KR101731415B1 - 배터리 보호회로 모듈, 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 보호회로 모듈, 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과전류 및 과열을 효과적으로 방지할 수 있고, 저비용으로 컴팩트하게 구현할 수 있는 배터리 보호회로 모듈에 관한 것으로서, 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 단자 및 제 2 단자와, 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 3 단자 및 제 4 단자와, 상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 적어도 하나의 제 1 트랜지스터, 및 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛과, 상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되며 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터와 직렬 연결되는 적어도 하나의 제 2 트랜지스터, 및 상기 제 2 트랜지스터를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자를 포함한다.

Description

배터리 보호회로 모듈, 및 이를 포함하는 배터리 팩{Battery protection circuit module and battery pack including the same}
본 발명은 전자장치용 배터리에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리 셀을 보호하기 위한 배터리 보호회로 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 휴대폰, PDA 등의 전자장치 등에 배터리가 사용되고 있다. 리튬이온 배터리는 휴대단말기 등에 가장 널리 사용되는 배터리로 과충전, 과전류 시에 발열하고, 발열이 지속되어 온도가 상승하게 되면 성능열화는 물론 폭발의 위험성까지 갖는다. 따라서, 이러한 성능 열화를 방직하기 위해서 배터리의 동작을 차단하는 배터리 보호회로 장치를 배터리에 제공해야 할 필요성이 높아지고 있다.
통상적으로, 과전류 및 과열을 차단하기 위하여 써미스터 소자, 예컨대 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 배터리 보호회로 장치에 부가적으로 사용하고 있다. 이러한 PTC 소자는, 예를 들어, 도전성 입자를 결정성 고분자에 분산시킴으로써 형성될 수 있다. 설정된 온도 이하에서 PTC 소자는 도전성의 연결부재 사이에서 전류가 흐르는 통로가 된다. 그러나 과전류 발생으로 인해 설정 온도 이상이 되면 결정성 고분자가 팽창되어 결정성 고분자에 분산되어 있는 상기 도전성 입자 사이의 연결이 분리되면서 저항이 급격하게 증가된다. 따라서 도전성의 연결부재 사이의 전류의 흐름이 차단되거나 전류의 흐름이 감소된다. 이와 같이 PTC 소자에 의해 전류의 흐름이 차단될 수 있으므로, PTC 소자는 배터리의 파열을 방지하는 안전장치의 역할을 수행한다. 그리고 다시 설정 온도 이하로 냉각되면 PTC 소자에서 결정성 고분자가 수축하여 도전성 입자 사이의 연결이 복원되므로 전류의 흐름이 원활하게 수행될 수 있다. 그러나 이러한 PTC 소자는 부품의 단가가 높아 전체 제조비용이 상승하고, 배터리의 크기를 크게 한다는 문제점을 가진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 과전류 및/또는 과열을 효과적으로 차단하면서 집적화 및 소형화에 유리한 배터리 보호회로 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 배터리 보호회로 모듈은 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 단자 및 제 2 단자와, 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 3 단자 및 제 4 단자와, 상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 적어도 하나의 제 1 트랜지스터, 및 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛과, 상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되며 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터와 직렬 연결되는 적어도 하나의 제 2 트랜지스터, 및 상기 제 2 트랜지스터를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자를 포함한다.
