KR101533880B1

KR101533880B1 - 배터리의 충방전 제어회로

Info

Publication number: KR101533880B1
Application number: KR1020130067579A
Authority: KR
Inventors: 정덕영
Original assignee: 정덕영
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2015-07-06
Also published as: KR20140145321A; US20160141906A1; WO2014200194A1; CN105324908A

Abstract

하나의 전류패스 FET을 이용하여 2차전지의 충방전을 제어함에 있어서 각각의 상태에 따른 누설전류을 "0"으로 억제하며, 안정적인 충방전 제어를 가능하게 하였다.
본 발명의 구성수단은; 배터리 단자와 직접 연결되는 충전기(부하)단자 노드에 패스온 FET의 소스가 연결되고, 패스온 FET의 드레인은 전류패스 FET의 게이트에 연결되고, 패스온 FET의 게이트는 제어기의 제 1 제어신호에 연결되고, 전류패스 FET의 드레인은 배터리의 다른 한 단자와 연결되고, 상기 전류패스 FET의 소스는 충전기의 한 단자에 연결된다.
상기 전류패스 FET의 드레인과 게이트 사이에는 패스오프 FET이 두개가 직렬로 연결되며, 상기 두 개의 패스오프 FET의 게이트중 하나는 제어기로부터 출력된 제 2 제어 신호에 연결하며, 상기 두개의 패스오프 FET의 게이트중 다른 하나는 레벨변환기에 연결되고, 상기 레벨변환기 입력은 상기 제 2 제어신호와 연결 된다. 상기 전류패스 FET의 소스와 게이트 사이에는 다른 패스오프 FET이 두개가 직렬로 연결되며, 상기 두 개의 다른 패스오프 FET의 게이트는 제어기로부터 출력된 제 3 제어신호와 연결된다.

Description

배터리의 충방전 제어회로 {Charging and discharging control circuit for battery device}

본 발명은 하나의 전류패스 제어용 FET(전계효과트랜지스터)을 이용하여 2차전지의 충방전을 제어함에 있어서 누설전류가 없이 안정적인 충방전 제어를 가능한 배터리 보호회로에 관한 것이다.

도 29는 가장 일반적으로 적용되고 있는 종래의 배터리 보호회로이며, 배터리의 충방전 전류를 제어함에 있어서 2개의 전류패스 MOS-FET이 사용된다.

도 30은 종래 회로인 도 29가 정상 동작시 충방전이 동시에 가능하도록 전류패스 MOS-FET(313, 314)가 온 된 상태의 등가 회로이다. 정상상태에서는 두 개의 전류패스 MOS-FET이 쌍방향으로 도통된다. 종래 회로인 도 29가 이상 상태 검출 후, 충전금지 및 방전가능 상태에 있도록, 전류패스 MOS-FET(313)가 온 되고 MOS-FET(314)가 오프 되어 충전 방향의 전류는 흐르지 못하지만, 상기 FET(314)의 기생 다이오드가 방전 방향의 전류가 흐를 수 있도록 하는데, 도 31이 상기 동작의 등가회로이다. 종래 회로인 도 29가 이상상태 검출 후 방전금지 및 충전가능 상태에 있도록, 전류패스 MOS-FET(314)가 온 되고 MOS-FET(313)가 오프 되어 방전 방향의 전류는 흐르지 못하지만, 상기 FET(313)의 기생 다이오드가 충전방향의 전류는 흐를 수 있도록 하는데, 도 32가 상기의 등가 회로이다.

상기 도 29의 종래의 기술에서 전류패스 제어수단(307)에는 2개의 MOS-FET이 사용되고 일반적으로 제어회로부분과 분리된 별도의 외장 형태로 구성된다. 만약 상기 MOS-FET을 하나의 실리콘칩으로 내장을 한다면, 상당한 규모의 면적이 소요되어 제조원가가 상당이 상승하게 된다. 따라서 1개의 칩으로 구성한다면, 전류패스 MOS-FET의 소요면적은 1/4로 감소 하기 때문에 전류패스제어 MOS-FET을 1개만 사용하는 구조가 필수가 된다.

상기된 바와 같이 1개의 MOS-FET을 이용하여 충방전 제어가 가능하도록 고안된 종래의 기술은 일본 공개공보 2000-102182(도 33)에 공개되었다.

상기 도 33의 동작을 보면, 정상동작시 FET(301)이 온 되고, FET(304, 305)가 오프, FET(306)이 온 되어 충방전이 동시에 가능하게 된다. 상기 도 33의 동작에서 충전금지상태 및 방전가능상태가 되기 위한 제어는, FET(301)이 오프 되고, FET(304)가 오프 이며, FET(305)는 온 되면, FET(306)의 게이트 전압은 V- 단자(121)기준으로 "0"이 되어, 충전은 금지되지만 방전은 가능하게 된다. 그리고 방전금지 및 충전가능 상태가 되기 위한 제어는, FET(301)이 오프, FET(304) 온, FET(305)가 오프 상태이며, 이 상태에서 방전은 금지되지만 충전은 가능한 형태가 된다. 상기의 동작설명과 같이, 논리적인 동작은 문제가 없지만, 충전 혹은 방전금지 상태에서 상기 전류패스 FET(306)의 게이트 전압은 항상 쇼트키다이오드(302,303)의 순방향전압 이하의 불확실한 어떤 값을 가지며, FET(306)가 양방향으로 누설전류(Leakage)를 흐르게 할 가능성이 존재한다. 또한 쇼트키다이오드 공정이 필요하여, 특수공정의 추가로 인한 제조원가 상승이 불가피하다.

