KR100902527B1 - 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 시스템 및방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시형태에서, 본 발명은 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 방법 및 시스템을 포함한다. 일 실시형태에서, 스위칭 조정기는 입력 전압 및 입력 전류를 수신한다. 스위칭 조정기의 출력은 충전될 배터리에 접속 (coupling) 된다. 스위칭 조정기는, 스위칭 조정기로의 전류보다 더 큰 배터리로의 전류를 제공한다. 배터리상의 전압이 증가함에 따라, 스위칭 조정기에 의해 제공된 전류는 감소한다. 본 발명은 배터리상의 전압이 증가함에 따라 배터리로의 전류를 감소시키는 아날로그 또는 디지털 기술을 사용하여 구현될 수도 있다.
Figure R1020070015507
스위칭 조정기, 배터리

Description

스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF CHARGING A BATTERY USING A SWITCHING REGULATOR}
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 배터리 충전기를 구비하는 전자 디바이스를 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 조정기를 구비하는 스위칭 배터리 충전기를 나타낸다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 것을 나타낸다.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 것을 나타낸다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템의 구현예를 나타낸다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전 시스템의 구현예를 나타낸다.
도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전기의 일 예이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 제어기의 일 예이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전류 제어기의 일 예이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 아날로그 제어기의 일 예이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
101 : 전자 디바이스 102, 202 : 디바이스 일렉트로닉스
103, 201 : 스위칭 배터리 충전기 110, 210 : 전원
150 : 배터리 203, 510, 610, 1001 : 스위칭 조정기
204 : 필터 222, 1003 : 스위처
224 : 입력 감지 225 : 출력 감지
530, 630, 701 : 전압 제어기 545 : 디지털 제어기
546 : 메모리 547 : 비휘발성 메모리
521, 522, 531, 526 : 레지스터 645 : 아날로그 제어기
1045 : 전류원
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 전압 은 배터리의 레이팅된 (rated) 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 배터기가 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 특정 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 특성을 변화하게끔 한다. 이들 문제점은 배터리의 특정 전압 및 재충전 전류를 포함하는 배터리 특성이 배터리 마다 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.
일 실시형태에서, 본 발명은 스위칭 조정기의 입력에서 제 1 입력 전압 및 제 1 입력 전류를 수신하는 단계; 스위칭 조정기의 출력을 배터리의 단자에 접속 (coupling) 하는 단계; 배터리의 단자에서 제 1 출력 전압 및 제 1 출력 전류를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 스위칭 조정기는 제 1 출력 전류를 조정하고, 배터리로의 제 1 출력 전류는 제 1 입력 전류보다 더 크고, 제 1 입력 전압은 제 1 출력 전압보다 더 크며, 배터리상의 제 1 출력 전압이 증가함에 따라, 제 1 출력 전류를 감소시키는, 배터리를 충전하는 방법을 포함한다.
일 실시형태에서, 본 발명은 배터리상의 출력 전압을 감지하고, 그에 의해, 제 1 입력 전류가 제 1 값 아래가 되도록 제 1 출력 전류를 조정하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에서, 본 발명은 스위칭 조정기로의 제 1 입력 전류를 감지하고, 그에 의해, 제 1 입력 전류가 제 1 값 아래가 되도록 제 1 출력 전류를 조정하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에서, 본 발명은 스위칭 조정기의 스위칭 출력 전류와 스위칭 출력 전압을 필터를 통해 배터리의 단자에 접속하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에서, 배터리상의 제 1 출력이 증가함에 따라, 제 1 출력 전류는 복수의 전류값에 걸쳐 감소한다.
일 실시형태에서, 배터리상의 출력 전압이 증가함에 따라, 제 1 출력 전류는 연속적으로 감소한다.
일 실시형태에서, 배터리상의 출력 전압이 증가함에 따라, 제 1 출력 전류는 점진적으로 (incrementally) 감소한다.
일 실시형태에서, 제 1 출력 전류는 연속적으로 감소하여, 스위칭 조정기로의 제 1 정입력 전류 (constant first input current) 를 유지한다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기로의 제 1 입력 전류가 임계값 위로 증가하는 경우, 제 1 출력 전류는 점진적으로 감소한다.
일 실시형태에서, 본 발명은 배터리상의 출력 전압을 감지하는 단계, 및 감지된 제 1 출력 전압이 제 1 임계값보다 더 큰 경우, 프로그래밍가능 데이터 저장 소자의 충전 파라미터를, 제 1 정출력 전류 (first constant output current) 에 대응하는 제 1 값으로부터 제 2 정출력 전류에 대응하는 제 2 값으로 변경하는 단계를 더 포함하고, 제 1 정출력 전류는 제 2 정출력 전류보다 더 크다.
일 실시형태에서, 본 발명은 감지된 제 1 출력 전압의 증가에 응답하여 연속적으로 감소하는 복수의 정출력 전류에 대응하는 값의 범위에 걸쳐 충전 파라미터를 변경하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에서, 본 발명은 스위칭 조정기로의 제 1 입력 전류를 감지하는 단계, 및 감지된 제 1 입력 전류가 제 1 임계값보다 더 큰 경우, 프로그래밍가능 데이터 저장 소자의 파라미터를, 제 1 정출력 전류에 대응하는 제 1 값으로부터 제 2 정출력 전류에 대응하는 제 2 값으로 변경하는 단계를 더 포함하고, 제 1 정출력 전류는 제 2 정출력 전류보다 더 크다.
일 실시형태에서, 본 발명은 감지된 제 1 입력 전류에 응답하여 연속적으로 감소하는 복수의 정출력 전류에 대응하는 값의 범위에 걸쳐 충전 파라미터를 변경하는 단계를 더 포함하다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기의 입력은 유니버설 시리얼 버스 포트 (Universal Serial Bus Port) 에 접속된다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기의 출력은 리튬 이온 배터리, 니켈 금속 하이브리드 배터리, 또는 니켈 카드뮴 배터리에 접속된다.
일 실시형태에서, 제 1 출력 전류는 소정의 소프트웨어 알고리즘에 따라 감소한다.
일 실시형태에서, 본 발명은 스위칭 조정기의 입력에서 제 1 입력 전압 및 제 1 입력 전류를 수신하는 단계; 스위칭 조정기로의 제 1 입력 전류보다 더 큰, 스위칭 조정기로부터 배터리로의 제어된 출력 전류를 생성하는 단계; 배터리상의 전압 및 스위칭 조정기로의 제 1 입력 전류를 감지하는 단계; 및 배터리상의 전압이 증가함에 따라, 제 1 제어된 출력 전류를 감소하는 단계를 포함하는, 배터리를 충전하는 방법을 포함하다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기는 전류 제어 모드에서 동작한다.
일 실시형태에서, 배터리상의 전압이 감지되고, 배터리상의 증가하는 전압을 감지함에 응답하여, 제 1 제어된 출력 전류가 연속적으로 감소한다.
일 실시형태에서, 배터리상의 전압이 감지되고, 배터리상의 증가하는 전압을 감지함에 응답하여, 제 1 제어된 출력 전류는 더 낮은 값으로 점진적으로 설정된다.
일 실시형태에서, 제 1 입력 전류가 감지되고, 제 1 제어된 출력 전류가 연속적으로 감소하여 스위칭 조정기로의 제 1 정입력 전류를 유지한다.
일 실시형태에서, 제 1 입력 전류가 감지되고, 스위칭 조정기로의 제 1 입력 전류가 임계값 위로 증가하는 경우, 제 1 제어된 출력 전류는 점진적으로 감소한다.
일 실시형태에서, 본 발명은 프로그래밍가능 데이터 저장 소자의 충전 파라미터를, 제 1 정출력 전류에 대응하는 제 1 값으로부터 제 2 정출력 전류에 대응하는 제 2 값으로 변경하는 단계를 더 포함하고, 제 1 정출력 전류는 제 2 정출력 전류보다 더 크다.