상기 배터리 보호회로 모듈에 있어서, 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터는 서로 직렬 연결된 제 1 전계효과 트랜지스터 및 제 2 전계효과 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에 있어서, 상기 제 1 보호회로 유닛은 제 1 프로텍션 집적회로 소자와 접속되는 적어도 하나의 제 1 수동소자를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에 있어서, 상기 적어도 하나의 제 2 트랜지스터는 서로 직렬 연결된 제 3 전계효과 트랜지스터 및 제 4 전계효과 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에 있어서, 상기 제 2 보호회로 유닛은 제 2 프로텍션 집적회로 소자와 접속되는 적어도 하나의 제 2 수동소자를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에 있어서, 상기 제 1 보호회로 유닛 및 상기 제 2 보호회로 유닛 둘 중 적어도 하나의 유닛은 피티씨 써미스터를 대체하도록 과전류 보호용으로 동작할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에 있어서, 제 1 보호회로 유닛에서 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자는 상기 배터리 베어셀의 과충전 및/또는 과방전을 제어하도록 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터를 제어하고, 상기 제 2 보호회로 유닛에서 상기 2 프로텍션 집적회로 소자는 상기 배터리 베어셀로 흐르는 과전류를 차단하도록 상기 적어도 하나의 제 2 트랜지스터를 제어할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에 있어서, 제 1 보호회로 유닛과 제 2 보호회로 유닛은 서로 동일한 배치의 소자들로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 배터리 팩은, 배터리 베어셀과, 상기 배터리 베어셀과 접속되는 배터리 보호회로 모듈을 포함한다. 상기 배터리 보호회로 모듈은, 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 단자 및 제 2 단자와, 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 3 단자 및 제 4 단자와, 상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 적어도 하나의 제 1 트랜지스터, 및 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛과, 상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되며 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터와 직렬 연결되는 적어도 하나의 제 2 트랜지스터, 및 상기 제 2 트랜지스터를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 2 보호회로 유닛을 포함한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따르면, 과전류 및 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 배터리 보호회로와 이를 저비용으로 컴팩트하게 구현할 수 있는 배터리 보호회로 패키지를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈을 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈을 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 보여주는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
본 발명의 실시예들에서, 리드프레임은 금속 프레임에 리드 단자들이 패터닝 된 구성으로서, 절연코어 상에 금속 배선층이 형성된 인쇄회로기판과는 그 구조나 두께 등에서 구분될 수 있다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 동일한 참조부호에 대하여, 배터리 보호회로의 관점에서는 회로의 개념으로 설명할 수 있으나, 배터리 보호회로 패키지의 관점에서는 소자나 회로부품의 개념으로 설명할 수 있다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 집적회로(IC, integrated circuit)는 특정의 복잡한 기능을 처리하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적화한 전자부품을 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈을 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 이 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈은 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 단자(102)와 제 2 단자(104)와, 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 3 단자(106)와 제 4 단자(108)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 단자(102)는 배터리 팩 내부의 배터리 베어셀의 양극과 연결되는 내부 양극 단자(B+)이고, 제 2 단자(104)는 배터리 베어셀의 음극과 연결되는 내브 음극 단자(B-)이고, 제 3 단자(106)는 배터리 팩 외부의 충전기 또는 전자기기의 양극에 연결되는 외부 양극 단자(P+)이고, 제 4 단자(108)는 충전기 또는 전자기기의 음극에 연결되는 외부 음극 단자(P-)일 수 있다.
나아가, 도면에서 도시되지 않았으나, 본 발명의 일부 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈은 별도의 추가적인 외부 연결 단자를 더 포함할 수 있다.
제 1 보호회로 유닛(110)은 제 1 단자(102) 또는 제 2 단자(104) 중 적어도 하나와 제 3 단자(106) 및 제 4 단자(108) 중 적어도 하나 사이에 접속되는 적어도 하나의 제 1 트랜지스터(112)와, 제 1 트랜지스터(112)를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 트랜지스터(112)는 제 2 단자(104)와 제 4 단자(108) 사이에 접속되고, 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 이러한 제 1 트랜지스터(112)를 제어하도록 적어도 제 1 트랜지스터(112)의 게이트 단자에 전기적으로 연결될 수 있다.
제 2 보호회로 유닛(120)은 제 1 단자(102) 또는 제 2 단자(104) 중 적어도 하나와 제 3 단자(106) 및 제 4 단자(108) 중 적어도 하나 사이에 접속되는 적어도 하나의 제 2 트랜지스터(122)와, 제 2 트랜지스터(122)를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 트랜지스터(122)는 제 2 단자(104)와 제 4 단자(108) 사이에 접속되고, 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)는 이러한 제 2 트랜지스터(122)를 제어하도록 적어도 제 2 트랜지스터(122)의 게이트 단자에 전기적으로 연결될 수 있다. 나아가, 제 1 트랜지스터(112)와 제 2 트랜지스터(122)는 서로 직렬로 연결될 수 있다.
