KR20000075969A - 다중 배터리 전환 회로 - Google Patents

Abstract

시스템의 다른 배터리와 분리를 유지하는 동안 다중 배터리중의 어느 하나를 부하 또는 충전기에 선택 상호접속하는 다중 배터리 전환 회로. 본 발명은 종래 기술에서 배터리당 4개의 MOSFET이 요구되는 것 대신에 단지 3개를 사용하여 요구되는 분리와 상호접속 능력을 유지한다. 전환 회로에 있는 어떤 하나의 배터리에 대한 3개의 MOSFET은 공통의 전류 흐름 접속에 접속되고, MOSFET의 나머지 전류 흐름 접속은 충전기, 부하, 및 각각의 배터리에 각각 접속되어 있다. MOSFET의 적당한 접속은 3개의 MOSFET중의 2개를 통하여 어떤 가능한 전도 통로를 확실하게 하고, MOSFET중의 1개는 역 바이어스된 기생 다이오드를 갖는다. n-채널 MOSFET과 p-채널 MOSFET을 사용하는 실시예를 포함하는 대체 실시예가 개시된다.

Description

다중 배터리 전환 회로{MULTIPLE BATTERY SWITCHOVER CIRCUITS}

다중 배터리 팩간의 전류를 충전하고 어떤 배터리 팩이 로드에 전원을 공급하는 지를 선택하는 것을 조정하는 것은 노트북 컴퓨터와 같은 포터블 장치에 공통적으로 응용된다. 배터리 팩은 화학적 성질, 셀의 수, 및 충전 상태에 따라 다양한 출력 전압을 갖기 때문에, 현대의 개별 전력 MOSFET에서 발견되는 기생 보디 다이오드에 기인하여 충전 또는 방전함에 따라 단일 MOSFET을 사용하는 것은 실용적이지 못하다. 단일 MOSFET이 사용된다면, 대부분의 시스템이 각 배터리가 충전 또는 방전하는 동안 다른것으로부터 분리되도록 요구되는 바와 같이, 배터리는 함께 다이오드-OR이 되고, 이것은 일반적으로 수용할 수 없다. 단일 MOSFET을 구비한 직렬의 임시의 역방향 바이어스된 개별 다이오드는 작은 포터블 시스템에 바람직하지 않은 초과 열을 발생시킨다.

정상적으로, 분리는 보디 다이오드중의 하나가 항상 역방향 바이어스 되도록 하기 위하여 역병렬인 두개의 MOSFET을 위치시킴으로써 제공된다. 도 1에 도시된 이러한 체계는 보통 배터리당 4개의 다이오드를 요구하는데, 두개는 충전하고 두개는 방전(부하에 전원 공급)하는데 사용된다. 이러한 방법에서, 어느 한쪽의 배터리 전압은 보디 다이오드를 통한 바람직하지 않은 도전 통로없이 다른쪽보다 높거나 또는 낮을 수 있다. MOSFET은 제어 신호(C1, C2, C3, 및 C4)에 의해 제어되며, 하이 신호는 MOSFET(Q1 내지 Q8) 각각의 쌍을 턴오프하고, 로우 신호는 MOSFET(Q1 내지 Q8) 각각의 쌍을 턴온한다. 이 도면에서, 충전기가 턴오프되거나 또는 언플러그되고 모든 (p-채널)MOSFET이 오프되면, 부하는 배터리의 충전 상태에 관계없이 전원이 공급되지 않을 것이다. 충전기가 턴오프 되면, 부하는 MOSFET(Q5,Q6)가 턴온(C3가 로우)함으로써 배터리(A)에서 전원이 공급되고 또는 MOSFET(Q7,Q8)가 턴온(C4가 로우)함으로써 배터리(B)에서 전원이 공급되며, 다이오드(D1)는 충전기를 통하여 부하에 어느 한쪽의 배터리를 제공하지 않도록 하기 위하여 역 바이어스된다. 적용가능한 진리표의 일부분을 다음의 표로 나타낸다.

C1	C2	C3	C4	배터리 A	배터리 B
하이	로우	하이	하이	충전기에 접속	미접속
하이	하이	로우	하이	부하에 접속	미접속
로우	하이	하이	하이	미접속	충전기에 접속
하이	하이	하이	로우	미접속	부하에 접속

부분 진리표

논리는 p-채널 MOSFET에 대한 것이다. 로우 = 온

상기 테이블은 두개 이상의 배터리에 확장될 수 있지만, 모든 상황하에서 바람직한 배터리 분리를 하기 위해서는 배터리마다 4개의 전력 MOSFET가 요구된다.

