KR101068391B1 - 음 과도 전압를 회피하기 위한 작동 회로 - Google Patents

음 과도 전압를 회피하기 위한 작동 회로 Download PDF

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Abstract

작동 회로는 비교 회로, 스위칭 회로 및 출력 결정 회로를 포함한다. 상기 비교 회로는 DC-DC 컨버터의 커패시터의 전하를 나타내는 제1 비교 신호를 기준 전하를 나타내는 제2 비교 신호와 비교하고 상기 비교에 반응하여 비교 출력 신호를 제공한다. 상기 비교 출력 신호에 반응하여, 상기 스위칭 회로는 만약 커패시터의 전하가 상기 기준 전하보다 더 작다면 제1 상태에 있는 제1 스위칭 신호를 제공한다. 마지막으로 상기 출력 결정 회로는 적어도 제1 스위칭 신호를 수신하고 상기 DC-DC 컨버터가 상기 제1 상태에서 상기 스위칭 신호에 반응하여 제어 신호에 의하여 제어되는 것이 가능하도록 하는 작동 신호를 제공한다.
작동 회로, 비교 회로, 스위칭 회로, 출력 결정 회로, 플립 플롭

Description

음 과도 전압를 회피하기 위한 작동 회로{Enabling Circuit For Avoiding Negative Voltage Transients}
본 발명은 관련 제어 회로로부터 음 과도 전압을 회피하기 위한 작동 회로 (enabling circuit)에 관한 것이고, 보다 구체적으로 만약 동기 정류 컨버터의 에너지 저장 소자의 전하가 기준 전하보다 더 작다면 상기 동기 전류 컨버터가 제1 상태로부터 제2 상태로 스위칭을 하는 것이 가능하도록 하는 작동 회로에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2002년 6월 20일 출원된 미국 정규 출원 번호 10/176,141의 일부 계속 출원이며, 상기 출원에 개시된 모든 기술 내용은 참조로서 본 명세서에 결합된다.
다양한 회로들이, 어떤 입력으로부터 커패시터, 인덕터 및 변압기와 같은, 그러한 회로의 입력으로부터 출력으로 에너지를 전달하는 에너지 저장 소자를 가진다. 만약 상기 에너지 저장 소자들이 어떤 순간에 적절하게 충전되지 않는다면, 음 과도 전압 (negative voltage transients)과 같은 원하지 않는 전력 교란이 인접하는 민감한 소자에 대한 손상을 유발시키면서 출력 신호에서 발생할 수 있다.
예를 들어, 상기와 같은 제어 회로(regulating circuit)는 DC-DC 컨버터가 될 수 있다. 일반적으로 DC-DC 컨버터는 하나의 전압 레벨에서 DC 입력을 수신하여 보다 높거나 또는 보다 낮은 전압 레벨에 있는 DC 출력으로 변환시킨다. 이러한 DC-DC 컨버터는 여러 가지 시스템과 관련하여 널리 다양한 전자 장치 내에서 사용될 수 있다. 상기와 같은 시스템은 랩톱 컴퓨터, 셀룰러 폰, 페이져(pagers) 또는 개인 휴대 단말기(Personal Digital Assistants)와 같은 휴대용 전자 장치를 위한 배터리 충전 기능을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
DC-DC 컨버터의 한 가지 형태로서 동기 정류 컨버터(synchronous rectifier converter :SRC)가 있다. SRC는 쇼트키 다이오드(Schottky diodes)를 사용하기보다는 오히려 “동기 정류기”로 불리는 트랜지스터를 사용한다. 이와 같은 트랜지스터는 MOS 또는 MOSFET 트랜지스터와 같은 다양한 트랜지스터가 될 수 있다. SRC는 또한 이와 함께 스위치 주파수(switch frequency)가 일정하고 작업량 사이클(duty cycle)이 부하에 따라 변하는 예를 들어 펄스 폭 변조와 같은 다양한 제어 기술에 의하여 제어되는 하나 또는 그 이상의 트랜지스터와 함께 커패시터, 인덕터 또는 변압기와 같은 에너지 저장 소자를 일반적으로 포함하는 다양한 내부 소자를 가질 수 있다.
SRC가 배터리 전력 관리 시스템과 관련하여 사용되는 경우, 상기 SRC는 많은 서로 다른 전력 공급원으로부터 입력 신호를 수신하여 적절한 출력 신호로 변환시켜 다른 무엇보다도 관련 재충전 배터리에게 적당한 충전 전류를 제공할 수 있다. 이와 같은 배터리 전력 관리 시스템 내에서, 일반적으로 배터리 충전 과정을 제어 하기 위하여 사용되는 관련 제어 장치가 존재한다. 상기 제어 장치는 다수 개의 입력 단자 또는 핀을 가지는 집적 회로(IC)가 될 수 있고, 상기 단자 또는 핀 중의 일부는 상기 SRC의 출력에 연결될 수 있다. 예를 들어, 두개의 상기 단자들이 센스 저항의 어느 한쪽에 연결될 수 있다. 상기 센스 저항은 SRC의 출력과 직렬로 연결되어 SRC의 출력에서 제공되는 충전 전류를 나타내는 신호를 제공할 수 있다.
만약 상기 SRC의 예를 들어 커패시터와 같은 에너지 저장 소자가 예를 들어 수 볼트 전압 이상으로 의미있는 값에서 충전이 되는 경우 소프트 시작 기능(soft start)이 발생한다면, 관련 제어 장치 집적 회로의 심각한 고장을 잠재적으로 발생시키면서 음 과도 전압(negative voltage transients)이 센스 저항의 어느 한 쪽 단자에 나타날 수 있다. 따라서 위와 같은 선행 기술에서 나타나는 결함을 극복하고 에너지 저장 소자 상의 전하가 기준 전하 아래에 있는 경우에만 제어 회로를 작동하는 것에 의하여 관련 제어 회로로부터 음 과도 전압 (negative voltage transients)을 회피할 수 있는 작동 회로 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 미리 결정된 기준 전압 아래에서만 에너저 저장 소자를 충전 시킬 수 있는 작동 회로를 제공하는 것이다. 이와 같은 목적을 위한 본 발명에 따른 작동 회로는 비교 회로, 스위칭 회로 및 출력 결정 회로를 포함한다.
