KR101749247B1 - 배터리 보호회로, 배터리 보호회로 패키지 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 보호회로, 배터리 보호회로 패키지 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과전류 및 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 배터리 보호회로와 이를 저비용으로 컴팩트하게 구현할 수 있는 배터리 보호회로 패키지에 관한 것으로서, 일측이 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되고 타측이 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결될 수 있는 배터리 보호회로를 포함하되, 과방전 및/또는 과충전을 감지하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 차단할 수 있으며, 제 1 프로텍션 집적회로(IC)와 제 1 군의 전계효과 트랜지스터를 구비하는, 제 1 차 보호회로; 및 과전류 및/또는 과열을 감지하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 차단할 수 있으며, 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 상기 제 1 차 보호회로 사이에 전기적으로 연결되며, 제 2 프로텍션 집적회로(IC)와 제 2 군의 전계효과 트랜지스터를 구비하는, 제 2 차 보호회로;를 구비한다.

Description

배터리 보호회로, 배터리 보호회로 패키지 및 이를 포함하는 배터리 팩{Battery protection circuits, package of battery protection circuits module and pattery pack including the same}
본 발명은 배터리 보호회로, 배터리 보호회로 패키지 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 과전류 및 과열을 효과적으로 방지할 수 있는 배터리 보호회로와 이를 컴팩트하게 구현할 수 있는 배터리 보호회로 패키지 및 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 휴대폰, PDA 등의 휴대단말기 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, 과충전, 과방전 및 과전류를 감지하고 배터리의 동작을 차단하는 배터리 보호회로 장치를 배터리에 제공해야 할 필요성이 높아지고 있다.
나아가, 과전류 및 과열을 차단하기 위하여 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 배터리 보호회로 장치와 별도로 추가로 배치할 수 있다. 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 상승하는 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 및 이를 구현하는 배터리 보호회로 패키지 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 패키지가 제공될 수 있다. 상기 배터리 보호회로 패키지는 일측이 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되고 타측이 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결될 수 있는, 배터리 보호회로 패키지로서, 제 1 차 보호회로 구성 소자; 및 제 2 차 보호회로 구성 소자;를 포함한다. 상기 제 1 차 보호회로 구성 소자는, 제 1 전계효과 트랜지스터 소자와 제 2 전계효과 트랜지스터 소자로 구성되며, 드레인을 공통으로 가지는, 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자; 및 상기 배터리 베어셀의 과방전 상태에서 상기 제 1 전계효과 트랜지스터 소자를 오프시키기 위한 제 1 방전차단신호출력단자(제 1 DOUT단자) 및 상기 배터리 베어셀의 과충전 상태에서 상기 제 2 전계효과 트랜지스터 소자를 오프시키기 위한 제 1 충전차단신호출력단자(제 1 COUT단자)를 구비하는, 제 1 프로텍션 집적회로(IC) 소자; 를 포함한다. 상기 제 2 차 보호회로 구성 소자는, 제 3 전계효과 트랜지스터 소자와 제 4 전계효과 트랜지스터 소자로 구성되며, 드레인을 공통으로 가지는, 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자; 및 상기 배터리 베어셀의 과열 상태 및/또는 방전시 과전류 상태에서 상기 제 3 전계효과 트랜지스터 소자를 오프시키기 위한 제 2 방전차단신호출력단자(제 2 DOUT단자), 및 상기 배터리 베어셀의 과열 상태 및/또는 충전시 과전류 상태에서 상기 제 4 전계효과 트랜지스터 소자를 오프시키기 위한 제 2 충전차단신호출력단자(제 2 COUT단자)를 구비하는, 제 2 프로텍션 집적회로(IC) 소자; 를 포함한다.
상기 배터리 보호회로 패키지에서, 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는 상기 배터리 베어셀의 방전시 과전류를 감지할 수 있는 제 1 컴퍼레이터 및 상기 제 1 컴퍼레이터와 병렬로 연결되며 상기 배터리 베어셀의 충전시 과전류를 감지할 수 있는 제 2 컴퍼레이터를 포함하는 비교 회로 소자; 상기 제 1 컴퍼레이터의 출력단 및 상기 제 2 컴퍼레이터의 출력단과 연결되어 연산 동작을 수행할 수 있는 논리회로를 가지는 컨트롤 로직 회로 소자; 및 일단은 상기 컨트롤 로직 회로 소자에 연결되고 타단은 상기 제 2 방전차단신호출력단자(제 2 DOUT단자)에 연결된 제 1 인버터 회로 소자 및 일단은 상기 컨트롤 로직 회로 소자에 연결되고 타단은 상기 제 2 충전차단신호출력단자(제 2 COUT단자)에 연결된 제 2 인버터 회로 소자로 구성된, 한 쌍의 인버터 회로 소자들;을 구비할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 패키지에서, 상기 비교 회로 소자는 상기 제 1 컴퍼레이터 및 상기 제 2 컴퍼레이터와 병렬로 연결되며 상기 배터리 베어셀의 과열을 감지할 수 있는 제 3 컴퍼레이터를 더 포함하며, 상기 컨트롤 로직 회로 소자는 상기 제 1 컴퍼레이터의 출력단, 상기 제 2 컴퍼레이터의 출력단 및 상기 제 3 컴퍼레이터의 출력단과 연결되어 연산 동작을 수행할 수 있는 논리회로를 가질 수 있다.
상기 배터리 보호회로 패키지에서, 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자는, 충전전압 및 방전전압을 인가하고 상기 배터리 베어셀의 전압을 감지하는 제 1 VDD 단자, 내부 동작전압에 대한 기준이 되는 제 1 VSS 단자, 및 상기 배터리 베어셀의 충방전 및 과전류 상태를 감지하기 위한 제 1 감지단자(V-단자)를 더 구비하며, 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는, 상기 제 1 VDD 단자와 연결되며 충전전압 및 방전전압을 인가하고 상기 배터리 베어셀의 전압을 감지하는 제 2 VDD 단자, 내부 동작전압에 대한 기준이 되는 제 2 VSS 단자, 상기 배터리 베어셀의 충전시 또는 방전시의 과전류 상태를 감지하기 위하여 상기 제 1 컴퍼레이터 및 상기 제 2 컴퍼레이터로 연결되는 제 1 감지단자(CS단자), 및 상기 배터리 베어셀의 과열을 감지하기 위하여 상기 제 3 컴퍼레이터로 연결되는 제 2 감지단자(THS단자)를 더 구비할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 패키지는 일단이 상기 배터리 베어셀의 전극단자 중 어느 하나와 연결되고, 타단이 상기 제 2 감지단자(THS단자)와 연결된, 써미스터(thermistor)를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 패키지에서, 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자 및 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는 각각 하나의 칩으로 집적화된 소자일 수 있다.
