KR20080105154A - 배터리 팩에서의 과저하 전압 회복 - Google Patents

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Abstract

일 구현으로 배터리 시스템을 충전하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 충전기가 배터리 시스템에 결합되었는지를 판정하는 것을 인에이블하는 단계를 포함하고, 배터리 시스템은 하나 이상의 셀 및 충전 인에이블 트랜지스터를 포함한다. 또한 이 방법은 상기 셀의 전압 레벨이 미리 정해진 제1 저 전압 레벨보다 낮은지를 판정하는 것을 인에이블하는 단계를 포함한다. 셀의 전압 레벨이 미리 정해진 제1 저 전압 레벨보다 낮은 경우, 상기 충전기에 의해 나타난 전압을 미리 정해진 제2 전압 레벨보다 낮은 레벨로 조정하도록 상기 충전 트랜지스터 게이트 단자에 인가된 전압을 조정하는 것을 포함하여 상기 셀의 충전을 감소된 속도로 인에이블한다. 또한, 이 방법은 셀의 전압이 상기 미리 정해진 제1 저 전압 레벨에 이르면, 충전기에 의해 완전 속도로 충전 가능하게 하도록 상기 충전 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계를 포함한다.
충전 트랜지스터, 셀의 충전 속도, 셀의 전압 레벨, 배터리 팩, 배터리 시스템 모니터 회로

Description

배터리 팩에서의 과저하 전압 회복{DEEP UNDER VOLTAGE RECOVERY IN A BATTERY PACK}
본 발명은 전기 회로에 관한 것이다.
많은 현재의 휴대 장치(예를 들어, 랩톱 컴퓨터, 이동 전화기, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 미디어 플레이어, 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 게임 컨솔 등)은 배터리 팩을 포함한다. 특정 유형의 종래 배터리 팩 중 하나는 하나 이상의 집적 회로(IC) 칩에 결합되는 하나 이상의 배터리 셀(cell)을 포함한다. 칩은 통상적으로 제어기(예를 들어, 마이크로컨트롤러) 및 회로를 포함하며, 특히 배터리 셀 관리 및 보호를 제공한다.
종래의 일부 배터리 팩은, 실린더 내에 휘발성 화학 반응재가 패키지되어 있는 Li 이온(리튬 이온) 배터리 셀을 포함한다. 전위 에너지는 각 셀에 저장되고, 배터리 셀이 셀의 사양의 외부 조건에 노출되면 셀은 과열되고, 불꽃이 일거나 폭발할 수 있다. 이들 휘발성 셀로 구성된 종래의 배터리 팩은 통상 불안전한 상태(예를 들어, 충전 또는 방전 과전류, 단락 회로 등)를 검출하고, 배터리 셀 및/또는 장치의 손상을 방지하고 최종 사용자를 보호하도록 구제 동작을 취하기 위한 안전 장치 회로를 포함한다.
종래의 재충전 가능한 배터리는 방전 이후에 충전기로 충전될 수 있다. 특정한 배터리 기술(예를 들어, Li 이온 및 리륨 폴리머)이 충전될 때, 위험한 조건을 피하기 위해서 충전 시스템에 제한을 둔다. 이러한 제한 사항 중 하나는 셀 전압이 특정 레벨 이하일 때 이들 셀을 충전하는 것에 관한 것으로, 이는 통상 과저하 전압(Deep Under Voltage: DUV) 조건으로 불린다. 과저하 전압 조건은 과방전 이후 또는 배터리 팩이 제1 시간 동안 충전될 때 발생할 수 있다. 최저 전압 조건부터 셀을 충전할 때, 정상적인 충전 전류 보다 낮은 전압이 통상적으로 주기(즉, 프리차지 주기) 동안 이용된다. 셀 전압이 특정 레벨으로 올라간 후, 충전기는 셀에 대한 충전 시간을 최소화하기 위해서 정상적인 충전 모드로 전환한다. 기술한 종래의 시스템에서, 충전기는 주로 나타나는 셀 전압 레벨에 기초하여 프리차지로부터 정상적이거나 신속한 충전으로의 전환이 언제 발생해야 하는지를 결정한다.
종래의 배터리 팩에서, 두 개의 외부 트랜지스터(예를 들어, 전계 효과 트랜지스터(FET))가 배터리 셀와 직렬 연결되어 셀의 충전과 방전이 가능하도록 인에이블 및 디세이블된다. 트랜지스터는 하나 이상의 모니터링된 조건에 기초하여 셀이 충전기나 장치로부터 분리되게 하여 부적절하거나 위험한 동작을 피할 수 있게 한다. 하이-사이드(high-side) 구성으로 참조되는 일 구성에서는, 두 개의 트랜지스터가 셀의 양의 단자와 양의 배터리 팩 단자(예를 들어, 장치에 대한 외부 양의 단자 인터페이스) 간에 직렬 결합된다.
일 구현에서, 배터리 팩을 충전하기 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다. 일반적으로, 일 형태에서, 배터리 시스템을 충전하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 충전기가 배터리 시스템에 결합되었는지를 판정하는 것을 인에이블 하는 단계를 포함하고, 배터리 시스템은 하나 이상의 셀 및 충전 인에이블 트랜지스터를 포함한다. 이 방법은 또한 셀의 전압 레벨이 미리 정해진 제1 저 전압 레벨보다 낮은지의 여부를 판정하는 것을 인에이블하는 단계를 포함한다. 상기 셀의 전압 레벨이 미리 정해진 제1 저 전압 레벨보다 낮은 경우, 상기 충전기에 의해 나타난 전압을 미리 정해진 제2 전압 레벨보다 낮은 레벨로 조정하도록 상기 충전 트랜지스터 게이트 단자에 인가된 전압을 조정하는 것을 포함하여 상기 셀의 충전을 감소된 속도로 인에이블한다. 또한, 상기 방법은 상기 셀의 전압이 상기 미리 정해진 제1 저 전압 레벨에 도달하면, 상기 충전기에 의해 완전 속도로 충전 가능하게 하도록 상기 충전 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계를 포함한다.
이 방법은 다음의 특성들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 충전 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 인가된 전압을 조정하는 단계는 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계를 포함한다. 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계는 상기 셀의 전압이 상기 미리 정해진 제1 저 전압 레벨을 초과할 때까지 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계를 포함한다. 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계는 상기 셀의 전위와 상기 배터리 시스템의 배터리 시스템 모니터 회로에 전력 공급하는 데에 필요한 최소한의 동작 전압 간의 차이보다 크도록 상기 충전 트랜지스터 양단의 전위를 조정하는 단계를 포함한다. 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계는 상기 충전기에 의해 나타난 전압이 상기 충전기가 감소된 충전 속도로부터 정상의 충전 속도로 전환하게 되는 전압 레벨보다 낮도록 상기 충전 트랜지스터 양단의 전위를 조정하는 단계를 포함한다.
상기 배터리 시스템은 배터리 모니터링 회로를 포함하는 배터리 관리 시스템을 포함하고 상기 충전 트랜지스터에 인가된 전압을 조정하는 단계는 상기 배터리 관리 시스템에의 입력에서 나타난 전압을 상기 배터리 관리 시스템에 대한 최소한의 동작 전압보다 높은 레벨로 유지하도록 상기 충전 트랜지스터로의 구동 신호를 조정하는 단계를 포함한다. 상기 배터리 시스템은 배터리 모니터링 회로를 포함하는 배터리 관리 시스템을 포함하고 상기 충전 트랜지스터에 인가된 전압을 조정하는 단계는 상기 배터리 관리 시스템에의 입력에서 나타난 전압을 상기 충전기가 감소된 충전 속도에서 정상의 충전 속도로 전환하게 되는 전압 레벨보다 낮은 레벨로 유지하도록 상기 충전 트랜지스터로의 구동 신호를 조정하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 상기 셀을 감소된 속도로 충전하기 이전에, 상기 배터리 시스템의 모니터링 회로를 인에이블하는 단계; 및 상기 감소된 속도의 상기 셀의 충전을 모니터링하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 상기 배터리 시스템을 충전하면서 안전하게 모니터링하는 단계 및 상기 배터리 시스템의 셀을 충전하면서 그 용량의 변화를 모니터링하는 단계를 더 포함한다.
상기 충전 트랜지스터에 인가된 전압을 조정하는 단계는 상기 배터리 시스템의 동작 전압이 미리 정해진 최대치 이상인지를 판정하는 단계 및 이상인 경우 상기 충전 트랜지스터에 기술된 구동 전압을 증가시키는 단계를 포함한다. 부가하여, 상기 충전 트랜지스터에 인가된 전압을 조정하는 단계는 상기 배터리 시스템의 동작 전압이 미리 정해진 최소치 이하인지를 판정하는 단계 및 이하인 경우 상기 충전 트랜지스터에 기술된 구동 전압을 감소시키는 단계를 포함한다.
