KR102005703B1 - 배터리 보호 ｉｃ 및 배터리 장치 - Google Patents

배터리 보호 ｉｃ 및 배터리 장치 Download PDF

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Abstract

(과제) 충전기의 극성이 반대로 접속되어도 안전성이 확보되는 배터리 보호 IC 및 배터리 장치를 제공하는 것.
(해결 수단) 배터리 보호 IC 는, 과전류 검출 단자와 VDD 단자 사이에 제 1 스위치 소자를 구비하고, 충전기의 극성이 반대로 접속되었을 때에, 과전류 검출 단자와 VDD 단자 사이의 전류 경로를 차단하는 구성으로 하였다. 또, 배터리 보호 IC 는, 충전 제어 단자와 VDD 단자 사이에 제 2 스위치 소자를 구비하고, 충전기의 극성이 반대로 접속되었을 때에, 충전 제어 단자와 VDD 단자 사이의 전류 경로를 차단하는 구성으로 하였다.

Description

배터리 보호 ＩＣ 및 배터리 장치{BATTERY PROTECTION IC AND BATTERY DEVICE}
본 발명은, 배터리 보호 IC 및 배터리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 배터리 장치에 충전기가 역 (逆) 접속되었을 때의 IC 의 보호에 관한 것이다.
현재, 휴대형 전자 기기가 보급되어 있는데, 이들은 배터리 장치로 구동되고 있다. 배터리 장치는, 2 차 전지와, 그 충방전을 제어하는 보호 회로를 탑재한 배터리 보호 IC 로 구성되어 있다. 배터리 보호 IC 는, 2 차 전지의 충방전을 제어함과 함께, 과충전, 과방전, 과전류로부터 2 차 전지를 보호하는 기능도 가지고 있다. 또, 2 차 전지를 충전하는 충전기가 통상적인 접속과는 정극 (正極) 부극 (負極) 이 반대로 접속되어도, 2 차 전지나 IC 를 보호하는 기능도 가지고 있다.
도 2 는, 배터리 보호 IC (3) 및 배터리 장치 (1) 를 나타내는 블록도이다.
배터리 장치 (1) 는, 2 차 전지 (2) 와, 배터리 보호 IC (3) 와, 스위치인 방전 제어 FET (4) 및 충전 제어 FET (5) 와, 용량 (6) 과, 입력 저항 (7) 과, 전류 제한 저항 (8) 과, 충전기 (13) 나 부하가 접속되는 외부 단자 (11 과 12) 를 가지고 있다. 배터리 보호 IC (3) 는, 과방전 검출 회로 (31) 와, 과충전 검출 회로 (32) 와, 과전류 검출 회로 (33) 와, 제어 회로 (34) 와, VDD 단자 (15) 및 VSS 단자 (16) 와, 충전 제어용 CO 단자 (17) 및 방전 제어용 DO 단자 (18) 와, 과전류 검출용 VM 단자 (19) 를 구비하고 있다.
2 차 전지 (2) 는, 정극을 입력 저항 (7) 을 통하여 배터리 보호 IC (3) 의 VDD 단자 (15) 와, 부극을 배터리 보호 IC (3) 의 VSS 단자 (16) 와 접속된다. 용량 (6) 은, 배터리 보호 IC (3) 의 VDD 단자 (15) 와 VSS 단자 (16) 에 접속된다. 방전 제어 FET (4) 와 충전 제어 FET (5) 는, 2 차 전지 (2) 의 부극과 배터리 장치 (1) 의 외부 단자 (12) 사이에 직렬로 접속된다. 방전 제어 FET (4) 의 게이트는, 배터리 보호 IC (3) 의 방전 제어 단자 (DO) 에 접속된다. 충전 제어 FET (5) 의 게이트는, 배터리 보호 IC (3) 의 충전 제어 단자 (CO) 와 접속된다. 방전 제어 FET (4) 와 충전 제어 FET (5) 는, 게이트와 소스 사이에 게이트 산화막 보호 다이오드가 형성되어 있다. 전류 제한 저항 (8) 은, 배터리 보호 IC (3) 의 VM 단자 (19) 와 외부 단자 (12) 사이에 접속된다.
과방전 검출 회로 (31) 와 과충전 검출 회로 (32) 는, 입력 단자가 VDD 단자 (15) 와 VSS 단자 (16) 에 접속되고, 출력 단자가 제어 회로 (34) 에 접속된다. 과전류 검출 회로 (33) 는, 입력 단자가 VM 단자 (19) 와 VSS 단자 (16) 에 접속되고, 출력 단자가 제어 회로 (34) 에 접속된다 (예를 들어 특허문헌 1 참조).