발명의 개요

시스템의 다른 배터리와 분리를 유지하는 동안 다중 배터리중의 어느 하나를 부하 또는 충전기에 선택 상호접속하는 다중 배터리 전환 회로. 본 발명은 종래 기술에서 배터리당 4개의 MOSFET이 요구되는 것 대신에 단지 3개를 사용하여 요구되는 분리와 상호접속 능력을 유지한다. 전환 회로에 있는 어떤 하나의 배터리에 대한 3개의 MOSFET은 공통의 전류 흐름 접속에 접속되고, MOSFET의 나머지 전류 흐름 접속은 충전기, 부하, 및 각각의 배터리에 각각 접속되어 있다. MOSFET의 적당한 접속은 3개의 MOSFET중의 2개를 통하여 어떤 가능한 전도 통로를 확실하게 하고, MOSFET중의 1개는 역 바이어스된 기생 다이오드를 갖는다. n-채널 MOSFET과 p-채널 MOSFET을 사용하는 실시예를 포함하는 대체 실시예가 개시된다.

본 발명은 재충전 가능한 배터리 전원 공급 장치에 관한 것이고, 더 상세하게는 다중의 재충전 가능한 배터리중의 하나로부터 동작할 수 있는 재충전 가능한 배터리 전원 공급장치에 관한 것이다.

도 1은 보디 다이오드중의 하나가 역 바이어스되게 하기 위하여 두개의 MOSFET을 역병렬로 위치시킴으로써 분리가 제공되는 종래 기술의 다중 배터리 전환 회로에 대한 회로도이다.

도 2a는 도 1과 도 4의 회로에서 사용되는 p-채널 MOSFET에 대한 심볼도이다.

도 2b는 p-채널 MOSFET의 구조를 도시하는 개략도이다.

도 3a는 도 5의 회로에서 사용되는 n-채널 MOSFET에 대한 심볼도이다.

도 3b는 n-채널 MOSFET의 구조를 도시하는 개략도이다.

도 4는 요구되는 분리가 유지되면서 종래 기술에서 요구되는 배터리당 4개의 MOSFET 대신에 3개를 사용하면서, p-채널 MOSFET을 사용하는 본 발명의 다중 배터리 전환 회로에 대한 회로도이다.

도 5는 도 4의 다중 배터리 전환 회로와 유사하지만 요구되는 분리를 제공하기 위해 n-채널을 사용하는 회로도이다.

(앞에서 설명한 종래 기술에서 뿐만 아니라) 다음의 설명에서, 도 2a의 p-채널 MOSFET과 도 3a의 n-채널 MOSFET에 대한 심볼이 사용될 것이다. p-채널 MOSFET의 실구조가 도 2b에 도식적으로 도시된다. 디바이스는 소스와 드레인을 형성하는 p형 영역을 갖는 n형 기판을 갖는다. 기판과 드레인사이에 형성된 기생 보디 다이오드는 도 2b에 도시되는 바와 같이 도전 방향을 갖는다. 소스와 기판(도시 생략)사이에 형성된 보디 다이오드는 도시된 기생 보디 다이오드와 직렬이고 도 2b에 도시된 방향과 반대의 도전 방향을 갖는다. 따라서, 기판은 하나의 pn 접합 다이오드 전압 강하내에서, 최상의 전압에서 유지되거나 또는 소스(또는 드레인)가 종속되는 것보다 더 높게 유지되어야 한다. 기판이 4개의 터미널 디바이스를 형성하는 상이한 공급 전압에 접속될 수 있지만, 통상적으로 기판은 3개의 터미널 디바이스를 형성하는 p-채널 디바이스의 소스에 접속된다. 이것은 도 2a와 도 1과 4의 회로에 도식적으로 있을 뿐만 아니라 도 2b에 도시된 접속이다.

