KR101728881B1 - 하나의 포트를 이용한 보조배터리와 보조배터리의 충방전 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 포트를 이용하는 보조배터리와 보조배터리의 충방전 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 보조배터리는 이차전지, 마이크로유에스비 커넥터, 충방전부, 제어부를 포함한다. 이차전지는 전하를 저장한다. 마이크로유에스비 커넥터에는 외부기기의 직렬 통신 케이블이 접속된다. 충방전부는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)에서 검출된 식별신호에 따라 충전 모드와 방전 모드 사이를 스위칭하여 이차전지를 충전하거나 방전한다. 제어부는 커넥터의 데이터플러스(D+)핀의 전압을 입력받아 기 설정된 기준전압과 비교한 결과에 기초하여 충방전부를 통해 이차전지에 충전되는 충전전류의 크기를 제어한다.

Description

하나의 포트를 이용한 보조배터리와 보조배터리의 충방전 제어방법{A Secondary Battery Using a Method Of Controlling Charging And Discharging Of The Same}

본 발명은 충전 기술분야에 관한 것으로, 보조배터리에 관한 것이다.

일반적으로 보조배터리는 리튬이온전지 등과 같은 이차전지를 내장하여 충전기와 접속함으로써 이차전지를 충전하고 부하장치와 접속을 통해 전지를 방전시킴으로써 외부기기를 충전하는 기능을 수행한다.

생활 속에서 스마트폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라 등을 포함한 휴대용 기기들을 사용하는 시간이 증가하면서 보조배터리의 필요성이 점점 증가하고 있다. 더욱이 배터리 일체형의 스마트폰에 대한 수요가 늘면서 본체에서 배터리 분리가 불가능해 유선충전기를 들고 다니며 콘센트를 찾는 수고로움에서 벗어날 수 있기 때문에 보조배터리의 편의성이 증가하고 있다.

한편, 보조배터리의 충전이 PC, 어댑터 등 정격전류용량이 서로 다른 다양한 기기를 통해 가능해지면서 이차전지에 충전하는 전류를 모든 경우 동일하게 적용할 경우 보조배터리를 비효율적으로 충전시키는 문제점이 있다. 따라서 보조배터리의 충전전류를 충전기기가 보조배터리를 충전할 수 있는 최대전류로 설정함으로써 효과적으로 충전해야 하는 필요성이 증가하고 있다.

대한민국등록특허 제10-0415763호(2004. 01. 07)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하나의 포트를 이용하여 보조배터리를 충전 또는 방전하는 것이다. 또한 충전 기기의 최대 전송 가능 전류에 따라 보조배터리를 충전시킬 충전 전류를 조절함으로써 효율적으로 충전하는 것이다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 보조배터리는 이차전지, 마이크로유에스비 커넥터, 충방전부, 제어부를 포함한다. 이차전지는 전하를 저장한다. 마이크로유에스비 커넥터에는 외부기기의 직렬 통신 케이블이 접속된다. 충방전부는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)에서 검출된 식별신호에 따라 충전 모드와 방전 모드 사이를 스위칭하여 이차전지를 충전하거나 방전한다. 제어부는 커넥터의 데이터플러스(D+)핀의 전압을 입력받아 기 설정된 기준전압과 비교한 결과에 기초하여 충방전부를 통해 이차전지에 충전되는 충전전류의 크기를 제어한다.

또한 보조배터리는 방전 케이블과 충전 케이블 충전 케이블을 더 포함할 수 있다. 충전 케이블은 식별핀(ID)이 접지핀(GND)에 전기적으로 결선되어 있다. 그리고 방전 케이블은 식별핀(ID)이 접지핀(GND)에 전기적으로 연결되어 있지 않는다.

보조배터리의 충방전부는 충방전 집적회로, 스위칭부, 제어부를 더 포함할 수 있다. 충방전 집적회로는 이차전지를 충전 또는 방전시키는 회로이다. 스위칭부의 제 1 단자는 상기 커넥터의 전원단자(VCC)에 연결되고, 제 2 단자는 상기 충방전 집적회로의 충전포트에 연결되고, 제 3 단자는 상기 충방전 집적회로의 방전포트에 연결된다. 충방전 제어부는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)의 전압에 따라 상기 스위칭부의 제 1 단자를 제2 단자 혹은 제 3 단자 중의 하나로 연결하도록 제어한다. 이 때, 충방전 제어부는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀이 직접 스위칭부의 스위칭 제어 입력에 연결되는 구성을 가질 수 있다.

또한, 보조배터리는 제어부과 전원핀 사이에 연결되어 데이터핀 전압을 분할하는 전압 분할부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 하나의 포트를 이용하여 보조배터리를 충전 또는 방전함으로써 사용자로 하여금 보조배터리의 포트를 구분하여 충전 또는 방전하는 번거로움을 줄일 수 있다.

또한, 충전 기기별로 공급할 수 있는 최대 충전전류를 미리 정한 조건에 따라 설정하고 판별함으로써 보조배터리를 효율적으로 충전할 수 있게 한다. 즉, 보조배터리를 저 충전전류용량을 갖는 충전기기를 통해서는 저속으로, 고 충전전류용량을 갖는 어댑터를 통해서는 고속으로 충전시킴으로써 충전의 효율성을 높일 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 보조 배터리의 사용을 예시적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조배터리 구성 블록도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 보조배터리(1)의 마이크로유에스비 케이블의 일 양상에 따른 구성을 나타내는 도면이다.
도 3b는 본 발명에 따른 보조배터리(1)의 마이크로유에스비 케이블의 다른 양상에 따른 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 보조배터리의 충방전부의 구성 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 보조배터리의 충방전부의 충방전 제어부의 일실시예에 따른 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 설명을 돕기 위한 릴레이 회로를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 보조배터리의 전압분할부의 일실시예에 따른 구성을 나타내는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 보조배터리(1)에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 보조 배터리의 사용을 예시적으로 설명하는 도면이다.

