KR101446994B1 - Mit 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 방법 및 이러한 방법을 사용하는 스위치 - Google Patents

Mit 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 방법 및 이러한 방법을 사용하는 스위치 Download PDF

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Abstract

MIT(Metal-Insulator Transition) 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 방법 및 이러한 방법을 사용하는 스위치가 개시되어 있다. MIT(Metal-Insulator Transition) 소자 기반의 자동 고온 및 고전류 차단 스위치의 동작 방법은 CTS(critical temperature switch)의 저항 및 레퍼런스 저항을 기반으로 FET(field effect transistor)에 걸리는 FET 전압을 산출하는 단계, FET 전압의 크기와 임계 전압의 크기를 비교하는 단계, FET 전압이 임계 전압보다 큰 경우, FET를 온(on) 상태로 결정하는 단계와 FET 전압이 임계 전압보다 작은 경우, FET를 오프(off) 상태로 결정하는 단계를 포함할 수 있되, CTS는 MIT 소자를 기반으로 구현된 스위치이고, MIT 소자는 특정 온도 범위에서만 금속 특성을 가지는 소자일 수 있다.

Description

MIT 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 방법 및 이러한 방법을 사용하는 스위치{Method for automatically breaking power at high temperature and high current based on Metal-Insulator Transition and switch for using the same}
본 발명은 MIT(Metal-Insulator Transition) 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 방법 및 이러한 방법을 사용하는 스위치에 관한 것으로서 보다 상세하게는, MIT 기술을 기반으로 고온 및 고전류 시에 자동으로 전력을 차단하는 방법 및 이러한 방법을 사용하는 스위치에 관한 것이다.
일반적으로 스마트폰 등과 같은 전자 디바이스에 주로 사용되는 배터리는 과온도에 의한 파손이나 발화 문제가 발생되지 않아야 한다. 이를 해결하기 위해 배터리 보호 회로를 구현하여 배터리의 파손 등을 방지하고 있다. 이러한 기존의 배터리 보호 회로는 Protection 1차 보호 회로와 1차 보호 회로의 동작을 보완하기 위해 바이 메탈(Bi-Metal), TCO, PTC 또는 Fuse 등으로 구성된 2차 보호 회로를 구비하고 있다.
그러나, 기존의 배터리 보호 회로는 두 개의 보호 회로로 구성되므로 제조 비용이 증대될 뿐만 아니라 전자 디바이스의 소형화 추세에 부합하지 못하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 MIT 기술을 기반으로 고온 및 고전류 시에 자동으로 전력을 차단하는 MIT 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 방법 및 이러한 방법을 사용하는 스위치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 MIT(Metal-Insulator Transition) 소자 기반의 자동 고온 및 고전류 차단 스위치의 동작 방법은, CTS(critical temperature switch)의 저항 및 레퍼런스 저항을 기반으로 FET(field effect transistor)에 걸리는 FET 전압을 산출하는 단계, 상기 FET 전압의 크기와 임계 전압의 크기를 비교하는 단계, 상기 FET 전압이 상기 임계 전압보다 큰 경우, 상기 FET를 온(on) 상태로 결정하는 단계와 상기 FET 전압이 상기 임계 전압보다 작은 경우, 상기 FET를 오프(off) 상태로 결정하는 단계를 포함하되,상기 CTS는 상기 MIT 소자를 기반으로 구현된 스위치이고, 상기 MIT 소자는 특정 온도 범위에서만 금속 특성을 가지는 소자일 수 있다.
상기 FET 전압은, 아래의 수학식에 의해 산출될 수 있고,
<수학식>
Figure 112013112377290-pat00001
상기
Figure 112013112377290-pat00002
는 상기 FET 전압이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00003
는 소스 전압이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00004
는 상기 CTS의 저항이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00005
는 상기 레퍼런스 저항일 수 있다.
상기 FET는 N 모스펫(MOSFET)이고, 상기 CTS는 온도 상승시의 저항값의 변화 추이와 온도 하강시의 저항값의 변화 추이가 서로 다른 특성을 가질 수 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 MIT(Metal-Insulator Transition) 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는, 상기 MIT 소자를 기반으로 구현되어 특정 온도 범위에서만 금속 특성을 기반으로 동작하는 CTS(critical temperature switch), 상기 CTS의 저항과 직렬로 연결되어 입력되는 소스 전압을 기반으로 상기 CTS 저항에 부여되는 CTS 전압을 결정하기 위해 사용되는 레퍼런스 저항과 상기 CTS의 양단이 게이트와 소스에 각각 연결되어 상기 CTS 전압과 임계 전압을 비교하여 on 및 off 동작을 수행하는 FET((field effect transistor)를 포함할 수 있되, 상기 고온 및 고전류 차단 스위치는 상기 게이트와 상기 소스 사이의 전압인 FET 전압의 크기와 임계 전압의 크기를 비교하고 상기 FET 전압이 상기 임계 전압보다 큰 경우, 상기 FET를 온(on) 상태로 결정하고, 상기 FET 전압이 상기 임계 전압보다 작은 경우, 상기 FET를 오프(off) 상태로 결정할 수 있다.
