KR101395948B1 - 충전 스킴 - Google Patents

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브루노 페라리오
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어드밴스드 아날로직 테크놀로지스 인코퍼레이티드
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Abstract

모바일 장치들은 제한된 전원을 갖는다. 휴대폰 또는 디지털 카메라에서의 카메라 플래시 동작과 같은, 일부 경우에, 밝은 조명을 제공하기 위해 요구되는 전력은 크고 배터리 전압 레벨을 초과한다. 버스트 전력 또는 연속적인 고전력을 백색 LED(발광 다이오드)와 같은 광원들에 공급하기 위하여, 모바일 장치들은 전형적으로 요구되는 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장소로서 기능하는 전하 스토리지를 채용한다. 하나의 그러한 전하 스토리지는 방전 및 재충전에 의해 요구되는 전력을 반복하여 공급할 수 있는 슈퍼커패시터이다. 본 발명의 다양한 실시예들은 충전 에너지를 제공하고 충전 및 방전 동작들을 제어하는 장치들 및 방법들을 포함한다.
모바일 장치, 충전, 전하 스토리지, 슈퍼커패시터, 배터리

Description

충전 스킴{CHARGING SCHEME}
본 발명은 일반적으로 모바일 장치에서의 전력 관리에 관한 것으로 더 구체적으로는 플래시 LED들에 전력을 공급하는 숏 펄스들을 생성하기 위해 충전 드라이버가 사용되는 모바일 장치에서의 특정 응용을 갖는 에너지 저장에 관한 것이다.
백색 LED는 백라이팅, 토치(torch) 및 카메라 플래시 응용에서 사용하기 위한 인기 있는 선택이 되었고, 소비자 전자 장치의 제조업체들은 리튬-이온 또는 폴리머 배터리와 같은 배터리로 작동하는 모바일 시스템 내의 백색 LED에 전력을 공급하는 충전 드라이버들을 받아들였다. 그러한 응용들에서, 백색광 조명은 밝을 필요가 있고, 현재는 이미지당 메가 픽셀을 초과하는, 이미지의 해상도의 증가와 함께, 백색광 조명은 더욱 밝을 필요가 있다. 따라서, 대부분의 응용들에서, 보다 밝은 조명을 생성하기 위하여 몇몇 백색 LED들이 조합되어 함께 동작한다. 그러나, 백색 LED들의 강도는 변할 수 있고 그들의 색은 조합될 때 균일하게 백색이 아닐 수도 있다. 이는 백색 LED들의 순방향 전류 특성들은 그들 모두에서 정확히 유사하지 않기 때문이다.
플래시 동작 동안에, 예를 들면, 백색 LED는 거의 1A로 제한되는 배터리로부터의 전류 유출(current drain) 및 충분히 밝은 조명을 생성하기 위해 적어도 2A 플래시 전류를 필요로 한다. 리튬-이온 또는 폴리머 배터리는 플래시 동작 동안에 약 1.5-2A의 제한된 전류 피크를 생성하고 그러한 전류는 배터리를 빨리 방전시킨다. 전류는 전압의 증가와 비례하여 커지고 따라서 백색 LED에 있어서는 보다 높은 전압이 요구된다. 그러나, 배터리들로부터 전류가 인출될 때 그들의 내부 저항이 증가하고 그와 함께 그들의 전압이 강하한다. 동작하기 위해, 백색 LED들은 충분한 광 강도를 유지하고 남아 있는 어둠을 실질적으로 피하기 위해 3.0V 레벨 이상의 전압을 필요로 할 수 있다. 완전히 충전된 리튬-이온 또는 폴리머 배터리는 4.2V의 전형적인 출력을 제공하고, 그것은 배터리가 방전할 때 3.0V 레벨로 신속히 강하한다. 만일 백색 LED들이 배터리로부터 직접 작동되고 전압이 강하하면, 그 광 강도들은 감소하고 색의 차이들은 더 강해진다. 그러므로, 보다 정확한 전류 제어 및 최소 레벨의 동작 전압이 전형적으로 요구된다.
즉시의 고 에너지(instant high energy)의 소스를 제공함으로써 그러한 전류 요건을 지원하기 위해 부스트 컨버터(boost converter)들 및 에너지 저장 장치들이 개발되어 있다. 예를 들면, 부스트 컨버터들은 배터리들을 스택(stack)하는 것이 비실용적인 경우 전압을 증가시키고 전지들의 수를 감소시킬 수 있다. 일반적으로 부스트 컨버터는 종종 스위칭 모드 전원으로서 간주되는 전압 증대 컨버터(voltage step-up converter)이다. 통상의 부스트 컨버터 회로는 2개 또는 그 이상의 스위치들(예를 들면 트랜지스터 및 다이오드) 및 배터리 및 인덕터와 커패시터 조합으로 이루어진 하나 이상의 필터를 포함한다. 도 1A는 예시적인 부스트 컨버터 회로를 도시한다. 따라서, 부스트 컨버터들은 효율적일 수 있지만, 이들 회로들은 전 형적으로 플래시 전류원의 외부에 있고 코일 등의 부피가 큰 컴포넌트들을 포함하여, 회로 보드의 전체 비용 및 사이즈를 증가시킨다. 또한, 부스트 컨버터들(또는 스위칭 조정기(switching regulator)들 또는 전하 펌프(charge pump)들)은 전하 저장에 기초하지 않고, 백색 LED들의 순방향 전압(VF)과 관련 배터리로부터 공급되는 전압 간의 전압 비율에 따라서, 그것들은 플래시 전류의 2배를 공급하는 배터리를 필요로 할 수 있다. 도 1B는 부스트 컨버터 거동의 그래프 표현으로, 플래시 전류 및 부스트 컨버터 출력 전압의 그래프를 포함한다. 도시된 바와 같이, 전류는 플래시 상태에서는 오버슈트(overshoot)하고 플래시 상태가 종료하면 감쇠하여, 플래시 상태 동안에 3A를 초과하는 공급을 필요로 한다.
부스트 컨버터들과 달리, 에너지 저장 장치들은 전하 저장에 기초하여 그것들은 배터리 대신에 백색 LED들에 대한 전원으로서 사용된다(그리고 배터리는 전하 저장을 위한 전원으로서 사용된다). 전하는 시간에 걸쳐서 배터리로부터 전류를 유출시킴으로써 저장될 수 있다. 고전력 방전과 함께 전하 저장에 기초하는 고 에너지 저장 장치의 한 유형은 "슈퍼커패시터"(supercapacitor)로 알려져 있다. 슈퍼커패시터들은 직렬로 된 2개의 커패시터 컴포넌트들로 구성되고 플래시 및 토치 조명 등의 고전력 응용에서 요구되는 버스트 전력(burst power)을 제공할 수 있는 에너지 저장소로서 동작하는 전하 저장 장치들이다. 슈퍼커패시터들은 반복해서 충전 및 재충전되고 방전 동작들 사이에 신속한 재충전에 의해 즉시의 고 방전 전류를 제공하도록 설계되어 있다.
도 2는 플래시 응용에서 사용되는 슈퍼커패시터를 갖는 충전 회로를 도시한 다. 다른 회로는 도 3에 도시된 바와 같이 슈퍼커패시터와 부스트 컨버터의 조합을 포함할 수 있다. 오스트레일리아, 시드니의 CAP-XX 사에 의해 제공되는 하나의 그러한 슈퍼커패시터는 10mF 내지 2.8F의 높은 커패시턴스를 나타내고 고 에너지 밀도를 산출한다. 따라서, 슈퍼커패시터는 이 회로에서 플래시 에너지 펄스를 제공하기 위해 요구되는 전하의 양(즉, 백색 LED들에 의해 요구되는 버스트 전력)을 저장하는 데에 이용된다. 그 전하는 시간에 걸쳐서 배터리로부터 전류를 유출시킴으로써 슈퍼커패시터에 저장될 수 있고, 그 전류가 너무 낮으면 충전 시간을 길 것이고 어쩌면 신속한 연속의 플래시 동작들을 위해 적당한 것보다 더 길 것이다. 사실, 슈퍼커패시터를 신속히 재/충전하기 위해서는 높은 전류가 필요하고, 하나 이상의 플래시 동작 후에 배터리 전력이 고갈되면 이용 가능한 충전 전류는 다소 작을 수 있고 그 결과 충전 시간이 비교적 길어질 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 도 2 및 3 모두에서, 슈퍼커패시터는 직렬로 된 2개의 커패시터와 그들 사이의 중앙 탭(central tap)을 포함한다. 본질적으로, 이러한 설계는 전하 불균형을 초래하고 이 때문에 양쪽 커패시터들을 가로지르는 전압을 균등하게 하고, 그런 다음에, 전하 균형을 생성하는 전하 균형용 저항기(charge balancing resistor)들의 쌍이 존재한다. 슈퍼커패시터들은 또한 명백한 누출(leakage)을 겪고, 이는 조만간 전하 유출을 초래한다.
