도 있고, 다양한 배터리 유형 및 구성을 충전하기 위해 사용될 수도 있다. 본 발명의 특정 양태의 이점을 설명하기 위해, 예는 리튬 이온 ("Li+") 배터리를 충전하는 것과 관련하여 예를 들어 설명한다. 그러나, 또한, 다음의 예는 단지 설명의 목적을 위한 것이고, 상이한 전압 및 충전 사양을 가지는, 예를 들어, 리튬 폴리머 배터리, 니켈 금속 하이브리드 배터리, 또는 니켈 카드뮴 배터리와 같은 다른 유형의 배터리는 여기서 설명된 기술을 사용하여 유리하게 충전될 수 있다.

도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리에 대한 프로그래밍가능 충전 주기의 예이다. 도 2 의 그래프는 수평축 (203) 상의 시간 ("t") 에 대해 좌측 수직축 (201) 상에 플롯팅된 배터리로의 전류 ("Iout") 및 우측 수직축 (202) 상에 배터리상의 전압 ("Vbatt") 을 도시한다. 시간에 따른 배터리상의 전압은 파선 (204) 으로 도시되고, 배터리로의 전류는 실선 (205) 에 의해 도시된다. 이 예는 완전히 고갈된 Li+ 배터리를 충전하기 위한 충전 주기를 도시한다. 본 발명의 실시형태는 충전 주기 커브의 하나 이상의 파라미터에 대해 프로그래밍가능 제어를 제공한다. 배터리는, 이 예에서 t=0 에서, t=t2 까지 정전류를 제공하는 전류 제어 모드, 및 이 예에서 t=t2 에서, t=t3 까지 정전압을 제공하는 전압 제어 모드인 2 개의 기본 모드에서 충전되며, 양 모드는 값의 범위에 걸쳐 프로그래밍가능할 수도 있다. 일 실시형태에서, 배터리상의 전압은 초기에 배터리가 완전히 고갈되었음을 나타내는 일부 특정 임계값 (예를 들어, 3V) 아래이다. 따라서, 전류 제어 모드는, 예비 충전 전류가 값의 범위에 걸쳐 프로그래밍될 수 있도록 저장된 충전 파라미터에 의해 설정될 수도 있는 예비 충전 정전류 (210; 예를 들어 100mA) 를 생성할 수도 있다. 예비 충전 정전류 (210) 는 배터리 전압이 증가하기 시작함을 유발할 것이다. 배터리 전압이 예비 충전 임계값 (211) 위로 증가하는 경우 (예를 들어, 500mA 까지), 시스템은 배터리로의 전류 제어를 증가시킬 것이다. 일 실시형태에서, 예비 충전 임계값 (211) 은 또한 저장된 충전 파라미터를 사용하여 프로그래밍될 수도 있다. 시스템은 배터리 전압을 검출할 수도 있고, 전압이 예비 충전 임계값 (211) 보다 아래인 경우, 시스템은 예비 충전 정전류를 생성할 것이다. 배터리 전압이 예비 충전 임계값 (211) 에 대해 프로그래밍된 값 위로 증가하는 경우, 시스템은 예비 충전 전류보다 큰 정전류 (212) 를 생성할 것이다. 제 2 정전류는 종종 "고속 충전 (fast charge)" 전류로 칭한다.

고속 충전 전류가 배터리에 전달되는 동안, 배터리상의 전압은 204A 에 도시된 바와 같이 증가하기를 계속할 것이다. 또한 본 발명의 실시형태는 제어된 전류를 공급하는 것으로부터 제어된 전압을 생성하는 것으로 시스템이 변경되는 임계값의 프로그래밍을 허용한다. 예를 들어, 시스템이 전류 제어로부터 전압 제어로 변환을 하게 하는 임계값에 대응하는 충전 파라미터는 메모리에 저장될 수도 있다. 배터리상의 전압이 프로그래밍된 임계값 위로 증가하는 경우, 시스템은 자동으로 변환하여 배터리에 정전압 (213) 을 제공할 수도 있다. 일 실시형태에서, 배터리에 공급된 전압 (213; "플로트 (float)" 전압) 은 저장된 충전 파라미터에 의해 설정된다. 플로트 전압은 대응하는 저장된 충전 파라미터를 프로그래밍함으로써 전압값의 범위내에서 임의의 전압값으로 설정될 수도 있다. 배터리가 전류 제어 모드 동안 플로트 전압으로 증가하는 경우, 시스템은 전압 제어 모드로 변환하고 배터리에서 플로트 전압 (213) 을 유지할 것이다. 시스템이 전압 제어 모드에 있는 동안, 배터리로의 전류 (207) 는 감소하기 시작할 것이다 (즉, "테이퍼 (taper)" 또는 "폴 오프 (fall off)"). 일부 실시형태에서, 전류가 일부 최소 임계값 (즉, 100mA) 에 도달한 이후, 충전기를 턴 오프시키는 것이 바람직할 수도 있다. 그 결과, 저장된 충전 파라미터는 시스템이 전압 모드에 있는 경우, 전류 (207) 를 검출하도록 사용될 수도 있다. 전류 (207) 가 최소 프로그래밍된 값 아래로 하강하는 경우, 시스템은 자동으로 충전기를 셧 다운하고, 충전 주기를 종료한다. 유리하게, 상기 파라미터는 값의 범위에 걸쳐 프로그래밍되어 배터리 수명 동안, 상이한 충전 주기 사이, 또는 심지어 단일의 충전 주기 동안에 특정 배터리의 특정 특징을 최적화할 수도 있다.

도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 프로그래밍된 배터리 충전 파라미터의 사용을 도시한다. 이 예는 본 발명의 몇몇 특징을 나타낸다. 302 에서 배터리 충전 특징에 대응하는 충전 파라미터는 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 저장된다. 충전 파라미터는 예를 들어, 레지스터, 휘발성 메모리 어레이, 또는 비휘발성 메모리 소자에 복수의 디지털 비트로서 저장될 수도 있다. 복수의 비트로 파라미터를 저장하는 것은 각각의 파라미터에 대해 복수의 값을 프로그래밍하는 것을 허용한다. 따라서, 전류, 전압, 또는 임계값과 같은 시스템 파라미터는 광범위한 배터리 특징을 수용하는 값의 범위에 걸쳐 프로그래밍될 수도 있다. 304 에서, 배터리상의 전압은 배터리 전압이 프로그래밍된 예비 충전 임계값 아래인지 위인지를 결정하기 위해 감지된다. 배터리 전압이 프로그래밍된 임계값보다 아래인 경우, 306 에서 프로그래밍된 예비 충전 정전류가 배터리에 공급된다. 일 실시형태에서, 배터리가 충전되는 동안, 저장된 충전 파라미터가 변경될 수도 있다. 예를 들어, 308 에서 재프로그래밍 명령이 주어진 경우, 예비 충전 정전류를 제어하는 충전 파라미터는 310 에서 변경될 수도 있어, 이에 의해 배터리에 전달된 예비 충전 전류를 변경한다. 배터리 전압이 프로그래밍된 예비 충전 전류 임계값 위로 증가하지만, 여전히 플로트 전압 아래인 경우, 배터리에 공급된 정전류는 314 에서 증가된다. 또한, 316 및 318 에 도시된 바와 같이 고속 충전 전류는 또한 시스템에 저장된 대응하는 충전 파라미터를 재프로그래밍함으로써 충전 동안 동적으로 변경될 수도 있다. 배터리상의 전압이 프로그래밍된 전류 제어/전압 제어 임계값까지 증가한 경우, 322 에서, 시스템은 배터리에 정전류를 공급하는 것으로부터 정전압을 공급하는 것으로 변경한다. 또한, 324 및 326 에서 플로트 전압은 값의 범위에 걸쳐 재프로그래밍될 수도 있다. 320 에서, 배터리로의 전류가 감지된 경우, 테이퍼 전류가 프로그래밍된 임계값 아래로 하강하는 경우, 328 에서 충전은 종료된다.

도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한다. 배터리 충전기 (400) 는 배터리 (450) 에 조정된 출력을 제공하기 위해, 전원을 수신하도록 결합된 입력 단자 (예를 들어, Vin) 및 필터를 통해 결합된 출력 단자를 가지는 스위칭 조정기 (410) 를 구비한다. 일 예에서, 스위칭 조정기 (410) 의 출력에서의 전압 및 전류는 인덕터 (402) 및 캐패시터 (403) 을 포함하는 필터를 통해 결합된다. 필터링된 출력 전압 및 필터링된 출력 전류는 배터리에 제공된다. 스위칭 조정기 출력 전류 (또는 배터리 입력 전류) 는 저항 (401; "Rsense") 을 통해 배터리 (450) 에 스위칭 조정기 (410) 의 출력을 결합함으로써 감지된다. 이 예는 스위칭 조정기 (410) 의 제어 입력에 결합된 전류 제어기 (420) 및 전압 제어기 (430) 을 더 구비한다. 전류 제어기 (420) 는 배터리 (450)상의 전압이 프로그래밍된 임계값보다 아래인 경우 동작한다. 전류 제어기 (420) 는 예비 충전 전류, 고속 충전 전류(예, 및 예비 충전 임계값을 각각 설정하는, 저장된 예비 충전 정전류 파라미터 (421), 하나 이상의 저장된 고속 충전 정파라미터 (422), 및 저장된 예비 충전 임계값 파라미터 (423) 를 포함한다. 이 예에서, 전류 제어기 (420) 는 저항 (401) 을 통해 전압을 감지함으로써 전류 (예를 들어, Csense+, Csense-) 를 제어한다. 전압 제어기 (430) 는 배터리 (450) 상의 전압이 프로그래밍된 임계값보다 위인 경우, 동작한다. 저장된 배터리 전압 파라미터 (431) 는 전류 제어에서 전압 제어로의 변환 임계값을 설정하도록 사용된다. 이 예에서, 전압 제어기 (430) 는 배터리 단자에서의 전압 (Vbatt) 을 감지하고, 그에 따라 조정기 (410) 의 제어 단자를 조정함으로써 배터리에서 파라미터 (431) 에 의해 설정된 정전압을 유지한다.

본 발명의 실시형태는 배터리 충전 프로세스에 따라 다양한 다른 파라미터를 프로그래밍하는 단계를 더 포함한다. 예를 들어, 시스템 제어 (440) 는 배터리 전류에 대한 최소 임계값을 프로그래밍하기 위한 종료 전류 파라미터를 포함한다. 배터리 전류가 파라미터 (441) 에 의해 설정된 값 아래로 하강하는 경우, 충전 주기는 종료한다. 따라서, 시스템은 타이머 (442) 를 저장하기 위한 파라미터를 저장할 수도 있다. 예를 들어, 예비 충전 정전류가 초기화되는 경우, 타이머가 시작될 수도 있다. 프로그래밍가능 타이머는 예비 충전 정전류가 배터리에 공급되는 시간을 측정하도록 사용될 수도 있다. 타이머가 프로그래밍된 값에 도달한 이후, 배터리상의 전압이 예비 충전된 임계값 아래인 경우, 시스템은 자동으로 전류 제어를 종료하고 셧 다운 ("타임 아웃") 하여, 이에 의해 충전 주기를 종료한다. 마찬가지로, 프로그래밍된 파라미터는 고속 충전 전류가 배터리에 공급되는 시간을 측정하고 고속 충전 전류에 대한 "타임 아웃" 을 설정하도록 사용될 수도 있다.