도 34는 상기된 쇼트키다이오드를 사용하지 않고 1개의 전류패스제어 FET을 사용하며, 표준 CMOS로 제조가능한 회로가 국내특허 출원번호 10-2011-0088835에 공개되었다.

상기 도 34의 정상상태 동작은, FET(110) 온, FET(111) 오프 상태이고, FET(114)은 완전히 온 상태로 충방전이 가능하게 된다. 충전금지 및 방전가능 상태의 제어는, FET(110) 오프, FET(111) 온 상태이고, FET(114)의 게이트 전압은 V-단자(121)과 같게 되어, 충전방향은 역방향이 되며, 방전방향은 순방향이 된다. 그러나, 상기 도 34의 고안은 방전금지 및 충전가능상태 제어가 정의되지 않으므로, 불완전한 고안이라 할수 있다.

도 35는 상기 도34의 문제점은 보완한 고안으로, 국내특허 출원번호(10-2011-0088548)에 공개되었다.

도 35의 동작은 다음과 같다. 정상상태인 충방전이 가능한 제어는, FET(110) 온, FET(111) 오프, FET(161, 162) 오프 이며, 이때 FET(114)의 게이트가 "High"가 되면서 완전히 온 상태에 있게 되면서, 충방전이 가능한 상태에 있게 된다. 제어 회로가 충전금지 상태를 감지하여, 충전금지 및 방전가능한 상태의 제어는, FET(110) 오프, FET(111) 온, FET(161) 오프, FET(162) 온 상태이며, 전류패스 제어 FET(114)의 게이트 전압은 V-단자(121)와 같게 된다. 이 상태는 충전전류방향은 역방향이 되고, 방전전류방향은 순방향이 구성되어 상기 충전금지 및 방전가능 상태가 구현된다. 제어회로가 방전금지 상태를 감지하여, 방전금지 및 충전가능 상태의 제어는, FET(110) 오프, FET(111) 온, FET(161) 온, FET(162) 오프 상태이며, 전류패스 제어 FET(114)의 게이트 전압은 배터리의 부단자(123)과 같게 된다. 이 상태는 방전전류방향은 역방향이 되고, 충전전류방향은 순방향이 구성되어 상기 방전금지 및 충전가능 상태가 구현된다. 상기 이상상태 동작의 논리적인 구성은 가능하지만, 상기 충전금지 상태에서 FET(161, 162)에서 누설전류가 발생하는 문제점이 있는데. 이를 설명한다.

도 35에서 충전금지(방전가능상태)의 제어는 상기된 바와 같으며, 상기 상태에서 V-단자(121)의 전압은 충전기에 의해 배터리 부단자(123)의 전압보다 낮게 된다. 이때 FET(114)의 게이트전압은 V-단자(121)과 같고, FET(161)의 게이트전압은 배터리 부단자(123) 같으며, FET(161)와 FET(162)의 공통단자는 V-단자(121)와 같으므로, FET(161)의 노드(128)전압은 노드(125) 전압 보다 높은 상태가 되므로, 노드(123)에서 FET(161) 과 FET(162)의 공통노드 방향으로 순방향이 되므로 전류패스가 발생한다. 따라서 배터리 부단자(123)에서 V-단자(121) 방향의 누설전류가 FET(161)에서 FET(162)를 통해 흐는게 되는데, 이는 충전이 계속 일어나는 문제를 가진다.

상기 전류패스제어 FET을 1개만 사용하는 충방전 제어회로에서, 특수한 소자의 사용, 예를 들어 쇼트키다이오드의 채용은 큰 문제가 아닐 수 있지만, 누설전류의 발생은 배터리의 사용기간 및 열화를 유발하기 때문에 큰 문제라 할 수 있으므로 누설전류가 전혀 없는 발명이 필요한 것이다.

일본공개공보 2000-102182(도 33) 국내특허 출원번호 10-2011-0088835(도 34) 국내특허 출원번호 10-2011-0088548(도 35)

종래 충방전 제어 기술(도 35)에서, 전류패스제어 FET(114)의 게이트 전압을 제어하기 위한 FET(161, 162)에서 발생한 누설전류는, V-단자(121)과 배터리의 부단자(123) 전압차이에 의해서 발생하기 때문에, 본 발명은 이를 근본적으로 차단하고, 안정된 배터리 충방전 회로를 제공한다.

종래 기술을 해결하기 위한 본 발명은 충방전을 제어하는 회로로서 구성은 아래와 같다.