보조 배터리를 충전시킬 때, 사용자는 예를 들어 제 1충전기(2)를 충전 케이블(41)을 사용하여 충전할 수 있다. 제 1 충전기(2)의 예로는 낮은 정격전류용량을 갖는 퍼스널 컴퓨터가 있을 수 있다. 또한 사용자는 예를 들어 제 2충전기(3)를 충전 케이블(41)을 사용하여 충전할 수 있다. 제 2 충전기(3)의 예로는 높은 정격전류용량을 갖는 어댑터가 있을 수 있다.

보조 배터리를 사용할 때, 사용자는 예를 들어 방전 케이블(40) 사용하여 휴대용 기기, 예를 들면 스마트폰를 연결해 방전시킬 수 있다.

도 2은 일 실시예에 따른 보조 배터리의 구성을 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 보조 배터리는 이차전지(32)와, 커넥터(33), 충방전부(34), 제어부(35)를 포함한다.

일 실시예에 있어서, 이차전지(32)는 복수의 리튬-이온 전지 배터리 셀이 집적된 배터리일 수 있으며, 전력을 저장한다.

커넥터(33)는 외부기기의 직렬 통신 케이블이 접속된다. 도시된 실시예에서 커넥터(33)는 마이크로유에스비 커넥터다. 그러나 제안된 발명은 이에 한정되지 않으며, 커넥터(33)는 범용직렬 통신(UART) 커넥터일 수도 있다.

유에스비 커넥터는 내부에 전원 공급을 위한 전원(VCC) 단자, 접지(GND) 단자와, 데이터 송수신을 위한 데이터플러스(D+) 단자, 데이터마이너스(D-) 단자, 그리고 일반적으로는 신호라인으로 사용되지 않는 식별(ID) 단자을 구비한다.

마이크로유에스비 커넥터는 일반 유에스비 커넥터와 단자 수나 전기적인 특성은 동일하고 단지 크기와 모양만 차이가 있다.

충방전부(34)는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)에서 검출된 식별신호에 따라 충전 모드와 방전 모드 사이를 스위칭하여 이차전지(32)를 충전하거나 방전시킨다.

일 양상에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 배터리에 사용되는 방전용 마이크로유에스비 케이블은 식별(ID) 단자가 접지(GND) 단자에 전기적으로 결선되어 있는지 여부에 따라 충전 모드와 방전 모드를 식별한다.

일 실시예에서, 방전 모드에서 마이크로유에스비 케이블은 식별핀(ID) ()이 접지(GND) 단자에 전기적으로 결선되어 있다. 또다른 실시예에서, 충전 모드에서 마이크로유에스비 케이블은 식별(ID)단자가 접지(GND) 단자에 전기적으로 결선되어 있지 않다.

한편, 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)에서 검출된 전압에 따라 충방전부(34)가 충전 모드와 방전 모드 사이를 스위칭할 때, 후술할 제어부(35)가 식별핀(ID)(12)의 전압을 검출하여 충전 또는 방전 모드로 스위칭 할 수도 있다. 일 양상에 따라, 제어부(35)는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)이 직접 충방전부(34)의 스위칭 제어 입력에 연결되도록 할 수 있다. 또 다른 예로, 식별핀(ID)(12)의 전압을 제어부(35)에서 검출하여 충전 모드와 방전 모드 사이를 스위칭할 수도 있다. 또한 식별핀(ID)(12)의 전압을 비교기를 통해 검출하고 그 출력을 통해 스위칭을 제어할 수도 있다.

제어부(35)는 마이크로유에스비 커넥터의 데이터플러스(D+)핀(11) 전압을 입력받아 기 설정된 기준전압(36)을 비교한 결과에 기초하여 상기 충방전부(34)를 통해 상기 이차전치에 충전되는 충전전류의 크기를 제어한다.

유에스비 단자 중 데이터플러스(D+)핀(11) 은 데이터를 전송할 때 사용되는 데이터 단자이다. 본 발명에 따른 일 양상에 따르면, 보조배터리(1)는 충방전부(34)가 충전모드로 스위칭했을 때, 제어부(35)에서 데이터플러스(D+)핀(11) 전압을 검출함으로써 충전 기기의 정격전류용량을 간접적으로 판별 할 수 있다. 충전 기기는 어댑터의 경우 일반적으로 노트북 혹은 퍼스널 컴퓨터의 경우보다 구동전류가 커서 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 높게 검출된다.

