KR20080034141A - 충방전 보호 회로, 그 충방전 보호 회로가 내장된 배터리팩 및 그 배터리 팩을 이용한 전자 장치 - Google Patents

충방전 보호 회로, 그 충방전 보호 회로가 내장된 배터리팩 및 그 배터리 팩을 이용한 전자 장치 Download PDF

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가부시키가이샤 리코
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Abstract

과충전, 과방전, 충전 과전류 및 방전 과전류로부터 2 차 전지를 보호하는 충방전 보호 회로를 개시한다. 이 충방전 보호 회로는, 과충전 검출 회로, 과방전 검출 회로, 충전 과전류 검출 회로, 방전 과전류 검출 회로, 과충전이 검출되는 경우 및 충전 과전류가 검출되는 경우에 오프되는 충전 제어용 FET, 과방전이 검출되는 경우 및 방전 과전류가 검출되는 경우에 오프되는 방전 제어용 FET; 및 방전 제어용 FET의 온/오프 동작들을 제어하는 충전기 접속 복귀 회로를 포함한다. 과방전이 검출되는 시점에서 충전기가 접속되고 방전 제어용 FET가 오프되는 경우, 미리 결정된 제 1 시간이 경과한 후, 방전 제어용 FET를 강제적으로 온시킨다.
Figure P1020087002821
충방전 보호 회로

Description

충방전 보호 회로, 그 충방전 보호 회로가 내장된 배터리 팩 및 그 배터리 팩을 이용한 전자 장치{CHARGE/DISCHARGE PROTECTION CIRCUIT, BATTERY PACK EMBEDDING THE CHARGE/DISCHARGE PROTECTION CIRCUIT, ELECTRONIC APPARATUS USING THE BATTERY PACK}
본 발명은 예를 들어 칩 사이즈를 증가시키지 않고 전류 소비를 감소시키고, 방전 제어용 FET의 성능저하를 방지하고, 배터리 충전 시간을 단축시킬 수 있는, 리튬 이온 2차 전지의 충방전 보호 회로에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 충방전 보호 회로를 내장하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 이용하는 여러가지 타입의 전자 장치들에 관한 것이다.
리튬 이온 2 차 전지의 충방전 보호 회로에 관한 여러가지 기술이 제안되어 있다. 예를 들어, 일본 특개평 제2002-176730호는 도 5 에 도시된 바와 같이 배터리 팩의 보호 회로로서 사용되는 반도체 디바이스를 개시하고 있다.
배터리 팩 A 의 주요 구성요소로서 예시된 반도체 디바이스(충/방전 보호 회로; 1)는, 과충전 검출 회로(11), 과방전 검출 회로(12), 방전 과전류 검출 회로(13), 단락 검출 회로(14), 발진 회로(16), 카운터 회로(17), 로직 회로(18, 20), 레벨 시프트 회로(19), 충전 과전류 검출 회로(21), 지연 회로(24, 25) 및 지 연 시간 단축 회로(23)를 포함한다.
다음으로, 반도체 디바이스(충방전 보호 회로; 1)에 의해 수행되는 기본적인 동작들을 기술한다.
과충전, 과방전, 방전 과전류, 충전 과전류 또는 단락이, 과충전 검출 회로(11), 과방전 검출 회로(12), 방전 과전류 검출 회로(13), 충전 과전류 검출 회로(21) 또는 단락 검출 회로(14)에 의해 검출되면, 발진 회로(16)가 활성화되고, 카운터 회로(17)는 카운팅 동작들을 개시한다.
과충전 또는 충전 과전류 검출의 경우에, 카운터 회로(17)가 대응하는 검출에 대하여 설정되는 미리 결정된 검출 지연 시간을 계측한 이후, Cout 출력은 로직 회로(예를 들어, 래치 회로)(18) 및 레벨 시프트 회로(19)를 통하여 로우 레벨 "L"로 스위칭되므로, 충전 제어용 FET Q1은 오프되고, 과방전, 방전 과전류 또는 단락 검출의 경우에, Dout 출력은 로직 회로(20)를 통하여 로우 레벨 "L"로 스위칭되므로 방전 제어 FET Q2는 오프된다.
충전기가 배터리 팩 A 에 접속되어 충전 전류가 배터리 팩 A로 흐르는 경우, 충전 제어용 FET Q1의 소스 전압은, 방전 제어용 FET Q2의 소스 전압보다 낮게 된다. 방전 제어용 FET Q2의 소스 전압이 반도체 디바이스(1)의 Vss 단자 전압에 대응하고, 저항이 반도체 디바이스의 V 단자에 접속되어 있지만, V 단자가 높은 임피던스를 가지기 때문에, 충전 제어용 FET Q1 의 소스 전압은 반도체 디바이스(1)의 V 단자 전압에 실질적으로 동일하게 될 수 있음을 주목해야 한다.