도 3 은, 종래의 배터리 보호 IC (3) 의 기생 다이오드를 나타내는 회로도이다.
배터리 보호 IC (3) 의 기생 다이오드는, 일반적으로 회로 내의 트랜지스터의 기생 용량 등이다. 예를 들어, VM 단자 (19) 와 VDD 단자 (15) 사이에 기생 다이오드 (D1) 가 존재한다. 또, CO 단자 (17) 와 VDD 단자 (15) 사이에 기생 다이오드 (D2, D3, D4) 가 존재한다. 또, DO 단자 (18) 와 VDD 단자 (15) 사이에 기생 다이오드 (D5, D6) 가 존재한다.
충전기 (13) 는, 30 V 정도의 고전압을 출력한다. 그리고, 충전기 (13) 는, 배터리 장치 (1) 의 외부 단자 (11) 측에 고전위, 배터리 장치 (1) 의 외부 단자 (12) 측에 저전위가 접속된다.
여기서, 배터리 장치 (1) 에 충전기 (13) 가 역접속되면, 이하와 같은 전류 경로에 의해, 배터리 장치 (1) 에 이상 전류가 발생한다.
먼저, VM 단자 (19) 와 VDD 단자 (15) 사이에 있는 기생 다이오드가 순방향이 되어, 충전기 (13)∼전류 제한 저항 (8)∼VM 단자 (19)∼기생 다이오드 (D1) (D3 및 D4)∼입력 저항 (7)∼충전기 (13) 의 경로로 전류가 흐른다.
다음으로, 충전 제어 FET (5) 의 게이트 산화막 보호 다이오드가 충전 제어 FET (5) 의 게이트와 소스의 전위차를 클램프하도록 동작한다. 이로써, 배터리 보호 IC (3) 의 CO 단자 (17) 에 접속되는 기생 다이오드가 순방향이 되어, 충전기 (13)∼충전 제어 FET (5) 의 게이트 산화막 보호 다이오드∼CO 단자 (17)∼기생 다이오드 (D4)∼입력 저항 (7)∼충전기 (13) 라는 경로로 전류가 흐른다.
이들 전류가 흐름으로써 입력 저항 (7) 의 양 단에 전압이 발생하여, 배터리 보호 IC (3) 의 VDD∼VSS 사이에 정격 전압을 초과한 전압이 인가된다.
이 때, 배터리 보호 IC (3) 의 VM 단자 (19) 에 접속된 전류 제한 저항 (8) 은, 충전기 (13) 의 역접속시에 전류를 억제한다. 또, CO 단자 (17) 로부터 VDD 단자 (15) 의 경로에 형성된 저항 (R1) 도, 충전기 (13) 의 역접속시에 전류를 억제한다. 이와 같이, 내부의 전류 경로에 전류 제한용 저항을 형성함으로써, 충전기 (13) 의 역접속시에 전류를 억제한다.
일본 공개특허공보2009-177937호
그러나, 상기 서술한 바와 같은 배터리 보호 IC (3) 및 배터리 장치 (1) 는, 전류 제한 저항 (8) 을 필요로 하기 때문에, 배터리 보호 IC (3) 의 외부 장착 부품이 증가된다는 과제가 있다.
또, 내부의 전류 제한용 저항은, 배터리 보호 IC (3) 의 통상 동작에 미치는 영향과 트레이드 오프의 관계에 있어, 함부로 저항값을 크게 할 수 없다는 과제가 있다.
상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 배터리 보호 IC 는 이하의 구성으로 하였다.
과전류 검출 단자와 VDD 단자 사이에 제 1 스위치 소자를 구비하고, 충전기의 극성이 반대로 접속되었을 때에, 과전류 검출 단자와 VDD 단자 사이의 전류 경로를 차단하는 구성으로 하였다.
또, 충전 제어 단자와 VDD 단자 사이에 제 2 스위치 소자를 구비하고, 충전기의 극성이 반대로 접속되었을 때에, 충전 제어 단자와 VDD 단자 사이의 전류 경로를 차단하는 구성으로 하였다.
본 발명의 배터리 보호 IC (3) 및 배터리 장치 (1) 에 의하면, 배터리 보호 IC (3) 의 내부에, 충전기 (13) 의 역접속시의 전류를 차단하는 스위치 소자를 형성함으로써, 배터리 장치 (1) 의 부품 수를 줄이고, 또한 안전성이 높은 배터리 보호 IC (3) 및 배터리 장치 (1) 를 제공하는 것이 가능해진다.