한편, 충방전부(34)의 충전전류를 충전 기기가 충전 가능한 최대 전류로 이차전지(32)를 충전하도록 하는 것이 효율적으로 충전하는 방법이다. 따라서 이를 고려하여 제어부(35)에서 기 설정된 기준전압(36)을 설정할 수 있다, 기 설정된 기준전압(36)을 설정하는 예를 들면, 구동전류가 비교적 큰 어댑터를 보조배터리(1)에 연결했을 때 데이터플러스(D+)핀(11)에서 검출되는 전압보다는 작은 범위와 구동전류가 비교적 작은 퍼스널 컴퓨터 등의 기기를 보조배터리(1)에 연결했을 때 검출되는 데이터플러스(D+)핀(11)에서 검출되는 전압보다는 큰 범위를 모두 만족시키는 적당한 값으로 기 설정된 기준전압(36)을 설정할 수 있다. 또한 기 설정된 기준전압(36)을 설정한 후에는 제어부(35)에서 데이터플러스(D+)핀(11)에서 검출되는 전압이 기 설정된 기준전압(36)보다 큰 지 작은지에 따라 적용될 충방전부(34)의 충전전류를 기 설정하여야 한다. 일예로 데이터플러스(D+)핀(11)에서 검출되는 전압이 기 설정된 기준전압(36)보다 작은 경우에는 충방전부(34)에서 이차전지(32)를 충전시키는 충전전류를 작게, 데이터플러스(D+)핀(11)에서 검출되는 전압이 기 설정된 기준전압(36)보다 큰 경우에는 충방전부(34)에서 이차전지(32)를 충전시키는 충전전류를 크게 기 설정하여야 할 것이다.

이제, 도 2에 도시된 일 실시예에 따른 보조배터리(1)의 전체적인 동작구현의 예를 다음의 세가지 외부기기를 보조배터리(1)에 연결하는 상황을 들어 설명할 것이다.

상기 서술한 세가지 외부기기는, 충전 기기로써 정격전류용량이 5V/500mA인 퍼스널 컴퓨터, 충전 기기로써 정격전류용량이 5V/2A인 어댑터를, 방전 기기로써 스마트폰이다.

먼저, 동작에 앞서 제어부(35)에 기 설정 기준전압(36)이 설정되야 한다. 기 설정 기준전압(36)은 외부 충전 장치의 종류에 따른 데이터플러스(D+)핀() 검출 전압에 따라 미리 설정될 수 있다. 예를 들어 보조배터리와 퍼스널 컴퓨터를 케이블을 통해 연결했을 때 데이터플러스(D+)핀(11) 검출 전압과, 보조배터리와 어댑터를 케이블을 통해 연결했을 때 데이터플러스(D+)핀(11) 검출 전압의 중간 값이 2V라면, 기 설정 기준전압(36)을 2V로 설정할 수 있다.

그리고 데이터플러스(D+)핀(11) 검출 전압에 따라 충방전부(34)의 충전전류를 제어부(35)에 미리 설정해 놓을 수 있다. 즉, 데이터플러스(D+)핀() 검출 전압이 기 설정된 기준전압(36)보다 큰지 작은 지에 따라 충방전부(34)의 충전전류를 크거나 작게 제어하도록 제어부(35)에 기준이 되는 충방전부(34)의 충전전류 미리 설정할 수 있다. 이로써 저 충전전류용량을 갖는 충전 기기를 통해서는 저속으로, 고 충전전류용량을 갖는 충전 기기를 통해서는 고속으로 보조배터리를 충전시킬 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조배터리(1)가 충전 모드 또는 방전 모드를 구분하기 위해 충전 기기와 방전 기기를 식별할 수 있도록 그에 맞는 케이블을 사용할 수도 있다. 즉, 일예로 충전 기기가 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되어 있는 마이크로유에스비 케이블을 사용하기로 정했으면 방전 기기는 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되어 있지 않은 마이크로유에스비 케이블을 사용해야 할 것이다. 또한 충전 기기가 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되어 있지 않은 마이크로유에스비 케이블을 사용하기로 정했으면 방전 기기는 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되어 있는 마이크로유에스비 케이블을 사용해야 할 것이다.

일 실시예에 따른 보조배터리(1)의 전체적인 동작구현을 첫번째 예를 퍼스널 컴퓨터를 충전케이블을 통해 보조배터리(1)의 커넥터(33)에 연결하는 상황을 통해 설명할 수 있다. 먼저, 충방전부(34)는 데이터플러스(D+)핀(11)을 통해 들어오는 전압을 검출하여 퍼스널 컴퓨터가 연결됨을 인식할 수 있다. 일 예로 보조배터리(1)에 퍼스널 컴퓨터가 연결되면 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 하이(HIGH, 1)이므로 외부기기의 연결을 알 수 있다.

다음으로, 퍼스널 컴퓨터에서 사용하는 마이크로유에스비 케이블의 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선될 수도 결선되지 않을 수도 있다. 일예로 퍼스널 컴퓨터에서 사용하는 마이크로유에스비 케이블의 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되지 않은 경우를 들 것이다.

이 경우와 후술할 일 실시예에 따른 보조배터리(1)의 전체적인 동작구현의 두번째, 세번째의 예에서는, 충전 모드 또는 방전 모드를 구분하기 위해 충전 기기와 방전 기기를 식별할 수 있도록 그에 맞는 케이블을 사용할 수 있다. 이 경우, 충전 기기인 퍼스널 컴퓨터에서 사용하는 마이크로유에스비 케이블로 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되어 있지 않은 것을 사용하는 예를 들 것이므로, 후술할 다른 충전 기기인 어댑터의 사용 케이블 또한 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되어 있지 않아야 하고, 반면 방전기기인 스마트폰의 사용 케이블은 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선된 예가 될 것이다.

