KR100974313B1 - 배터리 충전기 - Google Patents

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KR100974313B1
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차진종
권오경
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 배터리 충전기는 제 1 충전 모드 구간 동안 스위칭 충전기로서 동작하는 제 1 충전기, 그리고 제 2 충전 모드 구간 동안 리니어 충전기로서 동작하는 제 2 충전기를 포함하며, 상기 제 1 충전기와 상기 제 2 충전기는 피드백 루프의 적어도 일부를 공유한다.
Figure R1020080028073
배터리 충전기, 스위칭 충전기, 리니어 충전기

Description

배터리 충전기{BATTERY CHARGER}
본 발명은 배터리 충전기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 2차 전지의 충전회로에 관한 것이다.
최근 PMP(portable multimedia player)나 휴대폰, PDA(personal digital assistants)등과 같은 이동 기기들의 수요는, 전자기기 시장에서 크게 성장하고 있다. 이러한 성장과 함께 고성능 이동 기기에 대한 소비자들의 요구는 계속 증가하고 있으며, 이동 기기의 성능 및 동작 시간에 큰 영향을 미치는 고성능 배터리에 대한 시장의 요구 또한 점차 증가하고 있다.
다양한 배터리들 가운데 리튬 이온 배터리는 높은 출력 전압, 높은 에너지 밀도에 따른 작은 사이즈, 낮은 자가 방전율 등과 같은 특성으로 인해 고성능 이동기기에서 가장 많이 사용되고 있다. 리튬 이온 배터리의 품질에 가장 큰 영향을 끼치는 요소 중의 하나는 충전기의 성능이다. 이러한 충전기의 성능은 리튬 이온 배터리의 가장 중요한 특성 중 하나인 충전 전압에 큰 영향을 준다. 만일 리튬 이온 배터리의 충전 전압이 최대 충전 전압의 1.2% 정도 부족하면 전체 배터리 용량 중 9%의 손실이 발생하며, 과충전시에는 배터리의 수명이 크게 단축된다. 따라서, 높 은 전력 효율과 높은 충전 정확도를 모두 제공할 수 있는 배터리 충전기가 필수적으로 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 배터리 충전시 높은 전력효율과 높은 충전 정확도를 달성할 수 있는 배터리 충전기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 충전기에 사용되는 칩의 면적 및 외부소자의 수를 줄일 수 있는 배터리 충전기를 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 배터리 충전기는, 제 1 충전 모드 구간 동안 스위칭 충전기로서 동작하는 제 1 충전기; 그리고 제 2 충전 모드 구간 동안 리니어 충전기로서 동작하는 제 2 충전기를 포함하며, 상기 제 1 충전기와 상기 제 2 충전기는 피드백 루프의 적어도 일부를 공유하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 충전기 및 상기 제 2 충전기는 동일 칩 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 충전기는 충전 제어부; 상기 충전 제어부의 제어에 응답해서 배터리 충전에 사용될 충전 전류를 출력하는 충전부; 상기 충전 전류를 필터링하는 저역 통과 필터; 상기 충전 전류와 상기 배터리의 충전 전압을 감지하고, 상기 감지 결과에 응답해서 오차 보정 및 변조를 수행하는 제 1 피드백 루프를 포함하며, 상기 충전 제어부는 상기 충전 전류 및 상기 충전 전압의 레벨과, 상기 변조 결과에 응답해서 상기 충전 전류의 양을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 2 충전기는 상기 제 1 충전기의 상기 충전 제어부, 상기 충전부, 및 상기 저역통과 필터를 공유하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 충전부는, 상기 제 1 충전 모드 동안 상기 전류의 출력을 스위칭하는 제 1 및 제 2 전력 트랜지스터를 포함하며, 상기 제 1 전력 트랜지스터는 상기 제 2 충전 모드 동안 저항성 패스 트랜지스터로 동작하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 피드백 루프는 상기 충전부의 출력단에서 상기 충전 전류를 감지하고, 상기 감지 