본 발명은, 부분적으로, 전술한 관찰들에 기초하고 그의 목적에 따라서 본 발명의 다양한 실시예들은 충전 에너지를 제공하고 충전 및 방전 동작들을 제어하는 장치들 및 방법들을 포함한다. 일반적으로, 충전 회로의 다양한 구현들은 슈퍼커패시터를 사용할 수 있지만 그것들은 그의 고유의 문제들을 다른 방법들로 보상할 수 있다. 다른 것들은 플래시 또는 다른 동작들을 위한 충전-방전 사이클들을 허용하기에 적합한 구성으로 커패시터들의 쌍을 사용할 수 있다. 전술한 부피가 크고, 비용이 많이 들고 복잡한 설계들에 대한 가능한 대안으로서, 이들 구현들은 집적 회로 또는 전형적으로 소형이고, 비용이 적게 들고 충전-방전 동작들을 제어함에 있어서 효율적인 다수의 개별 컴포넌트들을 사용한다.
일 실시예에 따르면, 충전 에너지를 제공하는 장치는, 포지티브(positive) 및 네거티브(negative) 리드(lead)들을 갖는 배터리; 직렬로 된 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들 및 그들 사이의 중앙 탭을 갖는 전하 스토리지(charge storage); 및 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이의 제1 및 제2 충전 경로들을 포함할 수 있다. 상기 제1 충전 경로는 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 통하여 횡단하고, 상기 제2 충전 경로는 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 통하여 횡단한다. 이 실시예에 있어서, 상기 전하 스토리지는 상기 포지티브 및 네거티브 리드들로부터 상기 전하 스토리지를 분리시키기 위해, 상기 제1 및 제2 충전 경로들을 통하여 각각 간접적으로 상기 포지티브 및 네거티브 리드들에 접속된다. 상기 전하 스토리지는 슈퍼커패시터로서 또는 직렬로 된 2개의 커패시터들로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은, 임의의 주어진 시간에, 그들 중 하나가 폐쇄되어 상기 배터리로부터 상기 제1 또는 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나로 충전 전류가 통과하게 하도록, 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에 스위칭하도록 구성될 수 있다. 충전 동작들 동안의 어떤 시간에, 양쪽 충전 경로들은, 예를 들면, 교차 전도(cross conduction) 또는 과열을 피하기 위해, 또는 충전이 완료될 때 개방 상태로 스위칭될 수 있다. 그 후 다시, 그 2개의 경로에서 흐르는 전류에 불균형이 있다면, 양쪽 충전 경로들은 동시에 폐쇄되어 그 경로 중 하나가 실제로는 저전류로 대응하는 커패시터 컴포넌트를 방전하여, 충전이 방전보다 더 많도록 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은 '온'으로 스위칭, '오프'로 스위칭, 또는 그를 통하여 상기 전원(예를 들면, 배터리)으로부터 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나에 또는 동시에 양쪽에 흐르는 임의의 충전 전류를 조정하도록 제어 가능하다.
전술한 장치에서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들과 각각 직렬로 된 스위치들의 쌍을 포함할 수 있고, 하나의 스위치는 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들의 각각의 앞에(상류에) 배치되고 하나의 스위치는 그의 뒤에(하류에) 배치된다. 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 또한 상기 스위치들과 직렬로 된 저항기를 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 저항기는 상기 중앙 탭에 부착되어 상기 제1 및 제2 충전 경로들에 의해 공유된다. 다른 예시에서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 그 자신의 저항기를 갖는다. 또한, 상기 스위치들은 모두 트랜지스터들일 수 있고, 그 스위치들 중 2개는 트랜지스터들이고 그 스위치들 중 2개는 다이오드들일 수 있다. 상기 트랜지스터들은 전형적으로 바이폴라, FET(field effect transistor), JFET(junction FET), 또는 MOSFET(metal oxide FET)이고, 그 트랜지스터들 중 2개는 NPN 또는 N-채널이고 다른 2개는 PNP 또는 P-채널이다. 다른 예시들에서 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 상기 스위치들과 직렬로 된 전류원을 더 포함하고, 그 전류원은 상기 스위치들과 직렬로 된 그들 양쪽 모두에 공통일 수 있다. 또 다른 예시에서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은 상기 스위치들과 직렬로 된 그들 양쪽 모두에 공통인 전압 조정기를 포함할 수 있다. 그러나, 전술한 장치는 IC(integrated circuit)로 또는 IC 내의 기능 블록으로서 구현될 수 있고, 그러한 IC는 플래시 카메라 및/또는 영화 카메라 등의 모바일 장치에서 사용하기 위해 구성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 부하에 충전 에너지를 제공하는 장치는, 광원 등의 상기 부하; 상기 광원과 직렬로 된 전류 싱크(current sink) 또는 다른 전류 제어 장치; 포지티브 및 네거티브 리드들을 갖는 배터리; 직렬로 된 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들 및 그들 사이의 중앙 탭을 갖는 전하 스토리지 ― 상기 광원 및 전류 싱크는 상기 전하 스토리지로부터 충전 에너지를 수신하기 위해 상기 전하 스토리지를 가로질러 동작적으로(operatively) 연결됨 ―; 및 상기 포지티브 리드로부터 상기 네거티브 리드로 횡단하는 제1 및 제2 충전 경로들을 포함할 수 있다. 전과 마찬가지로, 상기 제1 충전 경로는 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 통하여 횡단하고, 상기 제2 충전 경로는 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 통하여 횡단한다. 마찬가지로, 상기 전하 스토리지는 상기 포지티브 및 네거티브 리드들로부터 상기 전하 스토리지를 분리시키고 상기 전하 스토리지가 상기 광원에 상기 충전 에너지를 공급하고 있을 때에도 상기 전하 스토리지의 충전을 허용하기 위해, 상기 제1 및 제2 충전 경로들을 통하여 각각 간접적으로 상기 포지티브 및 네거티브 리드들에 접속된다. 또한, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 상기 배터리로부터 상기 제1 또는 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나로 개별적으로 충전 전류를 통과시키도록 구성된다. 동작시에, 상기 충전 에너지는 버스트 전력을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 전류 싱크는 상기 부하에 의해 수신되는 상기 충전 에너지를 제한하도록 구성된다. 언급한 바와 같이, 상기 부하는 플래시, 영화 또는 토치 조명 동작들을 위하여 구성된 하나 이상의 백색 LED들(발광 다이오드들)을 포함하는 광원일 수 있다. 이 실시예는 IC(integrated circuit) 또는 IC 내의 기능 블록일 수 있고, 그러한 IC는 플래시 카메라 및/또는 영화 카메라 등의 모바일 장치에서 사용하기 위해 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 충전 에너지를 제어 가능하게 제공하는 장치는 포지티브 및 네거티브 리드들을 갖는 배터리; 직렬로 된 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들 및 그들 사이의 중앙 탭을 갖는 전하 스토리지; 및 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이의 제1 및 제2 충전 경로들을 포함하고, 제1 충전 경로는 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 통하여 횡단하고, 상기 제2 충전 경로는 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 통하여 횡단한다. 다시, 상기 전하 스토리지는 상기 포지티브 및 네거티브 리드들로부터 상기 전하 스토리지를 분리시키기 위해, 상기 제1 및 제2 충전 경로들을 통하여 각각 간접적으로 상기 포지티브 및 네거티브 리드들에 접속된다.
