KR20080113230A - 배터리 팩용 게이트 드라이버 - Google Patents

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KR20080113230A
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driving
cells
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KR1020087024739A
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구나르 강스토에
아르네 아스
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아트멜 코포레이션
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Abstract

배터리 관리를 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다. 일 구현예에서, 방법이 제공된다. 본 방법은 충전기가 배터리 시스템에 결합되었는지를 판단하는 것을 인에이블하는 단계를 포함한다. 상기 배터리 시스템은 하나 이상의 셀들 및 충전 인에이블 트랜지스터를 구비한다. 본 방법은 또한 상기 셀들의 전위보다 실질적으로 큰 전위에서 충전 인에이블 트랜지스터 게이트 단자를 구동하는 단계를 포함하는, 상기 충전 인에이블 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계를 포함한다.
Figure 112008070515910-PCT00001
배터리, 배터리 팩, 충전 및 방전 트랜지스터, 충전 인에이블

Description

배터리 팩용 게이트 드라이버{GATE DRIVER FOR A BATTERY PACK}
본 발명은 전기 회로에 관한 것이다.
현대의 많은 휴대용 장치(예컨대, 랩탑 컴퓨터, 모바일폰, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 미디어 플레이어, PDAs(personal digital assistants), 게임 콘솔 등)는 배터리 팩을 포함하고 있다. 종래 배터리 팩 중 한가지 특정 형태는 하나 이상의 집적 회로(IC) 칩들에 결합된 하나 이상의 배터리 셀들을 포함한다. 이 칩들은 통상적으로 컨트롤러(예컨대, 마이크로컨트롤러) 및 회로를 포함하며, 무엇보다도 배터리 셀의 관리 및 보호를 제공한다.
통상의 일부 배터리 팩은 본질적으로 실린더 내에 휘발성 화학 반응(volatile chemical reaction)을 패키지한 Li-이온(리튬 이온) 배터리 셀을 포함한다. 각 셀에는 전위 에너지가 저장되며, 만일 배터리 셀이 그의 사양을 벗어난 상황에 노출되면, 그 셀은 과열, 발화 또는 폭발할 수 있다. 이러한 휘발성 셀로 구성된 종래의 배터리 팩은 통상적으로 불안전 상황(예컨대, 과전류 충전 또는 방전, 단락 등)을 검출하고, 시정 조치를 취하여 배터리 셀 및/또는 장치의 손상을 방지하고, 최종 사용자를 보호하는 장애시 안전 회로(fail-safe circuitry)를 포함한다.
통상의 일부 배터리 팩에 있어서, 두 개의 외부 트랜지스터(예컨대, 전계효과 트랜지스터(FETs))가 배터리 셀(들)과 직렬로 접속되어 있으며 그 셀들의 충전과 방전을 위해 인에이블 및 디스에이블된다. 이 트랜지스터들은 셀(들)이 하나 이상의 모니터링되는 상태에 근거하여 부적절하거나 위험한 동작을 피하도록 충전기 또는 장치 중 어느 하나로부터 단절되게 한다. FET의 디스에이블링은 너무 오랜 시간 동안 너무 높은 전류, 너무 높거나 너무 낮은 배터리 셀 전압, 또는 너무 높은 온도의 검출 결과로서 단락, 너무 과도한 방전 또는 잘못된 배터리 충전과 같은 소정의 이벤트에 의해 트리거될 수 있다. FET의 인에이블링은 소정의 다른 이벤트에 의해서도 트리거될 수 있는데, 이 이벤트는 잠재적으로 위험한 상황이 발생되지 않거나 해결되었다고 고려될 때이다.
하이사이드 솔루션(high-side solution)으로서 언급된 일 구성에서는, 두 개의 트랜지스터가 셀(들)의 양극 단자와 배터리 팩 양극 단자(예컨대, 장치와의 외부 양극 단자 인터페이스) 사이에 직렬로 연결된다. 로우사이드 솔루션에서는 두 개의 트랜지스터가 셀(들)의 음극 단자와 배터리 팩 음극 단자(예컨대, 장치와의 외부 음극 단자 인터페이스) 사이에 직렬로 연결된다.
일 구현예에서, 배터리 관리를 위한 장치, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다. 일반적으로, 일 양태에서, 방법이 제공된다. 본 방법은 충전기가 배터리 시스템에 결합되었는지를 판단하는 것을 인에이블하는 단계를 포함한다. 상기 배터리 시스템은 하나 이상의 셀들 및 충전 인에이블 트랜지스터를 구비한다. 본 방법은 또한 상기 셀의 전위보다 실질적으로 큰 전위에서 충전 인에이블 트랜지스터 게이트 단자를 구동하는 단계를 포함하는, 충전 인에이블 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계를 포함한다.
본 발명의 양태는 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 구동 단계는 셀 전위의 레벨로 제공된 구동 신호를 부스트하는 단계를 포함할 수 있다. 구동은 충전 인에이블 트랜지스터 게이트 단말을 구동시키기 위해 상기 구동 신호를 부스트된 신호 레벨로 펌핑 업(pumping up)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 구동 신호를 펌핑 업하는 단계는 부스트 신호를 상기 셀의 전위의 구동 신호에 용량적으로 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
구동 신호를 부스트하는 단계는, 구동 신호를 셀의 전위에 상수를 더한 것과 실질적으로 동일한 레벨로 부스트하는 단계를 포함할 수 있다. 상수는 조정 전압의 두배와 실질적으로 같거나 클 수 있으며, 상기 조정 전압은 셀에 의해 발생된다. 상수는 조정 전압의 두 배에서 블록킹 다이오드와 연관된 전압 강하를 뺀 것과 실질적으로 같거나 클 수 있다. 구동 단계는 구동 신호를 부스트 회로를 이용하여 부스트하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 방법은 부스터 회로 및 충전 트랜지스터를 집적 회로 내에 집적하는 단계를 더 포함할 수 있다. 부스터 회로 및 충전 트랜지스터를 집적하는 단계는 고전압 CMOS 프로세스를 이용하여 집적하는 단계를 포함할 수 있다. 집적 단계는 마이크로컨트롤러 및 메모리를 상기 집적 회로에 집적하여 셀 충전 기능을 지원하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구동 단계는 부스터 회로를 이용하여 구동 신호를 부스트하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 부스터 회로 및 충전 트랜지스터를 집적 회로 내에 집적하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 집적 단계는 고전압 CMOS 프로세스를 이용하여 집적하는 단계를 포함할 수 있다. 구동 단계는 부스터 회로를 이용하여 구동 신호를 부스트하는 단계를 포함하며, 상기 방법은 부스터 회로, 마이크로컨트롤러, 메모리 및 상기 충전 트랜지스터를 집적 회로 내에 집적하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 집적 단계는 고전압 CMOS 프로세스를 이용하여 집적하는 단계를 포함할 수 있다.
일반적으로, 일 양태에서, 방법이 제공된다. 본 방법은 장치가 하나 이상의 셀들 및 방전 인에이블 트랜지스터를 구비하는 배터리 시스템에 결합되었는지를 판단하는 것을 인에이블하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 장치에 의한 정상적인 방전을 위하여 방전 인에이블 트랜지스터를 셀들의 전위보다 큰 전위로 구동하는 단계를 포함하는, 방전 인에이블 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계를 더 포함한다.
