KR20050094157A - 배터리 전력 응용을 위한 전력 관리 - Google Patents

Abstract

휴대용 기기와 연관되어 있는 충전 제어기로부터의 피드백 데이터를 수신하는 급전 가능한 AC/DC 어댑터를 포함하는 휴대용 전자 기기용 전력 관리 토폴로지에 관한 것이다. 피드백 데이터는 휴대용 기기의 배터리 충전 전류, 배터리 전압 또는 전력 요건을 포함할 수 있다. 피드백 데이터를 사용하여 외부 AC/DC 어댑터는 배터리의 충전 요건 및/또는 휴대용 기기의 전력 요건을 충족하도록 DC 출력을 조정할 수 있다.

Description

배터리 전력 응용을 위한 전력 관리{POWER MANAGEMENT FOR BATTERY POWERED APPLIANCES}

본 발명은 배터리 전력 기기용 전력 관리에 관한 것으며, 특히 휴대용 기기와 연관된 배터리 충전 제어기에 의해 제어되는 외부 AC/DC 어댑터를 포함하는 전력 관리 토폴로지에 관한 것이다.

현재의 배터리 충전 토폴로지는 두 개의 별개의 디자인과 구현으로 나뉘어 진다: AC 어댑터와 배터리 충전 토폴로지.

AC 어댑터는 두 개의 디자인을 가진다:

(1) 60 Hz -- 완전 파동 정류기와 필터 커패시터를 가지는 저 비용 변압기. 변압기 감기(windings)는 대개 유사(quasi) 정전류 소스(constant current source)를 가져오는 고 저항을 가진다.

(2) 고 주파수 -- 대개 100 K Hz를 넘는 고주파를 갖는 AC 어댑터의 여행용으로 홍보됨. 반응 임피던스는 주파수의 직접 작용이므로(X_l = 2 пfL and X_c = 1/2 пfC), 동일한 임피던스에 대해서는 L과 C는 주파수 비에 의해 더 작다. 예를 들어, 600,000 Hz 대 60 Hz 용 인덕터 크기는 60/600,000 또는 1/10,000 = 0.0001의 비이다. 이러한 여행용 AC 어댑터는 고주파 스위치 모드 전력 공급장치(SMPS)로 디자인된다. 따라서, 작은 크기, 가벼운 무게, 여행자들이 부여하는 높은 가치가 장점이나, 다른 형태의 어댑터들 보다 비싸다.

오늘날 사용되는 대부분의 어댑터는 조절된 출력을 발생하기 위하여 벅(Buck), 플라이백(flyback), 부스트(boost), 브리지(bridge) 또는 다른 형태의 컨버터 토폴로지와 같은 DC/DC 컨버터 회로와 전력 스위치를 포함하는 제어기, 및 PWM 회로를 포함한다.

노트북 컴퓨터, 무선 전화기, PDA등과 같은 시스템에서 배터리 충전기는 일반적으로 시스템에 배터리 충전 및/또는 전력 배분을 제어하기 위하여 사용된다. 배터리 충전기는 일반적으로 3가지 대중적인 디자인을 가진다:

(1) 단순 스위치 어댑터 충전기는 어댑터를 배터리에 직접 연결하기 위하여 하나의 전자 스위치를 사용한다. 다음에 최종의 충전 전압에 도달하면 스위치를 오프(off) 상태로 한다. 상대적으로 값이 비싸지는 않지만, 이러한 형태의 충전기 회로는 통상 무거운 60 Hz 타입의 정전류 AC 어댑터를 사용하여여만 한다. 배터리 충전 알로리즘은 고도로 절충되어, 결과적으로 긴 충전 시간이 걸리고, 아마도 완전 충전에는 이르지 못하며, Lilon, NiMH 및 NiCd 같은 다수의 배터리 화학재료에 적응하는데 제한적이게 된다.