따라서, 충전 전류가 공급되는 경우, V 단자 전압은 Vss 단자 전압보다 낮게 된다. V 단자 전압과 Vss 단자 전압 사이의 차이가, 미리 결정된 전압(충전 과전류 검출 전압)에 도달하는 경우, 충전 과전류가 검출되어, 단자 Cout의 출력은 로우 레벨 "L" 로 스위칭되고 충전 제어용 FET Q1은 오프된다. 충전 과전류 값 Ⅰ, 충전 과전류 검출 전압(Vchgdet), 충전 제어용 FET Q1의 ON(온) 저항(Ron1) 및 방전 제어용 FET Q2 의 ON 저항(Ron2)는, 이하의 식으로 표현된다.
I = Vchgdet / (Ron1 + Ron2)
상술된 동작들은, 과충전, 과방전, 충전 과전류, 방전 과전류 또는 단락의 검출시에, 도 5 의 충방전 검출 회로(반도체 디바이스)에 의해 수행되는 기본적인 동작들이다.
다음으로, 지연 시간 단축 회로(23)의 기능 및 회로 구성을 간략히 설명한다.
통상적으로, 과충전 검출 회로(11)에 의한 과충전 검출에 대하여 설정되는 지연 시간은, 1 초 이상이므로 반도체 디바이스(1)를 테스트하는 테스트 시간은 비교적 길어질 수 있다.
차례로, 반도체 디바이스(1) 또는 보호 회로 기판을 테스트하는 경우, TEST 단자가 로우 레벨 "L" 로 설정되므로 발진 회로(16)의 출력 주파수가 증가될 수 있고, 검출 지연 시간은 테스트 시간을 단축시키기 위하여 감소될 수 있다. 이러한 방식은 또한 과충전, 과방전 또는 방전 과전류 검출에 적용될 수 있지만, 특히 비교적 긴 지연 시간을 필요로 하는 과충전 검출에 적용되는 경우에 유리하게 됨을 주목해야 한다.
발진 회로(16)는 예를 들어 정전류 인버터 및 콘덴서를 포함하는 링 발진기일 수 있다. 링 발진기의 발진 주파수는, 정전류원의 정전류값, 커패시터 값 및 정전류 인버터의 임계값에 의해 결정된다. 따라서, 지연 시간을 단축시키는 방법은, 예를 들어 테스트 단자의 신호를 로우 레벨 "L"로 설정하여 (a) 정전류원의 정전류값을 증가시키고, (b) 커패시터의 용량값을 실질적으로 감소시키며, (c) 링 발진기의 정전류 인버터의 임계값을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 카운터 회로(17)의 출력이 획득되는 위치는, 발진 회로(16)의 발진 주파수를 변경시키는 대신에 지연 시간을 단축시키도록 변경될 수 있으며, 이에 대한 세부사항은, 일본 특개평 제2002-176730호에 개시되어 있다.
도 5 에 도시된 충방전 보호 회로에 있어서, 과방전 상태로부터 방전가능 상태로의 복귀는, 충전기를 접속함으로써 실현될 수 있다. 이 경우, 충전기의 접속시에 Vdd 단자 전압이 과방전 검출 전압 이하로 되는 경우, 충전 전류는 방전 제어용 FET Q2의 기생 다이오드를 통하여 공급되고, Vdd 단자 전압이 과방전 검출 전압보다 높아지게 된 이후에, 단자 Dout 의 출력은 방전 제어용 FET Q2를 온시키고 방전가능 상태로 스위칭시키기 위하여 하이 레벨 "H"로 설정될 수 있다. 한편, Vdd 단자 전압이, 충전기의 접속시에 과방전 검출 전압보다 높게 되는 경우, Dout 단자는 하이 레벨 "H" 로 즉시 스위칭될 수 있다.
충전기 접속을 인식하는 PIN 또는 비교기(comparator)는 이러한 충전기 접속 복귀 동작들을 가능하게 하도록 사용될 수 있음을 주목해야 한다. 그러나, 단자들의 개수는, PIN의 사용시에 IC 측 뿐만 아니라 충전기 측에도 증가되어야 하고, 비 교기의 사용시에, 칩 사이즈는, 전류 소비가 증가될 수 있도록 증가되어야 한다.
