KR20000025561A

KR20000025561A - 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로

Info

Publication number: KR20000025561A
Application number: KR1019980042701A
Authority: KR
Inventors: 윤성원
Original assignee: 김덕중; 페어차일드코리아반도체 주식회사
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2000-05-06

Abstract

이 발명은 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로에 관한 것으로, 입력 전력을 전파 정류하여 맥류 전원이 출력되도록 하는 전파 정류부와, 충전부와, 스위칭 동작을 하여 상기 충전부에 충전되는 전류의 양을 조절하는 스위칭부와, 상기 전파 정류부의 출력을 듀티 설정 비교 전압과 비교하고, 상기 배터리의 전압을 배터리 완충 전압과 비교하며, 두 비교값을 논리곱한 신호를 출력하여 상기 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 구동부와, 상기 충전부의 전압을 입력으로 하며, 충전부의 전압이 완충 전압이 될때까지 초기 충전부로 유입되는 전류를 최대치에서 점차 선형적으로 감소되도록 하기 위해 상기 충전부의 전압을 레벨 쉬프트하여 상기 스위칭부의 듀티 설정 비교 전압이 되도록 상기 스위칭 구동부로 출력하는 스위칭 구동 제어부로 이루어져, 배터리 완충 전압까지 배터리의 충전 전류를 최대치에서 점차적으로 줄여감으로써, 배터리의 충전이 빠른 시간내에 이루어지도록 한다.

Description

펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로

본 발명은 배터리 충전에 관한 것으로서, 특히 펄스 충전 방식을 이용한 배터리 충전 회로에 관한 것이다.

일반적으로 내부 저항이 높은 배터리는 펄스 충전 방식으로 충전한다.

펄스 충전 방식은 클럭 펄스에 따라 배터리를 충전시키는 방식으로, 보통 설정 레벨의 맥류 전원이 듀티 설정 전압 전압보다 높고, 배터리의 전압이 배터리 완충 전압보다 낮을 때 배터리를 충전시킨다.

이러한 종래의 펄스 충전 방식에서 보통 듀티 50%로 충전하기 위해서는 맥류 전원이 5V(Voltage) 최고치일 때 듀티 설정 전압을 3.53V 정도로 하며, 상기와 같은 동작에 의해 배터리에 충전되는 전류는 도1과 같다.

도1은 종래의 펄스 충전 방식에 따른 배터리 평균 충전 전류의 파형도이다.

도1에서 보면, 종래에는 일정 전압으로 배터리를 충전하다가 배터리의 완충 전압 부근에서 배터리의 내부 저항 성분을 보상하여 충전하기 위해서 펄스를 빼먹음으로써 배터리에 충전되는 전류를 점차적으로 줄어들도록 한다.

그러나, 이와 같은 종래의 기술은 완충 시점까지의 전류를 듀티 50% 정도로 일정하게 배터리에 충전시킴에 따라 배터리의 충전 전압이 완충 전압까지 도달하는 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

따라서, 이 발명은 배터리 완충 전압까지 도달하기 위해 펄스 충전하는 온 구간의 듀티를 배터리 전압에 따라 변화시켜 배터리 충전 시간을 빠르게 한다.

도2는 이 발명의 실시예에 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로의 회로도이다.

도3은 이 발명의 실시예에 따른 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로의 평균 충전 전류의 파형도이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

충전부, 스위칭부, 전파 정류부와, 스위칭 구동부와, 스위칭 구동 제어부로 이루어진다.

상기 충전부는 입력되는 전류를 충전한다.

상기 스위칭부는 스위칭 동작을 하여 상기 충전부에 충전되는 전류의 양을 조절한다.

상기 전파 정류부는 입력 전력을 전파 정류하여 맥류 전원이 출력되도록 한다.

상기 스위칭 구동부는 상기 전파 정류부의 출력을 비교 전압과 비교하고, 상기 배터리의 전압을 배터리 완충 전압과 비교하여 두 비교값에 따라 출력 신호를 달리한다.