일반적으로, 일 양태에서, 배터리 시스템을 충전 및 방전하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 배터리 시스템의 하나 이상의 셀들을 충전하기 위한 인에이블 트리거가 존재하는지를 판단하는 것을 인에이블하는 단계를 포함한다. 만일 충전을 위한 인에이블 트리거가 존재하면, 본 방법은 배터리 시스템과 연관된 충전 트랜지스터를 상기 셀의 전위보다 큰 전위로 구동하는 것을 포함하는, 완전히 인에이블된 상태로 상기 충전 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계를 포함한다. 본 방법은 상기 배터리 시스템의 셀을 방전하기 위한 인에이블 트리거가 존재하는지를 판단하는 것을 인에이블하는 단계를 포함한다. 만일 방전을 위한 인에이블 트리거가 존재하면, 본 방법은 상기 배터리 시스템과 연관된 방전 트랜지스터를 상기 셀의 전위보다 큰 전위로 구동시키는 것을 포함하는, 완전히 인에이블된 상태로 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 장치가 제공된다. 본 장치는 배터리 팩의 하나 이상의 셀의 충전을 인에이블하도록 동작가능한 충전 트랜지스터 및 그 충전 트랜지스터를 구동하도록 동작가능한 구동 회로를 포함한다. 구동 회로는 구동 신호를 제공하는 구동 신호원 및 그 구동 신호를 배터리 팩의 셀의 전위보다 큰 부스트된 레벨로 구동하기 위한 신호 부스터를 포함한다.
일반적으로, 일 양태에서, 장치가 제공된다. 본 장치는 하이사이드 NFET 충전 또는 방전 트랜지스터, 및 상기 하이사이드 NFET 충전 또는 방전 트랜지스터를 구동하는 구동 회로를 포함한다. 상기 구동 회로는 구동 신호를 제공하는 구동 신호원, 및 상기 구동 신호를 배터리 팩의 셀의 전위보다 큰 부스트된 레벨로 구동하기 위한 신호 부스터를 포함한다.
일반적으로, 일 양태에서, 장치가 제공된다. 본 장치는 배터리 팩의 충전 또는 방전 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 신호원, 및 구동 신호를 배터리 팩과 연관된 셀의 전위보다 큰 부스트된 레벨로 구동하기 위한 신호 부스터를 포함한다.
본 발명의 양태는 다음 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 배터리 셀 또는 임의의 결합되어 동작중인 충전기 또는 장치의 상태와 무관하게 충전 및 방전 트랜지스터의 완전한 인에이블 및 디스에이블을 허용하는 배터리 관리 시스템이 제안된다. 배터리 관리 시스템에의 입력 전압 레벨보다 높고, 배터리 셀 전위보다 높은 게이트 부스트 신호가 제공되어서, 필요시 완전한 디스에이블 또는 인에이블 기능을 보장할 수 있다. 일 구현예에서, 제안된 배터리 관리 시스템은 하이사이드 NFET 트랜지스터의 완전한 인에이블 및 디스에이블을 고려하며, 이것은 보다 비용 효율적이며, 비용 효율적인 고전압 CMOS 프로세스에서 생성될 수 있다. 또한, NFET는 유사한 규격의 PFET보다 동작 저항(on-resistance)이 작다. 따라서, 하이사이드 NFET를 포함하는 제안된 시스템은 보다 저렴하며 및 또는 더 적은 수의 트랜지스터들로 구현될 수 있다.
제안된 솔루션은 배터리 관리 시스템에서 집적된 고전압 출력 드라이버를 포함한다. 일 솔루션에서, 외부 n-채널 FET 트랜지스터의 게이트를 적절한 온-상태를 달성하기 위하여 충분히 하이 레벨로, 그리고 적절한 오프-상태를 달성하기 위하여 충분히 낮은 레벨로 구동시킬 수 있는 NFET 드라이버가 제공된다. 일 솔루션에서, NFET의 오프 상태는 배터리 관리 시스템의 접지 레벨과 실질적으로 동일한 출력 전압으로 실현되며, 온-상태는 배터리 관리 시스템으로의 전원 전압보다 상당히 높은 출력 전압으로 실현된다.
제안된 솔루션은 게이트 드라이버, 마이크로컨트롤러, 및 비휘발성 메모리가 하나의 집적 칩("IC" 또는 칩)에 집적된 원칩 배터리 관리 솔루션의 일부로서 구현될 수 있다. 이 칩은 비용 효율적인 고전압 CMOS 프로세스로 구현될 수 있다.
제안된 하이사이드 NFET 솔루션에서, 충전 및 방전 트랜지스터로의 드라이버의 출력 레벨은 실질적으로 배터리 관리 시스템의 접지와 배터리 관리 시스템의 전원 전압에 상수를 더한 것과 실질적으로 동일한 전위 레벨 사이의 범위가 될 수 있다. 게이트 구동 신호를 추가로 부스트하면 NFET에게 보다 안정적이고 유연한 구동 상태를 제공하여 주는데, 이것은 NFET의 게이트-소스 전압이 안정적일 것이며 상이한 전원 전압(즉, 상이한 배터리 셀 및 충전기 조건)에 맞는 정확한 레벨로 자동 조절되기 때문이다. 게이트-소스 레벨의 자동 조절은 전체 동작 대역에 대하여 NFET의 정밀하고 완전한 제어를 제공한다.
제안된 하이사이드 솔루션은 또한 종래의 로우사이드 솔루션보다 유리하다. 종래의 로우사이드 FET 솔루션의 드라이버는 FET를 디스에이블하기 위하여 접지보다 상당히 낮은 출력 전압을 필요로 하기 때문에 CMOS로 쉽게 구현되지 않는다. 로우사이드 FET를 구비한 통상의 배터리 팩은 바이폴라 또는 BiCMOS 기술을 필요로 한다. 완전히 집적된 CMOS 솔루션과 비교하여, 바이폴라 솔루션은 마이크로컨트롤러 유닛 및 비휘발성 메모리의 비용 효율적인 집적이 가능하지 않다. BiCMOS 기술은 실행하기에 상당히 더 비싸다.
통신 포트를 포함하는 제안된 배터리 관리 시스템은 통신 신호 레벨 및 배터리 관리 시스템의 접지와 연관된 로우사이드 솔루션에서 나타나는 어려움이 없이 하이사이드 솔루션으로 용이하게 구현될 수 있다. 그러나, 로우사이드 솔루션이 여전히 바람직하더라도, 충전 및 방전 트랜지스터의 게이트 구동 신호를 부스트하는 것과 관련하여 본 명세서에 기술된 교시는 개시된 바와 같은 장점을 여전히 제공할 수 있다. 또한, 비록 NFET 솔루션이 기술될지라도, 부스트 구동 신호는 PFET 솔루션에서도 역시 사용될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들의 상세 내용은 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명에서 기술된다. 본 발명의 다른 특징들, 목적들, 및 이점들은 상세한 설명 및 도면, 그리고 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1A는 배터리 팩을 포함하는 응용물의 개략적인 도면이다.