배터리 제1 단자와 직접 연결되는 충전기(부하) 제1 단자 노드에 패스온 FET(제1 FET)의 소스가 연결되고, 상기 패스온 FET(제1 FET)의 드레인은 전류패스 FET(제6 FET)의 게이트에 연결되고, 상기 패스온 FET(제1 FET)의 게이트는 제어기의 제 1 제어신호에 연결되고, 전류패스 FET(제6 FET)의 드레인은 배터리의 제2 단자와 연결되고, 상기 전류패스 FET(제6 FET)의 소스는 충전기의 제2 단자에 연결된다.

상기 전류패스 FET(제6 FET)의 드레인과 게이트 사이에는 패스오프 FET(제2, 제3 FET)이 두개가 직렬로 연결되며, 상기 두 개의 패스오프 FET(제2,제3 FET)의 게이트는 논리적으로 제2 제어신호에 연결되며, 적어도 하나는 레벨변환기에 연결되고, 상기 레벨변환기 입력은 상기 제 2 제어신호와 연결된다. 상기 전류패스 FET(제6 FET)의 소스와 게이트 사이에는 다른 패스오프 FET(제5,제6 FET)이 두 개가 직렬로 연결되며, 상기 두 개의 다른 패스오프 FET(제5,제6 FET)의 게이트는 제어기로부터 출력된 제 3 제어신호와 연결된다.

본 발명은 1개의 전류패스 FET을 사용하는 배터리의 충방전 제어회로로서, 누설전류가 저감이 수준이 아닌 "0" 수준을 제공하여 배터리의 사용시간을 연장할 뿐 아니라 열화를 방지하는 효과를 가진다.

도 1 은 제 1 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 회로.
도 1-100:배터리 제1단자, 도 1-101:배터리 제2단자.
도 1-102:충전기(부하) 제1단자, 도 1-103: 충전기(부하) 제2단자.
도 1-124:제1 제어신호, 도 1-121:제2 제어신호, 도 1-122:제3 제어신호.
도 1-105:제1 FET(패스온 FET), 도 1-110:제6 FET(전류패스 FET)
도 1-106,107:제2,제3 FET(패스오프 FET)
도 1-108,109:제4,제5 FET(패스오프 FET)
도 2 ~ 도 7 은 제 1 실시 예에 따른 각각의 상태에 대한 등가 회로.
도 8 은 제 2 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 회로이다.
도 9 ~ 도 14 은 제 2 실시 예에 따른 각각의 상태에 대한 등가 회로.
도 15 은 제 3 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 회로이다.
도 16 ~ 도 21 은 제 3 실시 예에 따른 각각의 상태에 대한 등가 회로.
도 22 은 제 4 실시 예에 따른 배터리 충방전 제어 회로.
도 23 ~ 도 28 은 제 4 실시예에 따른 각각의 상태에 대한 등가 회로.
도 29 는 종래의 2개의 전류패스 FET을 사용한 충방전 제어회로.
도 20 ~ 도 32는 각각의 상태별 등가회로.
도 33 은 종래의 기술(일본공개공보 2000-102182)
도 34 는 종래의 기술(국내특허 출원번호 10-2011-0088835)
도 35 는 종래의 기술(국내특허 출원번호 10-2011-0088548)

실시 예에서 설명하는 도면의 세부 번호는 설명의 편의상 공통적인 기능에 대해서는 동일한 부호를 사용하였다.

[실시예 1]

도 1 은 제어기(104)를 포함한 배터리 충방전 제어회로의 제 1 실시예이다.

본 제1 실시예에 따른 충방전 제어회로는 제어기(104)와 전류패스 FET(110)와 레벨변환기(111)과 패스온 FET(105)과 패스오프 FET(106, 107, 108, 109)로 구성된다.

패스온 FET(105)의 소스는 배터리(119)와 충전기(부하)(120)의 공통단자(100, 102)에 연결되고, 상기 FET(105)의 게이트는 제1 제어신호(124)에 연결된다. 상기 제1 제어신호는 일반적으로 정상상태를 나타내는 신호이기도 하다.상기 FET(105)의 드레인은 전류패스 FET(110)의 게이트에 연결된다. 배터리(119)의 한 단자(101)은 전류패스 FET(110)의 드레인(소스)에 연결되며, 전류패스 FET(110)의 다른 소스(드레인)은 충전기(부하)(120)의 단자(103)에 연결된다. 제2 제어신호(121)를 게이트 입력으로 받는 패스오프 FET(107)과 상기 FET(107)의 소스는 배터리단자(101)노드에 연결되고, 상기 FET(107)의 드레인은 패스오프 FET(106)의 드레인에 연결되고, 상기 FET(106)의 게이트는 레벨변환기(111)에 연결되고, 상기 레벨변환기(111)는 제2 제어신호(121)에 연결된다. 상기 FET(106)의 소스는 상기 FET(110)의 게이트노드(123)에 연결된다. 상기 FET(107)의 게이트는 제 2 제어신호(121)에 연결되지만, 상기 FET(106)의 게이트와 연결해도 동작상 문제가 없다. 제3 제어신호(122)를 게이트 입력으로 받는 패스오프 FET(109)과 상기 FET(109)의 소스는 충전기(부하)단자(103)노드에 연결되고, 상기 FET(109)의 드레인은 패스오프 FET(108)의 드레인에 연결되고, 상기 FET(108)의 게이트는 제3 제어신호(122)에 연결된다. 상기 FET(108)의 소스는 상기 FET(110)의 게이트노드(123)에 연결된다. 상기 제2,제3 제어신호는 일반적으로 배터리가 이상 상태에 있음을 나타낸다. 이후 제어신호는 도면상 부호로 나타낸다.

