KR101748866B1 - 배터리 충방전 보호 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PTC 대신에 프로텍션 IC를 채택하여 2차 보호회로를 구성함에 있어서 2차 보호회로가 1차 보호회로에 구비된 한 쌍의 FET를 함께 사용함으로써 FET를 통한 전압 강하를 감소시키고 전류 센싱의 편차를 제거할 수 있도록 한 배터리 충방전 보호 장치에 관한 것이다.
본 발명은 배터리 전원(B/C)의 (+) 및 (-) 단자인 제1 내부 연결단자(B+) 및 제2 내부 연결단자(B-), 충전시에는 충전기에 연결되고 방전시에는 배터리 전원(B/C)에 연결되는 제1 외부연결단자(P+) 및 제2 외부연결단자(P-)를 구비한 배터리 충방전 보호 장치에 있어서, 1차 프로텍션 IC와 그 주변 회로소자; 배터리에 대한 충전 및 방전을 각각 허용 및 차단하는 한 쌍의 FET 및 상기 1차 프로텍션 IC와 동일한 회로 구성을 갖는 2차 프로텍션 IC와 그 주변 회로소자를 포함하여 이루어지고, 상기 한 쌍의 FET는 상기 1차 또는 2차 프로텍션 IC의 제어에 따라 동작하되, 상기 한 쌍의 FET에 대한 상기 1차 및 2차 프로텍션 IC의 제어 조건은 상이하게 설정되는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 충방전 보호 장치{apparatus for protecting battery charge/discharge}

본 발명은 배터리 충방전 보호 장치에 관한 것으로, 특히 PTC 대신에 프로텍션 IC를 채택하여 2차 보호회로를 구성함에 있어서 2차 보호회로가 1차 보호회로에 구비된 한 쌍의 FET를 함께 사용함으로써 FET를 통한 전압 강하를 감소시키고 전류 센싱의 편차를 제거할 수 있도록 한 배터리 충방전 보호 장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 일 실시예에 따른 배터리 충방전 보호 장치에 따른 회로도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 일 실시예에 따른 배터리 충방전 보호 장치는 크게 제1 내부연결단자(B+) 및 제2 내부연결단자(B-)를 구비한다. 또한, 종래 배터리 충방전 보호 장치는 제1 외부연결단자(P+) 및 제2 외부연결단자(P-)를 구비한다. 제1 외부연결단자(P+) 및 제2 외부연결단자(P-)는 충전 시에는 충전기에 연결되고, 방전 시에는 배터리 전원(B/C)에 의하여 동작되는 전자기기, 예를 들어 휴대 단말기 등에 연결된다.

종래 배터리 충방전 보호 장치는 또한 2개의 FET(FET-1, FET-2), 예를 들어 MOSFET, 프로텍션 IC(Protection IC)(12), 저항(R1, R2), 커패시터(C1, C2), 및 다이오드를 포함하여 구성된다. 이때, 제1 FET(FET-1)와 제2 FET(FET-2) 각각의 드레인(Drain) 단자(D1, D2)들은 서로 전기적으로 연결되어 있다. 프로텍션 IC(12)는 저항(R1)을 통해 배터리(B/C)의 (+)단자인 제1 내부연결단자(B+)에 연결되고, 충전전압 또는 방전전압이 인가되는 전압인가와 배터리 전압을 감지하는 단자(VDD), 프로텍션 IC(12) 내부의 동작전압에 대한 기준이 되는 기준단자(VSS), 충·방전 및 과전류 상태를 감지하기 위한 감지단자(VM), 과방전 상태에서 제1 FET(FET-1)를 오프시키기 위한 방전차단신호 출력단자(DO) 및 과충전 상태에서 제2 FET(FET-2)를 오프시키기 위한 충전차단신호 출력단자(CO)를 갖는다.