도 1B는 배터리 팩의 개략적인 도면이다.
도 2는 배터리 관리 시스템의 블록도이다.
도 3은 충전 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 회로의 블록도이다.
도 4는 부스트된 구동 방법의 흐름도이다.
각종 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소를 지시한다.
게이트 드라이버, 마이크로컨트롤러, 비휘발성 메모리, 및 다른 회로 구성 요소들이 단일의 집적 회로에 집적되어 있는 원칩 배터리 관리 시스템에 대하여 언급될 것이다. 대안으로, 제안된 방법 및 시스템은 멀티칩 솔루션으로 실현될 수 있다. 개시된 방법 및 시스템은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 것처럼 이들 및 다른 아키텍쳐들로 구현될 수 있다. 배터리 관리 시스템 모니터 회로에 응답하여 구성 요소들의 완전한 인에이블 또는 디스에이블을 보장하는 방식으로 배터리 팩 내 충전 및 방전 트랜지스터를 인에이블 및 디스에이블하기 위한 방법, 장치 및 시스템이 기술된다.
<배터리 관리 시스템을 포함하는 배터리 팩>
이제 도 1A를 참조하면, 응용물(50)에 사용하기 위한 배터리 팩(100)이 도시된다. 배터리 팩(100)은 장치(102) 또는 충전기(104) 중 하나에 결합될 수 있다. 충전기(104)에 연결되면, 배터리 팩(100)의 단자(즉, 양극 단자, 음극 단자, 및 선택적으로 통신 단자)는 매체(106)에 의해 충전기(104)의 대응하는 단자(즉, 양극 단자, 음극 단자, 및 통신 단자)에 연결되어 배터리 팩(100)과 연관된 셀(들)의 충전을 허용한다. 매체(106)는 전선, 도선, 핀 또는 다른 전기적 접속 수단의 형태가 될 수 있다. 충전은 이하에서 보다 상세히 설명한다.
마찬가지로, 장치(102)에 결합될 때, 배터리 팩(100)의 단자(즉, 양극 단자, 음극 단자, 및 통신 단자)는 매체(108)에 의해 장치(102)의 대응하는 단자(즉, 양극 단자 및 음극 단자)에 결합되어 장치(102)의 동작을 허용한다. 매체(108)는 전선, 도선, 핀 또는 다른 전기적 접속 수단의 형태가 될 수 있다. 몇몇 구현예에서, 배터리 팩(100)은 또한 각각의 통신 포트에서 장치(102) 또는 충전기(104)에 결합된다. 통신 포트는 장치(102)/충전기(104)와 배터리 팩(100) 간의 정보(예컨대, 명령 및 제어)의 전달을 허용한다. 교환될 수 있는 정보의 일 예는 배터리 충전 레벨(즉, 용량)을 포함한다.
도 1B를 참조하면, 배터리 팩(100)의 더 상세한 개략적인 도면이 제공된다. 배터리 팩(100)은 하나 이상의 배터리 셀(120), 개별 트랜지스터(discrete transistor)(110, 112), 분로 저항(114), 및 배터리 관리 시스템(130)을 포함한다. 배터리 관리 시스템(130)은, 이하에 설명되는 바와 같이, 단일의 패키지에 집적될 수 있는(예컨대, 단일의 집적 회로에 집적될 수 있는) 복수의 구성 요소를 포함한 다. 대안으로, 배터리 관리 시스템(130)의 구성 요소는 별도로 패키지될 수 있다. 개별 트랜지스터(110, 120)는 배터리 관리 시스템(130)으로부터 분리되고 개별 패키지(예컨대, 두개의 칩, 또는 세개의 칩 솔루션)에 포함될 수 있거나, 또는 배터리 관리 시스템(130)의 구성 요소와 함께 패키지될 수 있다.
개별 트랜지스터(110, 112)는 배터리 셀(120)을 외부의 배터리 팩 단자(외부의 배터리 팩 양극 단자(150) 및 음극 단자(140))로부터 단절하는데 사용된다. 도시된 구현예에서, 전계 효과 트랜지스터(FET)의 형태가 될 수 있는 두 개의 개별 트랜지스터가 도시된다. 다른 트랜지스터 기술이 사용될 수 있지만, FET는 프로세스, 성능(예컨대, 동작 저항(on-resistance)), 비용, 크기 등의 관점에서 장점을 나타낸다. 도시된 구현예에서, 두 개의 트랜지스터가 제공되며, 이들은 개별의 충전 트랜지스터(110) 및 방전 트랜지스터(112)를 나타낸다. 충전 트랜지스터(110)는 배터리 셀(120)의 안전한 충전을 가능하게 하는데 사용된다. 방전 트랜지스터(112)는 배터리 셀(120)의 안전한 방전을 가능하게 하는데 사용된다. 충전 및 방전 트랜지스터들(110, 112)은 직렬로 결합된다. 일 구현예에서, 두 개의 NFET 트랜지스터가 사용되며 드레인-드레인이 직렬 구성으로 결합된다. 대안으로, 두개의 PFET 트랜지스터가 사용될 수 있고 소스- 소스가 결합될 수 있다. PFET 솔루션에서, 도시되지 않은 추가의 다이오드가 배터리 관리 시스템(130)으로 전원을 제공(즉, Vfet을 공급)하는데 필요할 수 있다.
도시된 구현예에서, 충전 및 방전 트랜지스터(110, 112)는 하이사이드 구성 으로 결합된다(즉, 직렬 트랜지스터들이 로우사이드 구성과 대향하여 배터리 셀의 하이사이드에 결합된다). 도시된 하이사이드 구성에서, 충전 트랜지스터(110)의 일 단자(NFET 구현예에서는 소스)는 배터리 셀(120-1)의 양극 단자에 결합된다. 방전 트랜지스터(112)의 일 단자(또한, NFET 구현예에서 소스)는 외부의 배터리 팩 양극 단자(150)에 결합된다. 충전 및 방전 트랜지스터(110, 112)의 각각의 제2 단자가 서로 결합된다 (NFET 구현예에서 드레인-드레인 접속을 형성한다). 충전 트랜지스터(110) 및 방전 트랜지스터(112)의 게이트는 각각 입력 OC 및 OD에서 배터리 관리 시스템(130)에 결합된다. 마찬가지로, 트랜지스터들(110, 112) 간의 접속은 배터리 관리 시스템 입력(또는 종종 본 명세서에서 언급되며 도 1B에서 Vfet로 표시됨)에서 배터리 관리 시스템(130)에 결합된다. 배터리 관리 시스템 입력은 배터리 관리 시스템(130)으로 동작 전원을 제공한다.
도시된 구현예에서, 전류가 양방향으로 흐르는 것을 차단할 수 있도록 두 개의 트랜지스터가 요구된다. 보다 구체적으로는, FET는 기생 다이오드(각각 110-1 및 112-1로 표시됨)를 포함하며, 따라서 단일의 FET를 갖는다는 것은, 양방향으로 흐르는 전류의 디스에이블을 허용하지 않을 것이다. 두 개의 FET가 직렬(소스 투 소스 또는 드레인 투 드레인 중 어느 하나)로 사용될 때, 배터리 셀의 내부 및 외부로 흐르는 전류가 디스에이블될 수 있다. 마찬가지로, 두 개의 트랜지스터가 사용될 때, 소정 시간에 단지 한방향으로만 전류가 흐르도록 (즉, 충전은 허용되지만, 배터리 셀에 충분한 전하가 배치될 때까지는 방전되지 않도록) 선택적인 제어 가 실행될 수 있다.