상기 스위칭 구동 제어부는 상기 배터리의 전압을 레벨 쉬프트하여 상기 비교 전압이 되도록 한 후 상기 스위칭 구동부로 출력한다.

상기와 같은 동작을 수행하는 이 발명의 구성은,

이하, 이 발명의 실시예를 첨부한 도2와 도3을 참조로 하여 설명한다.

도2에 도시된 이 발명의 실시예에 따른 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로는,

전파 정류부(100)와, 스위칭 구동부(200)와, 스위칭부(300)와, 배터리(400)와, 배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)로 이루어진다.

전파 정류부(100)는 입력 전력(Vin)에 연결된 1차 코일과 1차 코일에 커플링된 2차 코일로 이루어진 변압기(101)와, 2차 코일의 각 양단에 캐소드가 연결되고 애노드가 서로 연결되 다이오드(D1, D2)와, 2차 코일의 각 양단에 애노드가 연결되고 캐소드가 서로 연결된 다이오드(D3, D4)로 이루어진 정류부(102)로 이루어지며, 다이오드(D1,D2)의 접점이 접지단에 연결되고 다이오드(D3, D4)의 접점과 접지단 사이에 콘덴서(C)가 연결된다.

스위칭 구동부(200)는 2차 코일에 비반전 단자가 연결된 비교기(COM1)와, 비교기(COM1)의 출력과 비교기(COM2)의 출력을 입력으로 하는 논리곱 소자(AND)와, 배터리(400)에 반전 단자가 입력되고 배터리 완충전압을 비반전 입력으로 하는 비교기(COM2)로 이루어진다.

스위칭부(300)는 논리곱 소자(AND)의 출력을 베이스 입력으로 하는 NPN 트랜지스터(Q1)와, 트랜지스터(Q1)의 컬렉터에 베이스가 연결된 NPN 트랜지스터(Q2)와, 트랜지스터(Q1, Q2)에 연결된 저항(R1, R2)과 저항(R1)의 일단과 접지단 사이에 연결된 저항(R3)으로 이루어진다.

배터리(400)는 트랜지스터(Q2)의 컬렉터에 연결된 저항(R2)의 일단과 접지단 사이에 위치한다.

배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)는 배터리(400)에 연결되고, 비교기(COM1)의 반전 단자에 연결된다.

상기와 같은 구성에서, 배터리(400)는 트랜지스터(Q2)가 턴 온될 때만 트랜지스터(Q1)의 컬렉터의 전류가 유입됨에 따라 전류 충전이 이루어진다.

이때, 트랜지스터(Q1)의 동작은 트랜지스터(Q2)에 영향을 받는데, 트랜지스터(Q2)가 턴 온 될 때만 턴 온 동작을 한다. 결국, 배터리(400)는 스위칭부(300)의 동작 여부에 따라 전류 충전 여부가 결정된다.

여기서, 스위칭부(300)는 스위칭 구동부(200)에 의해 그 동작이 결정된다, 구체적으로 스위칭부(300)는 스위칭 구동부(200)의 논리곱 소자(AND)의 출력에 따라 트랜지스터(Q1)의 턴 온 동작 여부가 결정된다.

그러나, 논리곱 소자(AND) 소자 역시 입력되는 두 비교기(COM1, COM2)의 출력 상태에 따라 출력 신호의 상태가 결정된다. 즉, 두 비교기(COM1, COM2)의 출력이 하이 신호일 때만 하이 신호를 출력하여 트랜지스터(Q1)를 턴 온 시킨다.

상기 비교기(COM1, COM2)중 비교기(COM2)는 배터리(400)의 충전 전압 상태를 검출하는 기능을 하고, 비교기(COM1)는 배터리(400)에 충전되는 전류의 량을 조절하는 기능을 한다. 따라서, 비교기(COM2)의 비반전 입력은 배터리의 완충 전압이 설정된다. 여기서, 완충 전압은 1.63V이다.

한편, 비교기(COM1)의 출력은 배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)에 의해 결정되는데, 배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)는 배터리(400)의 전압을 검출하여 비교기(COM1)의 출력을 조절함으로써 배터리(400)에 충전되는 전류의 양을 조절한다.