상기 배터리 보호회로 패키지는 이격된 복수의 리드들을 포함하며, 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 차 보호회로 구성 소자 및 상기 제 2 차 보호회로 구성 소자가 실장되는, 리드프레임; 및 상기 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자, 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자, 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자, 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자, 및 상기 복수의 리드들로 이루어진 군에서 선택된 어느 두 개를 전기적으로 연결하는 전기적 연결부재;를 더 포함함으로써 별도의 인쇄회로기판을 사용하지 않고 배터리 보호회로를 구성할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 패키지에서, 상기 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자, 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자, 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자 및 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는, 상기 리드프레임 상에 별도의 반도체 패키지 형태로 삽입되어 고정되는 것이 아니라, 표면실장기술에 의하여 상기 리드프레임의 표면의 적어도 일부 상에, 별도의 봉지재로 밀봉되지 않은 칩 다이(chip die) 형태로, 실장되어 고정될 수 있다. 상기 전기적 연결부재는 본딩 와이어 또는 본딩 리본을 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 패키지에서, 상기 리드프레임은, 양쪽가장자리부분에 각각 배치되며, 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 직접 연결되는, 제 1 내부연결단자용 리드 및 제 2 내부연결단자용 리드; 상기 제 1 내부연결단자용 리드 및 제 2 내부연결단자용 리드 사이에 배치되며, 복수의 외부연결단자들을 구성하는, 외부연결단자용 리드; 및 상기 제 1 내부연결단자용 리드 및 제 2 내부연결단자용 리드 사이에 배치되며, 상기 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자, 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자, 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자 및 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자가 실장될 수 있는, 소자실장용 리드;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의한 배터리 보호회로 패키지가 제공될 수 있다. 상기 배터리 보호회로 패키지는 일측이 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되고 타측이 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결될 수 있는, 배터리 보호회로 패키지로서, 기판; 상기 기판 상에 실장되며, 칩 형태로 집적화된, 보호회로 구성 소자; 및 상기 기판 상에 실장되는 전계효과 트랜지스터 소자;를 포함한다. 상기 보호회로 구성 소자는, 상기 배터리 베어셀의 방전시 과전류를 감지할 수 있는 제 1 컴퍼레이터, 상기 배터리 베어셀의 충전시 과전류를 감지할 수 있는 제 2 컴퍼레이터 및 상기 배터리 베어셀의 과열을 감지할 수 있는 제 3 컴퍼레이터로 이루어진 군에서 선택된 적어도 둘 이상을 포함하되, 선택된 상기 컴퍼레이터의 출력단은 병렬로 연결되는, 비교 회로 소자; 상기 비교 회로 소자의 출력단과 연결되어 연산 동작을 수행할 수 있는 논리회로를 가지는 컨트롤 로직 회로 소자; 및 일단은 상기 컨트롤 로직 회로 소자에 연결되고 타단은 상기 전계효과 트랜지스터 소자에 연결될 수 있는 인버터 회로 소자;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 의한 배터리 팩이 제공될 수 있다. 상기 배터리 팩은 배터리 베어셀; 및 일측이 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되고 타측이 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결될 수 있는, 전술한 상기 배터리 보호회로 패키지;를 포함함으로써, PTC 구조체에 의하지 않고서도 상기 배터리 베어셀의 과열 및/또는 충방전시의 과전류를 감지하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 차단하도록 배터리 보호회로를 구현할 수 있다.
본 발명의 그 밖에 또 다른 관점에 의한 배터리 보호회로가 제공될 수 있다. 상기 배터리 보호회로는 일측이 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되고 타측이 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결될 수 있는 배터리 보호회로로서, 과방전 및/또는 과충전을 감지하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 차단할 수 있으며, 제 1 프로텍션 집적회로(IC)와 제 1 군의 전계효과 트랜지스터를 구비하는, 제 1 차 보호회로; 및 과전류 및/또는 과열을 감지하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 차단할 수 있으며, 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 상기 제 1 차 보호회로 사이에 전기적으로 연결되며, 제 2 프로텍션 집적회로(IC)와 제 2 군의 전계효과 트랜지스터를 구비하는, 제 2 차 보호회로; 를 포함한다. 상기 제 2 프로텍션 집적회로(IC)는, 컴퍼레이터(comparator)를 포함하는 비교 회로부; 상기 컴퍼레이터의 출력단과 연결되어 연산 동작을 수행할 수 있는 논리회로를 가지는 컨트롤 로직 회로부; 및 일단이 상기 컨트롤 로직 회로의 출력단에 연결되고 타단이 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터와 연결된 인버터 회로부; 를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 배터리 보호회로에서, 상기 비교 회로부는 상기 배터리 베어셀의 방전시 과전류를 감지할 수 있는 제 1 컴퍼레이터, 상기 배터리 베어셀의 충전시 과전류를 감지할 수 있는 제 2 컴퍼레이터 및 상기 배터리 베어셀의 과열을 감지할 수 있는 제 3 컴퍼레이터로 이루어진 군에서 선택된 적어도 둘 이상을 포함하되, 선택된 상기 컴퍼레이터의 출력단은 병렬로 연결된다. 상기 인버터 회로부는 서로 병렬로 연결된 제 1 인버터 회로부와 제 2 인버터 회로부를 포함하며, 상기 제 1 인버터 회로부 및 상기 제 2 인버터 회로부는 각각 게이트와 드레인을 공통으로 가지며 서로 병렬로 연결된 n채널 트랜지스터와 p채널 트랜지스터를 포함하되, 상기 n채널 트랜지스터와 p채널 트랜지스터의 공통 게이트는 상기 컨트롤 로직 회로부에 연결되며, 상기 n채널 트랜지스터와 p채널 트랜지스터의 공통 드레인은 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터에 각각 연결된다. 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터는 상기 배터리 베어셀의 전극단자에 연결된 소스 및 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터에 연결된다.
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 보호회로를 포함하는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 보호회로를 포함하는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 배터리 보호회로에서 제 2 차 보호회로 구성 소자에 대한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지의 일부를 도해하는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지를 도해하는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 그 밖에 또 다른 일부 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지를 구비하는 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 배터리 보호회로 패키지를 도해하는 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.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소에 대하여 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접합하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 회로, 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 회로, 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 회로, 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 회로, 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
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. 예를 들어, 참조부호 '150'에 대해서, 배터리 보호회로의 관점에서는 '제 2 프로텍션 집적회로'로 설명하되, 배터리 보호회로 패키지의 관점에서는 '제 2 프로텍션 집적회로 소자'로 설명한다.