제 1 보호회로 유닛(110) 및/또는 제 2 보호회로 유닛(120)은 배터리의 과방전, 과충전 및/또는 과전류를 감지하여 배터리 베어셀의 충방전 또는 동작을 차단할 수 있다. 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 서로 보완적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 직렬로 구성되어 동일하게 배터리의 과방전, 과충전 및/또는 과전류를 감지하여 배터리 베어셀의 충방전 또는 동작을 차단하도록 동작할 수 있다. 이에 따라, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120) 중 어느 하나에 문제가 발생하더라도 다른 하나를 이용하여 이중으로 배터리를 보호할 수 있다.
다른 예로, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 서로 기능적으로 구분되어 사용될 수도 있다. 이 경우, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120) 중 적어도 하나의 유닛은 종래의 과전류 보호용 장치, 예컨대 피티씨(PTC) 써미스터를 대체하도록 동작할 수 있다. 예를 들어, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120) 중 하나는 배터리의 과방전과 과충전을 제어하고, 다른 하나는 과전류를 감지하도록 제어할 수 있다.
구체적으로, 제 1 보호회로 유닛(110)에서 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 배터리 베어셀의 과충전 및/또는 과방전을 제어하도록 제 1 트랜지스터(112)를 제어하고, 제 2 보호회로 유닛(120)에서 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)는 배터리 베어셀로 흐르는 과전류를 차단하도록 제 2 트랜지스터(122)를 제어할 수 있다. 다른 예로, 제 2 보호회로 유닛(120)에서 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)는 배터리 베어셀의 과충전 및/또는 과방전을 제어하도록 제 2 트랜지스터(122)를 제어하고, 제 1 보호회로 유닛(110)에서 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 배터리 베어셀로 흐르는 과전류를 차단하도록 제 1 트랜지스터(112)를 제어할 수 있다.
이하에서는 제 1 보호회로 유닛(110)의 구성 및 동작을 보다 구체적으로 설명한다.
제 1 트랜지스터(112)는 서로 직렬 연결된 제 1 전계효과 트랜지스터(114) 및 제 2 전계효과 트랜지스터(116)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 전계효과 트랜지스터(114)와 제 2 전계효과 트랜지스터(116)는 서로 동일한 타입, 예컨대 N타입 모스펫(NMOSFET)일 수 있고, 제 2 단자(104)와 제 4 단자(116) 사이의 노드(n5)에서 서로 드레인(drain)을 공유하도록 직렬 연결될 수 있다. 이에 따라, 제 1 전계효과 트랜지스터(114)와 제 2 전계효과 트랜지스터(116)의 드레인과 소스 사이에는 적어도 하나의 역방향의 다이오드가 구성되어, 제 2 단자(104)와 제 4 단자(116)의 전류 흐름을 제어할 수 있게 된다.
제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 제 1 트랜지스터(112), 예컨대 제 1 전계효과 트랜지스터(114) 및 제 2 전계효과 트랜지스터(116)를 제어하는 제어로직을 내부에 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어로직은 기준전압 설정부, 기준전압과 충방전 전압을 비교하기 위한 비교부, 과전류 검출부, 충방전 검출부를 포함할 수 있다. 충전 및 방전상태의 판단 기준은 유저가 요구하는 스펙(SPEC)으로 변경이 가능하며 그 정해진 기준에 따라 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)의 각 단자별 전압차를 인지하여 충ㆍ방전상태를 판정한다. 예를 들어, 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 제어로직을 출력하기 위해서, 기준단자(Vss), 전원단자(Vdd), 감지단자(V-), 방전차단신호출력단자(Dout) 및 충전차단신호출력단자(Cout)를 포함할 수 있다.
제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 적어도 하나의 수동소자를 개재하여 노드(n1, n3, n7)에 연결될 수 있다. 예컨대, 전원단자(vdd)는 저항(R11)을 개재하여 제 1 단자(102)와 제 2 단자(106) 사이의 노드(n1)에 접속되고, 기준단자(Vss)는 제 2 단자(104)와 제 4 단자(108) 사이의 노드(n3)에 접속될 수 있다. 노드(n1)와 노드(n3) 사이의 기준단자(Vss)와 전원단자(Vdd) 사이에는 두 노드(n1, n3) 사이의 단락을 방지하기 위해서 커패시터(C11)가 개재될 수 있다. 감지단자(V-)는 저항(R12)을 개재하여 노드(n7)에 접속될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 기준단자(Vss)의 전압을 기준으로, 전원단자(Vdd)를 통해서 충전전압 또는 방전전압을 인가할 수 있고, 감지단자(V-)를 통해서 충방전 및 과전류 상태를 감지할 수 있다.
