KR19990072453A - 충전지용전압감시회로 - Google Patents
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Abstract
충전지의 전압을 감시하고, 그 감시 전압에 따라 이러한 충전지의 충방전을 제어하는 집적 회로를 개시한다. 모든 다른 전력 소모 회로를 단로시키거나, 또는, 그 회로에 공급되는 전력을 감소시키는 동안, 언로드 (unload) 된 전지 전압이 샘플링된다. 그 후, 정상 동작을 위하여 나머지 회로가 접속되거나 그 회로에 전력 공급이 증가되는 동안, 샘플링된 전압이 따로 저장된다. 그 후, 저장 전압 샘플이, 전지 감시 회로의 전형적인 동작으로 인해 유도된 에러가 없이, 기준 전압과 비교된다.
Description
본 발명은 전압 감시 회로에 관한 것으로, 특히, 저전압 애플리케이션에서 사용되는 충전지용 전압 감시 회로에 관한 것이다.
전압 감시 회로는 휴대용 컴퓨터와 같은 휴대용 전자 기기에서 사용되는 리튬 및 리튬 이온 전지 셀과 같은 충전지 셀의 충방전을 제어하는 데 중요한 역할을 한다. 널리 알려진 바와 같이, 리튬 및 리튬 이온 2차 (즉, 충전) 전지 셀은, 셀의 성능 열화를 방지하기 위해서 뿐만 아니라, 셀을 케이싱 (casing) 할 때의 파괴 및 셀 내의 전해질의 산화를 방지하기 위하여, 장시간의 과충전 및 과방전으로부터 보호될 필요가 있다.
이를 달성하기 위해서, 통상적으로 전지 팩의 내부에 있는 보호 회로가 개별 셀 전압의 과충전 및 과방전 상태를 감시한다. 이러한 회로는 개별 셀 전압을 감시하여, 최대 또는 최소 셀 전압 임계치를 넘었는지를 결정한다. 감시 회로의 전원 및 감시 단자들과 셀 감시 단자사이에는, 안전상의 이유로, 저항이 직렬로 접속된다. 이와 같은 저항은, 감시 회로내에서 단락 회로가 발생하였을 경우, 전지 셀로부터 흐르는 어떠한 전류도 제한시킬 것을 목적으로 한다.
도 1 을 참조하면, 감시 회로를 전지 셀의 감시 단자에 접속하는 데에는 통상 2개의 단자가 사용된다. 한 단자는 셀 전압 감지용으로 사용되는 반면, 다른 단자는 감시 회로에 대한 전원 공급용으로 사용된다. 따라서, 6개의 단자 접속, 즉, 양의 셀 단자로의 전압 감지 접속, 양의 셀 단자로의 전원 접속, 음의 셀 단자로의 접지 접속, 직렬로 접속된 MOSFET 스위치로의 충방전 제어 단자 접속, 및 전지 팩의 음의 단자에서의 감지 접속이 필요하게 된다.
그러나, 이러한 직렬 저항들의 사용은 많은 문제점들을 가지고 있다. 첫째, 이러한 저항은 감시 회로내에서 더 생산적으로 사용될 수도 있는 전력을 소모한다. 둘째, 저항을 통과하는 전류에 의해 유도되는 오프셋이 없이 전압 감지 회로가 더욱 정확한 측정을 할 수 있도록 하기 위해서는 2개의 저항이 필요하므로, 감시 회로내의 전원 단자 (VDD) 를 통해 전력을 공급하는 위해 여분의 단자가 필요하게 된다.
하나의 가능한 해결책으로는 안전 저항 (R1, R2) 을 제거하는 것이다. 이렇게 하면, 최소한의 에러로 하나의 단자를 전원용과 감시용 모두로 사용할 수 있다. 그러나, 상술한 안전상의 문제 때문에, 이는 일반적으로 수용할 수 없는 대안이다.
