KR101315115B1 - Battery charger digital control circuit and method and battery charger system - Google Patents
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Abstract
디지털 제어 배터리 충전기는, 전력 변환기, 전압 센서, 전류 센서, 모드 선택기 및 디지털 제어기를 포함한다. 상기 전압 센서 및 전류 센서는 각각 재충전 가능한 배터리의 전압 및 상기 재충전 가능한 배터리를 통해 흐르는 전류를 감지한다. 상기 모드 선택기는 상기 전압 센서의 출력과 상기 전류 센서의 출력 중의 어느 하나로부터 피드백 신호를 선택한다. 상기 디지털 제어기는 선택된 피드백 신호를 수신하고, 상기 전력 변환기를 위한 펄스 폭 변조 신호를 생성한다. 추가로, 상기 디지털 제어기는, 배터리 충전기가 상이한 배터리 충전 단계에서 동작할 때, 제어 루프가 안정된 시스템을 유지할 수 있도록, 그의 계수를 동적으로 조절할 수 있다. The digitally controlled battery charger includes a power converter, a voltage sensor, a current sensor, a mode selector and a digital controller. The voltage sensor and the current sensor respectively sense the voltage of the rechargeable battery and the current flowing through the rechargeable battery. The mode selector selects a feedback signal from either the output of the voltage sensor or the output of the current sensor. The digital controller receives the selected feedback signal and generates a pulse width modulated signal for the power converter. In addition, the digital controller can dynamically adjust its coefficients so that when the battery charger operates in different battery charging stages, the control loop can maintain a stable system.
Description
본 출원은 2011년 1월 31일에 출원된 미국 가출원(provisional application) 제 61/438,067호 "배터리 충전기 디지털 제어 회로 및 방법"에 대하여 우선권의 이익을 청구하며, 상기 미국 가출원의 모든 개시내용은 본 출원에 참조로서 포함된다.This application claims the benefit of priority for US provisional application 61 / 438,067, "Battery Charger Digital Control Circuit and Method," filed Jan. 31, 2011, and all disclosures of that US provisional application are herein incorporated by reference. Incorporated by reference in the application.
재충전 가능한 배터리는 니켈-카드뮴(NiCd) 배터리, 니켈-금속 하이드라이드(NiMH) 배터리, 리튬-이온 배터리, 리튬-이온 폴리머 배터리, 리튬-공기 배터리, 리튬 인산철(iron phosphate) 배터리 등의 다양한 형태를 포함한다. 재충전 가능한 배터리는 전기 에너지를 저장하는 데 사용된다. 한편, 배터리 충전기는, 재충전 가능한 배터리가 고갈된 후에 재충전 가능한 배터리를 다시 충전 상태로 만들기 위해 사용된다.Rechargeable batteries come in a variety of forms, including nickel-cadmium (NiCd) batteries, nickel-metal hydride (NiMH) batteries, lithium-ion batteries, lithium-ion polymer batteries, lithium-air batteries, and lithium iron phosphate batteries. It includes. Rechargeable batteries are used to store electrical energy. On the other hand, the battery charger is used to bring the rechargeable battery back to a charged state after the rechargeable battery is exhausted.
상이한 형태의 재충전 가능한 배터리는 상이한 충전 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 리튬-이온 폴리머 배터리가 고갈 상태에서 충만(full charged state) 상태로 충전될 때, 리튬-이온 폴리머 배터리의 충전 프로파일에 따라서, 리튬-이온 폴리머 배터리는 프리컨디셔닝 단계(pre-conditioning phase)에서, 초기에는 저전류(low current)로 충전된다. 배터리 전압이 최소 충전 전압 문턱치에 도달한 후, 배터리 충전 사이클은 배터리가 정전류(constant current)로 충전되는 전류 제어 단계(current regulation phase)로 진입한다. 이 전류 제어 단계에서, 배터리의 전압은, 전압이 특정 제어 전압에 도달할 때까지 계속 증가한다. 이후, 배터리 충전 사이클은 배터리 충전기를 정전류원(constant current source)으로부터 정전압원(constant voltage source)로 변화시킴으로써 전압 제어 단계(voltage regulation phase)로 진입한다. 전압 제어 단계 동안에, 배터리 전압은 특정 전압에서 유지된다. 따라서, 충전 전류는 서서히 감소한다. 충전 전류가 특정 전류 값보다 작으면, 배터리 충전 사이클이 완료된다. Different types of rechargeable batteries may use different charging methods. For example, when a lithium-ion polymer battery is charged from a depleted state to a full charged state, according to the charging profile of the lithium-ion polymer battery, the lithium-ion polymer battery is pre-conditioning phase. ), Initially charge at low current. After the battery voltage reaches the minimum charge voltage threshold, the battery charge cycle enters a current regulation phase in which the battery is charged with constant current. In this current control step, the voltage of the battery continues to increase until the voltage reaches a certain control voltage. The battery charge cycle then enters the voltage regulation phase by changing the battery charger from a constant current source to a constant voltage source. During the voltage control phase, the battery voltage is maintained at a certain voltage. Thus, the charging current gradually decreases. If the charge current is less than the specified current value, the battery charge cycle is completed.