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 1 및 도 2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 배터리 보호회로를 포함하는 회로도이며, 도 3은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 배터리 보호회로에서 제 2 차 보호회로 구성 소자에 대한 회로도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 배터리 보호회로 패키지가 구현하고자 하는 배터리 보호회로(100a, 100b)는 배터리 베어셀의 전극단자와 배터리 팩의 출력단자 사이에 연결될 수 있다. 배터리 팩의 출력단자는 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 배터리 보호회로 패키지는 배터리 베어셀의 전극단자에 연결되기 위한 제 1 및 제 2 내부연결단자(B+, B-), 충전시에는 충전기에 연결되고, 방전시에는 배터리 전원에 의하여 동작되는 전자기기(예, 휴대단말기 등)와 연결되기 위한 제 1 및 제 2 외부연결단자(P+, P-)를 구비한다. 제 1 외부연결단자(P+) 및 제 2 외부연결단자(P-)는 전원공급을 위한 것이다. 나아가, 도면에서 도시되지 않았으나, 본 발명의 일부 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지는 별도의 추가적인 외부연결단자인 제 3 외부연결단자(CF)를 더 구비할 수 있는 바, 제 3 외부연결단자(CF)는 배터리를 구분하여 배터리에 맞게 충전을 하도록 하며, 충전 시 배터리 온도를 감지하는 부품인 써미스터(Thermistor)를 적용함에 있어서 이용할 수 있으며, 기타 기능이 적용되고 단자로서 활용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 의한 배터리 보호회로(100a, 100b)는 제 1 차 보호회로(105) 및 제 2 차 보호회로(106)를 포함한다.
제 1 차 보호회로(105)는 과방전, 과충전 및/또는 과전류를 감지하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 차단할 수 있으며, 제 1 프로텍션 집적회로(120)와 적어도 하나 이상의 전계효과 트랜지스터(110)를 포함한다.
구체적인 예를 들면, 제 1 차 보호회로(105)는 제 1 군의 전계효과 트랜지스터(110), 제 1 프로텍션 집적회로(120), 저항(R1, R2) 및 커패시터(C1, C2)의 연결 구조를 가진다. 제 1 군의 전계효과 트랜지스터(110)는 드레인 공통 구조를 가지는 제 1 전계효과 트랜지스터(110a)와 제 2 전계효과 트랜지스터(110b)로 구성된다. 제 1 전계효과 트랜지스터(110a)와 제 2 전계효과 트랜지스터(110b)는, 예를 들어, n-채널 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Transistor)일 수 있다.
제 1 프로텍션 집적회로(120)는 저항(R1)을 통하여 배터리 베어셀의 (+)단자와 대응되는 제 1 내부연결단자(B+)에 연결되고 제 1 노드(n1)를 통해 충전전압 또는 방전전압이 인가되는 전압인가와 배터리 베어셀의 전압을 감지하는 단자(VDD 단자), 제 1 프로텍션 집적회로(120) 내부의 동작전압에 대한 기준이 되는 기준단자(VSS 단자), 충방전 및 과전류 상태를 감지하기 위한 감지단자(V- 단자), 과방전 상태에서 제 1 전계효과 트랜지스터(110a)를 오프시키기 위한 제 1 방전차단신호출력단자(제 1 DOUT단자), 과충전 상태에서 제 2 전계효과 트랜지스터(110b)를 오프시키기 위한 제 1 충전차단신호출력단자(제 1 COUT단자)를 갖는다.
이때, 제 1 프로텍션 집적회로(120)의 내부는 기준전압 설정부, 기준전압과 충방전 전압을 비교하기 위한 비교부, 과전류 검출부, 충방전 검출부를 구비하고 있다. 여기서 충전 및 방전상태의 판단 기준은 유저가 요구하는 스펙(SPEC)으로 변경이 가능하며 그 정해진 기준에 따라 제 1 프로텍션 집적회로(120)의 각 단자별 전압차를 인지하여 충ㆍ방전상태를 판정한다.
제 1 프로텍션 집적회로(120)는 방전 시에 과방전 상태에 이르게 되면, 제 1 방전차단신호출력단자(제 1 DOUT단자)는 로우(LOW)로 되어 제 1 전계효과 트랜지스터(110a)를 오프 시키고, 과충전 상태에 이르게 되면 제 1 충전차단신호출력단자(제 1 COUT단자)가 로우(LOW)로 되어 제 2 전계효과 트랜지스터(110b)를 오프 시키고, 과전류가 흐르는 경우에는 충전 시에는 제 2 전계효과 트랜지스터(110b), 방전 시에는 제 1 전계효과 트랜지스터(110a)를 오프 시키도록 구성되어 있다.
저항(R1)과 커패시터(C1)는 제 1 프로텍션 집적회로(120)의 공급전원의 변동을 안정시키는 역할을 한다. 저항(R1)은 배터리의 전원 공급 노드인 제 1 노드(n1)와 제 1 프로텍션 집적회로(120)의 VDD 단자 사이에 연결되고, 커패시터 소자(C1)는 제 1 프로텍션 집적회로(120)의 VDD 단자와 제 1 프로텍션 집적회로(120)의 VSS 단자 사이에 연결된다. 여기서 제 1 노드(n1)는 제 1 내부연결단자(B+)와 제 1 외부연결단자(P+)에 연결되어 있다. 저항(R1)의 저항값을 크게 하면 전압 검출 시 제 1 프로텍션 집적회로(120) 내부에 침투되는 전류에 의해서 검출전압이 높아지기 때문에 저항(R1)의 저항값은 1KΩ 이하의 적당한 값으로 설정될 수 있다. 또한 안정된 동작을 위해서 커패시터(C1)의 용량값은 0.01μF 이상의 적당한 값을 가질 수 있다.
그리고 저항(R1), 저항(R2)은 제 1 프로텍션 집적회로(120)의 절대 최대정격을 초과하는 고전압 충전기 또는 충전기가 거꾸로 연결되는 경우 전류 제한 저항이 된다. 저항(R2)은 제 1 프로텍션 집적회로(120)의 단자(V-)와 제 2 전계효과 트랜지스터 소자(110b)의 소스 단자(S2)가 연결된 제 2 노드(n2) 사이에 연결된다. 저항(R1), 저항(R2)은 전원소비의 원인이 될 수 있으므로 통상적으로 저항(R1)에서의 저항값과 저항(R2)에서의 저항값의 합은 1KΩ 보다 크게 설정될 수 있다. 그리고 저항(R2)의 저항값이 너무 크다면 과충전 차단 후에 복귀가 일어나지 않을 수 있으므로, 저항(R2)의 저항값은 10KΩ 또는 그 이하의 값으로 설정될 수 있다.