이 예를 적용하여 다시 일 실시예에 따른 보조배터리(1)의 전체적인 동작구현을 첫번째 예로써 퍼스널 컴퓨터를 충전케이블을 통해 보조배터리(1)의 커넥터(33)에 연결하는 상황을 설명할 수 있다. 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되지 않은 충전용 마이크로유에스비 케이블을 사용하므로 보조배터리(1)의 충방전부(34)는 식별핀(ID)(12)의 전압을 로우가 아닌 것으로 인식하여 충전모드로 스위칭 한다. 따라서 충방전부(34)는 충전 포트로 외부기기로부터 전달받는 전류를 전송할 준비를 한다.

이 때, 충방전부(34)가 식별핀(ID)(12)의 전압을 로우가 아닌 것으로 인식하여 충전모드로 스위칭할 수 있는 회로구조와 방법은 공지된 기술에 의해 설계된 회로의 구성에 의해 구현될 수 있는 것이므로 생략하기로 한다.

그리고 충방전부(34)가 충전 모드가 되면, 제어부(35)는 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 상술한 바와 같이 기 설정된 기준전압(36)인 2V 보다 낮은 경우이므로, 충방전부(34)를 통해 이차전지(32)에 충전되는 충전전류의 크기를 기 설정된 작은 전류, 예를 들면 500mA 정도로 조정할 수 있다.

제어부(35)에의해 충방전부(34)의 충전전류가 조정되면, 충전기기로부터 마이크로유에스비 커넥터의 전원핀(VCC)(10)을 거친 전류가 충방전부(34)의 충전포트로 전송되어 충방전부(34)는 이차전지(32)를 저속으로 충전한다.

일 실시예에 따른 보조배터리(1)의 전체적인 동작구현을 두번째 예를 어댑터를 충전케이블을 통해 보조배터리(1)의 커넥터(33)에 연결하는 상황을 통해 설명할 수 있다. 먼저, 충방전부(34)는 데이터플러스(D+)핀(11)을 통해 들어오는 전압을 검출하여 퍼스널 컴퓨터가 연결됨을 인식할 수 있다. 일 예로 보조배터리(1)에 어댑터가 연결되면 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 하이(HIGH, 1)이므로 외부기기의 연결을 알 수 있다.

다음으로, 어댑터에서 사용하는 마이크로유에스비 케이블의 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되지 않은 예를 들고 있으므로 충방전부(34)는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)에서 식별신호를 로우(LOW,0)가 아니라고 식별하여 충전 모드로 스위칭한다. 따라서 충방전부(34)는 충전 포트로 외부기기로부터 전달받는 전류를 전송할 준비를 한다.

이와 같이 충방전부(34)가 충전 모드가 되면, 제어부(35)는 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 상술한 바와 같이 기 설정된 기준전압(36)인 2V 보다 높은 경우이므로, 충방전부(34)를 통해 이차전지(32)에 충전되는 충전전류의 크기를 기 설정된 큰 전류, 예를 들면 2A 정도로 조정할 수 있다.

제어부(35)에의해 충방전부(34)의 충전전류가 조정되면, 충전기기로부터 마이크로유에스비 커넥터의 전원핀(VCC)(10)을 거친 전류가 충방전부(34)의 충전포트로 전송되어 충방전부(34)는 이차전지(32)를 고속으로 충전한다.

일 실시예에 따른 보조배터리(1)의 전체적인 동작구현을 세번째 예를 스마트폰을 방전케이블을 통해 보조배터리(1)의 커넥터(33)에 연결하는 상황을 통해 설명할 수 있다.

먼저, 충방전부(34)는 데이터플러스(D+)핀(11)을 통해 들어오는 전압을 검출하여 스마트폰이 연결됨을 인식할 수 있다. 일 예로 보조배터리(1)에 스마트폰이 연결되면 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 하이(HIGH, 1)이므로 외부기기의 연결을 알 수 있다.

다음으로, 스마트폰에서 사용하는 마이크로유에스비 케이블의 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선된 예를 들고 있으므로 충방전부(34)는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)에서 식별신호를 로우(LOW,0) 라고 식별하여 충전 모드로 스위칭한다. 이 때, 방전 모드로 스위칭된 단자는 충방전부(34)의 방전포트로 연결될 수 있다. 따라서 충방전부(34)는 이차전지(32)를 방전시킴으로써 방전 포트로 전류를 전송할 준비를 한다.

이와 같이 충방전부(34)가 방전 모드가 되면, 보조배터리(1)는 충방전부(34)의 방전포트로 이차전지(32)를 방전시킴으로써 생성되는 전류를 마이크로유에스비 커넥터의 전원핀(VCC)(10)을 출구로 하여 방전 기기로 전송할 수 있다.

한편, 제어부(35)는 마이크로컨트롤러유닛(Microcontroller Unit, MCU)으로써 앞서 서술한 제어부(35)의 기능들을 수행할 수 있다. 또한 제어부(35)는 비교기와 PWM 변조기를 포함함으로써 데이터플러스(D+)핀(11) 전압과 기 설정 기준전압을 비교함으로써 충방전부(34)의 충전전류를 제어할 수도 있다.

또한, 제어부(35)는 외부기기의 커넥터(33)의 전원핀(VCC)(10)의 신호를 입력으로 하는 디씨-디씨(Direct Current - Direct Current) 전력변환기의 출력 신호를 PWM으로 변조함으로써 충전전류를 제어할 수도 있다. PWM은 펄스 폭 제어에 의한 듀티사이클의 변조방식이다. 듀티사이클의 크기는 펄스 파형의 직류 성분에 대한 척도가 되므로, 제어부(35)에서 듀티사이클 크기를 조정하여 충방전부(34)의 충전전류의 직류 값을 변환함으로써 충방전부(34)가 목표로 하는 충전전류로 이차전지(32)를 충전하도록 제어할 수 있다.