일 실시형태에서, 시스템은 프로그래밍가능 열 제어를 포함할 수도 있다. 프로그래밍가능 열 파라미터 (444) 는 저장되고 온도에 따라 시스템의 동작을 제어하도록 사용되는 언더-온도 및 오버-온도 파라미터를 포함할 수도 있다. 배터리의 온도가 프로그래밍된 오버-온도 한계의 위이거나 프로그래밍된 언더-온도 한계 아래인 경우, 충전은 정지할 수도 있다. 또한, 열 파라미터 (444) 는 배터리 온도 센서로의 바이어스 전류를 프로그래밍하기 위해 바이어스 제어 파라미터를 포함할 수도 있다. 일 실시형태에서, 배터리 온도 센서는 외부 네거티브 온도 계수 서미스터 (thermistor) 이다. 따라서, 프로그래밍가능 바이어스 제어는 예를 들어, 상이한 서미스터 값을 가지는 상이한 배터리의 사용을 허용한다. 또 다른 실시형태에서, 시스템은 재충전 파라미터 (443) 를 포함할 수도 있다. 충전 주기 이후에, 배터리는 자동으로 재충전 ("톱 오프 (topped off)") 될 수도 있다. 예를 들어, 입력 전압이 여전히 존재하는 경우, 플로트 전압은 프로그래밍된 재충전 임계값 아래로 하강할 수도 있어, 새로운 충전 주기가 자동으로 초기화될 것이다.
일 실시형태에서 배터리 충전기는 스위칭 조정기의 스위칭 주파수를 프로그래밍하도록 사용되는 프로그래밍가능 데이터 저장 소자를 더 구비한다.

배터리 충전기 (400) 는 예를 들어, 마이크로제어기, 프로세서, 또는 상태 기계를 사용하여 구현될 수도 있는 디지털 제어기 (460) 를 더 구비한다. 제어기 (460) 는 하나 이상의 충전 파라미터를 저장하는 비휘발성 메모리 (461) 를 포함할 수도 있다 (또는 결합될 수도 있음). 또한, 제어기 (460) 는 외부 자원 또는 동일한 전자 디바이스에 위치한 프로세서 (470) 와 통신하는 인터페이스 (462) 를 구비할 수도 있다. 일 실시형태에서, 충전 파라미터는 비휘발성 메모리 (461) 에 저장되어 휘발성 저장 디바이스에 전달될 수도 있다. 제어기 (460) 는 프로세서 (470) 와 인터페이스하여 비휘발성 메모리 또는 휘발성 메모리에 저장된 파라미터를 프로그래밍한다. 예를 들어, 프로세서 (470) 는 파라미터를 변경하기 위해 소프트웨어 충전 알고리즘 (471) 을 포함할 수도 있다. 프로세서는 배터리 전압 및 전류를 감지하는 아날로그/디지털 회로 (미도시) 에 결합될 수도 있고, 알고리즘은 예를 들어, 배터리에서 감지된 전류 및 전압에 기초하여 저장된 파라미터를 변경할 수도 있다.

도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한다. 배터리 충전기 (500) 는 전원을 수신하는 입력 및 인덕터 (502) 및 캐패시터 (503), 및 전류 감지 저항 (501) 을 포함하는 필터를 통해 배터리 (550) 에 결합된 출력을 가진 스위칭 조정기 (510) 를 구비한다. 전류 제어기 (520) 는 저항 (501) 의 전류를 감지하고 제어된 (예를 들어, 정) 전류를 유지하기 위해 조정기 (510) 의 제어 입력에 신호를 제공한다. 제어된 전류는 레지스터 (521, 522, 및 525) 의 디지털 값으로서 저장된 파리미터에 의해 프로그래밍될 수도 있다. 예를 들어, 레지스터 (521) 는 디지털 예비 충전 파라미터 값을 저장할 수도 있고, 레지스터 (522) 는 디지털 고속 충전 파라미터 값을 저장할 수도 있다. 2 개의 상이한 값은 전류 제어기 (520) 에 선택적으로 결합되어 배터리에 공급된 전류를 설정할 수도 있다. 레지스터 (525) 는 예비 충전 임계값을 설정하는 디지털값을 유지할 수도 있다. 레지스터 (525) 의 비트는, 비트를 예를 들어, 전압과 같은 아날로그 파라미터로 변환할 수도 있는 디지털/아날로그 변환기 ("DAC"; 526) 로의 입력일 수도 있다. DAC (526) 의 전압 출력은 레퍼런스로서 사용되고, 비교기 (527) 에서의 배터리 전압에 비교될 수도 있다. 배터리 전압이 프로그래밍된 예비 충전 임계값 아래인 경우, 비교기는 레지스터 (521) 에 저장된 예비 충전 전류값을 선택 회로 (523; 예를 들어, 멀티플렉서) 를 사용하여 DAC (524) 에 결합할 수도 있다. 차례로, DAC (524) 는 예비 충전 전류에 대응하여 디지털 값을 수신하고 스위칭 조정기를 제어하기 위한 아날로그 파라미터를 생성하여 프로그래밍된 전류 값을 전달한다. 전압이 레지스터 (525) 에 프로그래밍된 값 위로 증가하는 경우, 비교기는 상태를 변경하고, 선택 회로 (523) 는 레지스터 (521) 에 저장된 고속 충전 전류 값을 DAC (524) 에 결합한다. 차례로, DAC (524) 는 고속 충전 전류에 대응하여 새로운 디지털 값을 수신하고, 스위칭 조정기를 제어하기 위한 파라미터를 생성하여 새로운 프로그래밍된 전류 값을 전달한다. 상기 회로는 단지 하나의 구현예이다. 또 다른 실시형태에서, 전압 분배기를 구동하기 위해 배터리 전압을 사용함으로써 예비 충전 임계값이 제어될 수도 있다. 전압 분배기의 특정 탭은 프로그래밍가능 레지스터에 의해 디지털적으로 선택될 수도 있다. 그 후, 선택된 탭은 비교기에 결합되고 예를 들어, 레퍼런스 전압에 비교될 수도 있다.

마찬가지로, 전압 제어기 (530) 는 전류 제어 모드로부터 전압 제어 모드로 변경하기 위한 임계값을 저장하기 위해 레지스터 (531) 에 결합된다. 레지스터 (531) 는 임계값을 디지털 값으로 저장한다. 레지스터 (531) 의 디지털 비트는 DAC (532) 에 입력되고 배터리상의 프로그래밍된 정전압을 유지하기 위해 아날로그 파라미터로 변환된다.

이 실시형태에서, 레지스터 (541) 는 종료 전류 값을 프로그래밍하도록 사용된다. 배터리 전류 Iout 는 저항 (501) 에 의해 감지될 수도 있고, 차동 (differential) 전압은 차동/싱글 엔디드 (differential-to-single ended) 변환기 (544) 에서 싱글 엔디드 값으로 변환될 수도 있다. 원하는 종료 전류에 대응하는 디지털 값은 DAC (542) 에 의해 전압으로 변환된다. 차동/싱글 엔디드 변환기 (544) 와 DAC (542) 모두로부터의 전압은 비교기 (543) 로 입력될 수도 있다. 배터리 전류가 프로그래밍된 값 아래로 감소하는 경우 (테이퍼 오프), 비교기는 셧 다운 제어 (540) 로의 신호를 생성하여 충전 주기를 종료한다.

배터리 충전기 (500) 는 시스템의 디지털 정보를 조절하는 제어기 (545) 를 구비한다. 제어기는 직렬 또는 병렬 버스를 통해 다른 일렉트로닉스와의 인터페이싱과 같은 다른 시스템 제어 기능뿐만 아니라, 예를 들어, 메모리 또는 레지스터의 판독 및 메모리 또는 레지스터로의 기록을 위한 회로를 포함할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 충전 파라미터는 예를 들어, EEPROM 과 같은 비휘발성 메모리 (546) 에 저장될 수도 있다. 이 예에서, 파라미터는 비휘발성 메모리 (546) 에 저장되고 레지스터 (521, 522, 525, 531, 및 541) 에 전달된다. 소프트웨어 알고리즘은 파라미터를 수정하도록 사용되고, 알고리즘은 레지스터 (예를 들어, 동적 프로그래밍) 의 파라미터를 변경할 수도 있고 또는 비휘발성 메모리 (예를 들어, 정적 프로그래밍) 의 파라미터를 변경할 수도 있다.

도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 파라미터를 도시한다. 이 예에서, 저장된 파라미터의 변경은 제어기 (645) 에 의해 프로그래밍되어 비휘발성 메모리 (646) 에 저장된 충전 파라미터로 레지스터를 로딩함으로써 충전 주기를 조절한다. 예를 들어, 레지스터 (641) 는 도 5 를 참조하여 전술한 바와 같이, DAC (642), 차동/싱글 엔디드 변환기 (644) 및 비교기 (643) 에 관련하여 종료 전류를 프로그래밍하도록 사용된다. 또한, 레지스터 (651) 는 예비 충전 타이머 (652) 를 프로그래밍하도록 사용될 수도 있고, 레지스터 (661) 는 고속 충전 타이머 (662) 를 프로그래밍하도록 사용될 수도 있다. 타이머 (652) 는 프로그래밍된 기간내에 배터리상의 전압이 프로그래밍된 예비 충전 임계값 위로 증가하지 않는 경우, 충전 주기를 셧 다운할 수도 있다. 마찬가지로, 타이머 (662) 는 프로그래밍된 기간 내에 배터리상의 전압이 프로그래밍된, 정전류에서 정전압으로의 변환 임계값 위로 증가하지 않는 경우, 충전 주기를 셧 다운할 수도 있다

레지스터 (671 및 674) 는 오버-온도 및 언더-온도 파라미터로 프로그래밍될 수도 있다. 레지스터 (671 및 674) 의 디지털 값은 비교기 (673 및 676) 의 입력에 각각 결합되고, 전압 범위의 상한 및 하한의 경계를 규정한다. 비교기 (673 및 676) 로의 다른 입력은 배터리 온도를 검출하는 열 센서 (690) 에 결합된다. 배터리 온도가 프로그래밍된 오버-온도 한계 위이거나, 언더-온도 한계의 아래인 전압을 유발하는 경우, 비교기는 충전 주기를 셧 다운하여 배터리를 보호한다. 일 실시형태에서, 바이어스 전류 (679) 는 레지스터 (677) 및 DAC (678) 에 의해 프로그래밍되어 열 센서상의 전압을 조정한다. 특정 예에서, 열 센서는 네거티브 온도 계수 서미스터를 포함하고, 바이어스 전류는 프로그래밍되어 열 감지 회로의 온도 범위를 최적화한다.