도 1 은, 본 실시형태의 배터리 보호 IC 및 배터리 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2 는, 배터리 보호 IC 및 배터리 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3 은, 종래의 배터리 보호 IC (3) 의 기생 다이오드를 나타내는 블록도이다.
이하, 본 발명에 의한 최선의 형태에 대해 도면을 이용하여 상세하게 설명한다.
도 1 은, 본 실시형태의 배터리 보호 IC 및 배터리 장치를 나타내는 블록도이다.
배터리 장치 (1) 는, 2 차 전지 (2) 와, 배터리 보호 IC (30) 와, 스위치인 방전 제어 FET (4) 및 충전 제어 FET (5) 와, 용량 (6) 과, 입력 저항 (7) 과, 충전기 (13) 나 부하가 접속되는 외부 단자 (11 와 12) 를 가지고 있다. 배터리 보호 IC (30) 는, VDD 단자 (15) 및 VSS 단자 (16) 와, 충전 제어용 CO 단자 (17) 및 방전 제어용 DO 단자 (18) 와, 과전류 검출용 VM 단자 (19) 를 구비하고 있다. 또, 배터리 보호 IC (30) 는, 도시하지는 않지만, 도 2 와 마찬가지로, 과방전 검출 회로 (31) 와, 과충전 검출 회로 (32) 와, 과전류 검출 회로 (33) 와, 제어 회로 (34) 를 구비하고 있다. 그리고, 그들 회로나 ESD 보호 소자 등이 있음으로써, 예를 들어, 기생 다이오드 (Dl, D2, D3, D4, D5, D6) 가 존재한다. 또한 배터리 보호 IC (30) 는, 트랜지스터 (M1, M2, M3) 를 구비하고 있다.
2 차 전지 (2) 는, 정극을 입력 저항 (7) 을 통하여 배터리 보호 IC (30) 의 VDD 단자 (15) 와, 부극을 배터리 보호 IC (30) 의 VSS 단자 (16) 와 접속된다. 용량 (6) 은, 배터리 보호 IC (30) 의 VDD 단자 (15) 와 VSS 단자 (16) 에 접속된다. 방전 제어 FET (4) 와 충전 제어 FET (5) 는, 2 차 전지 (2) 의 부극과 배터리 장치 (1) 의 외부 단자 (12) 사이에 직렬로 접속된다. 방전 제어 FET (4) 의 게이트는, 배터리 보호 IC (30) 의 방전 제어 단자 (DO) 에 접속된다. 충전 제어 FET (5) 의 게이트는, 배터리 보호 IC (30) 의 충전 제어 단자 (CO) 와 접속된다. 방전 제어 FET (4) 와 충전 제어 FET (5) 는, 게이트와 소스 사이에 게이트 산화막 보호 다이오드가 형성되어 있다. VM 단자 (19) 는, 외부 단자 (12) 에 직접 접속된다.
기생 다이오드 (D1) 는, VM 단자 (19) 와 VDD 단자 (15) 사이에 접속되어 있다. 기생 다이오드 (D2) 는, VM 단자 (19) 와 CO 단자 (17) 사이에 접속되어 있다. 기생 다이오드 (D3 및 D4) 는, VM 단자 (19) 와 VDD 단자 (15) 사이에 접속되어 있다. 기생 다이오드 (D3) 와 기생 다이오드 (D4) 의 접속점은, CO 단자 (17) 에 접속되어 있다. 기생 다이오드 (D5) 는, VSS 단자 (16) 와 DO 단자 (18) 사이에 접속되어 있다. 기생 다이오드 (D6) 는, VSS 단자 (16) 와 VDD 단자 (15) 사이에 접속되어 있다.
스위치 소자인 트랜지스터 (M1) 는, 드레인과 소스가 VM 단자 (19) 와 VDD 단자 (15) 및 DO 단자 (18) 사이에 접속되고, 게이트가 VDD 단자 (15) 에 접속되어 있다. 트랜지스터 (M2) 는, 드레인과 소스가 VDD 단자 (15) 와 트랜지스터 (M1) 의 소스 사이에 접속되고, 게이트가 VM 단자 (19) 에 접속되어 있다. 스위치 소자인 트랜지스터 (M3) 는, 드레인과 소스가 CO 단자 (17) 와 VDD 단자 (15) 사이에 접속되고, 게이트가 VDD 단자 (15) 에 접속되어 있다.
다음으로, 본 실시형태의 배터리 장치 (1) 의 동작에 대해 설명한다. 2 차 전지 (2) 가 1 셀되면, 그 전압은 대략 5 V 정도이고, 충전기 (13) 의 출력 단자의 양 단에 10 V 정도의 전위차가 있는 것으로 한다.