상기 FET 전압은 아래의 수학식에 의해 산출될 수 있되,
<수학식>
Figure 112013112377290-pat00006
상기
Figure 112013112377290-pat00007
는 상기 FET 전압이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00008
는 소스 전압이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00009
는 상기 CTS의 저항이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00010
는 상기 레퍼런스 저항일 수 있다.
상기 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 배터리를 보호하기 위한 보호 IC(integrated circuit)의 입력 및 출력단에 연결되어 상기 FET 전압에 따라 전력 공급 여부를 결정할 수 있다.
상기 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 배터리를 보호하기 위한 보호 IC(integrated circuit)의 FET 제어를 위한 신호부에 구현되어 상기 FET 전압에 따라 전력 공급 여부를 결정할 수 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 MIT(Metal-Insulator Transition) 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는, 제1 차단 스위치와 제2 차단 스위치를 포함하고 상기 제1 차단 스위치는 제1 MIT 소자를 기반으로 구현되어 제1 온도 범위에서만 금속 특성을 기반으로 동작하는 제1 CTS(critical temperature switch), 상기 제1 CTS의 저항과 직렬로 연결되어 입력되는 소스 전압을 기반으로 상기 CTS 저항에 걸리는 CTS 전압을 결정하기 위해 사용되는 제1 레퍼런스 저항과 상기 제1 CTS의 양단이 제1 게이트와 제1 소스에 각각 연결되어 상기 CTS 전압과 임계 전압을 비교하여 on 및 off 동작을 수행하는 제1 FET((field effect transistor)를 포함할 수 있고, 상기 제2 차단 스위치는 제2 MIT 소자를 기반으로 구현되어 제2 온도 범위에서만 금속 특성을 기반으로 동작하는 제2 CTS(critical temperature switch), 상기 제2 CTS의 저항과 직렬로 연결되어 입력되는 소스 전압을 기반으로 상기 CTS 저항에 걸리는 CTS 전압을 결정하기 위해 사용되는 제2 레퍼런스 저항과 상기 제2 CTS의 양단이 제2 게이트와 제2 소스에 각각 연결되어 상기 CTS 전압과 임계 전압을 비교하여 on 및 off 동작을 수행하는 제2 FET((field effect transistor)를 포함할 수 있되, 상기 제1 차단 스위치는 상기 제1 게이트와 상기 제1 소스 사이의 전압인 제1 FET 전압의 크기와 제1 임계 전압의 크기를 비교하고 상기 제1 FET 전압이 상기 제1 임계 전압보다 큰 경우, 상기 제1 FET를 온(on) 상태로 결정하고, 상기 제1 FET 전압이 상기 제1 임계 전압보다 작은 경우, 상기 제1 FET를 오프(off) 상태로 결정하고, 상기 제2 차단 스위치는 상기 제2 게이트와 상기 제2 소스 사이의 전압인 제2 FET 전압의 크기와 제2 임계 전압의 크기를 비교하고 상기 제2 FET 전압이 상기 제2 임계 전압보다 큰 경우, 상기 제2 FET를 온(on) 상태로 결정하고, 상기 제2 FET 전압이 상기 제2 임계 전압보다 작은 경우, 상기 제2 FET를 오프(off) 상태로 결정할 수 있다.
상기 제1 CTS는 과방전을 차단하기 위해 구현되고, 상기 제2 CTS는 과충전을 차단하기 위해 구현될 수 있다.
상기 제1 MIT 소자와 상기 제2 MIT 소자는 상기 금속 특성으로 변화하는 상기 제1 온도 범위와 상기 제2 온도 범위가 서로 다른 소자일 수 있다.
상기 제1 FET 전압은 아래의 수학식 1에 의해 산출될 수 있고,
<수학식 1>
Figure 112013112377290-pat00011
상기
Figure 112013112377290-pat00012
는 상기 제1 FET 전압이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00013
는 제1 소스 전압이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00014
는 상기 제1 CTS의 저항이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00015
는 상기 제1 레퍼런스 저항일 수 있다.
상기 제2 FET 전압은 아래의 수학식 2에 의해 산출될 수 있고,
<수학식 2>
Figure 112013112377290-pat00016
상기
Figure 112013112377290-pat00017
는 상기 제2 FET 전압이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00018
는 제2 소스 전압이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00019
는 상기 제2 CTS의 저항이고, 상기
Figure 112013112377290-pat00020
는 상기 제2 레퍼런스 저항일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 MIT 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 방법 및 이러한 방법을 사용하는 스위치를 사용함으로써, 과전류로 인해 열이 발생하는 경우 회로에 공급되는 전력을 차단하여 회로를 보호할 수 있다.