도 3a는 본 발명에 따른 보조배터리(1)의 마이크로유에스비 케이블의 일 양상에 따른 구성을 나타내는 도면이다.

도 3b는 본 발명에 따른 보조배터리(1)의 마이크로유에스비 케이블의 다른 양상에 따른 구성을 나타내는 도면이다.

일 양상에 따르면, 보조배터리(1)는 충전 케이블(41)과, 방전 케이블(40)을 별도로 구비할 수 있다. 여기서 충전 케이블(41)은 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되어 있다.

다른 양상에 따르면, 방전 케이블(40)은 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되어 있지 않다.

일 실시예에서 충전 케이블(41)의 일단에는 마이크로유에스비 플러그가, 타단에는 유에스비 플러그가 있다. 일단은 보조 배터리에 접속되고, 타단은 충전 어댑터 혹은 랩탑 컴퓨터와 같은 충전 기기에 접속될 수 있다.

일 실시예에서 방전 케이블(40)의 일단에는 마이크로유에스비 플러그가, 타단에는 마이크로유에스비 유에스비 플러그가 있다. 일단은 보조 배터리에 접속되고, 타단은 전원을 공급받는 휴대폰 같은 전가 기기에 접속될 수 있다.

일 실시예에 따른 보조배터리(1)의 충전 케이블(41)의 일예로 충전 케이블(41)의 일단은 보조배터리(1)의 커넥터(33)에 연결하고 타단을 어댑터의 유에스비 커넥터(33)에 연결하여 사용하는 예를 들어 보조배터리(1)의 동작을 설명할 수 있다.

먼저, 충방전부(34)는 데이터플러스(D+)핀(11)을 통해 들어오는 전압이 하이(HIGH, 1)임을 검출하여 어댑터가 보조배터리(1)에 연결됨을 인식할 수 있다.

다음으로, 충방전부(34)는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)에서 식별신호를 로우(LOW,0)가 아니라고 식별하여 충전 모드로 스위칭한다. 이 때, 충전 모드로 스위칭된 단자는 충방전부(34)의 충전포트로 연결될 수 있다.

이와 같이 충방전부(34)가 충전 모드가 되면, 앞서 서술한 일 실시예에 따른 보조 배터리(1)의 동작에 따라 제어부(35)가 충방전부(34)의 충전전류를 조정할 수 있다.

이어서 어댑터로부터 전류가 충전 케이블(41)을 거쳐 충전 케이블(41) 일단의 커넥터(33)의 전원핀(VCC)(10)을 통해 충방전부(34)의 충전포트로 흘러 들어 이차전지(32)를 제어부(35)가 정한 충전전류로 충전할 수 있다.

일 실시예에 따른 보조배터리(1)의 방전 케이블(40)의 일예로 일단은 보조배터리(1)의 커넥터(33)에 연결하고 타단을 스마트폰의 마이크로유에스비 커넥터 연결하여 사용하는 예를 들어 보조배터리(1)의 동작을 설명할 수 있다.

먼저, 충방전부(34)는 데이터플러스(D+)핀(11)을 통해 들어오는 전압이 하이(HIGH, 1)임을 검출하여 스마트폰이 보조배터리(1)에 연결됨을 인식할 수 있다.

다음으로, 충방전부(34)는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)에서 식별신호를 로우(LOW,0)라고 식별하여 방전 모드로 스위칭한다. 이 때, 충전 모드로 스위칭된 단자는 충방전부(34)의 방전포트로 연결될 수 있다.

이와 같이 충방전부(34)가 방전 모드가 되면, 스마트폰으로부터 전류가 충전 케이블(41) 일단의 커넥터(33)의 전원핀(VCC)(10)을 거쳐 충방전부(34)의 충전포트로 흘러 들어 이차전지(32)를 제어부(35)가 정한 충전전류로 충전할 수 있다.

이와 같이 충방전부(34)가 방전 모드가 되면, 보조배터리(1)는 충방전부(34)의 방전포트로 이차전지(32)를 방전시킴으로써 생성되는 전류를 보조배터리(1) 커넥터(33)의 전원핀(VCC)(10)을 출구로 하여 방전 케이블(40)을 거쳐 스마트폰으로 전송할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 보조배터리(1)의 충방전부(34)의 구성 블록도를 나타낸 것이다.

도 4를 참고하면 충방전부(34)는 충방전 집적회로(20), 스위칭부(21), 및 충방전 제어부(22)를 포함할 수 있음을 알 수 있다.

충방전 집적회로(20)는 이차전지(32)를 충전 또는 방전시키는 회로이다. 충방전 집적회로(20)는 이차전지(32)의 양극과 음극 양단에 연결될 수 있다. 또한 충방전 집적회로(20)는 후술할 충방전 제어부(22)에 의해 충전 모드 또는 방전 모드로 스위칭된 스위칭부(21)의 하나의 단자와 연결된 충방전 집적회로(20)의 충전포트 또는 방전포트로 연결됨으로써 이차전지(32)를 충전시키거나 방전시킬 수 있다.