배터리 셀(120)은 재충전가능 배터리이며 리튬 이온(Li-ion) 또는 리튬 폴리머(Li-polymer)의 형태가 될 수 있다. 다른 배터리 기술의 형태가 가능하다. 복수의 셀이 제공되는 경우, 배터리 셀(120)은 직렬로 결합된다. 도시된 두 개 셀의 구현예에서, 상위 배터리 셀(120-1)의 양극 단자가 (예컨대, 배터리 전압 레벨의 검출을 위하여) 배터리 관리 시스템(130) 및 개별 트랜지스터들 중 하나(즉, 충전 트랜지스터(110))에 결합된다. 상위 배터리 셀(120-1)의 음극 단자 및 하위 배터리 셀(120-2)의 양극 단자는 함께 결합되어 입력(170)에서 배터리 관리 시스템(130)에 결합된다. 직렬의 하위 배터리 셀(120-2)의 음극 단자는 (예컨대, 배터리 전압 레벨의 검출을 위하여) 배터리 관리 시스템(130) 및 분로 저항(114)의 일 단자에 결합된다. 비록 두 개의 배터리 셀의 구현예가 도시되지만, 단일의 배터리 셀 및 다른 다수의 셀 구성을 포함하는 다른 수의 배터리 셀이 배터리 팩(100)에 포함될 수 있다. 분로 저항의 제2 단자는 로컬 접지(배터리 팩 로컬 접지), 배터리 관리 시스템(130) (분로 저항(114)을 통해 흐르는 전류의 측정을 위하여) 및 배터리 팩(100)의 외부 배터리 팩 음극 단자(140)에 결합된다.
배터리 관리 시스템(130)은 잘못된 동작의 경우에 배터리 팩을 보호하는 감시 전자장치, 배터리 잔량을 추정하는 모니터링 전자장치, 시스템 제어와 장치와의 통신을 위한 컨트롤러(예컨데, 마이크로컨트롤러) 및/또는 배터리 팩, 및 메모리(예컨대, EEPROM, 플래시 ROM, EPROM, RAM 등)에 결합된 충전기를 포함한다. 전술한 바와 같이, 임의의 배터리 기술은 부적절하게 사용되는 경우 위험한 상황을 만 들 수 있다. 예를 들어, Li-이온 및 Li-폴리머 배터리는 과충전되거나 급속 방전되는 경우, 과열, 폭발 또는 자체 발화(self-ignite) 할 수 있다. 또한, Li-이온 및 Li-폴리머 배터리는 방전이 너무 과도하면 상당량의 충전 용량을 잃을 수 있다. 배터리 관리 시스템(130)은 무결함 동작을 보장하는 감시 전자장치를 포함하며, 이들 중 적어도 하나는 충전 트랜지스터(예컨대, 충전 트랜지스터(110))를 완전하게 인에이블 및 디스에이블하여, 부적절한 충전이 발생하지 않도록 한다. 또한, 충전 트랜지스터의 완전한 인에이블 동작은 배터리 셀(들)의 빠른 충전이 가능하도록 제공된다. 마찬가지로, 배터리 관리 시스템(130)은 방전 트랜지스터(예컨대, 방전 트랜지스터(112))의 완전한 인에이블 및 디스에이블 동작을 제공하여 장치에 결합되었을 때 적절한 방전 특성을 보장하는 감시 전자장치를 포함한다. 충전 및 방전 트랜지스터의 인에이블 및 디스에이블 동작은 이하에서 보다 상세히 설명된다.
배터리 관리 시스템(130)의 일부인 모니터링 전자장치는 배터리 잔량을 추정하는데 사용될 수 있다. 배터리 용량 정보는 통신 포트 단자(160)를 통해 배터리 관리 시스템(130)과 접속된 장치/충전기 간에 통신될 수 있다. 이하에서 보다 상세히 설명될 것처럼, 마이크로컨트롤러(및 연관된 메모리)는 배터리 관리 시스템(130) 내에 포함될 수 있으며, 시스템 제어 및 연결된 장치와의 통신을 제공할 수 있다.
<배터리 관리 시스템>
도 2는 배터리 팩(100)에서 사용된 예시적인 배터리 관리 시스템(130)의 블록도를 도시한다. 배터리 관리 시스템(130)은 일반적으로 프로세서(202)(예컨대, RISC 아키텍쳐 기반의 저전력 CMOS 8-비트 마이크로컨트롤러), 배터리 보호 회로(204), 전류 흐름 컨트롤러(206), 전압 조절기(208), 전력 감시기(210), 충전 검출기(212), 클럭 생성기(214), 포트(216), 메모리(218), 전압 기준원(220), 및 워치독 타이머(222)를 포함한다. 프로세서(202), 포트(216), 배터리 보호 회로(204), 및 전압 기준원(220)은 각각 데이터 버스(224)에 결합된다.
배터리 관리 시스템(130)의 실제 구현예는 명료성을 기하기 위해 도 2에서 제외된 그 밖의 구성 요소 및 서브시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(130)은 배터리 모니터링을 위한 회로(예컨대, 아날로그-디지털 변환기), 셀 전압의 밸런싱을 위한 셀 밸런싱 회로(예컨대, 셀 밸런싱 FET), 외부 장치와의 통신을 위한 통신 장치, 잡음 억제 회로, 웨이크업 타이머(wake-up timer), 및 다른 모니터 또는 제어 회로를 포함할 수 있다.
메모리(218)는 셀 밸런싱, 배터리 보호, 및 충전 레벨을 판단하기 위한 전류 측정 등의 각종 작업을 수행하도록 프로세서(202)에 의해 실행될 수 있는 명령어들로 프로그램될 수 있다.
몇몇 구현예에서, 전류 흐름 컨트롤러(206)는 전류 흐름 컨트롤러(206)에 의해 배터리 셀과 장치 또는 충전기 사이에서 전류 흐름을 제어하도록 구성될 수 있는 외부 장치에 결합된 몇몇 출력(예컨대, OC, OD)을 가지고 있다. 전류 흐름 컨트롤러(206)는 출력(예컨대, OC 및 OD)에서 전압을 발생시키는 각종 회로 및 로직(예컨대, 연산 증폭기, 제어 및 상태 레지스터, 트랜지스터, 캐패시터, 다이오드, 인버터, 게이트 등)을 포함한다. 몇몇 구현예에서, OC 출력은 충전 FET(예컨대, 충전 트랜지스터(110))의 게이트에 결합되어 충전 이벤트 동안 전류 흐름을 제어하기 위하여 충전 FET를 완전히 또는 부분적으로 인에이블 또는 디스에이블하는 고전압의 출력이다. OD 출력은 방전 FET(예컨대, 방전 트랜지스터(112))의 게이트에 결합되어 방전 이벤트 동안 전류 흐름을 제어하기 위하여 방전 FET를 완전히 또는 부분적으로 인에이블 또는 디스에이블하는 고전압의 출력이다. 도 1B는 전류 흐름 제어기(206)로부터의 제어 전압에 응답하여 전류 흐름을 제어하기 위한 하이사이드 구현예에서의 FET 장치의 예시적인 구성을 도시한다.