커패시터(C2)는 제 2 노드(n2)(또는 제 2 외부연결단자(P-))와 제 1 전계효과 트랜지스터(110a)의 소스 단자(S1)(또는 VSS 단자) 사이에 연결되는 구조를 가진다. 커패시터(C2)는 상기 배터리 보호회로 제품의 특성에 크게 영향을 끼치지는 않지만, 유저의 요청이나 안정성을 위해 추가되고 있다. 커패시터(C2)는 전압변동이나 외부 노이즈에 대한 내성을 향상시켜 시스템을 안정화시키는 효과를 위한 것이다.
그리고 도면에 도시되지 않았으나, ESD(Electrostatic Discharge), 서지(surge) 보호를 위하여, 저항 및 배리스터가 서로 병렬 연결되는 구조가 제 3 외부연결단자(CF)와 상기 제 2 노드(n2)(또는 제 2 외부연결단자(P-)) 사이에 연결 배치될 수 있다. 배리스터 소자는 과전압 발생시 저항이 낮아지는 소자로, 과전압이 발생되는 경우 저항이 낮아져 과전압으로 인한 회로손상 등을 최소화할 수 있다.
전술한 본 발명의 배터리 보호회로 패키지가 구현하고자 하는 배터리 보호회로(100a, 100b)에서, 전계효과 트랜지스터(110), 제 1 프로텍션 집적회로(120) 및 수동소자(저항, 커패시터)의 구성이나 개수, 배치 등은 예시적이며 보호회로의 부가 기능에 따라서 적절하게 변형될 수 있다.
한편, 본 발명의 배터리 보호회로 패키지가 구현하고자 하는 배터리 보호회로(100a, 100b)는 제 1 차 보호회로(105)와 배터리 베어셀의 전극단자 사이에 전기적으로 연결된, 제 2 차 보호회로(106)를 포함할 수 있다. 제 2 차 보호회로(106)는 과전류 및/또는 과열을 감지하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 차단할 수 있도록 구성된다.
제 2 차 보호회로(106)는 제 2 군의 전계효과 트랜지스터(170)와 제 2 프로텍션 집적회로(150)를 포함한다.
제 2 군의 전계효과 트랜지스터(170)는, 드레인을 공통으로 가지는, 제 3 전계효과 트랜지스터(170a)와 제 4 전계효과 트랜지스터(170b)를 포함할 수 있다. 제제 3 전계효과 트랜지스터(170a)와 제 4 전계효과 트랜지스터(170b)는, 예를 들어, n채널 트랜지스터로 구성될 수 있다. 제 2 군의 전계효과 트랜지스터(170)은, 예를 들어, n채널의 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)으로 구성될 수도 있다. 이 경우, 제 3 전계효과 트랜지스터(170a)의 소스(S1)는 배터리 베어셀의 전극단자(B-)에 연결되며, 제 4 전계효과 트랜지스터(170b)의 소스(S2)는 제 1 전계효과 트랜지스터(110a)의 소스(S1)에 연결될 수 있다. 제 3 전계효과 트랜지스터(170a)의 소스(S1)와 제 4 전계효과 트랜지스터(170b)의 소스(S2) 사이에는 추가적인 커패시터가 개재될 수 있다.
제 2 프로텍션 집적회로(150)는 컴퍼레이터(comparator)를 포함하는 비교 회로부(152); 상기 컴퍼레이터의 출력단과 연결되어 연산 동작을 수행할 수 있는 논리회로를 가지는 컨트롤 로직 회로부(154); 및 일단이 컨트롤 로직 회로부(154)의 출력단에 연결되고 타단이 제 2 군의 전계효과 트랜지스터(170)와 연결된 인버터 회로부(156, 157);를 포함한다.
구체적으로, 비교 회로부(152)는 배터리 베어셀의 방전시 과전류를 감지할 수 있는 제 1 컴퍼레이터(152a), 배터리 베어셀의 충전시 과전류를 감지할 수 있는 제 2 컴퍼레이터(152b) 및 배터리 베어셀의 과열을 감지할 수 있는 제 3 컴퍼레이터(152c)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 둘 이상을 포함하되, 선택된 둘 이상의 컴퍼레이터의 출력단은 병렬로 컨트롤 로직 회로부(154)에 연결된다.
컴퍼레이터는 비교기의 의미를 가지며, 2개의 신호전압의 대소를 정확히 비교하여 스위치와 같은 동작을 수행할 수 있다. OP 앰프는 2개의 입력단자가 있으며, 전압이득이 크다는 점에서 컴퍼레이터로 활용될 수 있다.
예를 들어, 제 1 컴퍼레이터(152a)에 적용되는 OP 앰프의 반전입력단자(-, inverting input terminal)에는 독립전압원(152d)에 의하여 소정의 기준전압이 입력되며, 비반전입력단자(+, non-inverting input terminal)에는 배터리 베어셀의 방전 과정에서 단자(CS)를 통하여 인가된 전압이 조절되어 입력된다.
또한, 제 2 컴퍼레이터(152b)에 적용되는 OP 앰프의 반전입력단자(-, inverting input terminal)에는 독립전압원(152e)에 의하여 소정의 기준전압이 입력되며, 비반전입력단자(+, non-inverting input terminal)에는 배터리 베어셀의 충전 과정에서 단자(CS)를 통하여 인가된 전압이 조절되어 입력된다.
또한, 제 3 컴퍼레이터(152c)에 적용되는 OP 앰프의 반전입력단자(-, inverting input terminal)에는 독립전압원(152f)에 의하여 소정의 기준전압이 입력되며, 비반전입력단자(+, non-inverting input terminal)에는 배터리 베어셀의 충방전 과정에서 써미스터(160)와 연결된 단자(THS)를 통하여 인가된 전압이 조절되어 입력된다. 써미스터(160)는 배터리 베어셀의 (+)단자 및 제 1 내부연결단자(B+)에 연결된다.
컨트롤 로직 회로부(154)는, 예를 들어, OR 연산 동작을 수행할 수 있는 논리회로를 가질 수 있다. 컨트롤 로직 회로부(154)의 OR 연산 동작에 의하여, 방전 중의 과전류; 충전 중의 과전류; 및 과열; 중의 적어도 어느 하나만을 감지하여도 배터리의 충방전을 차단할 수 있게 된다.