따라서, 기존의 PIN 및 회로들을 이용하여 방전 제어용 FET의 온/오프 동작들을 제어하고, 전류 소비 및 칩 사이즈가 증가하는 것을 방지하며, 충전기의 접속시에 방전 제어용 FET의 성능 저하를 방지하며, 배터리 충전 시간을 단축시킬 수 있는 충방전 보호 회로가 요청된다. 또한, 이러한 충방전 보호 회로를 내장하는 배터리 팩 및 이러한 배터리 팩을 이용하는 전자 장치가 요청된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 과충전, 과방전, 충전 과전류 및 방전 과전류로부터 2 차 전지를 보호하는 충방전 보호 회로가 제공되며, 이 충방전 보호 회로는,
과충전 검출 회로;
과방전 검출 회로;
충전 과전류 검출 회로;
방전 과전류 검출 회로;
상기 과충전 검출 회로에 의해 과충전이 검출되는 경우 및 상기 충전 과전류 검출 회로에 의해 충전 과전류가 검출되는 경우에 오프되는 충전 제어용 FET;
상기 과방전 검출 회로에 의해 과방전이 검출되는 경우 및 상기 방전 과전류 검출 회로에 의해 방전 과전류가 검출되는 경우에 오프되는 방전 제어용 FET; 및
과방전이 검출되는 시점에서 충전기가 접속되고 상기 방전 제어용 FET가 오프되는 경우, 미리 결정된 제 1 시간이 경과한 후, 상기 방전 제어용 FET를 강제적으로 온시키도록 상기 방전 제어용 FET의 온/오프 동작들을 제어하는 충전기 접속 복귀 회로를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 본 발명의 실시형태에 따른 충방전 보호 회로를 포함하는 배터리 팩이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 본 발명의 실시형태에 따른 배터리 팩을 포함하는 전자 장치가 제공된다.
도 1 은 배터리 팩에 삽입되는 본 발명의 실시형태에 따른 충/방전 보호 회로를 나타내는 도면.
도 2a 는 과충전, 과방전 또는 과전류가 검출되지 않고 충전기가 접속되지 않은 경우의 충전기 접속 복귀 제어 동작을 설명하는 도면.
도 2b 는 과방전이 검출되고 충전기가 접속되지 않은 경우의 충전기 접속 복귀 제어 동작을 설명하는 도면.
도 2c 는 과방전이 검출되고 충전기가 접속되는 경우의 충전기 접속 복귀 제어 동작을 설명하는 도면.
도 3a 는 충전기 접속 검출 단자의 제공시에, 과방전이 검출되지 않고 충전기가 접속되지 않은 경우에 방전 제어용 FET를 제어하는 동작을 설명하는 도면.
도 3b 는 충전기 접속 검출 단자를 이용하여 방전 제어용 FET를 제어하는 동작으로서 과방전이 검출되고 충전기가 접속되지 않은 경우에 수행되는 또 다른 세트의 동작을 설명하는 도면.
도 3c 는 충전기 접속 검출 단자를 이용하여 방전 제어 FET를 제어하는 동작으로서, 과방전이 검출되고 충전기가 접속되는 경우에 수행되는 또 다른 세트의 동작을 설명하는 도면.
도 4 는 충전기가 접속되는 경우에 수행되는 충전 동작을 설명하는 타이밍 차트.
도 5 는 종래 기술의 일례에 따른 충방전 검출 회로를 나타내는 도면.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 첨부 도면들을 참조하여 설명한다.
도 1 은 본 발명의 실시형태에 따른 충방전 보호 회로(반도체 장치)를 도시하는 도면이다.
도 1 에 예시된 충방전 보호 회로는, TEST 단자를 포함하지 않고 충전기 접속 복귀 회로(26)를 포함한다는 점에서 도 5 에 도시된 회로와는 다르다. 도 5 에 도시된 실시형태들과 동일한 본 실시형태의 충방전 보호 회로의 구성요소들에는, 동일한 참조 번호가 부여됨에 주목한다.
본 실시형태의 충방전 보호 회로(1)는, 과충전 검출 회로(11), 과방전 검출 회로(12), 방전 과전류 검출 회로(13), 단락 검출 회로(14), 발진 회로(16), 카운터 회로(17), 로직 회로(18, 20), 레벨 시프트 회로(19), 충전 과전류 검출 회로(21), 지연 회로(24, 25), 지연 시간 단축 회로(23) 및 충전기 접속 복귀 회로(26)를 포함한다.
상술한 바와 같이, TEST 단자는, 도 1 의 반도체 장치(충방전 검출 회로)(1)에 제공되지 않으므로, 단자들의 개수는 도 5 의 반도체 장치(1)와 비교하여 감소될 수 있다. 본 실시형태에서, 테스트 모드 동작 동안에는, TEST 단자에 로우 레벨 "L" 신호를 인가하는 대신에, V 단자에 통상적으로 인가되지 않는 미리 결정된 값을 가진 신호(예를 들어, -3V)를 지연 시간 단축 회로(23)에 인가하여 도 5에 관하여 설명된 방식(정전류원의 정전류값을 증가시켜, 커패시터의 용량의 실질적인 저하 또는 정전류 인버터의 임계값의 변경)으로 지연 시간을 단축시킨다.