일 실시형태에서, 방법은 프로그래밍가능 데이터 저장 소자의 충전 파라미터를, 배터리상의 증가하는 전압에 응답하여 연속적으로 감소하는 정출력 전류에 대 응하는 값의 범위에 걸쳐 변경하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에서, 방법은 제 1 입력 전류가 임계값 위로 증가하는 경우, 프로그래밍가능 데이터 저장 소자의 충전 파라미터를, 제 1 정출력 전류에 대응하는 제 1 값을, 제 1 출력 전류보다 더 작은 제 2 정출력 전류에 대응하는 제 2 값으로 변경하는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 제 1 입력, 제 1 출력, 및 제어 입력을 가진 스위칭 조정기로서, 제 1 입력은 제 1 입력 전압 및 제 1 입력 전류를 수신하고, 제 1 출력은 배터리에 접속되어 제 1 출력 전압 및 제 1 출력 전류를 제공하는, 상기 스위칭 조정기, 제 1 출력 전류를 감지하기 위해 접속된 하나 이상의 입력, 스위칭 조정기의 제어 입력에 접속된 하나 이상의 출력, 및 입력 전류의 변경을 검출하기 위해 스위칭 조정기의 제 1 입력에 접속되거나 제 1 출력 전압의 변경을 검출하기 위해 배터리에 접속된 제 2 입력을 갖는 조정가능 전류 제어기를 구비하고, 제 2 입력은 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압의 변경에 응답하여 배터리로의 제 1 출력 전류를 변경하며, 스위칭 조정기는 배터리에 제 1 입력 전류보다 더 큰 제 1 출력 전류를 제공하고, 제 1 출력 전류는 배터리상의 전압이 증가함에 따라 감소한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 제 1 출력 전류를 감지하기 위해, 스위칭 조정기의 제 1 출력과 배터리 사이에 접속된 감지 저항을 더 구비하고, 조정가능 전류 제어기의 하나 이상의 입력은 감지 저항의 제 1 단자에 접속된 제 1 입력 및 감지 저항의 제 2 단자에 접속된 제 2 입력을 구비한다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기는 전류 제어 모드에서 동작한다.
일 실시형태에서, 제 1 출력 전류가 조정되어 제 1 입력 전류를 제 1 값 아래로 유지한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 제 1 입력 전류를 감지하는 감지 회로를 더 구비하고, 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력은 입력 전류의 변경을 검출하기 위해 감지 회로에 접속된다.
일 실시형태에서, 감지 회로는 스위칭 조정기의 입력에 접속된 제 1 레지스터를 구비한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 감지 회로와 조정가능 전류 제어기 사이에 겹합된 아날로그 또는 디지털 제어기를 더 구비하고, 제 1 입력 전류가 제 1 임계값 위로 증가한 경우, 아날로그 또는 디지털 제어기는 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력에서의 제어 전압을 변경한다.
일 실시형태에서, 제어기는 디지털 제어기이고, 제 1 입력 전류가 제 1 임계값 위로 증가하는 경우, 디지털 제어기는 하나 이상의 프로그래밍가능 저장 소자의 디지털 비트를 변경한다.
일 실시형태에서, 제어기는 아날로그 제어기이고, 아날로그 제어기는 감지 회로에 접속된 하나 이상의 입력 및 조정가능 전류 제어기에 접속된 하나 이상의 출력을 가지며, 제 1 입력 전류가 제 1 임계값 위로 증가하는 경우, 아날로그 제어기는 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력에서의 전압을 변경한다.
일 실시형태에서, 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력은 제 1 출력 전압을 검출하기 위해 배터리에 접속된다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 배터리에 접속된 하나 이상의 입력 및 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력에 접속된 출력을 가진 디지털 제어기를 구비하고, 제 1 출력 전압이 제 1 임계값 위로 증가하는 경우, 디지털 제어기는 하나 이상의 프로그래밍가능 데이터 저장 소자의 디지털 비트를 변경하며, 이에 의해, 제 1 출력 전류를 감소시키기 위해 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력에서의 전압을 변경한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 배터리와 디지털 제어기의 하나 이상의 입력 사이에 접속된 아날로그/디지털 변환기, 및 프로그래밍가능 데이터 저장 소자와 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력 사이에 접속된 디지털/아날로그 변환기를 더 구비한다.
일 실시형태에서, 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 레지스터이다.
일 실시형태에서, 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 레지스터이고, 디지털 제어기는 휘발성 메모리로부터 레지스터로 디지털 비트를 로딩함으로써 레지스터의 디지털 비트를 변경한다.
일 실시형태에서, 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 레지스터이고, 디지털 제어기는 비휘발성 메모리로부터 레지스터로 디지털 비트를 로딩함으로써 레지스터의 디지털 비트를 변경한다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기는 스위칭 트랜지스터, 에러 증폭기, 및 스위칭 회로를 더 구비하고, 조정가능 전류 제어기의 하나 이상의 출력은 에러 증폭기 및 스위칭 조정기를 통해 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 접속된다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기는 펄스 폭 변조 회로를 구비한다.
일 실시형태에서, 조정가능 전류 제어기는 스위칭 조정기로의 제 1 제어 신호를 생성하여 배터리로의 제 1 정출력 전류를 발생시키고, 조정가능 전류 제어기는, 배터리상의 전압이 증가함에 따라 제 1 제어 신호를 변경하여 저 제 1 출력 전류를 연속적으로 감소시킨다.
일 실시형태에서, 조정가능 전류 제어기는 스위칭 조정기로의 제 1 제어 신호를 생성하여 배터리로의 제 1 정출력 전류를 발생시키고, 조정가능 전류 제어기에 접속된 하나 이상의 데이터 저장 소자는 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압의 증가에 응답하여 제어기에 의해 재프로그래밍되고, 이에 의해, 조정가능 전류 제어기는 제 1 제어 신호를 변경하여 제 1 정출력 전류를 감소시킨다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력에 접속된 레지스터를 더 구비하고, 레지스터의 디지털 비트는, 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압에서 제 1 값으로부터 제 2 값으로의 증가에 응답하여 변경되며, 이에 의해, 제 1 출력 전류가 감소한다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은 스위칭, 조정기의 제 1 단자에서 제 1 전압 및 제 1 전류를 수신하는 단계로서, 제 1 전압 및 제 1 전류는 전원으로부터 스위칭 트랜지스터의 제 1 단자에 접속되는, 상기 수신하는 단계; 스위칭 트랜지스터의 제어 입력에서의 스위칭 신호를 수신하고, 이에 의해, 스위칭 트랜지스터의 제 2 단자에서의 제 2 전압 및 제 2 전류를 생성하는 단계; 제 2 전압 및 제 2 전류를 필터링하여 필터링된 전압 및 필터링된 전류를 발생시키는 단계; 필터링된 전압 및 필터링된 전류를 배터리의 단자에 접속하는 단계로서, 배터리의 단자에서의 필터링된 전압은 스위칭 트랜지스터의 제 1 단자에서의 제 1 전압보다 더 작고, 배터리의 단자로의 필터링된 전류를 스위칭 트랜지스터의 제 1 단자로의 제 1 전류보다 더 큰, 상기 발생시키는 단계; 및 배터리 상의 전압이 제 1 전압보다 더 작은 값의 대응 범위에 걸쳐 증가함에 따라, 제 1 전류의 값보다 더 큰 전류값의 범위에 걸쳐 필터링된 전류를 감소시키는 단계를 포함하는, 배터리를 충전하는 방법을 포함한다.
일 실시형태에서, 필터링하는 단계는 하나 이상의 인덕터를 통해 제 2 전류를 배터리 단자에 접속하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 필터링된 전류가 조정되어, 제 1 전류는 제 1 값 아래로 유지된다.
일 실시형태에서, 방법은 필터링된 전류 및 전압을 감지하여, 이에 의해, 필터링된 전류를 제어하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에서, 제 1 전류 및 필터링된 전류를 감지하여, 이에 의해, 필터링된 전류를 제어하는 단계를 더 포함한다.
일 실시형태에서, 전원은 유니버설 시리얼 버스 포트이다.
또 다른 실시형태에서, 본 발명은, 제 1 입력 전압 및 제 1 입력 전류를 수신하는 제 1 입력, 및 제 1 출력 전압 및 제 1 출력 전류를 제공하기 위해 배터리에 접속된 제 1 출력을 갖는 하나 이상의 스위칭 트랜지스터를 구비하는 스위칭 조정기, 배터리로의 제 1 출력 전류를 제어하는 전류 제어기로서, 전류 제어기는 배터리로의 제 1 출력 전류를 감지하는 하나 이상의 입력, 제어 신호에 응답하여 제 1 출력 전류를 조정하는 제 2 입력, 스위칭 조정기에 접속된 제 1 출력를 가진 상기 전류 제어기, 스위칭 조정기의 제 1 입력 또는 배터리에 접속된 제 1 입력, 및 전류 제어기의 제2 입력에 접속된 하나 이상의 출력을 갖는 제어기를 구비하는 배터리 충전기를 포함하고, 제어기는 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압의 증가에 응답하고, 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압이 증가하는 경우, 제어기는 전류 제어기의 제 2 입력에서의 제어 신호를 변경하여 제 1 출력 전류를 감소시키며, 스위칭 조정기는 배터리에 제 1 입력 전류보다 더 큰 제 1 출력 전류를 제공하고, 제 1 출력 전류는 배터리상의 제 1 출력 전압이 증가함에 따라 감소된다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 제 1 출력 전류를 감지하기 위해 스위칭 트랜지스터의 제 1 출력에 접속된 출력 감지 저항 및 제 1 출력 전류를 제어하기 위해 출력 감지 저항의 제 1 및 제 2 단자에 접속된 전류 제어기를 더 구비한다.
