KR20030095387A

KR20030095387A - 배터리 충전 아이씨의 정전류/정전압 충전 방법 및 전압강하 보상 방법

Info

Publication number: KR20030095387A
Application number: KR1020030084262A
Authority: KR
Inventors: 민병기; 임신일; 이신우
Original assignee: 크로스반도체기술 주식회사
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2003-12-18

Abstract

본 발명은 배터리(battery)를 충전시키기 위한 충전 아이씨(IC)에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 3가지의 전류 중에 하나를 선택하여 정전류/정전압 방식을 이용하여 리튬-이온 배터리를 회로 자체 내의 연속적인 자동 제어에 의해 전류의 오버슈트(overshoot)의 발생 없이 충전 시키는 정전류/정전압 충전 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 정전류 회로에서 모스(MOS) 스위치(switch)를 이용하여 3가지의 전류를 선택할 수 있도록 하였다. 그리고, 전류 선택 시 모스 스위치에 의해서 발생되는 온(on) 저항에 의해서 발생되는 미스매칭(mismatching)을 완화하기 위한 기능을 추가하였다. 정전류 충전에서 정전압 충전으로 제어가 변환되는 것이 충전 아이씨의 전체 충전 과정을 제어하는 제어 신호에 의해서가 아니라 리튬-이온 배터리의 전압에 따라서 정전압/정전류 제어부의 출력에 의해서 자동적으로 변환되도록 정전류/정전압 자동 변환 방법을 구성하였다. 또한, 정전류/정전압 자동 변환 제어부와 전압 제어 딜레이(delay)부를 이용하여 리튬-이온 배터리가 정전류로 충전되는 초기에 충전 전류의 오버슈트가 발생하지 않도록 하였으며, 고전류가 흐름으로써 충전 아이씨와 리튬-이온 배터리를 연결하는 선에 의해서 발생되는 전압 강하를 충전 아이씨의 외부에 저항을 연결하여 보상할 수 있도록 하였다.

본 발명으로 인하여, 리튬-이온 배터리가 과전류에 의한 손상없이 정전류/정전압 방식으로 안정되게 충전될 수 있다.

Description

배터리 충전 아이씨의 정전류/정전압 충전 방법 및 전압 강하 보상 방법{omitted}

본 발명은 배터리(8)의 전압에 따라서 정전류 제어와 정전압 제어의 두 출력이 자동적으로 선택되어 패스 트랜지스터(5)를 제어함으로써 리튬-이온 배터리가 정전류/정전압 충전이 이루어지도록 하는데 목적이 있으며, 정전류 충전 과정 초기에 발생되는 과전류를 제거하여 패스 트랜지스터(5)와 리튬-이온 배터리(8)의 손상을 방지하며, 전압 강하에 의해 충전 시간이 길어지는 문제를 해결하여 충전 시간을 단축시키고 리튬-이온 배터리를 만충 시킬 수 있도록 하는데 목적이 있다.

본 발명은 배터리(battery)를 충전시키기 위한 충전 아이씨(IC)에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 휴대전화기 배터리 종류에 따른 3가지의 충전 전류 중에 하나를 선택하여 정전류/정전압 방식을 이용하여 리튬-이온 배터리를 회로 자체 내의 연속적인 자동 제어에 의해 전류의 오버슈트(overshoot) 발생 없이 충전 시키는 정전류/정전압 제어의 설계에 관한 것이다.

일반적으로 리튬-이온 배터리(8)를 안정적으로 충전시키기 위해서는 도 1에서와 같이 연속적인 정전류/정전압 방식을 이용하여야 한다. 기존 충전 아이씨중 첫 번째 리튬-이온 배터리(8) 충전 방법은 도 2에서 사용된 패스 트랜지스터(5)를 펄스 파(pulse wave)로 제어하여 리튬-이온 배터리(8)를 충전하는 것이다. 펄스 파를 이용하는 것은 충전되는 전류의 양을 직접 제어하여 리튬-이온 배터리(8)를 충전시키지 않고 패스 트랜지스터(5)의 온(on)/오프(off) 시간을 제어하여 충전되는 전류의 충전시간을 제어하게 된다. 그렇게 되면, 충전되는 전류는 펄스파 형태의 과전류가 발생할 수 있게 된다. 이렇게 펄스 파의 제어에 의한 리튬-이온 배터리(8)를 충전하는 것은 패스 트랜지스터에 과전류가 흐르게 됨으로써 패스 트랜지스터(5)와 리튬-이온 배터리(8)가 손상되며 리튬-이온 배터리(8)의 수명이 단축되는 문제점이 있다.