다른 목적, 특징 및 이점과 함께 본 발명의 보다 명확한 이해를 위하여, 제시된 도면과 관련하여 이해되어져야 하는 아래의 발명의 상세한 설명에 대한 참조가 이루어져야 하고, 제시된 도면과 관련된 설명에서 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
도 1은 관련 제어 회로가 제1 상태로부터 제2 상태로 스위칭을 하는 것이 가능하도록 하기 위한 본 발명에 따른 작동 회로를 포함하는 시스템의 블록 다이어그램을 도시한 것이고;
도 2는 관련 동기 정류 컨버터가 한 상태로부터 또 다른 상태로 스위칭을 하는 것이 가능하도록 하기 위한 본 발명에 따른 예시적인 작동 회로의 블록 다이어그램을 도시한 것이고;
도 2A는 도 2의 작동 회로의 예시적인 실시 형태를 제시하는 회로 다이어그램을 도시한 것이고;
도 3은 도 2의 작동 회로를 이용하는 배터리 관리 시스템의 블록 다이어그램을 도시한 것이며; 그리고
도 4는 배터리 충전 시스템 내에서 예시적인 작동 회로의 또 다른 실시 형태의 블록 다이어그램을 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 작동 회로(104) 및 관련 제어 회로(102)를 포함하는 예시적인 시스템(100)이 도시되어 있다. 제어 회로(102)는 예를 들어 커패시터와 같은 에너지 저장 소자(106)를 포함하는 동기 정류 컨버터와 같은 임의의 다양한 회로가 될 수 있다. 일반적으로, 작동 회로(104)는 에너지 저장 소자(106)의 전하를 감시하고 상기 에너지 저장 소자의 저하가 기준 전하보다 낮은 경우에는 제어 회로 (102)가 제1 상태로부터 제2 상태로 스위칭을 하는 것을 가능하도록 한다. 상기 제1 상태는 전원 차단(power off)과 같은 임의의 다양한 상태가 될 수 있고, 상기 제2 상태는 또한 제어 회로(102)가 특정 제어 기술에 의하여 제어되는 작동 상태와 같은 그러한 임의의 다양한 상태가 될 수 있다. 상기 기준 전하는 특정 시스템 및 관련 소자의 민감성에 기초하여 선택되어야 한다. 하나의 실시 형태로서, 상기 기준 전하는 3.0 볼트(volts)가 될 수 있다.
작동 회로(104)는 에너지 저장 소자(106)를 위한 수용 가능한 기준 전하 레벨을 나타내는 신호(Vdsch)를 수신하도록 형성된 하나의 입력 단자(107)를 가진다. 작동 회로(104)는 논리 제어 신호(chginh)를 수신하도록 형성된 또 다른 입력 단자(109)를 가질 수 있다. 상기 논리 제어 신호(chginh)는 제어 회로(102)의 작동과 관련되는 적어도 하나의 비-에너지 저장 소자 조건(non energy storage element condition)이 충족되는 경우 예를 들어 저 전압 상태(low state)와 같은 미리 결정된 상태를 가진다. 상기와 같은 조건(들)은 에너지 저장 소자(106)의 전하와 관련되지 않는 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 임의의 다양한 다른 조건이 될 수 있다. 예를 들어, 한 가지 조건은 적당한 전력 레벨에서 입력 전력 공급원을 제어 회로(102)의 입력에게 적절하게 연결시키는 것이 될 수 있다.
작동 회로(104)는 경로(119)를 따라 제어 회로(102)로부터의 되먹임 신호를 수신한다. 상기 되먹임 신호는 에너지 저장 소자(106)의 전하를 나타낸다. 상기 작동 회로는 에너지 저장 소자(106)의 전하를 기준 전하와 비교하고 만약 상기 전하 레벨이 상기 기준 전하 레벨보다 더 낮다면 작동 신호(an enabling signal)를 출력한다. 만약 상기 전하 레벨이 상기 기준 전하 레벨보다 더 높다면 상기 기준 전하 레벨 아래로 에너지 저장 소자(106)를 방출시키기 위하여 작동 회로(104)는 또한 아래에서 추가적으로 도 2와 관련하여 설명되는 것과 같은 다양한 방전 수단을 포함할 수 있다.
한 가지 실시 형태로서, 일단 에너지 저장 소자(106)의 전하가 상기 기준 전하보다 낮다면, 작동 회로(104)는 경로(115)를 따라서 제어 장치(120)에게 작동 신호를 송신한다. 제어 장치(120)는 다음으로 상기 제어 회로가 비-작동 상태 또는 미리 결정된 적당한 작동 상태와 같은 제1 상태로부터 예를 들어 또 다른 작동 상태와 같은 제2 상태로 스위칭을 하는 것이 가능하도록 상기 작동 신호에 대하여 반응한다. 이와 같이 본 발명에 따른 작동 회로(104)는 제2 상태에서 제어 회로(102)의 작동을 유리하게 지연시키는 한편, 에너지 저장 소자(106)가 기준 전하 아래로 방전될 때까지 제1 상태에서 제어 회로(102)의 작동을 유지할 수 있다.