먼저, 충전기 (13) 가 배터리 장치 (1) 에 정상적으로 접속된 경우에 대해 설명한다.
충전기 (13) 가 정상적으로 접속되어 있는 경우에는, 2 차 전지 (2) 를 충전하기 위한 충전 전류가, 외부 단자 (11)∼2 차 전지 (2)∼방전 제어 FET (4)∼충전 제어 FET (5)∼외부 단자 (12) 의 경로로 흐르고 있다. 이 상태에서는, VSS 단자 (16) 와 VM 단자 (19) 의 전위는 거의 동일해진다. 따라서, 트랜지스터 (M1) 는, 게이트의 전압이 VDD 이고 드레인의 전압이 VSS 이므로 온된다. 또, 트랜지스터 (M2) 는, 게이트의 전압이 VSS 이고 드레인의 전압이 VDD 이므로, 오프된다. 따라서, 트랜지스터 (M3) 는, 게이트의 전압이 VDD 이므로 온된다.
트랜지스터 (M1 내지 M3) 는, 이와 같은 상태에 있을 때에는, 배터리 보호 IC (30) 의 통상 동작에 영향을 주는 경우는 없다. 예를 들어, 과충전 검출 회로 (32) 는, 2 차 전지 (2) 의 전압이 소정의 전압을 초과했을 때에, 제어 회로 (34) 에 과충전 검출 신호를 출력한다. 그리고, 제어 회로 (34) 는 충전 제어 FET (5) 를 오프시켜, 충전기 (13) 에 의한 충전을 정지시킨다.
다음으로, 충전기 (13) 가 배터리 장치 (1) 에 역접속되었을 경우에 대해 설명한다.
충전기 (13) 가 반대로 접속되면, VM 단자 (15) 의 전압이 높아지므로, 과전류 검출 회로 (33) 가 과전류를 검출하고, 방전 제어 FET (4) 나 충전 제어 FET (5) 를 오프시킨다. 방전 제어 FET (4) 가 오프되면, 배터리 장치 (1) 는 전류를 흘리지 않기 때문에, VM 단자-VDD 단자 사이에 충전기 (13) 의 전압 10 V 가 인가되게 된다.
이 때, VM 단자 (19) 와 VDD 단자 (15) 사이에, 기생 다이오드 (D1) 나, 기생 다이오드 (D3∼D4) 를 통하는 제 1 전류 경로가 존재한다. 또, 충전 제어 FET (5) 의 게이트 산화막 보호 다이오드가 브레이크 다운되면, CO 단자 (17) 와 VDD 단자 (15) 사이에, 기생 다이오드 (D4) 를 통하는 제 2 전류 경로가 존재한다.
여기서, 배터리 보호 IC (30) 는, 제 1 전류 경로에 트랜지스터 (M1) 를 형성하고, 제 2 전류 경로에 트랜지스터 (M3) 를 형성함으로써, 이들 전류 경로를 차단한다.
트랜지스터 (M1) 는, 게이트가 VDD 단자 (15) 에 접속되어 있고, VM 단자 (19) 의 전압이 VDD＋10 V 가 되므로 오프된다. 트랜지스터 (M2) 는, 게이트가 VM 단자 (19) 에 접속되어 있으므로, 온되어 트랜지스터 (M1) 의 소스 전압을 VDD 로 한다. 이상의 동작에 의해, 배터리 보호 IC (30) 는, 제 1 전류 경로를 차단할 수 있다.
트랜지스터 (M3) 는, 게이트가 VDD 단자 (15) 에 접속되어 있고, CO 단자 (17) 의 전압이 VDD＋10 V 가 되므로 오프된다. 따라서, 배터리 보호 IC (30) 는, 제 2 전류 경로를 차단할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 배터리 장치 (1) 에 충전기 (13) 가 역접속되어도, 트랜지스터 (M1∼M3) 의 작용에 의해 전류 경로를 차단하는 것이 가능해져, VM 단자 (19) 에 접속되어 있던 전류 제한 저항 (8) 이나 내부의 저항을 필요로 하지 않고, 또한 높은 안전성을 확보하는 것이 가능해진다.
여기서, 트랜지스터 (M1∼M3) 에 요구되는 특성에 대해 설명한다.
트랜지스터 (M1) 는, 통상 동작에 있어서, 과전류를 검출하는 전압의 정밀도에 영향을 주지 않도록, 내부 전위를 VM 단자 (19) 의 전위와 동일하게 할 필요가 있기 때문에, 온 저항이 낮은 것이 요구된다. 또, 충전 제어 FET (5) 가 오프되었을 때에는, 게이트 및 소스와 드레인 사이에 충전기 (13) 의 전압이 가해지므로, 게이트 산화막을 충분히 두껍게 하고, 드레인은 고내압 구조인 것이 요구된다.