방전차단신호출력단자(Dout)는 배터리의 방전시 제 1 트랜지스터(112)의 온-오프(on-off)를 제어하기 위해서, 제 1 전계효과 트랜지스터(114)의 게이트에 접속될 수 있다. 충전차단신호출력단자(Cout)는 배터리의 충전시 제 1 트랜지스터(112)의 온-오프(on-off)를 제어하기 위해서, 제 2 전계효과 트랜지스터(116)의 게이트에 접속될 수 있다.
배터리의 충전 시 충전전류는 제 3 단자(106)로부터 제 1 단자(102) 방향으로, 그리고 제 2 단자(104)로부터 제 4 단자(108) 방향으로 흐르게 된다. 배터리의 방전 시 방전전류는 제 1 단자(102)로부터 제 3 단자(106) 방향 그리고, 제 4 단자(108)로부터 제 2 단자(104) 방향으로 흐르게 된다.
제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 배터리 방전 시에 과전류 또는 과방전 상태를 감지하면, 방전차단신호출력단자(Dout)를 통해 로우(LOW) 신호를 출력하여 제 1 전계효과 트랜지스터(114)를 오프 시키고, 배터리 충전 시에 과전류 또는 과충전 상태를 감지하면 충전차단신호출력단자(Cout)를 통해서 로우(LOW) 신호를 출력하여 제 2 전계효과 트랜지스터(116)를 오프 시키도록 동작할 수 있다. 이에 따라, 서로 직렬 연결된 제 1 전계효과 트랜지스터(114)와 제 2 전계효과 트랜지스터(116) 중 적어도 하나가 오프되게 됨에 따라서, 제 2 단자(104)에서 제 4 단자(108) 사이의 회로가 차단되어 배터리의 과충전, 과방전 및/또는 과전류가 차단될 수 있다.
저항(R11)과 커패시터(C11)는 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)의 공급전원의 변동을 안정시키는 역할을 한다. 저항(R11)의 저항값을 크게 하면 전압 검출 시 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118) 내부에 침투되는 전류에 의해서 검출전압이 높아지기 때문에 저항(R11)의 저항값은 소정의 값, 예컨대 1KΩ 이하의 값으로 설정될 수 있다. 또한, 안정된 동작을 위해서 커패시터(C11)의 용량값은 적절하게 조절될 수 있고, 예컨대 0.01μF 이상의 적당한 값을 가질 수 있다.
저항(R11), 저항(R12)은 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)의 절대 최대정격을 초과하는 고전압 충전기 또는 충전기가 거꾸로 연결되는 경우 전류 제한 저항이 된다. 저항(R11), 저항(R12)은 전원소비의 원인이 될 수 있으므로 통상적으로 저항(R11)에서의 저항값과 저항(R12)에서의 저항값의 합은 1KΩ 보다 크게 설정될 수 있다. 저항(R12)의 저항값이 너무 크다면 과충전 차단 후에 복귀가 일어나지 않을 수 있으므로, 저항(R12)의 저항값은 10KΩ 또는 그 이하의 값으로 설정될 수 있다.
커패시터(C11)는 배터리 보호회로 제품의 특성에 크게 영향을 끼치지는 않지만, 유저의 요청이나 안정성을 위해 추가되고 있다. 커패시터(C11)는 전압변동이나 외부 노이즈에 대한 내성을 향상시켜 시스템을 안정화시키는 효과를 위한 것이다.
선택적으로, 도면에 도시되지 않았으나, ESD(Electrostatic Discharge), 서지(surge) 보호를 위하여, 저항 및 배리스터가 서로 병렬 연결되는 구조가 부가될 수 있다. 배리스터 소자는 과전압 발생시 저항이 낮아지는 소자로, 과전압이 발생되는 경우 저항이 낮아져 과전압으로 인한 회로손상 등을 최소화할 수 있다. 전술한 제 1 보호회로 유닛(110)에서 수동소자의 수나 배치는 부가 기능에 따라서 적절하게 변형될 수 있다.