일반적으로, 일 형태에서, 배터리 시스템을 충전시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 충전기가 배터리 시스템에 결합되었는지의 여부를 판정하는 것을 인에이블 하는 단계를 포함하고, 배터리 시스템은 하나 이상의 셀, 충전 인에이블 트랜지스터 및 충전 모니터 제어 회로를 포함한다. 이 방법은 또한 상기 셀의 충전을 인에이블하기 전에 상기 충전 모니터 제어 회로를 인에이블하는 단계를 포함한다. 이 방법은 상기 셀의 전압 레벨이 미리 정해진 제1 저 전압 레벨보다 낮은지를 판정하는 것을 인에이블 하는 단계를 포함하다. 이 방법은 셀의 전압 레벨이 미리 정해진 제1 저 전압 레벨보다 낮은 경우, 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 것을 포함하여 상기 셀을 감소된 속도로 충전할 수 있게 하는 단계를 포함한다. 상기 셀의 전압이 상기 미리 정해진 제1 저 전압 레벨에 도달할 때, 이 방법은 상기 충전기에 의해 최대의 속도로 충전가능하게 하도록 상기 충전 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계를 포함한다. 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계는 미리 정해진 제2 전압 레벨보다 낮은 레벨로 상기 충전기에 의해 나타낸 전압을 조정하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 다른 형태에서, 배터리 시스템을 충전하는 방법이 제공된다. 이 방법은 충전기가 충전 트랜지스터를 통해 배터리 시스템에 결합되었는지를 판정하는 것을 인에이블하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 배터리 시스템의 하나 이상의 셀이 미리 정해진 제1 임계 보다 낮은 전압 상태이어서 감소된 속도의 충전이 가능한 경우 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블된 상태로 하는 단계를 포함한다. 부가하여, 이 방법은 상기 결정된 전압 레벨이 상기 미리 정해진 제1 임계이거나 그 이상이어서 완전한 속도의 충전이 가능한 경우 상기 충전 트랜지스터를 완전히 인에이블된 상태로 하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 일 형태의 방법이 제공된다. 이 방법은 충전기가 배터리 시스템에 결합된 것을 판정하는 것을 인에이블하는 단계를 포함한다. 상기 배터리 시스템은 하나 이상의 셀, 상기 하나 이상의 셀의 충전 레벨을 모니터링하기 위한 모니터링 회로, 상기 하나 이상의 셀의 충전을 인에이블하기 위한 충전 트랜지스터 및 상기 충전 트랜지스터 게이트 단자를 구동하기 위한 구동 회로를 포함한다. 이 방법은 또한 상기 하나 이상의 셀 전압 레벨을 모니터하여 상기 모니터링된 전압 레벨이 제1 임계 전압 레벨 이하인지의 여부를 판정하는 단계를 포함한다. 상기 모니터링된 전압 레벨이 제1 임계 전압 레벨 이하인 경우, 이 방법은 상기 충전 트랜지스터 게이트 단자를 부분적으로 인에이블하는 것을 포함하여 상기 셀을 감소된 속도로 충전할 수 있도록 하는 단계를 포함한다. 모니터링된 전압이 상기 제1 임계 전압 레벨을 초과할 때, 이 방법은 상기 충전 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계를 포함한다. 상기 감소된 속도로 충전할 수 있도록 하는 단계는 상기 충전기에 의해 나타난 전압을 조정하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 일 형태의 배터리 관리 시스템이 제공된다. 이 시스템은 배터리 팩의 하나 이상의 셀의 전압 레벨을 검출하도록 동작하는 모니터를 포함한다. 이 시스템은 또한 적어도 세 모드 중 하나에서 충전 트랜지스터를 구동하도록 동작하는 구동 회로를 포함한다. 구동 회로는 외부 충전기에 의해 나타난 전압을 조정하도록 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 것을 포함하는 제1 저 전압 모드에서 상기 충전 트랜지스터를 구동하고, 상기 충전 트랜지스터를 충전을 디세이블하도록 제2 오프 모드에서 구동하고, 상기 충전 트랜지스터를 완전 충전을 인에이블하도록 제3 온 모드에서 구동하도록 동작한다.
일반적으로, 다른 형태의 장치가 제공된다. 이 장치는 하이 사이드 NFET 충전 트랜지스터, 상기 하이 사이드 NFET 충전 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 회로, 및 충전되는 배터리 셀의 전압 레벨을 모니터링하기 위한 모니터 회로를 포함한다. 이 장치의 구동 회로는 상기 배터리 셀의 상기 전압 레벨이 충전기의 존재 동안 제1 임계 레벨 이하인 경우 상기 하이 사이드 NFET 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하도록 동작한다.
일반적으로, 일 형태의 장치가 제공된다. 이 장치는 배터리 팩의 충전 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 회로와 충전되는 배터리 셀의 전압 레벨을 모니터링하기 위한 모니터 회로를 포함한다. 구동 회로는 상기 배터리 셀의 상기 전압 레벨이 충전기의 존재 동안 제1 임계 레벨 이하인 경우 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하도록 동작한다.
일반적으로, 일 형태의 방법이 제공된다. 이 방법은 배터리 팩과 관련된 셀의 전압 레벨을 상기 모니터링된 전압 레벨이 제1 임계 전압 레벨 이하인지를 판정하기 위해 모니터링하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 충전기가 상기 배터리 팩에 결합되었는지를 판정할 수 있도록 하는 단계와 상기 셀의 전위가 상기 제1 임계 레벨을 초과할 때까지 상기 충전기에 의해 나타난 전위를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 형태는 다음 특성들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전체 충전 사이클 동안 충전 프로세스의 모니터링이 가능한 배터리 충전 시스템이 기술된다. 이를 행하기 위해서, 충전 모니터 회로에 최저 전압 조건으로부터 회복할 때에도 충전의 초기화 이전에 전력이 공급되어 인에이블될 수 있다. 또한, 최저 전압 조건부터의 충전 사이클에서, 충전 트랜지스터는 특정 배터리 구성에 대해 부분적으로 턴온될 수 있다. 부분 충전 모드는 셀의 전위가 충분한 레벨로 상승할 때까지 유지될 수 있어 셀의 급속 또는 정상 충전 모드에서의 안전한 충전이 가능하게 된다.
기술된 시스템에서, 충전기가 배터리 관리 시스템에 연결될 때, 충전 트랜지스터는 부분적으로 인에이블된다. 부분 인에이블은 충전기에 의해 나타난 전압 레벨(즉, 급속/정상 모드 레벨 이하의 레벨)의 조정을 가능하게 하여 충전기가 모드를 전환하지 못하게 한다. 기술된 시스템에서 이것은 배터리 관리 시스템 구성 요소(예를 들어, 마이크로컨트롤러를 포함하는 집적 회로 구성 요소(예를 들어, 칩이나 칩들))로의 전원 전압을 최소한의 동작 레벨 이상으로 유지하면서 이루어진다. 배터리 관리 시스템 구성 요소의 동작 전압을 유지함으로써, 전체 충전 사이클 동안 모니터링 기능이 인에이블될 수 있다(예를 들어, 과저하 전압 회복부터의 모니터링 뿐만 아니라 셀에 로딩된 전하를 정확하게 모니터링하는 것을 확실히 하기 위해서).
일 구현에서, 기술된 시스템은 하이 사이드 NFET 트랜지스터로의 과저하 전압 회복을 가능하게 하여 더욱 비용면에서 효율적이 되며 비용면에서 효율적인 고 전압 CMOS 프로세스에서 제조될 수 있다. 또한, NFET는 유사한 크기의 PFET 보다 더 적은 온-저항을 갖는다. 따라서, 하이 사이드 NFET 트랜지스터를 포함하는 기술된 시스템은 더 값싸고 적은 트랜지스터로 구현될 수 있다.
기술된 하이 사이드 구성은 또한 종래의 로우 사이드 구성 보다 더욱 장점이 있다. 로우 사이드 FET 구성에 대한 종래의 구동기는 CMOS로 용이하게 구현되지 않는데, 이는, 접지보다 상당히 낮은 출력 전압이 FET를 디세이블하는 데에 필요하기 때문이다. 로우 사이드 FET를 갖는 종래의 배터리 팩은 바이폴라 또는 BiCOMS 기술을 필요로 한다. 하나의 기술된 방법은 고 전압 전단부 구성 요소, 마이크로컨트롤러 및 비휘발성 메모리가 단일의 칩에 집적되는 전체 집적화된 하이 사이드 구성을 포함한다. 전체 집적화된 CMOS 구성과 비해, 바이폴라 구성은 마이크로컨트롤러 유닛과 비휘발성 메모리의 비용 효율적인 집적화가 가능하지 않다. BiCOMS 기술은 실행하는 데에 비용이 상당히 많은 든다.