또 다른 실시 형태로서, 에너지 저장 소자(106)가 상기 기준 전하 레벨 아래로 방출되고 동시에 상기 작동 회로에 입력된 신호와 같은 논리 제어 신호(chginh)가 미리 결정된 상태에 있을 때까지 작동 회로(104)는 제어 장치(120)에게 작동 신호를 송신하지 않을 수 있다. 상기 미리 결정된 상태는 적어도 하나의 충분한 비-에너지 저장 소자 조건을 나타낼 수 있다. 상기 미리 결정된 상태는 또한 모든 다른 비-에너지 저장 소자 조건을 위한 충분 조건을 나타낼 수 있다. 이와 같은 경우, 에너지 저장 소자(106)가 미리 결정된 전하 레벨 아래로 방전되고 상기 제어 회로의 작동과 관련되는 적어도 하나의 충분한 비-에너지 저장 소자 조건이 충족될 때까지 본 발명에 따른 작동 회로(104)는 비-작동 상태 또는 미리 결정된 적당한 작동 상태와 같은 제1 상태에서 제어 회로(102)의 작동을 유지하면서 제2 상태에서 제어 회로(102)를 작동하도록 스위칭하는 것을 지연시킨다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 작동 회로(204) 및 동기 정류 컨버터(SRC)(202)를 가지는 하나의 예시적인 시스템(200)이 예시되어 있다. 상기 SRC는 입력 단자(226)에서 입력 전압 신호를 수신하고 출력 단자(211)에게 출력 전압 신호를 제공한다. 상기 SRC는 인덕터(208), 커패시터(206) 및 스위치(K1, K2)를 포함할 수 있다. 상기 스위치(K1, K2)는 임의의 형태의 트랜지스터가 될 수 있고 간명함을 위하여 MOS 형태 트랜지스터를 나타내도록 도시되어 있다. 상기 스위치(K1, K2)는 스위치 주파수가 일정하고 작업량 사이클이 부하, 펄스 주파수 변조 또는 전류-제한 펄스-주파수 변조와 같이 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 펄스 폭 변조(PWM)와 같은 다양한 제어 기술에 의하여 제어될 수 있다.
작동 회로(204)는 비교 회로(232), 출력 결정 회로(234), 그리고 저항(R1, R2) 및 스위치(K3, K4)를 포함하는 방전 경로를 포함할 수 있다. 비교 회로(comparator)(232)는 커패시터(206)의 전하를 상기 비교 회로에게 입력된 제어 신호(Vdsch)에 의하여 표현되는 미리 결정된 기준 값 전하와 비교하기 위한 임의의 다양한 회로가 될 수 있다. 만약 커패시터(206)의 전하가 기준 전하보다 더 높다면 비교 회로(232)는 출력 신호를 제공하여 SRC(202)를 예를 들어 비-작동 상태 또는 미리 결정된 적당한 작동 상태와 같은 제1 상태를 유지하도록 형성된다. 만약 커패시터(206)의 전하가 기준 전하보다 더 작다면, 비교 회로(232)는 또한 출력 신 호를 제공하여 SRC(202)가 제1 상태로부터 예를 들어 스위치(K1, K2)가 제어 장치(220)의 제어 아래에 있게 되는 또 다른 작동 상태와 같은 제2 상태로 스위칭을 하도록 형성된다.
출력 결정 회로(234)는 필요한 논리 기능을 수행하기 위한 임의의 다양한 회로가 될 수 있다. 출력 결정 회로(234)는 비교 회로(232)로부터 출력 신호(dsch)를 수신하고 추가적으로 별개의 공급원으로부터 논리 신호(chginh)를 수신할 수 있다. 만약 상기 신호(dsch)가 커패시터(206)의 전하가 기준 전하 레벨보다 더 낮은 것을 지시한다면 출력 결정 회로(234)는 경로(215)를 따라 제어 장치(220)에게 작동 신호를 출력하도록 형성된다. 대안으로, 적어도 하나의 비-에너지 저장 소자 조건이 충족되는 경우, 출력 결정 회로(234)는 신호(dsch)가 커패시터(206)의 전하가 기준 전하 레벨보다 더 낮은 것을 나타내도록하고, 상기 신호(chginh)는 예를 들어 저 전압 상태와 같은 미리 결정된 상태에 있도록 할 수 있다. 만약 논리 신호(chginh)가 상기 작동 회로에 입력되지 않는다면, 출력 결정 회로(234)는 작동 회로(204)의 필수적인 부분이 되지는 않는다. 이와 같은 경우, 만약 커패시터(206)의 전하가 기준 전하보다 더 작다면, 비교 회로(232)는 작동 신호를 제공할 수 있다.
작동 회로(204)는 또한 저항(R1, R2)을 포함하는 경로 및 스위치(K3, K4)를 포함하여 커패시터(206)를 기준 레벨 아래로 방출시킬 수 있다. 스위치(K3, K4)는 임의의 형태의 트랜지스터가 될 수 있고 간명함을 위하여 MOS 형태 트랜지스터를 나타내도록 도시되어 있다. 작동 회로의 제세한 작동 및 방출 경로는 예시적인 도 2A의 작동 회로를 참조하여 아래에서 제시된다.
도 2A를 참조하면, 하나의 실시 예로서 작동 회로(204a)의 회로 다이어그램이 도시되어 있다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명에 따른 작동 회로에서 이용될 수 있는 다양한 회로 구성을 인식할 것이다. 도 2A의 예시적인 실시 형태에서, 도 2의 비교 회로(232)는 커패시터(206)의 전하를 나타내는 입력 신호를 수신하는 양 입력 단자 및 기준 값 전하를 나타내는 다른 입력 제어 신호(Vdsch)를 수신하는 음 입력 단자를 가지는 비교기(232a)를 포함한다.
출력 결정 회로(234)는 NOR 게이트(234a)를 포함한다. NOR 게이트(234a)는 비교기(232a)로부터의 출력 및 제어 신호(chginh)를 수신한다. 모든 입력이 낮은 상태(LOW)인 경우에만 NOR 게이트(234a)의 출력은 높은 상태(HIGH)가 된다. 상기 조건이 만족되지 않는 경우에는 NOR 게이트(234a)의 출력은 낮은 상태(LOW)가 된다. 이와 같은 실시 형태에서, NOR 게이트의 출력이 높은 상태(HIGH)가 되는 경우, 제어 회로(202)가 예를 들어 스위치(K1, K2)가 개방된 것과 같은 제1 상태로부터 스위치(K1, K2)가 제어 장치(220)의 제어 아래에 있는 것과 같은 제2 상태로 스위칭을 하는 것이 가능하도록 하기 위하여 작동 회로(204)에 의하여 제어 장치(220)에게 송신된 작동 신호가 송신된다.