결과를 상기 충전 제어부로 제공하는 전류 감지부; 상기 저역 통과 필터의 출력단에서 상기 충전 전압을 감지하고, 상기 감지 결과를 상기 충전 제어부로 제공하는 전압 감지부; 상기 충전 전압에 응답해서 상기 제 1 피드백 루프의 오차를 보정하는 오차 증폭기; 그리고 상기 오차 보정 결과를 변조하는 변조부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 오차 증폭기는 상기 저역 통과 필터의 이중 극점을 보상하고, 상기 보상 결과를 주파수 보상 결과로서 출력하는 주파수 보상부를 구성하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 변조부는 PFM(pulse-frequency-modulation) 및 PWM(Pulse-width modulation) 중 어느 하나의 방식으로 상기 오차 보정 결과를 변조하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 2 충전 모드 구간 동안 상기 제 1 피드백 루프의 상기 변조부 및 상기 전류 감지부는 비활성화되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 2 충전기는 상기 제 1 피드백 루프의 상기 전압 감지부 및 상기 주파수 보상부를 공유하는 제 2 피드백 루프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 2 피드백 루프는 상기 오차 보정 결과의 이득을 반전하여 상기 충전 제어부로 제공하는 이득 반전부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 제 1 충전 모드 구간 동안 상기 이득 반전부는 비활성화되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 충전기에 사용되는 칩의 면적 및 외부소자의 수를 스위칭 충전기와 같은 수준으로 유지하면서 전력효율과 충전 정확도를 획기적으로 높일 수 있다. 따라서, 고성능의 이동 기기용 배터리에 매우 유용하게 사용될수 있다.
이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 배터리 충전기는 스위칭 충전기의 구조와 리니어 충전기의 구조를 결합시킨 구성을 갖는다. 본 발명의 배터리 충전기는 두 종류의 충전기 구조를 결합시킴에 있어서, 전압 감지부, 주파수 보상회로, 전류 감지부, 및 오차앰프와 같이 피드백 루프와 관련된 회로들을 공유한다. 이러한 본 발명의 구성에 따르면 배터리 충전시 높은 전력효율과 높은 충전 정확도를 달성할 수 있다, 그리고, 추가적인 칩 면적 및 추가적인 외부 소자가 필요 없고, 충전기에 사용되는 칩의 면적 및 외부소자의 수를 스위칭 충전기와 같은 수준으로 유지할 수 있게 된다. 따라서, 고성능의 이동 기기용 배터리에 유용하게 사용되어, 배터리의 품질을 크게 개선시킬 수 있게 된다. 본 발명에 따른 충전기의 상세 구성은 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전기(100)의 전체 구성을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 배터리 충전기(100)는 충전 제어부(charge controller ; 10), 충전부(20), 저역 통과 필터(low pass filter ; LPF)(30), 전압 감지부(; 40), 주파수 보상부(frequency compensator ; 50), 변조부(60), 전류 감지부(70), 및 이득 반전부(gain inverter ; 80)를 포함한다. 도 1에서, 전압 감지부(40), 주파수 보상부(50), 변조부(60), 전류 감지부(70), 및 이득 반전부(80)는 피드백 루프(90)를 구성한다.
아래에서 상세히 설명되겠지만, 본 발명의 배터리 충전기(100)는 스위칭 충전기의 구조와 리니어 충전기의 구조가 혼합된 구조를 갖는다. 두 종류의 충전기가 혼합된 구성을 가짐에 따라, 본 발명에 따른 배터리 충전기(100)는 스위칭 충전기 의 충전 동작과 리니어 충전기의 충전 동작을 모두 수행할 수 있게 된다. 예를 들면, 본 발명에 따른 배터리 충전기(100)는 제 1 충전 모드(즉, 스위칭 충전 모드(switching charge mode))에서는 스위칭 충전기로서 동작하고, 제 2 충전 모드(즉, 리니어 충전 모드(linear charge mode))에서는 리니어 충전기로서 동작한다. 각각의 충전 모드에 대응되는 충전 경로는 도 3 및 도 4에 각각 화살표로 표시되어 있다.