일 실시형태에서, 제 1 입력 전류를 감지하기 위해 스위칭 트랜지스터의 제 1 입력에 접속된 입력 감지 저항 및 입력 감지 저항의 제 1 및 제 2 단자에 접속된 제어기를 더 구비한다.
일 실시형태에서, 제어기는 아날로그 제어기를 포함하고, 아날로그 제어기는, 제 1 입력 전류에 응답하여 제 1 출력 전류를 감소시키기 위해, 전류 제어기의 제 2 입력에서의 제어 전압을 제어한다.
일 실시형태에서, 제어기는 디지털 제어기를 포함하고, 이 회로는 입력 감지 저항을 통해 접속된 입력 및 디지털 제어기에 접속된 출력를 갖는 아날로그/디지털 변환기, 디지털 제어기에 접속된 레지스터, 및 레지스터에 접속된 입력 및 전류 제어기의 제 2 입력에 접속된 출력을 갖는 디지털/아날로그 변환기를 더 포함하고, 디지털 제어기는 제 1 입력 전류의 증가에 응답하여 레지스터를 재프로그래밍하고, 이에 의해, 제 1 출력 전류가 감소한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 비휘발성 메모리를 더 구비하고, 디지털 제어기는 비휘발성 메모리에 저장된 파라미터로 레지스터를 재프로그래밍한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 비휘발성 메모리를 더 구비하고, 디지털 제어기는 비휘발성 메모리에 저장된 파라미터로 레지스터를 재프로그래밍한다.
일 실시형태에서, 제어기의 제 1 입력은 배터리에 접속된다.
일 실시형태에서, 제어기는 아날로그 제어기를 포함하고, 아날로그 제어기는 제 1 출력 전압에 응답하여 제 1 출력 전류를 감소시키기 위해 전류 제어기의 제 2 입력에서의 제어 전압을 생성한다.
일 실시형태에서, 제어기는 디지털 제어기를 포함하고, 이 회로는 배터리에 접속된 입력 및 디지털 제어기에 접속된 출력을 갖는 아날로그/디지털 변환기, 디지털 제어기에 접속된 레지스터, 및 레지스터에 접속된 입력 및 전류 제어기의 제 2 입력에 접속된 출력을 갖는 디지털/아날로그 변환기를 구비하고, 디지털 제어기는 제 1 출력 전압의 증가에 응답하여 레지스터를 재프로그래밍하고, 이에 의해, 제 1 출력 전류는 감소한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 비휘발성 메모리를 더 구비하고, 디지털 제어기는 비휘발성 메모리에 저장된 파라미터로 레지스터를 재프로그래밍한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 휘발성 메모리를 더 구비하고, 디지털 제어기는 휘발성 메모리에 저장된 파라미터로 레지스터를 재프로그래밍한다.
일 실시형태에서, 제어기 및 전류 제어기는 동일한 집적 회로상에 존재한다.
일 실시형태에서, 제어기 및 전류 제어기는 상이한 집적 회로상에 존재한다.
일 실시형태에서, 본 발명은 제 1 입력 전압 및 제 1 입력 전류를 수신하는 제 1 입력, 및 배터리에 접속되어 제 1 출력 전압 및 제 1 출력 전류를 제공하는 제 1 출력를 갖는 스위칭 트랜지스터를 구비하는 스위칭 조정기, 스위칭 조정기에 접속되고 배터리로의 출력 전류를 감지하고 제어하며 제어 신호에 응답하여 배터리로의 출력 전류를 변경하는 전류 제어기 수단, 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압에 응답하여 전류 제어기 수단으로의 제어 신호를 생성하는 제어기를 구비하는 배터리 충전기를 포함하고, 스위칭 조정기는 제 1 입력 전류보다 더 큰 배터리로의 제 1 출력 전류를 제공하고, 제 1 출력 전류를 배터리상의 전압이 증가함에 따라 조정된다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 제 1 입력 전류를 감지하는 감지 회로 수단을 더 구비한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 제 1 출력 전류를 감지하는 감지 회로 수단을 더 구비한다.
일 실시형태에서, 제어기 수단은 아날로그 회로를 포함한다.
일 실시형태에서, 제어기 수단은 디지털 회로를 포함한다.
일 실시형태에서, 전류 제어기 수단은 제 1 출력 전류에 대응하는 전압을 수신하는 제 1 및 제 2 입력 및 배터리상의 전압이 증가함에 따라 제 1 출력 전류를 감소시키는 제어 신호를 수신하는 제 2 입력을 구비한다.
일 실시형태에서, 배터리 충전기는 제 1 출력 전압을 제어하는 전압 제어 수단을 더 구비한다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기는 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 스위칭 신호를 제공하는 스위칭 회로 수단을 더 구비한다.
다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 본질 및 이점의 더 양호한 이해를 제공한다.
본 명세서의 설명은 스위칭 배터리 충전 시스템 및 방법에 대한 기술이다. 다음의 상세한 설명에서, 다수의 예 및 특정 세부사항이 설명의 목적으로 본 발명에 대한 완전한 이해를 위해서 제공된다. 그러나, 청구범위에 의해 규정된 바와 같은 본 발명은, 이들 예에서의 특징들의 일부 또는 전부를 단독으로 또는 다른 이하의 설명된 다른 특징들과 조합하여 포함하고, 여기서 설명된 특징 및 개념의 명백한 변형예 및 균등물을 더 포함할 수도 있음이 당업자에게 명백하다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스위칭 배터리 충전기를 구비하는 전자 디바이스 (101) 를 포함한다. 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 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 제 1 전원 (110) (예를 들어, 유니버설 시리얼 버스, "USB", 포트의 전력 공급 라인으로부터의 입력 전압 Vin) 에 접속된 제 1 입력 및 필터를 통해 하나 이상의 배터리에 조정된 출력을 제공하는 제 1 출력을 가진다. 필터에 공급된 출력 전압 및 전류는 스위칭된 파형이다. 이 설명의 목적을 위해, 스위칭 조정기의 출력은, 배터리로의 필터링된 출력 전류 (즉, 배터리 충전 전류) 및 배터리에서의 출력 전압을 포함하는, 필터의 출력일 것이다. 충전기 (103) 는 예를 들어, 입력 전류, 배터리 전류 및/또는 전압을 감지하는 내부 회로를 더 구비할 수도 있다. 충전기 (103) 는 전원 (110) 으로부터 배터리 (150) 의 단자에 전압 및 전류의 전달을 제어하기 위해 이러한 정보를 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 전압 이 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. 일 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 프로그래밍가능 데이터 저장 소자 (예를 들어, 레지스터 또는 메모리) 에 저장된 충전 파라미터를 변경할 수도 있는 디지털 제어기에 의해 변경된다. 또 다른 특정 예에서, 소싱된 전류는 출력 전류를 제어하는 전류 제어기의 제어 입력에서 제어 신호를 변경하는 아날로그 제어기에 의해 변경된다.
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 설명된다. 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 은 본 발명의 일 실시형태에 따라, 스위칭 조정기 (203) 를 구비하는 스위칭 배터리 충전기 (201) 를 나타난다. 디바이스 일렉트로닉스 (202) 는 배터리 (250) 로부터 전력을 수신하는 전력 공급 단자 ("Vcc") 를 구비한다. 배터리 (250) 가 고갈된 경우, 배터리 (250) 는 스위칭 조정기 (203) 및 필터 (204) 를 통해 전원 (210) 으로부터의 전압 및 전류를 배터리 (250) 에 접속함으로써 재충전될 수도 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 전원은 DC 전원일 수도 있다. 여기서 설명된 기술은 AC 전원에 적용될 수도 있다. 그 결과, 도 2 는 DC 전력을 사용하는 일 시스템 예이다. 스위칭 조정기 (203) 는 스위칭 디바이스 (221), 스위칭 회로 ("스위처"; 222), 조정가능 전류 제어기 (223), 출력 감지 회로 (225), 및 입력 감지 회로 (224) 를 구비할 수도 있다. 스위칭 조정기 (203) 는, 스위칭 조정기 (203) 가 트랜지스터 (221) 의 제어 단자에서 스위칭 제어 신호 (222A) 를 생성하는 스위칭 회로 (222) 를 포함한다는 점에서 선형 조정기와 구별된다. 예를 들어, 스위칭 디바이스 (221) 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 (225) 는 배터리로의 출력 전류를 감지한다. 전류 제어기 (223) 는 출력 전류를 제어하기 위해 출력 감지 회로 (225) 에 접속된다. 전류 제어기 (223) 는 출력 전류에 대응하여 출력 감지 회로로부터 입력을 수신한다. 전류 제어기 (223) 는 이들 입력을 사용하여, 출력 전류를 수정하는 스위칭 디바이스 (221) 의 제어 단자로 신호를 차례로 제공하는 스위칭 회로 (222) 를 제어한다. 스위칭 제어 방식의 예는 스위칭 디바이스 (221) 의 제어 단자를 변조하는 펄스 폭을 포함할 수도 있다. 스위칭 조정기 (203) 는 필터 (204) 를 통해 배터리 (250) 의 단자에 접속된다. 배터리 단자에서의 전압 또는 전류는 배터리 전압 또는 배터리로의 전류를 감지함으로써 제어될 수도 있다. 전류 제어 모드에서, 전류 제어기 (223) 는 감지된 배터리 전류를 수신하고 제어 신호 (222A) 를 수정하여, 배터리 전류를 제어된 값으로 유지하기 위해 스위칭 회로 (222) 및 스위칭 디바이스 (221) 의 행동을 변경한다. 마찬가지로, 전압 제어 모드에서, 전압 제어기 (후술됨) 는 감지된 배터리 전압을 수신하고, 제어된 신호 (222A) 를 수정하여, 배터리 전압을 제어된 값으로 유지하기 위해 스위칭 회로 (222) 및 스위칭 디바이스 (221) 의 행동을 변경한다. 따라서, 배터리로의 전압 및 전류는 제어된 값으로 유지될 수 있다. 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 전류 제어기 (223) 는 배터리상의 전압이 증가함에 따라 배터리 전류의 수정을 제어하기 위해, 배터리상의 전압 또는 스위칭 조정기로의 입력 전류에 접속된 또 다른 입력을 포함할 수도 있다. 배터리 전압 또는 입력 전류가 이 목적을 위해 사용될 수도 있기 때문에, 시스템은 입력 감지 회로 (224) 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다.