도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 충전 주기의 예이다. 입력 전압이 예를 들어, USB 전력 단자인 애플리케이션에서 사용될 수도 있다. 다음의 예에서, 다수의 충전 주기 파라미터가 전술한 기술에 따라 프로그래밍 가능하고, 예를 들어, 직렬 또는 병렬 버스를 통해 구성되고 변경될 수도 있다. 충전 주기는 재설정 ("POR"; 701) 상의 전력으로 시작한다. 702 에서, 입력 전압은 감지되거나, 그렇지 않은 경우, 전압 및 부가된 오프셋에 대해 비교되고 측정된다. 이 예에서, 입력 전압이 배터리 전압 플러스 130mV 미만인 경우, 시스템은 충전을 종료하고 703 에서 스탠드 바이 모드로 진행한다. 입력 전압이 배터리 전압 플러스 130mV 보다 큰 경우, 704 에서 온도가 감지되고 체크된다. 배터리의 온도가 허용가능한 범위 (즉, T(hi)＞T＞T(lo)) 외인 것으로 결정된 경우, 시스템은 충전을 종료한다. 그러나, 배터리의 온도가 허용가능한 범위 내인 것으로 결정된 경우, 충전 주기는 705 로 계속된다. 전술한 바와 같이, 온도 체크의 특징은 프로그래밍 가능할 수도 있다. 다음의 표 1 및 표 2 는 배터리 온도, 및 오버-온도 및 언더-온도 파라미터에 대한 바이어스 전류의 프로그래밍의 예를 나타낸다.

이 예에서, 시스템은 USB 전력 공급 입력으로부터 충전된다. 그 결과, 시스템은 100mA USB 모드를 디폴트하고 USB 제어기가 USB 유형 (즉, HUB 또는 HOST) 을 특정하기를 기다린다. USB HOST 는 최대 100mA 를 공급할 수 있고, USB HUB 는 최대 500mA 를 공급할 수 있다. 706 에서 시스템은 USB 호스트 유형을 결정한다. USB HOST 에 대해, 충전 정전류는 디폴트 100mA 레벨로의 설정을 유지할 것이다. USB HUB 에 대해, 고속 충전 정전류는 최대 500mA 로 프로그래밍된다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 시스템은 예비 충전 전류를 25mA 로부터 212.5mA 로 12.5mA 씩 프로그래밍하기 위해 충전 파라미터를 저장하는 제 2 레지스터를 구비할 수도 있다. 또 다른 레시스터는 고속 충전 전류를 125mA 로부터 500mA 로 25mA 씩 프로그래밍하도록 사용될 수도 있다. 시스템이 HOST 모드인 경우, 시스템은 고속 충전 레지스터를 디스에이블하고 예비 충전 레지스터로부터 DAC 에 제공된 비트를 제한하여, 출력 전류는 100mA 를 초과할 수 없다.

708 에서 시스템은 배터리 전압을 감지한다. "트리클 (trickle) 충전" 을 시작하기 위해, 708 에서 시스템은 우선 배터리 전압을 프로그래밍가능 임계값과 비교할 수도 있다. 배터리 전압이 2.16V 아래인 경우, 709 에서 트리클 전류 (예를 들어, 3mA) 가 생성될 수도 있고, 타이머가 오프된다 (즉, 타임 아웃은 아님). 본 발명의 일 실시형태에 따라, 트리클 충전 임계값 및 트리클 정전류는 대응하는 충전 파라미터를 저장함으로써 프로그래밍가능하다. 배터리 전압이 트리클 임계값 위로 증가하는 경우, 시스템은 예비 충전 정전류를 생성하고 배터리 전압을 모니터링하기 시작할 것이다. 710 에서 배터리상의 전압이 예비 충전 임계값 아래인 한, 711 에서 시스템은 예비 충전 모드일 것이다. 전술한 바와 같이, 예비 충전 임계값은 값의 범위에 걸쳐 프로그래밍가능하다. 다음의 표는 예를 들어, 프로그래밍가능 레지스터 또는 다른 프로그래밍가능 메모리에서의 상이한 충전 파라미터 값 (예를 들어, 비트 0..2) 에 의해 프로그래밍될 수도 있는 상이한 예비 충전 임계값을 나타낸다.

712 에서, 시스템은 타이머를 시작하고 프로그래밍된 예비 충전 정전류를 생성한다. 다음의 표는 예를 들어, 프로그래밍가능 레지스터 또는 다른 프로그래밍가능 메모리에서의 상이한 충전 파라미터 값 (예를 들어, 비트 0..2) 에 의해 프로그래밍될 수도 있는 상이한 예비 충전 전류를 나타낸다.

시스템이 예비 충전 정전류를 공급하는 동안, 713 에서 시스템은 배터리 전압을 감지한다. 배터리 전압이 프로그래밍된 예비 충전 임계값 아래인 경우, 시스템은 예비 충전 전류를 공급하기를 계속할 것이고, 타이머는 동작하기를 계속할 것이다. 714 에서 타이머가 완료시, 배터리 전압이 예비 충전 임계값 아래인 경우, 715 에서 시스템은 배터리 폴트를 생성할 것이고, 716 에서 충전 주기를 종료할 것이다. 또한, 예비 충전 타임 아웃은 프로그래밍가능하다. 다음 표는 프로그래밍가능 레지스터 또는 메모리에서의 상이한 충전 파라미터 값 (예를 들어, 비트 0..2) 에 의해 프로그래밍될 수도 있는 상이한 타임 아웃을 나타낸다.

예비 충전 전류가 예비 배터리 전압을 충전 임계값 위로 증가시킨 경우, 717 에서 시스템은 "노멀" 에서 "고속 충전" 으로 스위칭할 것이다. 이 모드에서, 시스템은 프로그래밍가능 고속 충전 타이머를 재설정할 것이고, USB HUB 에 대해 최대 100mA 또는 USB HOST 에 대해 최대 500mA 를 가지는 프로그래밍된 정전류를 공급할 것이다. 고속 충전 타이머는 또한 다음과 같이 프로그래밍가능하다.

고속 충전 동안, 718 에서 배터리상의 전압은 다시 모니터링된다. 배터리상의 전압이 프로그래밍된 플로트 전압 ("Vfloat") 미만인 경우, 719 에서 충전 시스템은 배터리로의 프로그래밍된 정전류를 조정할 것이다. 다음 표는 USB HUB 에 대해 프로그래밍될 수도 있는 고속 충전 전류를 나타낸다. USB HOST 고속 충전 전류는 최대 100mA 로 제한된다. 예를 들어, 이것은 예비 충전에 대해 예비 충전 레지스터를 사용한 후, 고속 충전 동안 더 높은 전류에 대해 레지스터를 재프로그래밍함으로써 이루어진다.

721 에서 배터리상의 전압이 플로트 임계값에 도달하기 이전에, 720 에서 고속 충전 타이머가 완료된 경우, 715 에서 시스템은 배터리 폴트를 이슈하고 716 에서 충전 주기를 종료할 것이다. 그러나, 타이머가 완료되기 이전에, 배터리 전압이 프로그래밍된 프로트 전압까지 증가한 경우, 시스템은 정전압 조정 모드로 변환하고 정전압 타이머를 설정할 것이다. 또한, 배터리에 제공된 플로트 전압은 명령을 프로그래밍함으로써 설정된다. 다음 표는 프로그래밍될 수도 있는 가용 플로트 전압을 나타낸다. 아래의 표로부터, 전압의 범위가 충전기의 출력에서 프로그래밍될 수도 있음을 알 수 있다. 그 결과, 배터리 또는 배터리 조건의 변경은 여기서 설명된 기술을 사용하여 배터리 충전기에 의해 수용될 수도 있다.

출력에서의 전압이 프로그래밍된 플로트 전압으로 유지되는 동안, 배터리로의 전류는 테이퍼 오프 (감소) 하기 시작할 것이다. 723 에서 충전 시스템이 전류를 모니터링하고, 정전압 조정 동안 배터리로의 전류가 프로그래밍된 종료 전류 임계값 아래로 감소하는 경우, 725 에서 시스템은 충전 주기를 종료할 것이다. 또한 724 에서 배터리로의 전류가 프로그래밍된 정전압 타이머보다 더 오래, 프로그래밍된 종료 임계값 위로 유지되는 경우, 724 에서 시스템은 타임 아웃하고, 715 에서 배터리 폴트를 생성하며, 716 에서 충전 주기를 종료할 수도 있다. 타이머가 완료하기 이전에, 전류가 프로그래밍된 종료 전류 임계값 아래로 하강하는 경우, 725 에서 충전기는 충전 주기를 종료하고 스탠드 바이 모드로 변환할 것이다. 스탠드 바이 모드 동안, 시스템은 배터리 전압을 모니터링할 것이고, 배터리 전압이 소정의 레벨 아래로 하강하는 경우 (예를 들어, 프로그래밍된 플로트 전압 100mV 아래), 시스템은 "톱 오프 (top off)" 주기로 진행한다.

도 8 은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 스위칭 조정기 (803) 를 구비하는 스위칭 배터리 충전기 (801) 를 도시한다. 디바이스 일렉트로닉스 (802) 는 배터리 (850) 로부터 전력을 수신하는 전력 공급 단자 ("Vcc") 를 구비한다. 배터리 (850) 가 고갈된 경우, 배터리 (850) 는 스위칭 조정기 (803) 및 필터 (804) 를 통해 전원 (810) 으로부터의 전압 및 전류를 배터리 (850) 에 결합함으로써 재충전될 수도 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 전원은 예를 들어 USB 포트로부터의 DC 전원일 수도 있다. 여기서 설명된 기술은 AC 전원에 적용될 수도 있다. 그 결과, 도 8 은 DC 전력을 사용하는 하나의 시스템의 예이다. 스위칭 조정기 (803) 는 스위칭 디바이스 (821), 스위칭 회로 ("스위처"; 822), 조정가능 전류 제어기 (823), 출력 감지 회로 (825), 및 입력 감지 회로 (824) 를 구비할 수도 있다. 스위칭 조정기 (803) 는, 스위칭 조정기 (803) 가 트랜지스터 (821) 의 제어 단자에서 스위칭 제어 신호 (822A) 를 생성하는 스위칭 회로 (822) 를 포함한다는 점에서 선형 조정기와 구별된다. 예를 들어, 스위칭 디바이스 (821) 은 PMOS 트랜지스터일 수도 있다. 그러나, 스위칭 디바이스는 예를 들어, 하나 이상의 바이폴라 또는 MOS 트랜지스터와 같은 다른 유형의 디바이스를 사용하여 구현될 수도 있다.