본 발명의 배터리 충전기(100)는 피드백 루프를 통해 배터리의 충전 동작을 제어한다. 본 발명의 배터리 충전기(100)는 2 가지의 피드백 루프를 갖는다. 하나는 제 1 충전 모드(즉, 스위칭 충전 모드)를 위한 피드백 루프이고, 다른 하나는 제 2 충전 모드(즉, 리니어 충전 모드)를 위한 피드백 루프이다. 본 발명에 따른 배터리 충전기(100)는 두 종류의 충전기 구조를 혼합함에 있어서, 전압 감지부(40), 오차앰프, 주파수 보상회로(50), 및 전류 감지부(70)와 같이 피드백 루프와 관련된 회로들을 공유한다. 따라서, 두 가지 충전기의 기능을 수행하면서도 칩의 면적 및 외부소자의 수는 스위칭 충전기 수준을 유지할 수 있게 된다. 배터리 충전기(100)를 구성하는 각각의 블록들의 구성 및 동작은 다음과 같다.
충전 제어부(10)는 배터리 충전기(100)의 제반 동작을 제어한다. 충전부(20)는 충전 제어부(10)의 제어에 응답해서 저역 통과 필터(30)로 전류를 제공한다. 이를 위해 충전부(20)는 충전 제어부(10)의 출력에 의해 스위칭되는 제 1 전력 트랜지스터(P0)와, 제 2 전력 트랜지스터(N0)를 포함한다. 제 1 전력 트랜지스터(P0)는 P 타입 MOS 트랜지스터로 구성되고, 제 2 전력 트랜지스터(N0)는 N 타입 MOS 트랜지스터로 구성된다. 제 1 및 제 2 전력 트랜지스터(P0, N0)의 전류 통로는 직렬로 연결된다. 제 1 전력 트랜지스터(P0)의 소오스 단자에는 입력 전압(Vin)이 접속되고, 제 2 전력 트랜지스터(N0)의 소오스 단자에는 접지가 접속된다. 제 1 및 제 2 전력 트랜지스터(P0, N0)의 드레인 단자에는 전류 감지부(70)와 저역 통과 필터(30)가 접속된다. 제 1 충전 모드에서 제 1 및 제 2 전력 트랜지스터(P0, N0)는 전류를 스위칭하는 스위치로 사용된다. 그리고, 제 2 충전 모드에서 제 1 전력 트랜지스터(P0)가 저항성 패스 트랜지스터로 사용된다.
전류 감지부(70)는 충전부(20)의 출력단에서 출력되는 전류를 감지한다. 감지된 전류 값은 충전 제어부(10)로 제공되어, 배터리의 충전 동작을 제어하는데 사용된다. 전류 감지부(70)는 제 1 충전 모드에서는 활성화되는 반면, 제 2 충전 모드에서는 비활성화 된다. 저역 통과 필터(30)는 충전부(20)의 출력에 존재하는 고주파 성분을 제거하는 필터링 동작을 수행한다. 저역 통과 필터(30)에 의해 필터링된 결과(ibat)는 배터리 연결부를 통해 배터리(미 도시됨)로 제공된다.
전압 감지부(40)는 저역 통과 필터(30)의 출력과 연결된 배터리 연결부로부터 배터리의 전압을 감지한다. 전압 감지부(40)를 통해 감지된 배터리 전압은 충전 제어부(10)와 주파수 보상부(50)로 제공된다. 충전 제어부(10)는 전압 감지부(40)에서 감지된 배터리 전압에 응답해서 배터리 충전기(100)의 충전 모드를 제어한다. 주파수 보상부(50)는 피드백 루프의 안정성을 높이기 위해, 피드백 신호(예를 들면, 충전 전압)의 주파수를 보상한다. 예를 들면, 주파수 보상부(50)는 저역 통과 필터(30)에 포함된 인턱터(L)와 커패시터(C)의 이중 극점(pole)을 보상하고, 상기 보상 결과를 주파수 보상 결과로서 출력한다. 배터리 충전기(100)는 피드백 루프 상에서 충전 전압의 오차를 제거하기 위해 오차 증폭기를 사용한다. 도 1에는 피드백 루프의 오차 증폭기로서, 피드백 신호의 주파수를 보상하는 주파수 보상부(50)가 예시적으로 도시되어 있다.