또한, 기존에 과전류로 인해 열이 발생할 경우 전력을 차단하기 위해 사용되던 바이메탈, TCO(Thermal Cut Off), PTC(Positive Temperatre Coefficient) 또는 Fuse 대신에 MIT 기술을 기반으로 한 고온 및 고전류 차단 스위치를 사용함으로써, 기존에 비해 적은 비용으로 작은 반응 온도 오차를 가진 전력 차단 장치를 구현할 수 있다.
도 1은 VO2(이산화바나듐) 박막의 온도에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 2는 MIT 기술이 적용된 CTS의 온도/저항 의존성을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 VGS 전압의 변화 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 회로를 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 패키지화된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 나타낸 개념도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치가 구현된 POC(Proctection One Chip)을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 회로를 나타낸 개념도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 회로를 나타낸 개념도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 나타낸 개념도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 나타낸 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 VO2(이산화바나듐) 박막의 온도에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
금속-절연체-전이(Metal-Insulator Transition, MIT)는 특정 절연 물질이 특정한 온도 또는 전기장에 해당하는 환경에서 절연 특성(부도체적 특성)에서 갑자기 금속 특성으로 변하는 현상을 말한다.
도 1을 참조하면, 상온에서 절연체(부도체)인 이산화바나듐(VO2)에 온도를 올려주면 67도 근처에서 저항이 거의 10만분의 1로 급격히 감소한다는 사실을 알 수 있다. 이러한 온도에 따른 저항의 급격한 변화는 금속-절연체 전이(MIT)의 대표적인 특징일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 특정 온도에서 부도체에서 금속으로 급격히 전이되는 MIT 기술과 전자 회로에서 스위치로 주로 사용되는 FET(field effect transistor)를 이용하여, 특정 온도 이상이 되거나 특정 전류 이상이 되면 자동으로 회로를 차단하는 MIT 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치(이하 '자동 고온 및 고전류 차단 스위치'라 한다)에 대해 개시한다.
본 발명에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 MIT 기술이 적용된 스위치(예를 들어, CTS(Critical Temperature Switch))와 스위치의 on 및 off를 결정하는 기준점을 설정하기 위한 레퍼런스 저항(Rref) 및 FET를 기반으로 구현될 수 있다. CTS와 레퍼런스 저항(Rref)에 의해 분배된 전압에 따라 FET의 on 및 off가 결정될 수 있다.
도 2는 MIT 기술이 적용된 CTS의 온도/저항 의존성을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, CTS는 온도에 따라 서로 다른 저항 값을 가질 수 있다. 30도에서 1Mohm(메가 옴)을 가지는 CTS 저항은 30도 내지 70도의 온도 영역에서는 온도가 상승함에 따라 완만하게 감소되다가 70도 내지 80도의 온도 영역에서는 약 100옴 이하로 급격하게 감소될 수 있다. 즉, 온도가 상승함에 따라 완만하게 감소하던 저항 값은 특정 온도(60℃~90℃, 증착 조건에 따라서 결정)가 되면 10^-4의 비율로 급격히 감소하는 특성을 보인다. 또한, CTS는 히스테리시스(Hysteresis) 특성을 갖고 있어서, 온도 상승시의 저항값 변화 추이와 온도 하강시의 저항값 변화 추이에 차이가 존재한다.
CTS에 적용되는 MIT 소자에 따라 온도에 따른 CTS 저항의 변화 특징이 다르게 구현될 수 있다. 이와 같은 특성을 갖는 CTS와 레퍼런스 저항 및 FET를 이용하여 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 구성함으로써 특정 온도나 특정 전류 이상에서 자동으로 차단되는 스위치를 구현할 수 있다. 이하, 본 발명의 실시예에서는 이러한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치의 다양한 구성에 대해 개시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 나타낸 개념도이다.
도 3을 참조하면, 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 CTS(300), 레퍼런스 저항(320) 및 FET(340)를 기반으로 구현될 수 있다.
즉, 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 MIT 소자를 기반으로 구현되어 특정 온도 범위에서만 금속 특성을 가지는 CTS(300), CTS(300)의 저항과 직렬로 연결되어 입력되는 소스 전압을 기반으로 상기 CTS 저항에 부여되는 CTS 전압을 결정하기 위해 사용되는 레퍼런스 저항(320)과 CTS(300)의 양단이 게이트(Gate)와 소스(Source)에 각각 연결되어 상기 CTS 전압과 임계 전압을 비교하여 on 및 off 동작을 수행하는 FET(field effect transistor)(340)를 포함할 수 있다. 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 게이트(Gate)와 소스(Source) 사이의 전압인 FET 전압의 크기와 임계 전압의 크기를 비교하고, FET 전압이 임계 전압보다 큰 경우에는 FET(340)를 온(on) 상태로 결정하고, FET 전압이 임계 전압보다 작은 경우에는 FET(340)를 오프(off) 상태로 결정할 수 있다.