(2) 선형 레귤레이터(regulator) -- 고정 출력 전압의 생성은 조절 요소내의 초과 입력 전압을 소실함으로써 완수된다. 이는 통상 50 % 이하의 효율을 낳는다. 버려진 전력은 레귤레이터내에서 소실되어, 작고 단단히 봉해진 제품내의 온도를 상승시키게 된다. 또한, 버려진 전력은 이러한 제품을 가지고 다니는 모든 사람에게 매우 중요한 배터리 수명을 상당히 단축시킨다. 죽은 배터리를 가지는 소비자 제품의 유일한 이득은 운동 장치의 고가의 부품으로서 뿐이다. 선형 레귤레이터의 잇점은 단순함과 저비용이다. 단점은 배터리 수명이 짧고 내부온도가 높다는 점이다.

(3) 스위치모드 레귤레이터 -- 위에서 기술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 입력 전압을 배터리 충전 전압으로 효율적으로(90 에서 95 %) 전환시키는 스위치모드 전력 공급을 사용한다. 정전류 모드를 정전압 모드로 스위칭하는 것과 같이 최적의 충전 알고리즘이 적용될 수 있다. 이러한 디자인의 잇점은 신속한 충전, 고 효율, 다양한 어댑터 및 배터리 화학재료에의 적용성이나, 선형 레귤레이터보다는 비싸다.

도 1은 휴대용 기기에 사용되는 종래의 전력 관리 토폴로지를 나타낸다. 시스템은 하나 또는 그 이상의 배터리(30)와 AC/DC 어댑터(12)에 연결되는 하나 또는 그 이상의 능동 시스템(18, 20 및/또는 22)를 포함하는 휴대용 기기(10)를 포함한다. 어댑터(12)는 배터리를 충전하고 이에 연결된 시스템에 전력을 공급하기 위하여 제어된 전력을 운반하는 작용을 한다. 배터리 충전기 회로(14)는, 예를 들어 어댑터(12)로부터의 배터리 충전 전류, 배터리 전압, 및/또는 이용가능한 전력에 기반하여 배터리(30)에 조절된 전력(전압 및/또는 전류)을 공급하기 위해 제공된다. 도 1A를 보면, 종래의 배터리 충전기 회로(14)의 블록도가 나타나 있다. 관련 기술분야에서 잘 이해되듯이, 충전기는 배터리 전압 및/또는 전류를 모니터링하고, 만약 배터리 전압 및/또는 전류가 미리 정해진 문턱값을 초과하면 에러 신호를 발생하는 다수의 에러 증폭기(34)를 포함한다. 이외에도, 입력 전력의 이용가능성을 모니터링하고 어댑터(12)로부터의 이용가능한 전력이 초과되면 에러 신호를 발생하기 위하여, 에러 증폭기가 포함될 수도 있다. 충전기(14)는 또한 PWM 발생기와 제어기(36)를 포함한다. 에러 증폭기에 의해 발생된 에러 신호는 제어기(36)에 의해 수신되며, PWM 발생기의 듀티(duty) 사이클을 조정하도록 작동한다. PWM 신호는 배터리를 충전시키기 위한 조절된 DC 소스를 발생하기 위하여 전력 스위치 및 DC/DC 컨버터(38)에 공급된다.

유사하게, AC/DC 어댑터(12)는 PWM 발생기와 제어기를 포함하며, 추가로 조절된 출력 전력 소스를 제공하기 위하여 전력 스위치와 DC/DC 컨버터를 포함한다. 따라서, 어댑터(12)와 충전기(14)는 모두 PWM 발생기와 제어기, 전력 스위치와 DC/DC 컨버터를 포함하므로, 여분이 존재한다.