도 3b에 도식적으로 도시된 n-채널 MOSFET에 대해서, 디바이스는 소스와 드레인을 형성하는 n형 영역을 갖는 p형 기판을 갖는다. 드레인과 기판사이에 형성된 기생 보디 다이오드는 도 3b에 도시되는 바와 같은 전도 방향을 갖는다. 기판과 소스(도시 생략)사이에 형성된 보디 다이오드는 도시된 기생 보디 다이오드와 직렬이고, 도 2b에 도시된 도전 방향과 반대이다. 따라서, 기판은 하나의 pn 접합 다이오드 전압 강하내에서 최저 전압에서 유지되거나 또는 소스(또는 드레인)가 종속되는 것보다 더 낮아야 한다. 다시 기판은 4개의 터미널 디바이스를 형성하는 상이한 공급 전압에 접속될 수 있지만, 일반적으로 기판은 3개의 채널 디바이스를 형성하는 n-채널 디바이스의 소스에 접속된다. 이것은 도식적으로 도 3a와 도 5의 회로에 뿐만 아니라 도 3b에 도시된 접속이다.

여기에 설명된 다중 배터리 전환 회로는 종래기술에서 요구되는 배터리당 4개(도 1)의 MOSFET 대신에 배터리당 단지 3개(도 4)의 MOSFET을 사용하여 요구되는 분리가 유지되도록 하는 전력 MOSFET을 접속하는 방법이다. 부가적인 복잡성이 제어논리에 필요로 하지만, 이 복잡성은 배터리당 하나의 MOSFET을 제거하는데 기인한 비용 절감을 보충하는 것 이상이다. 이 부가적인 논리는 이미 다중 배터리 스위치 컨트롤러 IC에 사용될 수 있고, 다중 3-MOSFET 셀에 외부의 개별 전력 MOSFET을 구동하기 위해 필요한 논리를 제공할 것이다. 2-배터리 시스템은 도 4에 도시되지만, 본 발명은 기본 3-MOSFET을 복사함으로써 단순히 어떤 수의 배터리라도 포함할 수 있도록 쉽게 확장될 수 있다. 정상적으로 부하는 충전기가 제 2 소스에 전원을 공급하면서, 전원이 온할 때마다 다이오드(D1)를 통하여 전원이 공급될 것이다. 다이오드(D1)에 공급된 전원은 일반적으로 입력으로부터 충전기로 취하게 되지만, 전체적으로 독립 전원으로부터는 아마도 동일할 것이다.

도 4에서, 각각의 세개의 MOSFET중의 2개는 각각의 배터리를 충전기 또는 부하에 접속하기 위해 턴온된다. 예를 들면, MOSFET(Q12,Q13)를 턴온하면 충전기가 배터리(A)를 충전하게 되고, MOSFET(Q15,Q16)을 턴온하면 충전기가 배터리(B)를 충전하게 된다. MOSFET(Q11,Q13)을 턴온하면 배터리(A)가 부하에 전원을 공급하게 되고, MOSFET(Q14,Q16)을 턴온하면 배터리(B)가 부하에 전원을 공급하게 될 것이다. 도 1의 다이오드(D1)와 같이, 도 4의 다이오드(D11)는 온일때 충전기가 부하에 전원을 공급하게 하지만 충전기가 오프일때 부하에 동작하는 배터리에 어떤 부하를 공급하지는 않는다. 여섯개의 제어 신호와 배터리 접속에 대한 부분 진리표가 아래에 표로 주어진다.

C11	C12	C13	C14	C15	C16	배터리 A	배터리 B
로우	로우	하이	하이	하이	하이	충전기에 접속	미접속
로우	하이	로우	하이	하이	하이	부하에 접속	미접속
하이	하이	하이	하이	로우	로우	미접속	충전기에 접속
하이	하이	하이	로우	하이	로우	미접속	부하에 접속