주파수 보상부(50)로부터 출력된 주파수 보상 결과는 변조부(60)와 이득 반전부(80)로 제공된다. 변조부(60)는 주파수 보상부(50)로부터 발생된 주파수 보상 결과를 변조한다. 변조부(60)에서 수행되는 변조 동작은 PFM(pulse-frequency-modulation) 또는 PWM(Pulse-width modulation) 방식으로 수행될 수 있다. 변조부(60)로부터 발생된 변조 결과는 제 1 충전 모드시 충전 제어부(10)로 제공되어, 충전부(20)에 구비된 제 1 및 제 2 전력 트랜지스터(P0, N0)의 온/오프를 제어한다. 변조부(60)는 제 1 충전 모드에서 활성화되고, 제 2 충전 모드에서는 비활성화된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전기(110)의 구성을 보여주는 블록도이다. 도 2에는, 변조부(61)가 PWM 회로로 구성되는 경우가 예시적으로 도시되어 있다. 즉, 도 2에 도시된 배터리 충전기(110)는, 변조부(61)가 PWM 회로로 구성되는 점을 제외하면 도 1에 도시된 배터리 충전기(100)와 실질적으로 동일 한 구성을 갖는다. 따라서, 중복되는 설명을 피하기 위해 동일한 기능을 수행하는 블록에 대해서는 동일한 참조 번호를 부가하고, 중복되는 동작에 대한 설명은 이하 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 변조부(61)는 비교기(63), R-S 래치, 및 데드 타임 제어기(67)를 포함한다. 비교기(63)는 주파수 보상부(50)의 출력과 소정의 램프 전압(Vramp)을 비교하고, 비교 결과를 근거로 하여 논리 0 또는 논리 1의 신호를 발생한다. R-S 래치는 클럭 신호(Clock)에 응답해서 비교기(63)의 출력을 래치하고, 래치된 결과를 데드 타임 제어기(67)로 제공한다. 데드 타임 제어기(67)는 R-S 래치의 출력에 응답해서 논리 1의 구간의 폭을 조절하여 출력한다. 변조부(61)로부터 출력되는 신호는, 결국 주파수 보상부(50)의 출력을 PWM 변조한 결과에 해당된다. 변조부(61)의 출력은 충전 제어부(10)로 제공되어, 충전부(20)에 구비된 제 1 및 제 2 전력 트랜지스터(P0, N0)의 온/오프를 제어하는데 사용된다. 제 1 및 제 2 전력 트랜지스터(P0, N0)의 온/오프 제어 결과에 따라서 배터리로 제공되는 전류의 양과, 배터리의 충전 전압이 조절된다. 도 2에 도시된 변조부(61)는 제 1 충전 모드에서 활성화되고, 제 2 충전 모드에서는 비활성화된다.
다시 도 1을 참조하면, 이득 반전부(80)는 주파수 보상부(50)로부터 발생된 주파수 보상 결과의 이득(gain)을 반전시킨다. 반전된 이득을 갖는 주파수 보상 결과는 충전 제어부(10)로 제공된다. 이득 반전부(80)는 인버터와 같이 단순한 회로 구성을 가질 수 있다. 이득 반전부(80)를 통해 배터리 충전기의 피드백 신호의 극 성이 반전됨에 따라, 피드백 신호의 극성이 서로 반대인 스위칭 충전기와 리니어 충전기가 하나의 오차앰프(즉, 주파수 보상부(50))를 공유할 수 있게 된다. 이득 반전부(80)는 제 1 충전 모드에서 비활성화되고, 제 2 충전 모드에서는 활성화된다.
계속해서, 충전 모드에 따른 배터리 충전기(100)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 충전기(100)의 제 1 충전 모드(즉, 스위칭 충전 모드)의 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 배터리 충전기(100)의 제 2 충전 모드(즉, 리니어 충전 모드)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 배터리 충전기(100)의 충전 동작에 따른 전압 및 전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 배터리 충전기(100)의 충전 모드는 배터리의 상태에 따라서 제 1 충전 모드 또는 제 2 충전 모드로 설정된다. 예를 들면, 본 발명의 배터리 충전기(100)의 충전 모드는, 충전 전압이 소정의 충전 전압 레벨에 도달하기 이전의 구간 동안 제 1 충전 모드로 설정된다. 이 경우, 배터리 충전기(100)는 스위칭 충전기로서 동작한다. 스위칭 충전기는 비교적 높은 레벨의 충전 전류를 이용하여 배터리가 충전될 경우, 충전기의 전력 효율을 높이기 위해 사용된다. 배터리 충전기(100)가 스위칭 충전기로서 동작할 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 이득 반전부(80)가 동작하지 않게 된다. 도 3에서, 제 1 동작 모드 동안 동작하지 않는 비활성 블록은 점선으로 표시된다.