이 실시예에서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은 각각, 임의의 주어진 시간에, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 중 하나가 폐쇄되어 상기 배터리로부터 상기 제1 또는 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나로 충전 전류가 통과하게 하도록, 개방 및 폐쇄 스위칭 제어를 제공하도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 상기 스위칭 경로들은 특정 조건 하에서 동시에 양쪽 모두 폐쇄되거나 양쪽 모두 개방될 수 있다. 구체적으로, 양쪽 충전 경로들은 동작 동안의 어떤 시간에, 예를 들면, 충전이 완료된 때 또는 과열을 피하기 위해 개방 상태로 스위칭될 수 있고; 양쪽 충전 경로들은, 예를 들면, 그들에 흐르는 전류에 불균형이 있다면 동시에 폐쇄될 수 있다.
하나의 예시에서, 이 장치는 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각의 스위치 제어 입력을 한번에 하나씩 어서트(assert)하도록 구성된 제어 루프를 더 포함할 수 있고, 상기 제어 루프는 레퍼런스 전압 입력 및 충전 감지(charge sense)의 샘플을 수신하도록 구성된 감지 입력을 갖는 비교기를 포함한다. 이 경우, 상기 비교기는 상기 레퍼런스 전압과 상기 충전 전류 샘플 간의 비교에 기초하여 상기 충전 전류를 제어하도록 작동되는 출력을 더 포함한다.
상기 비교는 대신에 충전되고 있는 상기 커패시터를 가로지르는 전압에 대한 것이거나, 충전 상태를 식별할 수 있는 임의의 다른 양에 대한 것일 수 있다. 또한, 상기 레퍼런스는 상기 슈퍼커패시터의 충전 상태를 평가하기 위해 어떤 물리적 엔티티가 감지되고 있는지에 따라서 전압 이외의 것일 수 있다(전압, 전류 곱하기 시간, 등). 또한, 상기 비교기는 상기 커패시터들을 상기 레퍼런스 전압으로 충전된 상태로 유지하기 위해 충전 듀티 사이클을 조정하는 증폭기(도면에서 E/A는 에러 증폭기(error amplifier)를 나타냄)로 대체될 수도 있다. 또한 스위치들을 이용하지 않고 상기 충전 경로들 중 하나 또는 양쪽에 제어가 가해될 수 있다. 예를 들면, 전류원(들)은 다수의 단계들에서 또는 연속적인 방법으로 전류를 조정하는 제어 입력을 가질 수 있다.
상기 제어 루프는 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각에 대한 샘플 전류 입력, 상기 제1 또는 제2 충전 경로들의 스위치 제어 입력에 협력적으로 연결된 스위치 제어 입력, 및 출력을 갖는 다중화기(multiplexer)를 더 포함할 수 있다. 상기 다중화기는, 상기 스위치 제어가 어서트(assert) 또는 니게이트(negate)되는 것에 기초하여, 상기 비교기의 충전 감지 입력에 샘플 전류를 공급하는 상기 제1 및 제2 충전 경로에 대한 상기 샘플 전류 입력 사이에 스위칭하도록 구성된다. 각각이 각각의 충전 경로를 제어하는 2개의 제어 루프가 있을 수도 있다. 상기 컨트롤러를 다중화하는 대신에 2개의 제어 경로들('온' 또는 '오프')이 병렬로 사용될 수 있다. 다른 예시에서, 상기 장치는 비교기 및 상기 비교기에 응답하고 상기 스위치 제어 입력들을 한번에 하나씩 어서트하도록 구성된 파원(wave source)을 포함하는 제어 회로를 포함한다.
일 실시예에서는, 스위치 대신에 상기 제어 입력은 상기 커패시터 내로 흐르는 전류의 레벨 또는 얼마나 많은 전하가 전송되는지를 제어한다. 또한, 상기 제어 루프는 상기 전류원이 공유될 수 있기 때문에 양쪽 충전 경로들을 동시에 제어할 수 있고, 각 충전 경로를 제어하는 2개의 독립적인 제어 루프들이 있을 수 있다. 마찬가지로, 각 커패시터를 상이한 전압으로 충전시키는 2개의 독립적인 전압 조정기들이 있을 수 있다. 이 전압은 제어 루프 없이 설정될 수 있고, 또는 그것은 커패시터의 전압을 어떤 것이든 응용이 요구하는 것으로 조정하기 위해(예를 들면, 백색 LED로의 전류를 정확히 200ma로 제어하기 위해) 제어 루프에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 상기 제어 루프는 커패시터의 충전 대신에 출력 전류를 제어할 수 있다(충전을 감지하는 대신에 출력 전류를 감지한다면 고려된 제어 방법들 중 어떤 것이라도 그것을 할 수 있다).
또한 본 발명의 목적에 따르면, 충전 에너지를 제어 가능하게 제공하는 방법은, 상기 장치의 내부에 또는 외부에 장착된 포지티브 및 네거티브 리드들을 갖는 배터리와 같은 전원에 접속하는 단계; 직렬로 된 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들 및 그들 사이의 중앙 탭을 갖는 전하 스토리지를 제공하는 단계; 및 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이의 제1 및 제2 충전 경로들을 제공하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제1 충전 경로는 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 통하여 횡단하고, 상기 제2 충전 경로는 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 통하여 횡단한다. 그러한 방법은 상기 포지티브 및 네거티브 리드들로부터 상기 전하 스토리지를 분리시키기 위해, 상기 전하 스토리지를 상기 제1 및 제2 충전 경로들을 통하여 각각 간접적으로 상기 포지티브 및 네거티브 리드들에 접속하는 단계, 및 임의의 주어진 시간에, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 중 하나가 폐쇄되어 충전 전류가 상기 배터리로부터 상기 제1 또는 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나로 통과하게 하되, 양쪽에 동시에 통과하지 않지 않게 하도록, 개방 및 폐쇄 스위칭 제어를 도입하도록 구성된 스위치 제어 입력을 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각에서 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 그 후 다시, 각각이 각각의 충전 경로를 제어하는 2개의 제어 루프가 있을 수 있다. 상기 컨트롤러를 다중화하는 대신에 2개의 제어 루프들('온' 또는 '오프')이 병렬로 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 방법은, 예를 들면, 한번에 하나씩의 경로를 또는 양쪽 경로를 실질적으로 동시에(병렬로 된 2개의 감지 회로) 충전 상태 감지(charge condition sensing)하는 것을 더 포함한다. 충전 상태(예를 들면, 충전 전류, 전압 또는 시간)는 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각에서 결정된다. 레퍼런스 전압 또는 다른 레퍼런스 값에 기초하여, 상기 방법은 스위치 제어 입력들 각각의 상태를 어서트로부터 니게이트로, 및 그 반대로 스위칭할지를(또는 보다 많은/보다 적은 전류 또는 보다 긴/보다 짧은 시간을 제공할지를) 결정한다. 상기 상태 스위칭은 상기 제1 및 제2 충전 경로들 중 하나에서의 상기 충전 전류의 샘플 또는 임의의 다른 충전 상태 표시가 상기 레퍼런스 전압과의 실질적인 일치를 생성할 때 행해진다. 그 제어는 '보다 많은 전류'/'보다 적은 전류' 또는 '보다 긴 시간'/'보다 짧은 시간'과 같이, 개방된/폐쇄된 스위치 이외의 것일 수 있다. 바꾸어 말하면, 제어는 상태 변경 또는 스텝 또는 연속 상하 조정을 수반할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 양태들 및 이점들은 본 명세서의 설명, 첨부된 청구항들, 및 이하에서 설명되는 첨부 도면들로부터 더 잘 이해될 것이다.
이 명세서에 포함되고 그의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 다양한 양태들을 도시하고, 본 설명과 함께, 그의 원리들을 설명하는 데 도움이 된다. 편리한 경우에는 언제든, 동일하거나 유사한 엘리먼트들을 지시하기 위해 도면들 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들이 사용될 것이다.
도 1A는 부스트 컨버터를 갖는 종래의 회로이다.
도 1B는 플래시 전류 및 부스트 컨버터 출력 전압의 그래프를 포함하는, 부스트 컨버터 거동의 그래프 표현이다.
도 2는 플래시 응용에서 사용되는 슈퍼커패시터를 갖는 충전 회로를 도시한다.