따라서, 본 발명은 배터리 충전 제어기에 의해 제어되는 외부 AC/DC 어댑터를 포함하는 전력 관리 토폴로지를 제공한다. 실시예에서, 충전 제어기는 피드백 제어 신호를 발생하는 에러 증폭기를 포함하는 반면, AC/DC 어댑터는 어댑터와 연관되는 PWM 발생기의 듀티(duty) 사이클을 조절하기 위한 제어 피드백 신호를 수신하도록 변경된다. 따라서, 실시예에서는, 전력 스위치와 DC/DC 컨버터 뿐만 아니라 PWM 발생기와 제어기에 대한 필요가 충전기 회로에서 제거됨으로써, 그로 인해 종래의 배터리 충전기 회로중 열-발생 부분을 외부 AC/DC 어댑터로 옮길 뿐만 아니라 전력 토폴로지를 경제화(economize)한다.

시스템의 예시적 실시예는 재충전가능한 배터리 및 배터리 전압 및/또는 배터리 충전 전류를 표시하는 피드백 신호를 발생하는 회로를 포함하는 충전 제어기를 포함하는 휴대용 전자 기기를 포함하는, 휴대용 전자 기기용 전력 관리 토폴로지를 포함한다. 토폴로지는 또한, AC 소스로부터 DC 소스 신호를 발생하는 외부 AC/DC 어댑터를 포함하며, 여기서 상기 어댑터는 PWM 신호를 발생하는 PWM 발생기와 제어기를 포함한다. 제어기는 피드백 신호를 수신하며, PWM 신호의 듀티 사이클을 조정함으로써, DC 소스 신호의 전압 및/또는 전류 값을 조정한다.

다른 실시예에서는, 본 발명은 PWM 신호를 발생하는 PWM 발생기, 외부 휴대용 전자 기기에 의해 발생되는 피드백 신호를 수신하는 제어기, 및 DC 소스 신호를 발생하는 DC/DC 컨버터 회로를 포함하는 AC/DC 어댑터를 제공한다. 제어기는 피드백 신호에 근거하여 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정함으로써, DC 소스 신호의 전압 및/또는 전류 값을 조정한다.

이하의 상세한 설명에서 바람직한 실시예와 그 사용방법에 대해서 설명할 것이나 본 발명은 이러한 바람직한 실시예나 그 사용방법에 한정되지 않음은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. 본 발명은 오히려 넓은 범위를 가지며 후에 기술하는 청구범위에 의해서만 제한될 것이다.

본 발명의 다른 형태나 장점들은 이하의 첨부 도면들을 참조하여 상세한 설명에 따라 확실해 질 것이다. 첨부도면에서 같은 번호는 같은 구성요소를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 예시적인 전력 관리 토폴로지의 블록도를 나타낸다. 도 1의 종래의 전력 관리 토폴로지와 마찬가지로, 도 2의 토폴로지는 AC/DC 어댑터(32)에 의해 전력이 공급되는 시스템(10)을 포함한다. 그러나, 이 실시예에서, 어댑터(32)는 충전기와 연관된 에러 증폭기에 의해 발생되는 하나 또는 그 이상의 피드백 제어 신호를 수신하는 것이 가능해진 피드백이다. 따라서, 이 실시예에서, 충전기가 에러 증폭기를 포함하는 것이 필요할 뿐이며, 따라서 충전 제어기(24)로 일반화된다. 충전 제어기(24)는 배터리 전압 및/또는 전류를 모니터링하고, 만약 배터리 전압 및/또는 전류가 어떤 미리 정한 문턱값을 초과하면 에러 신호를 발생하는 다수의 에러 증폭기를 포함한다. 부가하여, 입력 전력 이용가능성을 모니터링하고, 능동 시스템의 전력 요건과 균형되는 배터리의 충전 요건에 근거하여 에러 신호를 발생하기 위하여, 에러 증폭기를 포함할 수도 있다. 이러한 에러 신호는 여기에서는 일반적으로 피드백 제어 신호(26)로 정의되며, PWM 발생기의 듀티 사이클을 조정하는데 사용된다. 그러한 배터리 충전기 토폴로지중 하나가 미국 특허 출원번호 제09/948,828호로 출원되어 특허된 미국특허 제6,498,461호(발명의 명칭: 전압 모드, 고 정확도 배터리 충전기: Voltage Mode, High Accuracy Battery Charger)에 기재되어 있으며, 그 전체를 여기에서 참고로 한다. '461특허에서, 피드백 제어 신호는 PWM 발생기의 듀티 사이클을 조정하기 위하여 배터리 전압, 배터리 충전 전류, 및/또는 DC 소스로부터의 이용가능한 전력에 대하여 발생되며, 그럼으로써 배터리에 전달되는 전력을 조정한다. 다른 충전 토폴로지가 이 기술분야에서 잘 알려져 있으며, 모든 그러한 배터리 충전 회로는 본 발명의 충전 제어기(24)를 위한 교환가능한 동등한 회로인 것으로 여겨진다.