마찬가지로, 통신 포트를 포함하는 기술된 배터리 관리 시스템은 배터리 관리 시스템의 통신 신호 레벨과 그라운드와 관련된 로우 사이드 구성에 의해 기술된 어려움 없이 하이 사이드 구성으로 쉽게 구현될 수 있다. 그러나, 로우 사이드 구성이 바람직한 경우, 충전 트랜지스터의 부분 인에이블에 관련하여 본 명세서에 기재된 개시는 기재된 장점을 제공한다. 또한, NFET 구성이 기술되었지만, 충전 트랜지스터의 부분 인에이블이 또한 PFET 구성에 이용될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세 사항이 이하 첨부 도면 및 설명에서 기술된다. 본 발명의 다른 특성, 목적 및 장점들은 상세 설명 및 도면, 그리고 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1A는 배터리 팩을 포함하는 애플리케이션의 개략도.
도 1B는 배터리 팩의 개략도.
도 2는 배터리 관리 시스템의 블럭도.
도 3은 충전 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 회로의 블럭도.
도 4는 배터리 관리 시스템에서의 입력 전위과 충전 트랜지스터의 구동 전위 간의 관계를 포함하는 부분 충전 및 일반 충전 모드를 나타내는 그래프.
도 5A는 과저하 전압 회복 방법의 흐름도.
도 5B는 부분 충전 모드의 흐름도.
여러 도면에서 유사한 참조 부호는 유사한 구성 요소를 나타낸다.
마이크로컨트롤러, 비휘발성 메모리 및 그 외 회로 구성 요소가 하나의 집적 회로에 집적된 원-칩 배터리 관리 시스템을 참조하게 될 것이다. 대안적으로, 기술된 방법과 시스템은 멀티-칩의 방식으로 실현될 수도 있다. 개시된 방법과 시스템은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 이들 및 그 외 아키텍처로 구현될 수 있 다. 배터리 관리 시스템 회로 소자에 적절한 전원이 공급되는(예를 들어, 모니터링 기능이 인에이블될 수 있도록 배터리 관리 시스템에 적절한 전원이 제공되는) 것을 보장하는 한편, 과저하 전압 회복 동안을 포함하여 시스템의 셀을 충전하도록, 관련된 충전기가 적절히 구성된 것을 보장하는 방식으로 과저하 전압 회복(즉, 매우 낮은 셀 전압)을 위한 방법, 장치 및 시스템을 기술한다.
배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩
이하 도 1A를 참조하면, 애플리케이션(50)에 이용하는 배터리 팩(100)이 도시되어 있다. 배터리 팩(100)은 디바이스(102) 또는 충전기(104)에 결합될 수 있다. 충전기(104)에 결합되는 경우, 배터리 팩(100)의 단자들(즉, 양과 음 및 선택적으로는 통신 단자)이 매체(106)에 의해 충전기(104)의 대응 단자(즉, 양과 음 및 통신 단자)에 결합되어 배터리 팩(100)과 관련된 셀(들)의 충전을 가능하게 한다. 매체(106)는 와이어, 리드, 핀 또는 그 외 전기 접속 수단의 형태일 수 있다. 충전은 이하 더욱 상세히 기술된다.
마찬가지로, 디바이스(102)에 결합되는 경우, 배터리 팩(100)의 단자(즉, 양과 음 및 통신 단자)는 디바이스(102)의 대응 단자(즉, 양과 음 및 통신 단자)에 결합되어 디바이스(102)의 동작을 가능하게 한다. 매체(108)는 와이어, 리드, 핀, 또는 그 외 전기 접속 수단의 형태일 수 있다. 일부 구현에서, 배터리 팩(100)은 또한 각 통신 포트에서 디바이스(102)와 충전기(104)에 결합된다. 통신 포트는 디바이스(102)/충전기(104)와 배터리 팩(100) 사이의 정보(예를 들어, 명령과 제어)의 전달을 가능하게 한다. 교환될 수 있는 정보의 일례는 배터리 충전 레벨(즉, 용량)을 포함한다.
이하, 도 1B를 참조하면, 배터리 팩(100)에 대한 상세한 다이어그램이 제공되어 있다. 배터리 팩(100)은 하나 이상의 배터리 셀(120), 디스크리트(discrete) 트랜지스터(110, 112), 션트(shunt) 저항기(114), 및 배터리 관리 시스템(130)을 포함한다. 배터리 관리 시스템(130)은 후술되는 바와 같이 복수의 구성 요소를 포함하는데, 이들은 하나의 패키지로 집적될 수 있다(예를 들어, 단일의 집적 회로에 집적됨). 대안적으로, 배터리 관리 시스템(130)은 분리되어 패키지될 수 있다. 디스크리트 트랜지스터(110, 112)는 배터리 관리 시스템(130)과 분리될 수 있고 개별 패키지에 포함되거나 배티러 관리 시스템(130) 구성 요소와 함께 패키지될 수 있다.
디스크리트 트랜지스터(110, 112)는 배터리 셀(120)을 외부 배터리 팩 단자(외부 배터리 팩 양의 단자(140) 및 음의 단자(150))로부터 분리하는 데 이용된다. 도시된 구현예에서, 전계 효과 트랜지스터(FET)의 유형일 수 있는 두 개의 디스크리트 트랜지스터가 도시되어 있다. 다른 트랜지스터 기술이 이용될 수 있지만, FET는 프로세스, 성능(예를 들어, 온-저항), 비용, 규모 등의 면에서 장점을 갖는다. 도시된 구현에서, 두 개의 트랜지스터가 제공되는데 이들은 분리(separate) 충전과 방전 트랜지스터(110, 112)를 나타낸다. 충전 트랜지스터(110)는 배터리 셀(120)의 안전한 충전을 가능하게 하는 데 이용된다. 충전 및 방전 트랜지스터(110, 112)는 직렬로 결합된다. 일 구현에서, 두 개의 NFET 트랜지스타가 이용되며 직렬 구성으로 드레인-드레인 결합된다. 대안적으로, 두 개의 PFET 트랜지스 터가 소스-소스로 이용 및 결합될 수 있다. PFET 방법에서는 배터리 관리 시스템(130)에 전력을 제공하는(즉, Vfet을 공급하는) 데에 도시되지 않은 부가 다이오드가 요구된다.
도시된 구현예에서, 충전 및 방전 트랜지스터(110, 112)는 하이-사이드 구성으로 결합된다(즉, 직렬 트랜지스터가 로우-사이드(low-side) 구성과 대향하여 배터리 셀의 하이 사이드에 결합됨). 도시된 하이-사이드 구성에서, 충전 트랜지스터(110)의 일 단자(NFET 구현에서 소스)는 배터리 셀(120-1)의 양의 단자에 결합된다. 방전 트랜지스터(112)의 일 단자(NFET 구현에서 또한 소스)는 외부 배터리 팩 양의 단자(150)에 결합된다. 충전 및 방전 트랜지스터(110, 112)의 각 제2 단자는 서로 결합된다(NFET 구현에서 드레인-드레인 접합을 형성). 충전 트랜지스터(110)와 방전 트랜지스터(112)의 게이트들은 입력들 OC 및 OD의 각각에서 배터리 관리 시스템(130)에 결합된다. 마찬가지로, 트랜지스터(110, 112) 간의 접합은 칩 입력(본 명에서에서 가끔 명명되며, 도 1B에서 Vfet로서 표기됨)에서 배터리 관리 시스템(130)에 결합된다. 칩 입력은 동작 전원을 배터리 관리 시스템(130)에 공급한다.
도시된 구현에서, 양 방향에서 전류 흐름을 차단하기 위해서는 두 개의 트랜지스터가 요구된다. 보다 구체적으로, FET들은 기생 다이오드(110-1 및 112-1로 각각 표기됨)를 포함하며, 이에 따라 하나의 FET를 가지면 양 방향에서의 전류 흐름의 디세이블링을 허용하지 않는다. 두 개의 FET가 직렬로 이용되는 경우(소스- 소스 또는 드레인-드레인), 배터리 셀 내외로의 전류 흐름이 디세이블될 수 있다. 마찬가지로, 두 개의 트랜지스터가 이용되는 경우, 주어진 시간에 단일 방향으로만 전류 흐름이 가능하도록 선택적인 제어가 행해질 수 있다(즉, 충전은 허용되지만, 방전은 배터리 셀에 충분히 충전되는 경우에만 허용된다.)