이때, 프로텍션 IC(12)의 내부에는 도시하지 않은 기준전압 설정부, 기준전압과 충·방전 전압을 비교하기 위한 비교부, 과전류 검출부 및 충·방전 검출부가 구비되어 있다. 여기서 충전 및 방전 상태의 판단 기준은 유저가 요구하는 사양에 따라 변경이 가능하며, 그 정해진 기준에 따라 프로텍션 IC(12)의 각 단자별 전압 차를 인지하여 충·방전 상태를 판정한다.

프로텍션 IC(12)는 과방전 상태에 이르게 되면 그 방전차단신호 출력단자(DO)에 로우 신호를 출력하여 제1 FET(FET-1)를 오프시키고, 과충전 상태에 이르게 되면 충전차단신호 출력단자(CO)에 로우 신호를 출력하여 제2 FET(FET-2)를 오프시키도록 되어 있다. 또한, 과전류가 흐를 경우, 충전 시에는 제2 FET(FET-2)를 오프시키고, 방전 시에는 제1 FET(FET-1)를 오프시키도록 구성되어 있다.

한편, 저항(R1)과 커패시터(C1)는 프로텍션 IC(12)의 공급 전원의 변동을 안정시키는 역할을 한다. 저항(R1)은 제1 내부연결단자(B+)와 프로텍션 IC(12)의 VDD 단자 사이에 연결되고, 커패시터(C1)는 프로텍션 IC(12)의 VDD 단자와 제2 내부연결단자(B-) 사이에 연결된다.

그리고 저항(R1)과 저항(R2)은 프로텍션 IC(12)의 절대 최대정격을 초과하는 고전압 충전기 또는 충전기가 거꾸로 연결되는 경우 전류 제한 저항이 된다. 이때, 저항(R2)은 프로텍션 IC(12)의 감지단자(VM)와 제2 FET(FET-2)의 소스 단자(S2)가 연결된 노드 사이에 연결되어 있다.

도면에서 미설명 부호 PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficient)는 배터리 또는 그 보호 장치의 이상 과열시 배터리와 그 보호 장치의 전기적 연결을 차단하여 배터리를 2차적으로 보호하는 2차 보호회로의 기능을 담당한다. 한편, 전술한 바와는 달리 제1 FET(FET-1)와 제2 FET(FET-2)는 제1 내부연결단자(B+)와 제1 외부연결단자(P+) 사이에 연결될 수도 있다.

그러나 전술한 바와 같이, PPTC 회로를 사용하는 경우에 그 동작 온도를 임의로 그리고 정확하게 설정하는 것이 어렵고, 제품마다 특성이 달라지기 때문에 동작의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

도 2는 도 1 장치의 문제점을 해결하기 위한 종래 배터리 충방전 보호 장치의 다른 실시예에 따른 회로도인바, 도 1과 동일한 구성에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 상세한 설명을 생략한다. 도 2에 도시한 배터리 충방전 보호 장치는 도 1에 도시한 1차 보호회로(10), 즉 1차 프로텍션 IC(12)와 그 주변 회로소자인 저항(R1, R2)과 커패시터(C1) 및 제1 FET(FET-1)와 제2 FET(FET-2) 및 종래 PPTC 대체하여 삽입된 2차 보호회로(20)를 구비한다.

전술한 구성에서, 2차 보호회로(20)는 전술한 1차 보호회로(10)와 동일한 구성, 즉 2차 프로텍션 IC(22)와 그 주변 회로소자인 2개의 저항 및 1개의 커패시터(미도시)로 이루어지고, 이러한 2차 보호회로(20)에 한 쌍의 FET(2-FET)가 연결되어 있다 이러한 2차 보호회로(20)와 한 쌍의 FET(2-FET)는 제1 내부연결단자(B+)와 제2 내부연결단자(B-) 사이에 1차 보호회로(10) 및 한 쌍의 FET(FET-1, FET-2)와 병렬로 연결되어 있는바, 이 경우에 2차 프로텍션 IC(22)의 동작 전압과 동작 전류는 1차 프로텍션 IC(12)의 그것과는 달리, 즉 상대적으로 큰 값으로 설정될 수 있을 것이다.