전류 제어 모드에서, 출력 감지 회로 (825) 는 배터리로의 출력 전류를 감지한다. 전류 제어기 (823) 는 출력 전류를 제어하기 위해 출력 감지 회로 (825) 에 결합된다. 전류 제어기 (823) 는 출력 전류에 대응하여 출력 감지 회로로부터 입력을 수신한다. 전류 제어기 (823) 는 이들 입력을 사용하여, 출력 전류를 수정하는 스위칭 디바이스 (821) 의 제어 단자로 신호를 차례로 제공하는 스위칭 회로 (822) 를 제어한다. 스위칭 제어 방식의 예는 스위칭 디바이스 (821) 의 제어 단자를 변조하는 펄스 폭을 포함할 수도 있다. 스위칭 조정기 (803) 는 필터 (804) 를 통해 배터리 (850) 의 단자에 결합된다. 배터리 단자에서의 전압 또는 전류는 배터리 전압 또는 배터리로의 전류를 감지함으로써 제어될 수도 있다. 전류 제어 모드에서, 전류 제어기 (823) 는 감지된 배터리 전류를 수신하고 제어 신호 (822A) 를 수정하여, 배터리 전류를 제어된 값으로 유지하기 위해 스위칭 회로 (822) 및 스위칭 디바이스 (821) 의 행동을 변경한다. 마찬가지로, 전압 제어 모드에서, 전압 제어기 (후술됨) 는 감지된 배터리 전압을 수신하고, 제어된 신호 (822A) 를 수정하여, 배터리 전압을 제어된 값으로 유지하기 위해 스위칭 회로 (822) 및 스위칭 디바이스 (821) 의 행동을 변경한다. 따라서, 배터리로의 전압 및 전류는 제어된 값으로 유지될 수 있다. 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 전류 제어기 (823) 는 배터리상의 전압이 증가함에 따라 배터리 전류의 수정을 제어하기 위해, 배터리상의 전압 또는 스위칭 조정기로의 입력 전류에 결합된 또 다른 입력을 포함할 수도 있다. 배터리 전압 또는 입력 전류가 이 목적을 위해 사용될 수도 있기 때문에, 시스템은 입력 감지 회로 (824) 를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다.

일 실시형태에서, 스위칭 조정기 (803) 는 전원 (810) 으로부터 전압 및 전류를 수신하여 배터리에 전원으로부터 수신된 전류보다 더 큰 충전 전류를 제공한다. 예를 들어, 전원으로부터 수신된 전압이 배터리 전압보다 큰 경우, 스위칭 조정기는 배터리에 스위칭 조정기로의 입력 전류보다 더 큰 충전 전류를 제공할 수 있다. 스위칭 조정기의 입력에서의 전압이 배터리상의 전압보다 큰 경우 (종종 "벅 (Buck)" 으로 칭함), 스위칭 조정기의 "이상적인" 전압-전류 관계는 다음과 같이 주어진다.

Vout=C*Vin; 및

Iout=Iin/C,

여기서 C 는 상수이다. 예를 들어, 펄스 폭 변조된 스위칭 조정기에서, C 는 스위칭 디바이스(들) 의 제어 입력에서의 스위칭 파형의 "듀티 주기 (Duty Cycle)", D 이다. 상기 수학식은 출력 전류는 다음과 같이 입력 전류, 입력 전압 및 출력 전압의 함수임을 나타낸다.

Iout=Iin*(Vin/Vout).

상기 수학식은 "이상적인" 벅 (buck) 조정기에 적용된다. 실질적인 구현예에서, 출력은 비이상성 (non-ideality) (즉 효율성 손실) 에 대해 약 10% (즉, 효율성 η=90%) 일 수도 있게 디레이팅된다. 상기 수학식은 배터리 (850) 로의 충전 전류가 입력 전류보다 클 수도 있다는 것을 나타낸다 (즉, 여기서 입력 전압 Vin 은 출력 전압보다 더 크다). 또한, 충전 주기의 시작에서 배터리 전압은 충전 주기의 나중 시점에서 더 작다. 그 결과, 충전 주기의 시작에서 배터리로의 전류는 충전 주기의 나중의 시점에서 배터리로의 전류 (Vin/Vbatt 가 더 작은 경우; 여기서 Vbatt=Vout) 보다 더 클 수도 있다 (즉, Vin/Vbatt 가 더 큰 경우). 일 실시형태에서, 배터리로의 전류 (즉, 스위칭 조정기의 출력 전류) 가 제어되고 초기값으로 설정되고, 배터리 전압이 증가함에 따라, 출력 전류는 감소한다. 상기 수학식은 배터리 전압이 증가함에 따라, 스위칭 조정기로의 전류는 스위칭 조정기의 출력에서 주어진 전류에 비해 증가하기 시작할 것을 나타낸다. 이 효과는 상기 도시된 스위칭 조정기상의 전압-전류 관계로부터 기인한다. 예를 들어, Iout 및 Vin 이 고정된 경우, Vout 이 증가함에 따라 Iin 이 증가하여야 한다. 따라서, 상이한 실시형태는 출력 전압 또는 입력 전류를 감지할 수도 있고, 배터리 전압이 증가함에 따라 배터리로의 전류를 감소시킬 수도 있다.

예를 들어, 스위칭 조정기 (803) 는 전류 제어 모드에서 동작할 수도 있고, 출력 감지 회로 (825) 는 스위칭 조정기의 출력 전류 (즉, 배터리 입력 전류) 를 감지하고, 전류 제어기 (823) 는 배터리상의 전압이 증가함에 따라 배터리로의 전류의 감소를 제어한다. 일 실시형태에서, 배터리 전류를 감소시키는 신호 전류 제어기 (823) 는 증가하는 배터리 전압에 대응하는 제어 신호에 응답하여 배터리 전류를 감소시킬 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 입력 감지 회로 (824) 는 스위칭 조정기로의 입력 전류를 감지하고, 전류 제어기 (823) 는 증가하는 입력 전류에 대응하는 제어 신호에 응답하여 배터리로의 전류를 감소시킨다. 등가적으로, 입력 전류 또는 배터리 전압에 관련된 파라미터가 모니터링되어 배터리로의 전류를 조정하기 위해 원하는 정보를 획득할 수 있다. 일 실시형태에서, 제어기 (이하 더 상세히 설명됨) 는 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압에 응답하여 전류 제어기로의 하나 이상의 제어 신호를 생성하기 위해 사용된다. 제어기는 감지된 파라미터 (예를 들어, 아날로그 또는 디지털 신호로서 입력 전류 또는 배터리 전압) 를 수신하고 출력에서의 전류를 조정하기 위해 전류 제어기 (823) 로의 하나 이상의 제어 신호를 생성하는 회로이다. 감지 회로, 제어기 및 전류 제어기는 (전체적으로 또는 일부로) 아날로그 회로로서 구현될 수도 있어, 스위칭 조정기 출력 전류 (즉, 배터리 충전 전류) 는 배터리상의 스위칭 조정기 출력 전압이 증가함에 따라 지속적으로 감소한다. 또 다른 실시형태에서, 배터리 충전 전류는 배터리 전압이 증가함에 따라 점진적으로 (incrementally) 감소되도록 제어기 및 또는 전류 제어기가 (전체적으로 또는 일부로) 디지털 회로로서 구현될 수도 있다. 이들 회로의 예는 이하 설명된다.

도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 것을 나타낸다. 901 에서, 입력 전압 및 입력 전류는 스위칭 조정기의 입력에서 수신된다. 902 에서, 스위칭 조정기의 출력에서의 스위칭 출력 전류 및 전압은 배터리의 단자에 결합된다. 예를 들어, 스위칭 트랜지스터의 출력 단자는 필터를 통해 배터리 단자에 결합될 수도 있다. 903 에서, 출력 전압 (즉, 배터리 전압) 및 출력 전류 (즉, 배터리 입력 전류) 는 스위칭 조정기의 출력에서 생성된다. 904 에서, 배터리로의 전류는 배터리상의 출력 전압이 증가함에 따라 감소한다. 전술한 바와 같이, 스위칭 조정기는 직접 배터리 전압, 입력 전류를 감지하거나 다른 관련 파라미터를 감지함으로써 배터리 전압의 상승을 검출할 수도 있다.

도 10a 및 10b 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 것을 나타낸다. 도 10a 의 그래프는 수평축의 시간에 대해 좌측 수직축에 배터리상의 전압 및 우측 수직축에 플롯팅된 전류를 도시한다. 시간에 따른 배터리상의 전압은 라인 (1001) 에 의해 도시되고, 배터리로의 전류는 라인 (1002) 에 의해 도시되며, 스위칭 조정기로의 전류는 라인 (1003) 에 의해 도시된다. 이 예는 완전히 고갈된 Li+ 배터리를 충전하기 위한 충전 주기를 도시한다. 배터리는 전류 제어 모드 (t=0, t2) 및 전압 제어 모드 (t=t2, t3) 인, 2 개의 기본 모드에서 충전된다. 이 예에서, 배터리상의 전압은 초기에, 배터리가 완전히 고갈되었음을 나타내는, 일부 특정 임계값 (예를 들어, 3V) 아래이다. 따라서, 전류 제어 모드는 초기에 예비 충전 정전류 (1010; 예를 들어, 100mA) 를 생성할 수도 있다. 예비 충전 정전류 (1010) 는 배터리 전압이 증가하도록 할 것이다. 배터리 전압이 예비 충전 임계값 (1020; 예를 들어, 3V) 위로 증가하는 경우, 시스템은 배터리로 소싱된 전류를 증가시킬 것이다. 제 2 전류는 종종 "고속 충전" 전류로 칭한다.

도 10a 에 도시된 바와 같이, 배터리로의 전류는 스위칭 조정기에 의해 수신된 전류보다 더 클 수도 있다. 예를 들어, 고속 충전 주기의 시작에서, 배터리로의 전류는 초기에 750mA 로 설정될 수도 있고, 스위칭 조정기의 전류는 500mA 이다. 따라서, 배터리상의 전압은 배터리가 충전됨에 따라 증가하기 시작할 것이다. 배터리 전압이 증가함에 따라, 배터리로의 전류가 감소될 수도 있어, 입력 전류는 대략 일정하게 유지된다. 전술한 바와 같이, 배터리상의 전압이 증가하는 경우, 및 스위칭 조정기에 의해 공급된 전류가 일정하게 유지되는 경우, 스위칭 조정기로의 전류는 증가하기 시작할 것이다. 일부 애플리케이션에서, 입력 전류를 일부 임계값 아래로 유지하여 스위칭 조정기로의 총 전력이 전원에서의 가용 총 전력을 초과하지 않도록하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 전원이 USB 포트인 경우, 최대 전류는 USB 포트 유형 (HOST 또는 HUB) 에 의존하여 100mA 또는 500mA 일 수도 있다. 이 예에서, 입력 전류는 대략 일정하게 유지되고 배터리로의 전류는 배터리 전압이 증가함에 따라 감소한다. 예를 들어, 1020B 에서 배터리 전압이 3 V 위로 증가하는 경우, 배터리로의 전류는 약 700mA 로 감소한다. 도 10a 로부터, 배터리상의 전압이 증가함에 따라 전류가 지속적으로 감소하여 입력 전류를 대략 일정하게 유지하는 것을 알 수 있다. 전술한 바와 같이, 아날로그 또는 디지털 기술이 배터리 전류를 제어하도록 사용될 수도 있다. 또한, 시스템은 스위칭 조정기로의 입력 전류 또는 배터리 전압을 감지하여 배터리 전류 제어를 구현할 수도 있다.