자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 구현하기 위해 사용되는 N-채널 모스펫(N-channel MOSFET)(이하 'N 모스펫'이라 한다)(340)은 게이트(Gate)와 소스(Source) 사이에 걸리는 전압(
Figure 112014028838121-pat00021
) 및 임계 전압(
Figure 112014028838121-pat00022
)(예를 들어, 0.6V~1.5V)를 기반으로 on 및 off가 결정될 수 있다. 예를 들어,
Figure 112014028838121-pat00023
가 임계 전압 이상으로 인가되면 ‘ON’상태가 되어 전압원(
Figure 112014028838121-pat00024
)과 부하(Load) 간에 폐회로가 구성될 수 있다. 반대로
Figure 112014028838121-pat00025
가 임계 전압보다 낮은 전압이 인가될 경우에는 ‘OFF’상태가 되어 전압원으로부터 부하가 분리될 수 있다.
도 3과 같은 온도에 따른 다른 저항값을 가지는 CTS 소자(300)를 사용하고, 레퍼런스 저항(320)에 고정 저항을 사용할 경우, N 모스펫(340)의 게이트와 소스 사이에 인가되는 전압(
Figure 112013112377290-pat00026
)은 아래와 같은 수학식 1과 같은 값을 가질 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112013112377290-pat00027
본 발명의 실시예에 따르면 온도에 따라 변화하는
Figure 112014028838121-pat00028
값에 따라 N 모스펫(340)의 on 및 off 상태가 결정된다. 여기서,
Figure 112014028838121-pat00029
=5V,
Figure 112014028838121-pat00030
=100kohm을 사용한다고 가정할 경우, 상온 및 특정 온도(예를 들면, 72℃) 이하에서는 도 2에서와 같이
Figure 112014028838121-pat00031
의 값이
Figure 112014028838121-pat00032
에 비해서 훨씬 크기 때문에
Figure 112014028838121-pat00033
전압의 대부분은
Figure 112014028838121-pat00034
양단에 걸리게 되고, 결과적으로
Figure 112014028838121-pat00035
값은
Figure 112014028838121-pat00036
보다 높아지게 되어, N 모스펫(340)은 ‘ON’ 상태를 유지하게 된다.
한편, 특정 온도 이상의 고온 환경이 될 경우에는 CTS(300)의 저항값이 급격한 전이를 통하여 100 옴(Ohm) 이하의 낮은 저항값을 갖게 되고, 결과적으로
Figure 112013112377290-pat00037
값은
Figure 112013112377290-pat00038
보다 낮아지게 되어 N 모스펫(340)은 ‘OFF’ 상태가 된다.
이를 간략히 표현하면, 아래의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
<수학식 2>
Figure 112013112377290-pat00039
결과적으로 CTS(300)의 저항이 급격하게 변하는 특정 온도를 기준으로 회로의 온도가 특정 온도보다 낮을 경우에는 N 모스펫(340)이 ON 상태가 되고, 회로의 온도가 특정 온도보다 높을 경우에는 FET(340)가 OFF 상태가 되어, 온도에 따라 자동으로 N 모스펫(340)이 ON 및 OFF 상태로 동작하는 자동 고온 및 고전류 차단 스위치가 구현될 수 있다.
즉, NTC(negative temperature coefficient)의 특성을 갖는 VO2 와 FET를 이용하여 PTC(positive temperature coefficient)를 실현시키는 것이다. NTC나 PTC 써미스터(thermistor)는 각각 온도가 증가함에 따라 저항이 감소하거나 온도가 증가함에 따라 저항이 증가하는 특징을 가진다. 즉, 기존에 NTC의 특성을 가지는 MIT 소자가 자동 고온 및 고전류 차단 스위치에 사용됨으로써 PTC의 성질을 가지고 고온 및 고전류 차단을 위한 역할을 수행할 수 있다.
추가적으로, 전술한 도 2를 참조하면, CTS(300)는 히스테리시스(hysteresis) 특성을 갖고 있어서, 온도 상승시의 저항값 변화 추이와 온도 하강시의 저항값 변화 추이에 차이가 있다. 따라서, 온도가 일정 범위에서 상승 및/또는 하강이 반복되더라도, N 모스펫(340)의 on 및 off 동작이 온도의 상승 및 하강에 따라 급격히 변하는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 VGS 전압의 변화 특성을 나타내는 그래프이다.
N 모스펫(340)은 기본적으로
Figure 112013112377290-pat00040
의 허용오차(예를 들면, 0.5V~1.5V)를 갖고 있는 문제점이 있으나, VGS 전압은 도 4에 도시된 바와 같이 특정 온도(예를 들어, 70~72도)에서 급격히 변화하기 때문에,
Figure 112013112377290-pat00041
의 허용 오차가 동작 온도에 미치는 영향은 미미하여, 최소한의 온도 오차 범위에서 회로를 차단하는 스위치가 구현될 수 있다.