기존 충전 아이씨중 두 번째 리튬-이온 배터리(8) 충전 방법은 리튬-이온 배터리(8) 전압에 따른 충전 전류의 디지털 신호를 디지털-아날로그 변환기(digital-analog converter)를 이용하여 아날로그 신호로 변환하여 패스 트랜지스터(5)를 제어함으로써 충전되는 전류의 양을 제어하는 것이다. 이러한 방법은 펄스 파를 이용한 방법보다는 더 안정적이기는 하지만 아이씨 내부 회로의 면적이 커지는 문제가있으며, 충전 초기에 충전되는 전류에 오버슈트가 발생되어 패스 트랜지스터(5)와 리튬-이온 배터리(8)에 손상을 주는 문제점이 있다.

앞의 두가지 기존 충전방법에 의한 리튬-이온 배터리(8) 충전 방법을 사용할 경우의 또 다른 문제점은 충전 아이씨와 리튬-이온 배터리를 연결하는 선에 의해서 발생되는 전압 강하이다. 이것은 리튬-이온 배터리가 만충(滿充)이 되지 않은 상태에서 선에 의한 전압 강하 때문에 충전 아이씨는 리튬-이온 배터리(8)가 만충된 상태로 인식하게 된다. 그 순간부터는 도 1에서와 같이 정전압 충전 과정의 감소되는 전류로 충전하여 리튬-이온 배터리(8)를 충전하기 때문에 전체적인 충전 시간이 길어지는 문제점을 발생시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 리튬-이온 배터리의 용량에 따라 정전류를 발생시키는 정전류 제어를 구성하고 정전압을 발생시키는 정전압 제어에서 리튬-이온 배터리의 전압을 센스(sense)하도록 하여 리튬-이온 배터리(8)의 전압에 따라서 정전류 제어와 정전압 제어의 두 출력이 자동적으로 선택되어 아이씨 외부의 패스 트랜지스터(5)를 제어함으로써 리튬-이온 배터리가 도 1에서와 같은 정전류/정전압 충전이 이루어지도록 하는데 발명의 목적이 있다. 부가적으로 정전류 충전 과정 초기에 발생되는 과전류를 제거하여 패스 트랜지스터(5)와 리튬-이온 배터리(8)의 손상을 방지하는데 목적이 있으며, 전압 강하에 의해 충전 시간이 길어지는 문제를 해결하여 충전 시간을 단축시키고 리튬-이온 배터리를 만충 시키는 것에 본 발명의 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 정전류를 선택하기 위해서 디지털-아날로그 변환기를 사용하지 않고 리튬-이온 배터리의 용량을 검출한 후 정전류를 선택하는 전압-전류 변환기를 이용한 정전류 제어부(1), 일반적으로 사용되는 레귤레이터(regulator)를 이용한 정전압 제어부(2), 정전류 제어와 정전압 제어의 두개의 동작중 하나의 동작이 리튬-이온 배터리의 전압 상태에 따라서 자동적으로 선택되어 패스 트랜지스터를 제어하는 정전류/정전압 자동 변환 제어부(3), 정전류/정전압 방식에 의한 연속적인 리튬-이온 배터리의 충전의 이루어지도록 한 설계부, 정전류/정전압 자동 변환부와 전압 제어 딜레이부를 이용한 충전 초기 정전류의 오버슈트에 의한 과전류 방지를 위한 설계부, 정전압 제어에 기준 전압을 제공하는 회로와 충전 아이씨 외부의 보상 저항을 이용한 정전압 제어의 기준 전압 변화에 의한 전압 강하 보상 설계부에 특징이 있다.