인버터 회로부(156, 157)는 서로 병렬로 연결된 제 1 인버터 회로부(156)와 제 2 인버터 회로부(157)를 포함하며, 제 1 인버터 회로부(156) 및 제 2 인버터 회로부(157)는 각각 게이트와 드레인을 공통으로 가지며 서로 병렬로 연결된 n채널 트랜지스터(156b, 157b)와 p채널 트랜지스터(156a, 157a)를 포함한다. 제 1 인버터 회로부(156)에서 n채널 트랜지스터(156b)와 p채널 트랜지스터(156a)의 공통 게이트는 컨트롤 로직 회로부(154)에 연결되며, n채널 트랜지스터(156b)와 p채널 트랜지스터(156a)의 공통 드레인은 제 2 방전차단신호출력단자(제 2 DOUT단자)를 통하여 제 3 전계효과 트랜지스터(170a)에 연결된다. 제 2 인버터 회로부(157)에서 n채널 트랜지스터(157b)와 p채널 트랜지스터(157a)의 공통 게이트는 컨트롤 로직 회로부(154)에 연결되며, n채널 트랜지스터(157b)와 p채널 트랜지스터(157a)의 공통 드레인은 제 2 충전차단신호출력단자(제 2 COUT단자)를 통하여 제 4 전계효과 트랜지스터(170b)에 연결된다.
또한, 제 2 프로텍션 집적회로(150)는 다른 회로와 전기적으로 연결하기 위한 적어도 하나 이상의 단자(VDD, VSS, CS, THS, Dout, Cout)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제 2 프로텍션 집적회로(150)는 배터리 베어셀의 과열 상태 및/또는 방전시 과전류 상태에서 제 3 전계효과 트랜지스터(170a)를 오프시키기 위한 제 2 방전차단신호출력단자(제 2 DOUT단자), 및 배터리 베어셀의 과열 상태 및/또는 충전시 과전류 상태에서 제 4 전계효과 트랜지스터(170b)를 오프시키기 위한 제 2 충전차단신호출력단자(제 2 COUT단자)를 구비한다. 또한, 제 2 프로텍션 집적회로(150)는 제 1 프로텍션 집적회로(120)의 제 1 VDD 단자와 연결되며 충전전압 및 방전전압을 인가하고 배터리 베어셀의 전압을 감지하는 제 2 VDD 단자, 내부 동작전압에 대한 기준이 되는 제 2 VSS 단자, 배터리 베어셀의 충전시 또는 방전시의 과전류 상태를 감지하기 위하여 제 1 컴퍼레이터(152a) 및 제 2 컴퍼레이터(152b)로 연결되는 제 1 감지단자(CS단자), 및 배터리 베어셀의 과열을 감지하기 위하여 제 3 컴퍼레이터(152c)로 연결되는 제 2 감지단자(THS단자)를 구비할 수 있다.
상술한 제 2 차 보호회로(106)의 구성에 의하면, 소정의 설정값과 비교하여 방전 중의 과전류가 감지되거나, 충전 중의 과전류가 감지되거나, 과열이 감지되는 경우에는, 제 2 군의 전계효과 트랜지스터(170)가 오프(off)되어 배터리 베어셀의 충방전이 방지될 수 있다. 또한, 소정의 설정값과 비교하여 방전 중의 과전류가 감지되지 않고, 충전 중의 과전류가 감지되지 않고, 과열이 감지되지 않는 경우에는, 제 2 군의 전계효과 트랜지스터(170)가 전류를 차단하지 않으면서 배터리 베어셀의 충방전이 수행될 수 있다.
표 1은 다양한 조건에서 제 2 차 보호회로(106)의 동작 구성을 나타낸 표이다.
상태 차단 동작 복귀 조건
방전시의 과전류 감지 Dout : Low
Cout : High		 Vcs < 제 1 설정전압
충전시의 과전류 감지 Dout : High
Cout : Low		 Vcs > 제 2 설정전압
과열 감지 Dout : Low
Cout : Low		 Vths < 제 3 설정전압
과충전 감지 Dout : High
Cout : Low		 Vdd < 제 4 설정전압
표 1을 참조하면, 제 2 프로텍션 집적회로(150)의 단자(CS)를 통하여 방전시의 과전류를 감지하는 경우, 상술한 비교 회로부(152), 컨트롤 로직 회로부(154) 및 인버터 회로부(156, 157)를 순차적으로 거쳐 제 2 방전차단신호출력단자(제 2 DOUT단자)는 로우(Low)로 설정되어 제 3 전계효과 트랜지스터(170a)를 오프시킴으로써 배터리의 방전을 차단하게 된다. 다시, 충전기를 연결하여 충전 모드로 복귀하거나 부하(SET)를 제거함으로써 제 2 프로텍션 집적회로(150)의 단자(CS) 전압이 소정의 제 1 설정전압(예를 들어, 35mV ± 5mV) 보다 작게 되는 경우 과전류 차단 후에 복귀가 구현된다.
제 2 프로텍션 집적회로(150)의 단자(CS)를 통하여 충전시의 과전류를 감지하는 경우, 상술한 비교 회로부(152), 컨트롤 로직 회로부(154) 및 인버터 회로부(156, 157)를 순차적으로 거쳐 제 2 충전차단신호출력단자(제 2 COUT단자)는 로우(Low)로 설정되어 제 4 전계효과 트랜지스터(170b)를 오프시킴으로써 배터리의 충전을 차단하게 된다. 다시, 충전기를 제거하여 방전 모드로 복귀하거나 부하(SET)를 연결함으로써 제 2 프로텍션 집적회로(150)의 단자(CS) 전압이 소정의 제 2 설정전압(예를 들어, -35mV ± 5mV) 보다 크게 되는 경우 과전류 차단 후에 복귀가 구현된다.
제 2 프로텍션 집적회로(150)의 단자(THS)를 통하여 과열을 감지하는 경우, 상술한 비교 회로부(152), 컨트롤 로직 회로부(154) 및 인버터 회로부(156, 157)를 순차적으로 거쳐 제 2 방전차단신호출력단자(제 2 DOUT단자) 및 제 2 충전차단신호출력단자(제 2 COUT단자)는 로우(Low)로 설정되어 제 3 전계효과 트랜지스터(170a) 및 제 4 전계효과 트랜지스터(170b)를 오프시킴으로써 배터리의 충방전을 차단하게 된다. 다시, 검출 온도가 감소됨으로써 제 2 프로텍션 집적회로(150)의 단자(THS) 전압이 소정의 제 3 설정전압(예를 들어, 써미스터(160)에서 검출되는 전압) 보다 작게 되는 경우 과열 차단 후에 복귀가 구현된다.