전류 흐름 컨트롤러(206)는 인터페이스(240)를 통하여 배터리 보호 회로(204)에 결합된다. 배터리 보호 회로(204)는 결함 상태를 검출하고, 배터리 팩(100)이 손상되는 것을 보호하는 동작(예컨대, 충전 및 방전 FET를 디스에이블 또는 부분적으로 디스에이블하는 것)을 개시하기 위하여, 배터리 셀 전압과 충전/방전 전류를 모니터하기 위한 회로(예컨대, 차분 증폭기)를 포함한다. 결함 상태의 예로는: 방전 중의 과도한 전압 저하, 방전 중의 단락 회로 및 충전과 방전 중의 과전류를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 몇몇 구현예에서, 전류 감지 저항(Rsense, 즉, 분로 저항(114))이 배터리 보호 회로(204)의 PPI와 NNI 입력의 양단에 결합될 수 있으며, 여기서 PPI는 전류 감지 저항으로부터의 필터링되지 않은 양극 입력이며, NNI는 전류 감지 저항의 필터링되지 않은 음극 입력이다. 전류 감지 저항은 도 1B에 대하여 기술된 바와 같이, 배터리 셀과 배터리 관리 시스템(130)에 결합될 수 있다.
<게이트 드라이버>
이제 도 3을 참조하면, 배터리 팩(100)의 고전압 전단부에서 충전 트랜지스터(OC FET)와 연관된 구동 회로(300)가 도시된다. 구동 회로(300)는 도 2의 전류 흐름 컨트롤러(206)의 일부를 형성하며 게이트 드라이버(302)를 포함한다. 게이트 드라이버(302)는 구동 신호를 충전 트랜지스터(즉, 충전 트랜지스터(110))의 입력 게이트에 제공하도록 동작가능하다. 게이트 드라이버(302)의 또 다른 예는 구동 신호를 방전 트랜지스터(즉, 트랜지스터(112))의 입력 게이트에 제공하도록 동작가능하다. 일 구현예에서, 게이트 드라이버(302)에 의해 제공된 구동 신호는 디스에이블될 때 실질적으로 배터리 관리 시스템(130)의 접지 레벨에 해당하는 레벨로 로우 상태(low state)를 나타내는 것을 특징으로 한다. 일 구현예에서, 게이트 드라이버(302)에 의해 제공된 구동 신호는 인에이블될 때, 실질적으로 배터리 관리 시스템 동작 공급 전압에 상수를 더한 것("부스트")의 레벨로 하이 상태를 나타내는 것을 특징으로 한다. 일 구현예에서, 상수는 충전 트랜지스터를 완전히 인에이블하는 것을 보장하는 크기의 전위이다. 추가적인 부스트를 제공함으로써, 게이트 드라이버(302)는 충전 트랜지스터를 완전히 인에이블하는 것을 보장할 수 있으며 배터리 셀(들)의 신속한 충전을 허용한다.
게이트 드라이버(302)는 하이 및 로우의 인에이블 신호(304, 306) 각각과 클럭 신호(308)를 포함하는 입력들을 포함한다. 게이트 드라이버(302)는 충전 FET(OC FET, 즉, 충전 트랜지스터(110)) 및 방전 트랜지스터(즉, 트랜지스터(112))를 구동하는 출력 신호(310)를 제공한다. 게이트 드라이버(302)는 전하 펌프(303) 및 디스에이블 스위치(350)를 포함한다. 전하 펌프(303)는 구동 신호(인에이블 신호)를 충전 트랜지스터(110)에 제공하도록 동작가능하다. 전하 펌프(303)는 클럭 신호(308) 및 하이 인에이블 신호(304)에 의해 제어된다. 전하 펌프(303)의 제어는 이하에 보다 상세히 설명한다. 디스에이블 스위치(350)는 제2 형태의 구동 신호(디스에이블 신호)를 충전 트랜지스터(110)에 제공하도록 동작가능하다. 디스에이블 스위치(350)는 로우 인에이블 신호(306)에 의해 제어되며, 이하에 보다 상세히 설명한다.
<전하 펌프>
일 구현예에서, 전하 펌프(303)는 구동 신호원(320), 부스트 로직(330), 신호 부스터(340-1 및 340-2) 및 복수의 블록킹 다이오드(342, 344, 346)를 포함한다.
구동 신호원(320)은 전하 펌프(303)의 동작에 의해 펌프 업된 초기 레벨 구동 신호를 제공한다. 도시된 구현예에서, 구동 신호원(320)은 상보 트랜지스터(324, 326)를 포함하는 레벨 시프터의 형태를 갖는다. 도시된 바와 같이, 상보 트랜지스터(324 및 326)는 상보적인, 즉, 소정 시간에서 단지 하나만 인에이블되는 게이트를 갖는다. 상보 트랜지스터(324, 326)의 게이트 입력은 인버터(322)에 의해 제공된다. 인버터(322)로의 입력은 하이 인에이블 신호(304)에 의해 제공된다. 따라서, 하이 인에이블 신호(304)가 하이로 구동됨에 따라, 인버터(322)로의 입력은 하이로 구동된다. 이후, 인버터(322)의 출력은 로우로 구동되며 상보 트랜지스터(324, 326)의 게이트 입력으로 제시된다. 그 로우 입력이 인에이블되는 하이사 이드 트랜지스터(324)는, 인버터(322)에 의해 제공된 로우 신호에 의해 인에이블되며, 그 결과 배터리 관리 시스템 공급 전위(즉, V fet )가 구동 신호원(320)의 출력으로 제시된다. 대안으로, 만일 하이 인에이블 신호(304)가 로우로 구동되면(즉, 인버터(322)로의 입력이 로우이면), 인버터(322)의 출력은 하이로 구동되며 상보 트랜지스터(324, 326)의 게이트 입력에 제시된다. 이 조건에서, 그 하이 입력이 인에이블되는 로우사이드 트랜지스터(326)는 인버터(322)에 의해 제시된 하이 신호에 의해 인에이블되며, 그 결과 배터리 관리 시스템 접지 전위(즉, GND)가 구동 신호원(320)의 출력으로 제시된다. 이러한 방식으로, 구동 신호원(320)은 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 하이 인에이블 신호(304)에 따라서 전하 펌프 회로의 나머지에 실질적으로 접지 또는 실질적으로 동작 전위 신호 중 어느 하나를 제공하도록 구성된다.
구동 신호원(320)의 출력은 블록킹 다이오드(342)의 입력에 제공된다. 블록킹 다이오드(342)는 임의의 리턴 신호를 차단하면서 구동 신호원(320)의 출력 신호가 전하 펌프(303)의 출력을 향하여 보급될 수 있도록 한다. 블록킹 다이오드(342)의 출력은 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 제2 블록킹 다이오드(344)의 입력에 결합된다.