스위칭부(21)의 제 1 단자는 마이크로유에스비 커넥터의 전원핀(VCC)(10)에 연결되고, 제 2 단자는 충방전 집적회로(20)의 충전포트에 연결되고, 제 3 단자는 충방전 집적회로(20)의 방전 포트에 연결되는 구조를 포함할 수 있다. 스위치의 일단을 제 1 단자인 전원 단자로 사용하여 고정시키고 충방전 제어부(22)로부터 전달 받는 신호에 따라 제 2단자인 충방전 집적회로(20)의 충전포트 또는 충방전 집적회로(20)의 방전 포트로 스위치의 타단을 스위칭 할 수 있다.

충방전 제어부(22)는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)의 전압에 따라 스위칭부(21)의 제 1 단자를 제 2 단자 혹은 제 3 단자 중의 하나로 연결하도록 제어할 수 있다. 일 양상에 따르면 충방전 제어부(22)는 릴레이회로를 포함함으로써 스위칭부(21)의 스위치의 타단을 충전 포트 또는 방전 포트로 스위칭할 수 있다. 릴레이 회로는 코일을 포함하고 있는 회로로 코일에 전류가 흐르면 자석이 되는 성질을 이용해 전도성 물질을 끌어당길 수 있으므로 스위치부의 접점을 열거나 닫을 수 있다.

충방전 제어부(22)의 다른 예로 대한민국등록특허 제10-0415763호(2004. 01. 07)의 도면2에 나타난 실시예를 인용하여 충방전 제어부(22)를 설명할 수 있다. 인용특허의 도면2는 외부신호 검출회로와 제어회로 및 FET(전계효과 트랜지스터)1, FET(전계효과 트랜지스터)2, 이차전지(32)를 포함하는 회로로 구성되어 있다. 이를 충방전 제어부(22)의 일예에 적용하면, 충방전 제어부(22)가 도면2의 제어회로 및 FET1, FET2를 포함할 수 있다. 또한 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)에서의 전압은 도면2의 외부신호 검출회로에 입력되는 외부신호로 대응시킬 수 있다. 따라서 공개된 기술에 따라 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)은 외부신호 검출회로를 거쳐 충방전 제어부(22)의 입력신호를 제공할 수 있으며 이는 스위칭부(21)가 충전 포트 또는 방전 포트로 스위칭 될 수 있도록 할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 보조배터리(1)의 충방전부(34)의 충방전 제어부(22)의 일실시예에 따른 구성을 나타내는 도면이다.

도 6은 도 5의 설명을 돕기 위한 릴레이 회로를 나타낸 것이다.

도 5를 통해 충방전 제어부(22)는 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)(12)이 직접 스위칭부(21)의 스위칭 제어 입력에 연결될 수도 있음을 설명할 수 있다. 일례로 충방전 제어부(22)로써 도6의 릴레이 회로를 포함하는 경우를 들 수 있다. 릴레이 회로는 1번 단자를 스위칭부(21)의 제 1 단자, 2번 단자를 충전 포트로 연결되는 스위칭부(21)의 제 2 단자, 3번 단자를 방전포트로 연결되는 스위칭부(21)의 제 3 단자, 4번 단자를 릴레이 회로의 코일의 일단, 5번 단자를 릴레이 회로의 코일의 타단으로 하는 구성를 포함할 수 있다. 일예로, 릴레이 회로 코일의 일단을 5V로 고정하고 타단부 식별핀(ID)(12)에 연결시켜 놓을 수 있다.

일예로 보조배터리(1)와 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)과 쇼트된 케이블를 사용하여 스마트폰을 연결하는 경우를 들 수 있다. 먼저, 충방전부(34)는 데이터플러스(D+)핀(11)을 통해 들어오는 전압을 검출하여 스마트폰이 연결됨을 인식할 수 있다. 릴레이 회로의 일단은 5V이고 타단은 식별핀(ID)(12)과 연결된 0V가 되므로 코일에는 전류가 흐른다. 그 결과, 코일은 전도성이 있는 스위치를 끌어당겨 스위치의 일단을 코일과 가까운 3번 단자에 놓이게 할 수 있다. 이로써 스위칭부(21)는 스위치의 타단을 방전포트로 스위칭함으로써 충방전 집적회로(20)가 방전모드로 동작하도록 할 수 있다. 이어서 충방전부(34)는 충방전부(34)의 방전포트로 이차전지(32)를 방전시킴으로써 전류를 생성하여 전류를 마이크로유에스비 커넥터의 전원핀(VCC)(10)을 출구로 하여 방전 기기로 전송할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 보조배터리(1)의 전압 분할부(50)의 일실시예에 따른 구성을 나타내는 도면이다.

도 7에 나타난 바와 같이 전압 분할부(50)는 제어부(35)와 마이크로유에스비 커넥터의 전원핀(VCC)(10) 사이에 연결되어 전원핀(VCC)(10)의 전압을 분할할 수 있다. 전압 분할부(50)는 제 1저항(30), 제 2저항(31), 그리고 데이터플러스(D+)핀(11)과 연결된 데이터플러스(D+)핀(11) 연결단자(51)를 포함할 수 있다. 제 1저항(30)의 일단은 전원핀(VCC)(10)에, 타단은 데이터플러스(D+)핀(11)에 연결될 수 있다. 제 2저항(31)의 일단은 접지핀(GND)(13)에, 타단은 데이터플러스(D+)핀(11)에 연결될 수 있다.