그러나 전술한 바와 같은 종래의 배터리 충방전 보호 장치에 따르면, 1차 보호회로 및 2차 보호회로에 각각 한 쌍, 즉 2개씩의 FET를 사용하고 있기 때문에 이러한 FET로 인해 전압 강하가 커질 뿐 아니라 1차 보호회로 및 2차 보호회로가 각각의 FET 쌍을 사용하여 전류를 측정하기 때문에 측정된 전류 값에 편차가 발생하고, 이렇게 서로 다른 측정값에 의해 제어를 수행하기 때문에 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

선행기술: 10-2015-0008227호 공개특허공보(발명의 명칭: 싱글 MOSFET를 이용한 배터리 보호회로 및 이를 위한 프로텍션 IC 시스템)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, PTC 대신에 프로텍션 IC를 채택하여 2차 보호회로를 구성함에 있어서 2차 보호회로가 1차 보호회로에 구비된 한 쌍의 FET를 함께 사용함으로써 FET를 통한 전압 강하를 감소시키고 전류 센싱의 편차를 제거할 수 있도록 한 배터리 충방전 보호 장치를 제공함을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배터리 전원(B/C)의 (+) 및 (-) 단자인 제1 내부 연결단자(B+) 및 제2 내부 연결단자(B-), 충전시에는 충전기에 연결되고 방전시에는 배터리 전원(B/C)에 연결되는 제1 외부연결단자(P+) 및 제2 외부연결단자(P-)를 구비한 배터리 충방전 보호 장치에 있어서, 1차 프로텍션 IC와 그 주변 회로소자; 배터리에 대한 충전 및 방전을 각각 허용 및 차단하는 한 쌍의 FET 및 상기 1차 프로텍션 IC와 동일한 회로 구성을 갖는 2차 프로텍션 IC와 그 주변 회로소자를 포함하여 이루어지고, 상기 한 쌍의 FET는 상기 1차 또는 2차 프로텍션 IC의 제어에 따라 동작하되, 상기 한 쌍의 FET에 대한 상기 1차 및 2차 프로텍션 IC의 제어 조건은 상이하게 설정되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 배터리 충방전 보호 장치에 따르면, PTC 대신에 프로텍션 IC를 채택하여 2차 보회회로를 구성함에 있어서 2차 보호회로가 1차 보호회로에 구비된 한 쌍의 FET를 함께 사용함으로써 FET를 통한 전압 강하를 감소시키고 전류 센싱의 편차를 확실하게 제거할 수가 있다.

도 1은 종래 일 실시예에 따른 배터리 충방전 보호 장치에 따른 회로도.
도 2는 도 1 장치의 문제점을 해결하기 위한 종래 배터리 충방전 보호 장치의 다른 실시예에 따른 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 보호 장치의 회로도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충방전 보호 장치의 회로도.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 배터리 충방전 보호 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 보호 장치의 회로도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충방전 보호 장치는 크게 도 2에 도시한 바와 같은 1차 보호회로(10)와 2차 보호회로(20) 및 1차 보호회로(10)와 2차 보호회로(20)에 공통으로 연결된 한 쌍의 FET(FET-1, FET-2), 예를 들어 MOSFET를 포함하여 이루어질 수 있다.

전술한 구성에 따른 본 발명의 배터리 충방전 보호 장치는 제1 내부연결단자(B+), 제2 내부연결단자(B-), 제1 외부연결단자(P+) 및 제2 외부연결단자(P-)를 구비한다. 제1 외부연결단자(P+) 및 제2 외부연결단자(P-)는 충전 시에는 충전기에 연결되고, 방전 시에는 배터리 전원(B/C)에 의하여 동작되는 전자기기, 예를 들어 휴대 단말기 등에 연결된다.