두 가지 형태의 배터리 충전기가 알려져 있으며 통상적으로 사용된다. 선형 레귤레이터(linear regulator) 기반 배터리 충전기는 가변 저항(resistor)과 같이 동작하는 능동 소자(active device)를 포함한다. 능동 소자에서 전압 강하시킴에 의해, 선형 레귤레이터 기반 배터리 충전기는 그의 출력 전압과 출력 전류 중의 하나를 조정할 수 있다. 반대로, 스위칭 레귤레이터(switching regulator) 기반 배터리 충전기는, 충전기의 스위칭 소자의 턴온(turn-on) 주기를 제어하는 듀티 사이클(duty cycle)을 조절함으로써, 그의 출력 전압 또는 전류를 제어한다. 선형 레귤레이터 기반 배터리 충전기와 비교하면, 스위칭 레귤레이터 기반 배터리 충전기는 대개 고효율 충전 과정을 제공한다.
Two types of battery chargers are known and commonly used. A linear regulator based battery charger includes an active device that acts like a variable resistor. By lowering the voltage in the active device, the linear regulator based battery charger can adjust one of its output voltage and output current. Conversely, a switching regulator based battery charger controls its output voltage or current by adjusting a duty cycle that controls the turn-on period of the charger's switching element. Compared with linear regulator based battery chargers, switching regulator based battery chargers usually provide a high efficiency charging process.
본 발명 및 그 효과의 보다 완전한 이해를 위해서, 다음과 같은 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 참조한다.
도 1은 일 실시예에 따른 디지털 제어 배터리 충전기(digital controlled battery charger)를 보여준다.
도 2는 일 실시예의 디지털 제어 배터리 충전기의 간단화된 블록 다이어그램을 보여준다.
도 3은 다른 실시예에 따른 디지털 제어 배터리 충전기의 간단화된 블록 다이어그램을 보여준다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 디지털 제어 배터리 충전기의 간단화된 블록 다이어그램을 보여준다.
도 5는 배터리 충전기에서 사용된 전류 감기지의 일예의 간단화된 블록 다이어그램을 보여준다.
다른 언급이 없는 한, 각기 다른 도면에서 사용된 대응 번호와 부호는 일반적으로 대응하는 부분을 나타낸다. 도면은 각종 실시예의 관련 부분을 명확히 나타내도록 도시되었으며, 반드시 일정 비율로 도시된 것은 아니다. For a more complete understanding of the present invention and its effects, reference is made to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings.
1 illustrates a digital controlled battery charger according to one embodiment.
2 shows a simplified block diagram of an embodiment of a digitally controlled battery charger.
3 shows a simplified block diagram of a digitally controlled battery charger according to another embodiment.
4 shows a simplified block diagram of a digitally controlled battery charger according to another embodiment.
5 shows a simplified block diagram of an example of a current winding used in a battery charger.
Unless otherwise indicated, the corresponding numbers and signs used in the different drawings generally indicate corresponding parts. The drawings are drawn to clearly show the relevant parts of the various embodiments, and are not necessarily drawn to scale.
현재 바람직한 실시예의 제조 및 사용이 이하에서 상세히 기술된다. 그러나 본 발명의 개시 내용은 광범위하게 다양한 특정 항목으로 구현될 수 있는 적용 가능한 많은 발명적 개념을 제공함을 인식해야 한다. 여기서 논의된 구체적인 실시예들은 특정 제조법 및 사용법에 대한 단순한 예시일 뿐이며, 발명의 범위를 한정하지 않는다.The preparation and use of the presently preferred embodiments are described in detail below. It should be appreciated, however, that the present disclosure provides many applicable inventive concepts that can be implemented in a wide variety of specific details. The specific embodiments discussed herein are merely illustrative of specific recipes and uses and do not limit the scope of the invention.
본 발명은 강압형 스위칭 레귤레이터(buck switching regulator) 기반 배터리 충전기인, 특정 항목의 바람직한 실시예와 관련하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 다른 전력 토폴로지(topology)를 가지는 다양한 배터리 충전기에도 적용될 수 있다.
The present invention will be described in connection with the preferred embodiment of the specific item, which is a buck switching regulator based battery charger. However, the present invention can also be applied to various battery chargers having different power topologies.