계속해서, 배터리의 충전 전압이 소정의 전압 레벨에 도달한 이후 충전 전류가 소전 레벨 이하로 떨어지게 되면, 본 발명의 배터리 충전기(100)의 충전 모드는 제 1 충전 모드에서 제 2 충전 모드로 전환된다. 제 2 충전 모드에서 본 발명의 배터리 충전기(100)는 리니어 충전기로서 동작하게 된다. 리니어 충전기는 배터리의 충전이 거의 종료될 무렵(즉, 충전 전류의 크기가 작은 경우) 배터리의 충전의 정확도를 높이기 위해 사용된다. 배터리 충전기(100)가 리니어 충전기로서 동작할 경우, 제 1 동작 모드에서 동작하였던 변조부(60)와 전류 감지부(70)는 제 2 동작 모드에서는 동작하지 않게 된다. 반면에, 제 1 동작 모드에서 동작하지 않았던 이득 반전부(80)는 제 2 동작 모드에서 동작하게 된다. 도 4에서, 제 2 동작 모드 동안 동작하지 않는 비활성 블록들은 점선으로 표시된다. 본 발명에 따른 배터리 충전기(100)의 충전 동작에 따른 전압 및 전류의 관계는 도 5를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 본 발명의 배터리 충전기(100)의 충전 동작을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 배터리의 충전이 시작되면 배터리 충전기(100)는 전압 감지부(40)를 통해 배터리의 전압을 검출하여, 배터리의 충전 모드를 제 1 충전 모드 및 제 2 충전 모드 중 하나로 결정한다. 배터리 전압의 검출 결과 배터리의 전압이 매우 낮은 값(예를 들면, 2.8V)을 가지면, 배터리의 충전 모드는 제 1 충전 모드로 설정된다. 제 1 충전 모드에서, 변조부(60) 및 전류 감지부(70)는 활성화되고, 이득 반전부(80)는 비활성화된다.
제 1 충전 모드에서 배터리 충전기(100)는 스위칭 충전기로서 동작한다. 제 1 충전 모드가 시작되면, 먼저 프리챠지(pre-charge) 구간 동안 낮은 값의 일정한 전류(예를 들면, C/20의 전류)로 충전을 하다가 CC(Constant-Current) 모드 구간 동안 높은 값의 전류(예를 들면, 0.7C의 전류)를 이용하여 고속 충전(fast-charge)을 수행하게 된다. 이때, 배터리 충전기(100)는 전류 감지부(70)를 통해 충전 전류의 레벨을 감지하고, 감지된 충전 전류의 레벨을 근거로 하여 충전 전류를 일정하게 유지시킨다. 이러한 일련의 충전 동작은, 도 3에 도시된 충전기의 구조와, 상기 충전기 구조에 대응되는 피드백 루프를 통해 수행된다. 이어서, 배터리의 전압이 목표 전압(예를 들면, 4.2V) 또는 이에 근접한 값을 갖게 되면, CV(Constant-Volatge) 모드로 진입하게 된다. 도 5에 도시된 바와 같이, CV 모드의 초기에는 높은 충전 전류를 통해서 배터리 충전이 수행된다. 따라서, 높은 충전 전류를 이용하는 CV 모드의 초기 구간 동안 배터리 충전기(100)의 충전 모드는 제 1 충전 모드를 유지하게 된다.