배터리 상의 전압이 시간 t2 에서 임계값 (1030A) 위로 증가하는 경우, 시스템은 자동으로 변환하여 배터리에 정전압 (즉 "플로트" 전압) 을 제공할 수도 있다. 배터리가 전류 제어 모드 동안 플로트 전압으로 증가하는 경우, 시스템은 전압 제어 모드로 변환하여 배터리에서 플로트 전압을 유지할 것이다. 시스템이 전압 제어 모드에 있는 동안, 배터리로의 전류 (1030) 는 감소하기 시작할 것이다 (즉, "테이퍼" 또는 "하강 (fall off)"). 일부 실시형태에서, 전류가 일부 최소 임계값 (1040) 에 도달한 이후 충전기를 턴 오프하는 것이 바람직할 수도 있다. 그 결과, 배터리 전류가 최소 임계값 아래로 하강하는 경우, 시스템은 자동으로 충전기를 셧 다운하고 t3 에서 충전 주기를 종료한다.

도 10b 는 배터리 전압에 대한 스위칭 조정기로의 입력 전류 및 이 스위칭 조정기에 의해 제공된 배터리 전류를 나타낸다. 도 10b 의 그래프는 수직축상에 플롯팅된 전류 및 수평축상에 배터리 전압을 도시한다. 초기에, 배터리 전압은 일부 임계값 (예를 들어, 3V) 아래이고, 시스템은 예비 충전 모드이며, 스위칭 조정기가 설정되어 예비 충전 정전류 (1010A; 예를 들어, 100mA) 를 배터리에 제공한다. 따라서, 입력 전류 (1010B) 는 배터리 전류보다 적다 (예를 들어, ＜100mA). 시스템이 고속 충전 모드로 변환한 경우 (예를 들어, 배터리 전압이 3V 와 같은, 일부 임계값 위로 증가하는 결과로서), 배터리 전류는 예비 충전 값으로부터 최대 값 (1002A; 예를 들어, 700mA) 으로 재설정될 수도 있다. 스위칭 조정기로부터 배터리에 공급된 전류가 증가하는 경우, 입력 전류는 마찬가지로 새로운 값 (1003A; 예를 들어, 약 475mA) 으로 증가한다. 그러나, 배터리 전압이 임계값 위로 증가함에 따라, 출력 전류가 일정하게 유지되는 경우, 입력 전류는 증가할 것이다. 일부 적용에서, USB 전원과 같은 전원은 스위칭 조정기에 일부 최대값 (예를 들어, USB 에 대해 500mA) 위인 입력 전류를 제공할 수 없을 수도 있다. 배터리로의 전류를 설정시에, 최대 입력값이 고려될 수도 있다. 따라서, 입력 전류가 일부 임계값 (예를 들어, 500mA 와 같은 최대 허용가능 레벨) 으로 증가한 경우, 시스템은 이전 값보다 작은 새로운 값 (1002B) 으로 배터리 전류를 재설정할 수도 있고 따라서 입력 전류가 (1003B) 에서의 임계값 (예를 들어, 450mA) 아래로 감소한다. 배터리상의 출력 전압이 증가함에 따라, 배터리로의 출력 전류가 점진적으로 감소할 수도 있어, 도 10b 에 도시된 바와 같이, 출력 전류는 임계값 아래로 유지된다. 일 실시형태에서, 스위칭 조정기로의 입력 전류를 감지하고, 입력 전류가 임계값 위로 증가하였음을 결정하는 것에 응답하여, 출력 전류는 점진적으로 감소한다. 또 다른 실시형태에서, 출력 전류는 배터리 전압을 감지하는 것에 응답하여 점진적으로 감소된다.

도 11 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 배터리 충전 시스템 (1100) 의 구현예를 나타낸다. 이 예는 배터리 전압이 증가함에 따라 배터리 전류를 조정하기 위해 디지털 제어기 (1145) 및 프로그래밍 가능 저장소를 사용하는 하나의 가능한 구현을 나타낸다. 배터리 충전기 (1100) 는 전원으로부터 입력 전압 및 전류를 수신하는 입력을 갖는 스위칭 조정기 (1110) 를 구비한다. 스위칭 조정기 (1110) 의 출력은 인덕터 (1103) 및 캐패시터 (1104) 를 포함하는 필터를 통해 배터리 (1150) 에 결합된다. 또한, 전류 감지 저항 (1101) 는 배터리로의 전류 경로에 포함될 수도 있다. 전류 제어기 (1120) 는 배터리 전류를 감지하기 위해 전류 감지 저항 (1101) 의 제 1 단자에 결합된 제 1 입력 및 전류 감지 저항 (1101) 의 제 2 단자에 결합된 제 2 입력을 가진다. 전류 제어 모드에서, 전류 제어기 (1120) 는 감지된 배터리 전류를 수신하고 스위칭 조정기 (1110) 의 제어 입력에 제어 신호를 제공한다. 이 예에서, 전류 제어기 (1120) 는 조정가능한 전류 제어기이고, 스위칭 조정기에 의해 생성된 출력 전류를 조정하기 위해 제어 신호를 수신하는 제어 입력 (1120A) 을 구비한다. 시스템 (1100) 은 충전 주기의 전압 제어 모드에 대해 전압 제어기 (1130) 를 더 구비한다. 전압 제어기 (1130) 는 배터리 전압을 감지하기 위해 배터리의 단자에 결합된 제 1 입력을 구비한다. 전압 제어 모드에서, 전압 제어기 (1130) 의 출력은 스위칭 조정기 (1110) 로의 제어 신호를 생성한다. 이 예에서, 전압 제어기 (1130) 는 조정가능한 전압 제어기이고, 스위칭 조정기에 의해 생성된 출력 전류를 조정하기 위해 제어 입력 (1130A) 을 구비한다. 충전 시스템 (1100) 은 전술한 바와 같이 전류 제어 및 전압 제어 모드에서 스위칭 조정기를 구성하기 위해 전류 제어기 (1120) 및 전압 제어기 (1130) 에 결합된 데이터 저장소를 더 구비한다.

이 예에서, 디지털 제어기 (1145) 는 배터리상의 전압이 증가함에 따라 배터리 전류를 변경하기 위해 전류 제어기 (1120) 의 제어 입력을 수정하도록 사용된다. 일 실시형태에서, 감지 회로 (예를 들어, 입력 감지 회로 (1102)) 는 스위칭 조정기의 입력 전류를 감지하도록 사용될 수도 있다. 이 예에서, 입력 감지 저항 (1102) 는 스위칭 조정기에 의해 수신된 제 1 입력 전류를 감지하는 수단이다. 등가적인 감지 수단은 예를 들어, 트랜지스터 또는 유도성 감지 기술을 포함할 수도 있다. 저항 (점진적으로) 의 단자는 아날로그/디지털 ("A/D") 변환기 (1148) 를 통해 디지털 제어기 (1145) 에 결합된다. 또 다른 실시형태에서, 배터리상의 전압은 A/D (1149) 를 통해 디지털 제어기 (1145) 에 결합될 수도 있다. 다양한 기술들이 A/D 및 DAC 에 대해 사용될 수도 있다. 이 예에서, DAC (1124), 레지스터 (1122), 디지털 제어기 (1145), 및 A/D (1148) 또는 A/D (1149) 중 하나는 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압에 응답하여 전류 제어기로의 제어 신호를 생성하는 수단을 포함한다. 다른 감지 및 제어 회로 기술이 사용될 수도 있고, 레지스터 감지, A/D, 레지스터, 및 DAC 는 단지 예시적이다. 전술한 바와 같이, 제어기 (1145) 는 감지된 출력 전류 또는 출력 전압을 수신하고 전류 제어기 (1120) 를 조정하여 배터리 전류를 제어한다. 예를 들어, 디지털 제어기 (1145) 는 차례로 아날로그 신호로 변환되고 전류 제어기 (1120) 의 제어 입력 (1120A) 에 결합된 충전 파라미터를 갖는 데이터 저장 소자를 프로그래밍하도록 사용될 수도 있다. 데이터 저장소 내의 충전 파라미터는 예를 들어, 디지털 버스 (1141; 예를 들어, 직렬 또는 병렬 버스) 를 사용하여 제어기 (1145) 를 통해 프로그래밍될 수도 있다. 따라서, 충전 파라미터는 소정의 소프트웨어 알고리즘의 제어하에서 변경될 수도 있다. 제어기 (1145) 는 스위칭 조정기 및 스위칭 배터리 충전기 회로와 동일한 집적 회로상에 포함될 수도 있고, 또는 제어기 (1145) 는 전자 디바이스의 또 다른 집적 회로상에 포함될 수도 있다. 일 실시형태에서, 디지털 버스는 예를 들어, I²C 버스 또는 USB 에 결합되거나 이를 사용하여 구현될 수도 있다.

배터리 전압이 증가함에 따라, 디지털 제어기 (1145) 는 레지스터 (1122) 를 프로그래밍하여 배터리 전류를 변경할 수도 있다. 예를 들어, 디지털 제어기 (1145) 는 배터리 전압을 임계값 (소프트웨어 내 또는 하드웨어 내) 과 비교하여, 배터리 전압이 임계값을 초과하는 경우, 레지스터 (1122) 를 재프로그래밍한다. 배터리 전압이 증가함에 따라, 제어기 (1145) 는 배터리 전압을 상이한 임계값과 비교하여 출력 전류를 변경할 수도 있다. 임계값은 예를 들어 선형적으로 이격되거나 특정 시스템 요구사항에 따라 결정될 수도 있다. 따라서, 디지털 제어기 (1145) 는 조정기 입력 전류를 임계값 (소프트웨어 내 또는 하드웨어 내) 과 비교하여, 입력 전류가 임계값을 초과하는 경우, 레지스터 (1122) 를 재프로그래밍한다.