먼저, 도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 디지털 제어 배터리 충전기를 설명한다. 디지털 제어 배터리 충전기는 전력 변환기(power converter, 104), 전압 센서(voltage sensor, 106), 전류 센서(current sensor, 108), 모드 선택기(mode selector, 100) 및 디지털 제어기(digital controller, 102)를 포함한다. 상기 전력 변환기(104)는 디지털 제어기(102)로부터 제어 신호를 수신한다. 상기 전압 센서(106) 및 전류 센서(108)는 전력 변환기(104)의 출력에 연결되며, 전력 변환기의 출력에 연결된 재충전 가능한 배터리(110)에 걸리는 전압 및 재충전 가능한 배터리를 통해 흐르는 전류를 각각 감지한다. 전류 센서(108)의 출력 및 전압 센서(106)의 출력 양자는 모드 선택기(100)로 송신되며, 모드 선택기(100)에서 디지털 제어기(102)로부터 나온 제어 신호에 기초하여, 모드 선택기(100)의 논리 제어 유니트(logic control unit, 미도시)는 두 개의 입력 신호 중의 하나를 선택하고, 선택된 신호를 디지털 제어기(102)로 보낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 디지털 제어기(102)는 제 1 입력에서 외부 레지스터(external registers, 120)로부터 나온 외부 신호를, 제 2 입력에서 상기 모드 선택기(100)로부터 나온 제어 신호를, 제 3 입력에서 전력 변환기(104)로부터 나온 일부 동작 파라메타(operating parameter)를 수신하도록 설정되어 있다. 이들 3개의 입력 신호에 기초하여, 디지털 제어기(102)는 펄스 폭 변조(pulse width modulated; PWM) 신호를 발생시키고 이에 따라 전력 변환기(104)를 제어한다. First, a digital control battery charger according to an embodiment will be described with reference to FIG. 1. The digitally controlled battery charger includes a
전력 변환기(104)는 입력 전압(미도시, 도 2에 도시됨)을, 재충전 가능한 배터리(110)를 충전시키기 위한 제어된(regulated) 출력 전압으로 변환시킨다. 따라서 디지털 제어기(102)로부터 발생된 PWM 신호에 응답하여, 전력 변환기(104)는 출력 전압을 조절한다. 공지된 바와 같이, 전력 변환기(104)의 동작은 당해 기술 분야의 통상의 기술을 가진 당업자의 기술 범위 내이며, 따라서 전력 변환기(104)의 동작은 상세히 설명되지 않을 것이다. 전력 변환기(104)의 바람직한 실시예가 강압형 스위칭 모드 변환기(buck switching mode converter)이지만, 본 발명은 부스트 스위칭 모드 변환기(boost switching mode converters), 강압-부스트 스위칭 모드 변환기(buck-boost switching mode converters), 선형 레귤레이터(linear regulators), 포워드(forward) 변환기, 풀 브리지 변환기(full bridge converter), 하프 브리지 변환기(half bridge converter) 등과 같은 다른 전력 토폴로지에도 적용될 수 있다. 또한 본 발명은 전술한 전력 변환기의 다양한 파생물에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 포워드 절연형 변환기(forward isolated converter)가 강압형 스위칭 모드 변환기로부터 유래되기 때문에, 본 발명의 범위는 포워드 절연형 변환기로 확장될 수 있다. The
충전 사이클의 정전류(constant current) 단계에서, 재충전 가능한 배터리(110)을 통해 흐르는 전류는 배터리 충전기의 동작을 제어하기 위한 피드백으로 이용된다. 전류 센서(108)는 다양한 전류 감지 기술을 써서 재충전 가능한 배터리(110)을 통해 흐르는 전류에 비례하는 전류 감지 신호를 발생시키기 위해 이용된다. 전류 센서(108)는 재충전 가능한 배터리(110)에 직렬로 감지 저항(sense resistor)를 연결하여 구현될 수 있다. 또한, 전류 감지 신호의 진폭이 너무 작으면, 감지 저항은 연산 증폭기(operational amplifier)의 입력들을 가로질러 연결되고(미도시, 도 2에 도시됨), 연산 증폭기는 전류 감지 신호를 후속 회로에 허용 가능한 수준으로 비례해서 증폭시킬 수 있다. 마찬가지로, 홀 효과 소자(Hall effect device), 자기 저항 센서(magneto resistive sensor), 전류 감지 집적 회로(current sense integrated circuit) 또는 그 밖의 유사한 것이 재충전 가능한 배터리(110)을 통해 흐르는 전류를 감지하는데 사용될 수 있다. In the constant current phase of the charging cycle, the current flowing through the
충전 사이클의 정전압(constant voltage) 단계에서, 재충전 가능한 배터리(10)에 걸리는 전압은 배터리 충전기의 동작을 제어하기 위한 피드백으로 사용된다. 전압 센서(106)는 재충전 가능한 배터리(110)에 걸리는 전압을 감지하고, 상기 전압을 후속 회로에 허용 가능한 신호로 비례해서 변환하는데 사용된다. 전압 센서(106)의 바람직한 실시예가 재충전 가능한 배터리(110)의 2개의 단자(terminal) 사이에 연결된 저항 분배기(resistive divider)이지만, 용량 분배기(capacitive dividers), 다양한 트랜지스터로 형성된 전압 분배기(voltage dividers), 전압 감지 집적 회로 또는 이와 유사한 것 등 다른 전압 감지 기술이 본 발명의 범위 내에 있다. In the constant voltage phase of the charge cycle, the voltage across the rechargeable battery 10 is used as feedback to control the operation of the battery charger. The