또다른 가능한 해결책으로는, 전원 전류에 의해 유발된 전압 강하로 인해 안전 저항의 양단에 유도되는 오프셋을 보정하려는 시도가 있다. 그러나, 전원 전류의 세기가 일정하게 유지되고 예측가능한 경우가 아니라면, 그와 같은 오프셋 보정의 정확성을 유지하는 것은 사실상 불가능하다. 그러나, 동작 모드 변경에 의한 변화, 온도, 공급 전압 및 공정의 변화 때문에, 전원 전류를 그와 같이 일정하게 유지하는 것은 사실상 불가능하다. 그러므로, 일반적으로 이 해결책은 비실제적이며, 따라서, 또한 수용불가능하다.
또한, 또다른 가능한 해결책은, 전원 전류 세기가 안전 저항의 양단에 극소의 전압 강하만을 발생시킬 수 있을 정도로 낮게, 전압 감시 회로를 설계하는 것이다. 그러나, 이러한 방식으로 동작할 수 있는 회로에서는, 내부 저항 소자의 면적과 저항값이 커지게 되어, 그렇게 낮은 전류값으로는, 노이즈 및 누설 영향에 의해 정확성에서의 오차가 발생하게 된다.
도 2 를 참조하면, 하나의 종래 기술에서는 용량성 분압기에 의해 저항 (R2) 을 통하여 셀 전압을 샘플링한다. 먼저, 스위치 (S1 및 S2) 가 위치 (1) 에 있음으로서, 캐패시터 (C1 및 C2) 를 방전시킨다. 샘플링동안에는, 스위치 (S1 및 S2) 가 위치 (2) 에 있음으로써, 캐패시터 (C1) 양단의 분할된 셀 전압 (VS) 이 기준 전압 발생기에 의해 발생된 기준 전압 (VREF) 과 전압 비교기 (A1) 에서 비교된다. 전압 비교기 (A1) 및 기준 전압 발생기는 저항 (R1) 을 통하여 전지 셀에 의해 전력을 공급받는다.
도 3 을 참조하면, 또다른 종래 기술에서는 기준 전압 발생 기능과 전압 비교 기능을 효과적으로 결합한다. 샘플링된 전압 (VS) 은 버퍼 증폭기 (A2) 에 의해 버퍼링되며, 밴드 갭 전압 발생기 회로를 구동시키는 데 사용된다. 그 결과 전압 (V1, V2) 은 (히스테리시스를 갖는) 전압 비교기 (A3) 에서 비교된다. 그 후, MOSFET 스위치에 대한 충방전 제어 신호 (MC, MD) 를 발생시키는 제어 회로의 나머지부분 (도시되지 않음) 에 의해 최종 전압 비교 신호 (VC) 가 사용된다. (이와 같은 많은 제어 회로가 당해 기술 분야에서 널리 알려져 있으며, 이러한 제어 회로의 예들을, "Method and Apparatus for Protecting Battery Cells from Overcharge" 이란 발명의 명칭으로 1997년 2월 18일자에 출원된 미국특허출원번호 제 08/801,162 호 및 "Bidirectional Current Control Circuit Suitable for Controlling the Charging and Discharging of Rechargeable Battery Cells" 이란 발명의 명칭으로 1997년 7월 31일자에 출원된 미국특허출원번호 제 08/904,138 호에서 찾아볼 수 있으며, 그 내용이 여기에 참조된다)
따라서, 필요한 전지 셀의 접속을 더 적게 하고도 정확한 전압 감시를 수행하면서, 잠재적인 단락 회로 상태에 대해서도 안전을 유지할 수 있는 기술을 갖는 것이 바람직할 것이다.
