KR101126565B1 - 원칩 배터리 보호장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배터리 보호장치를 하나의 반도체 칩으로 제작하여 부피를 최소화하는 동시에 제조 비용을 절감할 수 있도록 하는 원칩 배터리 보호장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 원칩 배터리 보호장치는 배터리의 충방전 상태에 따라 배터리의 충방전 동작을 제어하여 배터리가 파손되는 것을 방지하기 위한 배터리 보호장치에 있어서, 상기 배터리(200)의 충방전 전압 및 전류를 검출하여 배터리 충방전 상태를 검출하는 배터리 보호회로(110)와, 상기 배터리(200)의 충방전 상태에 따른 상기 배터리 보호회로(110)의 제어에 따라 배터리(200)의 충방전 동작을 온/오프 시키는 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)로 이루어진 제 1 스위치(121) 및 제 2 스위치(122)가 구비된 스위칭부(120)가 하나의 반도체 칩으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
배터리, 보호회로, 보호장치, 원칩, 과충전, 과방전, 과전류, 단락, LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)

Description

원칩 배터리 보호장치 {Battery Protection Circuit for One Chip}
본 발명은 배터리 보호장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배터리 보호장치를 하나의 반도체 칩으로 제작하여 부피를 최소화하는 동시에 제조 비용을 절감할 수 있도록 하는 원칩 배터리 보호장치에 관한 것이다.
전기장치는 외부로부터 전원을 공급받아 동작하는데, 상용전원을 직접 공급받을 수 없는 이동형 전기장치는 2차 전지인 배터리를 통하여 전원을 공급받아 동작하게 된다.
이러한 배터리를 통하여 전원을 공급받아 동작하는 전기장치는 노트북, PDP, 휴대전화 등의 전자기기뿐만 아니라 자동차 등 다양한 산업현장에서 적용되고 있는데, 근래에 들어 배터리가 과열로 인해 폭발하는 경우가 종종 발생하여 배터리 폭발 방지를 위한 보호장치의 중요성이 점차 강조되고 있다.
통상적으로 배터리 셀이 내장된 배터리 팩 내측에는 배터리 셀의 과충전, 과방전, 과전류, 단락 등으로부터 배터리 셀을 보호하여 배터리가 과열되거나 폭발하 는 것을 방지하기 위한 배터리 보호장치가 구비되어 있다.
도 1은 종래 배터리 보호장치의 개념을 나타내는 회로도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 배터리 보호장치에는 배터리의 상태를 검출하는 배터리 보호회로(Protect IC)(1)와, 상기 배터리 보호회로(1)의 제어에 따라 배터리의 충전 및 방전 동작을 온/오프시키는 스위칭부(2)가 구비된다. 상기 배터리 보호회로(1)는 배터리의 상태, 예를 들면 전압 과충전, 전압 과방전, 방전 과전류, 충전 과전류, 단락(Short) 등을 감지하여 배터리를 보호하기 위하여 스위칭부(2)의 동작을 제어하는 집적회로이다. 상기 스위칭부(2)는 배터리 보호회로(1)의 제어에 따라 구동되는 두 개의 반도체 스위칭 소자, 예를 들면 각각 과충전 방지 기능과 과방전 방지 기능을 수행하는 두 개의 MOSFET 소자(MOSFET1, MOSFET2)로 이루어져, 배터리의 상태에 따라 배터리의 충전 및 방전 동작을 온오프시키게 된다.
상기의 구성으로 이루어지는 배터리 보호장치는 배터리 보호회로(1)와 스위칭부(2)가 각각 별개의 반도체 칩으로 제작되는데, 이러한 배터리 보호장치를 완성하기 위하여 배터리 보호회로 칩과 스위칭부 칩을 PCB 보드에 각각 설치하여야 한다. 이와 같이 배터리 보호장치의 제작시 두 개의 반도체 칩을 각각 PCB 보드에 설치하여야 하기 때문에 PCB 보드의 크기가 커지고 제작 과정이 복잡하며, 이에 따라 배터리 보호장치의 제작 비용이 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 종래 배터리 보호장치의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 배터리 보호회로와 스위칭부를 하나의 반도체 칩으로 제작하여 배터리 보호장치의 크기를 줄이고 제작 과정을 단순화하여 제작 비용을 절감할 수 있도록 하는 원칩 배터리 보호장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원칩 배터리 보호장치는 배터리의 충방전 상태에 따라 배터리의 충방전 동작을 제어하여 배터리가 파손되는 것을 방지하기 위한 배터리 보호장치에 있어서, 상기 배터리의 충방전 전압 및 전류를 검출하여 배터리 충방전 상태를 검출하는 배터리 보호회로와, 상기 배터리(200)의 충방전 상태에 따른 상기 배터리 보호회로의 제어에 따라 배터리의 충방전 동작을 온/오프 시키는 스위칭부가 하나의 반도체 칩으로 이루어진다.