충전 사이클에서, 상기 배터리 충전기는 먼저 정전류(constant current)를 제공하고, 재충전 가능한 배터리(110)가 문턱 전압에 도달한 후 정전압(constant voltage)을 제공한다. 모드 선택기(100)는 입력 신호(예를 들어, 전압 센서(106)로부터 감지된 전압)를 선택하고, 선택된 신호를 디지털 제어기(102)로 보내는데 사용된다. 도 1에 도시된 모드 선택기(100)는 별도의 소자이지만, 모드 선택기는 디지털 제어기(102)의 통합된 부분일 수 있다. 또한, 신호 선택 과정이 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 이들의 결합으로 수행될 수도 있다. 그러나 바람직한 실시예에 있어서, 컴퓨터 프로그램 코드 등의 코드나 소프트웨어에 따라서, 컴퓨터 프로그램을 디지털 신호 처리기 또는 중앙 처리 유니트에서 실행시키는 것과 같은 과정에 의해서 상기 기능이 수행된다. In the charging cycle, the battery charger first provides a constant current, and then provides a constant voltage after the
상기 디지털 제어기(102)는 외부 레지스터(external registers, 120)로부터 외부 신호를 수신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 외부 레지스터는 디지털 인터페이스(예를 들면, I2C, SPI 또는 UART)를 통해서 디지털 제어기와 통신하는 레지스터 더미(a bank of registers)를 포함할 수 있다. 다른 방법으로, 상기 외부 신호는 사용자 또는 시스템 관리 유니트(system management unit)로부터 나온 동적 시스템 구성 조절 신호(dynamic system configuration adjustment signal)일 수 있다. 상기 외부 신호는 디지털 제어기(102)의 다양한 파라메타를 프로그램하는 데 사용될 수 있다. 상기 외부 신호는 개방 회로(open circuit) 전압, 충전 전류 한도(charging current limit) 및 등가 부하 저항(equivalent load resistance)를 포함하는 배터리 파라메타를 포함할 수 있다. 또한, 디지털 제어기(102)는 전력 변환기(104)의 동작 파라메타를 얻고(retrieve), 모드 선택기(100)로부터 피드백을 받을 수 있다. 상기 동작 파라메타는 상기 전력 변환기에 연결된 입력 전압, 상기 전력 변환기의 동작 온도, 상기 전력 변환기의 입력 전류, 상기 전력 변환기의 출력 전류, 상기 전력 변환기의 출력 전압, 상기 전력 변환기의 입력 리플(ripple) 전압, 상기 전력 변환기의 출력 리플 전압으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 이 세가지 신호에 기초하여, 디지털 제어기(102)는 전력 변환기(104)를 제어하기 위한 디지털 PWM 신호를 발생시킨다. 디지털 제어기(102)의 동작은 도 2를 참조로 상세히 설명될 것이다. 디지털 제어기(102)의 유용한 특징의 하나는, 배터리 충전기가 다른 충전 단계로 진입할 때, 제어 루프 보상 파라메타(control loop compensation parameters)를 동적으로 조절하도록 디지털 제어기(102)가 구성될 수 있다는 것이다. 더구나, 디지털 제어 루프를 통한 동적 조절(dynamic adjustment)은 있을 수 있는 공정 편차(process variations)에 대해 동적 보상(dynamic compensation)을 할 수 있다. 또한, 이러한 동적 조절은, 하나의 제어기(예를 들면, 디지털 제어기(102))가 정전류(constant current) 충전 및 정전압(constant voltage) 충전 양자를 다룰 수 있기 때문에, 배터리 충전기의 하드웨어 비용을 감소시킨다.
The
도 2는 일 실시예에 따른 디지털 제어 배터리 충전기의 간단화된 블록 다이어그램을 도시한다. 일 실시예에 의하면, 전력 변환기(104)는 N채널 전계 효과 트랜지스터(N-FET, Q2)에 직렬 연결된 P 채널 전계 효과 트랜지스터(P-FET, Q1)를 포함하는 강압형 스위칭 모드 변환기(buck switching mode converter)이다. P-FET(Q1)와 N-FET(Q2) 사이의 접합점(junction point)은 출력 인덕터(Lo)와 출력 캐패시터(Co)에 의해 형성된 필터를 통해 재충전 가능한 배터리(110)에 연결된다. P-FET(Q1)와 N-FET(Q2)의 게이트는 드라이버(driver, 210)에 연결되며, 드라이버는 디지털 제어기(102)로부터 디지털 PWM 신호를 수신하고, 디지털 PWM 신호를 최소의 데드 타임(dead time)을 가지는 2개의 상보(complementary) 게이트 신호로 변환한다. 공지된 바와 같이, 상기 드라이버(210)는 드라이버(210)가 수신하는 디지털 PWM 신호로부터 2개의 상보 게이트 신호를 생성할 뿐만 아니라, 드라이버(210)가 전력 변환기(104)의 스위칭 소자를 턴온 또는 턴 오프시킬 때 싱크 및 소스 성능(sink and source capability)을 증가시킬 충분한 전류를 공급한다. Q1 및 Q2는, 당해 기술 분야의 통상의 기술을 가진 당업자에게 알려진 것과 같이, J-FET, HEX-FET, 바이-폴라 트랜지스터와 같은 다른 형태의 장치로 구현될 수 있다. 2 shows a simplified block diagram of a digitally controlled battery charger according to one embodiment. According to one embodiment, the
본 실시예의 구현에 있어서, 감지 저항(sense resistor, Rs)은 재충전 가능한 배터리(110)를 통해 흐르는 전류를 감지하는데 이용된다. Rs는 재충전 가능한 배터리(110)에 직렬 연결된다. 연산 증폭기(212)는 Rs의 두 개의 단자에 연결된 두 개의 입력을 가진다. 상기 연산 증폭기(212)의 이득(gain)은, 연산 증폭기(212)의 출력 전압이 전압 센서(106)의 출력과 동일 범위가 되도록, 조절된다. 결과적으로, 전압 센서(106)로부터 나온 피드백 신호와 전류 센서(108)로부터 나온 피드백 신호는, 모드 선택기가 이들 중 어느 하나를 선택하고 선택된 신호를 디지털 제어기(102)로 보낼 때, 기준 전압(reference voltage)을 공유(share)할 수 있으며, 여기서 상기 선택된 신호는 상기 기준 전압과 비교될 것이다.In the implementation of this embodiment, a sense resistor (Rs) is used to sense the current flowing through the