일 실시형태에서, 스위칭 조정기 (203) 는 전원 (210) 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 조정기에 적용된다. 실질적인 구현에서, 출력은 비이상성 (non-ideality) (즉 효율성 손실) 에 대해 약 10% (즉, 효율성 η=90%) 일 수도 있게 디레이팅된다. 상기 수학식은 배터리 (250) 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 나중의 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 조정 기의 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 (203) 는 전류 제어 모드에서 동작할 수도 있고, 출력 감지 회로 (225) 는 스위칭 조정기의 출력 전류 (즉, 배터리 입력 전류) 를 감지하고, 전류 제어기 (223) 는 배터리상의 전압이 증가함에 따라 배터리로의 전류의 감소를 제어한다. 일 실시형태에서, 배터리 전류를 감소시키는 신호 전류 제어기 (223) 는 증가하는 배터리 전압에 대응하는 제어 신호에 응답하여 배터리 전류를 감소시킬 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 입력 감지 회로 (224) 는 스위칭 조정기로의 입력 전류를 감지하고, 전류 제어기 (223) 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 (223) 로의 하나 이상의 제어 신호를 생성하는 회로이다. 감지 회로, 제어기 및 전류 제어기는 아날로그 회로 (전체적으로 또는 일부로) 로서 구현될 수도 있어, 스위칭 조정기 출력 전류 (즉, 배터리 충전 전류) 는 배터리상의 스위칭 조정기 출력 전압이 증가함에 따라 연속적으로 감소한다. 또 다른 실시형태에서, 제어기 및 또는 전류 제어기는 디지털 회로 (전체적으로 또는 일부로) 로서 구현될 수도 있어, 배터리 충전 전류는 배터리 전압이 증가함에 따라 점진적으로 감소한다. 이들 회로의 예는 이하 설명된다.
도 3 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 것을 나타낸다. 301 에서, 입력 전압 및 입력 전류는 스위칭 조정기의 입력에서 수신된다. 302 에서, 스위칭 조정기의 출력에서의 스위칭 출력 전류 및 전압은 배터리의 단자에 접속된다. 예를 들어, 스위칭 트랜지스터의 출력 단자는 필터를 통해 배터리 단자에 접속될 수도 있다. 303 에서, 출력 전압 (즉, 배터리 전압) 및 출력 전류 (즉, 배터리 입력 전류) 는 스위칭 조정기의 출력에서 생성된다. 304 에서, 배터리로의 전류는 배터리상의 출력 전압이 증가함에 따라 감소된다. 전술한 바와 같이, 스위칭 조정기는 직접 배터리 전압, 입력 전류를 감지하거나 다른 관련 파라미터를 감지함으로써 배터리 전압의 상승을 검출할 수도 있다.
도 4a 및 4b 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 스위칭 조정기를 사용하여 배터리를 충전하는 것을 나타낸다. 도 4a 의 그래프는 수평축의 시간에 대해 좌측 수직축에 배터리상의 전압 및 우측 수직축에 플롯팅된 전류를 도시한다. 시간에 따른 배터리상의 전압은 라인 (401) 에 의해 도시되고, 배터리로의 전류는 라 인 (402) 에 의해 도시되며, 스위칭 조정기로의 전류는 라인 (403) 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 (410; 예를 들어, 100mA) 를 생성할 수도 있다. 예비 충전 정전류 (410) 는 배터리 전압이 증가하도록 할 것이다. 배터리 전압이 예비 충전 임계값 (420; 예를 들어, 3V) 위로 증가하는 경우, 시스템은 배터리로 소싱된 전류를 증가시킬 것이다. 제 2 전류는 종종 "고속 충전" 전류로 칭한다.
도 4a 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 적용에서, 입력 전류를 일부 임계값 아래로 유지하여 스위칭 조정기로의 총 전력이 전원에서의 가용 총 전력을 초과하지 않도록 하는 것이 바람직할 수도 있다. 이 예에서, 입력 전류는 대략 일정하게 유지되고 배터리로의 전류는 배터리 전압이 증가함에 따라 감소한다. 예를 들어, 420B 에서 배터리 전압이 3V 위로 증가하는 경우, 배터리로의 전류는 약 700mA 로 감소한다. 도 4a 로부터, 배터리상의 전압이 증가함에 따라 전류가 연속적으로 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 (430A) 위로 증가하는 경우, 시스템은 자동으로 변환하여 배터리에 정전압 (즉 "플로트 (float)" 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 (430) 는 감소하기 시작할 것이다 (즉, "테이퍼" 또는 "하강 (fall off)"). 일부 실시형태에서, 전류가 일부 최소 임계값 (440) 에 도달한 이후 충전기를 턴 오프하는 것이 바람직할 수도 있다. 그 결과, 배터리 전류가 최소 임계값 아래로 하강하는 경우, 시스템은 자동으로 충전기를 셧 다웃하고 t3 에서 충전 주기를 종료한다.
도 4b 는 배터리 전압에 대한 스위칭 조정기로의 입력 전류 및 이 스위칭 조정기에 의해 제공된 배터리 전류를 나타낸다. 도 4b 의 그래프는 수직축상에 플롯팅된 전류 및 수평축상에 배터리 전압을 도시한다. 초기에, 배터리 전압은 일부 임계값 (예를 들어, 3V) 아래이고, 시스템은 예비 충전 모드이며, 스위칭 조 정기가 설정되어 예비 충전 정전류 (410A; 예를 들어, 100mA) 를 배터리에 제공한다. 따라서, 입력 전류 (410B) 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 (402A; 예를 들어, 700mA) 으로 재설정될 수도 있다. 스위칭 조정기로부터 배터리에 공급된 전류가 증가하는 경우, 입력 전류는 마찬가지로 새로운 값 (403A; 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 (402B) 으로 배터리 전류를 재설정할 수도 있고 따라서 입력 전류가 (403B) 에서의 임계값 (예를 들어, 450mA) 아래로 감소된다. 배터리상의 출력 전압이 증가함에 따라, 배터리로의 출력 전류가 점진적으로 감소할 수도 있어, 도 4b 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 감소한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따라 배터리 충전 시스템 (500) 의 구현예를 나타낸다. 이 예는 배터리 전압이 증가함에 따라 배터리 전류를 조정하기 위해 디지털 제어기 (545) 및 프로그래밍 가능 저장소를 사용하는 하나의 가능한 구현을 나타낸다. 배터리 충전기 (500) 는 전원으로부터 입력 전압 및 전류를 수신하는 입력을 갖는 스위칭 조정기 (510) 를 구비한다. 스위칭 조정기 (510) 의 출력은 인덕터 (503) 및 캐패시터 (504) 를 포함하는 필터를 통해 배터리 (550) 에 접속된다. 또한, 전류 감지 저항 (501) 은 배터리로의 전류 경로에 포함될 수도 있다. 전류 제어기 (520) 는 배터리 전류를 감지하기 위해 전류 감지 저항 (501) 의 제 1 단자에 접속된 제 1 입력 및 전류 감지 저항 (501) 의 제 2 단자에 접속된 제 2 입력을 가진다. 전류 제어 모드에서, 전류 제어기 (520) 는 감지된 배터리 전류를 수신하고 스위칭 조정기 (510) 의 제어 입력에 제어 신호를 제공한다. 이 예에서, 전류 제어기 (520) 는 조정가능한 전류 제어기이고, 스위칭 조정기에 의해 생성된 출력 전류를 조정하기 위해 제어 신호를 수신하는 제어 입력 (520A) 을 구비한다. 시스템 (500) 은 충전 주기의 전압 제어 모드에 대해 전압 제어기 (530) 를 더 구비한다. 전압 제어기 (530) 는 배터리 전압을 감지하기 위해 배터리의 단자에 접속된 제 1 입력을 구비한다. 전압 제어 모드에서, 전압 제어기 (530) 의 출력은 스위칭 조정기 (510) 로의 제어 신호를 생성한다. 이 예에서, 전압 제어기 (530) 는 조정가능한 전압 제어기이고, 스위칭 조정기에 의해 생성된 출력 전류를 조정하기 위해 제어 입력 (530A) 을 구비한다.