충전지 셀의 전압을 감시하는 데 사용되는 전압 감시 회로 및 방법은, 셀 전압을 교대로 샘플링하고 전압 감시 회로에 전력을 공급하기 위하여, 전지 셀에의 시간 다중화 (time-multiplexed) 접속을 사용한다. 고전력을 소모하는 전압 감시 회로에 전력 공급이 감소되는 동안, 셀 전압이 샘플링되어 유지된다. 그 후, 샘플링 회로는 그 샘플링된 셀 전압을 유지한 상태로 단로되는 반면, 그 나머지 회로에는 그 샘플 홀드된 셀 전압을 기준 전압과 비교하도록 전력공급이 증가된다. 따라서, 공지의 기준 전압과 비교해서 오차없는 셀 전압을 얻을 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 충전지의 전압을 감시하는 데 사용하기에 적합한 전압 감시 회로는 전지 접속 노드, 저항 회로, 스위칭 회로, 전압 샘플링 회로 및 전압 측정 회로를 포함한다. 상기 전지 접속 노드는 충전지의 단자에 접속되도록 구성된다. 상기 저항 회로는 제 1 및 제 2 단자를 포함하되, 상기 제 1 저항 회로 단자는 제 1 전지 접속 노드에 접속된다. 상기 스위칭 회로는 입력 단자 및 제 1 과 제 2 출력 단자를 포함하되, 상기 스위칭 회로의 입력 단자는 상기 제 2 저항 회로 단자에 접속되며, 상기 스위칭 회로는, 제 1 기간동안에는 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 상기 제 1 스위칭 회로의 출력 단자에 접속하고 상기 제 2 스위칭 회로의 출력 단자로부터 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 단로시키며, 제 2 기간동안에는 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 상기 제 2 스위칭 회로의 출력 단자에 접속하고 상기 제 1 스위칭 회로의 출력 단자로부터 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 단로시키도록 구성된다. 상기 전압 샘플링 회로는 상기 제 1 스위칭 회로의 출력 단자와 상기 제 2 전지 접속 노드사이에 접속되며, 제 1 기간동안 상기 저항 회로 및 상기 스위칭 회로를 통해 제 1 과 제 2 전지의 접속 노드사이의 전압을 샘플링하고, 그에 따라 상기 샘플링된 전압에 대응하는 저장된 전압을 공급하도록 구성된다. 상기 전압 측정 회로는 상기 제 2 스위칭 회로의 출력 단자와 상기 제 2 전지의 접속 노드사이에 접속되며, 상기 제 2 기간 동안에, 그 저장된 전압을 측정하도록 구성된다.
본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 충방전 제어 회로를 포함하는 전지 회로내의 충전지 전압을 감시하고, 그 감시 전압에 따라 충전지의 충방전을 제어하는 집적 회로 (IC) 는 5개의 IC 단자 및 전압 측정 회로를 포함한다. 제 1 IC 단자는, 저항을 통해, 충전지 및 그 충전지의 충방전을 제어하는 충방전 제어 회로를 포함하는 전지 회로내의 충전지의 제 1 단자에 접속되도록 구성되며, 제 1 충전지 단자는 제 1 전압 극성의 충전지의 충방전 전류를 이송하기 위한 제 1 경로를 제공한다. 제 2 IC 단자는 충전지의 제 2 단자에 접속되도록 구성되며, 제 2 충전지 단자는, 상기 제 1 전압 극성과는 반대인 제 2 전압 극성의 충전지의 충방전 전류를 이송하기 위해, 제 1 경로와는 상보적인 제 2 경로를 제공한다. 제 3 IC 단자는, 상기 제 2 경로와 함께, 거의 제 2 전압 극성인 충전지의 충방전 전류를 이송하기 위한 제 3 경로를 제공하는 전지 회로의 감지 단자에 접속되도록 구성된다. 제 4 IC 단자는, 상기 제 2 충전지 단자와 상기 전지 회로의 감지 단자사이에 접속된 충방전 제어 회로의 제 1 부분에 방전 제어 신호를 접속, 제공하도록 구성되며, 충전지의 방전을 제어하도록 구성된다. 제 5 IC 단자는, 상기 제 2 충전지 단자와 상기 전지 회로의 감지 단자사이에 접속된 충방전 제어 회로의 제 2 부분에 충전 제어 신호를 접속, 제공하도록 구성되며, 충전지의 충전을 제어하도록 구성된다. 상기 전압 측정 회로는, 상기 제 1, 제 2, 제 3, 제 4 및 제 5 IC 단자에 접속되되, 제 1 기간동안에 상기 제 1 과 제 2 IC 단자사이의 전압을 샘플링하고, 그 샘플링한 전압을 저장하며, 그 저장된 샘플 전압을 측정하여 그에 따라 충방전 제어 신호를 발생시키도록 구성된다.