이하에서는 제 2 보호회로 유닛(120)의 구성 및 동작을 보다 구체적으로 설명한다. 예를 들어, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 동일 또는 유사한 회로배치의 소자들로 구성될 수 있고, 이 경우 중복되는 설명은 생략한다.
제 2 트랜지스터(122)는 서로 직렬 연결된 제 3 전계효과 트랜지스터(124) 및 제 4 전계효과 트랜지스터(126)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 3 전계효과 트랜지스터(124)와 제 4 전계효과 트랜지스터(126)는 서로 동일한 타입, 예컨대 N타입 모스펫(NMOSFET)일 수 있고, 제 2 단자(104)와 제 4 단자(116) 사이의 노드(n6)에서 서로 드레인(drain)을 공유하도록 직렬 연결될 수 있다. 이에 따라, 제 3 전계효과 트랜지스터(124)와 제 4 전계효과 트랜지스터(126)의 드레인과 소스 사이에는 적어도 하나의 역방향의 다이오드가 구성되어, 제 2 단자(104)와 제 4 단자(116)의 전류 흐름을 제어할 수 있게 된다.
제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)는 제 2 트랜지스터(122), 예컨대 제 3 전계효과 트랜지스터(124) 및 제 4 전계효과 트랜지스터(126)를 제어하는 제어로직을 내부에 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어로직은 기준전압 설정부, 기준전압과 충방전 전압을 비교하기 위한 비교부, 과전류 검출부, 충방전 검출부를 포함할 수 있다.예를 들어, 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)는 제어로직을 출력하기 위해서, 기준단자(Vss), 전원단자(Vdd), 감지단자(V-), 방전차단신호출력단자(Dout) 및 충전차단신호출력단자(Cout)를 포함할 수 있다.
제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)는 적어도 하나의 수동소자를 개재하여 노드(n2, n4, n8)에 연결될 수 있다. 예컨대, 전원단자(vdd)는 저항(R21)을 개재하여 제 1 단자(102)와 제 2 단자(106) 사이의 노드(n2)에 접속되고, 기준단자(Vss)는 제 2 단자(104)와 제 4 단자(108) 사이의 노드(n4)에 접속될 수 있다. 노드(n2)와 노드(n4) 사이의 기준단자(Vss)와 전원단자(Vdd) 사이에는 두 노드(n2, n4) 사이의 단락을 방지하기 위해서 커패시터(C21)가 개재될 수 있다. 감지단자(V-)는 저항(R22)을 개재하여 노드(n8)에 접속될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)는 기준단자(Vss)의 전압을 기준으로, 전원단자(Vdd)를 통해서 충전전압 또는 방전전압을 인가할 수 있고, 감지단자(V-)를 통해서 충방전 및 과전류 상태를 감지할 수 있다. 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)는 그 기능의 유사성으로 인해서 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)와 동일한 구조로 제조될 수 있으나, 서로 부가기능을 달리하는 경우 일부 차이가 나게 제조될 수도 있다.
방전차단신호출력단자(Dout)는 배터리의 방전시 제 2 트랜지스터(122)의 온-오프(on-off)를 제어하기 위해서, 제 3 전계효과 트랜지스터(124)의 게이트에 접속될 수 있다. 충전차단신호출력단자(Cout)는 배터리의 충전시 제 2 트랜지스터(122)의 온-오프(on-off)를 제어하기 위해서, 제 4 전계효과 트랜지스터(126)의 게이트에 접속될 수 있다.