충전 시스템 (500) 은 전술한 바와 같이 전류 제어 및 전압 제어 모드에서 스위칭 조정기를 구성하기 위해 전류 제어기 (520) 및 전압 제어기 (530) 에 접속된 데이터 저장소를 더 구비한다. 레지스터 또는 메모리와 같은 프로그래밍가능 데이터 저장 소자들은 배터리 (550) 의 충전 동안 스위칭 조정기 (510) 를 제어하는 복수의 충전 파라미터를 저장할 수도 있다. 파라미터는 재프로그래밍되어 전압 및/또는 전류 또는 배터리를 충전하도록 사용된 다른 파라미터를 변경하여 이에 의해 배터리 충전 효율성을 개선한다. 데이터 저장소는 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.
이 예에서, 디지털 제어기 (545) 는 배터리상의 전압이 증가함에 따라 배터리 전류를 변경하기 위해 전류 제어기 (520) 의 제어 입력을 수정하는데 사용된다. 일 실시형태에서, 감지 회로 (예를 들어, 입력 감지 회로 (502)) 는 스위칭 조정기의 입력 전류를 감지하도록 사용될 수도 있다. 이 예에서, 입력 감지 저항 (502) 은 스위칭 조정기에 의해 수신된 제 1 입력 전류를 감지하는 수단이다. 균등한 감지 수단은 예를 들어, 트랜지스터 또는 인덕티브 감지 기술을 포함할 수도 있다. 저항 (502) 의 단자는 아날로그/디지털 ("A/D") 변환기 (548) 를 통해 디지털 제어기 (545) 에 접속된다. 또 다른 실시형태에서, 배터리상의 전압은 A/D (549) 를 통해 디지털 제어기 (545) 에 접속될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 제어기 (545) 는 감지된 출력 전류 또는 출력 전압을 수신하고 전류 제어기 (520) 를 조정하여 배터리 전류를 제어한다. 예를 들어, 디지털 제어기 (545) 는 차례로 아날로그 신호로 변환되고 전류 제어기 (520) 의 제어 입력 (520A) 에 접속된 충전 파라미터를 갖는 데이터 저장 소자를 프로그래밍하도록 사용될 수도 있다. 데이터 저장소 내의 충전 파라미터는 예를 들어, 디지털 버스 (541; 예를 들어, 직렬 또는 병렬 버스) 를 사용하여 제어기 (545) 를 통해 프로그래밍될 수도 있다. 따라서, 충전 파라미터는 소정의 소프트웨어 알고리즘의 제어하에서 변경될 수도 있다. 제어기 (545) 는 스위칭 조정기 및 스위칭 배터리 충전기 회로와 동일한 집적 회로상에 포함될 수도 있고, 또는 제어기 (545) 는 전자 디바이스의 또 다른 집적 회로상에 포함될 수도 있다. 일 실시형태에서, 디지털 버스는 예를 들어, I2C 버스 또는 USB 에 접속되거나 이를 사용하여 구현될 수도 있다.
일 실시형태에서, 충전 파라미터는 복수의 디지털 비트로서 각각 저장될 수도 있고, 로컬 또는 원격일 수도 있는 (예를 들어, 동일한 집적 회로 또는 시스템 또는 또 다른 집적 회로 또는 시스템상의) 휘발성 메모리 (546) 또는 비휘발성 메모리 (547) 로부터의 상이한 충전 파라미터는 레지스터 (522) 에서 프로그래밍될 수도 있다. 그 후, 복수의 충전 파라미터에 대응하는 디지털 비트는 예를 들어, 전압 또는 전류와 같은 아날로그 파라미터로 변환될 수도 있다. 차례로, 아날로그 파라미터는 전류 제어기 (520) 의 제어 입력에 접속되고, 차례로, 스위칭 조정기 (510) 의 제어 입력에 접속되어 배터리 전류를 변경한다. 일 실시형태에서, 디지털 비트는 예를 들어, 디지털/아날로그 변환기 ("DAC") 를 사용하여 아날로그 파라미터로 변환될 수도 있다. 다양한 기술이 A/D 및 DAC 에 대해 사용될 수도 있다. 이 예에서, DAC (524), 레지스터 (522), 디지털 제어기 (545), 및 A/D (548) 또는 A/D (549) 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.
일 실시형태에서, 충전 주기는 예비 충전 및 고속 충전 전류 제어 모드, 및 전압 제어 모드를 포함한다. 예를 들어, 배터리로의 전류는 레지스터 (521 및 522) 에 디지털 값으로 저장된 파라미터들에 의해 프로그래밍될 수도 있다. 레지스터 (521) 는 디지털 예비 충전 파라미터 값을 저장할 수도 있고, 레지스터 (522) 는 하나 이상의 디지털 고속 충전 파라미터 값을 저장할 수도 있다. 상이한 고속 충전 파라미터 값은 감지된 배터리 전압 또는 감지된 배터리 전류에 기초하여 배터리에 공급된 전류를 설정하도록 전류 제어기 (520) 에 선택적으로 접속될 수도 있다. 이 예에서, 레지스터 (525) 는 예비 충전 임계값을 설정하는 디지털 값을 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 접속할 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 (522) 에 저장된 고속 충전 전류 값을 DAC (524) 에 접속한다. 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 디지털하게 선택될 수도 있다. 그 후, 선택된 탭은 비교기에 접속되고 예를 들어, 레퍼런스 전압에 비교될 수도 있다.
배터리 전압이 증가함에 따라, 디지털 제어기 (545) 는 레지스터 (522) 를 프로그래밍하여 배터리 전류를 변경할 수도 있다. 예를 들어, 디지털 제어기는 배터리 전압을 임계값 (소프트웨어 내 또는 하드웨어 내) 과 비교하여, 배터리 전압이 임계값을 초과하는 경우, 레지스터 (522) 를 재프로그래밍한다. 배터리 전압이 증가함에 따라, 제어기 (545) 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 (545) 는 조정기 입력 전류를 임계값 (소프트웨어 내 또는 하드웨어 내) 과 비교하여, 입 력 전류가 임계값을 초과하는 경우, 레지스터 (422) 를 재프로그래밍한다.
전압 제어 모드에서, 전압 제어기 (530) 는 전류 제어에서 전압 제어로 변경하는 임계값을 저장하는 레지스터 (531) 에 접속된다. 레지스터 (531) 는 임계값을 디지털 값으로 저장한다. 레지스터 (531) 의 디지털 비트는 DAC (532) 에 입력되고 배터리상의 프로그래밍된 정전압을 유지하기 위해 아날로그 파라미터로 변환된다. 배터리 전압이 레지스터 (531) 에서 프로그래밍된 전압 위로 증가하는 경우, 시스템은 전압 제어 모드로 변화할 것이고, 프로그래밍된 정전압은 조정기의 출력에서 유지될 것이고, 전류는 점진적으로 감소한다.
디지털 제어기 (545) 는 또한 시스템의 다른 디지털 정보를 조절하도록 사용될 수도 있다. 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 파라미터들은 휘발성 메모리 (546) 또는 예를 들어, EEPROM 과 같은 비휘발성 메모리 (547) 에 저장될 수도 있다. 스위칭 조정기 또는 메모리가 외부에 존재하는 경우, 비휘발성 또는 휘발성 메모리는 동일한 집적 회로에 존재할 수도 있다. 메모리가 외부에 존재하는 경우, 시스템은 외부 리소스와 접속하는 인터페이스 (미도시) 를 더 포함할 수도 있다. 이 예에서, 파라미터는 비휘발성 메모리 (546) 에 저장되고 레지스터 (521, 522, 525, 및 531) 에 전달된다.