또한, 본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 충전지의 전압을 감시하는 데 사용하기에 적합한 전압 감시 회로는 전지 접속 노드, 저항 회로, 제어 회로, 전압 샘플링 회로 및 전압 측정 회로를 포함한다. 상기 전지 접속 노드는 충전지의 단자에 접속되도록 구성된다. 상기 저항 회로는 제 1 및 제 2 단자를 포함하되, 상기 제 1 저항 회로 단자는 제 1 전지의 접속 노드에 접속된다. 상기 제어 회로는 상기 제 2 저항 회로 단자와 제 2 전지의 접속 노드사이에 접속되며, 복수의 제어 신호를 제공하도록 구성된다. 상기 전압 샘플링 회로는 상기 제어 회로 및 상기 제 2 저항 회로 단자와 상기 전지 접속 노드사이에 접속되며, 상기 복수의 제어 신호들 중의 일부를 수신하고 그에 따라 제 1 기간 동안 상기 저항 회로를 통해 상기 제 1 과 제 2 전지 접속 노드사이의 전압을 샘플링하며, 그에 따라 그 샘플 전압에 대응하는 저장된 전압을 공급하도록 구성된다. 상기 전압 측정 회로는 상기 제어 회로 및 상기 제 2 저항 회로 단자와 상기 제 2 전지의 접속 노드사이에 접속되며, 상기 복수의 제어 신호들 중의 또다른 일부를 수신하고, 그에 따라, 상기 제 1 기간동안에는 상기 저항 회로를 통해 상기 충전지로부터 어떠한 공급 전류도 실제적으로 끌어오지 않고, 제 2 기간동안에는 상기 저항 회로를 통해 충전지로부터 공급 전류를 끌어오며 상기 저장된 전압을 측정하도록 구성된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징 및 이점들은 하기 본 발명의 상세한 설명과 첨부 도면의 고찰로 이해할 수 있을 것이다.
도 1 은 충전지 셀의 충방전을 제어하는 종래 회로의 기능 블록 및 개략도.
도 2 는 도 1 의 회로에 사용되는 종래의 전압 감시 회로의 개략도.
도 3 은 도 1 의 회로에 사용되는 또다른 종래의 전압 감시 회로의 개략도.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 충전지 셀의 충방전을 제어하는 회로의 기능 블록 및 개략도.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 감시 회로의 기능 블록 및 개략도.
도 6 은 도 5 회로의 샘플 홀드 및 전압 측정 기능을 수행하는 회로의 일 실시예의 개략도.
도 7 은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 전압 감시 회로의 기능 블록 및 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
A2 : 버퍼 증폭기 A3 : 전압 비교기
VS : 샘플 전압 VC : 최종 전압 비교 신호
VREF : 기준 전압 I12 : 공급 전류
MC, MD : MOSFET 스위치에 대한 충방전 제어 신호
도 4 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 충전지 셀의 전압을 감시하는 데 사용하기에 적합한 전압 감시 회로는, 셀 전압을 감시하고 그러한 셀의 충방전을 제어하기 위해 단지 5개의 접속만을 필요로 하는 집적 회로 (IC) 에서 사용될 수 있다. 이는 단지 하나의 안전 저항 (R12) 만을 필요로 하지만, 셀 전압을 감시하는 동안 여전히 고도의 정확성을 제공한다.