시스템(200)과 관련된 예시적인 작동 회로(204a)의 작동은 표 1의 진리표를 참조하여 본 명세서에서 추가적으로 기술된다. 표 1은 도 2A의 NOR 게이트로서 기능을 하는 출력 결정 회로(234)와 함께 상호 관련된 다양한 제어 신호의 상태 및 스위치의 상태를 구체적으로 설명한다. 작동 회로(204)에게 입력된 제어 신호 (chginh), 비교기(232a)로부터 출력된 제어 신호(dsch), NOR 게이트(234a)로부터 출력된 제어 신호(chgen), SRC(202)의 스위치(K1, K2) 및 작동 회로(202)의 스위치(K3, K4)의 상태가 모두 표 1에 자세하게 기술되어 있다.
chginh
dsch
chgen		 H
H
L		 H
L
L		 L
H
L		 L
L
H
K1
K2
K3
K4		 OFF
OFF
ON
ON		 OFF
OFF
ON
ON		 OFF
OFF
ON
ON		 PWM
PWM
OFF
OFF
본 명세서에서 예시되고 충분히 설명이 된 것처럼, 유리하게는, 예시적인 작동 회로(204a)는 SRC(204)의 스위치(K1, K2)가 예를 들어 PWM 제어와 같은 적당한 제어 기술에 의하여 제어되도록 하지 않고, SRC(204)의 커패시터(206)가 기준 전하(제어 신호(dsch)가 L) 아래로 방출되고 제어 회로의 작동을 위한 적어도 하나의 다른 비-커패시터 전하 관련 조건(제어 신호(chginh)가 L)이 충족될 때까지 스위치(K1, K2)를 OFF 위치에서 유지한다. 상기와 같은 방법으로 위와 다른 시스템에서라면 SRC(204)의 출력 단자(211)에서 발생할 수 있는 음 과도 전압이 방지된다.
표 1의 제1 독립 컬럼에서 예시되어 있는 것처럼, 만약 커패시터(206)의 전하 레벨이 비교기(232a)에 입력된 제어 신호(vdsch)로서 나타나는 것으로서 기준 전하 레벨보다 더 크다면, 비교기(232a)로부터 출력된 제어 신호(dsch)는 높은 상태(HIGH)가 된다. 비교기(232a)로부터의 출력 제어 신호(dsch)는 다음으로 NOR 게이트(234a)로 입력된다.
NOR 게이트(234a)로의 다른 입력은 별개의 공급원으로부터의 제어 신호 (chginh)가 될 수 있다. 이러한 제어 신호(chginh)는 SRC(202)의 작동과 관련된 적어도 하나의 비-커패시터 관련 조건을 나타낸다. 상기와 같은 실시 형태에서, 만약 이러한 신호(chginh)가 낮은 상태(LOW)라면, SRC(202)의 작동과 관련된 적어도 하나 그리고 아마도 모든 다른 비-커패시터 관련 조건이 충족된다. 만약 이러한 신호(chginh)가 높은 상태(HIGH)라면, 상기 조건(들)은 충족되지 않는다. 따라서 만약 비교기(232a)로부터 출력 제어 신호(dsch)가 높은 상태(HIGH)이고 신호(chginh)가 또한 높은 상태라면, NOR 게이트(344a)로부터의 출력 신호는 낮은 상태(LOW)가 된다. 따라서, 스위치(K1, K2)가 OFF 또는 개방 상태로 유지되고 SRC(202)의 작동은 지연된다. 이와 같은 방법으로, 만약 상기 SRC가 작동하여 관련 재충전 배터리에게 충전 전류를 제공하고 있다면, 이러한 순간에는 상기 충전 전류가 제공되지 않을 것이고 동시에 인덕터(208)를 통하여 커패시터(206)로부터의 전류 흐름은 이러한 순간에서 가능하지 않을 것이다.
표 1의 제2 독립 컬럼을 참조하면, 만약 커패시터(206)가 제어 신호(vdsch)에 의하여 표현되는 기준 전하 아래로 방전이 된다면, 비교기(232a)로부터의 출력 제어 신호(dsch)는 커패시터(206)의 전하 레벨이 허용 가능하다는 것을 지시하면서 낮은 상태(LOW)로 될 것이다. 그러나 만약 또 다른 비-커패시터 전하 관련 조건이 충족되지 않는다면, 제어 신호(chginh)는 높은 상태(HIGH)로 유지된다. 상기와 같이, NOR 게이트(234a)의 출력은 낮은 상태(LOW)로 유지되고 SRC(202)의 작동은 여전히 지연된다.
표 1의 제3 독립 컬럼을 참조하면, 만약 제어 신호(chginh)가 낮은 상태 (LOW)로 되어 적어도 하나의 비-전하 관련 조건을 위한 충분한 시작 기능 조건을 나타내지만, 그러나 비교기(232a)로부터의 출력 제어 신호(dsch)가 높은 상태(HIGH)가 된다면, 이때에는 NOR 게이트(234a)로부터의 출력 신호(chgen)는 낮은 상태(LOW)로 유지된다. 이와 같은 방법으로, SRC의 작동은 여전히 지연된다.
표 1의 제4 독립 컬럼에서 예시되어 있는 것처럼, 커패시터(206)가 기준 전하 레벨 아래로 방전되고(비교기(232a)로부터 출력된 제어 신호(dsch)가 낮은 상태로 되는 것), 그리고 제어 회로의 작동을 위한 모든 다른 비-전하 관련 조건(제어 신호(chginh)가 높은 상태)은 아닐지라도 적어도 하나의 조건이 충족되고 나서야 비로소 NOR 게이트(234a)의 출력 제어 신호(chgen)가 높은 상태로 된다. 일단 제어 신호(chgen)가 높은 상태가 된다면, 작동 회로(202)의 스위치(K3, K4)는 개방 상태 또는 OFF 위치에 있게 된다. 상기 높은 상태 제어 신호(chgen)는 제어 장치(220)가 SRC(202)를 구동하는 것을 가능하도록 한다. 이로 인하여, 스위치(K1, K2)는 예를 들어 PWM과 같은 적당한 제어 기술에 의하여 제어된다.