배터리 셀(120)은 재충전 가능한 배터리로서 리튬 이온(Li-이온) 또는 리튬 폴리머(Li-폴리머)의 유형일 수 있다. 다른 배터리 기술 유형이 가능하다. 복수의 셀이 제공되는 경우, 배터리 셀(120)은 직렬 결합된다. 도시된 두 셀의 구현에서는, 배터리 셀(120-1)의 최상측 양의 단자는 (예를 들어, 배터리 전압 레벨의 검출이 가능하게 하는) 배터리 관리 시스템(130) 및 디스크리트 트랜지스터 중 하나(즉, 충전 트랜지스터(110))에 결합된다. 최상측 배터리 셀(120-1)의 음의 단자와 최하측 배터리 셀(120-2)의 양의 단자는 입력(170)에서 배터리 관리 시스템(130)에 함께 결합된다. 최하측 배터리 셀(120-2)의 음의 단자는 (예를 들어, 배터리 전압 레벨의 검출이 가능하게 하는) 배터리 관리 시스템(130) 및 션트 저항기(114)의 일 단자에 결합된다. 두 배터리 셀의 구현이 도시되었지만, 하나의 셀 구성이나 그 외 다수의 셀 구성을 포함하는 다른 개수의 배터리 셀이 배터리 팩(110)에 포함될 수 있다. 션트 저항기의 제2 단자는 로컬 그라운드(스마트 배터리 로컬 그라운드), (션트 저항기(114)를 통하는 전류 흐름의 측정이 가능하게 하는) 배터리 관리 시스템(130) 및 배터리 팩(100)의 외부 배터리 팩 음의 단자(140)에 결합된다.
배터리 관리 시스템(130)은 부정확한 동작의 경우 배터리 팩을 보호하는 감시 전자 회로, 남은 배터리 용량을 추정하는 모니터링 전자 회로, 배터리 팩에 결 합된 장치 및/또는 충전기와의 통신 및 시스템 제어를 위한 제어기(예를 들어, 마이크로컨트롤러), 및 메모리(예를 들어, EEPROM, 플래시 ROM, EPROM, RAM 등)를 포함한다. 상술된 바와 같이 특정 배터리 기술은 부적절하게 이용된다면 위험한 상황을 일으킬 수 있다. 예를 들어, Li 이온과 Li 폴리머 배터리는 너무 급속하게 과충전 또는 과방전되는 경우 과열, 폭발, 또는 자가 점화될 수 있다. 또한, Li 이온 및 Li 폴리머 배터리는 너무 과하게 방전되는 경우 이들의 충전 용량의 상당한 양을 손실할 수 있다. 배터리 관리 시스템(130)은 고장 없는 동작을 보장하기 위한 감시 전자 회로를 포함하고, 이들 중 적어도 하나는 과저하 전압 조건으로부터의 회복이다. 과저하 전압 회복을 이하 더욱 상세히 설명한다.
배터리 관리 시스템(130)의 일부인 모니터링 전자 회로는 나머지 배터리 용량을 추정하기 위해 이용될 수 있다. 배터리 용량 정보는 통신 포트 단자(160)를 통해 배터리 관리 시스템(130)과 연결된 장치/충전기 사이에서 통신될 수 있다. 이하 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 마이크로컨트롤러(및 관련 메모리)는 배터리 관리 시스템(130) 내에 포함될 수 있으며 연결된 장치/충전기와의 통신 및 시스템 제어를 제공할 수 있다.
배터리 관리 시스템
도 2는 배터리 팩(100)에 이용되는 예시적인 배터리 관리 시스템(130)의 블럭도를 나타낸다. 배터리 관리 시스템(130)은 일반적으로 프로세서(202)(예를 들어, 저전력, RISC 아키텍처에 기초한 CMOS 8비트 마이크로컨트롤러), 배터리 보호 회로(204), 전류 흐름 제어기(206), 전력 감시기(210), 충전 검출기(212), 클럭 형 성기(214), 포트(216), 메모리(218), 전압 기준(220) 및 와치도그 타이머(222)를 포함한다. 프로세서(202), 포트(216), 배터리 보호 회로(204) 및 전압 기준(220)은 각각 데이터 버스(224)에 결합된다.
배터리 관리 시스템(130)의 실제적 구현은 다른 구성 요소와 서브시스템을 포함하며, 이들은 명확성을 위해서 도 2에서 제거되었다. 예를 들어, 칩(130)은 배터리 모니터링을 위한 회로(예를 들어, 아닐로그-디지털 변환기), 셀 전압을 균형 맞추기 위한 셀 밸런싱 회로(예를 들어, 셀 밸런싱 FET), 외부 장치와의 통신을 위한 통신 장치, 잡음 억제 회로, 기상 타이머, 및 그 외 모니터 또는 제어 회로를 포함할 수 있다.
메모리(218)는 셀 밸런싱, 배터리 보호, 충전 레벨을 결정하기 위한 전류 측정 등과 같은 여러 작업을 실행하기 위해 프로세서(202)에 의해 실행될 수 있는 명령으로 프로그램될 수 있다.
일부 구현에서, 전류 흐름 제어기(206)는 베터리 셀과 장치나 충전기 사이의 전류 흐름을 제어하기 위해 전류 흐름 제어기(206)에 의해 구성될 수 있는 외부 장치에 결합되는 수 개의 출력(예를 들어, OC, OD)을 갖는다. 전류 흐름 제어기(206)는 출력(예를 들어, OC 및 OD)에서 전압을 형성하기 위한 각종 회로 및 로직(예를 들어, 연산 증폭기, 제어 및 상태 레지스터, 트랜지스터, 커패시터, 다이오드, 인버터, 게이트 등)을 포함한다. 일부 구현에서, OC 출력은 충전 이벤트 동안 전류 흐름을 제어하기 위해 충전 FET를 완전히 또는 부분적으로 인에이블 또는 디세이블하기 위해 충전 FET(예를 들어, 충전 트랜지스터(110))의 게이트에 결합된 고 전압 출력이다. OD 출력은 방전 이벤트 동안 전류 흐름을 제어하기 위해 방전 FET를 완전히 또는 부분적으로 인에이블 또는 디세이블하도록 방전 FET(예를 들어, 방전 트랜지스터(112))의 게이트에 결합된 고 전압 출력이다. 도 1B는 전류 흐름 제어기(206)로부터의 제어 전압에 응답하여 전류 흐름을 제어하기 위한 하이 사이드 구현에서의 FET 장치의 예시적 구성을 나타낸다.
전류 흐름 제어기(206)는 인터페이스(240)를 통해 배터리 보호 회로(204)에 결합된다. 배터리 보호 회로(204)는 이상 상태를 검출하고, 배터리 팩(100)이 손상받지 않도록 동작을 초기화(예를 들어, 충전 및 방전 FET를 디세이블하거나 부분 디세이블)하기 위해서, 배터리 셀 전압 및 충전/방전 전류를 모니터링하기 위한 회로(예를 들어, 차동 증폭기)를 포함한다. 이상 상태의 예로는 방전 동안의 최저 전압, 방전 동안의 단락 회로, 및 충전 및 방전 동안의 과전류를 포함하지만 이에만 제한되는 것은 아니다. 일부 구현에서, 전류 감지 저항기(Rsense, 즉 션트 저항기(114))는 배터리 보호 회로(204)의 PPI 및 NNI 입력을 통해 결합되고, 여기에서 PPI는 전류 감지 저항기로부터의 언필터드 양의 입력이고 NNI는 전류 감지 저항기로부터의 언필터드 음의 입력이다. 전류 감지 저항기는 도 1B와 관련하여 설명되는 바와 같이, 배터리 셀(120) 및 배터리 관리 시스템(130)에 결합된다.
과저하 전압 복원 회로를 포함하는 게이트 구동기
이하 도 3을 참조하면, 배터리 팩(100)의 고 전압 전단부의 충전 트랜지스터(OC FET)와 연관된 구동 회로(300)가 도시되어 있다. 구동 회로(300)는 도 2의 전류 흐름 제어기(206)의 일부를 형성하고 게이트 구동기(302), 각각 고 및 저 인에이블 신호(304 및 306), 과저하 전압 회복 모드 신호(308), 복원 회로(310) 및 각각 DUVR 최대 및 DUVR 최소(312, 314)로 표기된 두 기준 신호를 포함한다.