도 5 를 참조하면, 저항 (R12) 을 통해 전지 셀의 양의 단자를 샘플 홀드 회로 (sample and hold circuit) 및 전압 측정 회로에 교대로 접속하는 단극 쌍투 스위치 (single pole, double throw switch; S12)(또는 그 등가물) 에 의해, 시간 다중화 능력이 제공된다. 스위치 (S12) 는, 위치 A 에 있을 경우, 샘플 홀드 회로가 전지 셀의 전압을 샘플링하도록 한다. 이와 같이 샘플링된 전압 (VS) 은, 스위치 (S12) 가 위치 B 에 있는 시간동안, 전압 측정 회로의 다음 사용을 위하여 유지된다. 따라서, 전압 측정 회로가 동작하는 시간동안에는, 전압 측정 회로용의 공급 전류 (I12) 로 인해 저항 (R12) 의 양단에 생성된 어떠한 전압 오프셋도 샘플링된 셀 전압 (VS) 에 오차를 발생시키지 않게 된다.
도 6 을 참조하면, 도 5 에 표시된 샘플 홀드 및 전압 측정 기능을 수행하는 회로의 일 예를 도시된 바와 같이 구현할 수 있다. 스위치 (S12) 가 위치 A 에 있는 시간동안에는, 캐패시터 (C1 및 C2) 가 스위치 (S21, S22 및 S23) 와 협응하여 전지 셀 전압을 샘플 홀드한다. 첫번째 부분의 샘플 기간동안에는, 스위치 (S21, S22 및 S23) 가 위치 (1) 에 있음으로써, 캐패시터 (C1 및 C2) 를 방전시킨다. 그 후, 스위치 (S21) 가 개방, 즉, 위치 (2) 로 스위칭된다. 그 후, 스위치 (S22) 가 위치 (3) 로 스위칭된다. 이 시점에서, 전지 셀 전압이 캐패시터 (C1 및 C2) 를 충전시킴으로써, C1 양단의 분리 전압이 실제 샘플 전압 (VS) 을 공급하게 된다. 그 후, 스위치 (S23) 가 개방, 즉, 위치 (4) 로 스위칭된다. 이렇게 해서 캐패시터 (C1) 의 양단에서 이 샘플 전압 (VS) 이 유지되게 된다.
그 후, 전압 측정 동작 모드를 위해 스위치 (S12) 가 위치 (B) 로 스위칭된다. 버퍼 증폭기 (A2) 에 의해 샘플 전압 (VS) 이 버퍼링되며, 스위치 (S14) 가 폐쇄, 즉, 위치 (1) 에서 위치 (5) 로 스위칭된다. 이렇게 해서, 버퍼링된 샘플 전압에 의해 전압 (V1 및 V2) 이 발생되며 (널리 알려진 원리에 따름), 그 후, (히스테리시스를 갖는) 전압 비교기 (A3) 에 의해 이 전압들이 비교된다.
널리 알려진 기술에 따르면, 개별로 또는 함께 상호 접속된 패스 트랜지스터들의 전송 게이트로서의 다양한 결합에 의해 상술한 스위칭를 구현할 수 있다. 또한, 특히, 집적 회로의 구현에서는, 적절하게 바이어스된 MOSFET 을 사용하여 캐패시터를 구현할 수 있다. 또한, 정지 전류 드레인이 어떠한 출력 전류 드레인에서도 실제로 존재하지 않도록 버퍼 증폭기 (A2) 가 구현된다면, 캐패시터 (C1, C2) 에 의해 샘플링되는 셀 전압의 정확성에 영향을 미치는 저항 (R12) 의 양단에 오프셋 전압이 발생되지 않으므로, 저항 (R12) 의 저면 (low side), 즉, "극 (pole)" 위치에 직접 전원 접속을 할 수 있게 된다.
도 7 을 참조하면, 그와 같은 구현은 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 샘플 홀드 회로 및 전압 측정 회로는, 샘플 홀드 및 전압 측정 회로의 동작을 제어하는 역할을 하는 제어 회로와 마찬가지로, 둘다 안전 저항 (R12) 에 직접 접속된다. 샘플 홀드 회로가 전지 전압을 샘플링하고 있는 샘플링 기간동안, 전압 측정 회로는 전력 공급이 감소되는 동작 상태에 있다. 그 후, (예를 들면, 상기 설명에서와 같이) 샘플 전압 (VS) 이 저장되고 분리된 후에는, 전압 측정 회로에 전력 공급이 증가되며, 이 전압 측정 회로는 전압 측정 기능을 수행하는 동안에 안전 저항 (R12) 을 통하여 공급 전류 (I12) 를 끌어온다. 제어 회로는, 한 서브세트 (CS1) 가 샘플 홀드 회로의 동작을 제어하고 또다른 서브세트 (CS2) 가 전압 측정 회로의 동작을 제어하는 한 세트의 제어 신호를 제공한다.