트랜지스터 (M2) 는, 통상 동작시에는 항상 오프이므로, 예를 들어 임계치 전압을 높게 하는 등, 오프 리크 전류가 발생하지 않는 것이 요구된다. 또, 충전 제어 FET (5) 가 오프되었을 때에는, 소스와 드레인 사이에 충전기 (13) 의 전압이 가해지므로, 드레인은 고내압 구조인 것이 요구된다. 또, 충전기 (13) 의 역접속시에는, 게이트에는 충전기 (13) 의 전압이 가해지므로, 게이트 산화막이 충분히 두꺼운 것이 요구된다.
트랜지스터 (M3) 는, 충전 제어 FET (5) 가 오프되었을 때에, CO 단자 (17) 는 VM 단자 (19) 와 동 전위가 되고, 게이트에는 충전기 (13) 의 전압이 가해지므로, 게이트 산화막을 충분히 두껍게 해 둔다. 또, 충전기 (13) 의 역접속시에 있어서, 게이트 및 소스와 드레인 사이에 충전기 (13) 의 전압이 가해지므로, 게이트 산화막을 충분히 두껍게 하고, 드레인은 고내압 (高耐壓) 구조인 것이 요구된다.
또한, 트랜지스터 (M2) 는, 배터리 보호 IC (30) 의 VM 단자 (19) 의 정전 (靜電) 보호 소자를 겸하는 것도 가능하다.
이상으로부터, 본 발명의 배터리 보호 IC (30) 및 배터리 장치 (1) 에 의하면, 충전기 (13) 가 역접속되었을 때에도 배터리 보호 IC (30) 를 포함하여, 배터리 장치 (1) 내에서 전류를 흘리지 않고, 종래 필요했던 외부 장착 저항을 접속하지 않고, 높은 안전성을 갖는 배터리 보호 IC 및 배터리 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
1 : 배터리 장치
3, 30 : 배터리 보호 IC
4 : 방전 제어 FET
5 : 충전 제어 FET
13 : 충전기
31 : 과방전 검출 회로
32 : 과충전 검출 회로
33 : 과전류 검출 회로
34 : 제어 회로

Claims (6)

  1. 2 차 전지가 접속되는 VDD 단자 및 VSS 단자와,
    외부 단자에 접속되는 과전류 검출 단자와,
    상기 2 차 전지를 충전하는 충전기에 의한 충전 전류를 제어하는 충전 제어 FET 가 접속되는 충전 제어 단자를 구비하고, 상기 2 차 전지의 전압 및 전류를 감시하고, 상기 2 차 전지의 충방전을 제어하는 배터리 보호 IC 로서,
    상기 과전류 검출 단자와 상기 VDD 단자 사이에 제 1 스위치 소자를 구비하고, 상기 제 1 스위치 소자는, 상기 충전기의 극성이 반대로 접속되었을 때에, 상기 과전류 검출 단자와 상기 VDD 단자 사이의 전류 경로를 차단하고,
    상기 제 1 스위치 소자는, 드레인이 상기 과전류 검출 단자에 접속되고, 게이트가 상기 VDD 단자에 접속된 NMOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 보호 IC.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    소스가 상기 제 1 스위치 소자의 소스에 접속되고, 드레인이 상기 VDD 단자에 접속되고, 게이트가 상기 과전류 검출 단자에 접속된, NMOS 트랜지스터를 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 보호 IC.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 충전 제어 단자와 상기 VDD 단자 사이에 형성된 제 2 스위치 소자를 추가로 구비하고, 상기 제 2 스위치 소자는, 상기 충전기의 극성이 반대로 접속되었을 때에, 상기 충전 제어 단자와 상기 VDD 단자 사이의 전류 경로를 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호 IC.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 스위치 소자는, 드레인이 상기 충전 제어 단자에 접속되고, 게이트가 상기 VDD 단자에 접속된, NMOS 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 배터리 보호 IC.
  6. 충전기가 접속되는 제 1 외부 단자 및 제 2 외부 단자와,
    상기 제 1 외부 단자와 상기 제 2 외부 단자 사이에 직렬로 접속된 2 차 전지, 방전 제어 FET 및 충전 제어 FET 와,
    상기 2 차 전지의 전압과 상기 제 2 외부 단자의 전압이 입력되고, 상기 2 차 전지의 충방전을 제어하는 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 배터리 보호 IC 를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
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