KR102528454B1 - Power conversion circuit with battery cell balancing - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수의 셀이 직렬로 연결된 구조에서 배터리의 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면은, 외부 충전기로부터 전력을 제공받고, 제 1 셀과 제 2 셀을 포함하는 복수의 셀이 직렬 연결된 배터리의 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행하기 위한 전력 변환 회로에 있어서, 벅 컨버터 모드와 스위치드 커패시터 컨버터 모드 중에서 선택적으로 동작하면서 상기 벅 컨버터 모드에서는 상기 배터리를 충전하고 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서는 상기 셀 밸런싱 기능을 수행하는 제 1 컨버터 회로; 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 동작하며 상기 셀 밸런싱 기능을 수행하는 제 2 컨버터 회로; 버스 전압, 상기 제 1 컨버터 회로, 상기 제 2 컨버터 회로 및 상기 배터리 사이의 연결을 관리하는 전류 경로 관리 회로; 및 상기 제 1 컨버터 회로, 상기 제 2 컨버터 회로 및 상기 전류 경로 관리 회로를 제어하는 제어기;를 포함하는 전력 변환 회로이다.The present invention relates to a power conversion circuit capable of performing battery charging and cell balancing functions in a structure in which a plurality of cells are connected in series. One aspect of the present invention, in a power conversion circuit for receiving power from an external charger and performing charging and cell balancing functions of a battery in which a plurality of cells including a first cell and a second cell are connected in series, a buck converter a first converter circuit selectively operating in a switched capacitor converter mode, charging the battery in the buck converter mode, and performing the cell balancing function in the switched capacitor converter mode; a second converter circuit operating in a switched capacitor converter mode and performing the cell balancing function; a current path management circuit that manages a bus voltage and a connection between the first converter circuit, the second converter circuit, and the battery; and a controller controlling the first converter circuit, the second converter circuit, and the current path management circuit.
Description
본 발명은 배터리 셀 밸런싱 기능을 포함하는 전력 변환 회로에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 복수의 셀이 직렬로 연결된 구조에서 배터리의 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a power conversion circuit including a battery cell balancing function. Specifically, the present invention relates to a power conversion circuit capable of performing battery charging and cell balancing functions in a structure in which a plurality of cells are connected in series.
최근 배터리를 사용하는 전자 장치의 전력 요구가 증가하면서 복수의 셀이 직렬로 연결된 배터리를 사용하려는 시도가 증가하고 있다. 또한, 폴더블(foldable) 휴대폰 등에서 듀얼 모니터의 각각이 별도의 셀을 구비하되 두 셀은 함께 직렬로 연결되어 활용될 수 있는 구조에 대한 관심도 증가하고 있다. Recently, as the power demand of an electronic device using a battery increases, attempts to use a battery in which a plurality of cells are connected in series are increasing. In addition, interest in a structure in which each of the dual monitors is provided with a separate cell in a foldable mobile phone or the like, but two cells are connected in series together and can be utilized, is also increasing.
이와 같이 복수의 셀이 직렬로 연결되는 구조의 경우, 외부 충전기(TA)가 연결되었을 때 배터리를 충전하는 장치가 필요할 뿐만 아니라, 두 셀 사이의 밸런싱을 위한 셀 밸런싱 장치도 필요하므로 전력 변환 회로의 구조가 복잡해지는 문제가 있다.In the case of a structure in which a plurality of cells are connected in series as described above, a device for charging the battery when an external charger (TA) is connected is required, as well as a cell balancing device for balancing two cells. There is a problem in which the structure is complicated.
또한, 최근 모바일 전자 장치를 외부에서 충전하는 충전기가 다양화되면서, 외부 충전기가 제공하는 전압이 5V 또는 9V 등과 같이 소정의 전압으로 고정되는 방식과 3V ~ 11V 또는 3V ~ 20V 범위에서 가변이 가능한 방식 등 다양한 충전 방식이 사용되고 있다. 예를 들어, USB-PD PPS(USB Power Delivery Programmable Power Supply) 방식의 외부 충전기는 전자 장치와의 통신을 통해 전자 장치가 요구하는 전압을 3V ~ 20V 범위에서 20mV 단위로 조절하여 제공할 수 있다. 이 경우, 전자 장치는 자신의 상태에 따라 최적의 전압을 외부 충전기에게 요청함으로써 최적의 조건에서 동작할 수 있다. In addition, with the recent diversification of chargers for externally charging mobile electronic devices, a method in which the voltage provided by an external charger is fixed to a predetermined voltage such as 5V or 9V, and a method in which the voltage provided by the external charger is variable in the range of 3V to 11V or 3V to 20V Various charging methods are used. For example, a USB-PD USB Power Delivery Programmable Power Supply (PPS) type external charger may adjust and provide a voltage required by the electronic device in the range of 3V to 20V in units of 20mV through communication with the electronic device. In this case, the electronic device may operate in an optimal condition by requesting an optimal voltage from an external charger according to its own state.
이와 같은 다양한 충전 방식으로 인해, 전력 변환 회로는 외부 충전기로부터 제공되는 전압이 소정의 값으로 고정되는 경우 해당 전압에서 효율적으로 동작할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 소정의 전압 범위에서 가변 될 수 있는 외부 충전기가 연결되는 경우에는 외부 충전기에게 전자 장치 내부의 상황에 맞는 전압을 요청하고 해당 전압을 입력받아 고속 또는 초고속 충전을 고효율로 구현할 수 있어야 한다.Due to these various charging methods, the power conversion circuit not only must be able to operate efficiently at the voltage supplied from the external charger when it is fixed at a predetermined value, but also the external charger that can be varied within a predetermined voltage range. When is connected, it is necessary to request a voltage suitable for the internal situation of the electronic device from an external charger and receive the corresponding voltage to implement high-speed or ultra-fast charging with high efficiency.
이와 같이, 복수의 셀이 직렬 연결되고 외부 충전기 방식이 다양화되는 상황에서 배터리의 충전을 효율적으로 수행하면서 셀 밸런싱 기능도 갖춘 전력 변환 회로에 대한 필요성이 증가하고 있다. As such, in a situation where a plurality of cells are connected in series and external charger methods are diversified, the need for a power conversion circuit having a cell balancing function while efficiently charging a battery is increasing.
본 발명의 일 목적은, 실시예에 따라, 복수의 셀이 직렬 연결되고 충전 방식이 다양화되는 상황에서 배터리의 충전을 효율적으로 수행하면서 셀 밸런싱 기능도 갖춘 전력 변환 회로를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a power conversion circuit having a cell balancing function while efficiently charging a battery in a situation where a plurality of cells are connected in series and charging methods are diversified.
본 발명의 일 목적은, 실시예에 따라, 외부 충전기가 연결되지 않은 상태에서 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로를 제공하는 것이다.One object of the present invention, according to an embodiment, is to provide a power conversion circuit capable of performing a cell balancing function in a state in which an external charger is not connected.
본 발명의 일 목적은, 실시예에 따라, 소정의 고정된 전압을 제공하는 외부 충전기가 연결된 상태에서 배터리의 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로를 제공하는 것이다.One object of the present invention, according to an embodiment, is to provide a power conversion circuit capable of performing battery charging and cell balancing functions in a state in which an external charger providing a predetermined fixed voltage is connected.
본 발명의 일 목적은, 실시예에 따라, 소정의 범위에서 가변되는 전압을 제공하는 외부 충전기가 연결된 상태에서 배터리의 고속 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a power conversion circuit capable of performing high-speed charging of a battery and cell balancing functions in a state in which an external charger providing a variable voltage within a predetermined range is connected.
본 발명의 일 목적은, 실시예에 따라, 위 목적들을 달성하면서도 부품 수를 줄이고 간단한 구조로 구현되며 고효율로 동작할 수 있는 전력 변환 회로를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a power conversion circuit capable of reducing the number of parts, implementing a simple structure, and operating at high efficiency, while achieving the above objects, according to embodiments.
본 발명의 일 측면은, 외부 충전기로부터 전력을 제공받고, 제 1 셀과 제 2 셀을 포함하는 복수의 셀이 직렬 연결된 배터리의 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행하기 위한 전력 변환 회로에 있어서, 벅 컨버터 모드와 스위치드 커패시터 컨버터 모드 중에서 선택적으로 동작하면서 상기 벅 컨버터 모드에서는 상기 배터리를 충전하고 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서는 상기 셀 밸런싱 기능을 수행하는 제 1 컨버터 회로; 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 동작하며 상기 셀 밸런싱 기능을 수행하는 제 2 컨버터 회로; 버스 전압, 상기 제 1 컨버터 회로, 상기 제 2 컨버터 회로 및 상기 배터리 사이의 연결을 관리하는 전류 경로 관리 회로; 및 상기 제 1 컨버터 회로, 상기 제 2 컨버터 회로 및 상기 전류 경로 관리 회로를 제어하는 제어기;를 포함하는 전력 변환 회로이다.One aspect of the present invention, in a power conversion circuit for receiving power from an external charger and performing charging and cell balancing functions of a battery in which a plurality of cells including a first cell and a second cell are connected in series, a buck converter a first converter circuit selectively operating in a switched capacitor converter mode, charging the battery in the buck converter mode, and performing the cell balancing function in the switched capacitor converter mode; a second converter circuit operating in a switched capacitor converter mode and performing the cell balancing function; a current path management circuit that manages a bus voltage and a connection between the first converter circuit, the second converter circuit, and the battery; and a controller controlling the first converter circuit, the second converter circuit, and the current path management circuit.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 외부 충전기가 연결되지 않은 경우, 상기 전류 경로 관리 회로는 상기 제 2 셀의 고전압을 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 및 상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압에 연결하고, 상기 제 1 컨버터 회로와 상기 제 2 컨버터 회로는 각각 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하여 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. In the power conversion circuit, when the external charger is not connected, the current path management circuit connects the high voltage of the second cell to the input voltage of the first converter circuit and the input voltage of the second converter circuit; The first converter circuit and the second converter circuit may each operate in the switched capacitor converter mode to perform a cell balancing function between the first cell and the second cell.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 컨버터 회로와 상기 제 2 컨버터 회로는 서로 실질적으로 180도의 위상 차이를 갖고 스위칭 동작할 수 있다. In the power conversion circuit, the first converter circuit and the second converter circuit may perform a switching operation with a phase difference of substantially 180 degrees from each other.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 가변 출력 전압 외부 충전기가 연결된 경우, 상기 전류 경로 관리 회로는 상기 버스 전압을 상기 제 2 셀의 고전압, 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 및 상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압에 연결하고, 상기 제 1 컨버터 회로와 상기 제 2 컨버터 회로는 각각 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하여 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. In the power conversion circuit, when a variable output voltage external charger is connected, the current path management circuit converts the bus voltage into a high voltage of the second cell, an input voltage of the first converter circuit, and an input voltage of the second converter circuit. , wherein the first converter circuit and the second converter circuit may each operate in the switched capacitor converter mode to perform a cell balancing function between the first cell and the second cell.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 전류 경로 관리 회로는 상기 버스 전압을 상기 제 2 셀의 고전압에 연결함으로써 상기 배터리에 대한 고속 충전을 직접 수행할 수 있다. In the power conversion circuit, the current path management circuit may directly perform high-speed charging of the battery by connecting the bus voltage to the high voltage of the second cell.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제어기는 상기 버스 전압이 상기 배터리의 고속 충전을 직접 수행하는데 적합한 전압이 되도록 상기 가변 출력 전압 외부 충전기에게 출력 전압을 조절할 것을 요청할 수 있다. In the power conversion circuit, the controller may request the variable output voltage external charger to adjust an output voltage so that the bus voltage becomes a voltage suitable for directly performing high-speed charging of the battery.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 컨버터 회로와 상기 제 2 컨버터 회로는 서로 실질적으로 180도의 위상 차이를 갖고 스위칭 동작할 수 있다. In the power conversion circuit, the first converter circuit and the second converter circuit may perform a switching operation with a phase difference of substantially 180 degrees from each other.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 고정 출력 전압 외부 충전기가 연결된 경우, 상기 전류 경로 관리 회로는 상기 버스 전압을 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압에 연결하고, 상기 제 2 셀의 고전압을 상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압에 연결하며, 상기 제 1 컨버터 회로는 상기 벅 컨버터 모드로 동작하여 상기 제 1 셀을 충전하고, 상기 제 2 컨버터 회로는 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하여 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. In the power conversion circuit, when a fixed output voltage external charger is connected, the current path management circuit connects the bus voltage to the input voltage of the first converter circuit, and connects the high voltage of the second cell to the second converter circuit. The first converter circuit operates in the buck converter mode to charge the first cell, and the second converter circuit operates in the switched capacitor converter mode to charge the first cell and the second converter circuit. A cell balancing function between cells may be performed.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 컨버터 회로는 상기 벅 컨버터 모드에서 상기 버스 전압과 상기 제 1 셀의 전압 비에 기초하여 결정되는 듀티(duty)로 동작할 수 있다. In the power conversion circuit, the first converter circuit may operate with a duty determined based on a voltage ratio between the bus voltage and the first cell in the buck converter mode.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 컨버터 회로가 동작하는 상기 벅 컨버터 모드는 인덕터를 사용하는 3-레벨 벅 컨버터 동작 모드일 수 있다. In the power conversion circuit, the buck converter mode in which the first converter circuit operates may be a 3-level buck converter operation mode using an inductor.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 전류 경로 관리 회로는, 상기 버스 전압과 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압을 선택적으로 연결하는 제 1 트랜지스터(QRB1); 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압과 상기 제 2 셀의 고전압을 선택적으로 연결하는 제 2 트랜지스터(QST1); 상기 버스 전압과 상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압을 선택적으로 연결하는 제 3 트랜지스터(QRB2); 및 상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압과 상기 제 2 셀의 고전압을 선택적으로 연결하는 제 4 트랜지스터(QST2);를 포함할 수 있다. In the power conversion circuit, the current path management circuit includes: a first transistor QRB1 selectively connecting the bus voltage and the input voltage of the first converter circuit; a second transistor (QST1) selectively connecting the input voltage of the first converter circuit and the high voltage of the second cell; a third transistor (QRB2) selectively connecting the bus voltage and the input voltage of the second converter circuit; and a fourth transistor QST2 selectively connecting the input voltage of the second converter circuit and the high voltage of the second cell.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 전류 경로 관리 회로는 상기 제 1 셀의 고전압과 상기 제 2 셀의 저전압을 선택적으로 연결하는 제 5 트랜지스터(QSB)를 더 포함할 수 있다. In the power conversion circuit, the current path management circuit may further include a fifth transistor QSB selectively connecting the high voltage of the first cell and the low voltage of the second cell.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 트랜지스터(QRB1), 상기 제 2 트랜지스터(QST1), 상기 제 3 트랜지스터(QRB2) 및 상기 제 4 트랜지스터(QST2)는 양방향의 도통 제어가 가능한 양방향 제어 트랜지스터일 수 있다. In the power conversion circuit, the first transistor QRB1, the second transistor QST1, the third transistor QRB2, and the fourth transistor QST2 may be bi-directional control transistors capable of bi-directional conduction control. there is.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 컨버터 회로는, 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압과 그라운드(PGND) 사이에 순서대로 직렬로 연결된 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1; 및 상기 트랜지스터 QA1과 상기 트랜지스터 QB1의 접점과 상기 트랜지스터 QC1과 상기 트랜지스터 QD1의 접점 사이에 연결된 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1); 상기 트랜지스터 QB1과 상기 트랜지스터 QC1의 접점에 일단이 연결된 제 1 인덕터(L1)를 포함할 수 있다. In the power conversion circuit, the first converter circuit includes: a transistor QA1, a transistor QB1, a transistor QC1, and a transistor QD1 sequentially connected in series between an input voltage of the first converter circuit and a ground (PGND); and a first flying capacitor CFLY1 connected between a contact point between the transistor QA1 and the transistor QB1 and a contact point between the transistor QC1 and the transistor QD1. A first inductor L1 having one end connected to a contact point between the transistor QB1 and the transistor QC1 may be included.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 컨버터 회로는 상기 트랜지스터 QA1, 상기 트랜지스터 QB1, 상기 트랜지스터 QC1 및 상기 트랜지스터 QD1의 온/오프 시퀀스에 따라 벅 컨버터 모드 또는 스위치드 커패시터 컨버터 모드 중에서 선택적으로 동작할 수 있다. In the power conversion circuit, the first converter circuit may selectively operate in a buck converter mode or a switched capacitor converter mode according to an on/off sequence of the transistor QA1, the transistor QB1, the transistor QC1, and the transistor QD1. .