게이트 구동기(302)는 각각 고 및 저 인에이블 신호 입력(304 및 306)을 포함하여 복수의 입력을 포함한다. 게이트 구동기(302)는 또한 복원 회로(310)의 출력 신호(예를 들어, AND 게이트(320)의 출력)을 입력으로서 수신한다. 게이트 구동기(302)는 도 1의 충전 트랜지스터(110)의 게이트에 구동 신호를 제공하는 데에 이용되는 충전 펌프(도시 생략)를 포함한다. OC로 표기된 출력 신호는 충전 트랜지스터(110)의 게이트 입력에 결합된다. 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 게이트 구동기는 세 모드: 하이 모드, 로우 모드 또는 부분 인에이블 모드 중 하나로 구성될 수 있다. 하이 모드에서, 충전 트랜지스터의 게이트는 게이트 구동기(302)에 의해 제공된 구동 신호에 의해(즉, 하이 인에이블 신호(304)에 응답하여) 실질적으로 완전히 인에이블된다. 로우 모드에서, 충전 트랜지스터의 게이트는 게이트 구동기(302)에 의해 제공된 구동 신호에 의해(즉, 로우 인에이블 신호(306)에 응답하여) 실질적으로 완전히 디세이블된다. 부분 인에이블 모드에서, 충전 트랜지스터의 게이트는 충전 트랜지스터 양단(즉, 드레인 소스 접합 양단)의 전위를 조정하고 이로 인해 충전기에 의해 그리고 배러티 팩에의 입력에서 나타난 전위(즉, Vfet)를 조정하도록 구동된다. 부분 인에이블 모드에서, 충전 트랜지스터의 게이트에 제공된 구동 신호는 게이트 구동 신호를 증가시켜 충전 트랜지스터를 더욱 인에이 블하기 위해서 펌핑 업(예를 들어, 게이트 구동기의 충전 펌프에 의해)되거나, 미리 정해진 수의 사이클 동안 감소(예를 들어, 스위치(330)를 전환하고 저항기(332)를 통한 방전을 가능하게 하여)될 수 있다. 부분 인에이블 모드에서, 게이트 드라이버(302)는 DUVR 최대 및 최소 기준 신호(예를 들어, DUVR 최대 및 DUVR 최소(312, 314))에 의해 정의된 대역 내에서 실질적으로 일정한 레벨로 충전기에 의해 나타난 전위를 유지한다(즉, Vfet(405)를 조정함).
당업자라면 (게이트 구동기(302)의 충전 펌프의 펌핑과 스위치(330)로의 방전을 포함하여) 상술된 바와 같은 충전 트랜지스터의 게이트 구동 신호의 부분 인에이블은 단순히 예시적이라는 것을 이해할 것이다. 충전 트랜지스터의 부분 인에이블은 여러 수단에 의해 실행될 수 있다. 충전 트랜지스터를 부분 인에이블하는 시스템의 일 구현예는 도 3과 관련하여 도시된다. 대안적으로, 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 구동 상세 사항(즉, 게이트가 구동되게 되는 레벨에서 변형되는 신호)을 포함하는 부분 인에이블 신호가 입력으로서 게이트 구동기(302)에 제공된다. 부분 인에이블 신호에 응답하여, 충전 트랜지스터의 게이트는 부분 인에이블 신호에 표시된 레벨(즉, 부분 레벨)에서 구동될 수 있다. 대안적으로, 단계의 기능이 게이트 구동기에 의해 이용되고, 부분 인에이블 신호는 단순히 다음 레벨로(상향 또는 하향) 진행하는 경우에 시그널링한다. 게이트 구동기(302)의 부분 인에이블의 상세 사항은 복원 회로(recovery circuit)(310)와 관련하여 또한 도 5에 나타낸 충전 프로세스와 관련하여 이하 상세히 설명된다.
복원 회로(310)는 과저하 전압 회복을 위한 회로를 포함한다. 복원 회로(310)는 일 구현예에서, 게이트 구동기(302)의 부분 인에이블을 제어하는 데에 이용된다. 일 구현에서, 복원 회로(310)는 조합 로직, 즉 두 비교기와 스위치를 포함한다. 구체적으로, 도시된 구현에서, 복원 회로(310)는 두 개의 AND 게이트(320, 322), 두 개의 비교기(324, 326) 및 스위치(330)를 포함한다.
AND 게이트(320, 322) 각각으로의 일 입력은 DUVR 모드 신호(308)에 의해 제공된다. DUVR 모드 신호(308)는 예를 들어, 도 2의 마이크로컨트롤러(220)에 의해 제공될 수 있는 최저 전압 모드 신호이다. DUVR 모드 신호(308)는 배터리 팩이 과저하 전압 회복 상태일 때(예를 들어, 셀이 완전히 방전되어 정상적인 충전 동작 이전에 특수 충전을 필요로 할 때) 인에이블된다. DUVR 모드 신호(308)는 셀 전위 레벨과 최소 전위 레벨의 비교에 응답하여 형성될 수 있다. 셀 전압 레벨은 예를 들어, 배터리 관리 시스템(130)의 모니터에 의해 직접 측정될 수 있다. AND 게이트(320)로의 제2 입력 신호는 비교기(324)의 출력에 결합된다. AND 게이트(322)로의 제2 입력 신호는 비교기(326)의 출력에 결합된다.
상술된 바와 같이, AND 게이트(320)의 출력은 게이트 드라이버(302)의 하이 인에이블 입력에 결합된다. AND 게이트(322)의 출력은 스위치(330)의 게이트에 결합된다. 스위치(330)는 트랜지스터의 형태일 수 있으며 AND 게이트(322)의 출력은 도 3에 나타낸 바와 같이 트랜지스터(330)의 게이트를 구동하는 데에 이용될 수 있다. 도시된 구성에서, 스위치(330)와 배터리 관리 시스템(130)의 접지점 간의 신호 경로는 방전 저항기(332)를 선택적으로 포함할 수 있다. 스위치(330)를 완전히 전환하여(예를 들어, 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하도록 게이트를 구동하여) 구동 회로(300)에 의해 충전 트랜지스터에 전달된 출력 신호는 감소될 수 있다(따라서 충전 트랜지스터를 부분적으로 디세이블함). 게이트 드라이버(302)와 함께 스위치와 저항기(332)의 동작을 이하 상세히 설명한다.
비교기(324, 326) 각각으로의 일 입력은 입력 신호(350)에 의해 제공된다. 보다 구체적으로, 비교기(324)에의 제1("+" 또는 비반전) 입력은 입력 신호(350)에 결합된다. 마찬가지로, 비교기(326)의 제2("-" 또는 반전) 입력은 입력 신호(350)에 결합된다. 여기에서 칩 입력 또는 Vfet로 언급되는 입력 신호(350)는 배터리 관리 시스템(130)의 동작 전위 신호이다. 입력 신호(350)는 실질적으로 직렬 트랜지스터들 간의 노드에서 나타난 전위를 나타낸다(예를 들어, NFET 하이 사이드의 충전 OC와 방전 OD 트랜지스터의 드레인들 간의 노드에서의 전위). 일부 시스템에서 이것은 칩 입력, 즉, 배터리 관리 시스템(130)의 입력 전압, Vfet 또는 VCC로 언급된다.
비교기(324)로의 제2 입력("-" 또는 반전 입력)은 DUVR 최대 기준 신호(312)로 제공된다. 비교기(326)에의 제1 입력("+" 또는 비반전 입력)은 DUVR 최소 기준 신호(314)로 제공된다. 일 구현에서, DUV 최소 기준 신호는 실질적으로 배터리 관리 시스템(130)의 최저 동작 지점에 있도록 설정된다(예를 들어, Vfet는 정상적인 배터리 관리 시스템(130)의 동작을 위한 최소한의 것이다). 하나의 셀 구현에서, DUVR 최소 기준 신호 레벨은 실질적으로 0.9x 볼트이고, 여기에서 x는 실수 승산자 이다. 다수 셀 구현의 일례로, DUVR 최소 기준 신호 레벨은 실질적으로 1.8x 볼트이다. 마찬가지로, 일 구현에서, DUV 최대 임계 레벨은 충전기의 프리차지에서 급속 또는 정상 충전 모드로의 모드 전환과 관련한 전환 레벨 바로 아래(즉, 프리차지 임계 레벨 바로 아래)이도록 설정된다. 단일 셀의 일 구현에서, DUVR 최대 기준 신호 레벨은 실질적으로 1.1x 볼트이다. 다수 셀의 일 구현에서, DUVR 최대 기준 신호 레벨은 실질적으로 2.0x 볼트이다.
동작
도 4에 나타낸 충전 그래프와 관련한 게이트 구동기(302) 및 복원 회로(310)의 동작에 대해 이하 설명한다. 충전 그래프(400)는 X 축(시간)과 Y 축(전위)를 포함하고 구동 회로와 관련된 각종 신호(배터리 관리 시스템에의 입력 전위 Vfet(405), 셀 전위 VCELL(410), 트랜지스터를 충전하는 구동 신호 VOC(415), 및 충전기에 의해 나타난 전위 VBATT(420)(즉, 배터리 팩 "+" 단자에서 나타낸 전위))의 상태를 나타낸다. 네 개의 주기는 리세트(시간 1), 충전기 연결 및 유입(주기 1 내지 2), 부분 충전(주기 2-3) 및 일반 충전(주기 3-4)으로 특성화되어 나타나 있다.