도 3은 슈퍼커패시터 및 부스트 컨버터의 조합을 나타낸다.
도 4A-4H는 충전 사이클들을 제어하는 스위치들을 갖는 충전 회로의 다양한 구현들에 대한 도면들이다.
도 5A-5E는 스위치들을 나타내는 트랜지스터들 및/또는 다이오드들을 갖는 충전 회로들의 다양한 실시예들에 대한 도면들이다.
도 6은 IC에서의 상기 회로들의 2개의 가능한 구현들을 도시한다.
도 7A 및 7B는 백색 LED들에 대한 에너지 저장소로서 작용하는 전하 스토리지의 2개의 예시의 도면들이다.
도 8A-8C는 충전 프로세스 동안의 시간에 걸쳐서 전압 출력(배터리 출력) 및 배터리 전류의 그래프들로서, 부하 전류가 있고 없는 경우(8A), 1Hz 및 0.05Hz 충전 주파수 및 0.5A의 배터리 전류 제한의 경우(8B), 및 200mA의 전류 부하를 갖는 영화 동작 중의 출력 전압 및 부하 전류의 경우를 나타낸다.
도 9A 및 9B는 루프 제어 회로들을 갖는 충전 회로를 도시한다.
도 10A-10D는 충전 회로의 추가 실시예들을 도시한다.
본 발명은, 휴대폰 또는 디지털 카메라에서의 카메라 플래시 동작 등의 일부 경우에, 밝은 조명을 제공하기 위해 요구되는 전력이 아주 크고 배터리 용량 및 전압 레벨을 초과할 수 있다는 관찰에 부분적으로 기초한다. 따라서, 백색 LED들 또는 다른 광원들에 버스트 전력 또는 연속적인 고전력을 공급하기 위하여, 전형적으로 모바일 장치들은 요구되는 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장소로서 기능하는 전하 스토리지를 채용한다. 그러나, 부스트 컨버터 등의 충전 회로들은 부피가 크고 비용이 많이 들 수 있고, 직렬로 된 커패시터들의 쌍 또는 전술한 슈퍼커패시터 등의 에너지 저장 장치들은 특별한 보상을 요구하는 어떤 고유의 결함들을 가질 수 있다. 그와 동시에, 슈퍼커패시터 또는 심지어 직렬로 접속된 커패시터들의 쌍 등의 전하 스토리지 장치들은 실질적인 전하 균형 및 보다 나은 충전-방전 성능을 달성하기 위하여 유리하게 사용될 수 있는 중앙 탭을 갖는다. 구체적으로, 커패시터 컴포넌트들 사이의 전하 균형을 유지하기 위해 전하를 재분배해야 하는 대신에, 중앙 탭은, 배터리로부터 직접 이용 가능한 동일한 전압을 이용하여, 충전을 위해 그리고 각 커패시터 컴포넌트에서, 한번에 하나의 커패시터에서 또는 동시에 양쪽에서(각각 개별 경로를 통하여) 주기적으로 전하를 리프레시하기 위해 사용될 수 있다. 충전 회로는 전하 펌프 및 부스트 컨버터 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 없이 구현될 수 있다는 추가의 관찰이 이루어졌다.
그 결과, 본 발명에 따른 충전 회로의 가능한 구현들은 전하 스토리지 및 충전-방전 동작들을 관리하는 제어 회로를 포함한다. 이 제어 회로는, 상기 슈퍼커 패시터 또는 커패시터들의 쌍의 충전-방전을 제어하기 위해, 고상(solid-state) 스위치들, 전압 조정기, 전류원들 및 제어 루프 회로 중 하나 이상을 다양한 조합으로 포함할 수 있다. 그러한 제어 회로는 개별 컴포넌트들을 이용하여 또는, 바람직하게는, 단일 IC(집적 회로)로 또는 복합 IC 내의 기능 구성 블록(functional building block)으로서 구현될 수 있다. 또한, 상기 제어 회로는 전형적으로 부스트 컨버터 또는 전하 펌프와 관련되는 외부 컴포넌트들 없이 구현되어 공간을 절약하고 비용을 줄일 수 있다.
이들 구현들에 있어서, 상기 슈퍼커패시터는 종종 커패시터들의 쌍보다 더 선호되는데, 그 이유는 그것은 커패시터들의 쌍에 비하여 보다 나은 에너지 밀도 및 기하학적 특성을 나타낼 수 있고 그것은 백색 LED 등의 광원들에 버스트 전력을 제공하기 위해 보다 적합한 에너지 저장소일 수 있기 때문이다. 따라서, 슈퍼커패시터 및 커패시터들의 쌍은 전하 스토리지에 대하여 호환 가능하게 사용될 수 있지만, 이 선호도뿐만 아니라, 편리성과 단순성 때문에, 다양한 실시예들에 대한 다음의 설명에서 우리는 대개 슈퍼커패시터들을 언급한다.
도 4A는 충전 회로의 하나의 가능한 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 충전 회로(10)는 전압 서플라이(voltage supply) 리드(26)와 그라운드 리드(28) 사이에 접속된 배터리(22)를 포함한다. 리드들은 대체로 도체(conductor), 접속점(connection point), 레일(rail) 등을 포함하는 임의의 접속 수단으로서 간주될 수 있다. 이 충전 회로에는, 4개의 스위치(SW1-4) 및 슈퍼커패시터(24)가 있다. 4개의 스위치는, 스위치 기능을 수행할 수 있는, 개별 또는 그 밖의, 다이오드, 트 랜지스터(FET(field effect transistor), JFET(junction FET), MOSFET(metal oxide FET), 또는 바이폴라) 또는 다른 컴포넌트들로 구성될 수 있고; 더 설명되는 바와 같이, 그것들은 그라운드 및 전압 서플라이 리드들(레일들) 분리를 필요로 한다. 슈퍼커패시터(24)는 스위치들(SW3 및 SW2)을 통하여 각각 전압 서플라이 리드와 그라운드 리드 사이에 접속된다. 슈퍼커패시터(24)는 2개의 커패시터 컴포넌트들(C1, C2) 및 중앙 탭(20)을 갖는다. 2개의 나머지 스위치들(SW1 및 SW4)은 전압 서플라이 리드(26)와 그라운드 리드(28) 사이에 직렬로 접속된다. 그리고, 이들 스위치들(SW1 및 SW4)은 그들의 직렬 접속점(20')에서 슈퍼커패시터의 중앙 탭(20)에 접속되고; 또는 그것들은 중앙 탭(20)에 직접 접속될 수 있다.
동작시에, 4개의 스위치들은 한번에 한 쌍씩 각각 SW1-SW2 및 SW3-SW4가 온/오프 스위칭되어, 하나는 커패시터 컴포넌트(C1)을 통하고 하나는 커패시터 컴포넌트(C2)를 통하여, 중앙 탭(20)을 공유하는 2개의 개별 전도 경로를 생성한다. 구체적으로, 스위치들(SW1 및 SW2)이 온(폐쇄 상태)으로 되면, 전류는 전압 서플라이 리드로부터 스위치(SW1), 중앙 탭(20), 커패시터 컴포넌트(C1) 및 스위치(SW2)를 통하여 그라운드 리드로 통과하여, C2를 충전하고; 스위치들(SW3 및 SW4)이 온으로 되면, 전류는 스위치(SW3), 커패시터 컴포넌트(C1), 중앙 탭(20) 및 스위치(SW4)를 통하여 통과한다. 이 2개의 스위치 쌍들은 실질적으로 배타적으로 작동하여 임의의 주어진 시간에 한 쌍은 온으로 되고 다른 쌍은 오프로 된다. 2개의 경로들 각각은 각각의 커패시터 컴포넌트가 완전히 충전될 때까지 온 상태에 머무를 수 있고, 또는 그것들은 양쪽 커패시터 컴포넌트들이 완전히 충전될 때까지 부분적인 충 전 동안 온 상태에 머무르고 그들 사이에 이리저리 플립할 수 있다. 이것은 전하 리프레시 사이클 동안에도 유사하게 적용된다. 유리하게도, 어떤 다른 외부 컴포넌트도 요구되지 않는다.