한편, 본 발명의 배터리 충방전 보호 장치는 전술한 바와 같이 한 쌍의 FET(FET-1, FET-2), 1차 프로텍션 IC(Protection IC)(12), 저항(R1, R2), 커패시터(C1, C2) 및 다이오드를 포함하여 구성된다. 이때, 제1 FET(FET-1)와 제2 FET(FET-2) 각각의 드레인(Drain) 단자(D1, D2)들은 서로 전기적으로 연결되어 있다. 1차 프로텍션 IC(12)는 저항(R1)을 통해 배터리(B/C)의 (+)단자인 제1 내부연결단자(B+)에 연결되고, 충전전압 또는 방전전압이 인가되는 전압인가와 배터리 전압을 감지하는 단자(VDD), 1차 프로텍션 IC(12) 내부의 동작전압에 대한 기준이 되는 기준단자(VSS), 충·방전 및 과전류 상태를 감지하기 위한 감지단자(VM), 과방전 상태에서 제1 FET(FET-1)를 오프시키기 위한 방전차단신호 출력단자(DO) 및 과충전 상태에서 제2 FET(FET-2)를 오프시키기 위한 충전차단신호 출력단자(CO)를 갖는다.

이때, 1차 프로텍션 IC(12)의 내부에는 도시하지 않은 기준전압 설정부, 기준전압과 충·방전 전압을 비교하기 위한 비교부, 과전류 검출부 및 충·방전 검출부가 구비되어 있다. 여기서 충전 및 방전 상태의 판단 기준은 유저가 요구하는 사양에 따라 변경이 가능하며, 그 정해진 기준에 따라 1차 프로텍션 IC(12)의 각 단자별 전압 차를 인지하여 충·방전 상태를 판정한다.

1차 프로텍션 IC(12)는 과방전 상태에 이르게 되면 그 방전차단신호 출력단자(DO)에 로우 신호를 출력하여 제1 FET(FET-1)를 오프시키고, 과충전 상태에 이르게 되면 충전차단신호 출력단자(CO)에 로우 신호를 출력하여 제2 FET(FET-2)를 오프시키도록 되어 있다. 또한, 과전류가 흐를 경우, 충전 시에는 제2 FET(FET-2)를 오프시키고, 방전 시에는 제1 FET(FET-1)를 오프시키도록 구성되어 있다.

한편, 저항(R1)과 커패시터(C1)는 1차 프로텍션 IC(12)의 공급 전원의 변동을 안정시키는 역할을 한다. 저항(R1)은 제1 내부연결단자(B+)와 1차 프로텍션 IC(12)의 VDD 단자 사이에 연결되고, 커패시터(C1)는 1차 프로텍션 IC(12)의 VDD 단자와 제2 내부연결단자(B-) 사이에 연결된다.

그리고 저항(R1)과 저항(R2)은 1차 프로텍션 IC(12)의 절대 최대정격을 초과하는 고전압 충전기 또는 충전기가 거꾸로 연결되는 경우 전류 제한 저항이 된다. 이때, 저항(R2)은 1차 프로텍션 IC(12)의 충·방전 및 과전류 상태 감지단자(VM)와 2차 외부연결단자(P-), 즉 제2 FET(FET-2)의 소스 단자(S2) 사이에 연결되어 있다.