시간 t=0(실질적으로 시간 1과 일치)에서, 배터리 팩은 리세트 모드에 존재하며, 장치에 충전기가 결합되어 있지 않고 연관된 배터리 셀의 실질적으로 0 전위를 갖는다(즉, VCELL은 실질적으로 0이고 셀은 과저하 전압 상태에 있다).
시간 t≥0(주기 1 내지 2로 특성화)에서, 충전기는 배터리 팩에 결합된다. 충전기와 배터리 팩의 결합은 게이트 구동기 전압 VOC(구동 신호 VOC(415)로 나타냄) 를 초기 레벨(그래프 상에서 지점 A에서 나타냄)로의 가파른 상승을 초래한다. 배러티를 충전하기 위해서, 충전 트랜지스터는 배터리로 전하가 흐르도록 적어도 부분적으로 인에이블되어야 한다(따라서 VOC 전위의 상승). 배터리 관리 시스템(130)에의 입력에서 나타난 전위 VFET(405)와 충전기에 의해 나타난 배터리 전위 VBATT(420)의 감소는 게이트 구동기 전압 VOC의 상승과 실질적으로 동시에 일어난다. 실질적으로 시간 2에서, 배터리 관리 시스템(130)과 연관된 마이크로컨트롤러는 후술되는 바와 같이 최저 전압 상태를 검출하여 충전 트랜지스터의 부분 인에이블을 포함하는 과저하 전압 회복을 초기화한다.
이하 부분 충전 주기(주기 2 내지 3으로 특성화됨)를 참조하면, 과저하 전압 회복 모드가 트리거되어 있다. 상술된 바와 같이 과저하 전압 회복은 임계 레벨 미만인 셀의 전압 레벨의 검출에 의해 트리거될 수 있다. 단일 셀의 일 구현에서, 과저하 전압 회복은 충전 시간에서 셀 전압 레벨이 약 1.0x 볼트 미만인 경우 트리거된다. 일 구현에서, 과저하 전압 회복 모드는 배터리 팩을 충전하기 위한 디폴트 시작 모드이다. 과저하 전압 회복 모드에서, 충전 트랜지스터의 게이트에 제공되는 구동 신호 VOC(415)는 배터리 관리 시스템(130)으로의 입력에서 나타난 전위 Vfet(405)가 과저하 전압 회복과 관련된 전체 주기(주기 2 내지 3)동안 일정 수준(예를 들어, 최소 동작 레벨 이상의 수준)으로 실질적으로 통제되도록 조정된다. 도 4에서 나타낸 바와 같이, Vfet(405)는 전체 부분 충전 주기 동안 실질적으로 일 정한 레벨로 유지된다.
과저하 전압 회복 모드에서, 예를 들어, 상술된 게이트 구동기(302)와 복원 회로(310)의 조합에 의한 충전 트랜지스터의 부분 인에이블링으로 충전이 가능하지만, 충전양은 조심스럽게 제어된다. 충전 그래프에서 나타낸 바와 같이, 셀의 전위(VCELL(410))는 전하가 추가되면서 상승한다. 충전이 계속되면, 충전 트랜지스터의 게이트 구동 전위(VOC(415))는(트랜지스터를 더욱 턴온하고 충전 트랜지스터의 드레인-소스 접합 양단의 전위 강하를 줄이기 위해서) 완전히 인에이블되게 조정된다. 일 구현에서, 이 조정은 미리 정해진 사이클 수(예를 들어, 1)동안 게이트 구동기(즉, 게이트 구동기(302))의 충전 펌프의 인에이블을 포함한다. 이러한 동시성 조정은 충전 트랜지스터 양단의 드레인-소스 전위를 저감시키고 배터리 관리 시스템(130)에의 입력에서 실질적으로 일정한(즉, 조정된) 전위(즉, 주기 2-3 동안 일정한 Vfet 신호가 기록됨)가 되게 한다. 예를 들어, 셀이 초기 전압 0.5볼트를 갖고, 배터리 관리 시스템(130)의 최소 동작 전위가 1.0x 볼트인 과저하 전압 회복시, 충전 트랜지스터는 드레인-소스 접합이 셀 전위와 최소 동작 전위(여기에서는 처음에 .7x 볼트) 간의 차이인 전위를 실현하도록 부분적으로 인에이블될 수 있다. 전하가 배터리 셀로 흐르고, 배터리 셀 전위가 상승하면, 충전 트랜지스터의 게이트에 제공되는 구동 전위는 배터리 관리 시스템(130)에 기술된 동작 전위 Vfet(405)를 실질적으로 일정한 최소 동작 레벨 이상으로 유지하기 위해 더욱 조정된다.(이 경우, 드레인-소스 접합 양단의 저항을 낮추고 이에 의해 트랜지스터 양단의 전위 를 낮추기 위해(예를 들어, 미리 정해진 회수 게이트 구동기의 충전 펌프를 펌핑함으로써) 증가된다.) 게이트 구동 신호의 조정이 지나치면(예를 들어, 충전 펌프가 지나치게 사이클링되고 최종 Vfet 동작 레벨이 지나치게 낮게 떨어짐), 게이트 구동 신호는 동작 전위 Vfet(405)를 상승시키기 위해 일정 시간이나 사이클수 동안(예를 들어, 트랜지스터(330)를 전환하고 저항(332)을 통해 트랜지스터의 방전을 가능하게 함으로써) 저감될 수 있다.
셀의 전압이 계속하여 상승하면, 과저하 전압 회복 모드는 종료될 수 있다(주기 3-4의 시작). 종료시, 배터리 팩의 충전 트랜지스터(110)의 완전한 인에이블을 포함하여 일반 충전이 시작될 수 있다.
과저하 전압 회복 방법
이하 도 5A를 참조하면, 과저하 전압 회복을 위한 방법(500)의 흐름도가 도시되어 있다. 회복 방법(500)은 세 단계, 즉 셋업 단계(502), 부분 충전 단계(504) 및 충전 단계(506)를 포함한다.
셋업 단계(502)에서, 충전기는 배터리 팩에 결합된 것으로 검출된다(510). 검출은 방전 트랜지스터의 기생 다이오를 통한 검출 또는 대안적으로, (예를 들어, 배터리 관리 시스템(130)의 충전기 검출 회로에 의해) 배터리 팩의 방전 트랜지스터와 연관되지 않은 별개의 검출을 포함할 수 있다. 검출 후, 배터리 관리 시스템에 전력이 공급되어, 연관된 배터리 셀나 충전기로부터 충분한 동작 레벨의 전력이 공급되게 된다(512). 보다 구체적으로, 하이 사이드 NFET 구성에서, 배터리 관리 시스템은 셀 전위와 충전기 전위 사이에서와 같이 최고 전위 베렐로 충전과 방전 트랜지스터에 존재하는 기생 다이오드에 의해 입력(여기에서 칩 입력이나 Vfet로 언급)에 전력이 공급된다. 충전 이전에 셀이나 충전기 중 하나에 의한 배터리 관리 시스템의 전력 공급은(온도 및 그 외 수집한 데이터와 함께) 셀에 입력된 전하 의 정확한 측정 및 충전 사이클의 완전한 제어(즉, 배터리 관리 시스템의 여러 보호 모드의 인에이블을 포함함)를 가능하게 한다. 배터리 팩의 셀의 전위 레벨을 검출한다. 전위 레벨이 임계 레벨(여기에서 부분 충전 전압 레벨로 언급) 이하가 되면(516), 과저하 전압 회복이 개시되고 프로세스는 단계 520에서 계속된다. 대안적으로, 배터리 팩이 충전기에 결합될 때마다, 과저하 전압 회복 모드가 개시될 수 있다. 셀의 전압 레벨이 임계 레벨 이상이 되면, 일반 충전 사이클이 단계 550에서 시작되게 된다. 일반 충전 사이클(550)에서, 배터리 팩의 충전 트랜지스터는 일반 또는 급속한 셀의 충전을 가능하게 하도록 완전히 인에블된다. 일부 구현에서, 방전 트랜지스터는 충전 사이클 동안 디세이블될 수 있다. 방전 트랜지스터를 디세이블하게 되면 셀의 완전하거나 아니면 충분한 충전 이전에 배터리 팩이 충전기에서 분리되어 장치에 연결되는 것을 방지한다. 다른 구현에서, 배터리 팩의 방전 트랜지스터는 충전 사이클 동안 인에이블된다.