제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)는 배터리 방전 시에 과전류 또는 과방전 상태를 감지하면, 방전차단신호출력단자(Dout)를 통해 로우(LOW) 신호를 출력하여 제 3 전계효과 트랜지스터(124)를 오프 시키고, 배터리 충전 시에 과전류 또는 과충전 상태를 감지하면 충전차단신호출력단자(Cout)를 통해서 로우(LOW) 신호를 출력하여 제 4 전계효과 트랜지스터(126)를 오프 시키도록 동작할 수 있다. 이에 따라, 서로 직렬 연결된 제 3 전계효과 트랜지스터(124)와 제 4 전계효과 트랜지스터(126) 중 적어도 하나가 오프되게 됨에 따라서, 제 2 단자(104)에서 제 4 단자(108) 사이의 회로가 차단되어 배터리의 과충전, 과방전 및/또는 과전류가 차단될 수 있다.
저항(R21, R22)과 커패시터(C21)은 제 1 보호회로 유닛(110)의 저항(R11, R12)과 커패시터(C11)을 참조할 수 있고, 따라서 중복된 설명은 생략된다. 다만, 제 2 보호회로 유닛(120)에서 저항(R21, R22)과 커패시터(C21) 값은 제 1 보호회로 유닛(110)의 저항(R11, R12)과 커패시터(C11) 값과 같을 수도 있고, 미세 조정을 위해서 다를 수도 있다.
선택적으로, 도면에 도시되지 않았으나, ESD(Electrostatic Discharge), 서지(surge) 보호를 위하여, 저항 및 배리스터가 서로 병렬 연결되는 구조가 부가될 수 있다. 전술한 제 2 보호회로 유닛(120)에서 수동소자의 수나 배치는 부가 기능에 따라서 적절하게 변형될 수 있다.
전술한 본 발명의 듀얼 보호회로 구성에 따르면, 배터리 베어셀을 제 1 및 제 2 보호회로 유닛(110, 120)의 이중 보호 구조를 이용하여 보호하게 됨에 따라서, 종래의 과전류 또는 과열 보호 장치, 예컨대 PTC 써미스터 또는 바이메탈 접합구조 등을 생략할 수 있어서, 그 전체 부피를 줄일 수 있다. 제 1 및 제 2 보호회로 유닛(110, 120)은 반도체칩으로 구현 가능하기 때문에 실리콘 공정 기술을 이용하면 마이크로 내지 나노 미터 단위로 미소하게 제작할 수 있기 때문이다.
예를 들어, 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118), 제 2 프로텍션 집적회로 소자, 제 1 내지 제 4 전계효과 트랜지스터(114, 116, 124, 126)를 모두 반도체칩으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 수동 소자들, 예컨대 저항들(R11, R12, R21, R22), 커패시터들(C11, C21)도 칩형태로 제조할 수 있다. 이러한 칩 구조는 표면실장기술을(surface mounting technology, SMT) 이용하여 용이하게 기판 상에 실장될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 서로 거의 동일한 기능을 수행하면서 이중적으로 배터리 베어셀을 보호할 수 있다. 이 경우, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 거의 동일한 회로소자와 회로배치를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 일부 실시예에서, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 서로 동일 또는 유사한 기능을 수행하면서, 부가적으로 서로 다른 기능을 더 수행할 수도 있다. 이 경우, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 대체로 유사한 회로소자와 회로배치를 갖되, 부가적인 차별점을 가질 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예들에서, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)이 듀얼로 부가됨에 따라서, 종래 보다 NMOSFET의 수가 2배로 늘어 내부 저항이 증가할 수 있다. 이에 따라, 제 1 내지 제 4 전계효과 트랜지스터들(114, 116, 124, 126)은 종래보다 2 내지 3배 정도 크게 제조되어 종래 수준으로 내부 저항을 줄일 수도 있다. 다만, 이 경우에도 제 1 내지 제 4 전계효과 트랜지스터들(114, 116, 124, 126)의 크기 및 스펙은 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 전술한 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 기판(50) 상에 실장될 수 있다. 예를 들어, 기판(50)은 인쇄회로기판 또는 리드프레임을 포함할 수 있다. 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 몰딩재(55)를 이용하여 하나의 패키지로 봉지될 수 있다.
이 실시예의 변형된 예에서, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)은 그 부피를 줄이기 위해서 각각 칩스케일 패키지(chip scale package, CSP) 형태로 기판(50) 상에 실장될 수도 있다. 이 경우, 제 1 보호회로 유닛(110)과 제 2 보호회로 유닛(120)는 각각 패키지화 되어 기판(50) 상에 실장될 수 있다.