한편, 본 발명의 배터리 충방전 보호 장치에서 2차 보호회로(20) 역시 전술한 1차 보호회로(10)와 동일한 구성, 즉 2차 프로텍션 IC(22)와 그 주변 회로소자인 2개의 저항 및 1개의 커패시터(미도시)로 이루어진다. 다만, 본 발명에서는 도 2의 회로 구성과는 달리, 2차 보호회로(20)가 별개의 FET 쌍에 연결되어 있는 것이 아니라 1차 보호회로(10)에 연결된 한 쌍의 FET(FET-1, FET-2)에 공통으로 연결되어 있다. 이러한 구조에 따라, 2차 프로텍션 IC(22) 내부의 동작전압에 대한 기준이 되는 기준단자(VSS)는 제2 내부연결단자(B-)에 연결되어 있고, 충전전압 또는 방전전압이 인가되는 전압인가와 배터리 전압을 감지하는 단자(VDD)는 자체의 저항(R1; 미도시)에 연결되어 있다. 또한 2차 프로텍션 IC(22)에서 충·방전 및 과전류 상태를 감지하는 감지단자(VM)는 자체의 저항(R2; 미도시)을 통해 제2 외부연결단자(P-)에 연결되고, 과방전 상태에서 제1 FET(FET-1)를 오프시키기 위한 방전차단신호 출력단자(DO)는 제1 FET(FET-1)의 게이트 단자(G1)에 연결되고, 제2 FET(FET-2)를 오프시키기 위한 충전차단신호 출력단자(CO)는 제2 FET(FET-1)의 게이트 단자(G2)에 연결되어 있다.

2차 보호회로(20)의 동작 전압과 동작 전류 또는 각종 기준치는 1차 보호회로(10)의 그것과 상이, 예를 들어 더 큰 값으로 설정될 수 있을 것이다.

전술한 구성을 갖는 본 발명의 배터리 충방전 보호 장치에 따르면, 1차 보호회로(10)와 2차 보호회로(20)가 각각 독립적으로 동작하되, 종래 배터리 충방전 보호 장치에 이미 구비된 충전 및 방전 차단용 한 쌍의 FET(FET-1, FET-2)를 1차 및 2차 보호회로(10, 20)에서 공통으로 사용하기 때문에 FET로 인한 전압 강하가 기존에 비해 절반으로 감소된다. 나아가, 전술한 FET 쌍을 전류 측정용 센서로 활용시 1차 및 2차 보호회로(10, 20)에서 센싱한 전류값이 동일해지고, 이에 따라 동작의 신뢰성이 확보된다. 또한 도 2의 회로에 비해 FET의 개수가 절반으로 줄어들기 때문에 배터리 수명에 큰 영향을 끼치는 발열량도 절반으로 감소하게 된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 충방전 보호 장치의 회로도인바, 도 3과 동일한 구성에는 동일한 참조번호를 부여하고 그 상세한 설명을 생략한다. 도 3의 배터리 충방전 보호 장치의 경우에는 한 쌍의 공용 FET(FET-1, FET-2)를 사용하여 전류를 센싱하고 있는바, 잘 알려진 바와 같이 FET는 전압제어 소자이기 때문에 비록 FET 양단 전압이 동일하다 하더라도 그 저항값은 제품마다 제각각이라는 특성이 있다.

이를 감안하여 본 실시예에 따른 배터리 충방전 보호 장치에서는 제2 내부연결단자(B-) 및 제2 외부연결단자(P-) 사이, 예를 들어 제2 내부연결단자(B-)와 제1 FET(FET-1)의 소스 단자(S1) 사이에 전류 센싱용 저항(SR1)을 추가한 후에 이에 의해 전류를 센싱함으로써 보다 정밀하게 전류를 센싱할 수가 있다. 이러한 전류 센싱용 저항(SR1)의 경우 이를 통한 전압 강하를 고려하여 상대적으로 낮은 값을 갖는 저항을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우에 제1 및 제2 보호회로(10, 20)의 충·방전 및 과전류 상태 감지 단자(VM)는 목적에 맞게 적절하게 연결, 예를 들어 제2 보호회로(20)의 충·방전 및 과전류 상태 감지 단자(VM)는 전류 센싱용 저항(SR1)과 제2 내부연결단자(B-)의 접속점에 연결될 수 있고, 제1 보호회로(10)의 전류 감지 단자(VM)은 전류 센싱용 저항(SR1)과 제1 FET(FET-1)의 드레인 단자(D) 접속점에 연결될 수 있을 것이다.