재충전 가능한 배터리의 충전 사이클은 적어도 2단계, 즉 정전류 단계 및 정전압 단계를 포함한다. 상기 모드 선택기(100)는 이들 두 개의 충전 단계 동안에 적법한 피드백 신호를 선택하는데 사용된다. 이 기능은 하드웨어 또는 소프트웨어로 수행될 수 있다. 예를 들면, ORING 회로는 고진폭(high amplitude)을 가지는 피드백 신호는 모드 선택기(100)를 통과하고, 저진폭(low amplitude)를 가지는 피드백 신호가 디지털 제어기(102)에 도달하는 것을 차단할 수 있다. 다른 방법으로, 모드 선택 기능은 디지털 제어기(102) 내에 통합될 수 있는데, 여기서 컴퓨터 프로그램이 두 개의 입력 신호를 비교하여 고진폭을 가지는 신호를 선택할 수 있다. The charging cycle of the rechargeable battery includes at least two stages, namely a constant current stage and a constant voltage stage. The
상기 디지털 제어기(102)는 시그마 델타(sigma delta) 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter; ADC, 202), 데시메이터(decimator, 204), 디지털 필터(206) 및 디지털 PWM 발생기(208)를 포함한다. 상기 시그마 델타 ADC(202)는, 디지털 도메인으로의 변환에 필요한 차등 이득(differential gain)을 계속 제공하면서, 유입 신호의 공통 모드(common mode)를 제거하는 단순 스위치 캐패시터(switched capacitor) 디자인이 될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 시그마 델타 ADC (202)는 모드 선택기(100)로부터 피드백 신호를 수신하고, 상기 피드백 신호를 기준 전압(VREF)과 비교한다. 또한, 상기 시그마 델타 ADC(202)는 기준 전압(VREF)과 피드백 신호의 차이를 디지털 코드로 변환한다. 상기 시그마 델타 ADC(202)는 차동 증폭기(differential amplifier)와 ADC를 포함하는 시그마 델타 변조기(modulator)로 대체될 수 있다. The
상기 데시메이터(decimator, 204)는 두 가지 기능을 수행하도록 구성된다. 첫째, 상기 데시메이터(204)는 시그마 델타 ADC(202)로부터 나온 디지털 신호의 샘플링 레이트(sampling rate)를 감소시키는데 이용된다. 이 기술을 채용함으로써, 샤논-나이퀴스트 샘플링 이론 기준(Shannon-Nyquist sampling theorem criterion)이 계속 유지되면서, 상기 데시메이터(204)의 출력에서 데이터 크기에 대한 데이터 전송 속도(data rate of the size of data)가 감소된다. 또한, 상기 데시메이터(204)는 양자화 잡음(quantization noise)이 감소되는 안티-앨리어싱 필터(anti-aliasing filter)를 제공하고, 따라서 데시메이터(204)의 출력에서의 신호의 해상도가 향상된다. 데시메이터(204)는, 이전 주기 동안에 시그마 델타 ADC(202)로부터 출력된 논리의 수(number of logic ones)가 카운트되고 그 논리의 수에 기초하여 새로운 디지털 코드가 생성되는, 단순 디지털 카운터를 이용하여 구현될 수 있다. The
상기 디지털 필터(206)는, 배터리 충전기의 정전류 제어 및 정전압 제어의 루프 응답(loop response)이 제어되도록, 보상 폴 및 제로(compensation poles and zeros)를 위치시키는데 사용된다. 다시 말하면, 디지털 필터(206)를 통해서 여분의 폴 및 제로(extra pole and zero)를 추가한 후에, 배터리 충전의 제어 루프는 60도(degree) 보다 큰 위상 여유도(phase margin)를 가진다. 공지된 바와 같이, 배터리 충전기가 정전류 충전 단계에 있을 때, 배터리 충전기의 전송 함수(transfer function)는 2차 시스템(second-order system)이다. 특히, 상기 전송 함수(transfer function)는 두 개의 공액 폴(conjugate poles) 및 하나의 제로(zero)를 포함한다. 공지된 바와 같이, 2차 시스템이 60도 보다 큰 위상 여유도를 갖는 것을 보증하기 위해서, 아날로그 배터리 충전기에서, 저항 및 캐패시터는 에러 증폭기(error amplifier)를 통해서 3개의 폴(pole)과 2개의 제로(zero)를 제공하도록 구성된다. 아날로그 대응물에서와 같이, 상기 디지털 필터(206)는 배터리 충전기의 루프 응답이 60도 보다 큰 위상 여유도를 가지도록 3개의 폴(pole)과 2개의 제로(zero)를 제공한다. 일 실시예에 따르면, 상기 디지털 필터(206)는, 2개의 공액 폴(conjugate pole)에 기인한 위상 지연(phase lag)이 완화되도록, 전송 함수(transfer function)의 2개의 공액 폴(conjugate pole)의 주파수에 2개의 제로(zero)를 제공한다. 폴(pole)은, 고주파수 소음이 감쇄되도록, 교차 주파수(crossover frequency) 이상의 주파수에 위치할 수 있다. The
한편, 배터리 전압이 문턱 전압에 도달하면, 배터리 충전기는 정전압 단계로 진입한다. 정전압 단계 하의 배터리 충전기는 정전류 단계에 관하여 위에서 기술한 2차 시스템과 유사한 전송 함수를 보여준다. 요약하면, 정전류 충전 단계 및 정전압 충전 단계는, 폴(pole)과 제로(zero)가 다른 주파수에 위치함에도 불구하고 유사한 전송 함수를 공유한다. 이 내재적 특징은, 양측의 충전 단계가 순환 필터(recursive filter)와 같은 디지털 필터를 공유할 수 있음을 의미한다. 배터리 충전기가 상이한 충전 단계로 진입할 때, 디지털 필터(206)는 그의 계수(coefficient)를 동적으로 조절함으로써 제어 루프(control loop)를 보상(compensating)할 수 있어서, 이에 따라 보상 제로(zero) 및 폴(pole)이 조절될 수 있다. 디지털 필터(206)의 이점은, 배터리 충전기의 2개의 충전 단계가 동일 필터 구성을 공유할 수 있다는 것이다. 