만약 작동 신호가 이와 같은 실시 형태에서 존재하지 않는다면, 스위치(K3, K4)는 닫힌 상태 또는 ON 위치에 있게 된다. 이 경우 커패시터(206)를 위한 방전 경로가 스위치(K3, K4)를 통하여 만들어진다. 스위치(K3)는 추가적으로 저항(R1)과 직렬로 연결될 수 있는 한편, 스위치(K4)는 추가적으로 저항(R2)과 직렬로 연결된다. 저항(R1)은 저항(R2)보다 높은 저항 값을 가진다. 이와 같은 방법으로 NOR 게이트(234a)로부터 아무런 작동 신호가 존재하지 않기 때문에 스위치(K3 및 K4)가 닫힌 상태가 되는 경우, 방전 경로가 만들어지고 그리고 저항(R2)은 커패시터(206) 를 방전시키는 역할을 한다.
도 3을 참조하면, 전력 공급원(344),SRC(302), 본 발명에 따른 작동 회로(304), 재충전 배터리(340) 및 배터리 충전 제어 장치(320)를 전체적으로 포함하는 예시적인 배터리 충전 시스템(300)이 제시되어 있다. 이와 같은 배터리 충전 시스템(300)은 랩톱 컴퓨터, 셀룰러 폰, 페이져, 개인용 휴대 단말기 등과 같은 다양한 휴대용 전자 기기에서 사용되어 예를 들어 리튬, 니켈-카드뮴 또는 니켈-메탈 수소 배터리와 같은 재충전 배터리(340)에 대한 전력 흐름을 제공하고 제어할 수 있다.
센서 저항(346)과 같은 센서가 배터리에 대한 충전 전류(Ichg)를 지시하는 제어 장치(320)에 대한 감지 신호를 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 이와 같은 제어 장치(320)는 전형적으로 집적 회로(IC)가 되고 만약 에너지 저장 소자(306)가 기준 전하 값 아래로 적정하게 방전되지 않는다면 어느 하나의 단자(349, 351)에서 다른 시스템에서와는 달리 발생할 수 있는 음 과도 전압을 감지할 수 있다. 이와 같은 음 과도 전압은 SRC(302)의 인덕터 또는 커패시터 그룹에 의하여 유도된 진동으로 인하여 어느 하나의 단자(349, 351)에서 나타날 수 있다.
일단 전력 공급원(344)이 적당하게 시스템(300)에 결합된다면, 전력 공급원(344)은 입력 DC 전압 신호를 SRC(302)에게 제공한다. 전력 공급원(344)은 전력 출구로부터 기존의 AC 전압을 수신하여 적용 가능한 DC 전압으로 변환시키도록 형성된 AC/DC 어댑터 또는 “시가 라이터(cigarette lighter)" 형태의 소켓 또는 다른 형태의 전력 공급원 내로 플러그가 되도록 형성된 ”시가 형태“ 어댑터와 같은 DC/DC 어댑터가 될 수 있다.
유리한 점으로서, 제어 장치(320)가 경로(315)를 따라 작동 회로(304)로부터 작동 신호를 수신하는 경우에만 SRC(302)는 전력 공급원(344)으로부터 입력된 전력을 수신하여 배터리(340)에 충전 전류(Ichg)를 제공하기 위한 적당한 출력 전압 또는 전류 레벨로 변환한다. 상기와 다른 경우라면, 제어 장치(320)는 배터리(340)에게 충전 전류(Ichg)를 제공하는 것을 지연시키는 한편, SRC(302)를 미리 결정된 적당한 상태로 계속 유지한다. 상기 미리 결정된 상태는 SRC(302) 내 다양한 스위치 위치에 의하여 결정되는 것과 같이 임의의 다양한 상태가 될 수 있다. 이미 기술된 도 2의 실시 형태에서, SRC(202)의 스위치(K1, K2)는 열린 상태로 선택될 수 있었다. SRC(302)는 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 예를 들어 PWM과 같은 임의의 다양한 제어 기술로서 제어 장치(320)에 의하여 제어된다.
그러므로 유리한 점으로서, 에너지 저장 소자(306)가 기준 전하 아래로 방전될 때까지 작동 회로(304)는 배터리(340)에게 충전 전류(Ichg)를 공급하는 것을 지연시킨다. 예를 들어 또 다른 공급원으로부터 신호(chginh)와 같은 또 다른 제어 신호가 SRC(302)의 작동에 적절한 적어도 하나의 비-전하 관련 조건이 충족될 때까지 작동 회로(304)는 또한 추가적으로 배터리(340)에게 충전 전류(Ichg)를 제공하는 것을 지연시킬 수 있다.
또 다른 실시 형태로서, 도 4는 전체적으로 재충전 배터리(440)에게 전력을 공급하기 위한 DC 전력 공급원(444)을 포함하는 배터리 충전 시스템(400)을 예시한다. 배터리 충전 조건은 DC-DC 컨버터(402)의 출력을 제어하는 충전 회로(411)에 의하여 제어될 수 있다. 충전 회로(411)는 본 명세서에서 추가적으로 자세히 설명 되는 또 다른 실시 형태에 따른 작동 회로(404)를 포함할 수 있다.