도 12 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 배터리 충전 시스템 (1200) 의 구현예를 나타낸다. 이 예는 배터리 전압이 증가함에 따라 배터리 전류를 조정하기 위해 아날로그 제어기 (1245) 를 사용하는 하나의 가능한 구현을 나타낸다. 배터리 충전기 (1200) 는 전원으로부터 전압 및 전류를 수신하는 입력을 가진 스위칭 조정기 (1210) 를 구비한다. 스위칭 조정기 (1210) 는 인덕터 (1203) 및 캐패시터 (1204) 를 포함하는 필터를 통해 배터리 (1250) 에 결합된다. 도 11 에서 배터리 충전 시스템 (1100) 에 대해 설명된 바와 같이, 전류 제어 모드에서, 전류 제어기 (1220) 는 입력 전류를 감지하여 베터리에 소싱된 전류를 제어하기 위해 스위칭 조정기 (1210) 의 제어 입력에 제어 신호를 제공한다. 이 예에서, 전류 감지 저항 (1201) 은 배터리로의 경로에 포함되고, 전류 제어기 (1220) 는 배터리 전류를 감지하기 위해 전류 감지 저항 (1201) 의 제 1 단자에 결합된 제 1 입력 및 전류 감지 저항 (1201) 의 제 2 단자에 결합된 제 2 입력을 가진다. 도 11 의 충전기 (111) 에서와 같이, 전류 제어기 (1220) 는 조정가능한 전류 제어기이고, 스위칭 조정기에 의해 생성된 출력 전류를 조정하기 위해 제어 신호를 수신하는 제어 입력 (1246) 을 구비한다. 시스템 (1200) 은 충전 주기의 전압 제어 모드에 대해 전압 제어기 (1230) 를 더 구비한다. 전압 제어기 (1230) 는 배터리 전압을 감지하기 위해 배터리의 단자에 결합된 제 1 입력을 구비한다. 전압 제어 모드에서, 전압 제어기 (1230) 의 출력은 스위칭 조정기 (1210) 로의 제어 신호를 생성한다.

이 예에서, 아날로그 제어기 (1245) 는 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압에 응답하여 전류 제어기로의 제어 신호를 생성하는 수단을 구비한다. 아날로그 제어기 (1245) 는 배터리 전압을 감지하기 위해 배터리 단자에 결합되거나 스위칭 조정기로의 입력 전류를 감지하기 위해 입력 전류 감지 회로에 결합될 수도 있다. 이 예에서, 입력 전류 감지 회로는 스위칭 조정기 (1210) 의 입력에 결합된 전류 감지 저항 (1202) 이다. 이 예에서, 아날로그 제어기 (1245) 는 배터리에 결합된 입력을 가질 수도 있고, 또는 아날로그 제어기 (1245) 는 감지 저항 (1201) 를 통해 결합된 2 개의 입력을 구비할 수도 있다. 감지된 입력 전류 또는 배터리 전압에 응답하여, 아날로그 제어기는 전류 제어기 (1220) 의 제어 입력 (1246) 상의 하나 이상의 제어 신호를 수정하여 배터리 전류를 변경한다. 아날로그 제어기 (1245) 는 다양한 상이한 입력 또는 출력 회로 기술을 사용하여 입력 전류 또는 배터리 전압을 감지하고, 전류 제어기 (1220) 의 특정 구현에 의존하여 적당한 신호 또는 신호들을 생성할 수도 있다. 예를 들어, 아날로그 제어기 (1245) 는 감지된 전압 또는 전류를 프로세싱하고 전류 제어기 (1220) 로의 제어 입력 (1246) 상의 하나 이상의 제어 신호를 생성하여 배터리 전류를 조정하기 위해, 예를 들어, 증폭기, 전류원, 리미터, 및/또는 비교 회로를 구비할 수도 있다. 다양한 감지 회로 및 아날로그 회로가 사용될 수도 있다. 그 결과, 전류 제어 모드에서 생성된 배터리 전류는 감지된 배터리 전압 입력 또는 감지된 입력 전류에 응답하여 아날로그 제어기 (1245) 에 의해 조정될 수도 있다. 따라서, 전술한 바와 같이, 전류 제어기 (1220) 는 스위칭 조정기로의 전류보다 더 큰, 배터리로의 전류를 생성할 수도 있다. 전류 제어기 (1220) 는 배터리로의 입력 전류 및 아날로그 제어기 (1245) 로부터의 제어 신호를 감지하고, 배터리상의 전압이 증가함에 따라 배터리 전류는 감소할 수도 있다.

도 13 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전기의 일 예이다. 배터리 충전기 (1300) 는 입력 단자 (1308) 와 출력 단자 (1309) 사이에 결합된 전압 및 전류를 제어하기 위해 트랜지스터 (1307; 예를 들어, PMOS 트랜지스터) 에 결합된 스위칭 조정기 (1303), 전류 제어기 (1302), 및 전압 제어기 (1301) 를 구비한다. 전류 제어기 (1302) 는 출력 전류 감지 저항 (예를 들어, 0.1 옴 저항) 를 통해 전류를 감지하기 위해 제 1 입력 단자 (1310) 및 제 2 입력 단자 (1311) 를 구비한다. 단자 (1310) 는 트랜지스터 (1307) 의 단자 (1309) 에 결합된 레지스터의 포지티브 단자에 결합되고, 단자 (1311) 는 배터리에 결합된, 레지스터의 네거티브 단자에 결합된다 (스위칭 조정기에서, 단자 (1309) 는 인덕터에 결합되고, 인덕터의 다른 단자는 단자 (1310) 에 결합될 수도 있다). 전류 제어기 (1302) 는 단자 (1310) 와 단자 (1311) 사이에서 감지된 전류에 응답하여 스위칭 조정기에 의해 생성된 전류량을 제어하기 위해 제어 입력 (1350) 을 더 구비한다. 전류 제어기 (1302) 의 출력은 조정기 (1303) 의 입력에 결합된다. 전압 제어기 (1301) 는 배터리에 결합된 배터리 감지 입력 단자 (1312), 및 예를 들어, DAC 에 결합될 수도 있는 제어 입력 (1351) 을 구비한다. 또한, 전압 제어기 (1301) 의 출력은 스위칭 조정기 (1303) 의 입력에 결합된다. 스위칭 조정기 (1303) 는 레퍼런스 전압 (1314; 예를 들어, 1V) 에 결합된 제 1 입력 및 전압 제어기 (1301) 및 전류 제어기 (1302) 의 출력에 결합된 제 2 입력 단자를 갖는 에러 증폭기 (1304) 를 구비할 수도 있다. 에러 증폭기 (1304) 의 출력은 예를 들어, 펄스 폭 변조 ("PWM") 의 듀티 주기 제어와 같은, 스위칭 회로 (1305) 의 입력에 결합된다. 다양한 스위칭 기술이 본 발명을 실시하도록 사용될 수 있다. 노드 (1313) 는 조정기의 네거티브 피드백 노드이다. 그 결과, 전류 제어 또는 전압 제어하에서, 루프는 에러 증폭기의 레퍼런스 전압 (예를 들어, 1V) 과 동일한 전압으로 노드 (1313) 를 구동할 것이다.

도 14 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 제어기의 일 예이다. 전압 제어기 (1400) 는 본 발명의 상이한 실시형태를 실시하도록 사용될 수도 있는 제어 회로의 단지 하나의 예이다. 이 예에서, 배터리 감지 단자 (1401) 는 충전될 배터리에 결합된다. 제 2 입력 단자 (1402) 는 배터리 단자에서의 전압을 프로그래밍된 전압 값으로 설정하기 위해 제어 입력 (예를 들어, 디지털/아날로그 변환기의 출력) ("Vctrl") 에 결합된다. 단자 (1402) 는 배터리에서의 전압을 설정하는 충전 파라미터를 저장하는 레지스터 또는 메모리에 Vctrl 을 통해 겹합될 수도 있다. 배터리 전압은 충전 파라미터를 변경함으로써 조정될 수도 있고, 이에 의해, 상이한 값의 범위에 걸쳐 단자 (1402) 에서의 전압을 변경한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 전압 제어기 (1400) 의 출력 DIFF 는 이 예에서 1V 인 에러 증폭기 레퍼런스와 동일한 전압으로 구동될 것이다. 증폭기 (1404 및 1405) 및 레지스터 (1406 내지 1412) 의 네트워크를 포함하는 차분 합산 네트워크 (differential summing network) 는 출력에서의 전압, DIFF, 배터리 전압, BSENSE, 및 전압 Vctrl 사이에 다음의 관계를 확립한다.

DIFF=BSENSE-(2.45V+Vctrl)

그 결과, DIFF 는 피드백 루프에 의해 1V 로 구동되고, 배터리 전압은 Vctrl 상의 전압의 함수이다.

BSENSE=3.45+Vctrl; 여기서 DIFF = 1V

따라서, 배터리 전압은 Vctrl 을 설정하는 DAC 의 입력에 결합된 비트의 디지털 값을 변경함으로써 프로그래밍될 수도 있다.

도 15 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전류 제어기의 일 예이다. 전류 제어기 (1500) 는 본 발명의 상이한 실시형태를 실시하도록 사용될 수도 있는 제어 회로의 단지 하나의 예이다. 이 예에서, 포지티브 및 네거티브 전류 감지 단자 (1502 및 1503) 는 충전될 배터리의 입력에서 감지 저항을 통해 결합된다. 제어 입력 단자 (1501) 는 디지털 또는 아날로그 제어기에 응답하여 배터리로의 제어된 전류를 설정하기 위해 제어 전압 ("Vctrl") 에 결합된다. 예를 들어, Vctrl 은 배터리 전압이 증가함에 따라 배터리 전류를 감소시키기 위해, 출력 전압 또는 입력 전류에 응답하는 아날로그 회로로부터 아날로그 전압을 수신한다. 또한, 단자 (1501) 는 배터리로의 전류를 설정하는 충전 파라미터를 저장하는 레지스터 또는 메모리에 디지털/아날로그 변환기 ("DAC") 를 통해 결합될 수도 있다. 배터리 전류는 충전 파라미터를 변경함으로써 배터리 전압 또는 입력 전류에 응답하여 디지털 제어기에 의해 조정될 수도 있고, 이에 의해, 상이한 값의 범위에 걸쳐 단자 (1501) 에서의 전압을 변경한다. 예로서, 전술한 바와 같이, 전류 제어기 (1500) 의 출력, DIFF 는 이 예에서 1V 인 에러 증폭기 레퍼런스와 동일한 전압으로 구동될 것이다. 증폭기 (1505 및 1506) 및 레지스터 (1507 내지 1514) 의 네트워크를 포함하는 차분 합산 네트워크는 출력에서의 전압, DIFF, 전압에 의해 측정되는 배터리 전류, CSENSE+, CSENSE- 및 제어 전압 사이에 다음의 관계를 확립한다.

DIFF = R2/R1 (CSENSE+ - CSENSE-) + Vctrl.