다음은 상기 제1 실시예에 따른 동작설명이다.

상술 된 바와 같이 충방전 제어회로는 정상동작상태와 방전금지상태(충전허용)와 충전금지상태(방전허용)과 같이 크게 3가지 모드로 나뉜다. 상기 3가지 모드는 제어기(104)에서 배터리노드(101)과 충전기노드(103)의 상태를 감시하여 검출한다. 아래에 기술되는 설명은 제어기(104)가 상태검출 이후에 전류패스 FET(110)을 제어하는 회로에 대한 것이다.

도 1에서 정상상태 동작은 다음과 같다.

전류패스 FET(110)이 온 상태에 가도록 해야되는데, 이러기 위해서는 패스온 FET(105)가 온 되고, 패스오프 FET(106, 107, 108, 109)가 오프 상태가 되면, 전류패스 FET(110)은 완전히 온 상태가 되어 양방향으로 전류를 패스시킨다. 그 상태의 전기적인 등가 회로는 도 2와 도 5와 같게 된다. 상기 패스온 FET(105)는 복수의 직렬로 연결되어 여러개의 제어 신호를 받는 형태를 갖출 수도 있다. 상기 패스오프 FET(106,107), FET(108,109)의 벌크노드의 위치는 각각의 기생 다이오드가 역방향으로 형성 되도록 해서 누설전류가 발생하지 않는다. 상기 패스오프 FET(106,107), FET(108,109)의 벌크위치는 도 2와 도 5의 등가회로와 같이 두 가지 형태가 있다. 정상상태에서는 전류패스 FET(110)이 완전히 온 된 상태로, 배터리노드(101)의 전위와 충전기노드(103)의 전위차이가 거의 없는 상태이므로, 상기 패스오프 FET(106, 107, 108, 109)의 기생 다이오드 위치만 상술대로 한다면 누설전류는 발생하지 않는다.

도 1에서 방전금지(충전허용)의 동작은 다음과 같다.

제어기(104)에서 패스온 FET(105)는 오프, 패스오프 FET(108, 109) 오프, 패스오프 FET(106, 107)을 온 시킨다. 이 경우의 등가 회로는 도 3, 도 6과 같다. 충전방향은 전류패스 FET(110)이 MOS-Diode 형태로 순방향을 형성하여 충전허용상태가 되고, 방전방향은 역방향이 되어 방전금지가 된다.

종래 기술에서 패스오프 FET(도 35-162, 161)들에 의한 누설전류 발생문제를 해결하는 방안으로써 전류패스 FET(110)의 게이트노드(123)과 부하노드(103)사이에 한쌍의 직렬로 연결된 패스오프 FET(108, 109)를 두었다. 상기 FET(109)의 게이트노드(122)은 "Low"상태이고, 그의 전위는 노드(101)과 같으며 전류패스 FET(110)의 게이트노드(123)의 전위와 동일하다. 방전금지 상태에서는 부하(120)이 연결된 상태이고 노드(103)의 전위는 최대 노드(100)의 전위까지 상승 가능하며, 상기 상태에서도 FET(109)의 게이트가 "0V" 상태가 가 되므로 패스오프 FET(108)의 상태와 관계없이 누설전류는 차단된다.

도 1에서 충전금지(방전허용)의 동작은 다음과 같다.

제어기(104)에서 패스온 FET(105)는 오프, 패스오프 FET(106, 107) 오프, 패스오프 FET(108, 109)을 온 시킨다. 이 경우의 등가 회로는 도 4, 도 7과 같다. 방전방향은 전류패스 FET(110)이 MOS-Diode 형태로 순방향을 형성하여 방전허용상태가 되고, 충전방향은 역방향이 되어 충전금지가 된다.

종래 기술에서 패스오프 FET(도 35-162, 161)들에 의한 누설전류 발생문제를 해결하는 방안으로써 전류패스 FET(110)의 게이트노드(123)과 배터리노드(101)사이에 한쌍의 직렬로 연결된 패스오프 FET(106, 107)를 두었다. 상기 레벨변환기(111)의 입력은 "Low"상태이고, 패스오프 FET(106)의 게이트전압은 레벨변환기(111)의 출력을 받으며, 이값은 노드(103)의 전압과 동일하며, 전류패스 FET(110)의 게이트노드(123)의 전위와 동일하다. 충전금지 상태에서는 충전기(120)가 연결된 상태이고 노드(103)의 전위는 음의 전위를 가진다. 상기 상태에서 FET(106)의 게이트전압이 노드(103)와 동일한 전위를 가지므로, 상기 FET(106, 107)을 통한 누설전류는 차단된다.