부스트 로직(330)은 구동 신호원(320)에 의해 제공된 구동 신호에의 부스트 신호의 추가를 선택적으로 제어하도록 제공된다. 도시된 구현예에서, 부스트 로직(330)은 AND 게이트(332) 및 인버터(334, 336)를 포함한다. AND 게이트(332)에 의 하나의 입력은 하이 인에이블 신호(304)이다. AND 게이트(332)로의 제2 입력은 클럭 신호(308)이다. 일 구현예에서, 클럭 신호(308)는 전하 펌프가 신속하게 정확한 전위 레벨(예컨대, 3.6 MHz)을 달성할 수 있도록 하는 고속의 클럭 신호이다. 대안으로, 전력을 적게 소모하는 저속의 클럭 신호(예컨대, 131 kHz)가 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 전하 펌프(303)에는 배터리 관리 시스템(130)의 동작 모드에 따라서 클럭 신호 입력(308)에서 고속 또는 저속 클럭 신호 중 하나가 제공된다. 예를 들어, 만일 배터리 관리 시스템(130)이 저전력 모드 또는 슬립 모드에 있다면, 전하 펌프(303)에는 저속 클럭 신호가 제공될 수 있다. 대안으로, 배터리 관리 시스템(130)이 저전력 모드에 있지 않다면, 클럭 신호 입력(308)에는 고속 클럭 신호가 제공될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 저전력 모드에 있을 때라도 전하 펌프(303)에는 소정의 기간 동안(즉, 초기에) 고속 클럭 신호가 제공될 수 있다. 이렇게 함으로써, FET 드라이버(즉, 게이트 드라이버(302))가 저전력 모드에서도 신속하게 정확한 충전 레벨에 도달하도록 보장한다.
AND 게이트(332)의 출력은 인버터(334)의 입력에 제공된다. 인버터(334)의 출력은 인버터(336)의 입력 및 신호 부스터(340-1)의 입력에 제공된다. 인버터(336)의 출력은 신호 부스터(340-2)의 입력에 제공된다. 일 구현예에서, 각각의 부스트 로직 게이트는 배터리 관리 시스템(130)에 의해 제공되는 조정 전압에 의해 전력 공급된다. 조정 전압(VREG)은 배터리 관리 시스템(130)의 전압 조절기(208)(셋업, 선형 조절기 중 어느 하나 또는 양자 모두)에 의해 제공된다.
신호 부스터(340)는 용량성 소자의 형태가 될 수 있다. 일 구현예에서, 각각의 신호 부스터(340)는 실질적으로 10 피코패러드 크기의 캐패시터이다. 신호 부스터(340-1)의 출력은 제2 블록킹 다이오드(344)의 입력에 결합된다. 제2 블록킹 다이오드(344)의 출력은 제3 블록킹 다이오드(346)의 입력에 결합된다. 제1 블록킹 다이오드(342)는 제1 신호 부스터(340-1)의 출력이 구동 신호원(320)으로 리턴되지 못하게 한다. 신호 부스터(340-2)의 출력은 제3 블록킹 다이오드(346)의 입력에 결합된다. 제2 블록킹 다이오드(344)는 신호 부스터(340-2)의 출력이 구동 신호원(320)으로 (또는 그 요소가 신호 부스터(340-1)로) 리턴되지 못하게 한다. 제3 블록킹 다이오드(346)는 신호 부스터(340-2)가 하이로 구동될 때 출력 신호의 부스트를 허용하며 신호 부스터(340-2)가 로우로 구동될 때는 용량성 부하 상의 결과적인 하이 신호 레벨이 신호 부스터(340-2)로 리턴되지 못하게 한다. 제3 블록킹 다이오드(346)의 출력은 출력 신호(310)를 생성하는 게이트 드라이버(302)의 출력에 연결된다. 통상적으로, 출력 신호(310)는 큰 용량성 부하에 결합된다. 전하 펌프(303) 및 그의 각종 구성 요소의 동작을 이하에 보다 상세히 설명한다.
일 구현예에서, 전하 펌프(303)는 클램프(360)를 포함한다. 클램프(360)는 배터리 관리 시스템(130)의 내부 회로를 보호하며, 하이 충전기 전압이 존재할 때 충전 동작이 확실히 디스에이블될 수 있는 클램프를 제공할 수 있다. 도시된 구현예에서, 클램프(360)는 전하 펌프(303)의 출력과 배터리 관리 시스템 접지(GND) 사이에 연결되어서, 전하 펌프에 의해 제공된 인에이블된 구동 신호가 충전 트랜지스터의 입력 게이트를 인에이블시키기에 충분함을 보장하기 위해 적절한 크기 및 비 율을 갖는 제너 다이오드의 형태를 갖는다.
<디스에이블 스위치>
디스에이블 스위치(350)는 또한 디스에이블된 출력 신호(310)를 생성하기 위해 게이트 드라이버의 출력에 결합된다. 디스에이블 스위치(350)는 로우 인에이블 신호(306)에 의해 인에이블된다. 도시된 구현예에서, 디스에이블 스위치는 전하 펌프(303)의 출력과 배터리 관리 시스템 접지(GND) 사이에 결합된 트랜지스터의 형태를 갖는다. 로우 인에이블 신호(306)는 디스에이블 스위치(350)의 인에이블 및 디스에이블 동작을 제어하기 위해 입력으로서 트랜지스터의 게이트에 제공된다. 인에이블 될 때(즉, 로우 인에이블 신호(306)가 설정될 때), 디스에이블 스위치(350)는 칩 접지로의 직접적인 신호 경로를 제공하며, 따라서 접지 신호를 충전 트랜지스터의 게이트에 제공한다 (예컨대, NFET 충전 트랜지스터의 게이트를 완전하게 디스에이블한다). 하이 인에이블 신호(304) 및 로우 인에이블 신호(306)는 상보적이며, 따라서 단지 하나만이 소정 시간에 인에이블된다. 인에이블되는 것에 따라서, 디스에이블 스위치(350) 또는 전하 펌프(303) 중 하나가 출력 신호를 제공함으로써, 충전 트랜지스터의 인에이블 및 디스에이블 동작을 제어하게 된다.
<동작>
게이트 드라이버(302)는 적어도 두 가지 모드: 하이(인에이블) 또는 로우(디스에이블) 중 하나의 모드에서 동작한다. 하이(인에이블) 모드에서, 전하 펌프(303)는 배터리 관리 시스템 공급 전압에 상수를 더한 것과 실질적으로 동일한 레벨의 출력 신호(310)를 제공한다. 일 구현예에서, 상수는 조정된 전압 입력의 두배 빼기 다이오드 전압 강하와 같다 (Voc = VFET + 2VREG - diodes).