이 실시예의 다른 변형된 예에서, 제 1 보호회로 유닛(110)에서 제 1 전계효과 트랜지스터(114), 제 2 전계효과 트랜지스터(116) 및 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 제 1 전계효과 트랜지스터(114)와 제 2 전계효과 트랜지스터(116) 상에 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)가 적층된 적층 패키지 구조나 또는 패키지-온-패키지(package on package, POP) 구조로 제조될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 보여주는 개략적인 전개 사시도이다.
도 3을 참조하면, 배터리 캔(400) 내에 내장된 배터리 베어셀의 상부면과 상부케이스(500) 사이에 상술한 배터리 보호회로 모듈(300)이 삽입되어 배터리 팩(600)을 구성하게 된다. 상부케이스(500)는 플라스틱 및/또는 금속 재질로 외부연결단자들(P+, P-)이 노출될 수 있도록 대응되는 부분에 관통홀(550)이 형성되어 있다.
이러한 배터리 베어셀은 전극 조립체와 캡 조립체를 포함하여 구성된다. 전극 조립체는 양극 집전체에 양극 활물질을 도포해서 형성된 양극판, 음극 집전체에 음극 활물질을 도포해서 형성된 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재되어 두 극판의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 세퍼레이터로 이루어질 수 있다. 전극 조립체에는 상기 양극판에 부착된 양극탭과 상기 음극판에 부착된 음극탭이 인출되어 있다.
캡 조립체는 음극단자(410), 가스켓(420), 캡 플레이트(430) 등을 포함한다. 캡 플레이트(430)는 양극단자의 역할을 할 수 있다. 음극단자(410)는 음극셀 또는 전극셀로 명명될 수도 있다. 가스켓(420)은 음극단자(410)와 캡 플레이트(430)를 절연시키기 위하여 절연성 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 배터리 베어셀의 전극단자는 음극단자(410)와 캡 플레이트(430)를 포함할 수 있다.
배터리 베어셀의 전극단자는 제 1 극성(예를 들어, 양극)의 플레이트(430)와 플레이트(430) 내의 중앙에 배치되는 제 2 극성(예를 들어, 음극)의 전극셀(410)을 포함하며, 제 1 내부연결단자용 리드(B+)는 제 1 극성(예를 들어, 양극)의 플레이트(430)와 접합하여 전기적으로 연결되고, 제 2 내부연결단자용 리드(B-)는 제 2 극성(예를 들어, 음극)의 전극셀(410)과 접합하여 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 리드프레임(50)의 길이는 제 1 극성(예를 들어, 양극)의 플레이트(430)의 일단에서 제 2 극성(예를 들어, 음극)의 전극셀(410)까지의 길이(L/2)에 해당할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 제 2 극성(예를 들어, 음극)의 전극셀(410)을 기준으로 상단 부분의 편측 영역만을 사용하여 배터리 보호회로 패키지모듈(300)을 장착하므로, 배터리의 소형화 또는 고용량화를 구현할 수 있다. 예를 들어, 전극셀(410)의 다른 편측 영역에 셀을 더 형성하여 배터리 용량을 늘이거나 또는 다른 추가 기능을 갖는 칩 등을 배치함으로써 이러한 배터리를 갖는 응용제품의 소형화에 기여할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 배터리 보호회로 모듈 및 이를 구비하는 배터리 팩은 종래의 과전류 또는 과열 보호 장치, 예컨대 PTC 써미스터를 사용한 제품에 비해서 다음과 같은 유리한 효과를 가진다.
첫째, 본 발명의 실시예들에서는 PTC 써미스터보다 상대적으로 부품 단가가 낮은 전자 부품을 사용하면서도 효과적으로 과전류를 차단할 수 있다. 일반적으로 PTC 써미스터의 단가가 높아 배터리 보호회로 장치의 생산단가를 상승시키는 주요한 원인이 되고 있다. 본 발명에 따르면 이러한 문제점을 효과적으로 극복할 수 있을 것으로 기대된다.