그러나, 본 실시형태의 태양에 따르면, 반도체 장치(1)의 충전기 접속 복귀 회로(26)를 제공함으로써 도 1 의 반도체 장치(1)내에서 수행되는 기본적인 충방전 보호 동작들은, 도 5 에 도시된 반도체 장치(1)에서 수행되는 동작들과 유사하게 될 수 있으므로, 방전 제어용 FET Q2 의 온/오프 동작들을 이하에 설명되는 방식으로 제어할 수 있다.
충전기 접속 복귀 회로(26)에서, 충전 과전류 검출 회로(21)의 내부 회로 신호에 따른 충전기 접속 신호, 지연 시간 단축 회로(23)의 내부 회로 신호에 대응하는 지연 시간 단축 신호, 과방전 검출 회로(12)로부터의 검출 신호에 대응하는 과방전 검출 신호 및 과방전 복귀 지연 시간 또는 과방전 검출 지연 시간의 경과 후에 방전된 과방전 확인 신호를 사용하여 방전 제어용 FET Q2의 온/오프 동작을 제어한다. 과방전의 검출시에 충전기가 접속되는 경우에, 방전 제어용 FET(Q2)는, 과방전 복귀 지연 시간(미리 결정된 제 1 시간)의 경과 후에 강제적으로 온(ON)된 후, 과방전 검출 지연 시간(미리 결정된 제 2 시간)의 경과 후에 강제적으로 오 프(OFF)된다. 또한, 배터리 셀 전압이 여전히 과방전 검출 전압 이하인 경우에는, 과방전 복귀 지연 시간의 경과 후의 방전 제어 FET(Q2)를 온시키고, 과방전 검출 지연 시간의 경과 후에 방전 제어용 FET Q2 를 오프시키는 동작이 반복된다. 하나의 바람직한 실시형태에서, 과방전 복귀 지연 시간과 과방전 검출 지연 시간은, 예를 들어 내부 회로 온도 특성, 충전기 온도 특성, 과방전 복귀 지연 시간 온도 특성 및 과방전 검출 지연 시간 온도 특성에서의 변화에 기초하여 결정될 수 있다.
이하에서, 충전기 접속 복귀 회로(26) 내에서 수행되는 특정 동작들을 설명한다.
충전 과전류 검출 회로(21)의 내부 신호에 대응하는 충전기 접속 신호는, 충전기가 접속되는 경우에는 하이 레벨 "H"로 설정되고, 충전기가 접속되지 않는 경우에는 로우 레벨 "L"로 설정된다.
지연 시간 단축 회로(23)의 내부 신호에 대응하는 지연 시간 단축 신호는, 지연 시간이 단축되는 경우에 로우 레벨 "L"로 설정되며, 지연 시간이 단축되지 않는 경우에는 하이 레벨 "H"로 설정된다.
과방전 검출 회로(VD2; 12)의 내부 신호에 대응하는 과방전 검출 신호는, 과방전이 검출되는 경우에 하이 레벨 "H"로 설정되며, 과방전이 검출되지 않는 경우에는 로우 레벨 "L"로 설정된다.
과방전 검출 회로(VD2)(12)의 내부 신호로부터 획득되는 과방전 확인 신호는, 과방전의 검출시로부터 과방전 검출 지연 시간(미리 결정된 제 2 시간: 도 4 의 "tVdet2")의 경과 후에 하이 레벨 "H"로 설정되며, 과방전이 검출되지 않은 경 우에는 로우 레벨 "L"로 설정된다.
이하에서는, 충전기 접속 복귀 회로(26)에 의해 수행되는 예시적인 충전기 접속 복귀 제어 동작을 도 2a 내지 도 2c 를 참조하여 설명한다.
[도 2a: 과충전 미검출, 과방전 미검출, 과전류 미검출, 충전기 미접속시]
과충전, 과방전 또는 과전류가 검출되지 않고, 충전기가 접속되지 않은 경우(즉, 정상 동작 모드)에, 충전 제어용 FET Q1 및 방전 제어용 FET Q2가 모두 온된다. 이 경우에, 충전기 접속 신호는, 충전기가 접속되지 않으므로 "L" 레벨에 있다.
지연 시간 단축 신호는, 동작들이 테스트 모드(지연 시간 단축 모드)에 있지 않으므로 "H" 레벨에 있다. 따라서, "H" 레벨 및 "L" 레벨 입력은, "H" 레벨 출력이 M1 에서 획득되도록 NAD 게이트 M1에 공급된다.
과방전은 이 경우에 검출되지 않으므로, 과방전 검출 신호는 로우 레벨 "L"에 있고, M1 의 "H" 레벨 출력 및 "L" 레벨의 과방전 검출 신호는 NAND 게이트 M2 에 입력되므로, "H" 레벨 출력이 M2 에서 획득된다.