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 컨버터 회로는, 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압과 그라운드(PGND) 사이에 순서대로 직렬로 연결된 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1; 상기 트랜지스터 QA1과 상기 트랜지스터 QB1의 접점과 상기 트랜지스터 QC1과 상기 트랜지스터 QD1의 접점 사이에 연결된 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1); 상기 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1)의 양단 사이에 직렬로 연결된 트랜지스터 QE1 및 트랜지스터 QF1; 상기 트랜지스터 QB1 및 트랜지스터 QC1의 접점에 일단이 연결된 제 1 인덕터(L1)를 포함하고, 상기 제 1 인덕터(L1)의 타단은 벅 컨버터 모드의 출력 노드로 기능하고, 상기 트랜지스터 QE1과 상기 트랜지스터 QF1의 접점은 스위치드 커패시터 컨버터 모드의 출력 노드로 기능할 수 있다. In the power conversion circuit, the first converter circuit includes: a transistor QA1, a transistor QB1, a transistor QC1, and a transistor QD1 sequentially connected in series between an input voltage of the first converter circuit and a ground (PGND); a first flying capacitor CFLY1 coupled between a contact point between the transistor QA1 and the transistor QB1 and a contact point between the transistor QC1 and the transistor QD1; a transistor QE1 and a transistor QF1 connected in series between both ends of the first flying capacitor CFLY1; A first inductor L1, one end of which is connected to a contact of the transistor QB1 and the transistor QC1, the other end of the first inductor L1 functions as an output node of a buck converter mode, and the transistor QE1 and the transistor QF1 The contact can function as an output node in switched capacitor converter mode.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 인덕터(L1)의 타단은 상기 제 2 셀의 저전압에 연결되고, 상기 트랜지스터 QE1과 상기 트랜지스터 QF1의 접점은 상기 제 1 셀의 고전압에 연결될 수 있다. In the power conversion circuit, the other end of the first inductor L1 may be connected to the low voltage of the second cell, and a junction between the transistor QE1 and the transistor QF1 may be connected to the high voltage of the first cell.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 셀의 고전압과 상기 제 2 셀의 저전압 사이에는 트랜지스터 QSB가 연결되어 상기 제 1 셀의 고전압과 상기 제 2 셀의 저전압을 선택적으로 연결할 수 있다. In the power conversion circuit, a transistor QSB is connected between the high voltage of the first cell and the low voltage of the second cell to selectively connect the high voltage of the first cell and the low voltage of the second cell.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 컨버터 회로는, 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 상기 트랜지스터 QA1, 상기 트랜지스터 QE1, 상기 트랜지스터 QF1 및 상기 트랜지스터 QD1이 소정의 스위칭 주기로 온/오프를 반복하면서 동작하고, 상기 벅 컨버터 모드에서 상기 트랜지스터 QA1, 상기 트랜지스터 QB1, 상기 트랜지스터 QC1 및 상기 트랜지스터 QD1이 소정의 스위칭 주기로 온/오프를 반복하면서 동작할 수 있다. In the power conversion circuit, the first converter circuit operates while the transistors QA1, QE1, transistor QF1, and transistor QD1 are repeatedly turned on/off at a predetermined switching cycle in the switched capacitor converter mode; In the buck converter mode, the transistor QA1 , the transistor QB1 , the transistor QC1 , and the transistor QD1 may operate while repeatedly turning on/off at a predetermined switching cycle.
상기 전력 변환 회로에 있어서, 상기 제 1 컨버터 회로는 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 입력 전압과 출력 전압의 비가 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작하고, 상기 벅 컨버터 모드에서 상기 출력 전압은 상기 입력 전압에 비해 낮은 범위 내에서 조절이 가능하며, 상기 제 2 컨버터 회로는 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 입력 전압과 출력 전압의 비가 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작할 수 있다. In the power conversion circuit, the first converter circuit operates such that a ratio of an input voltage to an output voltage has a relationship of substantially 2:1 in the switched capacitor converter mode, and in the buck converter mode, the output voltage is It can be adjusted within a lower range than the voltage, and the second converter circuit can operate so that the ratio of the input voltage to the output voltage has a relationship of substantially 2:1 in the switched capacitor converter mode.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 복수의 셀이 직렬 연결되고 충전 방식이 다양화되는 상황에서 배터리의 충전을 효율적으로 수행하면서 셀 밸런싱 기능도 갖춘 전력 변환 회로를 제공할 수 있다. According to the present invention, according to embodiments, it is possible to provide a power conversion circuit having a cell balancing function while efficiently charging a battery in a situation where a plurality of cells are connected in series and charging methods are diversified.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 외부 충전기가 연결되지 않은 상태에서 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로를 제공할 수 있다.According to the present invention, according to an embodiment, it is possible to provide a power conversion circuit capable of performing a cell balancing function in a state in which an external charger is not connected.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 소정의 고정된 전압을 제공하는 외부 충전기가 연결된 상태에서 배터리의 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로를 제공할 수 있다. According to the present invention, according to an embodiment, it is possible to provide a power conversion circuit capable of performing battery charging and cell balancing functions in a state in which an external charger providing a predetermined fixed voltage is connected.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 소정의 범위에서 가변되는 전압을 제공하는 외부 충전기가 연결된 상태에서 배터리의 고속 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로를 제공할 수 있다.According to the present invention, according to an embodiment, it is possible to provide a power conversion circuit capable of performing high-speed charging of a battery and cell balancing functions in a state in which an external charger providing a variable voltage within a predetermined range is connected.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 부품 수를 줄이고 간단한 구조로 구현되며 고효율로 동작할 수 있는 전력 변환 회로를 제공할 수 있다.According to the present invention, according to an embodiment, it is possible to provide a power conversion circuit that can reduce the number of parts, be implemented with a simple structure, and operate with high efficiency.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 회로를 예시한다.
도 2 내지 도 5는 도 1의 실시예에서 전류 경로 관리 회로가 외부 충전기 상태에 따라 동작하는 방법을 예시적으로 설명한다.
도 6은 도 1의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로가 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다.
도 7 및 도 8은 도 1의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로가 벅 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다.
도 9는 도 1의 실시예에 따른 제 2 컨버터 회로가 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다.
도 10은 제 1 컨버터 회로의 다른 실시예를 예시한다.
도 11은 도 10의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로가 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다.
도 12 및 도 13은 도 10의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로가 벅 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다.
도 14는 제 2 컨버터 회로의 다른 실시예를 사용하는 경우의 전력 변환 회로를 예시한다.1 illustrates a power conversion circuit according to one embodiment of the present invention.
2 to 5 illustrate how the current path management circuit in the embodiment of FIG. 1 operates according to a state of an external charger.
FIG. 6 illustrates an operating waveform when the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 1 operates in a switched capacitor converter mode.
7 and 8 illustrate operating waveforms when the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 1 operates in buck converter mode.
FIG. 9 illustrates an operating waveform when the second converter circuit according to the embodiment of FIG. 1 operates in a switched capacitor converter mode.
10 illustrates another embodiment of the first converter circuit.
FIG. 11 illustrates an operating waveform when the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 10 operates in a switched capacitor converter mode.
12 and 13 illustrate operating waveforms when the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 10 operates in buck converter mode.
14 illustrates a power conversion circuit in the case of using another embodiment of the second converter circuit.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. Also, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used in describing the components of the present invention. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being “connected,” “coupled to,” or “connected” to another element, that element is directly connected or connectable to the other element, but there is another element between the elements. It will be understood that elements may be “connected”, “coupled” or “connected”.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환 회로를 예시한다. 1 illustrates a power conversion circuit according to one embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전력 변환 회로(100)는 전류 경로 관리 회로, 제 1 컨버터 회로, 제 2 컨버터 회로 및 제어기(110)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the
전류 경로 관리 회로는 제 1 트랜지스터(QRB1), 제 2 트랜지스터(QST1), 제 3 트랜지스터(QRB2), 제 4 트랜지스터(QST2) 및 제 5 트랜지스터(QSB)를 포함할 수 있다. 제 1 컨버터 회로는 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1, 트랜지스터 QD1, 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1) 및 제 1 인덕터(L1)를 포함할 수 있다. 제 2 컨버터 회로는 트랜지스터 QA2, 트랜지스터 QB2, 트랜지스터 QC2, 트랜지스터 QD2, 제 2 플라잉 커패시터(CFLY2)를 포함할 수 있다. The current path management circuit may include a first transistor QRB1 , a second transistor QST1 , a third transistor QRB2 , a fourth transistor QST2 , and a fifth transistor QSB. The first converter circuit may include a transistor QA1 , a transistor QB1 , a transistor QC1 , a transistor QD1 , a first flying capacitor CFLY1 , and a first inductor L1 . The second converter circuit may include a transistor QA2 , a transistor QB2 , a transistor QC2 , a transistor QD2 , and a second flying capacitor CFLY2 .
전력 변환 회로(100)는 외부 충전기(TA)로부터 전력을 제공받고 배터리 및/또는 전자 장치 시스템으로 전력을 제공할 수 있다. 구체적으로, 전력 변환 회로(100)는 외부 충전기(TA)로부터 전력을 제공받고, 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12)을 포함하는 복수의 셀이 직렬 연결된 배터리의 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 배터리(11, 12)는 통상 전력 변환 회로(100)의 외부 구성으로 이해되는 것이 일반적이지만, 경우에 따라 배터리(11, 12)가 전력 변환 회로(100)에 포함되는 경우도 있을 것이다.The
전력 변환 회로(100)는 입력 포트(도면 미도시)를 통해 외부의 충전기(TA)와 연결될 수 있다. 입력 포트는 전자 장치 외부의 충전기(TA)와 직접 접속되거나 또는 다른 회로를 거쳐 간접적으로 접속되어 외부 충전기(TA)로부터 전력을 공급받을 수 있다. 외부 충전기(TA)로부터 제공되는 전압은 5V, 9V 등과 같이 소정의 전압으로 고정되거나, 3V ~ 11V 또는 3V ~ 20V 범위에서 가변 되는 전압일 수 있다. 예를 들어, 입력 포트는 USB A-type 또는 USB C-type일 수 있으나, 이로 한정되는 것은 아니다.The
전력 변환 회로(100)는 외부 충전기(TA)로부터 제공되는 전압을 별다른 처리 없이 사용할 수도 있으나, 외부 충전기(TA) 출력과 전력 변환 회로(100)의 입력(VBUS) 사이에는 다른 회로들이 부가될 수 있다. 예를 들면, 외부 충전기(TA) 출력과 전력 변환 회로(100)의 입력(VBUS) 사이에는 과전압 보호 회로, 과전류 보호 회로, 또는 전압 레귤레이터 등이 선택적으로 부가될 수 있다. 실시예에 따라, 고전압(예, 19V 등)을 제공할 수 있는 외부 충전기(TA)를 활용하는 경우, 외부 충전기(TA)의 출력 전압은 다른 강압 컨버터를 거쳐 셀 전압의 약 두 배 정도인 10V 레벨로 전압이 낮추어진 후 전력 변환 회로(100)로 제공될 수 있다.The
도 1에 예시된 바와 같이, 전력 변환 회로(100)의 소자들 중에서 능동 소자들(제어기, 트랜지스터 등)은 집적 회로(120) 내에 배치되고, 수동 소자들(커패시터, 인덕터 등)은 집적 회로(120) 외부에 배치될 수 있으나, 집적 회로(120) 내에 배치되는 소자들은 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터들 중의 일부가 집적 회로(120) 외부에 배치되거나 및/또는 수동 소자들 중의 일부가 집적 회로(120) 내에 배치될 수도 있다.As illustrated in FIG. 1, among the elements of the
도 1에는 집적 회로(120)의 내부와 외부를 연결하기 위한 다양한 노드(또는 단자)들이 도시되어 있다. VBUS는 버스 전압 노드로서 전력 변환 회로(100)의 입력 노드로 이해될 수 있다. MIDVBUS1은 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 노드, C1P와 C1N은 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1)의 양 단자에 각각 연결되는 노드, MIDVBUS2는 제 2 컨버터 회로의 입력 전압 노드, C2P와 C2N는 제 2 플라잉 커패시터(CFLY2)의 양 단자에 각각 연결되는 노드, BATP_T는 제 2 셀(12)의 고전압(+) 노드, BATP_B는 제 1 셀(11)의 고전압(+) 노드, PGND는 그라운드에 연결되는 노드, VSYS는 시스템 부하(system load)에 연결되는 시스템 전압 노드, VOUT1은 제 1 컨버터 회로의 출력 전압 노드, VOUT2는 제 2 컨버터 회로의 출력 전압 노드인 것으로 이해될 수 있다. 다만, 도 1에 예시된 노드들의 명칭은 일반적인 의미를 담고 있는 예시적인 것으로서, 그 명칭이 아래에서 설명될 내용과 부합되지 않는 경우 그 명칭으로 인해 아래에서 설명될 내용과 다르게 해석되어서는 안 될 것이다. 또한, 본 명세서에서는 혼동의 우려가 없는 경우 설명의 편의를 위해 노드와 해당 노드의 전압을 동일한 기호로 표기하기도 할 것이다. 예를 들어, 'VBUS'는 버스 전압 노드를 의미할 수 있지만 경우에 따라 버스 전압 노드의 전압(즉, 버스 전압)을 의미할 수 있다. 1 shows various nodes (or terminals) for connecting the inside and outside of the
다음으로 전력 변환 회로(100)에 포함되는 전류 경로 관리 회로, 제 1 컨버터 회로, 제 2 컨버터 회로 및 제어기(110)에 대해 설명한다.Next, the current path management circuit, the first converter circuit, the second converter circuit, and the
전류 경로 관리 회로는 버스 전압(VBUS), 제 1 컨버터 회로, 제 2 컨버터 회로 및 배터리(11, 12) 사이의 연결을 관리할 수 있다. 이를 위해, 전류 경로 관리 회로는, 버스 전압(VBUS)과 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)을 선택적으로 연결하는 제 1 트랜지스터(QRB1), 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)과 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)을 선택적으로 연결하는 제 2 트랜지스터(QST1), 버스 전압(VBUS)과 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)을 선택적으로 연결하는 제 3 트랜지스터(QRB2), 및 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)과 제 2 셀의 고전압(BATP_T)을 선택적으로 연결하는 제 4 트랜지스터(QST2)를 포함할 수 있다. 전류 경로 관리 회로는, 실시예에 따라, 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압(즉, VSYS 노드)을 선택적으로 연결하는 제 5 트랜지스터(QSB)를 더 포함할 수 있다.The current path management circuit may manage connections between the bus voltage VBUS, the first converter circuit, the second converter circuit, and the
전류 경로 관리 회로는, 이러한 회로 구성을 통해, 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)을 버스 전압(VBUS) 및/또는 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)에 선택적으로 연결할 수 있다. 또한, 전류 경로 관리 회로는 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)을 버스 전압(VBUS) 및/또는 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)에 선택적으로 연결할 수 있다.The current path management circuit may selectively connect the input voltage MIDVBUS1 of the first converter circuit to the bus voltage VBUS and/or the high voltage BATP_T of the
여기서, 제 1 트랜지스터(QRB1), 제 2 트랜지스터(QST1), 제 3 트랜지스터(QRB2), 제 4 트랜지스터(QST2) 및 제 5 트랜지스터(QSB)는 양방향 도통 제어가 가능한 양방향 제어 트랜지스터일 수 있다. 양방향 도통 제어가 가능한 트랜지스터의 예로서, 백-게이트 제어 MOSFET(back-gate control MOSFET) 또는 백-투-백 MOSFET(back-to-back MOSFET) 등이 사용될 수 있으나 이로 한정되는 것은 아니다.Here, the first transistor QRB1, the second transistor QST1, the third transistor QRB2, the fourth transistor QST2, and the fifth transistor QSB may be bi-directional control transistors capable of bi-directional conduction control. As an example of a transistor capable of bidirectional conduction control, a back-gate control MOSFET or a back-to-back MOSFET may be used, but is not limited thereto.