이러한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 다양한 회로에 적용되어 회로에 공급되는 전력을 차단하기 위해 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서는 도 1내지 도 4에서 전술한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 적용한 회로에 대해 개시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 회로를 나타낸 개념도이다.
기존의 배터리 보호 회로의 경우, 바이 메탈(Bi-Metal), TCO, PTC 또는 Fuse 등을 사용하여 온도 상승 또는 전류 상승 시에 배터리 보호 동작을 구현하였다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른면 CTS(500), 레퍼런스 저항(520) 및 N 모스펫(540)으로 구현되는 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 사용하여 배터리 보호를 위한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 사용하는 경우, 기존의 바이 메탈이 10% 이상의 반응 온도의 오차를 가지고 동작하는 것과 비교하여 3% 이내의 반응 온도에 따른 오차를 가지고 동작할 수 있다. 바이 메탈의 경우, 일정 범위의 온도의 변화에 대해서 지속적인 회로의 동작이 수행되도록 하기 위한 히스테리시스 특성 확보를 위해 PTC(positive temperature coefficient) 소자를 함께 사용해야 한다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치의 경우 CTS(500)가 자체적으로 히스테리시스 특성을 가지므로 PTC 소자를 별도로 사용할 필요가 없다.
또한, 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 보호 회로(550)의 ‘DOUT’ 및 ‘COUT’ 단자에 각각 CTS(500), 레퍼런스 저항(520) 및 N 모스펫(540)으로 구현될 수 있다. 즉, 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 배터리를 보호하기 위한 보호 IC(Integrated Circuit)의 FET 제어를 위한 신호부에 구현되어 FET 전압에 따라 전력 공급 여부를 결정할 수 있다. 이러한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 보호 회로(550)가 고온 상태에 있을 때 전술한 바와 같이 N 모스펫(540)의 동작이 off 상태로 동작하게 되어 보호 회로(550)로 공급되는 전력이 차단될 수 있다. 이러한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로는 하나의 칩 또는 하나의 패키지로 구현되어 작은 면적을 가지고 자동 고온 및 고전류 차단 기능을 수행할 수 있도록 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 패키지화된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 나타낸 개념도이다.
도 6을 참조하면, FET(620)에 공급되는 전력으로 인해 발생되는 발열 특성을 CTS(640)가 감시할 수 있다. FET(620)의 전류 크기에 따르는 발열 특성을 감지하여 과전류를 차단하고, 또한 외부열을 감지하여 과온도 시의 동작을 차단할 수 있다. 패키지 패드(600) 위에 커먼 드레인 FET(common drain FET)(620)를 집적하고, 그 위에 CTS(640) 및 보호 IC(660)를 집적함으로써, 하나의 패키지화된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 구현할 수 있다. 열은 전류의 제곱 값에 비례하기 때문에, 이러한 패키지화된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 사용함으로써, 정확하게 과전류에 의한 열을 판단하고 회로에 공급되는 전력을 차단할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치가 구현된 POC(Proctection One Chip)을 나타낸 개념도이다.
도 7 및 도 8에서는 보호 회로에 연결된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치에 대해 개시한다.
도 7을 참조하면, FET, CTS 및 레퍼런스 저항이 하나의 칩(800)으로 구현됨으로써 보호 회로의 Dout 단자 및 Cout 단자에 연결될 수 있다. 즉, 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 배터리를 보호하기 위한 보호 IC(Integrated Circuit)의 FET 제어를 위한 신호부에 구현되어 FET 전압에 따라 전력 공급 여부를 결정할 수 있다. 보호 회로에 연결된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 FET에서 특정 온도 이상의 발열이 감지되는 경우, Dout 단자 및 Cout 단자로 입력되는 전력을 차단함으로써 회로가 일정 이상 온도로 발열되는 것을 방지할 수 있다.
도 8을 참조하면, CTS와 레퍼런스 저항이 하나의 칩(700)으로 구현되어 보호 회로에 입력되는 Dout 및 Cout 단자로 입력되는 입력단에 구현될 수 있다. 즉, 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 배터리를 보호하기 위한 보호 IC(integrated circuit)의 입력 및 출력단에 연결되어 상기 FET 전압에 따라 전력 공급 여부를 결정할 수 있다. 이러한 방법을 사용함으로써 FET에서 특정 온도 이상의 발열이 감지되는 경우, Dout 단자 및 Cout 단자로 입력되는 전력을 차단함으로써 회로가 일정 이상 온도로 발열되는 것을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 회로를 나타낸 개념도이다.