M2 의 "H" 레벨 출력은 인버터 M3 로 입력되므로 "L" 레벨 출력이 M3 에서 획득된다.
과방전 검출 확인 신호는, 과방전이 검출되지 않는 경우에 로우 레벨 "L" 에 있으므로, M3 의 "L" 레벨 출력 및 "L" 레벨의 과방전 검출 확인 신호가, EXNOR 게이트 M4로 입력되어 "H" 레벨 출력이 M4에서 획득된다. 그 후, M4의 "H" 레벨 출력은 카운터에 입력되고, 이 경우에, 카운터는 활성화되지 않는다. 따라서, 정규 동작 모드에서, 충전 제어용 FET Q1 및 방전 제어용 FET Q2 가 온된다.
[도 2b : 과방전 미검출 및 충전기 미접속시]
과방전이 검출되고, 충전기가 접속되어 있지 않은 경우에, 충전기 접속 신호는, 충전기가 접속되어 있지 않으므로 충전기 접속 신호는 "L" 레벨에 있고, 지연 시간 단축 신호는, 동작들이 테스트 모드(지연 시간 단축 모드)에 있지 않으므로 "H" 레벨에 있다. 따라서, "L" 레벨 및 "H" 레벨 입력은 NAND 게이트 M1 에 공급되므로, "H" 레벨 출력이 M1 에서 획득된다.
이 경우에 과방전이 검출되므로, 과방전 검출 신호는 "H" 레벨에 있다. 따라서, M1 의 "H" 레벨 출력 및 "H" 레벨에서의 과방전 검출 신호는 NAND 게이트 M2 에 입력되므로 "L" 레벨 출력이 M2 에서 획득된다.
M2 의 "L" 레벨 출력은 인버터 M3 에 입력되므로 "H" 레벨 출력이 M3 에서 획득된다. M3 의 "H" 레벨 출력 및 "L" 레벨에서의 과방전 검출 확인 신호가 EXNOR 게이트 M4 에 입력되므로 "L" 레벨 출력이 M4 에서 획득된다. M4 의 "L" 레벨 출력은 카운터로 입력되므로 카운터의 카운팅 동작들이 활성화된다. 그 후, 카운팅 동작들이 개시되는 시간으로부터 미리 결정된 시간이 경과한 후, 과방전 검출 확인 신호는 "H" 레벨로 스위칭된다. 교대로, M4의 출력은 "H" 레벨로 스위칭되므로, 카운터의 카운팅 동작들이 정지되고 방전 제어용 FET Q2 가 오프된다. 일 실시형태에서, 과방전 검출 확인 신호는, 카운터가 미리 결정된 시간(과방전 검출 지연 시간)에 대하여 카운팅하는 시간에서 과방전 검출 확인 신호를 출력하는 플립 플롭을 반전시킴으로써 미리 결정된 시간(과방전 검출 지연 시간)의 경과 후에 반 전될 수 있다.
[도 2c : 과방전 검출 및 충전기 접속시]
과방전이 검출되고 충전기가 접속되는 경우에, 충전기 접속 신호는 "H" 레벨로 설정되며, 지연 시간 단축 신호는 "H" 레벨로 설정된다. "H" 레벨의 충전기 접속 신호와 "H" 레벨의 지연 시간 단축 신호는, NAND 게이트 M1으로 입력되므로, "L" 레벨 출력이 M1 에서 획득된다.
이 경우에 과방전이 검출되므로, 과방전 검출 신호는 "H" 레벨로 설정된다. 따라서, M1 의 "L" 레벨 출력 및 "H" 레벨에서의 과방전 검출 신호가 NAND 게이트 M2 로 입력되므로, "H" 레벨 출력이 M2 에서 획득된다. M2 의 "H" 레벨 출력이 인버터 M3 로 입력되므로, "L" 레벨 출력이 M3 에서 획득된다.
이 경우에 과방전이 검출되므로, 과방전 검출 확인 신호는 "H" 레벨로 설정된다. 따라서, M3 의 "L" 레벨 출력과 "H" 레벨에서의 과방전 검출 확인 신호는, EXNOR 게이트 M4로 입력되므로 "L" 레벨 출력이 M4 에서 획득된다. M4 의 "L" 레벨 출력은 카운터로 입력되므로 카운터의 카운팅 동작들이 활성화된다. 그 후, 카운팅 동작들이 개시되는 시간으로부터 미리 결정된 제 1 시간(과방전 복귀 지연 시간)이 경과한 후, 방전 제어용 FET Q2 는 강제적으로 온된다. 일 실시형태에서, 과방전 검출 확인 신호는, 카운터가 미리 결정된 제 1 시간(과방전 복귀 시간)에 대하여 카운팅하는 시점에서 과방전 검출 확인 신호를 출력하는 플립 플롭을 반전시킴으로써 미리 결정된 제 1 시간(과방전 복귀 지연 시간)의 경과 후에 반전될 수 있다.