제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터(Buck converter) 모드와 스위치드 커패시터 컨버터(switched capacitor converter) 모드 중에서 선택적으로 동작할 수 있다. 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서는 배터리를 충전하고, 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서는 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. The first converter circuit may selectively operate in a buck converter mode and a switched capacitor converter mode. The first converter circuit may charge the battery in a buck converter mode and perform a cell balancing function in a switched capacitor converter mode.
여기서, 벅 컨버터 모드는 트랜지스터들(QA1, QB1, QC1, QD1)의 듀티(duty; 스위칭 주기에 대한 온(ON) 구간의 비율)를 조절함으로써 입력 전압(도 1에서는 MIDVBUS1)에 대한 출력 전압(도 1에서는 VOUT1)의 비를 0 ~ 1의 범위에서 가변적으로 조절할 수 있는 동작 모드로 이해될 수 있다. 즉, 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서 동작할 수 있음으로 인해 출력 전압이 입력 전압보다 낮은 범위에서 다양한 입력 전압과 출력 전압의 관계에 대응하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 제 1 셀(11)의 전압이 5V인 경우 전력 변환 회로(100)의 입력 전압(VBUS)이 5V 이상인 다양한 입력 전압(예, 9V, 12V, 19V 등)에서 동작하면서 제 1 셀(11)을 충전할 수 있다. Here, in the buck converter mode, the output voltage (MIDVBUS1 in FIG. 1) to the input voltage (MIDVBUS1 in FIG. In FIG. 1, it can be understood as an operation mode in which the ratio of VOUT1) can be variably adjusted in the range of 0 to 1. That is, since the first converter circuit can operate in the buck converter mode, it can operate in response to various relationships between input voltages and output voltages in a range where the output voltage is lower than the input voltage. For example, when the voltage of the
스위치드 커패시터 컨버터 모드는 입력 전압에 대한 출력 전압의 비가 소정의 값으로 실질적으로 고정된 상태로 동작하는 모드로 이해될 수 있다. 도 1에 예시된 제 1 컨버터 회로는 입력 전압에 대한 출력 전압의 비가 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작할 수 있다. 즉, 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서는 입력 전압에 대한 출력 전압의 비가 실질적으로 고정된 상태에서 동작한다는 제약은 있지만, 벅 컨버터 모드에 비해서는 손실이 적어 고효율 및 고전류에서 동작할 수 있는 동작 모드로 이해될 수 있다. The switched capacitor converter mode may be understood as a mode in which the ratio of the output voltage to the input voltage is substantially fixed to a predetermined value. The first converter circuit illustrated in FIG. 1 may operate such that the ratio of output voltage to input voltage has a relationship of substantially 2:1. That is, in the switched capacitor converter mode, although there is a restriction that the ratio of output voltage to input voltage operates in a substantially fixed state, it can be understood as an operating mode that can operate at high efficiency and high current with less loss compared to the buck converter mode. there is.
제 1 컨버터 회로는 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 동작할 때, 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12) 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 전류 경로 관리 회로의 트랜지스터 QST1과 트랜지스터 QSB가 도통 상태일 때, 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)에 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)이 연결되고 제 1 컨버터 회로의 출력 전압(VOUT1)에는 제 1 인덕터(L1)을 통해 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B) 및 제 2 셀(12)의 저전압이 연결된다. 제 1 컨버터 회로는 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 입력 전압(MIDVBUS1)과 출력 전압(VOUT1)이 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작하므로 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12)에 동등한 전압이 형성될 수 있다. 따라서 제 1 컨버터 회로는 두 셀(11, 12) 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다.When operating in the switched capacitor converter mode, the first converter circuit may perform a cell balancing function between the
예시적으로 제 1 컨버터 회로는, 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)과 그라운드(PGND) 사이에 직렬로 연결된 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1, 트랜지스터 QD1, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QB1의 접점과 트랜지스터 QC1과 트랜지스터 QD1의 접점 사이에 연결된 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1), 및 트랜지스터 QB1과 트랜지스터 QC1의 접점에 일단이 연결된 제 1 인덕터(L1)를 포함할 수 있다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결되어 전류의 출력 노드로 기능할 수 있다.Exemplarily, the first converter circuit includes transistor QA1, transistor QB1, transistor QC1, transistor QD1, transistor QA1 and transistor QB1 connected in series between the input voltage MIDVBUS1 and the ground PGND. It may include a first flying capacitor CFLY1 connected between the contact point of QC1 and the transistor QD1, and a first inductor L1 having one end connected to the contact point between the transistor QB1 and the transistor QC1. The other end of the first inductor L1 is connected to the system voltage VSYS to function as a current output node.
이와 같이 구성된 제 1 컨버터 회로는 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1의 온/오프 시퀀스에 따라 벅 컨버터 모드 또는 스위치드 커패시터 컨버터 모드 중에서 선택적으로 동작할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서는 출력 전압(VOUT1)을 입력 전압(MIDVBUS1)에 비해 낮은 범위 내에서 조절이 가능하고, 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서는 입력 전압(MIDVBUS1)과 출력 전압(VOUT1)의 비가 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작할 수 있다.The first converter circuit configured as described above may selectively operate in a buck converter mode or a switched capacitor converter mode according to an on/off sequence of transistors QA1 , transistor QB1 , transistor QC1 , and transistor QD1 . As described above, the first converter circuit can adjust the output voltage (VOUT1) within a lower range than the input voltage (MIDVBUS1) in the buck converter mode, and in the switched capacitor converter mode, the input voltage (MIDVBUS1) and the output voltage ( The ratio of VOUT1) may be operated so as to have a relationship of substantially 2:1.
도 1에는 제 1 컨버터 회로의 일 실시예가 도시되어 있지만 제 1 컨버터 회로가 도 1에 예시된 회로로 제한되는 것은 아니며, 벅 컨버터 모드와 스위치드 커패시터 컨버터 모드 중에서 선택적으로 동작할 수 있는 컨버터 회로이면 본 실시예의 제 1 컨버터 회로에 사용될 수 있다.Although an embodiment of the first converter circuit is shown in FIG. 1, the first converter circuit is not limited to the circuit illustrated in FIG. 1, and any converter circuit capable of selectively operating in a buck converter mode and a switched capacitor converter mode It can be used in the first converter circuit of the embodiment.
제 2 컨버터 회로는 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 동작하며 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 제 2 컨버터 회로는 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 동작함으로써 입력 전압(도 1의 실시예의 경우 MIDVBUS2)과 출력 전압(도 1의 실시예의 경우 VOUT2)의 비가 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작할 수 있다.The second converter circuit may operate in a switched capacitor converter mode and perform a cell balancing function. The second converter circuit operates in the switched capacitor converter mode so that the ratio of the input voltage (MIDVBUS2 in the case of the embodiment of FIG. 1) and the output voltage (VOUT2 in the case of the embodiment of FIG. 1) has a substantially 2:1 relationship. there is.
예시적으로, 제 2 컨버터 회로는, 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)과 그라운드(PGND) 사이에 직렬로 연결된 트랜지스터 QA2, 트랜지스터 QB2, 트랜지스터 QC2, 트랜지스터 QD2, 트랜지스터 QA2와 트랜지스터 QB2의 접점과 트랜지스터 QC2와 트랜지스터 QD2의 접점 사이에 연결된 제 2 플라잉 커패시터(CFLY2)를 포함할 수 있다. 트랜지스터 QB2와 트랜지스터 QC2의 접점은 출력 전압 노드(VOUT2)로 이해될 수 있다. Illustratively, the second converter circuit includes transistor QA2, transistor QB2, transistor QC2, transistor QD2, transistor QA2 and transistor QB2 connected in series between the input voltage MIDVBUS2 and the ground PGND of the second converter circuit. A second flying capacitor CFLY2 connected between the transistor QC2 and the contact point of the transistor QD2 may be included. The junction of transistor QB2 and transistor QC2 can be understood as the output voltage node VOUT2.
이와 같이 구성된 제 2 컨버터 회로는 트랜지스터 QA2, 트랜지스터 QB2, 트랜지스터 QC2 및 트랜지스터 QD2의 온/오프 시퀀스에 따라 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 동작하여 입력 전압과 출력 전압의 비가 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작할 수 있다. The second converter circuit configured as described above operates in a switched-capacitor converter mode according to the on/off sequence of the transistors QA2, QB2, transistor QC2, and transistor QD2 so that the ratio of the input voltage to the output voltage has a relationship of substantially 2:1. It can work.
전류 경로 관리 회로의 트랜지스터 QST2와 트랜지스터 QSB가 도통 상태일 때, 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)에는 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)이 연결되고 출력 전압(VOUT2)에는 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압이 연결되는데, 제 2 컨버터 회로는 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 입력 전압(MIDVBUS2)과 출력 전압(VOUT2)이 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작하므로, 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12)에 동등한 전압이 형성될 수 있다. 따라서 제 2 컨버터 회로는 두 셀(11, 12) 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. When the transistor QST2 and the transistor QSB of the current path management circuit are in a conducting state, the high voltage BATP_T of the
도 1에는 제 2 컨버터 회로의 일 실시예가 도시되어 있지만 제 2 컨버터 회로가 도 1에 예시된 회로로 제한되는 것은 아니며, 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 동작할 수 있는 컨버터 회로이면 본 실시예의 제 2 컨버터 회로에 사용될 수 있다.Although an embodiment of the second converter circuit is shown in FIG. 1, the second converter circuit is not limited to the circuit illustrated in FIG. can be used for
제어기(110)는 전력 변환 회로(100)의 전반적인 제어를 수행할 수 있다. 즉, 제어기(110)는 제 1 컨버터 회로, 제 2 컨버터 회로 및 전류 경로 관리 회로를 제어할 수 있다. 제어기(110)는, 실시예에 따라, 전자 장치 시스템의 전력을 관리하는 전력 관리 집적 회로(PMIC, 도면 미도시)와 통신하며 전력 변환 회로(100)의 제어를 위한 정보를 송수신할 수 있다. 예시적으로, 제어기(110)는 전력 변환 회로(100) 내부의 복수의 트랜지스터의 온/오프 스위칭 동작을 제어하여 배터리 전압 노드(BATP_T, BATP_B)와 시스템 전압 노드(VSYS)로 공급하는 전압, 전류, 전력 중의 적어도 하나를 조절할 수 있다. 외부 충전기(TA)가 출력 전압을 가변 할 수 있는 경우, 제어기(110)는 외부 충전기(TA)로부터 제공받을 전압에 대한 정보를 외부 충전기(TA)에 직접 요청하거나 또는 전력 관리 집적 회로 등의 다른 소자를 통해 외부 충전기(TA)에 요청함으로써, 전력 변환 회로(100)는 최적의 버스 전압(VBUS)에서 동작할 수 있다.The
실시예에 따라, 제어기(110)는 소프트웨어로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체(메모리 등)에 저장된 상태에서 CPU 등의 연산장치에 의해 그 기능을 수행할 수 있다. 또는, 실시예에 따라, 제어기(110)는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 등과 같이 하드웨어로 구현될 수도 있다.Depending on the embodiment, the
도 1에는 다양한 전압 안정화 커패시터들(CVBUS, CMID1, CMID2, CVSYS, CTOP)이 예시되어 있다. 커패시터 CVBUS는 전력 변환 회로(100)의 버스 전압(VBUS)을 안정화하기 위한 커패시터이고, 커패시터 CMID1은 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)을 안정화하기 위한 커패시터이며, 커패시터 CMID2는 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)을 안정화하기 위한 커패시터이고, 커패시터 CVSYS는 시스템 전압(VSYS)을 안정화하기 위한 커패시터이며, 커패시터 CTOP는 시스템 전압(VSYS)과 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2) 사이의 전압을 안정화하기 위한 커패시터로 이해될 수 있다. 도 1에 예시된 전압 안정화 커패시터들(CVBUS, CMID1, CMID2, CVSYS, CTOP)은 필요에 따라 선택적으로 사용될 수 있고, 도 1에 예시되지 않은 다른 안정화 커패시터들이 필요에 따라 추가될 수 있다.1 illustrates various voltage stabilizing capacitors (CVBUS, CMID1, CMID2, CVSYS, CTOP). Capacitor CVBUS is a capacitor for stabilizing the bus voltage (VBUS) of the
전력 변환 회로(100)는 트랜지스터 구동용 버퍼(도면 미도시)를 포함할 수 있다. 버퍼는 제어기(110)가 트랜지스터를 구동하기 위해 제공하는 신호를 수신하고 대응되는 트랜지스터에 적절한 구동 신호를 인가하기 위해 필요에 따라 선택적으로 사용될 수 있다. 예시적으로, 버퍼는 트랜지스터의 게이트(gate) 단자에 인가되는 전류를 증폭하거나, 전압을 증폭하거나 또는 플로팅(floating) 상태의 트랜지스터를 구동하기 위해 사용될 수 있다. 제어기(110)가 트랜지스터를 직접 구동할 수 있는 경우에는 트랜지스터를 구동하기 위한 버퍼가 사용되지 않을 수 있다.The
도 2 내지 도 5는 도 1의 실시예에서 전류 경로 관리 회로가 외부 충전기 상태에 따라 동작하는 방법을 예시적으로 설명한다. 2 to 5 illustrate how the current path management circuit in the embodiment of FIG. 1 operates according to the external charger state.