도 4B의 회로는 전류 제한 저항기가 추가된 전술한 실시예의 변형이다. 전류 제한 능력 및 어쩌면 RC 시간 상수(즉, 충전 시간)의 변화를 제외하고는, 이 충전 회로(12)의 동작 원리는 유사하고 유사한 이점들을 생성한다. 도 4C에서, 도시된 충전 회로(13)는 저항기들이 경로의 상이한 부분에 위치한다는 점을 제외하고는 도 4B의 것과 대부분의 점에서 유사하다. 이 구성은, 예를 들면, 이런 식으로 회로 또는 IC 레이아웃이 물리적으로 달성하기에 더 용이하다면 전자에 비하여 선택될 수 있다. 도 4D의 회로에서는 양쪽 경로에 의해 공유되는 하나의 저항기(R3)만이 있다. 양쪽 경로에 동일한 부품(R3)을 이용하는 것은 2개의 경로가 실질적으로 배타적으로 동작하기 때문에 가능하다. 이 저항기 부품 및 설치 비용 절약은 또한 보다 나은 제품 이용 가능성(product availability)으로 해석된다(보다 적은 수의 컴포넌트는 보다 긴 MTBF(mean time between failure) 및 보다 짧은 MTTR(mean time to repair)로 해석되기 때문에).
도 4E 내지 4H는 (스위치들(SW1-4)과 직렬로) 충전 경로들에 전류원들(또는 싱크들, 예를 들면, 저항기들)(CS1-2, CS3-4, CS5)이 각각 추가된 전술한 설계들의 추가 변형들이다. 이들 구현들 각각에서, 전류원들은, 각각의 충전 경로들에 배치될 때, 그들의 위치에 관계없이, 슈퍼커패시터를 충전하기 위해 이용 가능한 배터리 전류의 레벨을 제한한다. 예를 들면, 전류원(CS1)은 도 4E에 도시된 바와 같이 스위치(SW1), C2 및 스위치(SW2)와 직렬로 되어 있다. 도 4G에 도시된 다른 예시는 (전압 서플라이 리드에 삽입된) 배터리와 직렬로 된 하나의 전류원(CS5)을 이용한다. 이 구성에서 전류원은 한번에 한 경로씩, 양쪽 경로에 의해 공유된다. 배터리 전류를 제한하거나 조절하는 다른 방법은 도 4H에 도시된 바와 같이 전압 조정기(50)를 이용하는 것이다.
도 5A에 도시된 대체 실시예에서, 충전 회로(14)는 일반적 스위치들(SW3 및 SW2)을 나타내는 2개의 다이오드들(D1 및 D2)을 포함한다. 동작시에, 스위치들(SW1 또는 SW4) 중 어느 한쪽이 온으로 되면 그것들을 가로지르는 전압 강하는 실질적으로 0이다(스위치 장치의 유형에 따라서 그것은 0보다 다소 높을 수 있다). 또한, 스위치(SW1)가 온으로 되면(폐쇄되면), 커패시터 부분(C1)이 충전되어 있건 아니건 간에, 다이오드(D1)는 역 바이어스되고; 스위치(SW4)가 온으로 되면(폐쇄되면), 다이오드(D2)는 역 바이어스된다. 이들 조건들이 존재하기 위해서는 접속점들(30 및 32)에 대하여 전술한 전압 서플라이 및 그라운드 레일들을 유지할 필요가 있다.
다이오드들(D1 및 D2)이 교대로 각각 역 바이어스되는 이유를 더 설명하기 위하여, 먼저 커패시터 부분들(C1 및 C2) 중 어느 쪽도 충전되어 있지 않다고 가정하고 다음으로 그것들이 충전되어 있다고 가정한다. 첫째 시나리오에서는, SW1이 온으로 되고 C1이 충전되어 있지 않은 경우, 다이오드(D1)를 가로지르는 전압은 실질적으로 0이거나 SW1을 가로지르는 전압 강하와 같고; 유사하게, SW4가 온으로 되는 경우 다이오드(D2)를 가로지르는 전압은 실질적으로 0이거나 SW4를 가로지르는 전압 강하와 같다. 스위치(SW1, SW4)를 가로지르는 각각의 온 전압이 대응하는 다이오드(D1, D2)의 순 바이어스 전압보다 낮다면, 다이오드는 전도할 수 없다. 따라서, 스위치 및 다이오드 컴포넌트들은 이 조건이 존재하도록 선택된다. 둘째 시나리오에서는, SW1이 온으로 되고 C1이 충전되어 있는 경우, 커패시터 부분(C1)을 가로지르는 전압은 전압 서플라이 리드(26) 및 중앙 탭(20)에 대하여 포지티브이고, 절대적인 표현으로, 그것은 배터리 전압에서 SW1을 가로지르는 강하를 뺀 것과 같다. 바꾸어 말하면, 점(30)에서의 전압은 전압 서플라이 리드(26)에서의 전압보다 높다(즉, 레일 전압보다 높다). 그러므로, 다이오드(D1)는 역 바이어스되고 SW1이 오프로 되고 SW4가 온으로 될 때까지는 그렇게 계속될 것이다. 전에 지적한 바와 같이, 이 조건은 단지 전압 서플라이 리드(26)로부터의 점(30)의 분리 때문에 가능하게 된다. 또한 둘째 시나리오에서는, SW4가 온으로 되고 C2가 충전되어 있는 경우, 커패시터 부분(C2)을 가로지르는 전압은 그라운드 리드(28) 및 중앙 탭(20)에 대하여 네거티브이고, 절대적인 표현으로, 그것은 배터리 전압에서 SW4를 가로지르는 강하를 뺀 것과 같다. 바꾸어 말하면, 점(33)에서의 전압은 그라운드보다 낮다. 그러므로, 다이오드(D2)는 역 바이어스되고 스위치 SW4가 오프로 되고 스위치 SW1이 온으로 될 때까지는 그렇게 계속될 것이다. 다시, 이 조건은 단지 그라운드 리드(28)로부터의 점(33)의 분리 때문에 가능하게 된다. 전과 마찬가지로, 이 접근법은 충전 회로(14)가 배터리로부터의 전하의 어떤 실질적인 손실도 없이 각 커패시터 컴포넌트를 독립적으로 충전 및 리프레시하게 한다.
도 5B에 도시된 충전 회로(15)는 전술한 회로의 변형이다. 이 구현에서, 트 랜지스터들(T1 및 T4)는 스위치들(SW1 및 SW4)을 나타내고 트랜지스터들(T3 및 T2)은 다이오드들(D1 및 D2)을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 그 4개의 트랜지스터들은 적절한 게이트 바이어싱을 갖는 N-채널 FET, JFET 또는 MOSFET(또는 적절한 베이스 레벨 제어를 갖는 NPN 바이폴라)일 수 있다. 동작시에, 트랜지스터(T3)는 트랜지스터(T1)가 온으로 될 때 오프 상태로 유지되고, 각각, 트랜지스터(T2)는 트랜지스터(T4)가 온으로 될 때 오프 상태로 유지된다. 이런 식으로, 전술한 바와 같이 전압 및 그라운드 레일들(26 및 28)로부터의 적절한 분리에 의해, 각 커패시터 컴포넌트(C1 및 C2)는 차례로 한번에 하나의 커패시터 컴포넌트가 충전될 수 있다. 부수적으로, 양쪽 커패시터 컴포넌트들이 실질적으로 완전히 충전되는 경우, 점들(30 및 32) 사이의 전압은 배터리 전압에서 T1 및 T4의 온 전압들을 뺀 것의 2배이다.