전압 분할부(50)는 둘 이상의 서로 다른 정격전류용량을 갖는 충전기의 충전 가능한 최대 전류를 구분하는 위한 수단으로서의 기능할 수 있다. 즉, 제어부(35)는 전압 분할부(50)의 데이터플러스(D+)핀(11) 연결단자(51) 전압을 기 설정된 기준전압(36)과 비교한 결과를 기초로 하여 기 설정된 조건과 비교하여 충방전부(34)에서 이차전지(32)를 충전시킬 충전전류를 결정할 수 있다. 이 때, 제어부(35)는 마이크로컨트롤러유닛(Microcontroller Unit, MCU)이 될 수도 있고 비교기를 포함한 회로일 수도 있지만 본 발명을 효과적으로 설명하기 위해 본 실시예에서는 전자를 예로 들 것이다.

MCU에서 충방전부(34)의 충전전류를 제어하기 위하여 전압 분할부(50)에 포함하는 제 1저항(30), 제 2저항(31)의 값을 적당하게 설정할 수 있다. 본 실시예에 따른 일 양상에 따르면, 제 1저항(30), 제 2저항(31)으로써 가변저항을 사용할 수 있다.

보다 구체적으로, 정격전류용량이 5V/500Ma인 랩탑 컴퓨터와 정격전류용량이 5V/2A인 어댑터를 충전 기기로 사용하는 예를 들어 전압 분할부(50)를 설명할 수 있다.

먼저, 보조배터리(1)를 랩탑 컴퓨터로 충전하는 경우를 예로 들 수 있다. 보조배터리(1)를 식별핀(ID)(12)이 접지핀(GND)(13)에 전기적으로 결선되어있지 않는 마이크로유에스비 케이블에 연결된 랩탑 컴퓨터와 연결하면, 충방전부(34)는 식별핀(ID)(12)의 전압을 로우로 인식하여 충전포트로 스위칭할 수 있고 충방전 집적회로(20)는 이차전지(32)를 충전시키는 충전모드로 전환될 수 있다.

이제, 앞서 전압 분할부(50)는 둘 이상의 서로 다른 정격전류용량을 갖는 충전기를 구분하는 위한 수단으로써 사용된다고 기술한 부분에 관해 전압 분할부(50)의 제 2저항(31)의 일예를 설명함으로써 본 발명의 일 양상을 설명하고자 한다.

제 2저항(31)의 일단부는 데이터플러스(D+)핀(11)이 연결되어 있다. 데이터플러스(D+)핀(11)에서의 전압은 전원핀(VCC)(10)으로 인가되는 전압을 제 1저항(30)과 제 2저항(31)을 통해 분할시킨 결과 검출되는 전압을 의미한다. 따라서 이 검출 전압은 보조배터리(1)의 커넥터(33)에 연결되는 외부기기의 충전 가능한 최대 전류를 대표하는 척도가 될 수 있다. 따라서 제 1저항(30)의 저항값과 제 2저항(31)의 저항값을 적당히 설정함으로써 검출된 데이터플러스(D+)핀(11) 전압을 토대로 충전기의 충전가능한 최대 전류치를을 파악하고 이에 맞게 보조배터리(1)를 효율적으로 충전시킬 수 있는 충방전 집적회로(20)의 충전전류를 설정할 수 있다.

일 실시예에서 전압 분할부(50)의 기능을 설명하는 관점에서 벗어나지 않기 위해 전압 분할부(50)가 다른 회로부와 연결되어 발생할 수 있는 다른 효과는 배제 함으로써 전압 분할부(50)의 구성요소가 될 수 있는 제 1저항(30), 제 2저항(31)의 저항값의 설정의 일예에 대해 설명하고자 한다.

제 1저항(30)과 제 2저항(31)의 저항값 설정은 크게 두 가지를 고려하여 결정할 수 있다. 첫 번째로, 본 일례에서는 제어부(35)로써 MCU를 사용하고 있는데 MCU는 디지털 신호를 인식하기 때문에 데이터플러스(D+)핀(11)과 MCU사이에는 에이디 컨버터(Analog to Digital converter, A/D 컨버터)가 포함되어야 할 것이다. 따라서 A/D 컨버터가 인식할 수 있는 전압 범위 내에 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 포함되도록 전압 분할부(50)의 제 1저항(30)과 제 2저항(31)의 저항값 설정을 통해 전원핀(VCC)(10)의 전압을 스케일링할 필요성이 있다. 충전기로부터 인가되는 전원이 5V이고, 0V~5V를 인식하는 A/D 컨버터를 사용할 경우를 생각해 볼 수 있다. 이 경우, A/D 컨버터의 전압 인식 범위안에 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 들어올 수 있으므로, 제 1저항(30)의 저항값은 크고, 제 2저항(31)의 저항값은 작도록 설정할 수 있다. 이 때, 제 1저항(30)과 제 2저항(31)은 앞서 설명한 바와 같이 가변저항을 사용함으로써 각각의 값을 조정할 수 있다.

제 1저항(30)과 제 2저항(31)의 저항값 설정에 대한 두 번째 고려사항으로는 본 발명의 전압 분할부(50)의 핵심 기능인 서로 다른 정격전류용량을 사용하는 충전 기기의 충전가능한 최대 전류를 판단하는 수단으로써 적절하게 사용되도록 하는 데 있다. 충전 기기로, 랩탑 컴퓨터와 어댑터의 경우 각각 정격전류용량이 5V/500mA, 5V/2A인 경우를 들 수 있다. 0V~5V를 인식하는 A/D 컨버터를 사용할 경우, 제 1저항(30)과 제 2저항(31)의 저항값을 각각 2옴(Ω)으로 설정할 수 있다.