도 2를 참조하면, 외부 충전기(TA)의 상태는 세 가지가 고려될 수 있다. 즉, 외부 충전기가 연결되지 않은 상태, 가변 출력 전압 외부 충전기가 연결된 상태 및 고정 출력 전압 외부 충전기가 연결된 상태가 고려될 수 있다. 도 2는 위 세 가지 상태에 대해 전류 경로 관리 회로의 트랜지스터들의 온(ON) 또는 오프(OFF) 상태를 예시한다. 각 트랜지스터는 온 상태에서 도통되고 오프 상태에서 차단되는 것으로 이해될 수 있다. 아래에서 도 3 내지 도 5를 참조하여 외부 충전기의 세 가지 연결 상태에서의 전류 경로 관리 회로의 동작에 대해 상세히 설명하기로 한다.Referring to FIG. 2 , three states of the external charger TA may be considered. That is, a state in which an external charger is not connected, a state in which a variable output voltage external charger is connected, and a state in which a fixed output voltage external charger is connected may be considered. Figure 2 illustrates the on (ON) or off (OFF) state of the transistors of the current path management circuit for the above three states. It can be understood that each transistor conducts in an on state and shuts off in an off state. Below, the operation of the current path management circuit in three connection states of the external charger will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 5 .
도 3은 외부 충전기(TA)가 연결되지 않은 경우를 개념적으로 설명한다. 도 2와 도 3을 참조하면, 외부 충전기(TA)가 연결되지 않은 경우, 전류 경로 관리 회로의 트랜지스터들 중에서 트랜지스터 QST1, QST2, QSB가 온 되고, 트랜지스터 QRB1, QRB2가 오프 될 수 있다. 즉, 전류 경로 관리 회로는 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)을 트랜지스터 QST1 및 QST2를 통해 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1) 및 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)에 연결할 수 있다. 또한, 전류 경로 관리 회로는 트랜지스터 QSB를 통해 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압을 연결할 수 있다. 3 conceptually describes a case in which an external charger TA is not connected. Referring to FIGS. 2 and 3 , when the external charger TA is not connected, among the transistors of the current path management circuit, transistors QST1, QST2, and QSB may be turned on, and transistors QRB1 and QRB2 may be turned off. That is, the current path management circuit may connect the high voltage BATP_T of the
이 경우, 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)과 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)은 각각 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)에 연결되고, 제 1 컨버터 회로의 출력 전압(VOUT1)과 제 2 컨버터 회로의 출력 전압(VOUT2)은 각각 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압의 접점에 연결되므로, 제 1 컨버터 회로와 제 2 컨버터 회로는 각각 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하여 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12) 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 외부 충전기(TA)가 연결되지 않은 상태에서 트랜지스터 QRB1, QRB2는 오프 상태이므로 버스 전압(VBUS)은 제 1 컨버터 회로와 제 2 컨버터 회로에 연결되지 않을 수 있다. In this case, the input voltage MIDVBUS1 of the first converter circuit and the input voltage MIDVBUS2 of the second converter circuit are connected to the high voltage BATP_T of the
제 1 컨버터 회로와 제 2 컨버터 회로가 각각 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하는 경우, 실시예에 따라, 제 1 컨버터 회로와 제 2 컨버터 회로는 서로 실질적으로 180도의 위상 차이를 갖고 스위칭 동작할 수 있다. 이 방법에 의하면, 제 1 컨버터 회로와 제 2 컨버터 회로의 전류가 서로 위상이 180도 차이가 생기므로 셀 밸런싱을 위한 전류의 피크값이 감소하는 장점이 있다. When the first converter circuit and the second converter circuit each operate in the switched capacitor converter mode, according to embodiments, the first converter circuit and the second converter circuit may perform a switching operation with a phase difference of substantially 180 degrees from each other. According to this method, since the currents of the first converter circuit and the second converter circuit are out of phase by 180 degrees, the peak value of the current for cell balancing is reduced.
도 4는 가변 출력 전압 외부 충전기(TA)가 연결된 경우를 개념적으로 설명한다. 도 2와 도 4을 참조하면, 가변 출력 전압 외부 충전기(TA)가 연결된 경우, 전류 경로 관리 회로의 트랜지스터 QRB1, QST1, QRB2, QST2 및 QSB 모두가 온 될 수 있다. 즉, 전류 경로 관리 회로는 버스 전압(VBUS)을 제 2 셀의 고전압(BATP_T), 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1) 및 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)에 연결할 수 있다. 또한, 전류 경로 관리 회로는 트랜지스터 QSB를 통해 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압을 연결할 수 있다.4 conceptually illustrates a case in which a variable output voltage external charger TA is connected. Referring to FIGS. 2 and 4 , when the variable output voltage external charger TA is connected, all of the transistors QRB1, QST1, QRB2, QST2, and QSB of the current path management circuit may be turned on. That is, the current path management circuit may connect the bus voltage VBUS to the high voltage BATP_T of the second cell, the input voltage MIDVBUS1 of the first converter circuit, and the input voltage MIDVBUS2 of the second converter circuit. Also, the current path management circuit may connect the high voltage BATP_B of the
이 경우, 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)과 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)은 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)에 연결되고, 제 1 컨버터 회로의 출력 전압(VOUT1)과 제 2 컨버터 회로의 출력 전압(VOUT2)은 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압의 접점에 연결되므로, 제 1 컨버터 회로와 제 2 컨버터 회로는 각각 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하여 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12) 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. In this case, the input voltage MIDVBUS1 of the first converter circuit and the input voltage MIDVBUS2 of the second converter circuit are connected to the high voltage BATP_T of the
이 때, 전류 경로 관리 회로는 버스 전압(VBUS)을 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)에 연결함으로써 배터리(11, 12)에 대한 고속 충전을 직접 수행할 수 있다. 즉, 전류 경로 관리 회로는 외부 충전기(TA)로부터 제공된 전력이 제 1 컨버터 회로나 제 2 컨버터 회로를 거치지 않고 버스 전압(VBUS)으로부터 트랜지스터 QRB1과 QST1을 통해 직접 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)으로 공급되거나 또는 버스 전압(VBUS)으로부터 트랜지스터 QRB2와 QST2를 통해 직접 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)으로 공급되는 경로를 제공함으로써, 외부 충전기(TA)로부터 제공된 전력을 배터리(11, 12)로 직접 공급하여 고속 충전을 수행할 수 있다.At this time, the current path management circuit may directly perform high-speed charging of the
이를 위해, 제어기(110)는 버스 전압(VBUS)이 배터리(11, 12)의 고속 충전을 직접 수행하는데 적합한 전압이 되도록 가변 출력 전압을 제공하는 외부 충전기(TA)에게 출력 전압을 조절할 것을 요청할 수 있다. 즉, 가변 출력 전압을 제공하는 외부 충전기(TA)가 연결된 경우, 전력 변환 회로(100)는 배터리(11, 12)의 전압, 충전 상태, 온도 등을 고려하여 배터리(11, 12)의 고속 직접 충전에 적합한 전압을 외부 충전기(TA)에게 요청하고 전류 경로 관리 회로를 활용하여 배터리(11, 12)를 직접 충전함으로써 충전 효율을 높일 수 있다. To this end, the
한편, 가변 출력 전압 외부 충전기가 연결된 경우 제 1 컨버터 회로와 제 2 컨버터 회로는 각각 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하며 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는데, 실시예에 따라, 제 1 컨버터 회로와 제 2 컨버터 회로는 서로 실질적으로 180도의 위상 차이를 갖고 스위칭 동작할 수 있다. 이 방법에 의하면, 전술한 바와 같이, 제 1 컨버터 회로와 제 2 컨버터 회로의 셀 밸런싱을 위한 전류에 서로 위상 차이가 생김으로 인해 전류의 피크값이 감소하는 장점이 있다.Meanwhile, when a variable output voltage external charger is connected, the first converter circuit and the second converter circuit may each operate in a switched capacitor converter mode and perform a cell balancing function. According to an embodiment, the first converter circuit and the second converter The circuits can operate switching with a phase difference of substantially 180 degrees from each other. According to this method, as described above, there is an advantage in that the peak value of the current is reduced due to a phase difference between the currents for cell balancing in the first converter circuit and the second converter circuit.
도 5는 고정 출력 전압 외부 충전기가 연결된 경우를 개념적으로 설명한다. 도 2와 도 5를 참조하면, 고정 출력 전압 외부 충전기가 연결된 경우, 전류 경로 관리 회로의 트랜지스터 QRB1, QST2 및 QSB가 온 되고, 트랜지스터 QST1과 QRB2는 오프 될 수 있다. 즉, 전류 경로 관리 회로는 버스 전압(VBUS)을 트랜지스터 QRB1를 통해 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)에 연결하고, 제 2 셀의 고전압(BATP_T)을 트랜지스터 QST2를 통해 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)에 연결할 수 있다. 또한, 전류 경로 관리 회로는 트랜지스터 QSB를 통해 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압을 연결할 수 있다.5 conceptually illustrates a case in which a fixed output voltage external charger is connected. Referring to FIGS. 2 and 5 , when a fixed output voltage external charger is connected, transistors QRB1 , QST2 , and QSB of the current path management circuit may be turned on, and transistors QST1 and QRB2 may be turned off. That is, the current path management circuit connects the bus voltage VBUS to the input voltage MIDVBUS1 of the first converter circuit through the transistor QRB1, and connects the high voltage BATP_T of the second cell to the input of the second converter circuit through the transistor QST2. It can be connected to the voltage (MIDVBUS2). Also, the current path management circuit may connect the high voltage BATP_B of the
이 경우, 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)은 버스 전압(VBUS)에 연결되고, 제 1 컨버터 회로의 출력 전압(VOUT1)은 트랜지스터 QSB를 통해 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)에 연결되므로, 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드로 동작하여 버스 전압(VBUS)으로부터 제공받은 전력을 제 1 셀(11)에 공급함으로써 제 1 셀(11)을 충전할 수 있다. In this case, the input voltage MIDVBUS1 of the first converter circuit is connected to the bus voltage VBUS, and the output voltage VOUT1 of the first converter circuit is connected to the high voltage BATP_B of the
고정 출력 전압을 제공하는 외부 충전기가 연결된 경우, 버스 전압(VBUS)과 제 1 셀(11) 전압의 관계가 2:1과 상이할 수 있고, 이 경우 스위치드 커패시터 컨버터 모드를 사용해서는 배터리를 충전하기 어려울 수 있다는 점을 고려한 것이다. 즉, 본 실시예의 전력 변환 회로(100)는 제 1 컨버터 회로가 벅 컨버터 모드로도 선택적으로 동작할 수 있도록 함으로써 외부 충전기가 제공하는 전압이 다양하게 변경될 수 있는 상황에서 효과적으로 대응할 수 있는 장점이 있다. When an external charger providing a fixed output voltage is connected, the relationship between the bus voltage (VBUS) and the
실시예에 따라, 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서 버스 전압(VBUS)과 제 1 셀(11)의 전압 비에 기초하여 결정되는 듀티(duty)로 동작할 수 있다. 즉, 제 1 컨버터 회로는 듀티를 조절함으로써 다양한 버스 전압(VBUS)에 대응하여 제 1 셀(11)을 충전할 수 있다. 여기서, 듀티는 스위칭 주기에 대한 트랜지스터들의 도통 구간의 비율로 이해될 수 있다. 실시예에 따라, 제 1 컨버터 회로가 동작하는 벅 컨버터 모드는 인덕터를 사용하는 3-레벨 벅 컨버터 동작 모드일 수 있다.Depending on the embodiment, the first converter circuit may operate with a duty determined based on a ratio between the bus voltage VBUS and the voltage of the
고정 출력 전압을 제공하는 외부 충전기가 연결된 경우, 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)은 트랜지스터 QST2를 통해 제 2 셀(12)의 고전압(BATP_T)에 연결되고, 제 2 컨버터 회로의 출력 전압(VOUT2)은 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압의 접점에 연결되므로, 제 2 컨버터 회로는 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하여 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12) 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 외부 충전기(TA)로부터 공급되는 전력은, 전술한 바와 같이, 제 1 컨버터 회로를 통해 제 1 셀(11)을 충전하므로 제 2 컨버터 회로는 제 1 셀(11)로부터 제 2 셀(12)로 전력을 공급하는 방식으로 셀 밸런싱을 수행할 수 있다. When an external charger providing a fixed output voltage is connected, the input voltage MIDVBUS2 of the second converter circuit is connected to the high voltage BATP_T of the
도 6은 도 1의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로가 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다. FIG. 6 illustrates an operating waveform when the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 1 operates in a switched capacitor converter mode.
도 6에서 VC1P는 C1P 노드의 전압이고, VOUT1은 제 1 컨버터 회로의 출력 전압이며, VC1N은 C1N 노드의 전압이다. 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1)가 C1P 노드와 C1N 노드 사이에 접속되어 있으므로 VC1P에서 VC1N을 차감한 전압은 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1)의 전압(VCFLY1)으로 이해될 수 있다.In FIG. 6 , VC1P is the voltage of the C1P node, VOUT1 is the output voltage of the first converter circuit, and VC1N is the voltage of the C1N node. Since the first flying capacitor CFLY1 is connected between the C1P node and the C1N node, the voltage obtained by subtracting VC1N from VC1P can be understood as the voltage VCFLY1 of the first flying capacitor CFLY1.