그 결과, DIFF 가 피드백 루프에 의해 1V 로 구동된 경우, 배터리 전류는 Vctrl 상의 전압의 함수이다.

(CSENSE+ - CSENSE-) = (1V - Vctrl)/5; 여기서 DIFF = 1V 및 R2/R1=5.

따라서, 스위칭 조정기에 의해 배터리에 공급된 전류는 제어 전압을 변경함으로써 (예를 들어, DAC 의 입력에 결합된 비트의 디지털 값을 변경함으로써) 변경될 수도 있다. 도 13 및 도 14 의 상기 회로는 차분 합산 기술을 사용하고, 다른 전류 및/또는 전압 합산 기술은 스위칭 조정기의 제어 입력을 구동하기 위해 출력 배터리 전류 및 전압을 감지하고 제어 신호를 생성하도록 사용될 수 있다.

도 13 내지 도 15 를 참조하면, 본 발명의 일 특징은 "와이어-오어 (wired-OR)" 구성을 사용하여 스위칭 조정기에 전류 제어기 및 전압 제어기의 출력을 접속하는 것을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 전압 제어기 (1400) 에서의 증폭기 (1405) 의 출력 풀-다운 트랜지스터 및 전류 제어기 (1500) 에서의 증폭기 (1506) 의 출력 풀-다운 트랜지스터는 "약한 (weak)" 디바이스이다. 예를 들어, DIFF 노드로부터 전류를 싱크하는 디바이스는 DIFF 노드로 전류를 소스하는, 증폭기 (1405 및 1506) 의 디바이스보다 훨씬 더 작다. 전류 제어 모드 동안, 배터리 전압이 노드 (1402) 에서의 제어 전압값 (예를 들어, 프로그래밍된, 전류 제어에서 전압 제어로의 임계값) 아래인 경우, 증폭기 (1405) 로의 포지티브 입력 (BSENSE) 이 네거티브 입력 아래이고, 증폭기 (1405) 의 출력은 DIFF 로부터 전류를 싱크하기를 시도할 것이다. 그러나, 전류 제어기 증폭기 (1506) 의 출력은 포지티브 방향으로 DIFF 노드를 구동할 것이다. 그 결과, 증폭기 (1405) 의 풀-다운 출력은 증폭기 (1506) 의 풀-업 출력보다 약하기 때문에, 시스템은 정전류 제어기 (1500) 에 의해 억제된다 (dominated). 마찬가지로, 배터리상의 전압 (BSENSE) 이 증폭기 (1405) 의 포지티브 및 네거티브 입력이 동일한 포인트로 증가한 경우, 전압 제어기는 억제할 것이다. 이 포인트에서, 감지 저항을 통한 전류는 감소하기 시작할 것이고, 증폭기 (1506) 의 출력은 풀 다운하기 시작할 것이다. 그러나, 증폭기 (1506) 의 풀-다운 출력이 증폭기 (1405) 의 풀-업 출력보다 약하기 때문에, 시스템은 정전압 제어기 (1400) 에 의해 억제될 것이다.

도 16 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 아날로그 제어기의 예를 나타낸다. 전류 제어기 (1620) 는 "Csense+" 에 결합된 제 1 입력 및 "Csense-" 에 결합된 제 2 입력을 구비한다. 여기서, Csense+ 는 출력 전류 감지 저항의 포지티브 단자에 결합되고, Csense- 는 출력 전류 감지 저항의 네거티브 단자에 결합된다. 전류 제어기 (1620) 는 스위칭 조정기 (1601) 의 제어 입력 (1604) 으로의 제어 신호를 생성할 것이다. 스위칭 조정기 (1601) 는 차례로 스위칭 트랜지스터의 게이트 (1602) 로의 스위칭 신호 (예를 들어, 펄스 폭 변조 신호) 를 생성할 스위칭 회로 (1603) 를 구비한다 (또한, 스위칭 조정기 (1601) 는 설명의 목적을 위해 생략된 에러 증폭기를 구비할 수도 있다). 제어 전류기 (1620) 는 제어 입력 Vctrl 을 더 구비한다. Vctrl 에서의 전압은 배터리 전류를 제어하도록 사용될 수도 있다. 이 예에서, 전류 제어기 (1620) 로의 제어 입력에서의 전압은 저항 (1646; "R1") 로의 전류원 (1645) 에 의해 설정된다. 시스템이 예비 충전 모드인 경우, 전류원 (1645) 의해 제공된 전류는 시스템이 고속 충전 모드인 경우 제공된 전류보다 더 작을 수도 있다. 시스템이 초기에 고속 충전 모드로 진행하는 경우, 저항 (1646) 으로의 전류는 최대의 원하는 출력 전류에 대응하여 Vctrl 에서 최대 전압을 설정할 수도 있다. 고속 충전 주기의 시작에서의 최대 출력 전류는 저항 (1646) 의 선택에 의하는 것을 포함하여, 다양한 방법으로의 디자인 선택에 의해 설정될 수도 있다. 전압 Vsense 는 스위칭 조정기 입력 전류 또는 배터리 전압으로부터 도출된다. 초기에, 고속 충전 모드가 시작하는 경우, 전압 Vsense 는 컨덕션의 에지상의 트랜지스터 (1648) 를 바이어스한다. 배터리상의 전압이 증가하거나 스위칭 조정기의 입력 전류가 증가함으로써, Vsense 는 증가할 것이다. Vsense 가 증가함에 따라, 트랜지스터 (1648) 는 턴온하고, 저항 (1646) 으로부터 전류를 스틸 어웨이할 전류를 전도할 것이며, 이에 의해 전류 제어기 (1620) 의 제어 입력에서의 전압을 감소시킨다. 따라서, Vctrl 이 감소함에 따라, 전류 제어기 (1620) 는 스위칭 조정기 (1601) 에 의해 생성된 출력 전류를 감소시킨다. 따라서, 배터리 전압이 증가하거나, 입력 전류가 증가함에 따라, Vsense 는 전류 제어기 (1620) 가 출력 배터리 전류를 감소하게 할 것이다.

상기 설명은 본 발명의 양태들이 어떻게 구현될 수도 있는지의 예와 함께, 본 발명의 다양한 실시형태들을 나타낸다. 상기 예 및 실시형태는 단지 실시형태로 간주되어서는 안되며, 다음의 청구범위에 의해 규정되는 바와 같이 본 발명의 플렉서빌리티 및 이점을 설명하도록 제공된다. 상기 설명 및 청구항에 기초하여, 다른 구성, 실시형태, 구현 및 균등물이 당업자에게 명백할 것이고, 청구항에 의해 규정되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 사용될 수도 있다. 여기서 사용된 용어 및 표현은 다양한 실시형태 및 예를 설명하도록 사용된다. 이들 용어 및 표현은 도시되고 설명된 특징의 균등물을 제외하는 것으로 해석되지 않으며, 다양한 변경이 첨부된 청구항의 범위 내에서 가능하다.

본 발명은, 기존의 시스템보다 더 플렉서블하고 심지어 특정 배터리 또는 배터리 충전 환경 변화에 적응가능한 배터리 충전 시스템 및 방법을 가지는 이점이 있으며, 따라서, 배터리 충전 프로세스의 효율성을 개선할 수 있는 이점이 있다.

Claims (37)

1. 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 방법으로서,

   배터리 충전기 상의 하나 이상의 프로그래밍가능 데이터 저장 소자들에 복수의 충전 파라미터들을 저장하는 단계;

   제 1 기간 동안, 상기 스위칭 조정기로부터 필터를 통해 상기 배터리에 정전류를 공급하는 단계로서, 상기 공급된 정전류는 상기 저장된 충전 파라미터의 제 1 파라미터에 의해 설정되고, 상기 제 1 파라미터는 대응하는 범위의 전류값들에 걸쳐 정전류를 프로그래밍하도록 가변적인, 상기 정전류를 공급하는 단계; 및

   상기 배터리상의 전압이 제 1 임계값 위인 경우, 상기 제 1 기간에 후속하는 제 2 기간 동안 상기 스위칭 조정기로부터 필터를 통해 배터리에 정전압을 공급하는 단계로서, 상기 정전압은 상기 저장된 충전 파라미터의 제 2 파라미터에 의해 설정되고, 상기 제 2 파라미터는 대응하는 범위의 전압값들에 걸쳐 상기 정전압을 프로그래밍하도록 가변적인, 상기 정전압을 공급하는 단계를 포함하는, 배터리 충전 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 정전류를 공급하는 단계는,

   상기 배터리상의 전압이 제 2 임계값 아래인 경우, 상기 배터리에 제 1 예비 충전 정전류를 공급하는 단계; 및

   상기 배터리상의 전압이 제 2 임계값 위인 경우, 상기 배터리에 제 2 정전류를 공급하는 단계를 포함하고,

   상기 제 1 예비 충전 정전류 및 제 2 정전류는 프로그래밍가능 데이터 저장 소자들 중 하나 이상에 저장된 파라미터들에 의해 설정되고,

   상기 제 2 정전류는 상기 제 1 예비 충전 정전류보다 크고, 상기 제 1 임계값은 상기 제 2 임계값보다 큰, 배터리 충전 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2 임계값은 프로그래밍가능 데이터 저장 소자들 중 하나 이상에 저장된 파라미터에 의해 설정되는, 배터리 충전 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 데이터 저장 소자들에 저장된 상기 충전 파라미터들 중 하나 이상의 충전 파라미터를 재프로그래밍하는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 정전류는 상기 제 1 기간 동안 복수의 상이한 값으로 재프로그래밍되는, 배터리 충전 방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 하나 이상의 충전 파라미터들은 소프트웨어 알고리즘에 따라 재프로그래밍되는, 배터리 충전 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 소프트웨어 알고리즘은 상기 배터리가 충전하는 동안, 하나 이상의 충전 파라미터들을 변경하는, 배터리 충전 방법.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 소프트웨어 알고리즘은 복수의 충전 주기에 걸쳐, 하나 이상의 충전 파라미터들을 변경하는, 배터리 충전 방법.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 소프트웨어 알고리즘은 감지된 배터리 전압 및 전류에 기초하여 상기 정전류를 변경하는, 배터리 충전 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 스위칭 조정기는 제 1 주파수에서 스위칭하고, 상기 제 1 주파수는 상기 프로그래밍가능 데이터 저장 소자들 중 하나에 저장된 파라미터에 의해 설정되는, 배터리 충전 방법.
11. 제 2 항에 있어서,

    상기 제 1 예비 충전 정전류가 상기 배터리에 공급되는 시간을 측정하는 단계; 및

    소정의 기간 이후에, 상기 배터리상의 전압이 상기 제 2 임계값 아래인 경우, 상기 제 1 예비 충전 정전류를 종료하는 단계를 더 포함하고,

    상기 소정의 기간은 상기 프로그래밍가능 데이터 저장 소자들 중 하나에 저장된 파라미터에 의해 설정되는, 배터리 충전 방법.
12. 제 2 항에 있어서,