도 3에 도시된 구현예에서, 상수는 다음과 같이 생성된다. 게이트 드라이버(302)가 인에이블될 때, 하이 인에이블 신호(304)는 전술한 바와 같이 설정된다. AND 게이트(332)의 입력에 제공된 클럭 신호(308)가 클럭 주파수에서 하이와 로우 사이를 토글한다. 초기에, 게이트 드라이버가 인에이블되고, 어떠한 클럭 신호도 존재하지 않을 때, 다음과 같이 관측될 수 있다: 도 3의 점 A는 실질적으로 Vfet에서 다이오드 전압 강하를 뺀 전위이고, 점 B는 실질적으로 Vfet에서 2 다이오드 전압 강하를 뺀 전위이고, 점 C는 Vfet에서 3 다이오드 전압 강하를 뺀 전위이다. 클럭 신호(308)가 하이로 전이할 때(하이 인에이블 신호(304)가 설정될 것으로 가정함), AND 게이트(332)의 출력은 하이이다. AND 게이트(332)의 하이 출력은 인버터(334)로 제공되며, 그 인버터의 출력은 로우가 된다. 인버터(334)의 로우 출력은 인버터(336)에 결합되고, 그 인버터의 출력은 하이가 된다. 인버터(336)의 하이 출력은 전위(VREG)를 신호 부스터(340-2)의 입력에 제공한다 (예컨대, 용량성 소자(340-2)의 하부 플레이트는 VREG를 참조한다). 인버터(336)에 의해 제공된 입력 전위에 응답하여, 신호 부스터(340-2)의 출력(예컨대, 용량성 소자(340-2)의 반대편 플레이트)은 VREG 전위 만큼 상승된다. 도시된 구현예에서, 용량성 소자는 인버터(336)에 의해 제공된 전위와 동일한 양만큼 충전되어, 노드 B에서 (전하 펌프(303)의 출력에서) 펌프 업 신호를 생성한다. 보다 구체적으로는, 클럭 신호가 하이가 되면, 다음과 같이 관측될 수 있다: 도 3의 점 A에서는 (인버터(334)의 출력에 의해 생성된 로우 때문에) 초기에는 강하되지만, 이어서 Vfet에서 구동 신호원(320)의 출력으로부터의 다이오드 전압 강하를 뺀 레벨로 다시 상승하고; 점 B는 실질적으로 Vfet에 VREG를 더한 전위이고; 점 C는 Vfet에 VREG를 더한 것에서 다이오드 전압 강하를 뺀 전위이다. 클럭 신호가 상태를 바꾸어 다시 하강하여, 인버터(336)가 디스에이블될 경우, 유사한 부스팅이 발생한다.
보다 구체적으로는, 클럭 신호(308)가 로우일 때 (하이 인에이블 신호(304)가 다시 설정되는 것으로 가정함), AND 게이트(332)의 출력은 로우이다. AND 게이트(332)의 로우 출력은 인버터(334)로 제공되며, 그 인버터의 출력은 하이가 된다. 인버터(334)의 하이 출력은 전위(VREG)를 신호 부스터(340-1)의 입력에 제공한다 (예컨대, 용량성 소자(340)의 하부 플레이트는 VREG를 참조한다). 인버터(334)에 의해 제공된 입력 전위에 응답하여, 신호 부스터(340-1)의 출력(예컨대, 용량성 소자(340-1)의 반대편 플레이트)은 VREG 전위만큼 상승한다. 도시된 구현예에서, 용량성 소자는 인버터(334)에 의해 제공된 전위와 동일한 양만큼 충전되어, 노드 A에서(전하 펌프(303)의 출력에서) 펌프 업 신호를 생성한다. 보다 구체적으로는, 클럭 신호가 하강할 때, 다음과 같이 관측될 수 있다: 도 3에서 점 A는 (인버터(334)의 출력에 의해 생성된 하이 신호 레벨 때문에) Vfet에서 다이오드 전압 강하를 뺀 것에 VREG를 더한 것으로 상승하고; 점 B는 실질적으로 Vfet에 2×VREG 마이너스 다이 오드 전압 강하를 더한 전위이며; 점 C는 Vfet에 2×VREG를 더한 것에서 2 다이오드 전압 강하를 뺀 전위이다.
따라서, 클럭 신호를 하이에서 로우로 발진시킴으로써, 신호 부스터(340-1 및 340-2)가 교대로 인에이블(예컨대, 충전) 되어 전하 펌프(303)에 의해 제공된 출력 신호(310)를 펌프 업한다. 노드 A에서, 인에이블될 때(즉, 하이 인에이블 신호(304)가 설정될 때)의 신호 레벨은, 배터리 관리 시스템 공급 전압(즉, VFET)에 VREG (신호 부스터(340-1)로부터의 부스트)를 더한 것에서 하나의 다이오드(예컨대, 블록킹 다이오드(342)) 전압 강하를 뺀 전위와 실질적으로 동일하다. 노드 B에서, 인에이블될 때의 신호 레벨은 배터리 관리 시스템 공급 전압(즉, VFET)에 2×VREG(신호 부스터(340-1)로부터의 한번의 부스트 및 신호 부스터(340-2)로부터의 한번의 부스트)를 더한 것에서 2 다이오드(블록킹 다이오드(342 및 344))의 전압 강하를 뺀 전위와 실질적으로 동일하다. 전하 펌프(303)의 출력(노드 C)에서, 인에이블될 때의 신호 레벨은, 배터리 관리 시스템 공급 전압(즉, VFET)에 2×VREG를 더한 것에서 3 다이오드(블록킹 다이오드(332, 344, 346)) 전압 강하를 뺀 전위와 실질적으로 동일하다. 전술한 바와 같이, 몇몇 구현예에서, 노드 C에 제공된 출력 신호(310)는, 예를 들어, 클램프(360)에 의해 클램프될 수 있다.
도 3이 게이트 드라이버(302)의 일 구현예를 도시하지만, 다른 구성이 가능하다. 예를 들어, 2 이상의 신호 부스터(340)가 게이트 드라이버(302)에 포함될 수 있다. 일 구현예에서, 복수의 신호 부스터들(340-1, . . ., 및 340-n), 연관된 블록킹 다이오드들 및 인버터 로직은 소정 레벨의 부스트된 인에이블 신호를 생성(예컨대, 실질적으로 Vfet에 n*VREG를 더한 것에서 n회의 다이오드 전압 강하를 뺀 것과 동일한 출력 신호를 생성)하는데 사용된다.
몇몇 구현예에서, 다른 회로가 게이트 드라이버(302)와 연관될 수 있다. 예를 들어, 과도한 전압 저하 상태로부터 배터리의 복구를 관리하는데 필요할 수 있는 것과 같이, 충전 트랜지스터의 게이트를 부분적으로 인에이블하기 위해 제어 회로가 제공될 수 있다. 명료성을 기하기 위하여, 이러한 다른 회로 구성 요소는 도시된 구동 회로(300)에서 제외되었다. 또한, 하이 및 로우 인에이블 신호(304 및 306)를 인에이블 및 디스에이블하는 것을 보여주는 세부 사항은 생략되었다. 배터리 관리 시스템(130)의 일부를 형성하는 감시 회로는 하이 및 로우 인에이블 신호(304, 306) 중 하나 또는 양자 모두를 제공할 수 있다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템(130)은 적절한 또는 특이한 충전기의 접속을 검출하는데 사용되는 별개의 입력을 포함할 수 있다. 만일 특이한(즉, 위험한) 충전기가 검출되면, 로우 인에이블 신호(306)가 설정될 수 있다. 하이 및 로우 인에이블 신호(304, 306)의 설정은 마이크로컨트롤러(즉, 프로세서(202)), 배터리 보호 모듈(204), 또는 배터리 관리 시스템(130) 내의 그 밖의 구성 요소에 의해서 또는 그의 감시하에서 이루어질 수 있다.