[실시예 2]

도 8 은 제어기(204)를 포함한 배터리 충방전 제어회로의 제 2 실시예이다

본 제2 실시예에 따른 충방전 제어회로는 제어기(204)와 전류패스 FET(210)와 레벨변환기(211)과 패스온 FET(205)과 패스오프 FET(206, 207, 208, 209)로 구성된다.

패스온 FET(205)의 소스는 배터리(219)와 충전기(부하)(220)의 공통단자(201, 203)에 연결되고, 상기 FET(205)의 게이트는 제어기신호(224)에 연결된다. 상기 FET(205)의 드레인은 전류패스 FET(210)의 게이트에 연결된다. 배터리(219)의 한 단자(200)은 전류패스 FET(210)의 드레인에 연결되며, 전류패스 FET(210)의 소스는 충전기(부하)(220)의 단자(202)에 연결된다. 제어기신호(221)를 게이트 입력으로 받는 패스오프 FET(207)과 상기 FET(207)의 소스는 배터리단자(200)노드에 연결되고, 상기 FET(207)의 드레인은 패스오프 FET(206)의 드레인에 연결되고, 상기 FET(206)의 게이트는 레벨변환기(211)에 연결되고, 상기 레벨변환기(211)는 제어신호노드(221)에 연결된다. 상기 FET(206)의 소스는 상기 FET(210)의 게이트노드(223)에 연결된다. 상기 FET(207)의 게이트는 제 2 제어신호(221)에 연결되지만, 상기 FET(206)의 게이트와 연결해도 동작상 문제가 없다. 제어기신호(222)를 게이트 입력으로 받는 패스오프 FET(209)과 상기 FET(209)의 소스는 충전기(부하)단자(202)노드에 연결되고, 상기 FET(209)의 드레인은 패스오프 FET(208)의 드레인에 연결되고, 상기 FET(208)의 게이트는 제어신호(222)에 연결된다. 상기 FET(208)의 소스는 상기 FET(210)의 게이트노드(223)에 연결된다.

다음은 상기 제 2 실시예에 따른 동작설명이다.

도 8 에서 정상상태 동작은 다음과 같다.

전류패스 FET(210)이 온 상태에 가도록 해야되는데, 이러기 위해서는 패스온 FET(205)가 온 되고, 패스오프 FET(206, 207, 208, 209)가 오프 상태가 되면, 전류패스 FET(210)은 완전히 온 상태가 되어 양방향으로 전류를 패스 시킨다. 그 상태의 전기적인 등가 회로는 도 9와 도 12와 같게 된다. 상기 패스온 FET(205)는 복수의 직렬로 연결되어 여러개의 제어 신호를 받는 형태를 갖출 수도 있다. 상기 패스오프 FET(206, 207)의 벌크노드의 위치는 각각의 기생 다이오드가 역방향으로 형성 되어야 하고, 상기 패스오프 FET(208, 209)의 벌크노드 위치 또한 각각의 기생다이오드가 서로 역방향이어야 누설 전류가 발생치 아니한다. 정상상태에서는 전류패스 FET(210)이 완전히 온 된 상태로, 배터리노드(200)의 전위와 충전기노드(202)의 전위차이가 거의 없는 상태여서, 상기 패스오프 FET(206, 207, 208, 209)의 기생 다이오드 위치만 상술대로 한다면 누설전류는 발생하지 않는다.

도 8에서 방전금지(충전허용)의 동작은 다음과 같다.

제어기(204)에서 패스온 FET(205)는 오프, 패스오프 FET(208, 209) 오프, 패스오프 FET(206, 207)을 온 시킨다. 이 경우의 등가 회로는 도 10, 도 13과 같다. 충전방향은 전류패스 FET(210)이 MOS-Diode 형태로 순방향을 형성하여 충전허용상태가 되고, 방전방향은 역방향이 되어 방전금지가 된다.

전류패스 FET(210)의 게이트노드(223)과 부하노드(202)사이에 한쌍의 직렬로 연결된 패스오프 FET(208, 209)를 두었다. 상기 FET(209)의 게이트노드(222)은 "High"상태이고, 상기 게이트노드(222)의 전위는 노드(200)과 같으며 전류패스 FET(210)의 게이트노드(223)의 전위와 동일하다. 방전금지 상태에서는 부하(220)이 연결된 상태이고 노드(202)의 전위는 최대 노드(200)의 전위까지 하강 가능하며, 상기 상태에서도 FET(209)의 게이트전압은 노드(200)의 전위가 되므로 패스오프 FET(208)의 상태와 관계없이 누설전류는 차단된다.

도 8에서 충전금지(방전허용)의 동작은 다음과 같다.