도 1은 리튬-이온 배터리의 충전 방법

도 2는 리튬-이온 배터리 충전 아이씨의 정전류/정전압 블록도

도 3은 정전류 발생 원리

도 4는 정전압 발생 원리

도 5는 리튬-이온 배터리 충전 아이씨의 정전류/정전압 제어도

도 6은 전압 제어 딜레이부의 입출력도

도 7은 전압 강하 보상 제어도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 정전류 제어부 2 : 정전압 제어부

3 : 정전류/정전압 자동 변환 제어부 4 : 전압 제어 딜레이부

5 : 패스 트랜지스터(pass transistor) 6 : 전압 강하 보상 저항

7 : 충전 전류 센스(sense) 저항 8 : 리튬-이온 배터리

9 : 배터리 그라운드(battery ground) 10 : 전원부

11 : 그라운드 12 : 증폭기 (amplifier)

13 : 정전류 생성 입력 전압 14 : 정전압 생성 입력 전압

15 : 배터리 전압 센스부 16 : 정전압 생성 전압 발생부

17 : 정전류 선택 스위치 18 : 정전류 생성 저항

19 : 온(on) 저항 보상 스위치 20 : 전압 레벨 업(level up) 저항

21 : 전압 분배 저항1 22 : 전압 분배 저항2

23 : 정전류 제어부 증폭기 24 : 정전압 제어부 증폭기

25 : 정전류/정전압 자동 변환 제어부 증폭기

26 : 모스1 27 : 모스2

28 : 모스3 29 : 모스4

30 : 모스5 31 : 모스6

32 : 모스7

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 도 2의 정전류 제어부(1)에서 어떻게 정전류를 발생시키는가를 나타내고 있는 기본 개념도이다. 도 3의 충전 전류 센스 저항(7)과 리튬-이온 배터리(8)에는 같은 전류가 흐르게 되고, 증폭기(12)의 두 입력단의 전압은 항상 같게 된다. 리튬-이온 배터리(8)에 흐르는 정전류는 증폭기(12)의 비반전 입력의 전압과 충전 전류 센스 저항(7)으로 구할 수가 있다. 그럼으로 증폭기(12)의 두 입력단의 전압은 항상 같기 때문에 정전류 생성 입력 전압(13)과 충전 전류 센스 저항(7)에 의해서 원하는 정전류를 생성할 수가 있다.

도 4는 도 2의 정전압 제어부(2)에서 어떻게 정전압을 발생시키는가를 나타내고 있는지를 알 수 있는 일반적인 레귤레이터의 개념도이다. 도 4에서 정전압 발생 입력전압(14)은 충전 전류 센스 저항(7)에 걸리는 전압과 리튬-이온 배터리(8) 전압의 합과 항상 같게 된다. 정전압 충전을 수행할 때에는 전류의 양이 감소하기 때문에 충전 전류 센스 저항(7)에 걸리는 전압은 점점 감소하게 되어 최종적으로 정전압 발생 입력 전압(14)과 리튬-이온 배터리(8)의 전압은 같게 된다.