도 5C에 도시된 충전 회로는 트랜지스터의 유형 및 게이트 제어 바이어싱을 제외하고는 전술한 회로(도 5B)와 구조 및 동작이 유사하다. 이 구현에서 4개의 트랜지스터들 중 2개(T1 및 T3)는 P-채널 FET 또는 MOSFET(또는 적절한 베이스 레벨 제어를 갖는 PNP 바이폴라)일 수 있다. 도 5D는 이 충전 회로의 동작을 설명하기 위해 제공된다. 도시된 바와 같이, 각 충전 위상에서는 커패시터 컴포넌트들(C1 및 C2) 중 상이한 것이 충전되고 있다. 위상 (1)에서는, 트랜지스터(T3)가 그의 바이어스(레일 전압보다 높은 점(30)) 때문에 플로팅(floating) 컴포넌트이고 오프 상태에서 유지된다. 이 위상에서는 커패시터 컴포넌트(C2)가 충전되고 있다. 위상 (2)에서는, 트랜지스터(T2)가 그의 바이어스(그라운드보다 높은 점(33)) 때문 에 플로팅 컴포넌트이고 오프 상태에서 유지된다. 이 위상에서는 커패시터 컴포넌트(C1)가 충전되고 있다. 양쪽 위상에서는 마찬가지로, 소스 바이어스가 레일 전압/그라운드보다 높다/낮다는 점에서, 컴포넌트들 중 하나가 플로팅 컴포넌트이다. 이것은 컴포넌트들이 그러한 레일/그라운드 분리를 허용하도록 설계 및 제조되는 경우에만 가능하다.
도 5E에 도시된 충전 회로는 다시 전술한 회로들의 변형으로, 트랜지스터들(T1 및 T4)은 각각 P-채널 및 N-채널이고, 다이오드들(D1 및 D2)은 각각 트랜지스터들(T3 및 T2)을 나타낸다. 동작시에, D1은 T1이 온으로 스위칭되고 커패시터 컴포넌트(C2)가 충전하고 있을 때 오프이고, D2는 T4가 온으로 스위칭되고 커패시터 컴포넌트(C1)가 충전하고 있을 때 오프이다.
도 6은 IC에서의 전술한 회로들의 2개의 가능한 구현들을 도시한다. 옵션 (1) 및 (2)가 보여주는 바와 같이, 충전 회로(40/42)는 실질적으로 IC 상에 포함되고 외부 컴포넌트들은 수가 제한되고 배터리(22), 그 배터리를 가로지르는 커패시터(46), LED(34) 및 슈퍼커패시터(24)를 포함한다. 배터리를 가로지르는 커패시터(46)는 회로로부터의 전류 서지(current surge)(또는 피크 전류)를 처리하기 위해 제공된 다른 에너지 저장소이다. 하나의 예시에서는, 옵션 (1)이 보여주는 바와 같이, 충전 회로(40)는 보다 높은 전압 응용을 위한 부스트 컨버터를 포함하고 그 경우 회로는 또한 부스트 컨버터 코일(44)을 포함한다.
도 7A는 백색 LED 등의 부하에 대한 에너지 저장소로서 작용하는 전하 스토리지를 도시하는 도면이다. 도시된 회로에서, 커패시터 컴포넌트들(C1 및 C2)의 쌍(슈퍼커패시터(24))은 전하 스토리지로서 사용된다. 이 전하 스토리지는 LED들(34)에 동작적으로 연결되고, 그것이 적절하게 충전된다고 가정할 때, 플래시 동작을 위한 버스트 전력 또는 토치 조명 또는 영화 동작을 위한 연속적인(보다 낮은) 전력을 제공한다. 플래시 전류는, 예를 들면, 2A 또는 그 이상의 전류 레벨에 대하여 적응된 전류 싱크(예를 들면, 저항기(36))를 통과하고 있다. 전류 싱크, 즉 저항기(36)는, 백색 LED를 가로지르는 순방향 전압 강하가 슈퍼커패시터(24)를 가로지르는 전체 전압보다 작기 때문에 필요하다(그리고 전류 싱크는 그 차이를 강하한다). 커패시터 컴포넌트들을 충전하기 위한 충전 회로는 점선으로 도시되어 있는데, 그 이유는 플래시 전류 싱크(34)는 충전 사이클과, 그리고, 커패시터 컴포넌트들(C1 및 C2)(슈퍼커패시터)과 관계없기 때문이다. 사실, 비록 플래시 동작을 위해 충분한 레벨의 전하가 필요할지라도, 전하 리프레싱은 그러한 플래시 동작이 활성이 동안에 일어날 수 있다. 또한, 충전 회로는 위에서 나타내어진 바와 같이 다양한 방법으로 구성될 수 있고 점선으로 된 구성은 다른 것들 중 임의의 것으로 대체 가능하다.
도 7B는 영화 동작을 위해 사용될 때의 전술한 회로의 변형을 나타낸다. 다시, 충전 회로는 점선으로 도시되어 있는데, 그 이유는 백색 LED에의 충전 에너지 공급은 충전 사이클과 관계없고 충전 회로는 다수의 구성으로 구현될 수 있기 때문이다. 영화 동작을 위해 전류 싱크(36)는, 예를 들면, 200mA의 범위에 있고, 전류 싱크 회로(36)는, 충전 또는 전하 리프레싱 동작 동안에, 예를 들면, -2.75V 및 +2.75V(즉 +Vbattery - Von ( T3 + T4 ) 및 -Vbattery + Von ( T1 + T2 )) 사이에서 플로팅할 것이다.
본 발명의 실시예에 따라 구성된 충전 회로의 동작들을 더 설명하기 위해, 도 8A는 부하 전류가 있는 경우와 없는 경우, 충전 프로세스 동안의 시간에 걸쳐서 전압 출력(배터리 출력) 및 배터리 전류의 그래프들을 나타낸다. 출력 전압은 배터리 전압에 대하여, 1A 부하 전류에 대하여 시간에 걸쳐서 분석된다. 도 8B는 1Hz 및 0.05Hz 충전 주파수 및 0.5A의 배터리 전류 제한에서의, 충전 프로세스 동안의 시간에 걸쳐서 출력 전압 및 배터리 전류의 그래프들을 나타낸다. 또한, 도 8C는, 예를 들면, 200mA의 전류 부하의 경우에 영화 동작 동안의 출력 전압 및 부하 전류의 그래프들을 나타낸다.
이들 그래프들 및 전술한 충전 회로의 예시들에 비추어, 다수의 추가 관찰들이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 회로 토폴로지들은 전하 펌프들을 포함할 필요가 없고 슈퍼커패시터의 충전은 그 슈퍼커패시터가 전압 서플라이 및 그라운드 레일들로부터 분리되어 있는(즉, 슈퍼커패시터가 플로팅하는) 경우 배터리로부터 직접 이루어질 수 있다. 또한, 입력으로부터 출력으로 플라잉(flying)하는(입력과 출력 사이에 스위칭되는) 커패시터 전하 버킷팅(capacitor charge bucketing)이 없다. 따라서, 전류원은 입력 잡음을 최소화하는 제어된 안정된 입력(배터리) 전류로 슈퍼커패시터를 충전하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 1회 에너지 버스트 동작들(one-time energy burst operations)인, 플래시 동작들에 있어서, 특히 충전 시간은 초의 규모이기 때문에, 충전 주파수는 중 요하지 않다. 필요한 전부는 적절히 충전된 슈퍼커패시터이다. 비록 충전 상태가 얼마나 빨리 스위칭된다 할지라도 제한된 배터리 전류로 인해 충전 또는 전하 리프레싱에는 수초 규모의 시간이 걸릴 것이다. 영화(토치 조명) 동작들에 있어서, 충전 주파수는 출력 리플뿐만 아니라 부하를 견디는 능력에 영향을 미칠 것이다(예를 들면, 도 8B 및 8C 참조). 주파수의 선택은 오디오 범위에 걸쳐서의 노이즈 필터링 고려 사항들에 의해 영향을 받을 수 있다.
언급한 바와 같이, 커패시터 컴포넌트들은 각각 완전히 충전될 수도 있고 또는 그것들은 각각 그것들이 완전한 충전에 도달할 때까지 그것들 사이에 이리저리 스위칭하는 사이클들에서 부분적으로 충전될 수도 있다. 후자를 구현하기 위해, 충전 경로들의 앞에 전압 조정기가 배치될 수 있고, 또는 도 9A 및 9B에 도시된 바와 같이 루프 제어 회로들이 추가된다. 본질적으로, 도 9A의 회로에서, 커패시터 전압은 각 충전 사이클 동안에 감지되고 그것은 전류 공급을 조정하기 위해 증폭기(54)에의 레퍼런스 전압 입력과 비교된다. 전류 서플라이(current supply)(CS6)는 전류원, 또는 가변 저항기 또는 다수의 저항기들과 이들을 직렬로 또는 병렬 구성으로 접속하는 스위치들을 포함한 것일 수 있다. 다르게는, 도 9B의 회로 도시는 구형파(square wave)가 스위칭 듀티 사이클을 제어하는 경우 제어 신호 Φ 및 그의 상보적 제어 신호
Figure 112009030286248-pct00001
를 도출하기 위한 회로 부분들(54, 56, 58, 60)을 제공한다. 이와 같이, 양쪽 구성에서는 상기 경로들 중 하나만이 임의의 주어진 시간에 다중화기(50)를 통하여 감지된다. 그러나, 각각이 각각의 충전 경로를 제어하 는 2개의 제어 루프가 있을 수도 있다. 컨트롤러를 다중화하는 대신에 2개의 제어 경로들('온' 또는 '오프')이 병렬로 사용될 수 있다. 이 예시에서, 스위칭 점에서 결정된 레퍼런스 전압(REF)은 충전(배터리) 전류 레벨을 조정한다.