부가하여, 제어 루프는 외부 신호 및 배터리 충전기의 동작 조건의 변화 중의 어느 하나에 응답하여 동조(tune)될 수 있어서, 상기 제어 루프는 빠른 순간 응답(transient response) 뿐만 아니라 안정된 시스템을 제공할 수 있다. On the other hand, when the battery voltage reaches the threshold voltage, the battery charger enters the constant voltage step. The battery charger under the constant voltage stage exhibits a transfer function similar to the secondary system described above with respect to the constant current stage. In summary, the constant current charging step and the constant voltage charging step share a similar transfer function even though the pole and zero are at different frequencies. This inherent feature means that both charging stages can share a digital filter, such as a recursive filter. As the battery charger enters a different charging stage, the
상기 디지털 PWM 발생기(208)는 디지털 필터(206)로부터 디지털 코드를 수신하고, 정주파(constant frequency) PWM 신호를 생성한다. 상기 디지털 PWM 발생기(208)는 디지털 카운터(미도시)를 이용하여 구현될 수 있다. 이러한 디지털 카운터는, 디지털 카운터가 디지털 필터(206)에서 나온 디지털 코드와 동등한 값까지 카운트할 때까지, 디지털 PWM 발생기(208)가 논리 하이(high) 상태를 출력하도록 허용한다. 이후, 디지털 PWM 발생기(208)의 출력은, 다음의 스위칭 사이클이 될 때까지 논리 로우(low) 상태로 남는다. 디지털 PWM 발생기(208)의 출력은 드라이버(210)에 연결되고, 드라이버는 도 2에 도시된 강압형 변환기를 구동시킬 2개의 게이트 펄스를 생성한다. PMW 제어를 통해 강압형 변환기를 제어하는 동작은 이 기술 분야에서 공지이며, 따라서 여기서는 논의되지 않는다.
The
도 3은 다른 실시예에 따른 디지털 제어 배터리 충전기의 간단화된 블록 다이어그램을 보여준다. 도 3에 도시된 배터리 충전기는 도 2의 실시예와 유사하지만 하나의 전압 피드백 루프만을 포함한다. 도 4는 또 다른 실시예에 따른 디지털 제어 배터리 충전기의 간단화된 블록 다이어그램을 보여준다. 도 4에 도시된 배터리 충전기는 하나의 전류 피드백 루프를 포함한다. 전압 모드 배터리 충전기 또는 전류 모드 배터리 충전기의 동작은 이 기술 분야에서 공지이며, 따라서 여기서는 논의되지 않는다. 도 3 및 도 4 양자는, 본 발명의 범위가 이중-루프(dual-loop) 배터리 충전기뿐만 아니라 단일-루프(single-loop) 배터리 충전기에도 적용될 수 있음을 보여준다. 당해 기술분야의 통상의 기술을 가진 자라면 많은 변형물, 대체물 및 변경물을 인식할 것이다.
3 shows a simplified block diagram of a digitally controlled battery charger according to another embodiment. The battery charger shown in FIG. 3 is similar to the embodiment of FIG. 2 but includes only one voltage feedback loop. 4 shows a simplified block diagram of a digitally controlled battery charger according to another embodiment. The battery charger shown in FIG. 4 includes one current feedback loop. The operation of a voltage mode battery charger or current mode battery charger is known in the art and thus is not discussed here. Both Figures 3 and 4 show that the scope of the present invention can be applied to a single-loop battery charger as well as to a dual-loop battery charger. Those skilled in the art will recognize many variations, substitutions and alterations.
도 5는 도 4에 도시된 전류 센서(108)의 도식적 다이어그램을 보여준다. 일 실시예에 따르면, 상기 전류 센서(108)는 감지 저항(sense resistor, Rs), 연산 증폭기(502), 저항(R1), 전류 감지 전압 세팅 저항(current sense voltage setting resistor, Rset) 및 트랜지스터(504)를 포함한다. 상기 감지 저항(Rs)은 재충전 가능한 배터리(110)에 직렬 연결된다. 상기 저항(R1), 트랜지스터(504) 및 전류 감지 전압 세팅 저항(Rset)은 직렬 연결된다. 상기 연산 증폭기(502)는 저항(R1)과 트랜지스터(504) 사이의 접합점에 연결된 양(positive)의 입력, 전류 감지 저항(Rs)과 재충전 가능한 배터리(110) 사이의 접합점에 연결된 음(negative)의 입력 및 트랜지스터(504)의 게이트에 연결된 출력을 가진다. FIG. 5 shows a schematic diagram of the
당해 기술분야에 공지된 것 같이, 감지 저항(Rs)에 걸리는 전압은 저항(R1)에 걸리는 전압과 동일하다. 도 5에 도시된 바와 같이, 저항(R1)을 통해 흐르는 전류는 전류 감지 전압 세팅 저항(Rset)을 통해 흐르는 전류와 거의 동일하다. 결과적으로, 저항(R1)에 걸리는 전압은 하기와 같이 표현될 수 있다.As is known in the art, the voltage across sense resistor Rs is equal to the voltage across resistor R1. As shown in FIG. 5, the current flowing through the resistor R1 is approximately equal to the current flowing through the current sensing voltage setting resistor Rset. As a result, the voltage across the resistor R1 can be expressed as follows.