부분 진리표

논리는 p-채널 MOSFET에 대한 것이다. 로우 = 온

각각의 배터리에 대하여 4개의 MOSFET 보다는 오히려 3개의 MOSFET이 사용되는 것을 도 4로부터 알 수 있다. 3개의 MOSFET는 스위치로써 사용되고, 3개의 MOSFET을 결합하는 노드에 대하여 동일한 방향을 가리키는 기생 보디 다이오드와 함께 정렬된다. 이것은 3개의 MOSFET중의 어느 두개의 기생 보디 다이오드가 세개의 스위치 모두 오프일때 전류가 흐르지 않도록 반대방향으로 도전하는 것을 확실하게 한다. 더우기, 충전을 시작할때 어느 한 배터리가 일시적으로 특별히 낮은 터미널 전압을 가질수 있기 때문에, 부하에 각 배터리를 연결하는 도 4의 상부 MOSFET(Q11,Q14)는 충전기가 D11을 통하여 부하를 구동할때(충전기가 온일때는 언제나)와 특별히 낮은 배터리가 충전될때 기생 보디 다이오드를 역 바이어스 시켜야 한다. 이것은 각각의 배터리가 특별히 낮은 터미널 전압으로부터 충전된다면 각각의 보디 다이오드를 순방향 바이어싱하지 않고 요구되는 전압으로 충전기가 부하를 구동하게 하는 것이다.

p-채널 MOSFET이 도시되었지만, 본 발명의 배터리 전환 회로는 또한 n-채널 MOSFET으로도 동작한다. 그러한 회로는 도 5에 도시된다. n-채널 MOSFET을 사용하는 실시예의 경우에, 제어 신호(C11 내지 C16)는 도 4에 적용할 수 있는 전술한 테이불에 주어진 논리의 역이다. 더우기, n-채널과 p-채널 디바이스의 어떤 혼합을 사용하는 실시예는, 바람직하지는 않지만, MOSFET의 기생 보디 다이오드가 도 4와 도 5에 도시되는 바와 같이 지향된다면, 즉 세개의 MOSFET의 공통 노드로 향하는 방향으로 도전하지 않고 공통 노드로부터 멀어지는 방향으로 도전한다면 사용될 수 있다.

개시된 실시예에서, 벅(buck)-토폴로지 충전기는 전형적인 충전기로 도시되었다. 그러나, 본 발명은 다른 타입의 충전기에 대해서도 적당하며, 예를 들면, 배터리와 부하간에 출력 전류를 분배하는 전류-소스 타입 어댑터, 또는 어떤 전류 소스 타입, 전압 제한 충전기와 전압 소스, 전류 제한 충전기와 같은 것이다. 또한, 도 4와 5의 전환 회로는 두개의 배터리를 위한 것이고 두개의 배터리는 사실상 회로에 연결된 것으로 도시되고, 배터리는 커넥터 CN1과 CN2에 의해 제거되고 대체될 수 있도록 도식적으로 도시되어, 다중 배터리를 도모하기 위한 본 발명의 전환 회로의 능력은 배터리의 수가 항상 회로의 동작에 제공되는 것을 요구하지 않는다. 특정한 예에서, 랩탑 컴퓨터는 다중 배터리를 사용하는 능력을 제공하기 위해 안에 본 발명의 다중 배터리 전환 회로를 가질 수 있지만, 단지 하나의 배터리로 팔 수 있으며, 제 1 배터리는 여분의 옵션 또는 액세서리이기 때문에 컴퓨터는 다중 배터리 능력을 영구적으로 희생하지 않고 가능한한 낮은 광고 가격으로 가질 수 있다.

따라서 본 발명이 바람직한 실시예로 설명되고 개시되었지만, 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명이 변경될 수 있다는 것을 해당 분야에 능숙한 당업자는 이해할 것이다.

Claims (11)

1. 다중 배터리 전환 회로에 있어서,

   전원의 제 1 소스;

   전원의 제 2 소스;

   부하; 및

   복수의 전계 효과 트랜지스터;를 포함하며,

   상기 각각의 전계 효과 트랜지스터가 기판, 제어 게이트, 소스 전극 및 드레인 전극을 가지며, 각각의 전계 효과 트랜지스터의 기판 이 개개의 전계 효과 트랜지스터의 전극의 하나에 전기적으로 연결되 고, 각각의 전계 효과 트랜지스터의 기판과 다른 전극이 개개의 전계 효과 트랜지스터의 두개의 전극사이에 전기적으로 연결된 기생 보디 다이오드를 형성하며, 상기 기생 보디 다이오드는 두 전극중의 제 1 전극이 두 전극중의 제 2 전극보다 더 높은 전압에 있을때 전기적으로 도전하고 두 전극중의 제 1 전극이 두 전극중의 제 2 전극보다 더 낮 은 전압에 있을때 실질적으로 도전하지 않는 제 1, 제 2 및 제 3 전계 효과 트랜지스터;