DC-DC 컨버터(402)는 임의의 다양한 제어 신호에 의하여 제어되는 임의의 다양한 DC-DC 컨버터가 될 수 있다. DC-DC 컨버터(402)는 이 분야에서 공지된 것과 같은 상측스위치(K1), 하측 스위치(K2), 인덕터(408) 및 커패시터(406)를 가지는 동기 정류 컨버터가 될 수 있다. 충전 회로(411)로부터의 제어 신호는 하측 스위치(K1) 및 상측 스위치(K2)의 각각의 제어 단자에 대한 하측 단자(415) 및 상측 단자(417)의 출력이 될 수 있다. 하나의 예로서, 스위치(K1 및 K2)는 MOS 트랜지스터와 같은 임의의 다양한 트랜지스터가 될 수 있다. 제어 신호는 작업량 사이클이 “스위치 ON" 상태(상측 스위치(K1) ON 및 하측 스위치(K2) OFF) 및 ”스위치 OFF" 상태(상측 스위치(K1) OFF 및 하측 스위치(K2) ON)의 지속을 제어하고 이로서 DC-DC 컨버터(402)의 출력 전압 및 전류를 제어하는 PWM 신호가 될 수 있다.
만약 DC-DC 컨버터(402)의 커패시터(406) 상의 전하가 기준 값보다 높으면, 배터리(440)는 DC-DC 컨버터(402)에게 전기적으로 연결되지 않고(스위치(K3 및 K4)가 OFF 상태), 충전 회로(411)는 DC-DC 컨버터가 스위치 OFF 상태로 스위칭이 되도록 지시하고, 커패시터(406)는 인덕터(408) 및 닫힌 스위치(K2)를 통하여 접지로 전류를 방전시킬 수 있다. 이때 이와 같은 상태가 센스 저항(449)의 어느 한 쪽에 연결된 충전 회로(411)의 단자(418, 419)에 불필요한 전력 조건을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 음 과도 전압 및 음 전류 진동이 병렬 LC 회로(인덕터(408) 및 커패시터(406)를 포함하여)로 인하여 단자(418)에서 발생될 수 있다.
충전 회로(411)는 다른 작동 회로 실시 형태와 같은 상기 실시 예에서 단자 (418, 419) 상의 불필요한 전력 조건과 같은 것을 방지하기 위한 작동 회로(404)의 또 다른 실시 형태를 포함할 수 있다. 일반적으로, 소프트 시작 기능 조건 동안 작동 회로(404)는 커패시터(406)의 전하를 기준 전하와 비교하고 커패시터(406)의 전하가 기준 전하보다 낮을 때까지 충전 회로(411)가 DC-DC 컨버터(402)의 작동을 제어하는 것을 허용하지 않는다. 그러므로 작동 회로(404)로부터 작동 신호가 제어 장치(490)에 의하여 수신될 때까지 DC-DC 컨버터(402)의 상측 스위치(K1) 및 하측 스위치(K2)는 OFF 상태로 유지된다.
작동 회로(404)는 일반적으로 비교 회로(432), 스위칭 회로(434), 방전 경로(436) 및 출력 결정 회로(438)를 포함한다. 비교 회로(432)는 비교기(433)를 포함할 수 있다. 비교기(433)는 커패시터(406)의 전하를 나타내는 비반전 입력 단자에서 제1 신호를 수신할 수 있다. 상기 비교기는 또한 신호(Vdsch)로 표현되는 기준 전하를 나타내는 반전 입력 단자에서 제2 신호를 수신할 수 있다. 상기 비교기는 상기 신호를 비교하고 비교에 대한 응답으로 출력 비교 신호를 스위칭 회로(434)에게 제공한다.
스위칭 회로(434)는 비교 회로(432)로부터의 출력 비교 신호 및 예를 들어 호스트 전력 관리 유닛(PMU)(480)에 의하여 제공될 수 있는 소프트 시작 기능 신호를 수신할 수 있다. 다음으로 스위칭 회로(434)는 경로(483)를 따라서 제1 출력 신호를 출력 결정 회로(438)에게 제공하고 방전 경로(436)의 스위치(K5)에게 제2 출력 신호를 제공한다. 스위치(K5)는 MOS 트랜지스터와 같은 임의의 다양한 트랜지스터가 될 수 있다. 스위칭 회로(434)는 RS 플립 플롭(435)을 포함할 수 있다. 플립 플롭(435)의 설정 단자는 소프트 시작 기능 신호를 수신하는 한편 재설정 단자는 비교 출력 신호를 수신할 수 있다. 플립 플롭(435)의 출력 QB 단자는 상기 제1 출력 신호를 출력 결정 회로(438)에게 제공할 수 있는 한편, 다른 출력 단자 Q는 상기 제2 출력 신호를 방전 경로(436)의 스위치(K5)에 제공할 수 있다.
출력 결정 회로(438)는 필요한 논리 기능을 수행하기 위한 임의의 다양한 회로를 포함할 수 있다. 하나의 실시 형태로서, 출력 결정 회로는 AND 게이트 G1을 포함할 수 있다. 출력 결정 회로(438)는 전하 작동 신호(chgen)를 충전 회로(411)의 제어 장치(490)에게 제공한다. 만약 전하 작동 신호(chgen)가 디지털 1이라면, 이때에는 제어 장치(490)는 예를 들어 PWM 제어 신호와 같은 DC-DC 컨버터(402)의 한 쌍의 스위치(K1, K2)를 제어할 수 있다. 만약 상기 전하 작동 신호가 디지털 0이라면, 제어 장치(490)는 상기 한 쌍의 스위치(K1, K2)의 제어를 금지하고 상기 한 쌍의 스위치는 OFF 상태로 유지된다. 제어 장치(490)는 스위치에게 예를 들어 PWM 신호와 같은 제어 신호를 제공하기 위한 임의의 다양한 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 장치(490)는 다수 개의 에러 증폭기를 포함하여 감시된 매개 변수의 입력 신호(도시되지 않음)를 각각의 매개 변수를 위한 관련 최대 문턱 값과 비교할 수 있다. 이 경우 먼저 상기 관련 최대 문턱 값을 초과하는 조건을 탐지하는 에러 증폭기가 상기 PMW 제어 신호의 작업량 사이클을 제어하도록 하기 위하여 상기 다수 개의 에러 증폭기는 아날로그 “유선-OR(wired-OR)" 토폴로지로서 형성될 수 있다.