여기서 Vset은 전류 감지 전압 세팅 저항(Rset)에 걸리는 전압이다. 유사하게, 감지 저항(Rs)에 걸리는 전압은 하기와 같이 표현될 수 있다. Where Vset is the voltage across the current sense voltage setting resistor Rset. Similarly, the voltage across the sense resistor Rs can be expressed as follows.
여기서 I SNS은 감지 저항(Rs)을 통해 흐르는 전류이다. 감지 저항(Rs)에 걸리는 전압이 저항(R1)에 걸리는 전압과 동일하므로, Vset은 하기와 같이 표현될 수 있다.Where I SNS is the current flowing through the sense resistor Rs. Since the voltage across the sensing resistor Rs is the same as the voltage across the resistor R1, Vset may be expressed as follows.
상기 방정식으로부터, Vset 은 감지 저항(Rs)에 걸리는 전류 감지 전압에 비례한다. 또한, Vset의 범위는 Rset의 값을 바꿈으로써 조절될 수 있다. 도 5에 도시된 전류 센서(108)의 하나의 이점은, 전류 센서(108)가 전압 피드백 신호와 동일 차수(same order)의 전류 감지 신호(예를 들면, Vset)를 발생시킬 수 있다는 것이다. 이 특징은, 전류 피드백 루프 및 전압 피드백 루프가 ADC (예를 들면, 도 2에 도시된 시그마 델타 ADC(202)) 및 기준 전압을 공유할 수 있도록 한다. From the above equation, Vset is proportional to the current sense voltage across the sense resistor Rs. Also, the range of Vset can be adjusted by changing the value of Rset. One advantage of the
본 발명의 실시예 및 그의 이점들이 상세히 기술되었지만, 첨부된 청구항에 의해 정의된 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 다양한 변화, 대체 및 교체가 이루어질 수 있음을 인식해야 한다. While embodiments of the present invention and their advantages have been described in detail, it should be appreciated that various changes, substitutions and alterations can be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
또한, 본 출원의 범위는, 명세서 내에서 기재된 공정, 기계, 제조 그리고 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계(step)에 대한 특정 실시예로 한정하는 것은 아니다. 이 기술 분야의 당업자는, 본 출원의 개시 내용으로부터, 본 명세서에서 기재된 해당 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 실질적으로 동일한 효과를 획득할 수 있는, 현존하는 또는 이후에 개발될 공정, 기계, 제조 그리고 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계가 개시 내용에 따라 유용될 수 있음을, 용이하게 이해할 것이다. 따라서 첨부된 청구항은 청구항의 범위 내에 이와 같은 공정,기계, 제조 그리고 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계를 포함하도록 하기 위한 것이다.Moreover, the scope of the present application is not limited to the specific embodiments of the process, machine, manufacture and composition, means, methods and steps of the materials described in the specification. Those skilled in the art can, from the disclosure of the present application, process or machine that are to be developed or later developed that can perform substantially the same functions or obtain substantially the same effects as the corresponding embodiments described herein. It will be readily understood that the preparation, composition and composition of the materials, means, methods and steps may be useful according to the disclosure. It is therefore intended that the appended claims cover such processes, machines, manufacture and compositions of matter, means, methods and steps within the scope of the claims.
Claims (10)
상기 모드 선택기와 디지털 제어기 사이에 연결된 아날로그-디지털 변환기(ADC);
디지털 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 생성하도록 구성된 상기 디지털 제어기;
상기 ADC 및 디지털 필터 사이에 연결된 데시메이터;
전력 변환기의 위상 여유도를 증가시키기 위해서 다수의 폴(pole) 및 제로(zero)를 추가하도록 구성되며, 상기 전류 감지 신호가 선택될 때는 제 1 계수군(a group of coefficient)이 인에이블되고, 상기 전압 감지 신호가 선택될 때는 제 2 계수군이 인에이블되는, 상기 디지털 필터; 및
상기 디지털 필터로부터 디지털 신호를 수신하고, 상기 디지털 신호를 상기 PWM 신호로 변환하는 디지털 PWM 발생기를 포함하는 것인, 디지털 제어 회로.A mode selector configured to receive both a current sense signal and a voltage sense signal;
An analog-to-digital converter (ADC) coupled between the mode selector and the digital controller;
The digital controller configured to generate a digital pulse width modulated (PWM) signal;
A decimator coupled between the ADC and the digital filter;
Configured to add a plurality of poles and zeros to increase the phase margin of the power converter, wherein a group of coefficients is enabled when the current sensing signal is selected, The digital filter, wherein a second coefficient group is enabled when the voltage sensing signal is selected; And
And a digital PWM generator for receiving a digital signal from the digital filter and converting the digital signal into the PWM signal.