이후, 충전기의 충전 전류가 일정 수준 이하(예를 들면, C/20의 전류 이하)에 도달하게 되면, 배터리 충전기(100)의 충전 모드가 제 2 충전 모드로 변환된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 충전 모드에서 이득 반전부(80)는 활성화되고, 변조부(60) 및 전류 감지부(70)는 비활성화된다. 제 2 충전 모드에서, 충전부(20)의 제 1 전력 트랜지스터(P0)는 가변저항과 같은 저항성 패스 트랜지스터로 작동하게 된다. 도 5에 도시된 바와 같이 제 2 충전 모드에서는 낮은 값의 충전 전류가 흐르기 때문에, 제 1 전력 트랜지스터(P0)의 전압 강하에 따른 전력의 손실은 전체 충전 시간 동안 충전하는 전력에 비해 매우 작은 비중을 차지하게 된다. 따라 서, 제 1 전력 트랜지스터(P0)에 의한 전력 손실은 배터리 충전기의 전체 효율에 영향을 주지 않게 된다. 따라서, 높은 정확도를 가지고 배터리를 충전할 수 있게 된다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 배터리 충전기(100)는 배터리로 제공하는 전류의 양이 큰 경우에는 높은 효율을 달성하기 위해 스위칭 충전기로서 동작하고, 충전이 끝나가는 시점에서는 충전의 정확도를 향상시키기 위해 리니어 충전기로서 동작하는 특징을 갖는다. 이와 같이, 두 가지 동작 모드가 혼합되어, 동작 모드가 스위칭 되는 충전기를 모드 호핑(mode hopping) 충전기라 부르기도 한다. 리니어 충전기의 경우, 스위칭 충전기에 비해 충전 전류의 리플(ripple)이 거의 없기 때문에, 매우 정확한 종료 충전 전류(end of charging curent, C/40)를 감지할 수 있다. 따라서, 높은 정확도를 가지고 충전을 마칠 수 있게 된다.
도 6은 도 5에 도시된 그래프에서, 배터리 충전기의 충전 모드가 변환될 때(즉, 도 5의 ts)의 전압 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5 및 도 6에 도시된 동작 특성은, 4.2V의 완충 전압을 가지며 1000mAh의 용량을 가지는 리튬 이온 배터리와, 0.35㎛의 고전압 공정이 적용된 배터리 충전기의 경우를 예로 든 것으로, 상기 배터리 충전기가 5V의 입력 전압을 받아들이는 것으로 가정한 것이다. 충전기 출력단인 배터리 연결부와 접속된 저역 통과 필터(30)에는 7μH의 인덕터와, 5μF의 커패시터, 그리고 1㎒의 스위칭 주파수가 적용되었다.
도 6을 참조하면, 배터리 충전기(100)의 충전 모드가 제 1 충전 모드에서 제 2 충전 모드로 전환되는 경우, 약 50㎷ 정도의 전압 강하가 나타나지만 최대 200㎲의 시간 이내에서 출력 전압이 바로 안정화됨을 알 수 있다. 그러므로, 충전 모드의 전환시 발생되는 일시적인 전압 강하는 충전 용량에 영향을 끼치지 않게 된다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 배터리 충전기(100)의 충전 모드에 따른 출력 전압 및 전류의 변화를 보여주는 그래프이다. 도 7에는 제 1 충전 모드(즉, 스위칭 충전 모드)에서의 출력 전압 및 전류의 변화가 도시되어 있고, 도 8에는 제 2 충전 모드(즉, 리니어 충전 모드)에서의 출력 전압 및 전류의 변화가 각각 도시되어 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제 1 충전 모드에서의 전압 리플은 약 5㎷이고, 전류의 리플은 약 80㎃ 정도의 값을 갖는다. 이와 달리, 전압 안정화 이후 제 2 충전 모드에서의 전압 리플과 전류 리플은 ㎷ 및 ㎃ 영역에서 나타나지 않음을 알 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 배터리 충전기(100)는 리튬 이온 배터리의 충전 특성을 향상시킬 수 있는 높은 충전 정확도를 갖는다. 0.35㎛의 고전압 공정을 적용한 경우, 배터리 충전기가 스위칭 충전기로만 구성될 때에는 약 5㎷의 전압 리플과 약 80㎃의 전류 리플이 존재할 수 있다. 그러나, 본 발명과 같이 배터리 충전기(100)가 스위칭 충전기의 구조와 리니어 충전기의 구조를 모두 구비한 경우에는, 도 8에 도시된 바와 같이 최종 출력 전압 및 출력 전류에 리플이 존재하지 않게 된다. 즉, 스위칭 충전기는 구조적으로 리플이 존재할 수 밖에 없지만, 리니 어 충전기는 구조적으로 리플이 발생하지 않는 특징을 갖는다. 따라서, 본 발명의 배터리 충전기(100)는 이러한 리니어 충전기의 특성을 이용하여 리플이 거의 없는 최종 출력 전압과 충전 전류를 발생할 수 있게 된다. 따라서, 리튬 이온 배터리의 충전의 정확도를 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 배터리 충전기(100)는 스위칭 충전기와 리니어 충전기의 피드백 루프를 공유하는 구성을 가지고 있기 때문에, 결국 배터리 충전기에 사용되는 칩의 면적 및 외부소자의 수를 스위칭 충전기와 같은 수준으로 유지하면서 전력효율과 충전 정확도를 획기적으로 높일 수 있다. 따라서, 고성능의 이동 기기용 배터리에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 충전기의 전체 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충전기의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 배터리 충전기의 제 1 충전 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 배터리 충전기의 제 2 충전 모드의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 배터리 충전기의 충전 동작에 따른 전압 및 전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 도 5에 도시된 그래프에서, 배터리 충전기의 충전 모드가 변환될 때의 전압 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 배터리 충전기의 충전 모드에 따른 출력 전압 및 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.