둘째, PTC 써미스터는 배터리 보호회로 패키지의 외부에 배치되기 때문에 PTC 써미스터와 배터리 보호회로 패키지를 접합하는 공정이 추가적으로 필요하며, 접합 공정의 불량에 따른 구조체의 강도 저하가 수반될 수 있다. 즉, PTC 써미스터의 금속층과 배터리 보호회로 모듈의 리드를 레이저 용접이나 저항용접 등으로 접합하는 공정이 추가적으로 필요하며, 접합된 어셈블리의 구조적 강도는 상대적으로 취약할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110, 120 : 배터리 보호회로 유닛
118, 128 : 프로텍션 집적회로 소자
114, 116, 124, 126 : 전계효과 트랜지스터

Claims (10)

  1. 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 단자 및 제 2 단자;
    충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 3 단자 및 제 4 단자;
    상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 적어도 하나의 제 1 트랜지스터, 및 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛; 및
    상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되며 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터와 직렬 연결되는 적어도 하나의 제 2 트랜지스터, 및 상기 제 2 트랜지스터를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 2 보호회로 유닛을 포함하고,
    제 1 보호회로 유닛과 제 2 보호회로 유닛은 서로 동일한 배치의 소자들로 구성되어 이중적으로 상기 배터리 베어셀을 보호하고,
    상기 제 1 보호회로 유닛 및 상기 제 2 보호회로 유닛 둘 중 적어도 하나의 유닛은 피티씨 써미스터를 대체하도록 과전류 보호용으로 동작하고,
    상기 제 1 보호회로 유닛의 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터 및 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자와 상기 제 2 보호회로 유닛의 상기 적어도 하나의 제 2 트랜지스터 및 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는 각각 반도체칩으로 제조되는, 배터리 보호회로 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터는 서로 직렬 연결된 제 1 전계효과 트랜지스터 및 제 2 전계효과 트랜지스터를 포함하는, 배터리 보호회로 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 보호회로 유닛은 제 1 프로텍션 집적회로 소자와 접속되는 적어도 하나의 제 1 수동소자를 더 포함하는, 배터리 보호회로 모듈.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 2 트랜지스터는 서로 직렬 연결된 제 3 전계효과 트랜지스터 및 제 4 전계효과 트랜지스터를 포함하는, 배터리 보호회로 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 보호회로 유닛은 제 2 프로텍션 집적회로 소자와 접속되는 적어도 하나의 제 2 수동소자를 더 포함하는, 배터리 보호회로 모듈.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    제 1 보호회로 유닛에서 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자는 상기 배터리 베어셀의 과충전 및/또는 과방전을 제어하도록 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터를 제어하고,
    상기 제 2 보호회로 유닛에서 상기 2 프로텍션 집적회로 소자는 상기 배터리 베어셀로 흐르는 과전류를 차단하도록 상기 적어도 하나의 제 2 트랜지스터를 제어하는, 배터리 보호회로 모듈.
  8. 삭제
  9. 배터리 베어셀; 및
    상기 배터리 베어셀과 접속되는 배터리 보호회로 모듈을 포함하고,
    상기 배터리 보호회로 모듈은,
    상기 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 단자 및 제 2 단자;
    충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 3 단자 및 제 4 단자;
    상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 적어도 하나의 제 1 트랜지스터, 및 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛; 및
    상기 제 1 단자 또는 제 2 단자 중 적어도 하나와 상기 제 3 단자 및 제 4 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되며 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터와 직렬 연결되는 적어도 하나의 제 2 트랜지스터, 및 상기 제 2 트랜지스터를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 2 보호회로 유닛을 포함하고,
    제 1 보호회로 유닛과 제 2 보호회로 유닛은 서로 동일한 배치의 소자들로 구성되어 이중적으로 상기 배터리 베어셀을 보호하고,
    상기 제 1 보호회로 유닛 및 상기 제 2 보호회로 유닛 둘 중 적어도 하나의 유닛은 피티씨 써미스터를 대체하도록 과전류 보호용으로 동작하고,
    상기 제 1 보호회로 유닛의 상기 적어도 하나의 제 1 트랜지스터 및 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자와 상기 제 2 보호회로 유닛의 상기 적어도 하나의 제 2 트랜지스터 및 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는 각각 반도체칩으로 제조되는,
    배터리팩.
  10. 삭제
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