도 6을 참조하면, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QC1은 실질적으로 0.5의 듀티(duty)를 가지고 동시에 온/오프 되고, 트랜지스터 QB1과 트랜지스터 QD1은 실질적으로 트랜지스터 QA1과 반대로 온/오프 될 수 있다. 여기서, 듀티는 스위칭 주기(온 구간과 오프 구간의 합)에 대한 트랜지스터(예, QA1)의 온 구간의 비율로 정의될 수 있다.Referring to FIG. 6 , transistor QA1 and transistor QC1 are turned on/off substantially simultaneously with a duty of 0.5, and transistor QB1 and transistor QD1 may be turned on/off substantially opposite to transistor QA1. Here, the duty may be defined as the ratio of the on-period of the transistor (eg, QA1) to the switching period (the sum of the on-period and off-period).
트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QC1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. 이 경우, C1P 노드는 트랜지스터 QA1를 통해 입력 전압(VIN, 도 1의 실시예에서는 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS1)에 해당되지만 설명의 편의를 위해 입력 전압(VIN)으로 표기함)에 연결되고, C1N 노드는 트랜지스터 QC1를 통해 출력 전압(VOUT1)에 연결된다. 따라서 입력 전압(VIN)에서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)을 차감한 전압이 C1N 노드와 출력 전압(VOUT1)에 인가된다.Operations in the on-period of the transistors QA1 and QC1 will be described as an example. In this case, the C1P node is connected to the input voltage (VIN, which corresponds to the input voltage (MIDVBUS1) of the first converter circuit in the embodiment of FIG. 1, but is indicated as the input voltage (VIN) for convenience of explanation) through the transistor QA1. and the C1N node is connected to the output voltage VOUT1 through the transistor QC1. Accordingly, a voltage obtained by subtracting the first flying capacitor voltage VCFLY1 from the input voltage VIN is applied to the C1N node and the output voltage VOUT1.
다음으로, 트랜지스터 QB1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. 이 경우, C1P 노드는 트랜지스터 QB1를 통해 출력 전압(VOUT1)에 연결되고, C1N 노드는 트랜지스터 QD1를 통해 그라운드(PGND)에 연결된다. 따라서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)이 C1P 노드와 출력 전압(VOUT1)에 인가된다. 즉, 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)과 출력 전압(VOUT1)은 서로 같아진다.Next, operations in the on-period of the transistors QB1 and QD1 will be exemplarily described. In this case, the C1P node is connected to the output voltage (VOUT1) through the transistor QB1, and the C1N node is connected to the ground (PGND) through the transistor QD1. Accordingly, the first flying capacitor voltage VCFLY1 is applied to the C1P node and the output voltage VOUT1. That is, the first flying capacitor voltage VCFLY1 and the output voltage VOUT1 become equal to each other.
이와 같이, 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)과 출력 전압(VOUT1)은 서로 같고, 입력 전압(VIN)은 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)과 출력 전압(VOUT1)의 합과 같으므로, 결과적으로 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)과 출력 전압(VOUT1)은 각각 입력 전압(VIN)의 절반이 된다. 따라서 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT1)의 비는 이론적으로 2:1의 관계를 가지게 되므로, 제 1 컨버터 회로는 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12) 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. As such, the first flying capacitor voltage VCFLY1 and the output voltage VOUT1 are equal to each other, and the input voltage VIN is equal to the sum of the first flying capacitor voltage VCFLY1 and the output voltage VOUT1. 1 The flying capacitor voltage (VCFLY1) and the output voltage (VOUT1) are each half of the input voltage (VIN). Therefore, since the ratio of the input voltage VIN and the output voltage VOUT1 theoretically has a relationship of 2:1, the first converter circuit performs a cell balancing function between the
여기서, 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT1)의 비는 실제로는 소자들의 전압 강하 등에 의해 2:1과는 약간의 차이가 발생할 수 있다는 점에서, 본 명세서에서 2:1이라고 언급하는 것은 실질적으로 2:1의 관계를 가진다고 볼 수 있는 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 마찬가지로, 본 명세서에서 어떤 물리량(예, 전압 등)의 값을 언급하는 경우에도 실질적으로 해당 값을 가진다고 볼 수 있는 범위를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.Here, the ratio of the input voltage (VIN) to the output voltage (VOUT1) is actually referred to as 2:1 in this specification in that a slight difference from 2:1 may occur due to the voltage drop of the elements, etc. It should be understood as including a range that can be seen as having a 2:1 relationship. Similarly, even when the value of a certain physical quantity (eg, voltage, etc.) is referred to in this specification, it should be understood to include a range that can be viewed as having a substantially corresponding value.
도 7 및 도 8은 도 1의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로가 벅 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다. 도 7은 듀티가 0.5 이상인 경우를 예시하고, 도 8은 듀티가 0.5 미만인 경우를 예시한다.7 and 8 illustrate operating waveforms when the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 1 operates in buck converter mode. 7 illustrates a case in which the duty is greater than or equal to 0.5, and FIG. 8 illustrates a case in which the duty is less than 0.5.
도 7은 벅 컨버터 모드(D ≥ 0.5)에서 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1의 온/오프 동작과 주요 파형(VC1P, VOUT1, VC1N, IL1)을 예시한다. IL1은 제 1 인덕터(L1)의 전류이다.7 illustrates on/off operations and main waveforms (VC1P, VOUT1, VC1N, IL1) of transistor QA1, transistor QB1, transistor QC1, and transistor QD1 in buck converter mode (D ≥ 0.5). IL1 is the current of the first inductor (L1).
도 7을 참조하면, 트랜지스터 QA1은 조절가능한 듀티를 가지고 온/오프를 반복할 수 있다. 듀티는 스위칭 주기(온 구간과 오프 구간의 합)에 대한 온 구간의 비율로 정의될 수 있다. 설명의 편의상, 벅 컨버터 모드에서의 듀티는 트랜지스터 QA1의 듀티로 정의하기로 한다. 예를 들어, 트랜지스터 QA1의 듀티는 ① ~ ④ 구간의 길이의 합에 대한 ①, ② 및 ④ 구간(트랜지스터 QA1의 온 구간)의 길이의 합의 비율로 이해될 수 있다. 트랜지스터 QB1은 트랜지스터 QA1과 동일한 듀티를 가지되 실질적으로 180도 위상 쉬프트(phase shift)된 형태로 온/오프 될 수 있다. 트랜지스터 QC1은 트랜지스터 QB1과 실질적으로 반대로 온/오프 될 수 있다. 트랜지스터 QD1은 트랜지스터 QA1과 실질적으로 반대로 온/오프 될 수 있다.Referring to FIG. 7 , the transistor QA1 may be turned on/off repeatedly with an adjustable duty. The duty may be defined as the ratio of the on-period to the switching period (the sum of the on-period and off-period). For convenience of explanation, the duty in the buck converter mode will be defined as the duty of the transistor QA1. For example, the duty of the transistor QA1 can be understood as a ratio of the sum of the lengths of the
먼저, 도 7의 ① 구간, 즉, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QC1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QA1를 통해 입력 전압(VIN)에 연결되고, C1N 노드는 트랜지스터 QC1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결되고, 제 5 트랜지스터(QSB)가 온 될 경우 제 1 인덕터(L1)의 타단은 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)에도 연결될 수 있다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 입력 전압(VIN)에서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)을 차감한 전압(VIN - VCFLY1 = VIN/2)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 듀티가 0.5 보다 큰 경우 시스템 전압(VSYS)은 후술할 바와 같이 입력 전압(VIN)의 절반보다 크므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 감소한다.First, an operation in
다음으로 도 7의 ② 구간, 즉 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QB1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QA1를 통해 입력 전압(VIN)에 연결되고 트랜지스터 QB1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. C1N 노드에는 입력 전압(VIN)에서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)을 차감한 전압이 인가된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결된다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 입력 전압(VIN)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 입력 전압(VIN)이 시스템 전압(VSYS)보다 높으므로 인덕터 전류(IL)는 증가한다.Next, an operation in
다음으로 도 7의 ③ 구간, 즉 트랜지스터 QB1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QB1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. C1N 노드는 트랜지스터 QD1를 통해 그라운드(PGND)에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결된다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1 = VIN/2)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 시스템 전압(VSYS)은 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)보다 높으므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 감소한다.Next, an operation in
다음으로 도 7의 ④ 구간, 즉 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QB1의 온 구간에서의 동작은 ② 구간에서의 동작과 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.Next, since the operation in
벅 컨버터 모드에서 듀티가 0.5 보다 큰 경우, 도 7의 ① 구간 내지 ④ 구간의 동작을 반복하게 되는데, 제 1 인덕터(L1)의 일단에는 출력 전압(VOUT1)이 인가되고 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가된다. 이 때, 출력 전압(VOUT1)에는 ① 구간과 ③ 구간에서 입력 전압(VIN)의 절반이 인가되고, ② 구간과 ④ 구간에서 입력 전압(VIN)이 인가된다. 시스템 입력단의 커패시턴스는 통상 충분히 크기 때문에 시스템 전압(VSYS)은 하나의 스위칭 주기 내에서는 변화가 없이 일정한 값을 가지는 것으로 가정할 수 있다. 또한, 정상상태(steady-state)에서 제 1 인덕터(L1)의 일단과 타단에 걸리는 전압의 평균은 서로 동일하므로, 출력 전압(VOUT1)의 평균과 시스템 전압(VSYS)의 평균은 동일하게 된다. 따라서 시스템 전압(VSYS)은 입력 전압(VIN)의 절반보다 높고 입력 전압(VIN)보다는 낮은 값을 가지게 된다. When the duty is greater than 0.5 in the buck converter mode, the operations of
입력 전압(VIN)에 대한 시스템 전압(VSYS)의 비율은 스위칭 주기에 대한 ① 구간과 ③ 구간의 합의 비율 또는 ② 구간과 ④ 구간의 합의 비율을 조절함으로써 제어될 수 있다. 즉, 입력 전압(VIN)에 대한 시스템 전압(VSYS)의 비율(즉, 전압 변환비)은 트랜지스터 QA1의 듀티를 통해 조절될 수 있다(설명의 편의상 트랜지스터 QA1의 듀티를 대표적으로 예를 들지만 다른 트랜지스터들의 듀티에 따라 조절되는 것으로도 이해될 수 있다).The ratio of the system voltage VSYS to the input voltage VIN can be controlled by adjusting the ratio of the sum of the
이와 같이, 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서 듀티가 0.5 이상인 경우, 출력 전압(VOUT1) 또는 시스템 전압(VSYS)이 입력 전압(VIN)의 절반보다 높고 입력 전압(VIN)보다는 낮은 범위에서 조절될 수 있다. 다시 말해, 입력 전압에 대한 출력 전압의 비가 0.5 ~ 1의 범위에서 조절이 가능하다.As such, the first converter circuit may be adjusted in a range where the output voltage VOUT1 or the system voltage VSYS is higher than half of the input voltage VIN and lower than the input voltage VIN when the duty is 0.5 or more in the buck converter mode. can In other words, the ratio of the output voltage to the input voltage can be adjusted in the range of 0.5 to 1.
도 8은 벅 컨버터 모드(D < 0.5)에서 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1의 온/오프 동작과 주요 파형(VC1P, VOUT1, VC1N, IL1)을 예시한다. 8 illustrates the on/off operations and main waveforms (VC1P, VOUT1, VC1N, IL1) of transistor QA1, transistor QB1, transistor QC1, and transistor QD1 in buck converter mode (D < 0.5).
도 8을 참조하면, 트랜지스터 QA1은 조절가능한 듀티를 가지고 온/오프를 반복할 수 있다. 트랜지스터 QB1은 트랜지스터 QA1과 동일한 듀티를 가지되 실질적으로 180도 위상 쉬프트(phase shift)된 형태로 온/오프 될 수 있다. 트랜지스터 QC1은 트랜지스터 QB1과 실질적으로 반대로 온/오프 될 수 있다. 트랜지스터 QD1은 트랜지스터 QA1과 실질적으로 반대로 온/오프 될 수 있다. 즉, 벅 컨버터 모드(D < 0.5)에서의 트랜지스터들에 대한 구동 방법은 도 7을 통해 예시한 벅 컨버터 모드(D ≥ 0.5)에서의 구동 방법과 동일하다. 다만, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QB1의 온 구간이 짧아지고 트랜지스터 QC1과 트랜지스터 QD1의 온 구간이 길어짐으로 인해 네 개의 트랜지스터들의 온/오프 조합이 도 7과는 일부 달라진다는 점에서 차이가 있다.Referring to FIG. 8 , the transistor QA1 may be turned on/off repeatedly with an adjustable duty. Transistor QB1 has the same duty as transistor QA1 but can be turned on/off in a phase shifted by substantially 180 degrees. Transistor QC1 can be turned on and off substantially the opposite of transistor QB1. Transistor QD1 can be turned on and off substantially the opposite of transistor QA1. That is, the driving method for the transistors in the buck converter mode (D < 0.5) is the same as the driving method in the buck converter mode (D ≥ 0.5) illustrated in FIG. 7 . However, there is a difference in that the on/off combination of the four transistors is partially different from that of FIG.
먼저, 도 8의 ① 구간, 즉, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QC1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QA1를 통해 입력 전압(VIN)에 연결되고, C1N 노드는 트랜지스터 QC1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결되고, 트랜지스터 QSB가 온 될 경우 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)에도 연결될 수 있다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 입력 전압(VIN)에서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)을 차감한 전압(VIN - VCFLY1 = VIN/2)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 듀티가 0.5 보다 작은 경우 시스템 전압(VSYS)은 후술할 바와 같이 입력 전압(VIN)의 절반보다 작으므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 증가한다.First, an operation in
다음으로 도 8의 ② 구간, 즉 트랜지스터 QC1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드에는 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1 = VIN/2)이 인가된다. C1N 노드는 트랜지스터 QC1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결되고, 또한 트랜지스터 QD1를 통해 그라운드(PGND)에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결된다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 그라운드(PGND) 전압(즉, 0V)이 인가되고, 제 1 인덕터(L)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 감소한다. Next, an operation in
다음으로 도 8의 ③ 구간, 즉 트랜지스터 QB1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QB1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. C1N 노드는 트랜지스터 QD1를 통해 그라운드(PGND)에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결된다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1 = VIN/2)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 시스템 전압(VSYS)은 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)보다 낮으므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 증가한다.Next, an operation in
다음으로 도 8의 ④ 구간, 즉 트랜지스터 QC1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작은 ② 구간에서의 동작과 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.Next, since the operation in the
벅 모드에서 듀티가 0.5 보다 작을 경우, 도 8의 ① 구간 내지 ④ 구간의 동작을 반복하게 된다. 이 때, 출력 전압(VOUT1)에는 ① 구간과 ③ 구간에서 입력 전압(VIN)의 절반이 인가되고, ② 구간과 ④ 구간에서 그라운드 전압(즉, 0V)이 인가된다. 정상상태(steady-state)에서 인덕터의 양단에 걸리는 전압의 평균은 서로 동일하므로 출력 전압(VOUT1)의 평균과 시스템 전압(VSYS)의 평균은 서로 동일하게 된다. 따라서 시스템 전압(VSYS)은 입력 전압(VIN)의 절반보다 낮은 값을 가지게 된다. 입력 전압(VIN)에 대한 시스템 전압(VSYS)의 비율은 스위칭 주기에 대한 ① 구간과 ③ 구간의 합의 비율(즉, 듀티)을 조절함으로써 제어될 수 있다. In the buck mode, when the duty is less than 0.5, the operations of
이와 같이, 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서 듀티가 0.5 보다 작은 경우에, 출력 전압(VOUT1) 또는 시스템 전압(VSYS)이 입력 전압(VIN)의 절반보다 낮은 범위에서 조절될 수 있다. 다시 말해, 입력 전압에 대한 출력 전압의 비가 0 ~ 0.5의 범위에서 조절이 가능하다.As such, when the duty cycle of the first converter circuit is less than 0.5 in the buck converter mode, the output voltage VOUT1 or the system voltage VSYS may be adjusted within a range lower than half of the input voltage VIN. In other words, the ratio of the output voltage to the input voltage can be adjusted in the range of 0 to 0.5.