본 발명의 범주와 사상을 일탈함이 없이, 본 발명의 동작 방법과 구조에 있어서의 다양한 수정과 변경은 당업자들에게는 명백할 것이다. 비록 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 따라 설명하였지만, 청구된 본 발명이 그와 같은 특정 실시예에 부당하게 한정되지 않는 것으로 이해하여야 한다. 다음의 청구 범위는 본 발명의 범주를 정의하며, 이에 의해 이들 청구 범위와 그 등가물 범주내의 구조와 방법을 포함시키려는 것이다.
본 발명에 의하면, 샘플링된 셀 전압을 유지한 상태로 샘플링 회로를 단로시키는 동시에, 나머지 회로에는 그 샘플 홀드된 셀 전압을 기준 전압과 비교하기 위해 전력의 공급을 증가시킴으로써, 기준 전압에 비해 오차없는 셀 전압을 얻을 수 있다.
Claims (5)
- 충전지의 전압을 감시하는 데 사용하기에 적합한 전압 감시 회로를 포함하는 장치로서,충전지의 제 1 및 제 2 단자에 각각 접속되도록 구성된 제 1 및 제 2 전지 접속 노드;제 1 저항 회로 단자가 상기 제 1 전지 접속 노드에 접속되는, 제 1 및 제 2 단자를 갖는 저항 회로;스위칭 회로의 입력 단자는 상기 제 2 저항 회로 단자에 접속되며, 상기 스위칭 회로는 제 1 기간동안에는 스위칭 회로의 입력 단자를 제 1 스위칭 회로의 출력 단자에 접속하고 제 2 스위칭 회로의 출력 단자로부터 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 단로시키며, 제 2 기간동안에는 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 상기 제 2 스위칭 회로의 출력 단자에 접속하고 상기 제 1 스위칭 회로의 출력 단자로부터 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 단로시키는, 입력 단자 및 제 1 과 제 2 출력 단자를 갖는 스위칭 회로;상기 제 1 스위칭 회로의 출력 단자와 상기 제 2 전지 접속 노드사이에 접속되고, 제 1 기간동안 상기 저항 회로 및 상기 스위칭 회로를 통해 상기 제 1 및 제 2 전지의 접속 노드사이의 전압을 샘플링하고, 그에 따라 상기 샘플 전압에 대응하는 저장된 전압을 공급하도록 구성된 전압 샘플링 회로; 및상기 제 2 스위칭 회로의 출력 단자와 상기 제 2 전지의 접속 노드사이에 접속되어, 상기 제 2 기간 동안 상기 저장된 전압을 측정하도록 구성된 전압 측정 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 저항 회로는 고정 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 스위칭 회로는 복수의 패스 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 3 항에 있어서,상기 복수의 패스 트랜지스터들 중의 제 1 부분은, 상기 제 1 기간동안에는 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 상기 제 1 스위칭 회로의 출력 단자에 접속하고, 상기 제 2 기간동안에는 상기 제 1 스위칭 회로의 출력 단자로부터 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 단로시키도록 구성되며,상기 복수의 패스 트랜지스터들 중의 제 2 부분은, 상기 제 1 기간동안에는 상기 제 2 스위칭 회로의 출력 단자로부터 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 단로시키고, 상기 스위칭 회로의 입력 단자를 상기 제 2 스위칭 회로의 출력 단자에 접속하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 전압 샘플링 회로는 상기 샘플 전압을 수신하고 그에 따라 상기 저장된 전압을 공급하도록 구성된 용량성 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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