상기 스위칭부는 배터리 보호회로의 제어에 따라 구동되어 배터리의 과충전을 방지하는 제 1 스위치 및 배터리의 과방전을 방지하는 제 2 스위치를 포함하여 이루어지고, 상기 제 1 스위치 및 제 2 스위치는 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)로 이루어진다.
상기 LDMOS는 실리콘 기판 상부 표층 일측에 소오스 전극(Source)이 형성되고, 상기 실리콘 기판의 타측 상부 표층에 드레인 전극(Drain) 형성되며, 상기 소 오스 전극(Source)과 드레인 전극(Drain) 사이의 기판 표층 상부에 게이트 전극(Gate)이 돌출 형성되고, 상기 게이트 전극(Gate)과 드레인 전극(Drain) 사이의 기판 상부 표층에는 높은 항복전압(breakdown voltage)과 낮은 온-저항(Ontesistance)을 얻기 위해 표면 전계를 감소시키는 RESURF(Reduced surface field) Implant 영역이 형성된다.
또한, 상기 배터리 보호회로에는 배터리의 과충전 상태를 검출하는 과충전 검출부와, 상기 배터리의 과방전 상태를 검출하는 과방전 검출부와, 상기 배터리의 충전시 배터리에 과전류가 공급되는 것을 검출하는 충전 과전류 검출부와, 상기 배터리의 방전시 배터리로부터 과전류가 유출되는 것을 검출하는 방전 과전류 검출부와, 회로의 단락에 따라 배터리의 방전 전류가 급증하는 것을 검출하는 단락 검출부와, 상기 각 검출부의 검출결과에 따라 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 제어부가 구비된다.
본 발명에 따른 원칩 배터리 보호장치는 배터리 보호회로와 스위칭부를 하나의 반도체 칩으로 제작함으로써, 배터리 보호장치의 크기 및 부피를 줄일 수 있어 소형으로 제작 가능하며, 제작 과정이 단순하고 용이하게 이루어질 수 있어 제작 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원칩 배터리 보호장치의 개념을 나타내는 블록 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원칩 배터리 보호장치(100)는 배터리(200)와 이 배터리(100)에 충전 전압을 공급하는 충전기 또는 배터리 전원을 사용하는 부하 등 부하장치(Input or Output)(300) 사이에 위치하여 배터리(200)의 상태를 감시하여 배터리 상태에 따라 배터리(200)의 충전 및 방전 동작을 제어하는 반도체 칩이다.
이 원칩 배터리 보호장치(100)에는 배터리(100)의 과충전, 과방전, 방전 과전류, 충전 과전류, 단락(Short) 등의 상태를 감지할 수 있는 배터리 보호회로(110)와, 상기 배터리 보호회로(110)의 제어에 따라 배터리(200)를 충방전시키는 스위칭부(120)가 하나의 반도체 칩으로 제작되어, PCB 보드에 설치되어 이루어진다.
상기 원칩 배터리 보호장치(100)는 배터리(200)의 충전 전압 및 방전 전압이 기준값 범위를 벗어나는 경우 배터리(200)의 충전 및 방전 동작을 정지시키고, 배터리(200)의 충전 전류 및 방전 전류가 기준값 범위를 벗어나는 경우 배터리(200)의 충전 및 방전 동작을 정지시키게 되며, 회로에 단락이 발생하는 경우 이를 검출하여 배터리(200)의 충방전 동작을 정지시키는 역할을 수행하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원칩 배터리 보호장치의 블록 구성도를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 원칩 배터리 보호장치(100)는 배터리(200)의 상태를 검출하는 배터리 보호회로(110)와 상기 배터리 보호회로(110)의 제어에 따라 배터리(200)의 충방전 동작을 온/오프시키는 스위칭부(120)가 하나의 반도체 칩으로 제작된다.