배터리 셀 전압이 과방전 검출 전압 이하인 경우에는, 방전 제어용 FET Q2 가, 과방전 검출 지연 시간의 경과 후에 오프됨을 주목해야 한다. 그러나, 충전기가 상술한 예에서와 같이 접속되는 경우에, 방전 제어용 FET Q2는, 과방전 복귀 지연 시간이 경과한 이후에 강제적으로 온된다.
따라서, 충전기가 배터리 셀 전압이 과방전 검출 전압 이하인 때에 접속되는 경우에는, 펄스 충전 동작들은, 과방전 검출 지연 시간의 경과 후에 방전 제어용 FET Q2를 오프시키고, 과방전 복귀 지연 시간의 경과 후에 방전 제어용 FET Q2를 온시키는 동작을 반복함으로써 수행된다. 충전 펄스의 펄스 폭은, 예를 들어 내부 회로들, 충전기 및 IC의 온도 특성의 변화에 따라서 과방전 검출 지연 시간 및 과방전 복귀 지연 시간을 변경함으로서 조정될 수 있음을 주목해야 한다.
도 4 는 충전기의 접속시에 수행되는 충전 동작들을 예시하는 타이밍 차트이다.
도 4 에 도시된 바와 같이, Vdd의 레벨이 과방전 검출 전압(Vdet2)보다 높지만 과충전 검출 전압보다는 낮은 경우에, Dout의 출력은 "H" 레벨로 설정된다. Dout의 출력이 "H" 레벨에 있는 경우, Dout에 접속되는 방전 제어용 FET Q2가 온 되므로 충방전 동작들이 가능하게 된다.
Vdd 의 레벨이 과방전 검출 전압(Vdet2) 이하인 경우, 내부의 카운터(17)가, 과방전 검출 지연 시간(tVedt2)을 측정한 후, Dout의 출력은 "L" 레벨로 스위칭된다. Dout 의 출력이 "L" 레벨로 스위칭된 후, Dout 에 접속되는 방전 제어용 FET Q2 는 오프되므로 방전 동작들이 가능하게 된다. 충전기가, 과방전이 검출되는 때 에 접속되지 않은 경우, V 단자는 내부 회로에 의해 Vdd의 레벨과 동일하게 되도록 상승된다.
충전기가 이러한 상태 하에서 접속되는 경우, V 단자는 일시적으로 충전 과전류 검출 전압(Vdet4) 이하로 된다. 충전 과전류(Vdet4)가 검출되는 경우, 과방전 검출 상태로부터 방전가능 상태로의 복귀는, 예를 들어 충전 과전류 검출 신호, 지연 시간 단축 신호, 과방전 검출 신호 및 과방전 검출 확인 신호에 의해 가능하게 될 수 있다.
이 경우, 방전 제어용 FET Q2 는, 과방전 복귀 지연 시간(tVrel2)의 경과 후에 온된다. Vdd 의 레벨이, 과방전 검출 지연 시간(tVdet2)의 경과 후에도 과방전 검출 전압(Vdet2) 위로 올라가지 않는 경우에, 방전 제어용 FET Q2 는, 과방전 검출 지연 시간(tVedt2)의 경과 후에 오프된다(Dout 는 "L" 레벨로 스위칭됨).
Dout 가 "L" 레벨로 스위칭되는 시점에서 충전기가 접속되는 경우, 방전 제어 FET Q2 의 상술된 온/오프 동작은 반복될 수 있다. 따라서, 방전 제어용 FET Q2 는, 과방전 복귀 지연 시간의 경과 후에 다시 온(ON)된다.
상술된 온/오프 동작을 반복함으로써, 과방전 복귀 지연 시간(tVre12) 및 과방전 검출 지연 시간(tVdet2)에 의해 제어된 펄스 충전 동작들은, Vdd의 레벨이 과방전 검출 전압 위로 상승할 때까지 수행된다.
예시적인 충전 동작 방식에 따르면, 초기 충전 동작들은 충전기의 접속에 응답하여 개시될 수 있다. 그 후, 배터리 셀 전압은, 충전 동작들을 일시적으로 정지(도 4 의 "충전 정지" 참조)시킴으로써 체크될 수 있으며, 충전 동작들은, 배터 리 셀 전압이 체크된 후에 재개될 수 있다.