상기 언급된 바와 같이, 종래의 스위치모드 전력 공급(SWPS) AC/DC 어댑터는 PWM 회로(발생기와 제어기), 전력 스위치 및 정(constant) DC 소스를 발생하는 DC/DC 컨버터 회로를 포함한다. 실시예에서, AC/DC 어댑터의 PWM 제어기는, DC 출력을 조정하기 위해 충전 제어기(24)에 의해 발생되는 피드백 정보를 수신하는데 적합하다.

도 3A, 3B, 3C 는 휴대용 시스템(10)과 연관된 충전 제어기(24)와 본 발명의 어댑터(32)사이의 통신을 촉진하는 예시적인 통신 토폴로지를 나타낸다. 도 3A에서, 어댑터(32')는 충전 제어기에 의해 발생되는 일련의 제어 신호(26')를 수신하기 위한 일련의 통신 인터페이스 38(예를 들어, RS232, RS434, Firewire, USB 등)을 포함하도록 변경된다. 이 실시예에서, 충전 제어에 의해 발생된 피드백 제어 신호는 일련의 통신 데이터로 변환되어 어댑터(32')로 보내어진다. 도 3B에서, 제어 신호(26'')는 에러 증폭기에 의해 발생된 아날로그 신호이며, 따라서 적절한 아날로그 인터페이스(예를 들어, 버퍼)가 어댑터(32'')에 제공되기도 한다. 도 3C는 별개의 제어 신호선을 사용하지 않으며, 그보다는 피드백 신호(26''')를 전력선위로 변조한다. 이 실시예에서, 어댑터(32''')와 시스템(10')은, 전력선상에서 전위되는 피드백 신호(26''')를 발생하기 위하여 변조/복조 회로(각각, 42와 44)로 변경된다(adapted).

따라서, 본 발명은 종래의 배터리 충전기 회로와 연관된 전력 회로에 대한 필요을 없애고, 대신 배터리를 충전하고/하거나 휴대용 기기에 전력을 공급하기 위해 조절된 제어가능한 전력을 발생하는 AC/DC 어댑터에 이미 존재하는 전력 회로를 사용하는 전력 관리 토폴로지를 제공한다. 유리하게도, 적용상태에서 전력 스위치와 전력 소실의 비용이 제거되었다. 추가의 제어기을 위한 비용도 제거되었다. 부피가 큰 전력 스위치가 필요없기 때문에, 적용시 인쇄 회로기판의 공간이 절약되었다. 또한, 최적의 충전 알고리즘이 실현될 수 있으며, 따라서 완전 충전에 필요한 배터리 충전 시간이 줄어든다. 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 여러가지 변형을 이해할 것이다.

본 발명이 기술되고 상세히 개시되었으나, 상기 설명은 단지 예시 및 보기로서 기술된 것으로서, 한정 사항으로 기술된 것이 아니며, 본 발명의 특징 및 범위는 오직 첨부되는 청구범위의 기재에 의해 한정될 것임이 분명하다.