상기 배터리 보호회로(110)에는 배터리(200)의 충전 전압이 설정된 과충전 보호 전압 이상으로 증가하는 경우 이를 검출하는 과충전 검출부(112)와, 배터리(200)의 방전 전압이 설정된 과방전 보호 전압 이하로 떨어지는 경우 이를 검출하는 과방전 검출부(113)와, 배터리(200)의 전압이 충전 과전류에 의해 충전 과전류 보호 전압 이상으로 증가하는 경우 이를 검출하는 충전 과전류 검출부(114)와, 배터리(200)의 전압이 방전 과전류에 의해 방전 과전류 보호 전압 이상으로 증가하는 경우 이를 검출하는 방전 과전류 검출부(115)와, 회로의 단락에 따라 방전 전류가 급격히 증가하여 배터리(200)의 전압이 단락 보호 전압 이상으로 증가하는 경우 이를 검출하는 단락 검출부(116)와, 상기 각 검출부의 검출결과에 따라 스위칭부(120)의 동작을 제어하는 스위칭 제어부(111)가 구비되어 있다.
상기 스위칭 제어부(111)는 과충전 검출부(112)로부터 검출되는 충전 전압이 설정된 과충전 보호 전압보다 큰 경우 스위칭부(120)를 제어하여 배터리(200)가 과충전 보호 전압 이상으로 충전되지 않도록 충전 전류를 차단하게 되고, 과방전 검 출부(113)로부터 검출되는 방전 전압이 설정된 과방전 보호 전압보다 작아지게 되면 스위칭부(120)를 제어하여 배터리(200)가 과방전 보호 전압 이하로 방전되지 않도록 방전 전류를 차단하게 된다. 또한, 상기 스위칭 제어부(111)는 충전 과전류 검출부(114)로부터 검출되는 전압이 충전 과전류 보호 전압보다 큰 경우 스위칭부(120)를 제어하여 배터리(200)의 충전 전류를 차단하게 되고, 방전 과전류 검출부(115)로부터 검출되는 전압이 방전 과전류 보호 전압보다 큰 경우 스위칭부(120)를 제어하여 배터리(200)의 방전 전류를 차단하게 된다. 또한, 상기 스위칭 제어부(111)는 단락 검출부(116)로부터 검출되는 전압이 단락 보호 전압 이상으로 증가하는 경우 스위칭부(120)를 제어하여 방전 전류를 차단하게 된다.
상기 스위칭부(120)는 배터리 보호회로(110)의 스위칭 제어부(111) 제어에 따라 배터리(200)의 충방전 동작을 온/오프시키는 스위칭 소자로서, 이 스위칭부(120)에는 배터리(200)의 과충전을 방지하기 위하여 배터리(200)의 충전을 차단하는 과충전 방지용 제 1 스위치(121)와, 배터리(200)의 과방전을 방지하기 위하여 배터리(200)의 방전을 차단하는 과방전 방지용 제 2 스위치(122)가 구비된다. 상기 제 1, 2 스위치(121)(122)는 일반적으로 반도체 스위칭 소자인 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor ; 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)이 적용되는데, 이러한 FET 스위치 방식은 임의의 직류 전압을 얻을 수 있으며 손실이 작아 전력 변환 효율이 높고, 릴레이(Relay)를 이용한 스위치 방식보다 스위칭 속도가 빠른 효과가 있다. 도 4는 이러한 MOSFET 소자로 이루어지는 스위칭부의 회로도를 나타낸 것이다.
한편, 본 발명에서는 이러한 스위칭부(120)가 배터리 보호회로(110)와 원칩으로 이루어져 배터리 보호를 위하여 사용되기 때문에 일반 MOSFET 소자와는 달리 빠른 스위칭 속도(high speed)와 높은 항복전압(high drain to source breakdown voltage)이 필요한데, 다음의 표 1은 배터리 보호장치의 원칩화를 위하여 배터리 보호에 요구되는 MOSFET의 특성을 나타낸 것이다.
Figure 112009070965774-pat00001
본 발명의 실시예에서는 상기 표 1의 특성을 만족하기 위한 반도체 스위칭 소자로 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor ; 측면 확산 금속 산화막 반도체) FET 소자가 적용된다. 본 발명에 적용되는 LDMOS는 기존 MOSFET를 변형한 구조로 소오스(Source)와 드레인(Drain) 확산 사이가 채널영역과 표동영역(Drift region)으로 분리되어 높은 항복전압(Breakdown voltage) 특성을 나타내는 반도체 소자이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭부의 LDMOS 구조를 나타내는 개념도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 스위칭부(120)의 제 1 스위치(121) 및 제 2 스위치(122)로 사용되는 LDMOS는 실리콘 기판(Si Bulk)(10) 상부 표층 일측에 소오스 전극(Source)(11)이 형성되고, 실리콘 기판(10)의 타측 상부 표층에 드레인 전극(Drain)(12)이 형성된다. 상기 소오스 전극(11)의 드레인 전극(12) 방향 일측에는 실리콘 기판(10)의 표층 상부로 돌출되는 게이트 전극(13)이 형성되는데, 이 게이트 전극(13)은 게이트 산화막(Gate Oxide)(13b) 상부에 게이트 폴리(Gate Poly)(13a)가 적층되어 이루어진다.