   함께 연결된 제 1, 제 2 및 제 3 전계 효과 트랜지스터의 제 1 전극;

   부하와 제 1 전원 소스에 연결된 제 1 전계 효과 트랜지스터의 제 2 전극;

   제 2 전원 소스에 연결된 제 2 전계 효과 트랜지스터의 제 2 전 극;

   개개의 배터리에 연결하기에 적합한 제 3 전계 효과 트랜지스터 의 제 2 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회 로.
2. 제 1 항에 있어서, 전계 효과 트랜지스터는 p-채널 MOSFET인 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회로.
3. 제 1 항에 있어서, 전계 효과 트랜지스터는 n-채널 MOSFET인 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회로.
4. 제 1 항에 있어서, 제 2 전원 소스는 벅-토폴로지 충전기인 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회로.
5. 제 1 항에 있어서, 다중 배터리 전환 회로에 연결될 수 있는 배터리의 수는 두개인 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회로.
6. 다중 배터리 전환 회로에 있어서,

   제 1 전원 소스;

   제 2 전원 소스;

   부하; 및

   복수의 p-채널 MOSFET;을 포함하며,

   상기 각각의 p-채널 MOSFET이 기판, 제어 게이트, 소스 전극 및 드레인 전극을 가지며, 각각의 전계 효과 트랜지스터의 기판은 개개의 전계 효과 트랜지스터의 소스 전극에 전기적으로 연결되고, 각각의 전 계 효과 트랜지스터의 기판과 드레인 전극이 개개의 전계 효과 트랜지 스터의 두 전극사이에 전기적으로 연결된 기생 보디 다이오드를 형성 하며, 상기 기생 보디 다이오드는 드레인 전극이 소스 전극보다 더 높 은 전극에 있을때 전기적으로 도전하고 드레인 전극이 소스 전극보다 더 낮은 전압에 있을때 실질적으로 도전하지 않는 제 1, 제 2 및 제 3 p-채널 MOSFET;

   함께 연결된 제 1, 제 2 및 제 3 전계 효과 트랜지스터의 드레 인 전극;

   부하와 제 1 전원 소스에 연결된 제 1 전계 효과 트랜지스터의 소스 전극;

   제 2 전원 소스에 연결된 제 2 전계 효과 트랜지스터의 소스 전 극;

   하나의 배터리에 연결하기에 적합한 제 3 전계 효과 트랜지스터 의 소스 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회 로.
7. 제 6 항에 있어서, 제 2 전원 소스는 벅-토폴로지 충전기인 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회로.
8. 제 6 항에 있어서, 다중 배터리 전환 회로는 두개의 배터리 전환 회로인 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회로.
9. 다중 배터리 전환 회로에 있어서,

   제 1 전원 소스;

   제 2 전원 소스;

   부하; 및

   복수의 n-채널 MOSFET;을 포함하며,

   상기 각각의 n-채널 MOSFET이 기판, 제어 게이트, 소스 전극 및 드레인 전극을 가지며, 각각의 전계 효과 트랜지스터의 기판은 개개의 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전극에 전기적으로 연결되고, 각각의 전계 효과 트랜지스터의 기판과 소스 전극이 개개의 전계 효과 트랜지 스터의 두 전극사이에 전기적으로 연결된 기생 보디 다이오드를 형성 하며, 상기 기생 보디 다이오드는 소스 전극이 드레인 전극보다 더 높 은 전압에 있을때 전기적으로 도전하고 소스 전극이 드레인 전극보다 더 낮은 전압에 있을때 실질적으로 도전하지 않는 제 1, 제 2 및 제 3 n-채널 MOSFET;

   함께 연결된 제 1, 제 2 및 제 3 전계 효과 트랜지스터의 소스 전극;

   부하와 제 1 전원 소스에 연결된 제 1 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전극;

   제 2 전원 소스에 연결된 제 2 전계 효과 트랜지스터의 드레인 전극;

   하나의 배터리에 연결하기에 적합한 제 3 전계 효과 트랜지스터 의 드레인 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회 로.
10. 제 9 항에 있어서, 제 2 전원 소스는 벅-토폴로지 충전기인 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회로.
11. 제 9 항에 있어서, 다중 배터리 전환 회로는 두개의 배터리 전환 회로인 것을 특징으로 하는 다중 배터리 전환 회로.