도 1은 종래의 전력 관리 회로의 블록 구성도.

도 1A는 종래의 배터리 충전기 회로의 블록 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 전력 관리 토폴로지의 한 예를 나타내는 블록 구성도.

도 3A, 3B, 3C는 본 발명에 따른 예시적인 AC/DC 어댑터 토폴로지의 블록도.

Claims (29)

1. 재충전가능한 배터리, 및 배터리 충전력을 표시하는 피드백 신호를 발생하는 회로를 포함하는 충전 제어기를 포함하는 휴대용 전자 기기; 및

   AC 소스로부터 DC 소스 신호를 발생하는 외부 AC/DC 어댑터를 포함하여 구성되며, 상기 어댑터는 PWM 신호를 발생하는 PWM 발생기, 및 상기 피드백 신호를 수신하고 상기 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정하여 상기 DC 소스 신호의 전력을 조정하는 제어기를 포함하고, 상기 AC/DC 어댑터와 상기 충전 제어기중에서 상기 외부 AC/DC 어댑터만이 상기 PWM 발생기를 포함함을 특징으로 하는, 휴대용 전자 기기용 전력 관리 토폴로지.
2. 제1항에 있어서, 상기 휴대용 전자 기기는 일련의 데이터 인터페이스를 더 포함하며, 상기 피드백 신호는 일련의 데이터로서 발생되고, 상기 AC/DC 어댑터는 상기 일련의 데이터를 수신하기 위한 일련의 통신 인터페이스를 더 포함하는, 휴대용 전자 기기용 전력 관리 토폴로지.
3. 제1항에 있어서, 상기 피드백 신호는 아날로그 신호를 포함하는 휴대용 전자 기용 전력 관리 토폴로지.
4. 제1항에 있어서, 상기 휴대용 전자 기기는 상기 DC 소스 신호의 위에서 상기 피드백 신호를 변조하는 변조 회로를 더 포함하며, 상기 AC/DC 어댑터는 상기 피드백 신호를 복조하기 위해 상기 DC 소스 신호에 연결되는 복조 회로를 더 포함하는, 휴대용 전자 기기용 전력 관리 토폴로지.
5. 제1항에 있어서, 충전 제어기는, 상기 휴대용 전자 기기와 배터리 충전 전류의 전력 요건을 표시하는 피드백 신호를 발생하는 회로를 더 포함하는, 휴대용 전자기기용 전력 관리 토폴로지.
6. PWM 발생기와 DC 대 DC 커버터를 포함하며, 상기 PWM 발생기는 외부 기기로부터 상기 외부 기기의 전력 상태를 나타내는 피드백 신호에 응답하여 PWM 신호를 발생하고, 상기 DC 대 DC 컨버터는 상기 PWM 신호를 수신하고 상기 PWM 신호에 응답하여 상기 출력 DC 신호를 조정하도록 구성되어 있는, 출력 DC 신호를 제공하기 위한 어댑터.
7. 제6항에 있어서, 상기 PWM 발생기는 상기 피드백 신호에 응답하여 상기 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정하는 어댑터.
8. 제6항에 있어서, 상기 외부 기기의 전력 상태는 상기 외부 기기의 배터리의 전력 상태인 어댑터.
9. 제8항에 있어서, 상기 배터리의 전력 상태는 배터리 전압 레벨인 어댑터.
10. 제8항에 있어서, 상기 배터리의 전력 상태는 배터리 충전 전류 레벨인 어댑터.
11. 제6항에 있어서, 상기 외부 기기의 전력 상태는 상기 외부 기기의 적어도 하나의 능동 시스템의 전력 요건인 어댑터.
12. 전자 기기의 전력 상태를 나타내는 피드백 신호를 발생하도록 구성되어 있는 제어기를 포함하며, 어댑터는 상기 피드백 신호에 응답하여 상기 어댑터로부터의 출력 DC 신호를 조정함을 특징으로 하는 전자 기기.
13. 제12항에 있어서, 재충전가능한 배터리를 더 포함하고, 상기 제어기는 배터리 충전 공급 모드에서 상기 어댑터로부터 상기 재충전가능한 배터리로 상기 출력 DC 신호를 제공하는 전자 기기.
14. 제12항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전자 기기의 상기 전력 상태를 나타내는 신호를 연관된 문턱 레벨과 비교하도록 구성되어 있는 적어도 하나의 에러 증폭기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 전력 상태와 상기 연관된 문턱 레벨 사이의 차이에 응답하여 상기 피드백 신호를 제공하는 전자 기기.
15. 제12항에 있어서, 상기 제어기는 일련의 데이터 인터페이스를 포함하며, 상기 피드백 신호는 일련의 데이터 신호를 포함하는 전자 기기.
16. 제12항에 있어서, 상기 제어기는 아날로그 인터페이스를 포하하며, 상기 피드백 신호는 아날로그 신호를 포함하는 전자 기기.
17. 제12항에 있어서, 상기 제어기는 상기 DC 신호상에 상기 피드백 신호를 변조하는 변조 회로를 포함하는 전자 기기.
18. 제12항에 있어서, 상기 외부 기기의 전력 상태는 상기 외부 기기의 재충전가능한 배터리의 전력 상태인 전자 기기.
19. 제18항에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리의 전력 상태는 배터리 전압 레벨인 전자 기기.
20. 제18항에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리의 전력 상태는 배터리 충전 전류 레벨인 전자 기기.
21. 제12항에 있어서, 상기 외부 기기의 전력 상태는 상기 전자 기기의 적어도 하나의 능동 시스템의 전력 요건인 전자 기기.
22. 어댑터에 연결되는 외부 기기의 전력 상태를 모니터링하는 단계;