그러나, Vdd의 레벨이 과방전 검출 전압(Vdet2) 이하로 되어 방전 제어용 FET Q2가 오프되고 충전 동작들이 수행되지 않는 경우에는, 배터리 셀 전압을 모니터하지 못하게 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시형태에 따르면, 오프되는 방전 제어 FET Q2 는, 미리 결정된 제 1 시간(과방전 복귀 지연 시간 "tVrel2")의 경과 후에 강제적으로 온될 수 있으므로, 배터리 셀 전압이 모니터될 수 있다. 하나의 바람직한 실시형태에서, 미리 결정된 제 1 시간은, 예를 들어 내부 회로 온도 특성, 충전기 온도 특성, 과방전 복귀 지연 시간 온도 특성 및 과방전 검출 지연 시간 온도 특성의 변화에 기초하여 결정될 수 있다.
본 발명의 실시형태들은 여러가지 애플리케이션들에 널리 사용될 수 있음을 주목해야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시형태에 따른 충방전 보호 회로는 배터리 팩에 삽입될 수 있고, 배터리 팩은, 모바일 폰, 휴대용 게임 장치, 디지털 카메라 또는 휴대용 오디오 장치와 같은 여러 가지 타입의 전자 장치들에 내장될 수 있다.
다음으로, 방전 제어용 FET Q2 의 온/오프 동작을 제어하는 또 다른 예시적인 방법을 설명한다. 이 예에서, 충전기의 접속 상태를 검출하는 충전기 접속 검출 단자는 충전기 접속 복귀 제어 동작들을 가능하게 하도록 제공된다. 도 3a 내지 도 3c는 이 예의 여러가지 상태 하에서 방전 제어용 FET Q2를 제어하는 동작들을 예시하는 도면이며, 여기서는 충전기의 접속 상태를 검출하는 충전기 접속 검출 단자가 사용된다.
[도 3a : 과방전 미검출, 충전기 미접속시]
충전기 접속 신호는 통상적으로 "L" 레벨에 있을 수 있고, 충전기의 배터리 팩 양극 (+) 측으로부터의 신호가 입력되고 충전기가 접속되는 경우에는 "H" 레벨로 스위칭될 수 있다. 이 경우에, 소스 전압이 과방전 검출 레벨 아래에 있고, 과방전 검출 레벨 위에 있는 경우에, 과방전이 검출되지 않는 경우에는 "H" 레벨로 설정되고 과방전이 검출되는 경우에는 "L" 레벨로 설정되는 비과방전 검출 신호는 "H" 레벨에 있을 수 있다.
충전기가 접속되지 않은 경우, 충전기 접속 신호가 "L" 레벨로 설정되므로 "L" 레벨 출력은 NAND 게이트 M1 에서 획득된다. M1 의 "L" 레벨 출력은 인버터 M2 로 입력되므로 "L" 레벨 출력이 M2 에서 획득된다. M2 의 출력이 "L" 레벨에 있는 경우에, N 채널 FET에 대응하는 방전 제어 FET Q2 는 온될 수 있다.
[도 3b : 과방전 검출 및 충전기 미접속시]
과방전이 검출되는 경우에는, "L" 레벨의 비과방전 검출 신호가 출력되고, 충전기가 접속되지 않은 경우에는, "L" 레벨의 충전기 접속 신호가 출력된다. 상기 "L" 레벨 출력들은 NAND 게이트 M1 으로 입력되므로, "H" 레벨 출력이 M1 에서 획득될 수 있다. M1 의 "H" 레벨 출력은 인버터 M2 로 입력되므로, "L" 레벨 출력이 M2 에서 획득될 수 있다. M2 의 출력이 "L" 레벨에 있는 경우, 방전 제어용 FET Q2 는 오프된다.
[도 3c : 과방전 검출 및 충전기 접속시]
과방전이 검출되는 시점에서 충전기가 접속되어 있는 경우, "L" 레벨의 비과방전 검출 신호가 출력되고, "H" 레벨의 충전기 접속 신호가 출력된다. 상기 "L" 레벨 출력 및 "H" 레벨 출력은, NAND 게이트 M1 으로 입력되므로, "L" 레벨 출력이 M1 에서 획득된다. M1 의 "L" 레벨 출력은 인버터 M2 로 입력되므로, "H" 레벨 출력이 M2 에서 획득된다. M2 의 출력이 "H" 레벨에 있는 경우에, 방전 제어용 FET가 온된다.
다음으로, 본 발명의 실시형태들에 의해 실현될 수 있는 예시적인 이점들을 설명한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 충전기의 접속시에 방전 제어용 FET의 성능 저하를 방지하며 배터리 충전 시간을 단축시킬 수 있는, 전력 소비가 작고 비교적 작은 칩 사이즈를 가지는 충방전 보호 회로가 제공될 수 있다.