여기서, 배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)와 비교기(COM1, COM2)의 동작을 구체적으로 설명한다.

변압기(101)의 1차 코일에 인가되는 교류 전력은 110V 또는 220V가 인가되며, 2차측 코일은 1차 코일의 교류 전력에 유기된 전원이 흐르도록 한다. 이때, 2차측은 1차 코일에 유기된 전원이 포지티브일 때 다이오드(D3, D2)를 도통시켜 출력되는 전원과, 네가티브일 때 다이오드(D1, D4)를 도통시켜 출력되는 전원을 출력한다.

결국, 전파 정류부(100)에서 출력하는 전원은 도2에 도시된 바와 같이 전파 정류된 맥류 전원이 출력된다.

이 맥류 전원은 비교기(COM1)의 비반전 단자(+)에 입력되고, 비교기(COM1)는 반전 단자(-)로부터 비반전 단자(+)에 입력되는 맥류 전원과 비교되는 전압을 입력받아 논리곱 소자(AND)로 출력한다.

논리곱 소자(AND)는 비교기(COM1)와 더불어 비교기(COM2)의 출력 신호를 입력받아 두 신호 모두가 하이일 때 하이 신호를 출력하여 트랜지스터(Q1)를 턴 온시키고, 그에 따라 트랜지스터(Q2)를 턴 온시켜 배터리(400)에 전류가 충전되도록 한다.

이때, 배터리(400)에 충전되는 전류는 저항(R3)을 통해 전압으로 배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)로 입력된다.

그러면, 배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)는 배터리(400)의 전압을 입력받아, 배터리(400)의 전압(400)을 레벨 쉬프트시켜 비교기(COM1)의 반전 입력으로 출력한다.

따라서, 비교기(COM1)는 초기 설정된 비반전 전압의 레벨 쉬프트된 전압을 입력받아 듀티비가 가변된 신호를 출력한다.

여기서, 비교기(COM1)는 배터리(400)의 충전 전압에 따라 듀티를 가변시키는데, 배터리(400)의 전압이 0.5V일 때 듀티를 100%로 하고 1.63V일 때 듀티를 50%로 한다.

결국, 배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)는 배터리(400) 충전 상태가 초기 상태이면 같이 비교기(COM1)의 출력 듀티가 100%가 되는 전압으로 입력 전압을 레벨 쉬트프시킨다. 이때 레벨 쉬프트는 입력 전압을 낮추는 방향이다.

따라서, 비교기(COM1)의 출력 듀티가 100%이고, 비교기(COM2)의 비반전 입력 전압이 1.63V이므로 논리곱 소자(AND)의 출력은 오랫동안 하이가 되고, 그에 따라 트랜지스터(Q1, Q2)의 턴 온 시간이 길어져 도3과 같이 초기 시간에 배터리(400)에 충전되는 평균 충전 전류가 크게 된다.

이렇게 높은 전류가 배터리(400)에 입력되면 배터리(400)의 전압은 높아지게 되고, 그에 따라 배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)는 배터리의 전압에 따라 레벨 쉬프트의 정도를 가변시켜 비교기(COM1)의 출력 듀티가 낮아지도록 한다.

이상과 같이 하면, 배터리(400)에 충전되는 전류는 도3에 도시된 바와 같이 평균 충전 전류의 곡선이 선형적으로 떨어진다.

이때, 어느 정도 선형적으로 떨어지는 배터리(400)의 평균 충전 전류는 배터리(400)의 전압이 완충전압에 거의 도달됨에 따라 도3의 A구간과 같이 비선형적으로 떨어진다.

이때, 배터리 전압 레벨 쉬프트부(500)는 비교기(COM1)의 출력이 듀티 50%에서 온 펄스를 하나씩 줄여나감에 따라 비교기(COM2)의 출력과 함께 논리곱 소자(AND)에 의해 논리곱되는 연산치의 로우신호 길이를 점차 길어지게 한다.