본 실시예에 따르면, 상대적으로 낮은 저항값을 갖는 전류 센싱용 저항(SR1)을 사용함으로써 정밀한 전류 센싱이 가능하고, 이외에도 제1 및 제2 보호회로(10, 20)에 공통으로 적용됨으로써 1차 및 2차 보호회로(10, 20)의 동작의 정확성과 안정성을 제고시킬 수가 있다. 또한, 정밀한 저 저항 특성의 전류 센싱용 저항(SR1)으로 인해 2쌍의 FET를 사용할 때보다 발열량을 현저하게 감소시킬 수가 있다. 그 이유는 MOSFET와 PPTC의 경우 배터리 셀의 전압이 낮아지면 저항이 증가하는 특성을 갖기 때문에 배터리 셀이 저전압, 즉 배터리의 잔존 용량이 적을 때 저항이 증가하고, 이로 인해 발열량이 증가하며, 이로 인해 다시 온도가 높아져서 저항이 증가하는 악순환이 발생하는바, 본 발명에서는 낮은 저항값을 갖는 전류 센싱용 저항을 사용하여 이 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.

이상, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 배터리 충방전 보호 장치의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

즉 전술한 실시예와는 달리 도 4에서 전류 센싱용 저항은 제2 FET의 소스 단자(S2)와 제2 외부연결단자(P-) 사이에 설치될 수도 있는바, 이 경우에는 1차 및 2차 프로텍션 IC(10, 20)의 단자(VM)의 연결 위치도 함께 변경되게 될 것이다.

10: 1차 보호회로, 12: 1차 프로텍션 IC,
20: 2차 보호회로, 22: 2차 프로텍션 IC,
R1, R2: 저항, C1, C2: 커패시터,
FET-1, FET-2, 2-FET: MOSFET

Claims (3)

1. 삭제
2. 배터리 전원(B/C)의 (+) 및 (-) 단자인 제1 내부 연결단자(B+) 및 제2 내부 연결단자(B-), 충전시에는 충전기에 연결되고 방전시에는 배터리 전원(B/C)에 연결되는 제1 외부연결단자(P+) 및 제2 외부연결단자(P-)를 구비한 배터리 충방전 보호 장치에 있어서,
   충전차단신호 출력단자(CO)와 방전차단신호 출력단자(DO) 및 충방전 및 과전류 상태 감지단자(VM)를 갖는 1차 프로텍션 IC와 그 주변 회로소자;
   배터리에 대한 충전 및 방전을 각각 허용 및 차단하는 한 쌍의 FET 및
   상기 1차 프로텍션 IC와 동일한 회로 구성을 갖는 2차 프로텍션 IC와 그 주변 회로소자를 포함하여 이루어지고,
   상기 한 쌍의 FET 중 하나는 상기 1차 및 2차 프로텍션 IC의 충전차단신호 출력단자(CO)에 연결되어 제어되고, 상기 한 쌍의 FET 중 다른 하나는 상기 1차 및 2차 프로텍션 IC의 방전차단신호 출력단자(DO)에 연결되어 제어되며,
   상기 한 쌍의 FET는 제2 내부 연결단자(B-) 및 제2 외부연결단자(P-)의 가지 사이에 직렬 연결되고,
   상기 1차 및 2차 프로텍션 IC의 충방전 및 과전류 상태 감지단자(VM)는 상기 한 쌍의 FET의 어느 일단에 공통으로 연결되며,
   상기 한 쌍의 FET에 대한 상기 1차 및 2차 프로텍션 IC의 제어 조건은 상이하게 설정되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 보호 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 FET의 어느 일단에는 전류 제한용 저항이 설치되되,
   상기 1차 및 2차 프로텍션 IC의 충·방전 및 과전류 상태 감지단자(VM)는 상기 전류 제한용 저항의 일단에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 하는 배터리 충방전 보호 장치.

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