작동의 경우, DC-DC 컨버터(402)는 초기에 양쪽 스위치(K1 및 K2)가 OFF 상 태가 되도록 억제 상태로 될 수 있다. 추가적으로 양쪽 스위치(K3 및 K4)는 OFF 상태가 될 수 있다. 한편으로, 디지털 1 소프트 시작 기능 신호가 PMU(480)에 의하여 요구됨에 따라 플립 플롭(435)의 설정 단자에서 수신될 수 있다. 이때 플립 플롭(435)의 출력 Q가 디지털 1으로 설정될 수 있고 다른 출력 QB는 디지털 0으로 될 수 있다. 반응으로서, 방전 경로(436)의 스위치(K5)는 커패시터(406)의 전하가 상기 경로를 통하여 닫힌 스위치(K5)에 의하여 만들어진 접지로 방전되도록 만들면서 닫힌 상태로 될 수 있다. 추가적으로, QB 출력은 디지털 0이 되므로, AND 게이트 G1의 출력은 또한 PMU(480)으로부터 CHG ON HOST 신호에도 불구하고 디지털 0으로 될 수 있다. 이 경우 제어 장치(490)는 AND 게이트 G1의 디지털 0 신호에 반응하여 스위치(K1 및 K2)의 제어를 금지시키고 이로 인하여 스위치 (K1 및 K2)를 OFF 상태로 유지할 수 있다.
커패시터(406)의 전하는 방전을 계속하여 기준 전하 레벨 아래로 안전 레벨까지 방전된다. 일단 상기 커패시터의 전하가 기준 전하 레벨보다 더 작다면, 플립 플롭(434)의 출력 Q는 디지털 0이 될 수 있고 플립 플롭(434)의 출력 QB는 디지털 1이 될 수 있다. 이로 인하여 방전 경로의 스위치(K5)는 열린 상태로 될 수 있다. 만약 상기 PMU(480)의 CHG ON HOST 신호가 또한 디지털 1이라면, 이때에는 상기 AND 게이트 G1의 출력(작동 신호)은 또한 디지털 1이 될 수 있다. 반응으로서, 이 경우 제어 장치(490)는 예를 들어 PWM 제어 신호를 경유하여 스위치 (K1 및 K2)의 상태를 제어할 수 있다. 유리한 점으로서, 그러므로 만약 상기와 같은 예에서 제어 장치(490)가 PWM 신호를 제공하여 스위치( K1 및 K2)를 스위치 OFF 상태로 둔 다면 커패시터(406)의 전하가 충분히 감소된 상태로 되기 때문에, 단자(418, 419)에서는 어떠한 역 전압 조건도 만들어지지 않는다.
이로 인하여 DC-DC 컨버터의 출력 단자에게 연결된 커패시터를 가지는 DC-DC 컨버터를 작동시키기 위한 작동 회로가 제공되어 제어 신호에 의하여 제어될 수 있다. 상기 작동 회로는 상기 커패시터의 전하를 나타내는 제1 비교 신호를 기준 전하를 나타내는 제2 비교 신호와 비교하고 상기 비교에 반응하여 비교 출력 신호를 제공하도록 형성된 비교 회로를 포함할 수 있다. 상기 작동 회로는 또한 상기 비교 출력 신호를 수신하고 적어도 상기 비교 출력 신호에 반응하여 만약 커패시터의 전하가 기준 전하보다 더 작다면 제1 상태에서 제1 스위칭 신호를 제공하도록 형성된 스위칭 회로; 및 적어도 상기 제1 스위칭 신호를 수신하고 작동 신호를 제공하여 DC-DC 컨버터가 상기 제1 상태에서 상기 제1 스위칭 신호에 반응하여 상기 제어 신호에 의하여 제어되는 것이 가능하도록 하는 출력 결정 회로를 포함할 수 있다.
또한 DC 전력 공급원으로부터 입력 전력 레벨을 수신하고 재충전 배터리에게 제어된 출력 전력을 제공하도록 형성된 DC-DC 컨버터를 포함하는 배터리 충전 시스템이 제공된다. 상기 DC-DC 컨버터는 상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에 연결된 커패시터를 가질 수 있다. 상기 배터리 충전 시스템은 또한 DC-DC 컨버터가 제어 신호에 의하여 제어되는 것이 가능하도록 하기 위한 작동 회로를 포함할 수 있다. 상기 작동 회로는 커패시터의 전하를 나타내는 제1 비교 신호를 기준 전하를 나타내는 제2 비교 신호와 비교하고 상기 비교에 반응하여 비교 출력 신호를 제공하도록 형성된 비교 회로를 포함할 수 있다. 상기 작동 회로는 또한 상기 비교 출력 신호를 수신하고 적어도 상기 비교 출력 신호에 반응하여 만약 커패시터의 전하가 기준 전하보다 더 작다면 제1 상태에서 제1 스위칭 신호를 제공하도록 형성된 스위칭 회로; 및 적어도 제1 스위칭 신호를 수신하고 작동 신호를 제공하여 DC-DC 컨버터가 제1 상태에 있는 제1 스위칭 신호에 반응하여 상기 제어 신호에 의하여 제어되는 것이 가능하도록 형성된 출력 결정 회로를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 기술된 실시 형태들은 본 발명을 이용하는 여러 가지 중의 일부이고 그리고 제한되지 않는 실시 예로서 예시로서 개시되었다. 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 많은 다른 실시 형태가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있다는 것은 자명하다.
본 발명은 SRC의 에너지 저장 소자가 수 볼트 전압 이상으로 현저한 전압에서 충전이 되는 동안 소프트 시작 기능(soft start)이 발생하는 경우, 관련 제어 장치 집적 회로의 심각한 고장을 잠재적으로 발생시킬 수 있는 음 과도 전압 (negative voltage transients)이 센스 저항의 어느 한 쪽 단자에 나타나는 것을 방지한다.