부분 충전 단계(504)에서, 충전기는 저속 모드를 제외하고 셀을 충전하는 것이 가능하다. 충전기를 저속 모드로 유지하기 위해 충전기에서 나타난 전압은 조정되어야 한다. 상술된 바와 같이, 두 개의 동작(즉, 프리차지 및 정상 또는 급속 충전) 모드를 갖는 종래의 충전기는 충전기에 의해 나타난 전압 레벨(이를 셀 전압 레벨로 해석)에 기초하여 동작 모드를 전환한다. 그러나, 일부 특정 배터리 기술은 최저 전압 상태로부터 매우 급속하게 충전될 수 없다. 종래의 충전기가 정상 또는 급속 모드로 미완결로 전환되는 것을 방지하기 위해, 배터리 관리 시스템 및 이에 따라 충전기에 기술된 전압(즉, Vfet)이 조정된다(즉, Vfet는 충전기에 의해 나타난 전압에 대한 공지의 관계를 가지고, 이에 따라 적절한 충전기 동작을 보장하기 위해 조정될 수 있음). 보다 구체적으로, 부분 충전 모드 동안, 충전 트랜지스터에 제공된 구동 신호는 충전 트랜지스터의 드레인-소스 전위 레벨이 셀 전위와 필요한 배터리 관리 시스템 동작 전위 간의 전위차와 동일하도록(또는 이 최소 레벨 이상의 레벨) 조정된다. 셀의 전위 레벨이 상승하면서, 충전 트랜지스터의 드레인-소스 접합 양단의 전위는 배터리 관리 시스템 입력을 실질적으로 정확한 동작 전위로 유지(즉, 조정)하기 위해 조정(즉, 강하)된다. 이것은 셀의 전위 레벨이 회복 전압에 달할 때까지 계속되며, 이 시점에서 최저 전압 모드(및 관련되는 부분 충전 모드)는 종료될 수 있다.
도 5A를 참고하면, 부분 충전 단계(504)에서 충전 트랜지스터는 셀의 충전을 가능하게 하도록 부분적으로 인에이블된다(520). 부분 충전은 트랜지스터를 완전히 인에이블하는 데에 필요한 레벨 미만인 충전 트랜지스터에 게이트 구동 신호를 제공하여 실행될 수 있다. 대안적으로, 일련의 단계는 부분 충전을 용이하게 하도록 실행될 수 있다. 다른 구현에서, 충전 트랜지스터의 게이트 구동기는 배터리 관리 시스템에의 입력 전위와 하나 이상의 기준 신호 간에서 행해진 비교에 기초하여(즉, 충전 트랜지스터의 동작 대역을 형성하도록 입력 전위를 하이 및 로우 기준 신호 DUVR 최대 및 DUVR 최소(312, 314)와 비교하여) 교대로 턴온(예를 들어, 펌핑 업) 및 턴오프(예를 들어, 스위치(330)와 저항기(332)를 통해 방전)될 수 있다. 셀 전위가 부분 충전 전압 레벨 이상으로 상승할 때까지 부분 충전이 계속된다(522). 그 후, 부분 충전 단계(504)는 종료되고 정상 또는 일반 충전이 후속한다(550). 보다 구체적으로, 일 구현에서 상술된 바와 같이, 부분 충전 모드 동안 충전 트랜지스터로의 구동 신호는 충전 트랜지스터의 드레인-소스 전위 레벨이 셀 전위와 필요한 배터리 관리 시스템 동작 전위 간의 전위차와 동일하도록 조정된다.
부분 충전을 제어하기 위한 일 구현을 도 5B에 나타낸다(특히, 단계 532-540를 참조함). 이 구현에서, 충전 트랜지스터의 게이트에의 구동 신호는 동작 대역 동안 조정된다. 원하는 대역에 구동 신호를 유지하기 위해 로직을 이용할 수 있다. 배터리 관리 시스템에의 입력에서 나타난 전위가(충전 동안 배터리 셀의 전위 증가로) 조정되면서, 충전 트랜지스터가 턴온되되는 양이 또한 조정된다. 충전 트랜지스터를 추가로 온 또는 오프로 전환함으로써, 소스-드레인 접합 양단의 저항이 변하여, 배터리 관리 시스템에의 입력에서 나타난 전위의 변경을 가져온다. 보다 구체적으로, 배터리 관리 시스템 입력에서의 전위 레벨에 대한 판정이 행해진다(532). 전위 레벨이 최소 DUV 임계 레벨 이하가 되면(534), 충전 트랜지스터와 관련된 구동 회로는 디세이블되도록 전환된다(536)(일 구현에서, 구동 회로는 블리더 트랜지스터(330) 및 관련된 직렬 저항기(332)가 충전 트랜지스터 출력을 천천히 방전하도록 스위치된다). 충전 트랜지스터로의 구동 신호를 디세이블하여, 트랜지스터는 추가로 턴오프되어, 드레인-소스 접합 양단의 저항의 증가 및 이의 결과로 트랜지스터 양단의 전위의 증가(즉, 전압 강하)를 가져온다 . 트랜지스터 양단의 전위는 클수록 배터리 관리 시스템 입력에 제시되는 전위 레벨로 보다 높게 전환 된다.
대안적으로, 배터리 관리 시스템 입력의 전위 레벨이 최대 DUVR 임계 레벨 이상이면(538), 충전 트랜지스터와 관련된 구동 회로는 인에이블(예를 들어, 미리 정해진 사이클수 동안 게이트 구동기(302)의 충전 펌프에 의해 펌핑업)되도록 전환된다(540). 충전 트랜지스터로의 구동 신호를 인에이블함으로써, 트랜지스터는 추가로 턴온되어 드레인 소스 접합 양단의 저항의 감소 및 이의 결과로 트랜지스터 양단의 전위 저하(즉, 전압 강하)를 가져온다. 트랜지스터 양단의 전위는 낮을수록 배터리 관리 시스템 입력에 제시되는 전위 레벨은 더 낮게 전환된다. 어느 조건도 만족되지 않으면(534, 538), 프로세스는 단계(532)에서 배터리 관리 시스템에 기술된 전위를 결정하도록(필요에 따라) 체킹을 계속한다.
일 구현에서, DUVR 최소 임계 레벨은 배터리 관리 시스템에 대한 실질적으로 최저인 동작 지점 이상이 되게(즉, Vfet는 정상 배터리 관리 시스템 동작을 위해 최소한이 되게) 설정된다. 마찬가지로, 일 구현에서, DUVR 최대 임계 레벨은 충전기의 프리차지로부터 급속 또는 정상 충전 모드로의 모드 전환과 관련된 전환 레벨 바로 아래(다이오드 강하보다 적은 프리차지 임계 레벨 바로 아래)가 되도록 설정 된다.
당업자라면 종래의 충전기가 프리차지로부터 급속 충전 모드로 전환할 때를 결정하기 위해 배터리 셀 전위를 모니터한다는 것을 이해할 것이다. 이들 종래의 시스템에서, 충전기는 통상 배러티 팩 단자에서의 셀 전위를 모니터링한다. 따라서, 배터리 관리 시스템으로의 입력에서의 전위의 조정은 사실상 충전기에 의해 나타난 전위를 조정할 수 있고 이로 인해 배터리 셀이 "준비" 상태일 때까지 충전기의 프리차지 모드로부터 급속 충전 모드로의 전환을 방지할 수 있다(예를 들어, 배터리 셀은 적절한 시간내에 적절한 전위로 증가됨).
본 발명의 다수의 실시예가 설명되었다. 하지만, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양한 변형이 행해질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 과저하 전압 회복 동안 배터리 관리 시스템의 충전 트랜지스터를 부분 인에이블하기 위한 일 방법이 설명되었지만, 소스-드레인 접합 양단의 충전 트랜지스터 전압 강하를 조정하기 위한 다른 방법도 가능하다. 또한, 다른 회로, 로직, 프로그램 명령 등이 배터리 관리 시스템으로의 입력 및 이에 따라 결합된 충전기로의 입력에서 나타낸 전위를 조정하는 데에 이용될 수 있다. 따라서, 이하의 청구범위 내에서 그 외 실시예들도 가능하다.