도 5는 도 2의 블록도를 회로로 나타낸 것이다. 도 3의 원리를 이용하여 도 5와 같이 정전류 제어부(1)를 구성하였다. 정전류 선택 스위치(17)에 의해서 전압 분배 저항2(22)와 정전류 생성 저항(18)에 의해 분배된 전압을 선택함으로써 3가지 중 하나의 정전류를 선택할 수가 있다. 정전류 선택 시 먼저 리튬-이온 배터리팩에 내장되어 배터리의 용량을 나타내는 저항을 검사한다. 도 5의 정전류 제어부(1)와 도 3을 비교하여 보면 배터리 그라운드(9)가 정전류 제어부 증폭기의 반전 입력으로 되어야 한다. 그러나, 배터리 그라운드(9)의 전압은 낮은 전압이기 때문에 정전류 제어부 증폭기가 받아들이기에 어려움이 있다. 이것을 해결하기 위해서 전압 레벨 업 저항(20)을 이용하여 입력 전압을 높였다. 온 저항 보상 스위치(19)는 정전류 선택 스위치(17)에 의해서 발생되는 온 저항을 보상하기 정전류 선택 스위치(17)와 같은 크기의 모스(MOS)를 사용함으로써 정전류 선택 스위치(17)와 같은 온 저항이 발생되게 하여 온 저항에 의한 에러(error)를 상쇄 시켰으며 온 저항 보상 스위치(19)를 제어함으로써 정전류 제어부(1)를 온/오프(on/off) 할 수가 있다. 또한 온 저항 보상 스위치(19)가 직접 배터리 그라운드(9)와 연결될 수 있으나그렇게 되면 리튬-이온 배터리(8)가 접속될 때와 분리될 때 발생되는 정전기에 의해서 모스가 손상을 입을 수가 있기 때문에 바로 연결 시키지 않고 전압 레벨 업 저항(20)을 통하여 연결시킨다. 정전류/정전압 자동 변환 제어부(3)는 정전류 제어부(1)의 출력과 정전압 제어부(2)의 출력을 받아서 리튬-이온 배터리(8) 전압에 따라서 하나의 출력을 선택하여 패스트랜지스터(5)를 제어함으로써 정전압/정전류 방식으로 충전을 수행하도록 한다. 배터리 전압 센스부(15)에서 센스된 리튬-이온 배터리(8) 전압이 최종 충전 전압이 되는 정전압 생성 전압 발생부(16)의 전압보다 작으면 정전압 제어부 증폭기(24)의 출력이 전원부(10)의 전압과 같은 전압을 갖게 됨으로써 모스4(29)는 오프(off)가 되어 정전압 제어부(2)의 출력은 패스 트랜지스터(5)에 영향을 못 미치게 된다. 정전류 제어부(1)의 출력은 모스1(26), 모스2(27)을 동시에 온 시키는 전압을 출력하게 되고, 정전압 제어부(2)의 출력이 전원부(10)의 전압과 같기 때문에 정전류/정전압 자동 변환 제어부 증폭기(25)의 출력은 그라운드(11)의 전압을 갖게 되어 모스6(31)은 오프됨으로써 정전류 제어부(1)의 출력만이 패스 트랜지스터(5)를 제어하여 선택되어진 정전류로 충전을 수행한다. 정전류로 리튬-이온 배터리(8)가 충전이 되어 배터리 전압 센스부(15)에서 센스한 전압이 정전압 생성 전압 발생부(16)의 전압과 비슷하게 되면 정전압 제어부(2)의 출력은 모스4(29), 모스5(30)을 동시에 온 시키게 된다. 정전압 제어부(2)의 출력은 전원부(10)의 전압에서 정전류 제어부(1)의 출력과 비슷하게 됨으로써 정전압/정전류 자동 변환 제어부 증폭기(25)의 출력은 모스6(31)을 서서히 온 시키게 되기 때문에 정전류 제어부(1)의 출력은 모스6(31)과 정전류/정전압자동 변환 회 증폭기(25)가 이루고 있는 루프(loop)에 의해서 정전압 충전이 될 수 있도록 제어되어서 정전류 제어부(1)의 정전류 충전 기능을 할 수 있는 출력이 패스트랜지스터(5)에 영향을 주지 않아 정전압 충전을 수행하게 된다.

모스3(28)은 정전류 충전에서 정전압 충전으로 넘어가는 경계에서 발생되는 전류의 링잉(ringing) 현상을 제거하기 위한 것이며 모스6(31)과 정전류/정전압 자동 변환제어 증폭기(25)가 이루고 있는 루프(loop)에 의해서 정전류 충전 초기에 발생되는 전류의 오버슈트를 감소 시켰다. 전류의 오버슈트를 완전히 제거 하기 위해서 전압제어 딜레이부(4)를 사용하였다. 도 6에 전압 제어 딜레이부의 입출력을 나타내었다. 입력 디지털 신호가 '0'에서 '1'로 천이가 발생할 때 출력은 도 6과 같이 기울기를 가지고 서서히 천이가 발생하게 된다. 이렇게 되면 온 저항 보상 스위치(19)가 서서히 온이 되기 때문에 정전류 제어부 증폭기(23)의 비반적 입력 전압의 순간적인 변화가 발생되지 않아 충전되는 정전류의 오버슈트가 발생하지 않게 된다.