    상기 외부 기기의 전력 상태를 나타내는 피드백 신호를 상기 어댑터에 제공하는 단계;

    상기 피드백 신호에 응답하여 상기 어댑터에 의해 발생된 PWM 신호를 조정하는 단계;및

    상기 PWM 신호에 응답하여 상기 어댑터에 의해 제공된 상기 DC 전력 신호를 조정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 어댑터로부터의 DC 전력 신호를 조정하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 외부 기기의 전력 상태는 상기 외부 기기의 재충전가능한 배터리의 전력 상태인, 어댑터로부터의 DC 전력 신호를 조정하는 방법.
24. 제23항에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리의 전력 상태는 배터리 전압 레벨인, 어댑터로부터의 DC 전력 신호를 조정하는 방법.
25. 제23항에 있어서, 상기 재충전가능한 배터리의 상기 전력 상태는 배터리 충전 전류 레벨인, 어댑터로부터의 DC 전력 신호를 조정하는 방법.
26. 제22항에 있어서, 상기 외부 기기의 전력 상태는 상기 외부 기기의 적어도 하나의 능동 시스템의 전력 요건인, 어댑터로부터의 DC 전력 신호를 조정하는 방법.
27. 제22항에 있어서, 상기 피드백 신호는 아날로그 신호를 포함하는, 어댑터로부터의 DC 전력 신호를 조정하는 방법.
28. 제22항에 있어서, 상기 피드백 신호는 일련의 데이터 신호를 포함하는, 어댑터로부터의 DC 전력 신호를 조정하는 방법.
29. PWM 신호를 발생하는 PWM 발생기;

    외부 휴대용 전자 기기에 의해 발생되는 피드백 신호를 수신하는 제어기; 및 DC 소스 신호를 발생하는 DC/DC 컨버터 회로를 포함하여 구성되며,

    상기 제어기는 상기 피드백 신호에 근거하여 상기 PWM 신호의 듀티 사이클을 조정함으로써 상기 DC 소스 신호의 전력 수준을 조정함을 특징으로 하는, AC/DC 어댑터.