제어기(204)에서 패스온 FET(205)는 오프, 패스오프 FET(206, 207) 오프, 패스오프 FET(208, 209)을 온 시킨다. 이 경우의 등가 회로는 도 11, 도 14과 같다. 방전방향은 전류패스 FET(210)이 MOS-Diode 형태로 순방향을 형성하여 방전허용상태가 되고, 충전방향은 역방향이 되어 충전금지가 된다.

전류패스 FET(210)의 게이트노드(223)과 배터리노드(200)사이에 한쌍의 직렬로 연결된 패스오프 FET(206, 207)를 두었다. 상기 레벨변환기(211)의 입력은 "High"상태이고, 패스오프 FET(206)의 게이트전압은 레벨변환기(211)의 출력을 받으며, 이값은 노드(202)의 전압과 동일하며, 전류패스 FET(210)의 게이트노드(223)의 전위와 동일하다. 충전금지 상태에서는 충전기(220)가 연결된 상태이고 노드(202)의 전위는 배터리노드(200)의 전위보다 높은 값을 가진다. 상기 상태에서 FET(206)의 게이트전압이 충전기노드(202)와 동일한 전위를 가지므로, 상기 FET(206, 207)을 통한 누설전류는 차단된다.

[실시예 3]

도 15 은 제어기(104)를 포함한 배터리 충방전 제어회로의 제 3 실시예이다.

본 제 3 실시예에 따른 충방전 제어회로는 제어기(104)와 전류패스 FET(110)와 레벨변환기(111)과 패스온 FET(105)과 패스오프 FET(106, 107, 108, 109)과 벌크제어기(113)로 구성된다.

패스온 FET(105)의 소스는 배터리(119)와 충전기(부하)(120)의 공통단자(100, 102)에 연결되고, 상기 FET(105)의 게이트는 제어기신호(124)에 연결된다. 상기 FET(105)의 드레인은 전류패스 FET(110)의 게이트에 전기적으로 연결된다. 배터리(119)의 한 단자(101)은 전류패스 FET(110)의 드레인(소스)에 연결되며, 전류패스 FET(110)의 다른 소스(드레인)은 충전기(부하)(120)의 단자(103)에 연결된다. 제어기신호(121)를 게이트 입력으로 받는 패스오프 FET(107)과 상기 FET(107)의 소스는 배터리단자(101)노드에 연결되고, 상기 FET(107)의 드레인은 패스오프 FET(106)의 드레인에 연결되고, 상기 FET(106)의 게이트는 레벨변환기(111)에 연결되고, 상기 레벨변환기(111)는 제어신호노드(121)에 연결된다. 상기 FET(106)의 소스는 상기 FET(110)의 게이트노드(123)에 연결된다. 상기 FET(107)의 게이트는 제 2 제어신호(121)에 연결되지만, 상기 FET(106)의 게이트와 연결해도 동작상 문제가 없다. 제어기신호(122)를 게이트 입력으로 받는 패스오프 FET(109)과 상기 FET(109)의 소스는 충전기(부하)단자(103)노드에 연결되고, 상기 FET(109)의 드레인은 패스오프 FET(108)의 드레인에 연결되고, 상기 FET(108)의 게이트는 제어신호(122)에 연결된다. 상기 FET(108)의 소스는 상기 FET(110)의 게이트노드(123)에 연결된다. 벌크제어기(113)은 제어신호(121, 122)와 연결되고, 배터리노드(101) 과 충전기노드(103)에 연결되고 전류패스 FET(110)의 벌크노드에 연결된다.

다음은 상기 제 3 실시예에 따른 동작설명이다.

도 15에서 정상상태 동작은 다음과 같다.

전류패스 FET(110)이 온 상태에 가도록 해야되는데, 이러기 위해서는 패스온 FET(105)가 온 되고, 패스오프 FET(106, 107, 108, 109)가 오프 상태가 되면, 전류패스 FET(110)은 완전히 온 상태가 되어 양방향으로 전류를 패스 시킨다. 상기 패스온 FET(105)는 복수의 직렬로 연결되어 여러개의 제어 신호를 받는 형태를 갖출 수도 있다. 그리고 벌크제어기(113)에서는 전류패스 FET(110)의 벌크노드를 오픈 혹은 노드(101) 혹은 (103)에 위치 시킬 수 있는데, 실시예에서는 오픈 하는것으로 하였다. 그 상태의 전기적인 등가 회로는 도 16와 도 19와 같게 된다. 상기 패스오프 FET(106, 107)의 벌크노드의 위치는 각각의 기생 다이오드가 역방향으로 형성 되어야 하고, 상기 패스오프 FET(108, 109)의 벌크노드 위치 또한 각각의 기생다이오드가 서로 역방향이어야 누설 전류가 발생치 아니한다. 정상상태에서는 전류패스 FET(110)이 완전히 온 된 상태로, 배터리노드(101)의 전위와 충전기노드(103)의 전위차이가 거의 없는 상태이므로, 상기 패스오프 FET(106, 107, 108, 109)의 기생 다이오드 위치만 상술대로 한다면 누설전류는 발생하지 않는다.

도 15에서 방전금지(충전허용)의 동작은 다음과 같다.