상기 재충전 가능한 배터리를 통해 흐르는 전류를 감지하도록 구성된 전류 센서;
상기 재충전 가능한 배터리에 걸리는 전압을 감지하도록 구성된 전압 센서; 및
디지털 제어 회로를 포함하며,
상기 디지털 제어 회로는, 상기 전류 센서로부터 나온 전류 감지 신호 및 상기 전압 센서로부터 나온 전압 감지 신호 양자를 수신하도록 구성된 모드 선택기;
상기 모드 선택기와 디지털 제어기 사이에 연결된 아날로그-디지털 변환기(ADC);
상기 전력 변환기를 제어하기 위해 디지털 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 생성하도록 구성된 상기 디지털 제어기;
상기 ADC와 디지털 필터 사이에 연결된 데시메이터;
상기 전력 변환기의 위상 여유도를 증가시키기 위해 다수의 폴(pole) 및 제로(zero)를 추가하도록 구성된 상기 디지털 필터; 및
상기 디지털 필터로부터 나온 디지털 신호를 수신하고, 상기 디지털 신호를 PWM 신호로 변환하는 디지털 PWM 발생기를 포함하며,
상기 전력 변환기는 강압형 스위칭 모드 변환기, 부스트 스위칭 모드 변환기, 강압-부스트 스위칭 모드 변환기, 선형 레귤레이터, 포워드 변환기(forward converter), 풀 브리지 변환기(full bridge converter) 및 하프 브리지 변환기(half bridge converter)로 이루어진 군에서 선택되며,
상기 전류 센서는 감지 저항, 홀 효과 소자, 자기 저항 센서 및 전류 감지 집적 회로로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 시스템. A power converter having an output coupled to the rechargeable battery;
A current sensor configured to sense a current flowing through the rechargeable battery;
A voltage sensor configured to sense a voltage across the rechargeable battery; And
Including digital control circuitry,
The digital control circuit includes a mode selector configured to receive both a current sense signal from the current sensor and a voltage sense signal from the voltage sensor;
An analog-to-digital converter (ADC) coupled between the mode selector and the digital controller;
The digital controller configured to generate a digital pulse width modulated (PWM) signal to control the power converter;
A decimator coupled between the ADC and the digital filter;
The digital filter configured to add a plurality of poles and zeros to increase the phase margin of the power converter; And
A digital PWM generator receiving the digital signal from the digital filter and converting the digital signal into a PWM signal,
The power converter is a step-down switching mode converter, a boost switching mode converter, a step-down switching mode converter, a linear regulator, a forward converter, a full bridge converter and a half bridge converter. Selected from the group consisting of,
The current sensor is selected from the group consisting of a sense resistor, a hall effect element, a magnetoresistive sensor and a current sense integrated circuit.
상기 재충전 가능한 배터리에 직렬로 연결되는 감지 저항;
상기 감지 저항에 걸쳐있는 두 개의 입력을 가지는 전류 감지 증폭기; 및
상기 디지털 제어기와 상기 전력 변환기 사이에 연결된 드라이버를 더욱 포함하는 것인, 시스템.The method of claim 5, wherein
A sense resistor connected in series with said rechargeable battery;
A current sense amplifier having two inputs across the sense resistor; And
And a driver coupled between the digital controller and the power converter.
상기 재충전 가능한 배터리의 두 개의 단자에 걸리는 전압을 감지하고, 상기 전압을 전압 감지 신호로 변환하는 단계;
상기 전류 감지 신호 및 상기 전압 감지 신호로부터 선택 신호를 결정하고, 상기 선택 신호를 디지털 제어기로 보내는 단계;
전력 변환기로부터 동작 파라메타를 수신하는 단계;
외부 신호를 수신하는 단계;
상기 동작 파라메타 및 상기 외부 신호에 대응하여 디지털 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 생성하는 단계; 및
상기 재충전 가능한 배터리에 연결된 상기 전력 변환기로 상기 PWM 신호를 전송하는 단계를 포함하며,
상기 동작 파라메타는 상기 전력 변환기에 연결된 입력 전압, 상기 전력 변환기의 동작 온도, 상기 전력 변환기의 입력 전류, 상기 전력 변환기의 출력 전류, 상기 전력 변환기의 출력 전압, 상기 전력 변환기의 입력 리플(ripple) 전압, 상기 전력 변환기의 출력 리플 전압으로 이루어진 군으로부터 선택되며,
상기 외부 신호는 개방 회로(open circuit) 전압, 충전 전류 한도(charging current limit) 및 등가 부하 저항(equivalent load resistance)를 포함하는 배터리 파라메타를 포함하는 것인, 방법.Sensing a current flowing through the rechargeable battery and converting the current into a current sense signal;
Sensing a voltage across two terminals of the rechargeable battery and converting the voltage into a voltage sensing signal;
Determining a selection signal from the current sensing signal and the voltage sensing signal and sending the selection signal to a digital controller;
Receiving operating parameters from a power converter;
Receiving an external signal;
Generating a digital pulse width modulated (PWM) signal in response to the operating parameter and the external signal; And
Transmitting the PWM signal to the power converter coupled to the rechargeable battery,
The operating parameter includes an input voltage connected to the power converter, an operating temperature of the power converter, an input current of the power converter, an output current of the power converter, an output voltage of the power converter, an input ripple voltage of the power converter. Is selected from the group consisting of output ripple voltage of the power converter,
The external signal comprises a battery parameter comprising an open circuit voltage, a charging current limit, and an equivalent load resistance.
상기 선택 신호를 기준 전압과 비교하고, 상기 선택 신호와 상기 기준 전압 사이의 오차(error)를 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 이용하여 디지털 코드로 변환하는 단계;
디지털 필터를 통해 다수의 폴(pole) 및 제로(zero)를 추가함으로써 디지털 제어 루프를 보상(compensating)하는 단계,
상기 ADC와 상기 디지털 필터 사이에 연결된 데시메이터를 사용하여 데이터 크기를 줄이는 단계, 및
상기 전력 변환기를 제어하기 위해 상기 PWM 신호를 드라이버로 전송하는 단계를 더욱 포함하는 방법.The method of claim 8,
Comparing the selection signal with a reference voltage and converting an error between the selection signal and the reference voltage into a digital code using an analog-to-digital converter (ADC);
Compensating the digital control loop by adding multiple poles and zeros through the digital filter,
Reducing the data size using a decimator coupled between the ADC and the digital filter, and
Transmitting the PWM signal to a driver to control the power converter.
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