이는 트랜지스터(Q1, Q2)의 턴 온 동작 시간을 줄이게 하며, 그에 따라 배터리(400)에 충전되는 전류의 양이 차츰차츰 줄어들도록 한다.

이상과 같은 동작에서 보면, 배터리(400)에 충전되는 전류는 초기에 최대가 되고, 점차적으로 선형적으로 떨어져, 배터리(400)에 전류가 충전되는 시간이 짧아진다.

이 발명은 배터리 완충 전압까지 배터리의 충전 전류를 최대치에서 점차적으로 줄여감으로써, 배터리의 충전이 빠른 시간내에 이루어지도록 하는 효과가 있다.

Claims

입력 전력을 전파 정류하여 맥류 전원이 출력되도록 하는 전파 정류부와,

충전부와,

스위칭 동작을 하여 상기 충전부에 충전되는 전류의 양을 조절하는 스위칭부와,

상기 전파 정류부의 출력을 듀티 설정 비교 전압과 비교하고, 상기 배터리의 전압을 배터리 완충 전압과 비교하며, 두 비교값을 논리곱한 신호를 출력하여 상기 스위칭부의 동작을 제어하는 스위칭 구동부와,

상기 충전부의 전압을 입력으로 하며, 충전부의 전압이 완충 전압이 될때까지 초기 충전부로 유입되는 전류를 최대치에서 점차 선형적으로 감소되도록 하기 위해 상기 충전부의 전압을 레벨 쉬프트하여 상기 스위칭부의 듀티 설정 비교 전압이 되도록 상기 스위칭 구동부로 출력하는 스위칭 구동 제어부로 이루어진 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로.
제1항에서, 상기 전파 정류부는,

입력 전력(Vin)에 연결된 1차 코일과 1차 코일에 커플링된 2차 코일로 이루어진 변압기(101)와, 2차 코일의 각 양단에 캐소드가 연결되고 애노드가 서로 연결되 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)와, 2차 코일의 각 양단에 애노드가 연결되고 캐소드가 서로 연결된 제3 및 제4 다이오드(D3, D4)로 이루어진 정류부(102)로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 다이오드(D1,D2)의 접점은 접지단에 연결되고 상기 제3 및 제4 다이오드(D3, D4)의 접점과 접지단 사이에 콘덴서(C)가 연결된 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로.
제1항에서, 상기 스위칭 구동부는,

상기 2차 코일에 비반전 단자가 연결되고 상기 스위칭 구동 제어부의 출력을 반전 입력으로 하는 제1 비교기(COM1)와, 상기 충전부의 전압을 반전 입력으로 하고 상기 충전부의 완충 전압을 비반전 입력으로 하는 제2 비교기(COM2)와, 상기 비교기(COM1)의 출력과 비교기(COM2)의 출력을 입력으로 하는 논리곱 소자(AND)로 이루어진 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로.
제1항에서, 상기 스위칭부는,

상기 논리곱 소자(AND)의 출력을 베이스 입력으로 하는 제1 NPN 트랜지스터(Q1)와, 상기 제1 NPN 트랜지스터(Q1)의 컬렉터에 베이스가 연결된 제2 NPN 트랜지스터(Q2)와, 상기 제1 및 제2 NPN 트랜지스터(Q1, Q2)에 연결된 제1 및 제2 저항(R1, R2)과 상기 제1 저항(R1)의 일단과 접지단 사이에 연결된 제3 저항(R3)으로 이루어진 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로.
제1항에서, 상기 스위칭 구동 제어부는,

상기 충전부의 전압이 0.5V이면 상기 충전부로부터 입력되는 전압을 낮추어 상기 스위칭 구동부의 출력 듀티를 100%가 되도록 하고, 충전부의 전압이 완충 전압이 되기까지 상기 스위칭 구동부의 출력 듀티를 50%가 되도록 점차적으로 상기 충전부로부터 입력되는 전압의 레벨 쉬프트를 조절하는 펄스 충전 방식의 배터리 충전 회로.