제 2 프로텍션 집적회로(150)의 단자(THS)를 통하여 과충전을 감지하는 경우, 상술한 비교 회로부(152), 컨트롤 로직 회로부(154) 및 인버터 회로부(156, 157)를 순차적으로 거쳐 제 2 충전차단신호출력단자(제 2 COUT단자)는 로우(Low)로 설정되어 제 4 전계효과 트랜지스터(170b)를 오프시킴으로써 배터리의 충전을 차단하게 된다. 다시, 제 2 프로텍션 집적회로(150)의 단자(VDD) 전압이 소정의 제 4 설정전압(예를 들어, 4~5V ± 20mV) 보다 작게 되는 경우 과충전 차단 후에 복귀가 구현된다.
상술한 제 2 프로텍션 집적회로(150)는 직접회로(IC)의 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 비교 회로부(152), 컨트롤 로직 회로부(154) 및 인버터 회로부(156)를 구현하는 소자들이 하나의 칩 안에 집적화되어 제공될 수 있다.
지금까지 설명한 제 2 프로텍션 집적회로(150) 및 제 2 군의 전계효과 트랜지스터(170)으로 구성된 제 2 차 보호회로(106)에 의하면, 고가(高價)의 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 사용하지 않고서도 과전류 및 과열을 효과적으로 차단할 수 있다는 유리한 효과를 기대할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지의 일부를 도해하는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지를 도해하는 사시도이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 외부연결단자들(P+, P-), 내부연결단자(B+, B-)를 포함하는 도 1 내지 도 2의 배터리 보호회로(100a, 100b)를 구현하는 배터리 보호회로 패키지(300)가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지(300)는, 이격된 복수의 리드들을 포함하며, 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 리드프레임(50)을 구비한다. 도 1 내지 도 2에 도시된 제 1 프로텍션 집적회로 소자(120), 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자(110), 제 2 프로텍션 집적회로 소자(150), 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자(170) 및 수동소자(130)는 리드프레임(50) 상에 실장된다. 여기에서 수동소자(130)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 상술한 저항 소자, 써미스터 소자 및/또는 커패시터 소자를 의미한다. 특히, 제 2 프로텍션 집적회로(150)는 하나의 칩으로 구현될 수 있으며, 비교 회로 소자(152), 컨트롤 로직 회로 소자(154), 및 인버터 회로 소자(156)는 상기 하나의 칩 내에 집적화될 수 있다.
한편, 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자(110)와 제 1 프로텍션 집적회로 소자(120)는 적층되어 배치되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 적층되지 않고 서로 이격하여 배치될 수 있다. 또한, 제 2 프로텍션 집적회로 소자(150)와 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자(170)는 적층되어 배치되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 적층되지 않고 서로 이격하여 배치될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지(300)는 제 1 프로텍션 집적회로 소자(120), 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자(110), 제 2 프로텍션 집적회로 소자(150), 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자(170), 수동소자(130) 및 상기 복수의 리드들로 이루어진 군에서 선택된 어느 두 개를 전기적으로 연결하는 전기적 연결부재(220)를 더 포함함으로써 별도의 인쇄회로기판(PCB)을 사용하지 않고 배터리 보호회로를 구성할 수 있다. 전기적 연결부재(220)는 본딩 와이어 또는 본딩 리본 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 리드프레임은 금속 프레임에 리드 단자들이 패터닝된 구성으로서, 절연코어 상에 금속 배선층이 형성된 인쇄회로기판과는 그 구조나 두께 등에서 구분될 수 있다.
본딩 와이어나 본딩 리본과 같은 전기적 연결부재(220)를 리드프레임(50) 상에 배치하여 회로를 구성하므로, 배터리 보호회로를 구성하기 위한 리드프레임(50)을 설계하고 제조하는 과정이 단순화될 수 있다는 중요한 이점을 가진다. 만약, 본 발명의 실시예들에서 상술한 전기적 연결부재를 배터리 보호회로를 구현함에 있어서 도입하지 않는다면 리드프레임(50)을 구성하는 복수의 리드들의 구성이 매우 복잡하게 되므로 적절한 리드프레임(50)을 효과적으로 제공하는 것이 용이하지 않을 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지(300)는 리드프레임(50) 상에 실장된 제 1 프로텍션 집적회로 소자(120), 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자(110), 제 2 프로텍션 집적회로 소자(150), 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자(170), 수동소자(130)를 밀봉하는 봉지재(250)를 구비한다. 봉지재(250)는, 예를 들어, 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)를 포함할 수 있다.
한편, 제 1 프로텍션 집적회로 소자(120), 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자(110), 제 2 프로텍션 집적회로 소자(150) 및/또는 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자(170)는 리드프레임(50) 상에 반도체 패키지의 형태로 삽입되어 고정되는 것이 아니라 표면실장기술(Surface Mounting Technology)에 의하여 리드프레임(50)의 표면의 적어도 일부 상에, 별도의 봉지재로 밀봉되지 않은 웨이퍼에서 소잉(sawing)된 칩 다이(chip die) 형태로, 실장되어 고정될 수 있다. 여기에서, 칩 다이(chip die)라 함은 어레이 형태의 복수의 구조체(예를 들어, 프로텍션 집적회로, 전계효과 트랜지스터)가 형성된 웨이퍼 상에 별도의 봉지재로 밀봉하지 않고 소잉 공정을 수행하여 구현된 개별적인 구조체를 의미한다. 즉, 리드프레임(50) 상에 제 1 프로텍션 집적회로 소자(120), 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자(110), 제 2 프로텍션 집적회로 소자(150), 및 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자(170)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 실장할 때에는 별도의 봉지재로 밀봉하지 않은 상태에서 실장한 이후에, 후속의 봉지재(250)에 의하여 제 1 프로텍션 집적회로 소자(120), 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자(110), 제 2 프로텍션 집적회로 소자(150), 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자(170)를 밀봉하므로, 배터리 보호회로 패키지(300)를 구현함에 있어서 봉지재를 형성하는 공정을 한 번만 수행할 수 있다. 이에 반하여, 제 1 프로텍션 집적회로 소자(120), 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자(110), 제 2 프로텍션 집적회로 소자(150), 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자(170)를 인쇄회로기판(PCB)에 별도로 삽입하여 고정하거나 실장하는 경우는, 각 부품에 대하여 한 번의 몰딩 공정이 먼저 필요하고, 인쇄회로기판 상에 고정하거나 실장한 이후에 실장된 각 부품에 대하여 또 한 번의 몰딩 공정이 추가로 필요하므로, 제조공정이 복잡하고 제조비용이 높아질 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 다른 실시예에서는, 수동소자(130), 제 1 프로텍션 집적회로 소자(120), 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자(110), 제 2 프로텍션 집적회로 소자(150), 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자(170) 등이 실장되는 기판이 리드프레임(50)이 아니라 인쇄회로기판으로 구성될 수 있거나, 리드프레임 상에 배치된 인쇄회로기판으로 구성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 그 밖에 또 다른 일부 실시예들에 따른 배터리 보호회로 패키지를 구비하는 배터리 팩의 분해 사시도이다.