본 발명의 실시형태는 소정의 소프트웨어 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 디바이스는 예를 들어, 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기일 수도 있는 프로세서를 구비할 수도 있다. 프로세서는 휘발성 또는 비휘발성 메모리 내의 충전 제어 소프트웨어에 접속할 수도 있고 충전 파라미터를 재프로그래밍하는 알고리즘을 실행할 수도 있다. 알고리즘은 예를 들어, 배터리가 충전하는 동안 하나 이상의 파라미터들을 변경할 수도 있고, 또는 알고리즘은 복수의 충전 주기 동안 하나 이상의 충전 파라미터를 변경할 수도 있다. 알고리즘은 레지스터 (예를 들어, 동적 프로그래밍에 대해) 또는 비휘발성 메모리 (예를 들어, 정적 프로그래밍에 대해) 내의 파라미터를 변경할 수도 있다. 예를 들어, 알고리즘은 감지된 배터리 상태를 입력으로서 수신할 수도 있고, 알고리즘은 이러한 상태에 기초하여 프로그래밍된 고속 충전 전류를 수정할 수도 있다. 도 5 에 도시된 예로부터, 시스템 내의 디지털 제어기는 출력 전류의 변경을 제어하기 위해, 재충전 동안 배터리에 전달된 전류 또는 배터리 전압 또는 입력 전류에 대해 비교된 임계값을 포함하는 다양한 파라미터들의 플렉서블한 프로그래밍가능성을 허용한다. 이러한 임계값은 복수의 충전주기에 걸쳐 또는 심지어 단일의 충전주기 동안 수정될 수도 있다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따라 배터리 충전 시스템 (600) 의 구현예를 나타낸다. 이 예는 배터리 전압이 증가함에 따라 배터리 전류를 조정하기 위해 아날로그 제어기 (645) 를 사용하는 하나의 가능한 구현을 나타낸다. 배터리 충전기 (600) 는 전원으로부터 입력 전압 및 전류를 수신하는 입력을 갖는 스위칭 조정기 (610) 를 구비한다. 스위칭 조정기 (610) 의 출력은 인덕터 (603) 및 캐패시터 (604) 를 포함하는 필터를 통해 배터리 (650) 에 접속된다. 도 5 의 배터리 충전 시스템 (500) 에 대해 설명한 바와 같이, 전류 제어 모드에서, 전류 제어기 (620) 는 배터리에 소싱된 전류를 제어하기 위해, 출력 전류를 감지하고 스위칭 조정기 (610) 의 제어 입력에 제어 신호를 제공한다. 이 예에서, 전류 감지 저항 (601) 은 배터리로의 전류 경로에 포함되고, 전류 제어기 (620) 는 배터리 전류를 감지하기 위해, 전류 감지 저항 (601) 의 제 1 단자에 접속된 제 1 입력 및 전류 감지 저항 (601) 의 제 2 단자에 접속된 제 2 입력을 가진다. 도 5 의 충전기 (500) 에서와 같이, 전류 제어기 (620) 는 조정가능 전류 제어기이고, 스위칭 조정기에 의해 생성된 출력 전류를 조정하는 제어 신호를 수신하는 제어 입력 (646) 을 포함한다. 시스템 (600) 은 충전 주기의 전압 제어 모드에 대해 전압 제어기 (630) 를 더 구비한다. 전압 제어기 (630) 는 배터리 전압을 감지하기 위해 배터리의 단자에 접속된 제 1 입력을 구비한다. 전압 제어 모드에서, 전압 제어기 (630) 의 출력은 스위칭 조정기 (610) 로의 제어 신호를 생성한다.
이 예에서, 아날로그 제어기 (645) 는 제 1 입력 전류 또는 제 1 출력 전압에 응답하여 전류 제어기로의 제어 신호를 생성하는 수단을 구비한다. 아날로그 제어기 (645) 는 배터리 전압을 감지하기 위해 배터리 단자에 접속되거나 스위칭 조정기로의 입력 전류를 감지하기 위해 입력 전류 감지 회로에 접속될 수도 있다. 이 예에서, 입력 전류 감지 회로는 스위칭 조정기 (610) 의 입력에 접속된 전류 감지 저항 (602) 이다. 이 예에서, 아날로그 제어기 (645) 는 배터리에 접속된 입력을 가질 수도 있고, 또는 아날로그 제어기 (645) 는 감지 저항 (601) 을 통해 접속된 2 개의 입력을 구비할 수도 있다. 감지된 입력 전류 또는 배터리 전압에 응답하여, 아날로그 제어기는 전류 제어기 (620) 의 제어 입력 (646) 상의 하나 이상의 제어 신호를 수정하여 배터리 전류를 변경한다. 아날로그 제어기 (645) 는 다양한 상이한 입력 또는 출력 회로 기술을 사용하여 입력 전류 또는 배터리 전압을 감지하고, 전류 제어기 (620) 의 특정 구현예에 의존하여 적당한 신호 또는 신호들을 생성할 수도 있다. 예를 들어, 아날로그 제어기 (645) 는 감지된 전압 또는 전류를 프로세싱하고 전류 제어기 (620) 로의 제어 입력 (646) 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 (645) 에 의해 조정될 수도 있다. 따라서, 전술한 바와 같이, 전류 제어기 (620) 는 스위칭 조정기로의 전류보다 더 큰, 배터리로의 전류를 생성할 수도 있다. 전류 제어기 (620) 는 배터리로의 입력 전류 및 아날로그 제어기 (645) 로부터의 제어 신호를 감지하고, 배터리상의 전압이 증가함에 따라 배터리 전류는 감소할 수도 있다.
도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 배터리 충전기의 일 예이다. 배터리 충전기 (700) 는 입력 단자 (708) 와 출력 단자 (709) 사이에 접속된 전압 및 전류를 제어하기 위해 트랜지스터 (707; 예를 들어, PMOS 트랜지스터) 에 접속된 스위칭 조정기 (703), 전류 제어기 (702), 및 전압 제어기 (701) 를 구비한다. 전류 제어기 (702) 는 출력 전류 감지 저항 (예를 들어, 0.1 옴 저항) 을 통해 전류를 감지하기 위해 제 1 입력 단자 (710) 및 제 2 입력 단자 (711) 를 구비한다. 단자 (710) 는 트랜지스터 (707) 의 단자 (709) 에 접속된, 저항의 포지티브 단자에 접속되고, 단자 (711) 는 배터리에 접속된 저항의 네거티브 단자에 접속된다 (스위칭 조정기에서, 단자 (709) 는 인덕터에 접속되고, 인덕터의 다른 단자는 단자 (710) 에 접속될 수도 있다). 전류 제어기 (702) 는 단자 (710) 와 단자 (711) 사이에서 감지된 전류에 응답하여 스위칭 조정기에 의해 생성된 전류량을 제어하기 위해 제어 입력 (750) 을 더 구비한다. 전류 제어기 (702) 의 출력은 조정기 (703) 의 입력에 접속된다. 전압 제어기 (701) 는 배터리에 접속된 배터리 감지 입력 단자 (712), 및 예를 들어, DAC 에 접속될 수도 있는 제어 입력 (751) 을 구비한다. 또한, 전압 제어기 (701) 의 출력은 스위칭 조정기 (703) 의 입력에 접속된다. 스위칭 조정기 (703) 는 레퍼런스 전압 (714; 예를 들어, 1V) 에 접속된 제 1 입력 및 전압 제어기 (701) 및 전류 제어기 (702) 의 출력에 접속된 제 2 입력 단자를 갖는 에러 증폭기 (704) 를 구비할 수도 있다. 에러 증폭기 (704) 의 출력은 예를 들어, 펄스 폭 변조 ("PWM") 의 듀티 주기 제어와 같은, 스위칭 회로 (705) 의 입력에 접속된다. 다양한 스위칭 기술이 본 발명을 실시하도록 사용될 수 있다. 노드 (713) 는 조정기의 네거티브 피드백 노드이다. 그 결과, 전류 제어 또는 전압 제어하에서, 루프는 에러 증폭기의 레퍼런스 전압 (예를 들어, 1V) 과 동일한 전압으로 노드 (713) 를 구동할 것이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 전압 제어기의 일 예이다. 전압 제어기 (800) 는 본 발명의 상이한 실시형태를 실시하도록 사용될 수도 있는 제어 회로의 단지 하나의 예이다. 이 예에서, 배터리 감지 단자 (801) 는 충전될 배터리에 접속된다. 제 2 입력 단자 (802) 는 배터리 단자에서의 전압을 프로그래밍된 전압 값으로 설정하기 위해 제어 디지털/아날로그 변환기 ("VDAC") 의 출력에 접속된다. 단자 (802) 는 배터리에서의 전압을 설정하는 충전 파라미터를 저장하는 레지스터 또는 메모리에 VDAC 을 통해 겹합될 수도 있다. 배터리 전압은 충전 파라미터를 변경함으로써 조정될 수도 있고, 이에 의해 상이한 값의 범위에 걸쳐 단자 (802) 에서의 전압을 변경한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 전압 제어기 (800) 의 출력 DIFF 는 이 예에서 1V 인 에러 증폭기 레퍼런스와 동일한 전압으로 구동될 것이다. 증폭기 (804 및 805) 및 레지스터 (806 내지 812) 의 네트워크를 포함하는 차분 합산 네트워크 (differential summing network) 는 출력에서의 전압, DIFF, 배터리 전압, BSENSE, 및 DAC 전압 VDAC(V) 사이에 다음의 관계를 확립한다.