Claims (12)

  1. 제 1 충전 모드 구간 동안 스위칭 충전기로서 동작하는 제 1 충전기; 그리고
    제 2 충전 모드 구간 동안 리니어 충전기로서 동작하는 제 2 충전기를 포함하며,
    상기 제 1 충전기와 상기 제 2 충전기는 피드백 루프의 적어도 일부를 공유하고,
    상기 제 1 충전기는, 충전 제어부; 상기 충전 제어부의 제어에 응답해서 배터리 충전에 사용될 충전 전류를 출력하는 충전부; 상기 충전 전류를 필터링하는 저역 통과 필터; 상기 충전 전류와 상기 배터리의 충전 전압을 감지하고, 상기 감지 결과에 응답해서 오차 보정 및 변조를 수행하는 제 1 피드백 루프를 포함하며,
    상기 충전 제어부는 상기 충전 전류 및 상기 충전 전압의 레벨과, 상기 변조 결과에 응답해서 상기 충전 전류의 양을 조절하고,
    상기 제 1 피드백 루프는, 상기 충전부의 출력단에서 상기 충전 전류를 감지하고, 상기 감지 결과를 상기 충전 제어부로 제공하는 전류 감지부; 상기 저역 통과 필터의 출력단에서 상기 충전 전압을 감지하고, 상기 감지 결과를 상기 충전 제어부로 제공하는 전압 감지부; 상기 충전 전압에 응답해서 상기 제 1 피드백 루프의 오차를 보정하는 오차 증폭기; 그리고 상기 오차 보정 결과를 변조하는 변조부를 포함하며,
    상기 저역 통과 필터는 상기 충전부와 상기 전압 감지부 사이에 직렬로 연결된 인덕터 및 제 1 저항과, 상기 제 1 저항과 접지 사이에 직렬로 접속된 커패시터 및 제 2 저항을 포함하고,
    상기 오차 증폭기는 상기 저역 통과 필터의 상기 인덕터와 상기 커패시터의 이중 극점을 보상하고, 상기 보상 결과를 주파수 보상 결과로서 출력하는 주파수 보상부를 구성하는 배터리 충전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 충전기 및 상기 제 2 충전기는 동일 칩 상에 형성되는 배터리 충전기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 충전기는, 상기 제 1 충전기의 상기 충전 제어부, 상기 충전부, 및 상기 저역통과 필터를 공유하는 배터리 충전기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전부는, 상기 제 1 충전 모드 동안 상기 전류의 출력을 스위칭하는 제 1 및 제 2 전력 트랜지스터를 포함하며,
    상기 제 1 전력 트랜지스터는 상기 제 2 충전 모드 동안 저항성 패스 트랜지스터로 동작하는 배터리 충전기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 변조부는 PFM(pulse-frequency-modulation) 및 PWM(Pulse-width modulation) 중 어느 하나의 방식으로 상기 오차 보정 결과를 변조하는 배터리 충전기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 충전 모드 구간 동안 상기 제 1 피드백 루프의 상기 변조부 및 상기 전류 감지부는 비활성화되는 배터리 충전기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 충전기는, 상기 제 1 피드백 루프의 상기 전압 감지부 및 상기 주파수 보상부를 공유하는 제 2 피드백 루프를 포함하는 배터리 충전기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 피드백 루프는 상기 오차 보정 결과의 이득을 반전하여 상기 충전 제어부로 제공하는 이득 반전부를 더 포함하는 배터리 충전기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 충전 모드 구간 동안 상기 이득 반전부는 비활성화되는 배터리 충전기.
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