도 9의 상단에서 볼 수 있듯이 기존의 배터리 보호 회로에서는 Protection IC와 두 개의 FET로 구성된 1차 보호 회로의 동작을 보완하기 위해, 바이메탈, TCO, PTC 또는 Fuse 등을 2차 보호 소자로 사용하고 있다. 한편, 도 9의 하단에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치를 사용할 경우에는 이러한 2차 보호 소자가 불필요하여, 원가 절감이 가능하게 된다. 또한, 2차 보호 소자의 저항 성부(수 mOhm ~ 수십 mOhm)에 의한 전압 강하(voltage drop)도 방지할 수 있어서 배터리의 효율을 높일 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 배터리 보호 회로를 나타낸 개념도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배터리를 보호하기 위한 회로가 하나의 칩으로 구현된 보호 회로와 듀얼 N 모스펫으로 구현된 경우, 해당 보호 회로의 전단에 자동 고온 및 고전류 차단 스위치(1000)를 구현하여 온도 상승 또는 전류 상승 시 회로를 차단하는 방법을 나타낸 개념도이다.
하나의 칩으로 구현된 배터리 보호 회로의 전단에 N 모스펫, CTS, 레퍼런스 저항으로 구현된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치(1000)를 구현함으로써, 바이메탈과 같은 고가의 회로 구성을 사용하지 않으면서도 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 구현할 수 있다.
도 5 내지 도 10은 자동 고온 및 고전류 차단 스위치(1000)가 배터리 보호 회로로 사용되는 경우를 예시적으로 나타낸 것이다. 도 2에서 전술한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 배터리 보호 회로뿐만 아니라 다양한 회로에서도 사용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 나타낸 개념도이다.
도 11에 도시된 다양한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로는 CTS, FET 및 레퍼런스 저항의 다양한 조합을 기반으로 구현될 수 있다.
도 11의 (A)는 하나의 CTS와 하나의 FET를 기반으로 구현된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 나타낸다. 도 11의 (B)는 하나의 CTS, 하나의 FET 및 하나의 레퍼런스 저항을 기반으로 구현된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 나타낸다. 이러한 회로로 입력되는 전력을 차단하기 위한 입력부가 하나인 경우에 구현될 수 있다.
도 11의 (C)는 두 개의 CTS와 두 개의 FET를 기반으로 구현된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 나타낸다. 도 11의 (D)는 두 개의 CTS, 두 개의 FET 및 두 개의 레퍼런스 저항을 기반으로 구현된 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 나타낸다.
도 11의 (E)는 자동 고온 및 고전류 차단 스위치가 보호 회로의 입력부에 구현되어 보호 회로로 입력되는 고온으로 동작할 경우, 전력을 차단하는 방법을 나타내는 개념도이다.
도 11의 (F)는 보호 회로를 구현시 CTS를 추가적으로 집적하여 구현한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 나타낸다.
도 11에 도시된 바와 같이, 다양한 방법으로 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로가 회로에 입력되는 전력을 차단하여, 일정 온도 또는 일정 전류 이상에서 회로가 동작하지 않도록 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 나타낸 개념도이다.
도 12를 참조하면, 자동 고온 및 고전류 차단 스위치 회로를 구현하기 위해 두 개의 서로 다른 성질을 가진 CTS를 사용하여 과방전 및 과충전을 방지할 수 있다.
예를 들어, 제1 CTS(1200)는 과방전을 차단하기 위해 85도에서 저항이 급변하는 CTS를 사용하고, 제2 CTS(1250)는 과충전을 차단하기 위해 77도에서 저항이 급변하는 CTS를 사용할 수 있다. 즉, CTS에서 사용되는 물질을 다르게 사용함으로써 필요에 따라 차단 온도나 차단 전류가 서로 다른 스위치를 구현할 수 있다.
또한, 도 12에 도시된 바와 같이, CTS에 적용되는 물질을 달리 사용함으로써 필요에 따라 차단 온도나 차단 전류가 서로 다른 스위치를 구현할 수 있다.
즉, 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 제1 차단 스위치와 제2 차단 스위치를 포함하여 구현될 수 있다.
제1 차단 스위치는 제1 MIT 소자를 기반으로 구현되어 제1 온도 범위에서만 금속 특성을 기반으로 동작하는 제1 CTS, 제1 CTS의 저항과 직렬로 연결되어 입력되는 소스 전압을 기반으로 상기 CTS 저항에 걸리는 CTS 전압을 결정하기 위해 사용되는 제1 레퍼런스 저항, 제1 CTS의 양단이 제1 게이트와 제1 소스에 각각 연결되어 상기 CTS 전압과 임계 전압을 비교하여 on 및 off 동작을 수행하는 제1 FET((field effect transistor)를 포함할 수 있다.