추후 기존에 사용하는 충전기의 정격전류용량과 다른 정격전류용량을 사용하는 충전기로 기존 충전기를 대체하여 사용하고 싶다면 저항값을 변경하여 사용할 수 있다.

이에 따르면 랩탑 컴퓨터와 어댑터의 데이터플러스(D+)핀(11) 전압으로 각각 1V, 4V를 MCU에서 검출될 수 있다. 따라서 이를 구분하기 위하여 MCU에서는 기 설정된 기준전압(36)을 2V로 미리 설정할 수 있다. 이에 따라 보조배터리(1)에 랩탑 컴퓨터를 연결할 경우, MCU에서는 데이터플러스(D+)핀(11) 전압인 1V가 기 설정된 기준전압(36)인 2V보다 작음을 인식하여 기 설정된 조건에 따른 충전전류로 충방전부(34)가 이차전지(32)를 충전하도록 조정할 수 있다.

이 때, MCU는 사전에 기 설정된 조건을 설정할 수 있다. 일예로, MCU는 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 기준전압 보다 작을 경우에는 충방전부(34)가 충전전류를 500mA로, 데이터플러스(D+)핀(11) 전압이 기준전압 보다 클 경우에는 충방전부(34)가 충전전류를 2A로 구동하도록 각 충전기의 충전가능한 최대 전류를 MCU에 기 설정할 수 있다.

따라서, 이 경우 MCU는 충방전부(34)가 충전전류를 500mA로 조정하여 충방전부(34)가 저속으로 이차전지(32)를 충전하도록 제어할 수 있다.

한편, MCU는 충방전부(34)가 충전전류를 조정하도록 제어하는 방편으로 펄스폭변조(Pulse Width Modulation, PWM)의 듀티사이클(Duty cycle)의 변조를 수행할 수 있다. PWM은 공지된 기술로써, 간략하게 요약할 수 있다. 즉, 듀티사이클의 크기는 펄스 파형의 직류 성분에 대한 척도가 되므로, MCU에서 듀티사이클 크기를 조정하여 충방전 집적회로(20)의 충전전류의 직류 값을 변환함으로써 충방전 집적회로(20)가 목표로 하는 충전전류로 이차전지(32)를 충전하도록 제어할 수 있다.

이와 같은 충전전류 제어방식은 충전 기기에 대한 선택의 폭이 넓어짐에 따라 필요성이 증가하고 있기에, 충전 기기별로 공급할 수 있는 최대 충전전류를 미리 정한 조건에 따라 설정함으로써 보조배터리(1)를 최대한 빨리 보조배터리(1)를 최대한 빨리 충전할 수 있게 한다. 즉, 보조배터리(1)를 저 충전전류용량을 갖는 충전기기를 통해서는 저속으로, 고 충전전류용량을 갖는 어댑터를 통해서는 고속으로 충전시킴으로써 충전의 효율성을 높일 수 있다.

본 발명은 보조배터리 기술분야에서 산업상으로 이용가능하다.

1: 보조배터리
2: 제 1 충전기
3: 제 2 충전기
10: 전원핀(VCC)
11: 데이터플러스(D+)핀
12: 식별핀(ID)
13: 접지핀(GND)
20: 충방전집적회로
21: 스위칭부
22: 충방전제어부
30: 제 1저항
31: 제 2저항
32: 이차전지
33: 커넥터
34: 충방전부
35: 제어부
36: 기 설정된 기준전압
40: 방전 케이블
41: 충전 케이블
50: 전압 분할부
51: 데이터플러스(D+)핀 연결단자

Claims (5)

1. 전하를 저장하는 이차전지;
   외부기기의 직렬 통신 케이블이 접속되는 마이크로유에스비 커넥터;
   상기 마이크로유에스비 커넥터에 일단이 연결될 수 있고 식별핀(ID)이 접지핀(GND)에 전기적으로 결선되어 있는 충전 케이블;
   상기 마이크로유에스비 커넥터에 일단이 연결될 수 있고 식별핀(ID)이 접지핀(GND)에 전기적으로 연결되어 있지 않는 마이크로유에스비 커넥터에 연결할 수 있는 방전 케이블;
   상기 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)에서 검출된 식별신호에 따라 충전 모드와 방전 모드 사이를 스위칭하여 상기 이차전지를 충전하거나 방전하는 충방전부; 및
   상기 커넥터의 데이터플러스(D+)핀의 전압을 입력받아 기 설정된 기준전압과 비교한 결과에 기초하여 상기 충방전부를 통해 상기 이차전지에 충전되는 충전전류의 크기를 제어하는 제어부;
   를 포함하는 보조배터리.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 충방전부는,
   충방전 집적회로;
   제 1 단자는 상기 커넥터의 전원단자(VCC)에 연결되고, 제 2 단자는 상기 충방전 집적회로의 충전포트에 연결되고, 제 3 단자는 상기 충방전 집적회로의 방전포트에 연결되는 스위칭부;
   상기 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀(ID)의 전압에 따라 상기 스위칭부의 제 1 단자를 제2 단자 혹은 제 3 단자 중의 하나로 연결하도록 제어하는 충방전 제어부;
   를 포함하는 보조배터리.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 충방전 제어부는,
   상기 마이크로유에스비 커넥터의 식별핀이 직접 상기 스위칭부의 스위칭 제어 입력에 연결되는 구성을 가지는 보조배터리.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 보조배터리는,
   제어부과 전원핀 사이에 연결되어 데이터핀 전압을 분할하는 전압 분할부를 더 포함하는 보조배터리.
   
   

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