Claims (13)

  1. 제어 신호에 의하여 제어되는 DC-DC 컨버터의 출력 단자에게 연결된 커패시터를 가지는 상기 DC-DC 컨버터를 작동시키기 위한 작동 회로에 있어서,
    상기 DC-DC 컨버터의 출력 단자에게 연결된 상기 커패시터의 전하를 나타내는 제1 비교 신호를 기준 전하를 나타내는 제2 비교 신호와 비교하고, 상기 비교에 반응하여 비교 출력 신호를 제공하도록 형성된 비교 회로;
    상기 비교 출력 신호를 수신하고, 적어도 상기 비교 출력 신호에 반응하여 만약 상기 커패시터의 전하가 상기 기준 전하보다 더 작다면 제1 상태에서 제1 스위칭 신호를 제공하도록 형성된 스위칭 회로; 및
    적어도 상기 제1 스위칭 신호를 수신하고, 작동 신호를 제공하여, 상기 DC-DC 컨버터가 상기 제1 상태에 있는 상기 제1 스위칭 신호에 반응하여 상기 제어 신호에 의하여 작동하도록 하는 출력 결정 회로를 포함함을 특징으로 하는 작동 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출력 결정 회로는 추가로 조건 신호를 수신하도록 형성되고, 상기에서 만약 상기 제1 스위칭 신호가 상기 제1 상태에 있고 상기 조건 신호가 필요한 충전 상태를 나타내는 상태에 있다면, 상기 출력 결정 회로는 상기 작동 신호를 제공하는 작동 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 출력 결정 회로는 AND 게이트를 포함하고, 상기 AND 게이트는 상기 제1 스위칭 신호 및 상기 조건 신호를 수신하는 작동 회로.
  4. 제1항에 있어서, 만약 상기 커패시터의 전하가 상기 기준 전하보다 더 크다면 상기 스위칭 회로는 추가로 제1 상태에 있는 제2 스위칭 신호를, 그리고 만약 상기 커패시터의 전하가 상기 기준 전하보다 더 작다면 제2 상태에 있는 제2 스위칭 신호를 제공하고, 그리고 만약 상기 제2 스위칭 신호가 상기 제1 상태에 있다면, 상기 작동 회로는 상기 제2 스위칭 신호에 반응하여 상기 커패시터를 방전시키기 위하여 추가로 방전 경로를 포함하는 작동 회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 방전 경로는 스위치를 포함하고, 상기 스위치는 만약 상기 제2 스위칭 신호가 제1 상태에 있다면 닫히고 그리고 만약 상기 제2 스위칭 신호가 제2 상태에 있다면 열리도록 상기 제2 스위칭 신호에 반응하는 작동 회로.
  6. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 RS 플립 플롭을 포함하는 작동 회로.
  7. DC 전력 공급원으로부터 입력 전력 레벨을 수신하고 재충전 배터리에게 제어 출력 전력 레벨을 제공하도록 형성되고, 출력 단자에 결합된 커패시터를 가지는 DC-DC 컨버터; 및
    상기 DC-DC 컨버터가 제어 신호에 의하여 제어되는 것이 가능하도록 하기 위한 작동 회로를 포함하고,
    상기 작동 회로는,
    상기 DC-DC 컨버터의 상기 출력단자에 결합된 상기 커패시터의 전하를 나타내는 제1 비교 신호를 기준 전하를 나타내는 제2 비교 신호와 비교하고, 상기 비교에 반응하여 비교 출력 신호를 제공하도록 형성된 비교 회로;
    상기 비교 출력 신호를 수신하고, 적어도 상기 비교 출력 신호에 반응하여 만약 상기 커패시터의 전하가 상기 기준 전하보다 더 작다면 제1 상태에서 제1 스위칭 신호를 제공하도록 형성된 스위칭 회로; 및
    적어도 상기 제1 스위칭 신호를 수신하고, 작동신호를 제공하여, 상기 DC-DC 컨버터가 상기 제1 상태에서 상기 제1 스위칭 신호에 반응하여 상기 제어 신호에 의하여 작동하도록 하는 출력 결정 회로를 포함함을 특징으로 하는 배터리 충전 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 출력 결정 회로는 추가로 조건 신호를 수신하고, 만약 상기 제1 스위칭 신호가 상기 제1 상태에 있고 상기 조건 신호가 필요한 충전 상태를 나타내는 상태에 있다면, 상기 출력 결정 회로는 상기 작동 신호를 제공하는 배터리 충전 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 출력 결정 회로는 AND 게이트를 포함하고, AND 게이트는 상기 제1 스위칭 신호 및 상기 조건 신호를 수신하는 배터리 충전 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 추가로 만약 상기 커패시터의 전하가 상기 기준 전하보다 더 크다면 제1 상태에서 제2 스위칭 신호를, 그리고 만약 상기 커패시터의 전하가 상기 기준 전하보다 더 작다면 제2 상태에서 제2 스위칭 신호를 제공하고, 그리고 만약 상기 제2 스위칭 신호가 상기 제1 상태에 있다면, 상기 작동 회로는 상기 제2 스위칭 신호에 반응하여 상기 커패시터를 방전시키기 위하여 추가로 방전 경로를 포함하는 배터리 충전 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 방전 경로는 스위치를 포함하고, 상기 스위치는 만약 상기 제2 스위칭 신호가 상기 제1 상태에 있다면 닫히고 그리고 만약 상기 제2 스위칭 신호가 제2 상태에 있다면 열리도록 상기 제2 스위칭 신호에 반응하는 배터리 충전 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 상기 스위칭 회로는 RS 플립 플롭을 포함하는 배터리 충전 시스템.
  13. 제7항에 있어서, 상기 제어 신호는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 포함하는 배터리 충전 시스템.
KR1020057000685A 2004-01-15 2004-09-16 음 과도 전압를 회피하기 위한 작동 회로 KR101068391B1 (ko)

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