DIFF=BSENSE-(2.45V+VDAC(V))
그 결과, DIFF 는 피드백 루프에 의해 1V 로 구동되고, 배터리 전압은 VDAC 상의 전압의 함수이다.
BSENSE=3.45+VDAC(V); 여기서 DIFF = 1V
따라서, 배터리 전압은 Vctrl 을 설정하는 DAC 의 입력에 접속된 비트의 디지털 값을 변경함으로써 프로그래밍될 수도 있다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 전류 제어기의 일 예이다. 전류 제어기 (900) 는 본 발명의 상이한 실시형태를 실시하도록 사용될 수도 있는 제어 회로의 단지 하나의 예이다. 이 예에서, 포지티브 및 네거티브 전류 감지 단자 (902 및 903) 는 충전될 배터리의 입력에서 감지 저항을 통해 접속된다. 제어 입력 단자 (901) 는 디지털 또는 아날로그 제어기에 응답하여 배터리로의 제어된 전류를 설정하기 위해 제어 전압 ("Vctrl") 에 접속된다. 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 (901) 는 배터리로의 전류를 설정하는 충전 파라미터를 저장하는 레지스터 또는 메모리에 디지털/아날로그 변환기 ("DAC") 를 통해 접속될 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 (901) 에서의 전압을 변경한다. 예로서, 전술한 바와 같이, 전류 제어기 (900) 의 출력, DIFF 는 이 예에서 1V 인 에러 증폭기 레퍼런스와 동일한 전압으로 구동될 것이다. 증폭기 (905 및 906) 및 레지스터 (907 내지 914) 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 접속된 비트의 디지털 값을 변경함으로써) 변경될 수도 있다. 도 7 및 도 8 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 7 내지 도 9 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 (800) 에서의 증폭기 (805) 의 출력 풀-다운 트랜지스터 및 전류 제어기 (900) 에서의 증폭기 (906) 의 출력 풀-다운 트랜지스터는 "약한 (weak)" 디바이스이다. 예를 들어, DIFF 노드로부터 전류를 싱크하는 디바이스는 DIFF 노드로 전류를 소스하는, 증폭기 (805 및 906) 의 디바이스보다 훨씬 더 작다. 전류 제어 모드 동안, 배터리 전압이 VDAC(V) 에 의해 프로그래밍된 값 아래이고, 증폭기 (805) 의 포지티브 입력 (BSENSE) 이 네거티브 입력 아래인 경우, 증폭기 (805) 의 출력은 DIFF 로부터 싱크하기를 시도할 것이다. 그러나, 전류 제어기 증폭기 (906) 의 출력은 포지티브 방향으로 DIFF 노드를 구동할 것이다. 그 결과, 증폭기 (805) 의 풀-다운 출력은 증폭기 (906) 의 풀-업 출력보다 약하기 때문에, 시스템은 정전류 제어기 (900) 에 의해 억제된다 (dominated). 마찬가지로, 배터리상의 전압 (BSENSE) 이 증폭기 (805) 의 포지티브 및 네거티브 입력이 동일한 포인트로 증가한 경우, 전압 제어기는 억제할 것이다. 이 포인트에서, 감지 저항을 통한 전류는 감소하기 시작할 것이고, 증폭기 (906) 의 출력은 풀 다운하기 시작할 것이다. 그러나, 증폭기 (906) 의 풀-다운 출력이 증폭기 (805) 의 풀-업 출력보다 약하기 때문에, 시스템은 정전압 제어기 (800) 에 의해 억제될 것이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 아날로그 제어기의 예를 나타낸다. 전류 제어기 (1020) 는 "Csense+" 에 접속된 제 1 입력 및 "Csense-" 에 접속된 제 2 입력을 구비한다. 여기서, Csense+ 는 출력 전류 감지 저항의 포지티브 단자에 접속되고, Csense- 는 출력 전류 감지 저항의 네거티브 단자에 접속된다. 전류 제어기 (1020) 는 스위칭 조정기 (1001) 의 제어 입력 (1004) 으로의 제어 신호를 생성할 것이다. 스위칭 조정기 (1001) 는 차례로 스위칭 트랜지스터의 게이트 (1002) 로의 스위칭 신호 (예를 들어, 펄스 폭 변조 신호) 를 생성할 스위칭 회로 (1003) 를 구비한다 (또한, 스위칭 조정기 (1001) 는 설명의 목적을 위해 생략된 에러 증폭기를 구비할 수도 있다). 제어 전류기 (1020) 는 제어 입력 Vctrl 을 더 구비한다. Vctrl 에서의 전압은 배터리 전류를 제어하도록 사용될 수도 있다. 이 예에서, 전류 제어기 (1020) 로의 제어 입력에서의 전압은 저항 (1046; "R1") 으로의 전류원 (1045) 에 의해 설정된다. 시스템이 예비 충전 모드인 경우, 전류원 (1045) 에 의해 제공된 전류는 시스템이 고속 충전 모드인 경우, 제공된 전류보다 더 작을 수도 있다. 시스템이 초기에 고속 충전 모드로 진행하는 경우, 저항 (1046) 으로의 전류는 최대의 원하는 출력 전류에 대응하여 Vctrl 에서 최대 전압을 설정할 수도 있다. 고속 충전 주기의 시작에서의 최대 출력 전류는 저항 (1046) 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 (1048) 를 바이어스한다. 배터리상의 전압이 증가하거나 스위칭 조정기의 입력 전류가 증가함으로써, Vsense 는 증가할 것이다. Vsense 가 증가함에 따라, 트랜지스터 (1048) 는 턴온하고, 저항 (1046) 으로부터 전류를 스틸 어웨이할 전류를 전도할 것이며, 이에 의해 전류 제어기 (1020) 의 제어 입력에서의 전압을 감소시킨다. 따라서, Vctrl 이 감소함에 따라, 전류 제어기 (1020) 는 스위칭 조정기 (1001) 에 의해 생성된 출력 전류를 감소시킨다. 따라서, 배터리 전압이 증가하거나, 입력 전류가 증가함에 따라, Vsense 는 전류 제어기 (1020) 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 청구범위에 기초 하여, 다른 구성, 실시형태, 구현 및 균등물이 당업자에게 명백할 것이고, 청구범위에 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 청구범위 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 개선하는 개선된 배터리 충전기 시스템 및 방법을 제공한다.

Claims (36)

  1. 스위칭 조정기의 입력에서 제 1 입력 전압 및 제 1 입력 전류를 수신하는 단계;
    상기 스위칭 조정기의 출력을 배터리의 단자에 접속 (coupling) 하는 단계;
    상기 배터리의 단자에서 제 1 출력 전압 및 제 1 출력 전류를 생성하는 단계로서, 상기 스위칭 조정기는 상기 제 1 출력 전류를 제어하고, 상기 배터리로의 출력 전류는 상기 제 1 입력 전류보다 더 크고, 상기 제 1 입력 전압은 상기 제 1 출력 전압보다 더 큰, 상기 생성하는 단계; 및
    상기 배터리상의 상기 제 1 출력 전압이 증가함에 따라 상기 제 1 출력 전류를 감소시키는 단계를 포함하는, 배터리 충전 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리상의 상기 제 1 출력 전압을 감지하여, 이에 의해, 상기 제 1 입력 전류가 미리 정해진 입력 전류 임계값 아래가 되도록 상기 제 1 출력 전류를 조정하는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 조정기로의 상기 제 1 입력 전류를 감지하여, 상기 제 1 입력 전류가 미리 정해진 입력 전류 임계값 아래가 되도록 상기 제 1 출력 전류를 조정하는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리의 단자에 필터를 통해 상기 스위칭 조정기의 스위칭 출력 전류 및 스위칭 출력 전압을 접속시키는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 전류는, 상기 배터리상의 상기 제 1 출력 전압이 증가함에 따라 복수의 전류 값에 걸쳐 감소하는, 배터리 충전 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 전류는, 상기 배터리상의 상기 제 1 출력 전압이 증가함에 따라 연속적으로 감소하는, 배터리 충전 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 전류는, 상기 배터리상의 상기 제 1 출력 전압이 증가함에 따라 점진적으로 (incrementally) 감소하는, 배터리 충전 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 전류는 연속적으로 감소하여 상기 스위칭 조정기로의 제 1 입력 정전류 (constant first input current) 를 유지하는, 배터리 충전 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 조정기로의 상기 제 1 입력 전류가 미리 정해진 입력 전류 임계값 위로 증가하는 경우, 상기 제 1 출력 전류는 점진적으로 감소하는, 배터리 충전 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배터리상의 상기 제 1 출력 전압을 감지하는 단계; 및
    상기 감지된 제 1 출력 전압이 미리 정해진 출력 전압 임계값보다 더 큰 경우, 프로그래밍가능 데이터 저장 소자의 충전 파라미터를 제 1 정출력 전류에 대응하는 제 1 파라미터 값으로부터 제 2 정출력 전류에 대응하는 제 2 파라미터 값으로 변경하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 1 정출력 전류는 상기 제 2 정출력 전류보다 더 큰, 배터리 충전 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 감지된 제 1 출력 전압에 응답하여, 연속적으로 감소하는 복수의 정출력 전류에 대응하는 값의 범위에 걸쳐 상기 충전 파라미터를 변경하는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 조정기로의 상기 제 1 입력 전류를 감지하는 단계; 및
    상기 감지된 제 1 입력 전류가 미리 정해진 입력 전류 임계값보다 더 큰 경우, 프로그래밍가능 데이터 저장 소자의 충전 파라미터를 제 1 정출력 전류에 대응하는 제 1 파라미터 값으로부터 제 2 정출력 전류에 대응하는 제 2 파라미터 값으로 변경하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 정출력 전류는 상기 제 2 정출력 전류보다 더 큰, 배터리 충전 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 감지된 제 1 입력 전류에 응답하여, 연속적으로 감소하는 복수의 정출력 전류에 대응하는 값의 범위에 걸쳐 상기 충전 파라미터를 변경하는 단계를 더 포함하는, 배터리 충전 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 조정기의 입력은 유니버설 시리얼 버스 (Universal Serial Bus) 포트에 접속된, 배터리 충전 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 조정기의 출력은 리튬 이온 배터리, 니켈 금속 하이브리드 배터리, 또는 니켈 카드뮴 배터리에 접속되는, 배터리 충전 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 전류는 소정의 소프트웨어 알고리즘에 따라 감소하는, 배터리 충전 방법.