    상기 제 2 정전류가 상기 배터리에 공급되는 시간을 측정하는 단계; 및

    소정의 기간 이후에, 상기 배터리상의 전압이 상기 제 1 임계값 아래인 경우, 상기 제 2 정전류를 종료하는 단계를 더 포함하고,

    상기 소정의 기간은 상기 프로그래밍가능 데이터 저장 소자들 중 하나에 저장된 파라미터에 의해 설정되는, 배터리 충전 방법
13. 제 1 항에 있어서,

    제 3 및 제 4 저장된 파라미터를 더 포함하고,

    상기 제 3 파라미터는 오버-온도 한계를 프로그래밍하도록 사용되고, 상기 제 4 파라미터는 언더-온도 한계를 프로그래밍하도록 사용되며, 상기 배터리의 온도가 상기 오버-온더 한계 위이거나, 상기 언더-온도 한계 아래인 경우, 충전이 정지하는, 배터리 충전 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    제 5 저장 파라미터를 더 구비하고, 상기 제 5 저장 파라미터는 배터리 온도 센서로의 바이어스 전류를 프로그래밍하도록 사용되는, 배터리 충전 방법
15. 제 1 항에 있어서,

    상기 정전류는 제 1 예비 충전 정전류를 포함하고, 상기 제 1 예비 충전 정전류는 복수의 디지털 비트들로 저장된 제 1 충전 파라미터에 의해 설정되는, 배터리 충전 방법
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 정전류는 상기 제 1 예비 충전 정전류보다 더 큰 제 2 정전류를 더 포함하고, 상기 제 2 정전류는 복수의 디지털 비트들로 저장된 제 2 충전 파라미터에 의해 설정되는, 배터리 충전 방법.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 제 1 예비 충전 정전류와 상기 제 2 정전류 사이의 선택을 위한 제 2 임계값을 더 포함하고, 상기 제 2 임계값은 복수의 디지털 비트들로 저장된 제 3 충전 파라미터에 의해 설정되는, 배터리 충전 방법.
18. 제 1 전원을 수신하는 제 1 입력, 하나 이상의 배터리에 필터를 통해 조정된 출력을 제공하는 제 1 출력, 및 제어 입력을 갖는 스위칭 조정기;

    제 1 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 결합된 제 1 입력, 하나 이상의 전류 감지 입력에 결합된 피드백 입력, 및 상기 스위칭 조정기의 제어 입력에 결합된 출력을 갖는 정전류 제어기; 및

    제 2 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 결합된 제 1 입력, 하나 이상의 전압 감지 입력에 결합된 제 2 입력, 및 상기 스위칭 조정기의 제어 입력에 결합된 출력을 갖는 정전압 제어기를 구비하고,

    상기 제 1 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 상기 배터리상의 전압이 제 1 임계값 아래인 경우, 상기 배터리에 제 1 프로그래밍된 정전류를 공급하도록 상기 정전류 제어기를 구성하고, 상기 제 1 프로그래밍된 정전류는 가변적이고,

    상기 제 2 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 상기 배터리상의 전압이 상기 제 1 임계값 위인 경우, 상기 배터리에 복수의 프로그래밍된 정전압들 중 하나를 공급하도록 상기 정전압 제어기를 구성하고, 상기 프로그래밍된 정전압은 가변적인, 배터리 충전기.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 정전류 제어기에 결합된 제 3 프로그래밍가능 데이터 저장 소자를 더 구비하고, 상기 제 3 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 상기 배터리상의 전압이 제 2 예비 충전 임계값 아래인 경우, 상기 배터리에 제 2 프로그래밍된 예비 충전 전류를 공급하도록 상기 정전류 제어기를 구성하고, 상기 예비 충전 전류는 상기 제 1 프로그래밍된 정전류보다 더 작은, 배터리 충전기.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 정전류 제어기에 결합된 제 4 프로그래밍가능 데이터 저장 소자를 더 구비하고, 상기 제 4 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 상기 제 2 예비 충전 임계값을 설정하는, 배터리 충전기.
21. 제 18 항에 있어서,

    셧 다운 회로에 결합된 제 3 프로그래밍가능 데이터 저장 소자를 더 구비하고, 상기 배터리로의 전류가 상기 제 3 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 의해 프로그래밍된 종료 전류 임계값 아래인 경우, 배터리 충전이 종료되는, 배터리 충전기.
22. 제 18 항에 있어서,

    제 3 프로그래밍가능 데이터 저장 소자 및 제 4 프로그래밍가능 데이터 저장 소자를 더 구비하고, 상기 제 3 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 오버-온도 한계를 프로그래밍하도록 사용되고, 상기 제 4 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 언더-온도 한계를 프로그래밍하도록 사용되며, 상기 배터리의 온도가 상기 오버-온도 위이거나 상기 언더-온도 아래인 경우, 충전이 정지하는, 배터리 충전기.
23. 제 22 항에 있어서,

    제 5 프로그래밍가능 데이터 저장 소자를 더 구비하고, 상기 제 5 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 배터리 온도 센서로의 바이어스 전류를 프로그래밍하도록 사용되는, 배터리 충전기.
24. 제 18 항에 있어서,

    제 3 프로그래밍가능 데이터 저장 소자를 더 구비하고, 상기 제 3 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 상기 스위칭 조정기의 스위칭 주파수를 프로그래밍하도록 사용되는, 배터리 충전기.
25. 유니버설 시리얼 버스 (Universal Serial Bus; USB) 로부터 배터리를 충전하는 배터리 충전기로서,

    제 1 입력 및 제 1 출력을 갖는 하나 이상의 스위칭 트랜지스터를 갖는 스위칭 조정기로서, 상기 스위칭 트랜지스터의 제 1 입력은 USB 전원에 결합되는, 상기 스위칭 조정기;

    제 1 입력 및 제 1 출력을 갖는 필터로서, 상기 필터의 제 1 입력은 상기 스위칭 트랜지스터의 제 1 출력에 결합되는, 상기 필터; 및

    상기 필터의 제 1 출력에 결합된 배터리를 구비하고,

    상기 스위칭 조정기는 USB 전압을 수신하고, 스위칭 트랜지스터의 제어 단자로의 스위칭 신호를 생성하도록 구성되고, 상기 스위칭 트랜지스터의 출력에서의 스위칭 전류 및 스위칭 전압은 상기 필터를 통해 결합되어 상기 배터리를 충전하도록 필터링된 전류 및 필터링된 전압을 생성하고,

    상기 필터링된 전류는 전류 제어기에 의해 감지되어, 상기 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에서의 상기 스위칭 신호를 제어하고,

    상기 전류 제어기는 제 1 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 결합된 제 1 입력, 하나 이상의 전류 감지 입력에 결합된 피드백 입력, 및 상기 스위칭 트랜지스터의 제어 입력에 결합된 출력을 구비하고, 상기 제 1 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 상기 배터리상의 전압이 제 1 임계값 아래인 경우, 상기 배터리에 제 1 프로그래밍된 전류를 공급하도록 상기 전류 제어기를 구성하고, 상기 제 1 프로그래밍된 전류는 가변적인, 배터리 충전기.
26. 제 25 항에 있어서,

    상기 필터링된 전압은 전압 제어기에 의해 감지되어, 상기 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에서의 상기 스위칭 신호를 제어하는, 배터리 충전기.
27. 제 26 항에 있어서,

    상기 전압 제어기는 제 2 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 결합된 제 1 입력, 하나 이상의 전압 감지 입력에 결합된 제 2 입력, 및 상기 스위칭 트랜지스터의 제어 입력에 결합된 출력을 구비하고,

    상기 제 2 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는, 상기 배터리상의 전압이 상기 제 1 임계값 위인 경우, 상기 배터리로의 프로그래밍된 전압을 생성하도록 상기 전압 제어기를 구성하는, 배터리 충전기.
28. 삭제
29. 삭제
30. 제 25 항에 있어서,

    상기 배터리 충전기는, 최대 입력 전류를 나타내는 입력 신호를 수신하고, 상기 최대 입력 신호에 기초하여 최대 배터리 전류를 설정하도록 상기 전류 제어기를 프로그래밍하는, 배터리 충전기.
31. 제 25 항에 있어서,

    상기 전류 제어기는 상기 필터링된 전류를 설정하는 제어 입력을 가지고, 상기 전류 제어기의 제어 입력은 상기 스위칭 트랜지스터의 제 1 입력 또는 상기 배터리에 결합되어, 상기 배터리상의 전압이 증가함에 따라 상기 필터링된 전류를 감소시키는, 배터리 충전기.
32. 제 25 항에 있어서,

    상기 필터링된 전류는 상기 스위칭 트랜지스터의 제 1 입력으로의 제 1 입력 전류보다 더 크고, 상기 배터리상의 전압이 증가함에 따라, 상기 필터링된 전류가 감소하는, 배터리 충전기.
33. 유니버설 시리얼 버스 (USB) 로부터 배터리를 충전하는 방법으로서,

    USB 전원으로부터 스위칭 조정기의 입력에서 제 1 입력 전압 및 제 1 입력 전류를 수신하는 단계;

    상기 스위칭 조정기의 출력을 배터리의 단자에 결합하는 단계;

    상기 배터리의 단자에서 제 1 출력 전압 및 제 1 출력 전류를 생성하는 단계;

    상기 배터리로의 제 1 출력 전류 및 상기 배터리상의 제 1 출력 전압을 감지하는 단계; 및

    상기 제 1 출력 전류 또는 상기 제 1 출력 전압에 응답하여 상기 스위칭 조정기의 제어 단자에서 스위칭 신호를 생성하는 단계를 포함하고,

    상기 방법은 배터리 충전기 상의 제 1 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 제 1 파라미터를 저장하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 출력 전류는 상기 제 1 파라미터에 의해 설정되고, 상기 제 1 파라미터는 대응하는 범위의 전류값들에 걸쳐 상기 제 1 출력 전류를 프로그래밍하도록 가변적인, 배터리 충전 방법.
34. 제 33 항에 있어서,

    상기 제 1 입력 전압은 상기 배터리상의 전압보다 더 크고, 상기 배터리로의 제 1 출력 전류는 상기 제 1 입력 전류보다 더 크며, 상기 배터리상의 제 1 출력 전압이 증가함에 따라, 상기 제 1 출력 전류가 감소하는, 배터리 충전 방법.
35. 삭제
36. 제 33 항에 있어서,

    상기 스위칭 조정기는 상기 제 1 출력 전압을 감지하고 스위칭 신호를 생성하여 상기 제 1 출력 전압을 제어하는, 배터리 충전 방법.
37. 제 36 항에 있어서,

    제 2 프로그래밍가능 데이터 저장 소자에 제 2 파라미터를 저장하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 출력 전압은 상기 제 2 파라미터에 의해 설정되는, 배터리 충전 방법.

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