제2 차단 스위치는 제2 MIT 소자를 기반으로 구현되어 제2 온도 범위에서만 금속 특성을 기반으로 동작하는 제2 CTS, 제2 CTS의 저항과 직렬로 연결되어 입력되는 소스 전압을 기반으로 제2 CTS 저항에 걸리는 CTS 전압을 결정하기 위해 사용되는 제2 레퍼런스 저항과 제2 CTS의 양단이 제2 게이트와 제2 소스에 각각 연결되어 제2 CTS 전압과 임계 전압을 비교하여 on 및 off 동작을 수행하는 제2 FET((field effect transistor)를 포함할 수 있다.
제1 차단 스위치는 제1 게이트와 제1 소스 사이의 전압인 제1 FET 전압의 크기와 제1 임계 전압의 크기를 비교하고, 제1 FET 전압이 제1 임계 전압보다 큰 경우에는 제1 FET를 온(on) 상태로 결정하고, 제1 FET 전압이 제1 임계 전압보다 작은 경우에는 제1 FET를 오프(off) 상태로 결정할 수 있다.
제2 차단 스위치는 마찬가지로 제2 게이트와 제2 소스 사이의 전압인 제2 FET 전압의 크기와 제2 임계 전압의 크기를 비교하고, 제2 FET 전압이 제2 임계 전압보다 큰 경우에는 제2 FET를 온(on) 상태로 결정하고, 제2 FET 전압이 제2 임계 전압보다 작은 경우에는 제2 FET를 오프(off) 상태로 결정할 수 있다.
CTS로 VO2 재료를 사용할 경우에는 68도 이하에서 동작이 가능하나, VO2가 아닌 다른 재료로 만든 MIT 소자의 온도 범위는 각각 -193 ~ -110도, 20 ~ 150도까지 확장이 가능하다. 따라서 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는 특정 임의의 온도측정 및 제어가 필요한 곳에서 사용하여 필요에 따라 온도 제어 범위를 다르게 설정할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. MIT(Metal-Insulator Transition) 소자 기반의 자동 고온 및 고전류 차단 스위치의 동작 방법에 있어서,
    CTS(critical temperature switch)의 저항 및 레퍼런스 저항을 기반으로 FET(field effect transistor)에 걸리는 FET 전압을 산출하는 단계;
    상기 FET 전압의 크기와 임계 전압의 크기를 비교하는 단계;
    상기 FET 전압이 상기 임계 전압보다 큰 경우, 상기 FET를 온(on) 상태로 결정하는 단계; 및,
    상기 FET 전압이 상기 임계 전압보다 작은 경우, 상기 FET를 오프(off) 상태로 결정하는 단계를 포함하되,
    상기 CTS는 상기 MIT 소자를 기반으로 구현된 스위치이고, 상기 MIT 소자는 특정 온도 범위에서만 금속 특성을 가지는 소자인 자동 고온 및 고전류 차단 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 FET 전압은,
    아래의 수학식에 의해 산출되는,
    <수학식>
    Figure 112014028838121-pat00042

    상기
    Figure 112014028838121-pat00043
    는 상기 FET 전압이고, 상기
    Figure 112014028838121-pat00044
    는 소스 전압이고, 상기
    Figure 112014028838121-pat00045
    는 상기 CTS의 저항이고, 상기
    Figure 112014028838121-pat00046
    는 상기 레퍼런스 저항인 자동 고온 및 고전류 차단 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 FET는 N 모스펫(MOSFET)이고,
    상기 CTS는 온도 상승시의 저항값의 변화 추이와 온도 하강시의 저항값의 변화 추이가 서로 다른 자동 고온 및 고전류 차단 방법.
  4. MIT(Metal-Insulator Transition) 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는,
    상기 MIT 소자를 기반으로 구현되어 특정 온도 범위에서만 금속 특성을 기반으로 동작하는 CTS(critical temperature switch);
    상기 CTS의 저항과 직렬로 연결되어 입력되는 소스 전압을 기반으로 상기 CTS 저항에 부여되는 CTS 전압을 결정하기 위해 사용되는 레퍼런스 저항; 및
    상기 CTS의 양단이 게이트와 소스에 각각 연결되어 상기 CTS 전압과 임계 전압을 비교하여 on 및 off 동작을 수행하는 FET(field effect transistor)를 포함하되,
    상기 고온 및 고전류 차단 스위치는 상기 게이트와 상기 소스 사이의 전압인 FET 전압의 크기와 임계 전압의 크기를 비교하고 상기 FET 전압이 상기 임계 전압보다 큰 경우, 상기 FET를 온(on) 상태로 결정하고, 상기 FET 전압이 상기 임계 전압보다 작은 경우, 상기 FET를 오프(off) 상태로 결정하는 자동 고온 및 고전류 차단 스위치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 FET 전압은,
    아래의 수학식에 의해 산출되는,
    <수학식>
    Figure 112014066634026-pat00047

    상기
    Figure 112014066634026-pat00048
    는 상기 FET 전압이고, 상기
    Figure 112014066634026-pat00049
    는 소스 전압이고, 상기
    Figure 112014066634026-pat00050
    는 상기 CTS의 저항이고, 상기
    Figure 112014066634026-pat00051
    는 상기 레퍼런스 저항인 자동 고온 및 고전류 차단 스위치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는,
    배터리를 보호하기 위한 보호 IC(integrated circuit)의 입력 및 출력단에 연결되어 상기 FET 전압에 따라 전력 공급 여부를 결정하는 자동 고온 및 고전류 차단 스위치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는,
    배터리를 보호하기 위한 보호 IC(integrated circuit)의 FET 제어를 위한 신호부에 구현되어 상기 FET 전압에 따라 전력 공급 여부를 결정하는 자동 고온 및 고전류 차단 스위치.