  17. 제 1 입력, 제 1 출력, 및 제어 입력을 갖는 스위칭 조정기로서, 상기 제 1 입력은 제 1 입력 전압 및 제 1 입력 전류를 수신하고, 상기 제 1 출력은 배터리에 접속 (coupling) 되어 제 1 출력 전압 및 제 1 출력 전류를 제공하는, 상기 스위칭 조정기; 및
    상기 제 1 출력 전류를 감지하도록 접속된 하나 이상의 입력, 상기 스위칭 조정기의 제어 입력에 접속된 하나 이상의 출력, 및 상기 제 1 입력 전류의 변경을 검출하기 위해 상기 스위칭 조정기의 상기 제 1 입력에 접속되거나 상기 제 1 출력 전압의 변경을 검출하기 위해 상기 배터리에 접속된 제 2 입력을 갖는 조정가능 전류 제어기를 구비하고,
    상기 조정가능 전류 제어기는 상기 제 1 입력 전류 또는 상기 제 1 출력 전압의 변경의 검출에 응답하여 상기 배터리로의 상기 제 1 출력 전류를 변경시키고,
    상기 스위칭 조정기는 상기 배터리에 상기 제 1 입력 전류보다 더 큰 제 1 출력 전류를 제공하며, 상기 제 1 출력 전류는 상기 배터리상의 전압이 증가함에 따라 감소하는, 배터리 충전기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 전류를 감지하기 위해 상기 스위칭 조정기의 제 1 출력과 상기 배터리 사이에 접속된 감지 저항을 더 구비하고, 상기 조정가능 전류 제어기의 하나 이상의 입력은 상기 감지 저항의 제 1 단자에 접속된 제 1 입력 및 상기 감지 저항의 제 2 단자에 접속된 제 2 입력을 구비하는, 배터리 충전기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 스위칭 조정기는 전류 제어 모드에서 동작하는, 배터리 충전기.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 출력 전류는, 상기 제 1 입력 전류가 미리 정해진 입력 전류 임계값 아래로 유지되도록 조정되는, 배터리 충전기.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 입력 전류를 감지하는 감지 회로를 더 구비하고, 상기 조정가능 전류 제어기의 상기 제 2 입력은 상기 제 1 입력 전류의 변경을 검출하는 상기 감지 회로에 접속되는, 배터리 충전기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 감지 회로는 상기 스위칭 조정기의 입력에 접속된 제 1 저항을 구비하는, 배터리 충전기.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 감지 회로와 상기 조정가능 전류 제어기 사이에 접속된 제 1 제어기를 더 구비하고, 상기 제 1 제어기는, 제 1 입력 전류가 미리 정해진 입력 전류 임계값 위로 증가하는 경우, 상기 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력에서의 제어 전압을 변경하는, 배터리 충전기.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 제어기는 디지털 제어기이고, 상기 디지털 제어기는, 상기 제 1 입력 전류가 상기 미리 정해진 입력 전류 임계값 위로 증가하는 경우, 하나 이상의 프로그래밍가능 저장 소자의 디지털 비트를 변경하는, 배터리 충전기.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 제어기는 아날로그 제어기이고, 상기 아날로그 제어기는 상기 감지 회로에 접속된 하나 이상의 입력 및 상기 조정가능 전류 제어기에 접속된 하나 이상의 출력을 가지고, 상기 아날로그 제어기는, 상기 제 1 입력 전류가 상기 미리 정해진 입력 전류 임계값 위로 증가하는 경우, 상기 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력에서의 전압을 변경하는, 배터리 충전기.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 조정가능 전류 제어기의 상기 제 2 입력은 상기 제 1 출력 전압의 변경을 검출하는 상기 배터리에 접속되는, 배터리 충전기.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 배터리에 접속된 하나 이상의 입력 및 상기 조정가능 전류 제어기의 상기 제 2 입력에 접속된 출력을 가진 디지털 제어기를 더 구비하고, 상기 디지털 제어기는, 상기 제 1 출력 전압이 미리 정해진 출력 전압 임계값 위로 증가하는 경우, 하나 이상의 프로그래밍가능 데이터 저장 소자의 디지털 비트를 변경하고, 이에 의해, 상기 제 1 출력 전류를 감소시키는 상기 조정가능 전류 제어기의 상기 제 2 입력에서의 전압을 변경하는, 배터리 충전기.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 배터리와 상기 디지털 제어기의 하나 이상의 입력 사이에 접속된 아날로그/디지털 변환기, 및 상기 프로그래밍가능 데이터 저장 소자와 상기 조정가능 전류 제어기의 제 2 입력 사이에 접속된 디지털/아날로그 변환기를 더 구비하는, 배터리 충전기.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 레지스터인, 배터리 충전기.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 레지스터이고, 상기 디지털 제어기는 휘발성 메모리로부터 상기 레지스터로 디지털 비트를 로딩함으로써 상기 레지스터의 디지털 비트를 변경하는, 배터리 충전기.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 프로그래밍가능 데이터 저장 소자는 레지스터이고, 상기 디지털 제어기는 비휘발성 메모리로부터 상기 레지스터로 디지털 비트를 로딩함으로써 상기 레지스터의 디지털 비트를 변경하는, 배터리 충전기.
  32. 제 17 항에 있어서,
    상기 스위칭 조정기는 스위칭 트랜지스터, 에러 증폭기, 및 스위칭 회로를 더 구비하고, 상기 조정가능 전류 제어기의 하나 이상의 출력은 상기 에러 증폭기 및 스위칭 회로를 통해 상기 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 접속되는, 배터리 충전기.
  33. 제 17 항에 있어서,
    상기 스위칭 조정기는 펄스 폭 변조 회로를 구비하는, 배터리 충전기.
  34. 제 17 항에 있어서,
    상기 조정가능 전류 제어기는 상기 배터리에 제 1 정출력 전류를 발생시키기 위해 상기 스위칭 조정기로의 제 1 제어 신호를 생성하고, 상기 조정가능 전류 제어기는, 상기 배터리상의 전압이 증가함에 따라 상기 제 1 정출력 전류를 연속적으로 감소시키기 위해 상기 제 1 제어 신호를 변경하는, 배터리 충전기.
  35. 제 17 항에 있어서,
    상기 조정가능 전류 제어기는 상기 배터리에 제 1 정출력 전류를 발생시키기 위해 상기 스위칭 조정기로의 제 1 제어 신호를 생성하고, 상기 조정가능 전류 제어기에 접속된 하나 이상의 데이터 저장 소자는, 상기 제 1 입력 전류 또는 상기 제 1 출력 전압의 증가에 응답하여 제어기에 의해 재프로그래밍되고, 이에 의해, 조정가능 전류 제어기는 상기 제 1 제어 신호를 변경하여 상기 제 1 정출력 전류를 연속적으로 감소시키는, 배터리 충전기.
  36. 제 17 항에 있어서,
    상기 조정가능 전류 제어기의 상기 제 2 입력에 접속된 레지스터를 더 구비하고, 상기 레지스터의 디지털 비트는, 상기 제 1 입력 전류 또는 상기 제 1 출력 전압의 증가에 응답하여, 제 1 비트 값으로부터 제 2 비트 값으로 변경되고, 이에 의해, 상기 제 1 출력 전류가 감소하는, 배터리 충전기.
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