도 6을 참조하면, 배터리 캔(400) 내에 내장된 배터리 베어셀의 상부면과 상부케이스(500) 사이에 상술한 배터리 보호회로 패키지(300)가 삽입되어 배터리 팩(600)을 구성하게 된다. 상부케이스(500)는 플라스틱 및/또는 금속 재질로 외부연결단자들(P+, CF, P-)이 노출될 수 있도록 대응되는 부분에 관통홀(550)이 형성되어 있다.
상기 배터리 베어셀은 전극 조립체와 캡 조립체를 포함하여 구성된다. 상기 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. 상기 전극 조립체에는 상기 양극판에 부착된 양극탭과 상기 음극판에 부착된 음극탭이 인출되어 있다.
상기 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.
이하에서는, 배터리 보호회로 소자에서의 과전류를 차단하기 위하여 배터리 보호회로 패키지와 별도로 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 추가로 배치하는 본 발명의 비교예를 검토하면서 본 발명의 실시예들과의 차이점을 설명한다.
도 7은 본 발명의 비교예에 따른 배터리 보호회로 패키지를 도해하는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 비교예에서는 제 2 차 보호회로 구성 소자(106) 대신에 PTC 구조체(350)가 제공된다. 즉, 도 7에 도시된 배터리 보호회로 패키지(300)의 내부에는 제 2 차 보호회로 구성 소자(106)가 내장되어 있지 않으며, 배터리 보호회로 패키지(300)의 일단에 PTC 구조체(350)가 결합되어 제공된다.
PTC 구조체(350)는 PTC 소자(310), PTC 소자(310)의 상면 및 하면 중 어느 하나의 면인 제 1 면에 부착된 금속층(320), 및 PTC 소자(310)의 상면 및 하면 중 나머지 하나의 면인 제 2 면에 부착된 도전성의 연결부재(330, 340)를 포함한다. 금속층(320)은 제 1 내부연결단자용 리드(B+) 및 제 2 내부연결단자용 리드(B-) 중에서 선택된 어느 하나의 리드와 접합되고, 연결부재(330, 340)은 배터리 베어셀의 전극단자와 접합될 수 있다. 예를 들어, 금속층(320), 연결부재(330, 340) 및/또는 리드프레임(50)은 니켈, 구리, 니켈 도금된 구리 또는 기타 금속으로 이루어질 수도 있다. 금속층(320)은 제 1 내부연결단자용 리드(B+) 및 제 2 내부연결단자용 리드(B-) 중에서 선택된 어느 하나의 리드와 레이저 용접, 저항용접, 납땜(soldering) 및 도전성 접착제(예를 들어, 도전성 에폭시), 도전성 테이프로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방식으로 접합될 수 있다.
PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자(310)는, 예를 들어, 도전성 입자를 결정성 고분자에 분산시켜 형성할 수 있다. 따라서 설정된 온도 이하에서 PTC 소자(310)는 금속층(320)과 도전성의 연결부재(330, 340) 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 금속층(320)과 도전성의 연결부재(330, 340) 사이의 전류의 흐름이 차단되거나 전류의 흐름이 감소된다. 이와 같이 PTC 소자(310)에 의해 전류의 흐름이 차단될 수 있으므로, PTC 소자(310)는 배터리의 파열을 방지하는 안전장치의 역할을 수행한다. 그리고 다시 설정 온도 이하로 냉각되면 PTC 소자(310)는 결정성 고분자가 수축하여 도전성 입자 사이의 연결이 복원되므로 전류의 흐름이 원활하게 이루어진다.
배터리 보호회로 패키지(300)를 구성하는 리드프레임(50)은 PTC 구조체를 개재하여 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결된다. 예를 들어, 단자 리드프레임(50)의 제 2 내부연결단자용 리드(B-)는 PTC 구조체(350)를 개재하여 배터리 베어셀의 음극단자(410)와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 리드프레임(50)의 제 2 내부연결단자용 리드(B-)는 금속층(320)과 접합되고 PTC 소자(310)를 거쳐 도전성의 연결부재(330, 340)을 거쳐 배터리 베어셀의 음극단자(410)에 전기적으로 연결된다. 이 경우, 금속층(320)은 PTC 소자(310)의 일면 상에서 상기 상면 내에 한정되어 구성되고, 연결부재(330, 340)은 PTC 소자(310)의 타면 상에서 상기 배터리 베어셀의 음극단자(410)까지 신장되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 배터리 보호회로 패키지 및 이를 구비하는 배터리 팩은 본 발명의 비교예와 대비하여 다음과 같은 유리한 효과를 가진다.
첫째, 본 발명의 실시예들에서는 PTC 구조체보다 상대적으로 부품 단가가 낮은 전자 부품을 사용하면서도 효과적으로 과전류를 차단할 수 있다. 일반적으로 PTC 구조체의 단가가 높아 배터리 보호회로 장치의 생산단가를 상승시키는 주요한 원인이 되고 있다. 본 발명에 따르면 이러한 문제점을 효과적으로 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 본 발명의 실시예들에 따르면, 배터리 보호회로 패키지와 관련하여 배치된 PTC 구조체를 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 그 밖에도, 배터리 보호회로 패키지와 관련하여 배치된 퓨즈나 OTC(Overcurrent Trip Coil)를 대체할 수 있다.
둘째, PTC 구조체는 배터리 보호회로 패키지의 외부에 배치되기 때문에 PTC 구조체와 배터리 보호회로 패키지를 접합하는 공정이 추가적으로 필요하며, 접합 공정의 불량에 따른 구조체의 강도 저하가 수반될 수 있다. 즉, PTC 구조체(350)의 금속층(320)과 배터리 보호회로 패키지(300)의 제 2 내부연결단자용 리드(B-)를 레이저 용접이나 저항용접 등으로 접합하는 공정이 추가적으로 필요하며, 접합된 어셈블리의 구조적 강도는 상대적으로 취약할 수 있다. 이에 반하여, 본 발명의 실시예들에서는 과전류를 차단하기 위한 제 2 차 보호회로 구성 소자(106)가 배터리 보호회로 패키지(300)의 봉지재(250)에 의하여 밀봉되는 구조를 가지므로 어셈블리의 구조적 강도가 양호하다는 유리한 효과를 기대할 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.