  8. MIT(Metal-Insulator Transition) 기술을 적용한 자동 고온 및 고전류 차단 스위치는,
    제1 차단 스위치와 제2 차단 스위치를 포함하고,
    상기 제1 차단 스위치는,
    제1 MIT 소자를 기반으로 구현되어 제1 온도 범위에서만 금속 특성을 기반으로 동작하는 제1 CTS(critical temperature switch);
    상기 제1 CTS의 저항과 직렬로 연결되어 입력되는 소스 전압을 기반으로 상기 제1 CTS 저항에 걸리는 제1 CTS 전압을 결정하기 위해 사용되는 제1 레퍼런스 저항; 및
    상기 제1 CTS의 양단이 제1 게이트와 제1 소스에 각각 연결되어 상기 제1 CTS 전압과 임계 전압을 비교하여 on 및 off 동작을 수행하는 제1 FET(field effect transistor)를 포함하고,
    상기 제2 차단 스위치는,
    제2 MIT 소자를 기반으로 구현되어 제2 온도 범위에서만 금속 특성을 기반으로 동작하는 제2 CTS(critical temperature switch);
    상기 제2 CTS의 저항과 직렬로 연결되어 입력되는 소스 전압을 기반으로 상기 제2 CTS 저항에 걸리는 제2 CTS 전압을 결정하기 위해 사용되는 제2 레퍼런스 저항; 및
    상기 제2 CTS의 양단이 제2 게이트와 제2 소스에 각각 연결되어 상기 제2 CTS 전압과 임계 전압을 비교하여 on 및 off 동작을 수행하는 제2 FET(field effect transistor)를 포함하되
    상기 제1 차단 스위치는 상기 제1 게이트와 상기 제1 소스 사이의 전압인 제1 FET 전압의 크기와 제1 임계 전압의 크기를 비교하고 상기 제1 FET 전압이 상기 제1 임계 전압보다 큰 경우, 상기 제1 FET를 온(on) 상태로 결정하고, 상기 제1 FET 전압이 상기 제1 임계 전압보다 작은 경우, 상기 제1 FET를 오프(off) 상태로 결정하고,
    상기 제2 차단 스위치는 상기 제2 게이트와 상기 제2 소스 사이의 전압인 제2 FET 전압의 크기와 제2 임계 전압의 크기를 비교하고 상기 제2 FET 전압이 상기 제2 임계 전압보다 큰 경우, 상기 제2 FET를 온(on) 상태로 결정하고, 상기 제2 FET 전압이 상기 제2 임계 전압보다 작은 경우, 상기 제2 FET를 오프(off) 상태로 결정하는 자동 고온 및 고전류 차단 스위치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 CTS는 과방전을 차단하기 위해 구현되고,
    상기 제2 CTS는 과충전을 차단하기 위해 구현되는 자동 고온 및 고전류 차단 스위치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 MIT 소자와 상기 제2 MIT 소자는 상기 금속 특성으로 변화하는 상기 제1 온도 범위와 상기 제2 온도 범위가 서로 다른 소자인 자동 고온 및 고전류 차단 스위치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 FET 전압은,
    아래의 수학식 1에 의해 산출되는,
    <수학식 1>
    Figure 112014028838121-pat00052

    상기
    Figure 112014028838121-pat00053
    는 상기 제1 FET 전압이고, 상기
    Figure 112014028838121-pat00054
    는 제1 소스 전압이고, 상기
    Figure 112014028838121-pat00055
    는 상기 제1 CTS의 저항이고, 상기
    Figure 112014028838121-pat00056
    는 상기 제1 레퍼런스 저항인 자동 고온 및 고전류 차단 스위치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 FET 전압은,
    아래의 수학식 2에 의해 산출되는,
    <수학식 2>
    Figure 112014028838121-pat00057

    상기
    Figure 112014028838121-pat00058
    는 상기 제2 FET 전압이고, 상기
    Figure 112014028838121-pat00059
    는 제2 소스 전압이고, 상기
    Figure 112014028838121-pat00060
    는 상기 제2 CTS의 저항이고, 상기
    Figure 112014028838121-pat00061
    는 상기 제2 레퍼런스 저항인 자동 고온 및 고전류 차단 스위치.
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