이상 도 7 및 도 8을 통해 설명한 바와 같이, 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서 동작할 때 트랜지스터들의 듀티를 조절함으로써 입력 전압에 대한 출력 전압의 비율을 0 ~ 1의 범위에서 조절할 수 있으므로, 제 1 컨버터 회로는 배터리 전압의 변화 및 다양한 입력 전압에 대응하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 전력 변환 회로(100)는 제 1 컨버터 회로의 벅 컨버터 모드를 활용하여 외부 충전기가 다양한 고정된 전압을 제공하는 경우에도 효과적으로 대응할 수 있다.As described above with reference to FIGS. 7 and 8, the first converter circuit can adjust the ratio of the output voltage to the input voltage in the range of 0 to 1 by adjusting the duty of the transistors when operating in the buck converter mode. 1 The converter circuit can operate in response to changes in battery voltage and various input voltages. For example, the
도 9는 도 1의 실시예에 따른 제 2 컨버터 회로가 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다.FIG. 9 illustrates an operating waveform when the second converter circuit according to the embodiment of FIG. 1 operates in a switched capacitor converter mode.
도 9에서 VC2P는 C2P 노드의 전압이고, VOUT2는 제 2 컨버터 회로의 출력 전압이며, VC2N은 C2N 노드의 전압이다. 제 2 플라잉 커패시터(CFLY2)가 C2P 노드와 C2N 노드 사이에 접속되어 있으므로 VC2P에서 VC2N을 차감한 전압은 제 2 플라잉 커패시터의 전압(VCFLY2)으로 이해될 수 있다.9, VC2P is the voltage of the C2P node, VOUT2 is the output voltage of the second converter circuit, and VC2N is the voltage of the C2N node. Since the second flying capacitor CFLY2 is connected between the C2P node and the C2N node, the voltage obtained by subtracting VC2N from VC2P can be understood as the voltage VCFLY2 of the second flying capacitor.
도 9을 참조하면, 트랜지스터 QA2와 트랜지스터 QC2는 실질적으로 0.5의 듀티(duty)를 가지고 동시에 온/오프 되고, 트랜지스터 QB2와 트랜지스터 QD2는 실질적으로 트랜지스터 QA2와 반대로 온/오프 될 수 있다. 여기서, 듀티는 스위칭 주기(온 구간과 오프 구간의 합)에 대한 트랜지스터(예, QA2)의 온 구간의 비율로 정의될 수 있다.Referring to FIG. 9 , the transistors QA2 and QC2 may be turned on/off simultaneously with a duty of substantially 0.5, and the transistors QB2 and QD2 may be substantially turned on/off opposite to the transistor QA2. Here, the duty may be defined as the ratio of the on-period of the transistor (eg, QA2) to the switching period (the sum of the on-period and off-period).
트랜지스터 QA2와 트랜지스터 QC2의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C2P 노드는 트랜지스터 QA2를 통해 입력 전압(VIN, 도 1의 실시예에서는 제 2 컨버터 회로의 입력 전압(MIDVBUS2)에 해당되지만 설명의 편의를 위해 입력 전압(VIN)으로 표기함)에 연결되고, C2N 노드는 트랜지스터 QC2를 통해 출력 전압(VOUT2)에 연결된다. 따라서 입력 전압(VIN)에서 제 2 플라잉 커패시터 전압(VCFLY2)을 차감한 전압(VIN - VCFLY2 = VIN/2)이 C2N 노드와 출력 전압(VOUT2)에 인가된다.Operations in the on-period of the transistors QA2 and QC2 will be described as an example. The C2P node is connected to the input voltage (VIN, which corresponds to the input voltage (MIDVBUS2) of the second converter circuit in the embodiment of FIG. 1, but is indicated as the input voltage (VIN) for convenience of explanation) through the transistor QA2, and C2N. The node is connected to the output voltage (VOUT2) through transistor QC2. Accordingly, a voltage obtained by subtracting the second flying capacitor voltage VCFLY2 from the input voltage VIN (VIN - VCFLY2 = VIN/2) is applied to the C2N node and the output voltage VOUT2.
다음으로, 트랜지스터 QB2와 트랜지스터 QD2의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C2P 노드는 트랜지스터 QB2를 통해 출력 전압(VOUT2)에 연결되고, C2N 노드는 트랜지스터 QD2를 통해 그라운드(PGND)에 연결된다. 따라서 제 2 플라잉 커패시터 전압(VCFLY2)이 C2P 노드와 출력 전압(VOUT2)에 인가된다. 즉, 제 2 플라잉 커패시터 전압(VCFLY2)과 출력 전압(VOUT2)은 서로 같아진다.Next, operations in the on-period of the transistors QB2 and QD2 will be described as an example. The C2P node is connected to the output voltage (VOUT2) through transistor QB2, and the C2N node is connected to ground (PGND) through transistor QD2. Accordingly, the second flying capacitor voltage VCFLY2 is applied to the C2P node and the output voltage VOUT2. That is, the second flying capacitor voltage VCFLY2 and the output voltage VOUT2 become equal to each other.
이와 같이, 제 2 플라잉 커패시터 전압(VCFLY2)과 출력 전압(VOUT2)은 서로 같고, 입력 전압(VIN)은 제 2 플라잉 커패시터 전압(VCFLY2)과 출력 전압(VOUT2)의 합과 같으므로, 결과적으로 제 2 플라잉 커패시터 전압(VCFLY2)과 출력 전압(VOUT2)은 각각 입력 전압(VIN)의 절반이 된다. 따라서 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT2)의 비는 이론적으로 2:1의 관계를 가지게 되므로, 제 2 컨버터 회로는 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12) 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. As such, the second flying capacitor voltage VCFLY2 and the output voltage VOUT2 are equal to each other, and the input voltage VIN is equal to the sum of the second flying capacitor voltage VCFLY2 and the output voltage VOUT2. 2 The flying capacitor voltage (VCFLY2) and the output voltage (VOUT2) are each half of the input voltage (VIN). Therefore, since the ratio of the input voltage VIN and the output voltage VOUT2 theoretically has a relationship of 2:1, the second converter circuit performs a cell balancing function between the
도 10은 제 1 컨버터 회로의 다른 실시예를 예시한다. 도 10에 예시된 회로는 도 1을 참조하여 설명한 제 1 컨버터 회로를 대치하여 사용될 수 있다. 10 illustrates another embodiment of the first converter circuit. The circuit illustrated in FIG. 10 may be used instead of the first converter circuit described with reference to FIG. 1 .
도 10을 참조하면, 제 1 컨버터 회로는, 제 1 컨버터 회로의 입력 전압(VIN, 즉 MIDVBUS1)과 그라운드(PGND) 사이에 순서대로 직렬로 연결된 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1, 트랜지스터 QD1, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QB1의 접점과 트랜지스터 QC1과 트랜지스터 QD1의 접점 사이에 연결된 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1), 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1)의 양단 사이에 직렬로 연결된 트랜지스터 QE1 및 트랜지스터 QF1, 트랜지스터 QB1 및 트랜지스터 QC1의 접점에 일단이 연결된 제 1 인덕터(L1)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 10, the first converter circuit includes a transistor QA1, a transistor QB1, a transistor QC1, a transistor QD1, and a transistor sequentially connected in series between the input voltage (VIN, ie, MIDVBUS1) of the first converter circuit and the ground (PGND). A first flying capacitor CFLY1 connected between the contact point of QA1 and transistor QB1 and the contact point of transistor QC1 and transistor QD1, transistor QE1 and transistor QF1 connected in series between both ends of the first flying capacitor CFLY1, transistor QB1 and transistor QC1 It may include a first inductor (L1) one end connected to the contact of.
이 때, 제 1 인덕터(L1)의 타단은 제 2 셀(12)의 저전압 및 시스템 전압(VSYS)에 연결되어 벅 컨버터 모드의 전류 출력 노드로 기능할 수 있다. 또한, 트랜지스터 QE1과 트랜지스터 QF1의 접점(VOUT3)은 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)에 연결되어 스위치드 커패시터 컨버터 모드의 출력 전압 노드로 기능할 수 있다. 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압 사이에는 트랜지스터 QSB가 연결되어 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)과 제 2 셀(12)의 저전압을 선택적으로 연결할 수 있다(여기서, 트랜지스터 QSB는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 전류 경로 관리 회로에 포함되는 것으로 이해될 수 있다).At this time, the other end of the first inductor L1 is connected to the low voltage and the system voltage VSYS of the
이와 같이 구성된 제 1 컨버터 회로는 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QE1, 트랜지스터 QF1 및 트랜지스터 QD1이 소정의 스위칭 주기로 온/오프를 반복하면서 동작함으로써 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT3)이 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 할 수 있다. 또한, 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1이 소정의 스위칭 주기로 온/오프를 반복하면서 동작함으로써 출력 전압(VOUT1 및 VSYS)을 입력 전압(VIN)보다 낮은 범위에서 조절할 수 있다. 아래에서는 도 11 내지 도 13을 참조하여 도 10에 예시된 제1 컨버터 회로의 동작에 대해 상세히 설명한다.In the first converter circuit configured as described above, the transistor QA1, the transistor QE1, the transistor QF1, and the transistor QD1 operate while repeating on/off at a predetermined switching cycle in the switched capacitor converter mode, so that the input voltage VIN and the output voltage VOUT3 are substantially It can be made to have a 2:1 relationship. In addition, the first converter circuit operates while repeating on/off of the transistors QA1, transistor QB1, transistor QC1, and transistor QD1 in a buck converter mode at a predetermined switching cycle, thereby increasing the output voltages VOUT1 and VSYS lower than the input voltage VIN. can be adjusted in range. Below, the operation of the first converter circuit illustrated in FIG. 10 will be described in detail with reference to FIGS. 11 to 13 .
도 11은 도 10의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로가 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다.FIG. 11 illustrates an operating waveform when the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 10 operates in a switched capacitor converter mode.
도 11에서 VOUT3은 제 1 컨버터 회로의 스위치드 커패시터 모드 출력 전압이다. 도 11을 참조하면, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QF1은 실질적으로 0.5의 듀티(duty)를 가지고 동시에 온/오프 되고, 트랜지스터 QE1과 트랜지스터 QD1은 실질적으로 트랜지스터 QA1과 반대로 온/오프 될 수 있다. In FIG. 11, VOUT3 is the switched capacitor mode output voltage of the first converter circuit. Referring to FIG. 11 , transistor QA1 and transistor QF1 may be turned on/off simultaneously with a duty of substantially 0.5, and transistor QE1 and transistor QD1 may be substantially turned on/off opposite to transistor QA1.
트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QF1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. 이 경우, C1P 노드는 트랜지스터 QA1를 통해 입력 전압(VIN)에 연결되고, C1N 노드는 트랜지스터 QF1를 통해 출력 전압(VOUT3)에 연결된다. 따라서 입력 전압(VIN)에서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)을 차감한 전압이 C1N 노드와 출력 전압(VOUT3)에 인가된다.The operation in the on-period of the transistor QA1 and the transistor QF1 will be described as an example. In this case, the C1P node is connected to the input voltage VIN through the transistor QA1, and the C1N node is connected to the output voltage VOUT3 through the transistor QF1. Accordingly, a voltage obtained by subtracting the first flying capacitor voltage VCFLY1 from the input voltage VIN is applied to the C1N node and the output voltage VOUT3.
다음으로, 트랜지스터 QE1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. 이 경우, C1P 노드는 트랜지스터 QE1를 통해 출력 전압(VOUT3)에 연결되고, C1N 노드는 트랜지스터 QD1를 통해 그라운드(PGND)에 연결된다. 따라서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)이 C1P 노드와 출력 전압(VOUT3)에 인가된다. 즉, 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)과 출력 전압(VOUT3)은 서로 같아진다.Next, operations in the on-period of the transistors QE1 and QD1 will be exemplarily described. In this case, the C1P node is connected to the output voltage (VOUT3) through the transistor QE1, and the C1N node is connected to the ground (PGND) through the transistor QD1. Accordingly, the first flying capacitor voltage VCFLY1 is applied to the C1P node and the output voltage VOUT3. That is, the first flying capacitor voltage VCFLY1 and the output voltage VOUT3 become equal to each other.
이와 같이, 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)과 출력 전압(VOUT3)은 서로 같고, 입력 전압(VIN)은 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)과 출력 전압(VOUT3)의 합과 같으므로, 결과적으로 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)과 출력 전압(VOUT3)은 각각 입력 전압(VIN)의 절반이 된다. 따라서 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT3)의 비는 이론적으로 2:1의 관계를 가지게 되므로, 제 1 컨버터 회로는 제 1 셀(11)과 제 2 셀(12) 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. As such, the first flying capacitor voltage VCFLY1 and the output voltage VOUT3 are equal to each other, and the input voltage VIN is equal to the sum of the first flying capacitor voltage VCFLY1 and the output voltage VOUT3. 1 The flying capacitor voltage (VCFLY1) and the output voltage (VOUT3) are each half of the input voltage (VIN). Therefore, since the ratio of the input voltage VIN and the output voltage VOUT3 theoretically has a relationship of 2:1, the first converter circuit performs a cell balancing function between the
도 12 및 도 13은 도 10의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로가 벅 컨버터 모드로 동작하는 경우의 동작 파형을 예시한다.12 and 13 illustrate operating waveforms when the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 10 operates in buck converter mode.