도 10A-10D는 트랜지스터들을 나타내는 저항기들을 갖는 추가의 실시예들을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 저항기들의 배치는 전력 손실 및/또는 전하 손실을 생성할 수 있다. 또한, 이들 효과들을 줄이기 위해 저항기를 가로질러 스위치가 접속될 수 있다. 상이한 실시예들에서, 저항기들은 전류원들로 및/또는 트랜지스터들로 대체될 수 있고, 충전 경로들을 '온'/'오프'로 변화시키는 스위치들은, 이전에 예시된 바와 같이, 전류원들, 트랜지스터들, 또는 다이오드들로 대체될 수 있다. 트랜지스터들은, 저항기들과 마찬가지로, 그들의 물리적 치수 및/또는 그들의 바이어싱에 의해 제한된 전류를 운반할 것이다. 전류원들은 연속적인 또는 스텝 조정을 갖는 제어 입력들을 가질 수 있다(따라서 스위치들에 대한 필요를 제거할 수 있다).
요컨대, 본 발명은 그의 특정한 바람직한 버전들을 참조하여 상당히 상세하게 설명되었지만, 다른 버전들도 가능하다. 그러므로, 첨부된 청구항들의 정신 및 범위는 본 명세서에 포함된 바람직한 버전들의 설명에 제한되지 않는다.

Claims (49)

  1. 충전 에너지를 제공하는 장치로서,
    포지티브(positive) 리드(lead) 및 네거티브(negative) 리드를 갖는 전원;
    직렬로 연결된 제1 커패시터 컴포넌트 및 제2 커패시터 컴포넌트와, 상기 제1 커패시터 컴포넌트와 상기 제2 커패시터 컴포넌트 사이의 중앙 탭(center tap)을 갖는 전하 스토리지(charge storage);
    제1 포지티브 스위치 및 제1 네거티브 스위치를 포함하고 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이에 배치된 제1 충전 경로 ― 상기 제1 충전 경로는 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제2 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제1 포지티브 스위치와 상기 제1 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제1 포지티브 스위치 및 상기 제1 네거티브 스위치는 상기 제1 충전 경로에 전용됨 ―; 및
    제2 포지티브 스위치 및 제2 네거티브 스위치를 포함하고 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이에 배치된 제2 충전 경로 ― 상기 제2 충전 경로는 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제1 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제2 포지티브 스위치와 상기 제2 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제2 포지티브 스위치 및 상기 제2 네거티브 스위치는 상기 제2 충전 경로에 전용됨 ―
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은, 상기 전원으로부터 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나에 또는 동시에 양쪽에 충전 전류가 흐르는 것을 허용하도록 제어 가능한 충전 에너지 제공 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전원은 배터리인 충전 에너지 제공 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전하 스토리지는 슈퍼커패시터(supercapacitor)로서 구성되는 충전 에너지 제공 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 저항기 또는 전류원을 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은, 임의의 주어진 시간에, 그들 중 하나 또는 양쪽이 폐쇄 또는 개방 상태에 있도록 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 스위칭하도록 제어 가능한 충전 에너지 제공 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은, 그들 사이의 교차 전도(cross conduction) 또는 그의 과열을 피하기 위해 또는 상기 전하 스토리지의 충전이 실질적으로 완료될 때 상기 개방 상태로 스위칭하도록 제어 가능한 충전 에너지 제공 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은, 저전류 레벨로 상기 제1 또는 제2 커패시터 컴포넌트를 방전하는 것을 허용하도록 상기 폐쇄 상태로 스위칭하도록 제어 가능한 충전 에너지 제공 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 스위치들의 쌍을 포함하고, 스위치들의 각 쌍의 한 스위치는 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들과 각각 직렬로 연결되고, 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들의 각각으로부터 하나의 스위치는 상류에 배치되고 하나의 스위치는 하류에 배치되는 충전 에너지 제공 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 상기 스위치들과 직렬로 된 저항기를 더 포함하는 충전 에너지 제공 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 저항기는 상기 중앙 탭에 부착되어 상기 제1 및 제2 충전 경로들에 의해 공유되는 충전 에너지 제공 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 그 자신의 저항기를 갖는 충전 에너지 제공 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 스위치들은 트랜지스터들인 충전 에너지 제공 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 스위치들 중 2개는 트랜지스터들이고 상기 스위치들 중 2개는 다이오드들인 충전 에너지 제공 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 트랜지스터들은 바이폴라, FET(field effect transistor), JFET(junction FET), 또는 MOSFET(metal oxide FET)인 충전 에너지 제공 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 트랜지스터들 중 2개는 NPN 또는 N-채널이고 다른 2개는 PNP 또는 P-채널인 충전 에너지 제공 장치.
  16. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 상기 스위치들과 직렬로 된 전류원을 더 포함하는 충전 에너지 제공 장치.
  17. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은 상기 스위치들과 직렬로 된 그들 양쪽 모두에 공통인 전류원을 더 포함하는 충전 에너지 제공 장치.
  18. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은 상기 스위치들과 직렬로 된 그들 양쪽 모두에 공통인 전압 조정기(voltage regulator)를 더 포함하는 충전 에너지 제공 장치.
  19. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은 복수의 장치들을 포함하고, 각각의 복수의 장치들은 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들과 각각 직렬로 연결되고, 적어도 하나의 장치는 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들의 각각으로부터 상류에 배치되고 하나의 장치는 하류에 배치되는 충전 에너지 제공 장치.
  20. 제19항에 있어서, 각각의 복수의 장치들은 스위치, 저항기, 트랜지스터, 다이오드, 전압 조정기 및 전류원 중의 2개 이상의 임의의 조합을 포함하는 충전 에너지 제공 장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은 상기 전하 스토리지의 충전 상태(charge conditions)에 따라 상기 충전 전류의 상하 연속 또는 스텝 조정을 허용하도록 제어 가능한 충전 에너지 제공 장치.
  22. 제1항에 있어서, IC(integrated circuit)로 구현되거나 또는 IC 내의 기능 블록으로서 구현된 충전 에너지 제공 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 전원, 상기 전하 스토리지, 또는 양쪽 모두는 상기 IC의 외부에 있는 충전 에너지 제공 장치.
  24. 부하에 충전 에너지를 제공하는 장치로서,
    포지티브 리드 및 네거티브 리드를 갖는 전원;
    직렬로 연결된 제1 커패시터 컴포넌트 및 제2 커패시터 컴포넌트와, 상기 제1 커패시터 컴포넌트와 상기 제2 커패시터 컴포넌트 사이의 중앙 탭을 갖는 전하 스토리지;
    상기 전하 스토리지로부터 충전 에너지를 수신하기 위해 상기 전하 스토리지 양단에 연결되는 부하;
    제1 포지티브 스위치 및 제1 네거티브 스위치를 포함하고 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이에 배치된 제1 충전 경로 ― 상기 제1 충전 경로는 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제2 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제1 포지티브 스위치와 상기 제1 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제1 포지티브 스위치 및 상기 제1 네거티브 스위치는 상기 제1 충전 경로에 전용됨 ―; 및
    제2 포지티브 스위치 및 제2 네거티브 스위치를 포함하는 제2 충전 경로 ― 상기 제2 충전 경로는 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제1 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제2 포지티브 스위치와 상기 제2 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제2 포지티브 스위치 및 상기 제2 네거티브 스위치는 상기 제2 충전 경로에 전용됨 ―
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 충전 경로들은 상기 전원으로부터 상기 제1 또는 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나로 개별적으로 충전 전류를 전달하도록 구성되는 충전 에너지 제공 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 부하와 직렬로 되고 상기 부하를 통한 전류를 제한하도록 구성된 전류 제한 장치를 더 포함하는 충전 에너지 제공 장치.