Claims (21)

  1. 배터리 시스템을 충전하기 위한 방법으로서,
    충전기가 배터리 시스템에 결합되었는지의 여부를 판정하는 것을 인에이블하는 단계 - 상기 배터리 시스템은 하나 이상의 셀 및 충전 인에이블 트랜지스터를 포함함 - ;
    상기 셀들의 전압 레벨이 미리 정해진 제1 저 전압 레벨보다 낮은지의 여부를 판정하는 것을 인에이블하는 단계;
    그러한 경우, 상기 충전기에 의해 나타난 전압을 미리 정해진 제2 전압 레벨보다 낮은 레벨로 조정하도록 상기 충전 트랜지스터 게이트 단자에 인가된 전압을 조정하는 것을 포함하여, 상기 셀들의 충전을 감소된 속도로 인에이블하는 단계; 및
    상기 셀들의 전압이 상기 미리 정해진 제1 저 전압 레벨에 도달하는 경우, 상기 충전기에 의해 최대의 속도(full rate)로 충전 가능하게 하도록 상기 충전 트랜지스터를 실질적으로 최대로 인에이블하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 충전 트랜지스터의 상기 게이트 단자에 인가된 전압을 조정하는 단계는 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계는, 상기 셀들의 전압이 상기 미리 정해진 제1 저 전압 레벨을 초과할 때까지 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계는, 상기 셀들의 전위와 상기 배터리 시스템의 배터리 시스템 모니터 회로에 전원을 공급하는 데 필요한 최소의 동작 전압 간의 차이보다 더 크도록 상기 충전 트랜지스터 양단의 전위를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계는, 상기 충전기에 의해 나타난 전압이, 상기 충전기가 감소된 충전 속도로부터 정상의 충전 속도로 전환하는 전압 레벨보다 낮도록 상기 충전 트랜지스터 양단의 전위를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 시스템은 배터리 모니터링 회로를 포함하는 배터리 관리 시스템 을 포함하고,
    상기 충전 트랜지스터에 인가된 전압을 조정하는 단계는, 상기 배터리 관리 시스템에의 입력에서 나타난 전압을 상기 배터리 관리 시스템에 대한 최소의 동작 전압보다 높은 레벨로 유지하도록 상기 충전 트랜지스터로의 구동 신호를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 시스템은 배터리 모니터링 회로를 포함하는 배터리 관리 시스템을 포함하고,
    상기 충전 트랜지스터에 인가된 전압을 조정하는 단계는, 상기 배터리 관리 시스템에의 입력에서 나타난 전압을, 상기 충전기가 감소된 충전 속도에서 정상의 충전 속도로 전환하는 전압 레벨보다 낮은 레벨로 유지하도록 상기 충전 트랜지스터로의 구동 신호를 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 셀들을 감소된 속도로 충전하기 전에, 상기 배터리 시스템의 모니터링 회로를 인에이블하는 단계; 및
    상기 감소된 속도로 충전되는 상기 셀들을 모니터링하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 시스템을 충전하면서 안전하게 모니터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 배터리 시스템의 셀을 충전하면서 그 용량의 변화를 모니터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 충전 트랜지스터에 인가된 전압을 조정하는 단계는, 상기 배터리 시스템의 동작 전압이 미리 정해진 최대값보다 큰지의 여부를 판정하는 단계를 포함하며, 그러한 경우, 상기 충전 트랜지스터에 제공되는 구동 전압을 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 충전 트랜지스터에 인가된 전압을 조정하는 단계는, 상기 배터리 시스템의 동작 전압이 미리 정해진 최소값보다 작은지의 여부를 판정하는 단계를 포함하며, 그러한 경우, 상기 충전 트랜지스터에 제공되는 구동 전압을 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  13. 배터리 시스템을 충전하는 방법으로서:
    충전기가 배터리 시스템에 결합되었는지의 여부를 판정하는 것을 인에이블하는 단계 - 상기 배터리 시스템은 하나 이상의 셀들, 충전 인에이블 트랜지스터, 및 충전 모니터 제어 회로를 포함함 - ;
    상기 셀들의 충전을 인에이블하기 전에 상기 충전 모니터 제어 회로를 인에이블하는 단계;
    상기 셀들의 전압 레벨이 미리 정해진 제1 저 전압 레벨보다 낮은지의 여부를 판정하는 것을 인에이블하는 단계;
    그러한 경우, 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 것을 포함하여 상기 셀들을 감소된 속도로 충전하는 것을 인에이블하는 단계; 및
    상기 셀들의 전압이 상기 미리 정해진 제1 저 전압 레벨에 도달하는 경우, 상기 충전 트랜지스터를 상기 충전기에 의해 최대의 속도로 충전가능하게 하도록 실질적으로 최대로 인에이블하는 단계
    를 포함하는 베터리 시스템 충전 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 단계는, 상기 충전기에 의해 나타낸 전압을, 미리 정해진 제2 전압 레벨보다 낮은 레벨로 조정하는 단계를 포함하는 베터리 시스템 충전 방법.
  15. 배터리 시스템을 충전하는 방법으로서,
    충전기가 충전 트랜지스터를 통해 배터리 시스템에 결합되었는지의 여부를 판정하는 것을 인에이블하는 단계;
    배터리 시스템의 하나 이상의 셀이, 미리 정해진 제1 임계보다 낮은 전압인 경우, 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블된 상태로 인에이블하여, 감소된 속도의 충전을 허용하는 단계; 및
    상기 판정된 전압 레벨이 상기 미리 정해진 제1 임계 이상인 경우, 상기 충전 트랜지스터를 최대로 인에이블된 상태로 인에이블하여, 최대 속도의 충전을 가능하게 하는 단계
    를 포함하는 베터리 시스템 충전 방법.
  16. 충전기가 배터리 시스템에 결합된 것을 판정하는 것을 인에이블하는 단계 - 상기 배터리 시스템은 하나 이상의 셀들, 상기 하나 이상의 셀들의 충전 레벨을 모니터링하기 위한 모니터링 회로, 상기 하나 이상의 셀들의 충전을 인에이블하기 위한 충전 트랜지스터 및 상기 충전 트랜지스터 게이트 단자를 구동하기 위한 구동 회로를 포함함 - ;
    상기 하나 이상의 셀들의 전압 레벨을 모니터링하고, 상기 모니터링된 전압 레벨이 제1 임계 전압 레벨보다 낮은지의 여부를 판정하는 단계;
    그러한 경우, 상기 충전 트랜지스터 게이트 단자를 부분적으로 인에이블하는 것을 포함하여 상기 셀들을 감소된 속도로 충전하는 것을 인에이블하는 단계; 및
    상기 모니터링된 전압이 상기 제1 임계 전압 레벨을 초과할 때, 상기 충전 트랜지스터를 실질적으로 최대로 인에이블하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 감소된 속도로 충전하는 것을 인에이블하는 단계는 상기 충전기에 의해 나타난 전압을 조정하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 배터리 관리 시스템으로서,
    배터리 팩의 하나 이상의 셀들의 전압 레벨을 검출하도록 동작가능한 모니터; 및
    충전 트랜지스터를,
    상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하는 것을 포함하여 제1 저 전압 모드에서 상기 충전 트랜지스터를 구동하여, 외부 충전기에 의해 나타난 전압을 조정하고;
    상기 충전 트랜지스터를 제2 오프 모드에서 구동하여, 충전을 디세이블(disable)하고,
    상기 충전 트랜지스터를 제3 온 모드에서 구동하여, 완전 충전을 인에이블(enable)하도록 동작가능한 것을 포함하는 적어도 세 모드 중 하나에서 구동하도록 동작가능한 구동 회로
    를 포함하는 배터리 관리 시스템.
  19. 하이-사이드(high-side) NFET 충전 트랜지스터;
    상기 하이-사이드 NFET 충전 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 회로; 및
    충전되는 배터리 셀의 전압 레벨을 모니터링하기 위한 모니터 회로
    를 포함하고,
    상기 구동 회로는, 상기 배터리 셀의 상기 전압 레벨이 충전기가 존재하는 동안 제1 임계 레벨보다 낮은 경우에 상기 하이-사이드 NFET 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하도록 동작가능한 장치.
  20. 배터리 팩의 충전 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 회로; 및
    충전되는 배터리 셀의 전압 레벨을 모니터링하기 위한 모니터 회로
    를 포함하고,
    상기 구동 회로는, 상기 배터리 셀의 상기 전압 레벨이 충전기가 존재하는 동안 제1 임계 레벨보다 낮은 경우에 상기 충전 트랜지스터를 부분적으로 인에이블하도록 동작가능한 장치.
  21. 모니터링된 전압 레벨이 제1 임계 전압 레벨보다 낮은지의 여부를 판정하기 위해, 배터리 팩과 관련된 셀들의 전압 레벨을 모니터링하는 단계;
    상기 배터리 팩에 충전기가 결합되어 있는지의 여부를 판정하는 것을 인에이 블하는 단계; 및
    상기 셀들의 전위가 상기 제1 임계 레벨을 초과할 때까지 상기 충전기에 의해 나타난 전위를 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
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