도 12은 벅 컨버터 모드(D ≥ 0.5)에서 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1의 온/오프 동작과 주요 파형(VC1P, VOUT1, VC1N, IL1)을 예시한다.12 illustrates on/off operations and main waveforms (VC1P, VOUT1, VC1N, IL1) of transistor QA1, transistor QB1, transistor QC1, and transistor QD1 in buck converter mode (D ≥ 0.5).
도 12를 참조하면, 트랜지스터 QA1은 조절가능한 듀티를 가지고 온/오프를 반복할 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터 QA1의 듀티는 ① ~ ④ 구간의 길이의 합에 대한 ①, ② 및 ④ 구간(트랜지스터 QA1의 온 구간)의 길이의 합의 비율로 이해될 수 있다. 트랜지스터 QB1은 트랜지스터 QA1과 동일한 듀티를 가지되 실질적으로 180도 위상 쉬프트(phase shift)된 형태로 온/오프 될 수 있다. 트랜지스터 QC1은 트랜지스터 QB1과 실질적으로 반대로 온/오프 될 수 있다. 트랜지스터 QD1은 트랜지스터 QA1과 실질적으로 반대로 온/오프 될 수 있다.Referring to FIG. 12 , the transistor QA1 may be turned on/off repeatedly with an adjustable duty. For example, the duty of the transistor QA1 can be understood as a ratio of the sum of the lengths of the
먼저, 도 12의 ① 구간, 즉, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QC1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QA1를 통해 입력 전압(VIN)에 연결되고, C1N 노드는 트랜지스터 QC1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결되고, 트랜지스터 QSB가 온 될 경우 제 1 인덕터(L1)의 타단은 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)에도 연결될 수 있다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 입력 전압(VIN)에서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)을 차감한 전압(VIN - VCFLY1 = VIN/2)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 듀티가 0.5 이상인 경우 시스템 전압(VSYS)은 후술할 바와 같이 입력 전압(VIN)의 절반보다 크므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 감소한다.First, an operation in
다음으로 도 12의 ② 구간, 즉 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QB1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QA1를 통해 입력 전압(VIN)에 연결되고 트랜지스터 QB1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. C1N 노드에는 입력 전압(VIN)에서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)을 차감한 전압이 인가된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결된다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 입력 전압(VIN)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 입력 전압(VIN)이 시스템 전압(VSYS)보다 높으므로 인덕터 전류(IL)는 증가한다.Next, an operation in
다음으로 도 12의 ③ 구간, 즉 트랜지스터 QB1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QB1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. C1N 노드는 트랜지스터 QD1를 통해 그라운드(PGND)에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결된다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1 = VIN/2)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 시스템 전압(VSYS)은 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)보다 높으므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 감소한다.Next, an operation in
다음으로 도 12의 ④ 구간, 즉 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QB1의 온 구간에서의 동작은 ② 구간에서의 동작과 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.Next, since the operation in the
벅 컨버터 모드에서 듀티가 0.5 이상인 경우, 도 12의 ① 구간 내지 ④ 구간의 동작을 반복하게 되는데, 제 1 인덕터(L1)의 일단에는 출력 전압(VOUT1)이 인가되고 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가된다. 이 때, 출력 전압(VOUT1)에는 ① 구간과 ③ 구간에서 입력 전압(VIN)의 절반이 인가되고, ② 구간과 ④ 구간에서 입력 전압(VIN)이 인가된다. 따라서 시스템 전압(VSYS)은 입력 전압(VIN)의 절반보다 높고 입력 전압(VIN)보다는 낮은 값을 가지게 된다. When the duty is 0.5 or more in the buck converter mode, the operations of
입력 전압(VIN)에 대한 시스템 전압(VSYS)의 비율은 스위칭 주기에 대한 ① 구간과 ③ 구간의 합의 비율 또는 ② 구간과 ④ 구간의 합의 비율(즉, 듀티)을 조절함으로써 제어될 수 있다.The ratio of the system voltage VSYS to the input voltage VIN can be controlled by adjusting the ratio of the sum of the
이와 같이, 도 10의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서 듀티가 0.5 이상인 경우, 출력 전압(VOUT1) 또는 시스템 전압(VSYS)이 입력 전압(VIN)의 절반보다 높고 입력 전압(VIN)보다는 낮은 범위에서 조절될 수 있다. 다시 말해, 입력 전압에 대한 출력 전압의 비가 0.5 ~ 1의 범위에서 조절이 가능하다.As such, in the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 10 , when the duty is 0.5 or more in the buck converter mode, the output voltage VOUT1 or the system voltage VSYS is higher than half of the input voltage VIN and the input voltage VIN ) can be adjusted in a lower range than In other words, the ratio of the output voltage to the input voltage can be adjusted in the range of 0.5 to 1.
도 13은 벅 컨버터 모드(D < 0.5)에서 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1의 온/오프 동작과 주요 파형(VC1P, VOUT1, VC1N, IL1)을 예시한다. 13 illustrates the on/off operations and main waveforms (VC1P, VOUT1, VC1N, IL1) of transistor QA1, transistor QB1, transistor QC1, and transistor QD1 in buck converter mode (D < 0.5).
도 13을 참조하면, 트랜지스터 QA1은 조절가능한 듀티를 가지고 온/오프를 반복할 수 있다. 트랜지스터 QB1은 트랜지스터 QA1과 동일한 듀티를 가지되 실질적으로 180도 위상 쉬프트(phase shift)된 형태로 온/오프 될 수 있다. 트랜지스터 QC1은 트랜지스터 QB1과 실질적으로 반대로 온/오프 될 수 있다. 트랜지스터 QD1은 트랜지스터 QA1과 실질적으로 반대로 온/오프 될 수 있다. 즉, 벅 컨버터 모드(D < 0.5)에서의 트랜지스터들에 대한 구동 방법은 도 12를 통해 예시한 벅 컨버터 모드(D ≥ 0.5)에서의 구동 방법과 동일하다. 다만, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QB1의 온 구간이 짧아지고 트랜지스터 QC1과 트랜지스터 QD1의 온 구간이 길어짐으로 인해 네 개의 트랜지스터들의 온/오프 조합이 도 12와는 일부 달라진다는 점에서 차이가 있다.Referring to FIG. 13 , the transistor QA1 may be turned on/off repeatedly with an adjustable duty. Transistor QB1 has the same duty as transistor QA1 but can be turned on/off in a phase shifted by substantially 180 degrees. Transistor QC1 can be turned on and off substantially the opposite of transistor QB1. Transistor QD1 can be turned on and off substantially the opposite of transistor QA1. That is, the driving method for the transistors in the buck converter mode (D < 0.5) is the same as the driving method in the buck converter mode (D ≥ 0.5) illustrated through FIG. 12 . However, there is a difference in that the on/off combination of the four transistors is partially different from that of FIG.
먼저, 도 13의 ① 구간, 즉, 트랜지스터 QA1과 트랜지스터 QC1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QA1를 통해 입력 전압(VIN)에 연결되고, C1N 노드는 트랜지스터 QC1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결되고, 트랜지스터 QSB가 온 될 경우 제 1 셀(11)의 고전압(BATP_B)에도 연결될 수 있다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 입력 전압(VIN)에서 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1)을 차감한 전압(VIN - VCFLY1 = VIN/2)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 듀티가 0.5 보다 작은 경우 시스템 전압(VSYS)은 후술할 바와 같이 입력 전압(VIN)의 절반보다 낮으므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 증가한다.First, the operation in
다음으로 도 13의 ② 구간, 즉 트랜지스터 QC1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드에는 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1 = VIN/2)이 인가된다. C1N 노드는 트랜지스터 QC1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결되고, 또한 트랜지스터 QD1를 통해 그라운드(PGND)에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결된다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 그라운드(PGND) 전압(즉, 0V)이 인가되고, 제 1 인덕터(L)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 감소한다. Next, an operation in
다음으로 도 13의 ③ 구간, 즉 트랜지스터 QB1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작을 예시적으로 설명한다. C1P 노드는 트랜지스터 QB1를 통해 출력 전압(VOUT1) 및 제 1 인덕터(L1)의 일단에 연결된다. C1N 노드는 트랜지스터 QD1를 통해 그라운드(PGND)에 연결된다. 제 1 인덕터(L1)의 타단은 시스템 전압(VSYS)에 연결된다. 이 때, 제 1 인덕터(L1)의 일단이 연결된 출력 전압(VOUT1)에는 제 1 플라잉 커패시터 전압(VCFLY1 = VIN/2)이 인가되고, 제 1 인덕터(L1)의 타단에는 시스템 전압(VSYS)이 인가되는데, 시스템 전압(VSYS)은 입력 전압(VIN)의 절반보다 낮으므로, 제 1 인덕터 전류(IL1)는 증가한다.Next, an operation in the
다음으로 도 13의 ④ 구간, 즉 트랜지스터 QC1과 트랜지스터 QD1의 온 구간에서의 동작은 ② 구간에서의 동작과 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.Next, since the operation in the
벅 모드에서 듀티가 0.5 보다 작을 경우, 도 13의 ① 구간 내지 ④ 구간의 동작을 반복하게 된다. 이 때, 출력 전압(VOUT1)에는 ① 구간과 ③ 구간에서 입력 전압(VIN)의 절반이 인가되고, ② 구간과 ④ 구간에서 그라운드 전압(즉, 0V)이 인가된다. 따라서 시스템 전압(VSYS)은 입력 전압(VIN)의 절반보다 낮은 값을 가지게 된다. 입력 전압(VIN)에 대한 시스템 전압(VSYS)의 비율은 스위칭 주기에 대한 ① 구간과 ③ 구간의 합의 비율(즉, 듀티)을 조절함으로써 제어될 수 있다. In the buck mode, when the duty is less than 0.5, operations in
이와 같이, 제 1 컨버터 회로는 벅 컨버터 모드에서 듀티가 0.5 보다 작은 경우에, 출력 전압(VOUT1) 및 시스템 전압(VSYS)이 입력 전압(VIN)의 절반보다 낮은 범위에서 조절될 수 있다. 다시 말해, 입력 전압에 대한 출력 전압의 비가 0 ~ 0.5의 범위에서 조절이 가능하다.As such, when the duty cycle of the first converter circuit is less than 0.5 in the buck converter mode, the output voltage VOUT1 and the system voltage VSYS may be adjusted within a range lower than half of the input voltage VIN. In other words, the ratio of the output voltage to the input voltage can be adjusted in the range of 0 to 0.5.
이상 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한 바와 같이, 도 10의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로는, 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QE1, 트랜지스터 QF1 및 트랜지스터 QD1을 활용하여 입력 전압(VIN)과 출력 전압(VOUT3)이 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 벅 컨버터 모드에서 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1을 활용하여 입력 전압에 대한 출력 전압의 비율을 0 ~ 1의 범위에서 조절할 수 있다. 따라서 전력 변환 회로(100)는 도 10의 실시예에 따른 제 1 컨버터 회로의 스위치드 커패시터 컨버터 모드를 활용하여 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있고, 벅 컨버터 모드를 활용하여 외부 충전기가 다양한 고정된 전압을 제공하는 경우에 대응하여 배터리를 충전할 수 있다.As described above with reference to FIGS. 11 to 13 , the first converter circuit according to the embodiment of FIG. 10 uses the transistor QA1, transistor QE1, transistor QF1 and transistor QD1 in the switched capacitor converter mode to generate an input voltage (VIN) Not only is it possible to achieve a substantially 2:1 relationship between V and output voltage (VOUT3), but in buck converter mode, by utilizing transistor QA1, transistor QB1, transistor QC1, and transistor QD1, the ratio of output voltage to input voltage can be It can be adjusted in the range of 0 to 1. Therefore, the
도 14는 제 2 컨버터 회로에 다른 실시예를 사용하는 경우의 전력 변환 회로(1400)를 예시한다.14 illustrates a
도 14를 참조하면, 전력 변환 회로(1400)에 사용된 제 2 컨버터 회로는 출력 전압(VOUT2)과 시스템 전압(VSYS) 사이에 제 2 인덕터(L2)를 더 포함하는 점에서 도 1에 예시된 제 2 컨버터 회로와 차이가 있다. Referring to FIG. 14 , the second converter circuit used in the
도 14에 예시된 제 2 컨버터 회로의 스위칭 시퀀스 및 주요 파형은 도 9를 참조하여 설명한 바와 유사하므로 중복되는 설명은 생략한다. 다만, 도 14에 예시된 제 2 컨버터 회로는 제 2 인덕터(L2)의 존재로 인해, 출력 전압(VOUT2)과 시스템 전압(VSYS) 사이의 전압에 차이가 있을 때 전류 피크를 줄일 수 있다. 즉, 정상 상태(steady-state)에서는 출력 전압(VOUT2)과 시스템 전압(VSYS)이 실질적으로 일치할 것이므로 제 2 인덕터(L2)가 별다른 역할을 하지 않을 것이나, 다양한 요인으로 인해 출력 전압(VOUT2) 및/또는 시스템 전압(VSYS)이 변화하는 과도 상태일 때, 제 2 인덕터(L2)는 출력 전압(VOUT2)과 시스템 전압(VSYS) 사이에 흐르는 전류의 변동을 줄이는 기능을 수행할 수 있다.Since the switching sequence and main waveforms of the second converter circuit illustrated in FIG. 14 are similar to those described with reference to FIG. 9 , overlapping descriptions are omitted. However, the second converter circuit illustrated in FIG. 14 may reduce the current peak when there is a voltage difference between the output voltage VOUT2 and the system voltage VSYS due to the existence of the second inductor L2. That is, in the steady-state, the output voltage (VOUT2) and the system voltage (VSYS) will substantially match, so the second inductor (L2) will not play a significant role, but due to various factors, the output voltage (VOUT2) And/or when the system voltage VSYS is in a transient state, the second inductor L2 may reduce a change in current flowing between the output voltage VOUT2 and the system voltage VSYS.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 복수의 셀이 직렬 연결되고 충전 방식이 다양화되는 상황에서 배터리의 충전을 효율적으로 수행하면서 셀 밸런싱 기능도 갖춘 전력 변환 회로를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 외부 충전기가 연결되지 않은 상태에서 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 소정의 고정된 전압을 제공하는 외부 충전기가 연결된 상태에서 배터리의 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 소정의 범위에서 가변되는 전압을 제공하는 외부 충전기가 연결된 상태에서 배터리의 고속 충전 및 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있는 전력 변환 회로를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 부품 수를 줄이고 간단한 구조로 구현되며 고효율로 동작할 수 있는 전력 변환 회로를 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, according to embodiments, a power conversion circuit having a cell balancing function while efficiently charging a battery in a situation where a plurality of cells are connected in series and charging methods are diversified can be provided. there is. In addition, according to the present invention, according to an embodiment, it is possible to provide a power conversion circuit capable of performing a cell balancing function in a state in which an external charger is not connected. In addition, according to the present invention, according to an embodiment, it is possible to provide a power conversion circuit capable of performing battery charging and cell balancing functions in a state in which an external charger providing a predetermined fixed voltage is connected. In addition, according to the present invention, according to embodiments, a power conversion circuit capable of performing high-speed charging of a battery and cell balancing in a state in which an external charger providing a variable voltage within a predetermined range is connected can be provided. In addition, according to the present invention, according to embodiments, it is possible to provide a power conversion circuit having a reduced number of parts, a simple structure, and high efficiency operation.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Terms such as "comprise", "comprise" or "having" described above mean that the corresponding component may be inherent unless otherwise stated, and therefore do not exclude other components. It should be construed that it may further include other components. All terms, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless defined otherwise. Commonly used terms, such as terms defined in a dictionary, should be interpreted as consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present invention, they are not interpreted in an ideal or excessively formal meaning.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an example of the technical idea of the present invention, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (20)
벅 컨버터 모드와 스위치드 커패시터 컨버터 모드 중에서 선택적으로 동작하면서 상기 벅 컨버터 모드에서는 상기 배터리를 충전하고 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서는 상기 셀 밸런싱 기능을 수행하는 제 1 컨버터 회로;
스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 동작하며 상기 셀 밸런싱 기능을 수행하는 제 2 컨버터 회로;
버스 전압 노드, 상기 제 1 컨버터 회로, 상기 제 2 컨버터 회로 및 상기 배터리 사이의 연결을 관리하는 전류 경로 관리 회로; 및
상기 제 1 컨버터 회로, 상기 제 2 컨버터 회로 및 상기 전류 경로 관리 회로를 제어하는 제어기;를 포함하되,
상기 외부 충전기가 연결되지 않은 경우, 상기 전류 경로 관리 회로는 상기 제 2 셀의 고전압 노드를 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 노드 및 상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압 노드에 연결하고, 상기 제 1 컨버터 회로와 상기 제 2 컨버터 회로는 각각 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하여 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행하고,
고정 출력 전압 외부 충전기가 연결된 경우, 상기 전류 경로 관리 회로는 상기 버스 전압 노드를 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 노드에 연결하고, 상기 제 2 셀의 고전압 노드를 상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압 노드에 연결하며, 상기 제 1 컨버터 회로는 상기 벅 컨버터 모드로 동작하여 상기 제 1 셀을 충전하고, 상기 제 2 컨버터 회로는 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하여 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행하는, 전력 변환 회로.In a power conversion circuit for receiving power from an external charger and performing charging and cell balancing functions of a battery in which a first cell and a second cell are connected in series,
a first converter circuit selectively operating between a buck converter mode and a switched capacitor converter mode, charging the battery in the buck converter mode and performing the cell balancing function in the switched capacitor converter mode;
a second converter circuit operating in a switched capacitor converter mode and performing the cell balancing function;
current path management circuitry managing connections between a bus voltage node, the first converter circuit, the second converter circuit, and the battery; and
A controller for controlling the first converter circuit, the second converter circuit, and the current path management circuit; including,
When the external charger is not connected, the current path management circuit connects a high voltage node of the second cell to an input voltage node of the first converter circuit and an input voltage node of the second converter circuit, and the first converter circuit and the second converter circuit each operate in the switched capacitor converter mode to perform a cell balancing function between the first cell and the second cell;
When a fixed output voltage external charger is connected, the current path management circuit connects the bus voltage node to the input voltage node of the first converter circuit and the high voltage node of the second cell to the input voltage node of the second converter circuit. The first converter circuit operates in the buck converter mode to charge the first cell, and the second converter circuit operates in the switched capacitor converter mode to charge the first cell between the first cell and the second cell. A power conversion circuit that performs a cell balancing function.