한편, 상기 게이트 전극(13)과 드레인 전극(12) 사이의 기판(10) 상부 표층에는 표류영역에서 높은 항복전압(breakdown voltage)과 낮은 온-저항(On-tesistance)을 얻기 위해 표면 전계를 감소시키는 RESURF(Reduced surface field) Implant 영역(14)이 형성된다. 상기 RESURF Implant 영역(14)은 전영역에 걸쳐 도핑농도가 균일하게 이루어지는 것이 바람직한데, RESURF의 도핑 방법으로는 UD-Resurf(Uniformly Doped RESURF) 기술 등이 적용될 수 있다. 상기의 구조로 이루어지는 LDMOS는 MOSFET의 제조 공정에서 RESURF Implant가 추가되는 구조이기 때문에 추가적인 공정비용 상승이 적은 장점이 있다.
본 발명에서는 상기의 구조로 이루어진 LDMOS를 스위칭 소자로 제작하여 제 1 스위치(121) 및 제 2 스위칭(122)로 구성하고, 이러한 두 개의 LDMOS가 제 1, 2스위치(121)(122)로 구성되는 스위칭부(120)를 배터리 보호회로(110)에 연결시켜 하나의 반도체 칩으로 제작함으로써 일반 로직(Logic) 공정에서 추가되는 공정을 줄여 반도체 제작 비용을 절감할 수 있게 된다.
이러한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
도 1은 종래 배터리 보호회로의 개념을 나타내는 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 원칩 배터리 보호장치의 개념을 나타내는 블록 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 원칩 배터리 보호장치의 블록 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 원칩 배터리 보호장치의 스위칭부 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 스위칭부의 LDMOS 구조를 나타내는 개념도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 원칩 배터리 보호장치 110 : 배터리 보호회로
111 : 스위칭 제어부 112 : 과충전 검출부
113 : 과방전 검출부 114 : 충전 과전류 검출부
115 : 방전 과전류 검출부 116 : 단락 검출부
120 : 스위칭부 121 : 제 1 스위치
122 : 제 2 스위치 200 : 배터리
300 : 부하장치

Claims (4)

  1. 배터리(200)의 충방전 전압 및 전류를 검출하여 배터리 충방전 상태를 검출하는 배터리 보호회로(110)와, 상기 배터리(200)의 충방전 상태에 따른 배터리 보호회로(110)의 제어에 따라 배터리(200)의 충방전 동작을 온/오프 시키는 스위칭부(120)가 하나의 반도체 칩으로 이루어지는 배터리 보호장치에 있어서,
    상기 배터리 보호회로(110)에는 배터리(200)의 과충전 상태를 검출하는 과충전 검출부(112)와, 상기 배터리(200)의 과방전 상태를 검출하는 과방전 검출부(113)와, 상기 배터리(200)의 충전시 배터리(200)에 과전류가 공급되는 것을 검출하는 충전 과전류 검출부(114)와, 상기 배터리(200)의 방전시 배터리(200)로부터 과전류가 유출되는 것을 검출하는 방전 과전류 검출부(115)와, 회로의 단락에 따라 배터리(200)의 방전 전류가 급증하는 것을 검출하는 단락 검출부(116)와, 상기 각 검출부의 검출결과에 따라 스위칭부(120)의 동작을 제어하는 스위칭 제어부(111)가 구비되고,
    상기 스위칭부(120)는 배터리 보호회로(110)의 제어에 따라 구동되어 배터리(200)의 과충전을 방지하는 제 1 스위치(121) 및 배터리(200)의 과방전을 방지하는 제 2 스위치(122)를 포함하여 이루어지되,
    상기 제 1 스위치(121) 및 제 2 스위치(122)는 실리콘 기판(10) 상부 표층 일측에 소오스 전극(Source)(11)이 형성되고, 상기 실리콘 기판(11)의 타측 상부 표층에 드레인 전극(Drain)(12)이 형성되며, 상기 소오스 전극(Source)(11)과 드레인 전극(Drain)(12) 사이의 기판 표층 상부에 게이트 전극(Gate)(13)이 돌출 형성되고, 상기 게이트 전극(Gate)(13)과 드레인 전극(Drain)(12) 사이의 기판 상부 표층에는 도핑농도가 균일하게 이루어져 표면 전계를 감소시키는 RESURF(Reduced surface field) Implant 영역(14)이 형성된 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 원칩 배터리 보호장치.
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