제어기(104)에서 패스온 FET(105)는 오프, 패스오프 FET(108, 109) 오프, 패스오프 FET(106, 107)을 온 시킨다. 그리고 벌크제어기(113)에서는 전류패스 FET(110)의 벌크노드를 노드(101)에 오도록 제어한다. 이 경우의 등가 회로는 도 17, 도 20과 같다. 충전방향은 전류패스 FET(110)이 MOS-Diode 형태로 순방향을 형성하여 충전허용상태가 되고, 방전방향은 역방향이 되어 방전금지가 된다.

전류패스 FET(110)의 게이트노드(123)과 부하노드(103)사이에 한쌍의 직렬로 연결된 패스오프 FET(108, 109)가 있다. 상기 FET(109)의 게이트노드(122)은 "Low"상태이고, 그의 전위는 노드(101)과 같으며 전류패스 FET(110)의 게이트노드(123)의 전위와 동일하다. 방전금지 상태에서는 부하(120)이 연결된 상태이고 노드(103)의 전위는 최대 노드(100)의 전위까지 상승 가능하며, 상기 상태에서도 FET(109)의 게이트가 "0V" 상태가 가 되므로 패스오프 FET(108)의 상태와 관계없이 누설전류는 차단된다.

도 15에서 충전금지(방전허용)의 동작은 다음과 같다.

제어기(104)에서 패스온 FET(105)는 오프, 패스오프 FET(106, 107) 오프, 패스오프 FET(108, 109)을 온 시킨다. 그리고 벌크제어기(113)에서는 전류패스 FET(110)의 벌크노드를 노드(103)에 오도록 제어한다.이 경우의 등가 회로는 도 4, 도 7과 같다. 방전방향은 전류패스 FET(110)이 MOS-Diode 형태로 순방향을 형성하여 방전허용상태가 되고, 충전방향은 역방향이 되어 충전금지가 된다.

전류패스 FET(110)의 게이트노드(123)과 배터리노드(101)사이에 한쌍의 직렬로 연결된 패스오프 FET(106, 107)가 있다. 상기 레벨변환기(111)의 입력은 "Low"상태이고, 패스오프 FET(106)의 게이트전압은 레벨변환기(111)의 출력을 받으며, 이값은 노드(103)의 전압과 동일하며, 전류패스 FET(110)의 게이트노드(123)의 전위와 동일하다. 충전금지 상태에서는 충전기(120)가 연결된 상태이고 노드(103)의 전위는 음의 전위를 가진다. 상기 상태에서 FET(106)의 게이트전압이 노드(103)와 동일한 전위를 가지므로, 상기 FET(106, 107)을 통한 누설전류는 차단된다

[실시예 4]

도 22 은 제어기(204)를 포함한 배터리 충방전 제어회로의 제 4 실시예이다

본 제 4 실시예에 따른 충방전 제어회로는 제어기(204)와 전류패스 FET(210)와 레벨변환기(211)과 패스온 FET(205)과 패스오프 FET(206, 207, 208, 209)와 벌크제어기(213)으로 구성된다.

패스온 FET(205)의 소스는 배터리(219)와 충전기(부하)(220)의 공통단자(201, 203)에 연결되고, 상기 FET(205)의 게이트는 제어기신호(224)에 연결된다. 상기 FET(205)의 드레인은 전류패스 FET(210)의 게이트에 연결된다. 배터리(219)의 한 단자(200)은 전류패스 FET(210)의 드레인에 연결되며, 전류패스 FET(210)의 소스는 충전기(부하)(220)의 단자(202)에 연결된다. 제어기신호(221)를 게이트 입력으로 받는 패스오프 FET(207)과 상기 FET(207)의 소스는 배터리단자(200)노드에 연결되고, 상기 FET(207)의 드레인은 패스오프 FET(206)의 드레인에 연결되고, 상기 FET(206)의 게이트는 레벨변환기(211)에 연결되고, 상기 레벨변환기(211)는 제어신호노드(221)에 연결된다. 상기 FET(206)의 소스는 상기 FET(210)의 게이트노드(223)에 연결된다. 상기 FET(207)의 게이트는 제 2 제어신호(221)에 연결되지만, 상기 FET(106)의 게이트와 연결해도 동작상 문제가 없다. 제어기신호(222)를 게이트 입력으로 받는 패스오프 FET(209)과 상기 FET(209)의 소스는 충전기(부하)단자(202)노드에 연결되고, 상기 FET(209)의 드레인은 패스오프 FET(208)의 드레인에 연결되고, 상기 FET(208)의 게이트는 제어신호(222)에 연결된다. 상기 FET(208)의 소스는 상기 FET(210)의 게이트노드(223)에 연결된다. 벌크제어기(213)은 제어신호(221, 222)와 연결되고, 배터리노드(200) 과 충전기노드(202)에 연결되고 전류패스 FET(110)의 벌크노드에 연결된다.

다음은 상기 제 4 실시예에 따른 동작설명이다.

도 22 에서 정상상태 동작은 다음과 같다.