특히, 본 발명의 실시형태에 따른 충방전 보호 회로에서, 배터리 셀 전압이 과방전 검출 전압 이하로 되어 방전 제어용 FET가 오프되는 경우에도, 방전 제어용 FET는, 충전기의 접속시에 강제적으로 온될 수 있다. 종래의 충방전 보호 회로에서는, 방전 제어용 FET가 오프되는 시점에서 충전 동작들을 수행하기 위하여 충전기가 접속되는 경우에, 먼저 방전 제어용 FET의 기생 다이오드를 이용하여 충전 동작들을 수행한다. 그러나, 이러한 기생 다이오드를 충전 동작들에 사용하는 경우에, 방전 제어용 FET는 성능 저하되기 쉽다. 종래의 충방전 보호 회로의 이러한 문제점을 고려하여, 본 발명의 실시형태에 따른 충방전 보호 회로는, 충전기가 방전 제어용 FET가 오프되는 시점에서 접속되는 경우에, 방전 제어용 FET를 강제적으 로 온되도록 제어하여, 예를 들어 방전 제어용 FET의 성능 저하를 방지하고 짧은 기간 내에 효과적인 충전 동작을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 하나의 바람직한 실시형태에 따른 충방전 보호 회로는, 충전기의 접속 상태를 검출하는 부가적인 단자를 포함하지 않으므로, 예를 들어 전류 소비 및 칩 사이즈가 증가하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명의 실시형태에 따른 충방전 보호 회로는, 모바일 폰, 휴대용 게임 장치, 디지털 카메라 및 휴대용 오디오 장치와 같은 여러가지 전자 장치들에 널리 사용되는 배터리 팩에 내장될 수 있다.
본 발명이 임의의 바람직한 실시형태들에 대하여 도시되고 기술되었지만, 명세서를 읽고 이해하는 경우에 본 발명의 등가물 및 변경이 당업자에 발생할 수 있음이 명백해 진다. 본 발명은 모든 이러한 등가물 및 변경을 포함하며, 청구항들의 범위에 의해서만 제한된다.
현재의 애플리케이션은, 2006 년 6 월 1 일자로 출원된 일본 특허 출원 제2006-1563848호에 기초하고, 이 출원의 우선일의 이득을 청구하며, 이 출원의 전체 내용은 여기서 참조로 통합된다.

Claims (10)

  1. 과충전, 과방전, 충전 과전류 및 방전 과전류로부터 2 차 전지를 보호하는 충방전 보호 회로로서,
    과충전 검출 회로;
    과방전 검출 회로;
    충전 과전류 검출 회로;
    방전 과전류 검출 회로;
    상기 과충전 검출 회로에 의해 과충전이 검출되는 경우 및 상기 충전 과전류 검출 회로에 의해 충전 과전류가 검출되는 경우에 오프(OFF)되는 충전 제어용 FET;
    상기 과방전 검출 회로에 의해 과방전이 검출되는 경우 및 상기 방전 과전류 검출 회로에 의해 방전 과전류가 검출되는 경우에 오프되는 방전 제어용 FET; 및
    과방전이 검출되는 시점에서 충전기가 접속되고 상기 방전 제어용 FET가 오프되는 경우, 미리 결정된 제 1 시간이 경과한 후, 상기 방전 제어용 FET를 강제적으로 온시키도록 상기 방전 제어용 FET의 온/오프 동작들을 제어하는 충전기 접속 복귀 회로를 포함하는 것인 충방전 보호 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방전 제어용 FET는, 상기 방전 제어용 FET가 강제적으로 온되는 시점으로부터 미리 결정된 제 2 시간이 경과한 이후에 오프되는 것인 충방전 보호 회로.
  3. 제 2 항에 있어서, 배터리 셀 전압이 과방전 검출 전압 이하인 경우, 미리 결정된 제 1 시간의 경과 후에는 상기 방전 제어용 FET를 온시키고 미리 결정된 제 2 시간의 경과 후에는 상기 방전 제어용 FET를 오프시키는 동작들을 반복하는 것인 충방전 보호 회로.
  4. 제 2 항에 있어서, 미리 결정된 제 1 시간 및 미리 결정된 제 2 시간은, 내부 회로 온도 특성, 충전기 온도 특성, 과방전 복귀 지연 시간 온도 특성 및 과방전 검출 지연 시간 온도 특성의 변화에 따라서 결정되는 것인 충방전 보호 회로.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 충방전 보호 회로를 포함하는 배터리 팩.
  6. 제 5 항에 기재된 배터리 팩을 포함하는 전자 장치.
  7. 제 5 항에 기재된 배터리 팩을 포함하는 모바일 폰.
  8. 제 5 항에 기재된 배터리 팩을 포함하는 휴대용 게임 장치.
  9. 제 5 항에 기재된 배터리 팩을 포함하는 디지털 카메라.
  10. 제 5 항에 기재된 배터리 팩을 포함하는 휴대용 오디오 장치.
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