상기 제 1 컨버터 회로와 상기 제 2 컨버터 회로는 서로 실질적으로 180도의 위상 차이를 갖고 스위칭 동작하는, 전력 변환 회로.The method of claim 1,
wherein the first converter circuit and the second converter circuit perform a switching operation with a phase difference of substantially 180 degrees from each other.
가변 출력 전압 외부 충전기가 연결된 경우,
상기 전류 경로 관리 회로는 상기 버스 전압 노드를 상기 제 2 셀의 고전압 노드, 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 노드 및 상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압 노드 에 연결하고,
상기 제 1 컨버터 회로와 상기 제 2 컨버터 회로는 각각 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드로 동작하여 상기 제 1 셀과 상기 제 2 셀 사이의 셀 밸런싱 기능을 수행하는, 전력 변환 회로.The method of claim 1,
When a variable output voltage external charger is connected,
the current path management circuit connects the bus voltage node to the high voltage node of the second cell, the input voltage node of the first converter circuit and the input voltage node of the second converter circuit;
Wherein the first converter circuit and the second converter circuit each operate in the switched capacitor converter mode to perform a cell balancing function between the first cell and the second cell.
상기 전류 경로 관리 회로는 상기 버스 전압 노드를 상기 제 2 셀의 고전압 노드에 연결함으로써 상기 배터리에 대한 고속 충전을 직접 수행하는, 전력 변환 회로.The method of claim 4,
wherein the current path management circuit directly performs fast charging of the battery by connecting the bus voltage node to a high voltage node of the second cell.
상기 제어기는 상기 버스 전압이 상기 배터리의 고속 충전을 직접 수행하는데 적합한 전압이 되도록 상기 가변 출력 전압 외부 충전기에게 출력 전압을 조절할 것을 요청하는, 전력 변환 회로.The method of claim 5,
Wherein the controller requests the variable output voltage external charger to adjust an output voltage so that the bus voltage becomes a voltage suitable for directly performing fast charging of the battery.
상기 제 1 컨버터 회로와 상기 제 2 컨버터 회로는 서로 실질적으로 180도의 위상 차이를 갖고 스위칭 동작하는, 전력 변환 회로.The method of claim 4,
wherein the first converter circuit and the second converter circuit perform a switching operation with a phase difference of substantially 180 degrees from each other.
상기 제 1 컨버터 회로는 상기 벅 컨버터 모드에서 상기 버스 전압과 상기 제 1 셀의 전압 비에 기초하여 결정되는 듀티(duty)로 동작하는, 전력 변환 회로.The method of claim 1,
The first converter circuit operates with a duty determined based on a voltage ratio of the bus voltage and the first cell in the buck converter mode.
상기 제 1 컨버터 회로가 동작하는 상기 벅 컨버터 모드는 인덕터를 사용하는 3-레벨 벅 컨버터 동작 모드인, 전력 변환 회로.The method of claim 1,
The power conversion circuit of claim 1 , wherein the buck converter mode in which the first converter circuit operates is a 3-level buck converter operation mode using an inductor.
상기 전류 경로 관리 회로는,
상기 버스 전압 노드와 상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 노드를 선택적으로 연결하는 제 1 트랜지스터(QRB1);
상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 노드와 상기 제 2 셀의 고전압 노드를 선택적으로 연결하는 제 2 트랜지스터(QST1);
상기 버스 전압 노드와 상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압 노드를 선택적으로 연결하는 제 3 트랜지스터(QRB2); 및
상기 제 2 컨버터 회로의 입력 전압 노드와 상기 제 2 셀의 고전압 노드를 선택적으로 연결하는 제 4 트랜지스터(QST2);를 포함하는, 전력 변환 회로.The method of claim 1,
The current path management circuit,
a first transistor (QRB1) selectively connecting the bus voltage node and an input voltage node of the first converter circuit;
a second transistor (QST1) selectively connecting an input voltage node of the first converter circuit and a high voltage node of the second cell;
a third transistor (QRB2) selectively connecting the bus voltage node and an input voltage node of the second converter circuit; and
and a fourth transistor (QST2) selectively connecting an input voltage node of the second converter circuit and a high voltage node of the second cell.
상기 전류 경로 관리 회로는 상기 제 1 셀의 고전압 노드와 상기 제 2 셀의 저전압 노드를 선택적으로 연결하는 제 5 트랜지스터(QSB)를 더 포함하는, 전력 변환 회로.The method of claim 11,
The current path management circuit further comprises a fifth transistor (QSB) selectively connecting a high voltage node of the first cell and a low voltage node of the second cell.
상기 제 1 트랜지스터(QRB1), 상기 제 2 트랜지스터(QST1), 상기 제 3 트랜지스터(QRB2) 및 상기 제 4 트랜지스터(QST2)는 양방향의 도통 제어가 가능한 양방향 제어 트랜지스터인, 전력 변환 회로.The method of claim 11,
The first transistor (QRB1), the second transistor (QST1), the third transistor (QRB2), and the fourth transistor (QST2) are bi-directional control transistors capable of bi-directional conduction control.
상기 제 1 컨버터 회로는,
상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 노드와 그라운드(PGND) 사이에 순서대로 직렬로 연결된 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1; 및
상기 트랜지스터 QA1과 상기 트랜지스터 QB1의 접점과 상기 트랜지스터 QC1과 상기 트랜지스터 QD1의 접점 사이에 연결된 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1);
상기 트랜지스터 QB1과 상기 트랜지스터 QC1의 접점에 일단이 연결된 제 1 인덕터(L1)를 포함하는, 전력 변환 회로.The method of claim 1,
The first converter circuit,
a transistor QA1, a transistor QB1, a transistor QC1, and a transistor QD1 sequentially connected in series between an input voltage node of the first converter circuit and a ground (PGND); and
a first flying capacitor CFLY1 coupled between a contact point between the transistor QA1 and the transistor QB1 and a contact point between the transistor QC1 and the transistor QD1;
A power conversion circuit comprising a first inductor (L1) having one end connected to a contact of the transistor QB1 and the transistor QC1.
상기 제 1 컨버터 회로는 상기 트랜지스터 QA1, 상기 트랜지스터 QB1, 상기 트랜지스터 QC1 및 상기 트랜지스터 QD1의 온/오프 시퀀스에 따라 벅 컨버터 모드 또는 스위치드 커패시터 컨버터 모드 중에서 선택적으로 동작하는, 전력 변환 회로.The method of claim 14,
Wherein the first converter circuit selectively operates in a buck converter mode or a switched capacitor converter mode according to an on/off sequence of the transistor QA1, the transistor QB1, the transistor QC1, and the transistor QD1.
상기 제 1 컨버터 회로는,
상기 제 1 컨버터 회로의 입력 전압 노드와 그라운드(PGND) 사이에 순서대로 직렬로 연결된 트랜지스터 QA1, 트랜지스터 QB1, 트랜지스터 QC1 및 트랜지스터 QD1;
상기 트랜지스터 QA1과 상기 트랜지스터 QB1의 접점과 상기 트랜지스터 QC1과 상기 트랜지스터 QD1의 접점 사이에 연결된 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1);
상기 제 1 플라잉 커패시터(CFLY1)의 양단 사이에 직렬로 연결된 트랜지스터 QE1 및 트랜지스터 QF1;
상기 트랜지스터 QB1 및 트랜지스터 QC1의 접점에 일단이 연결된 제 1 인덕터(L1)를 포함하고,
상기 제 1 인덕터(L1)의 타단은 벅 컨버터 모드의 출력 노드로 기능하고, 상기 트랜지스터 QE1과 상기 트랜지스터 QF1의 접점은 스위치드 커패시터 컨버터 모드의 출력 노드로 기능하는, 전력 변환 회로.The method of claim 1,
The first converter circuit,
a transistor QA1, a transistor QB1, a transistor QC1, and a transistor QD1 sequentially connected in series between an input voltage node of the first converter circuit and a ground (PGND);
a first flying capacitor CFLY1 coupled between a contact point between the transistor QA1 and the transistor QB1 and a contact point between the transistor QC1 and the transistor QD1;
a transistor QE1 and a transistor QF1 connected in series between both ends of the first flying capacitor CFLY1;
A first inductor L1 having one end connected to a contact of the transistor QB1 and the transistor QC1,
The other end of the first inductor (L1) functions as an output node of a buck converter mode, and the contact between the transistor QE1 and the transistor QF1 functions as an output node of a switched capacitor converter mode.
상기 제 1 인덕터(L1)의 타단은 상기 제 2 셀의 저전압 노드에 연결되고,
상기 트랜지스터 QE1과 상기 트랜지스터 QF1의 접점은 상기 제 1 셀의 고전압 노드에 연결되는, 전력 변환 회로.The method of claim 16
The other end of the first inductor (L1) is connected to the low voltage node of the second cell,
and a junction of the transistor QE1 and the transistor QF1 is connected to a high voltage node of the first cell.
상기 제 1 셀의 고전압 노드와 상기 제 2 셀의 저전압 노드 사이에는 트랜지스터 QSB가 연결되어 상기 제 1 셀의 고전압 노드와 상기 제 2 셀의 저전압 노드를 선택적으로 연결하는, 전력 변환 회로.The method of claim 17
A transistor QSB is connected between the high voltage node of the first cell and the low voltage node of the second cell to selectively connect the high voltage node of the first cell and the low voltage node of the second cell.
상기 제 1 컨버터 회로는,
상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 상기 트랜지스터 QA1, 상기 트랜지스터 QE1, 상기 트랜지스터 QF1 및 상기 트랜지스터 QD1이 소정의 스위칭 주기로 온/오프를 반복하면서 동작하고,
상기 벅 컨버터 모드에서 상기 트랜지스터 QA1, 상기 트랜지스터 QB1, 상기 트랜지스터 QC1 및 상기 트랜지스터 QD1이 소정의 스위칭 주기로 온/오프를 반복하면서 동작하는, 전력 변환 회로.The method of claim 16
The first converter circuit,
In the switched capacitor converter mode, the transistor QA1, the transistor QE1, the transistor QF1, and the transistor QD1 operate while repeating on/off at a predetermined switching cycle;
In the buck converter mode, the transistor QA1, the transistor QB1, the transistor QC1, and the transistor QD1 operate while repeating on/off at a predetermined switching cycle.
상기 제 1 컨버터 회로는 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 입력 전압과 출력 전압의 비가 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작하고, 상기 벅 컨버터 모드에서 상기 출력 전압은 상기 입력 전압에 비해 낮은 범위 내에서 조절이 가능하며,
상기 제 2 컨버터 회로는 상기 스위치드 커패시터 컨버터 모드에서 입력 전압과 출력 전압의 비가 실질적으로 2:1의 관계를 가지도록 동작하는, 전력 변환 회로.The method of claim 1,
The first converter circuit operates such that the ratio of input voltage to output voltage has a relationship of substantially 2:1 in the switched capacitor converter mode, and in the buck converter mode, the output voltage is within a lower range than the input voltage. can be adjusted,
The power conversion circuit of claim 1 , wherein the second converter circuit operates such that a ratio of an input voltage to an output voltage has a relationship of substantially 2:1 in the switched capacitor converter mode.
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