100a, 100b : 배터리 보호회로
105 : 제 1 차 보호회로
106 : 제 2 차 보호회로
110 : 제 1 군의 전계효과 트랜지스터
120 : 제 1 프로텍션 집적회로
150 : 제 2 프로텍션 집적회로
170 : 제 2 군의 전계효과 트랜지스터
152 : 비교 회로부
154 : 컨트롤 로직 회로부
156, 157 : 인버터 회로부
50 : 리드프레임
300 : 배터리 보호회로 패키지

Claims (14)

  1. 일측이 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되고 타측이 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결될 수 있는, 배터리 보호회로 패키지로서,
    제 1 차 보호회로 구성 소자; 및 제 2 차 보호회로 구성 소자;를 포함하되,
    상기 제 1 차 보호회로 구성 소자는,
    제 1 전계효과 트랜지스터 소자와 제 2 전계효과 트랜지스터 소자로 구성되며, 드레인을 공통으로 가지는, 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자; 및
    상기 배터리 베어셀의 과방전 상태에서 상기 제 1 전계효과 트랜지스터 소자를 오프시키기 위한 제 1 방전차단신호출력단자(제 1 DOUT단자) 및 상기 배터리 베어셀의 과충전 상태에서 상기 제 2 전계효과 트랜지스터 소자를 오프시키기 위한 제 1 충전차단신호출력단자(제 1 COUT단자)를 구비하는, 제 1 프로텍션 집적회로(IC) 소자; 를 포함하고,
    상기 제 2 차 보호회로 구성 소자는,
    제 3 전계효과 트랜지스터 소자와 제 4 전계효과 트랜지스터 소자로 구성되며, 드레인을 공통으로 가지는, 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자; 및
    PTC 구조체에 의하지 않고서도 상기 배터리 베어셀의 충방전시의 과전류를 감지하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 차단하도록, 상기 배터리 베어셀의 방전시 과전류 상태에서 상기 제 3 전계효과 트랜지스터 소자를 오프시키기 위한 제 2 방전차단신호출력단자(제 2 DOUT단자), 및 상기 배터리 베어셀의 충전시 과전류 상태에서 상기 제 4 전계효과 트랜지스터 소자를 오프시키기 위한 제 2 충전차단신호출력단자(제 2 COUT단자)를 구비하는, 제 2 프로텍션 집적회로(IC) 소자; 를 포함하되,
    상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는,
    상기 배터리 베어셀의 방전시 과전류를 감지할 수 있는 제 1 컴퍼레이터 및 상기 제 1 컴퍼레이터와 병렬로 연결되며 상기 배터리 베어셀의 충전시 과전류를 감지할 수 있는 제 2 컴퍼레이터를 포함하는 비교 회로 소자;
    상기 제 1 컴퍼레이터의 출력단 및 상기 제 2 컴퍼레이터의 출력단과 연결되어 연산 동작을 수행할 수 있는 논리회로를 가지는 컨트롤 로직 회로 소자; 및
    일단은 상기 컨트롤 로직 회로 소자에 연결되고 타단은 상기 제 2 방전차단신호출력단자(제 2 DOUT단자)에 연결된 제 1 인버터 회로 소자 및 일단은 상기 컨트롤 로직 회로 소자에 연결되고 타단은 상기 제 2 충전차단신호출력단자(제 2 COUT단자)에 연결된 제 2 인버터 회로 소자로 구성된, 한 쌍의 인버터 회로 소자들;
    을 구비하고,
    상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자는,
    충전전압 및 방전전압을 인가하고 상기 배터리 베어셀의 전압을 감지하는 제 1 VDD 단자, 내부 동작전압에 대한 기준이 되는 제 1 VSS 단자, 및 상기 배터리 베어셀의 충방전 및 과전류 상태를 감지하기 위한 제 1 감지단자(V-단자)를 더 구비하며,
    상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는,
    상기 제 1 VDD 단자와 연결되며 충전전압 및 방전전압을 인가하고 상기 배터리 베어셀의 전압을 감지하는 제 2 VDD 단자, 내부 동작전압에 대한 기준이 되는 제 2 VSS 단자, 상기 배터리 베어셀의 충전시 또는 방전시의 과전류 상태를 감지하기 위하여 일측으로 상기 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자와 연결되면서 타측으로 상기 제 1 컴퍼레이터 및 상기 제 2 컴퍼레이터로 연결되는 제 1 감지단자(CS단자)를 더 구비하는, 배터리 보호회로 패키지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자 및 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는 각각 하나의 칩으로 집적화된 소자인, 배터리 보호회로 패키지.
  7. 제 1 항에 있어서,
    이격된 복수의 리드들을 포함하며, 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되며, 상기 제 1 차 보호회로 구성 소자 및 상기 제 2 차 보호회로 구성 소자가 실장되는, 리드프레임; 및
    상기 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자, 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자, 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자, 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자, 및 상기 복수의 리드들로 이루어진 군에서 선택된 어느 두 개를 전기적으로 연결하는 전기적 연결부재;
    를 더 포함함으로써 별도의 인쇄회로기판을 사용하지 않고 배터리 보호회로를 구성하는,
    배터리 보호회로 패키지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자, 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자, 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자 및 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자는, 상기 리드프레임 상에 별도의 반도체 패키지 형태로 삽입되어 고정되는 것이 아니라, 표면실장기술에 의하여 상기 리드프레임의 표면의 적어도 일부 상에, 별도의 봉지재로 밀봉되지 않은 칩 다이(chip die) 형태로, 실장되어 고정되는, 배터리 보호회로 패키지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기적 연결부재는 본딩 와이어 또는 본딩 리본을 포함하는, 배터리 보호회로 패키지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 리드프레임은,
    양쪽가장자리부분에 각각 배치되며, 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 직접 연결되는, 제 1 내부연결단자용 리드 및 제 2 내부연결단자용 리드;
    상기 제 1 내부연결단자용 리드 및 제 2 내부연결단자용 리드 사이에 배치되며, 복수의 외부연결단자들을 구성하는, 외부연결단자용 리드; 및
    상기 제 1 내부연결단자용 리드 및 제 2 내부연결단자용 리드 사이에 배치되며, 상기 제 1 군의 전계효과 트랜지스터 소자, 상기 제 1 프로텍션 집적회로 소자, 상기 제 2 군의 전계효과 트랜지스터 소자 및 상기 제 2 프로텍션 집적회로 소자가 실장될 수 있는, 소자실장용 리드;
    를 포함하는, 배터리 보호회로 패키지.
  11. 삭제
  12. 배터리 베어셀; 및
    일측이 상기 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되고 타측이 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결될 수 있는, 제 1 항, 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 의한 상기 배터리 보호회로 패키지;를 포함함으로써,
    PTC 구조체에 의하지 않고서도 상기 배터리 베어셀의 충방전시의 과전류를 감지하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 차단하도록 배터리 보호회로를 구현할 수 있는, 배터리 팩.



  13. 삭제
  14. 삭제
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