  26. 제24항에 있어서, 상기 부하와 직렬로 되고 상기 부하에 의해 수신되는 상기 충전 에너지를 제한하기 위해 상기 부하를 통과하는 전류를 싱크(sink)하도록 구성 된 전류 싱크를 더 포함하는 충전 에너지 제공 장치.
  27. 제24항에 있어서, 상기 부하는 하나 이상의 백색 LED들(발광 다이오드들)을 포함하는 광원인 충전 에너지 제공 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 하나 이상의 백색 LED들은 플래시, 영화 또는 토치(torch) 조명 동작들을 위하여 구성된 충전 에너지 제공 장치.
  29. 제24항에 있어서, 상기 충전 에너지는 전류 펄스에 대응하는 버스트 전력(burst power) 또는 전류 레벨에 대응하는 연속 전력을 포함하는 충전 에너지 제공 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 전류 펄스는 2A이고 상기 전류 레벨은 200mA인 충전 에너지 제공 장치.
  31. 제24항에 있어서, IC(integrated circuit)로 구현되거나 또는 IC 내의 기능 블록으로서 구현된 충전 에너지 제공 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 IC는 모바일 장치에서의 사용을 위해 구성되는 충전 에너지 제공 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 모바일 장치는 플래시 카메라 및/또는 영화 카메라를 갖는 휴대폰을 포함하는 충전 에너지 제공 장치.
  34. 제24항에 있어서, 상기 전원은 배터리인 충전 에너지 제공 장치.
  35. 포지티브 리드 및 네거티브 리드를 갖는 전원;
    직렬로 연결된 제1 커패시터 컴포넌트 및 제2 커패시터 컴포넌트와, 상기 제1 커패시터 컴포넌트와 상기 제2 커패시터 컴포넌트 사이의 중앙 탭을 갖는 전하 스토리지;
    제1 포지티브 스위치 및 제1 네거티브 스위치를 포함하고 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이에 배치된 제1 충전 경로 ― 상기 제1 충전 경로는 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제2 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제1 포지티브 스위치와 상기 제1 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제1 포지티브 스위치 및 상기 제1 네거티브 스위치를 상기 제1 충전 경로에 전용됨 ―; 및
    제2 포지티브 스위치 및 제2 네거티브 스위치를 포함하고 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이에 배치된 제2 충전 경로 ― 상기 제2 충전 경로는 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제1 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제2 포지티브 스위치와 상기 제2 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제2 포지티브 스위치 및 상기 제2 네거티브 스위치는 상기 제2 충전 경로에 전용됨 ―
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각은, 상기 전원으로부터 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나에 또는 동시에 양쪽에 충전 전류가 통과하는 것을 허용하도록 구성된 스위치 제어 입력을 갖는 장치.
  36. 제35항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각의 상기 스위치 제어 입력을 어서트(assert)하도록 구성된 제어 루프를 더 포함하는 장치.
  37. 제35항에 있어서, 상기 스위치 제어 입력들에 연결된 전압 조정기를 더 포함하는 장치.
  38. 제35항에 있어서, 충전 상태를 샘플링하고 레퍼런스와 상기 충전 전류의 샘플 간의 비교에 기초하여 상기 충전 전류를 제어하도록 구성된 제어 장치를 포함하는 제어 루프를 더 포함하는 장치.
  39. 제38항에 있어서, 상기 제어 장치는 비교기 또는 증폭기를 포함하는 장치.
  40. 제38항에 있어서, 상기 레퍼런스 입력은 전압, 전류 및 시간 중 하나인 장치.
  41. 제38항에 있어서, 상기 충전 상태는 전압, 전류 및 시간 중 하나 이상의 것으로서 샘플링되는 장치.
  42. 제38항에 있어서, 상기 제어 루프는 상기 제1 및 제2 충전 경로들로부터 샘플 측정을 수신하는 다중화기(multiplexer)를 더 포함하고, 상기 다중화기는 스위치 제어 입력에 기초하여 비교기의 충전 감지 입력에 상기 샘플 측정들 중 하나를 전달하도록 구성되는 장치.
  43. 제42항에 있어서, 상기 제어 루프는, 상기 비교기 및 상기 비교기에 응답하고 상기 스위치 제어 입력을 어서트하도록 구성된 파원(wave source)을 포함하는 장치.
  44. 제35항에 있어서, 상기 전원은 배터리인 장치.
  45. 포지티브 리드 및 네거티브 리드를 갖는 전원;
    직렬로 연결된 제1 커패시터 컴포넌트 및 제2 커패시터 컴포넌트와, 상기 제1 커패시터 컴포넌트와 상기 제2 커패시터 컴포넌트 사이의 중앙 탭을 갖는 전하 스토리지;
    제1 포지티브 스위치 및 제1 네거티브 스위치를 포함하고 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이에 배치된 제1 충전 경로 ― 상기 제1 충전 경로는 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제2 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제1 포지티브 스위치와 상기 제1 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제1 포지티브 스위치 및 상기 제1 네거티브 스위치는 상기 제1 충전 경로에 전용됨 ―; 및
    제2 포지티브 스위치 및 제2 네거티브 스위치를 포함하고 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이에 배치된 제2 충전 경로 ― 상기 제2 충전 경로는 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제1 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제2 포지티브 스위치와 상기 제2 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제2 포지티브 스위치 및 상기 제2 네거티브 스위치는 상기 제2 충전 경로에 전용됨 ―
    를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 충전 경로들은 각각 전압 조정기에 연결되고 충전 전류 제어를 제공하도록 구성된 입력을 갖는 장치.
  46. 제45항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들은 그를 통하여 상기 전원으로부터 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나에 또는 동시에 양쪽에 충전 전류가 흐르는 것을 허용하도록 제어 가능한 장치.
  47. 제45항에 있어서, 상기 전원은 상기 장치의 외부에 장착되거나 상기 장치의 내부에 통합된 배터리인 장치.
  48. 포지티브 리드 및 네거티브 리드를 갖는 전원에 접속하는 단계;
    직렬로 연결된 제1 커패시터 컴포넌트 및 제2 커패시터 컴포넌트와, 상기 제1 커패시터 컴포넌트와 상기 제2 커패시터 컴포넌트 사이의 중앙 탭을 갖는 전하 스토리지를 제공하는 단계;
    제1 포지티브 스위치 및 제1 네거티브 스위치를 포함하고 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이에 배치된 제1 충전 경로를 제공하는 단계 ― 상기 제1 충전 경로는 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제2 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제1 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제1 포지티브 스위치와 상기 제1 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제1 포지티브 스위치 및 상기 제1 네거티브 스위치는 상기 제1 충전 경로에 전용됨 ―; 및
    제2 포지티브 스위치 및 제2 네거티브 스위치를 포함하고 상기 포지티브 리드와 상기 네거티브 리드 사이에 배치된 제2 충전 경로를 제공하는 단계 ― 상기 제2 충전 경로는 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭을 횡단하지만 상기 제1 커패시터 컴포넌트를 횡단하지 않고, 상기 제2 커패시터 컴포넌트 및 상기 중앙 탭은 상기 제2 포지티브 스위치와 상기 제2 네거티브 스위치 사이에 배치되고, 상기 제2 포지티브 스위치 및 상기 제2 네거티브 스위치는 상기 제2 충전 경로에 전용됨 ― ; 및
    상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각을, 상기 전원으로부터 상기 제1 및 제2 커패시터 컴포넌트들 중 하나에 또는 동시에 양쪽에 충전 전류가 흐르는 것을 허용하도록 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  49. 제48항에 있어서, 상기 제1 및 제2 충전 경로들 각각에서 충전 상태를 감지하고, 상기 충전 상태에 기초하여 상기 제1 및 제2 충전 경로들을 통하여 흐르는 충전 전류를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
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