도 7은 충전 아이씨와 리튬-이온 배터리(8)를 연결하는 선에 고전류가 흐름으로써 발생되는 전압 강하 보상 제어를 나타내었다. 참조 전압은 저항을 이용하여 분배함으로써 정전압 생성 전압을 발생 시켰다. 전압 강하 좌상 저항(6)을 크게 할수록 정전압 생성 전압이 증가하게 되어 정전류 충전에서 정전압 충전으로 넘어가는 경계의 전압이 증가하게 된다. 이렇기 때문에 전압 강하가 발생하더라도 더 높은 전압에서 정전류에서 정전압으로 충전이 넘어가게 되어 정전압 충전 과정에서 도 1에서처럼 감소되는 전류로 충전을 하더라도 남아 있는 충전 전압이 보상을 하지 않았을 때보다도 적게 남아있기 때문에 급속 충전을 할 수가 있다. 전압 강하 보상을 함으로써 정전압 생성 전압이 증가하여 리튬-이온 배터리(8)의 충전 전압이 증가한게 된다. 그러나, 리튬-이온 배터리(8)는 정전압 충전 과정에서 감소하는 전류가 0 A 가 되었을때 충전을 종료하지 않고 사용되는 제품의 규격에 명시된 전류에서 충전을 종료 시키게 되어 있으므로 원래의 충전 전압으로 충전 시킬 수가 있게 된다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 리튬-이온 배터리의 충전을 펄스파와 아날로그-디지털 변환기 및 디지털-아날로그 변환기 등을 사용하지 않고 간단한 회로로써 연속적인 정전류/정전압 방법을 사용하고, 충전 중에 발생되는 전류의 오버슈트로 인한 과전류를 방지하고, 외부에서 전압 강하 보상을 수행함으로써 패스 트랜지스터와 리튬-이온 배터리에 손상을 주지 않고 안정적으로 충전 하고자 하는 전압으로 급속 충전이 가능하게 된 것이다.

Claims

배터리 충전 아이씨 설계 시 디지털-아날로그 변환기를 사용하지 않고 정전류/정전압 제어를 특징으로 하는 배터리 충전 아이씨의 정전류/정전압 충전방법 및 전압강하 보상 방법
청구항 1에서 도 5에서와 같이 전압 분배 저항2(22)와 정전류 생성 저항(18)을 이용하여 여러 가지 종류의 정전류를 생성하여 정전류 선택 스위치(17)에 의해서 정전류를 선택할 수 있게 설계하는 경우
청구항 1에 있어서 도 5에서와 같이 전압 레벨 업 저항(20)을 이용하여 정전류 제어부 증폭기(23)의 입력 전압 레벨을 증가시키는 설계의 경우
청구항 1에 있어서 도 5에서와 같이 온 저항 보상 스위치(19)를 이용하여 정전류 선택 스위치(17)의 온 저항에 의한 에러(error)를 상쇄시키며 정전류 제어부(1)를 온/오프 시키는 제어를 설계하는 경우
청구항 1에 있어서 충전 시 충전 아이씨와 배터리를 연결하는 선에 의한 전압강하를 외부의 저항에 의해서 보상할 수 있는 제어를 설계하는 경우
도 5에서와 같이 정전류 제어부(1)와 정전압 제어부(2)의 두 출력을 입력으로 받아 정전류 충전에서 정전압 충전으로 자동 변환이 이루어지는 정전류/정전압 자동 변환 제어부(3)를 설계하는 경우
청구항 6에서 모스3(28)을 이용하여 정전류 충전에서 정전압 충전으로 넘어가는 경계에서 충전 전류의 링잉 현상을 제거하는 설계의 경우
청구항 1과 청구항 6에서 모스6(31)과 정전류/정전압 자동 변환 제어부 증폭기(25)와 전압 제어 딜레이부(4)를 이용하여 충전 초기에 발생되는 전류의 오버슈트를 제거하는 설계의 경우