전류패스 FET(210)이 온 상태에 가도록 해야되는데, 이러기 위해서는 패스온 FET(205)가 온 되고, 패스오프 FET(206, 207, 208, 209)가 오프 상태가 되면, 전류패스 FET(210)은 완전히 온 상태가 되어 양방향으로 전류를 패스 시킨다. 상기 패스온 FET(205)는 복수개의 직렬로 연결되어 여러개의 제어 신호를 받는 형태를 갖출 수도 있다. 그리고 벌크제어기(213)에서는 전류패스 FET(210)의 벌크노드를 오픈 혹은 노드(100) 혹은 (202)에 위치 시킬 수 있는데, 실시예에서는 오픈 하는것으로 하였다. 그 상태의 전기적인 등가 회로는 도 23와 도 26와 같게 된다. 상기 패스오프 FET(206, 207)의 벌크노드의 위치는 각각의 기생 다이오드가 역방향으로 형성 되어야 하고, 상기 패스오프 FET(208, 209)의 벌크노드 위치 또한 각각의 기생다이오드가 서로 역방향이어야 누설 전류가 발생치 아니한다. 정상상태에서는 전류패스 FET(210)이 완전히 온 된 상태로, 배터리노드(200)의 전위와 충전기노드(202)의 전위차이가 거의 없는 상태여서, 상기 패스오프 FET(206, 207, 208, 209)의 기생 다이오드 위치만 상술대로 한다면 누설전류는 발생하지 않는다.

도 8에서 방전금지(충전허용)의 동작은 다음과 같다.

제어기(204)에서 패스온 FET(205)는 오프, 패스오프 FET(208, 209) 오프, 패스오프 FET(206, 207)을 온 시킨다. 그리고 벌크제어기(213)에서는 전류패스 FET(210)의 벌크노드를 노드(200)에 오도록 제어한다.이 경우의 등가 회로는 도 10, 도 13과 같다. 충전방향은 전류패스 FET(210)이 MOS-Diode 형태로 순방향을 형성하여 충전허용상태가 되고, 방전방향은 역방향이 되어 방전금지가 된다.

도 8에서 충전금지(방전허용)의 동작은 다음과 같다.

제어기(204)에서 패스온 FET(205)는 오프, 패스오프 FET(206, 207) 오프, 패스오프 FET(208, 209)을 온 시킨다. 그리고 벌크제어기(213)에서는 전류패스 FET(210)의 벌크노드를 노드(202)에 오도록 제어한다. 이 경우의 등가 회로는 도 25, 도 28과 같다. 방전방향은 전류패스 FET(210)이 MOS-Diode 형태로 순방향을 형성하여 방전허용상태가 되고, 충전방향은 역방향이 되어 충전금지가 된다.

배터리 충방전 제어회로에서 전류패스 FET을 1개만 사용하여 제어하면, 기존 2개의 FET을 사용한것보다 전류패스 FET의 사이즈가 1/4만큼 주는 효과가 있다. 하지만 1개의 전류패스 FET을 사용하는 경우, 누설전류 저감이 가장 중요한 목표가 되며, 본 발명에서 누설전류를 완벽히 제어하였다.

104, 204: 제어기
111, 211: 레벨변환기
119, 219: 배터리
120, 220: 충전기(부하)

Claims

배터리의 충방전 제어신호에 반응하는 충방전 제어 회로는;
배터리 단자와 연결되는 충전기(부하) 단자 노드가 있고,
레벨변환기가 있고,
제 1 제어신호 와 제 2 제어신호 와 제 3 제어신호를 가지는 제어기가 있고,
제 1 FET 와 제 2 FET 와 제 3 FET 와 제 4 FET 와 제 5 FET 와 제 6 FET 가 있고,
상기 제 1 FET의 소스와 드레인은 상기 단자 노드와 상기 제 6 FET의 게이트 사이에 연결되고,
상기 제 1 FET의 게이트는 상기 제 1 제어신호와 연결되고,
상기 제 6 FET의 드레인은 배터리의 다른 단자에 연결되고,
상기 제 6 FET의 소스는 충전기(부하)의 다른 단자에 연결되고,
상기 제 6 FET의 게이트와 드레인 사이에 상기 제 2 FET의 드레인-소스와 상기 제 3 FET 드레인-소스가 직렬로 연결되고,
상기 제 6 FET의 게이트와 소스 사이에 상기 제 4 FET의 드레인-소스와 상기 제 5 FET의 드레인-소스가 직렬로 연결되고,
상기 제 4 FET의 게이트는 상기 제 3제어신호를 입력하며,
상기 제 5 FET의 게이트는 상기 제 3제어신호를 입력하며,
상기 제 2 FET의 게이트 는 상기 제 2 제어신호를 입력하며,
상기 제 3 FET의 게이트 는 상기 제 2 제어신호를 입력하며,
상기 제 2 FET의 게이트 과 상기 제 3 FET의 게이트 중 적어도 한 개의 게이트 와 상기 제 2 제어신호 사이에 상기 레벨변환기가 연결되는 충방전 제어 회로.