도 3은 배터리 팩과 연관된 충전 트랜지스터용 게이트 드라이버의 구성을 도 시한다. 유사한 게이트 드라이버가 방전 트랜지스터 용으로 포함될 수 있다. 즉, 일 구현예에서, 배터리 팩의 방전 트랜지스터 용으로 별개의 게이트 드라이버가 제공되어, 각각의 충전 및 방전 트랜지스터의 개별적이며 완전한 제어를 허용한다. 본 기술 분야에서 숙련자라면 충전 트랜지스터와 연관된 게이트 드라이버(예컨대, 게이트 드라이버(302))에 대하여 전술한 모든 변경이 방전 트랜지스터를 완전히 인에이블하기 위해 인에이블 신호를 부스트하는 것을 포함하는 방전 트랜지스터용으로 제공된 게이트 드라이버에 적용가능함을 인식할 것이다.
인에이블 신호를 부스트하는 것(즉, 충전 또는 방전 트랜지스터 중 하나를 완전하게 인에이블시키기 위하여 인가된 신호 레벨을 부스트하는 것)을 언급하였지만, 이러한 교시는 적절하다면 (예컨대, PFET를 사용할 때 및 PFET를 디스에이블 하기 위해 부스트하는 게이트 드라이버를 사용할 때) 디스에이블 신호의 신호 레벨을 부스트하는데 적용될 수 있다.
<게이트 드라이버 방법>
이제 도 4를 참조하면, 충전 또는 방전 트랜지스터 중 어느 하나의 게이트를 구동하는 방법(400)의 흐름도가 제공된다. 구동 방법(400)은 세개의 다른 부분, 즉, 부스트 단계(402), 인에이블 단계(404), 및 디스에이블 단계(406)를 포함한다.
부스트 단계(402)는 인에이블 단계 이전 또는 그와 동시에 발생할 수 있다. 즉, 구동 신호의 부스팅은 충전/방전 트랜지스터의 인에이블 전, 또는 인에이블과 동시에 발생할 수 있다. 부스트 단계는, 변할 수 있는 구동 신호를 제공하는 단계(410)(예컨대, 구동 신호는 배터리 셀(들)의 전위에 따라서 또는 충전기가 존재 할 때 변할 수 있는 배터리 관리 시스템 공급 전압 Vfet임) 및 그 구동 신호를 부스트하는 단계(412)를 포함한다.
인에이블 단계(404)는 인에이블 트리거를 검출하는 단계(420)를 포함한다. 인에이블 트리거는 적절한 충전기의 검출을 포함할 수 있다. 게다가, 인에이블 트리거는 셀(들)이 안전하게 충전될 수 있음을 나타내는 적절한 조건 신호의 검출을 포함할 수 있다. 인에이블 트리거가 검출된 후, 충전 인에이블 신호가 제공될 수 있고(단계 422) 부스트된 구동 인에이블 신호가 충전 트랜지스터에 제공되어(단계 424) 신속하고 완전한 충전을 가능하게 한다.
디스에이블 단계(406)는 디스에이블 트리거를 검출하는 단계(430)를 포함한다. 디스에이블 트리거는 셀(들)이 안전하게 충전될 수 없음을 나타내는 적절한 조건 신호의 검출을 포함할 수 있다. 대안으로, 디스에이블 트리거는 어떤 불안전한 조건을 나타내는 적절한 조건 신호의 검출을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 충전 및 방전 트랜지스터 양자 모두는 단락 회로와 같은 잠재적으로 위험한 조건의 검출에 따라 디스에이블된다. 대안으로, 디스에이블 트리거는 인에이블 트리거의 부재 시에 유지되는 디폴트 설정일 수 있다. 디스에이블 트리거가 검출된 후, 충전 디스에이블 신호가 제공될 수 있고(432), 디스에이블 신호가 충전 트랜지스터로 제공되어(434) 충전을 완전히 디스에이블한다. 방전 트랜지스터를 인에이블 및 디스인에이블하기 위하여 추론 방법이 사용될 수 있다 (즉, 적절한 구동 인에이블을 제공하는 부스트의 관점에서는 유사하지만, 방전 트랜지스터가 명확히 다른 트리거 에 따라서 인에이블 및 디스에이블된다는 점에서는 추론적이다). 전술한 바와 같이, 디스에이블 신호를 부스트하는 것은 충전 또는 방전 트랜지스터의 완전한 디스에이블을 보장하는데 필요한 경우에 가능하다.
본 발명의 다수의 실시예가 기술되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 정신과 범주를 벗어나지 않고도 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 그 밖의 실시예들은 다음의 특허청구범위의 범주 내에 속한다.

Claims (21)

  1. 충전기가 하나 이상의 셀들 및 충전 인에이블 트랜지스터를 구비하는 배터리 시스템에 결합되었는지를 판단하는 것을 인에이블하는 단계; 및
    상기 셀들의 전위보다 실질적으로 큰 전위에서 충전 인에이블 트랜지스터 게이트 단자를 구동하는 단계를 포함하는, 상기 충전 인에이블 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동하는 단계는 상기 셀의 전위의 레벨에서 제공된 구동 신호를 부스트(boost)하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 충전 인에이블 트랜지스터 게이트 단자를 구동시키기 위해 상기 구동 신호를 부스트된 신호 레벨로 펌핑 업(pumping up)하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 구동 신호를 펌핑 업하는 단계는 부스트 신호를 상기 셀들의 전위에서 상기 구동 신호에 용량적으로 결합하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구동 신호를 부스트하는 단계는 상기 셀들의 전위에 상수를 더한 것과 실질적으로 동일한 레벨로 상기 구동 신호를 부스트하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상수는 상기 셀들에 의해 발생되는 조정 전압의 두 배와 실질적으로 동일한 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 상수는 상기 조정 전압의 두 배에서 블록킹 다이오드들과 연관된 전압 강하를 뺀 것과 실질적으로 동일한 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 상수는 상기 셀들에 의해 발생되는 조정 전압의 두 배보다 큰 방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 상수는 상기 조정 전압의 두배에서 블록킹 다이오드들과 연관된 전압 강하를 뺀 것보다 큰 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 구동하는 단계는 구동 신호를 부스터 회로를 이용하여 부스트하는 단계를 포함하며,
    상기 방법은 상기 부스터 회로, 마이크로컨트롤러 및 메모리를 집적 회로 내에 집적하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 집적하는 단계는 고전압 CMOS 프로세스를 이용하여 집적하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 집적하는 단계는 셀 충전 기능을 지원하기 위하여 마이크로컨트롤러 및 메모리를 상기 집적 회로 내에 집적하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 구동하는 단계는 부스터 회로를 이용하여 구동 신호를 부스트하는 단계를 포함하며,
    상기 방법은 상기 부스터 회로 및 상기 충전 트랜지스터를 집적 회로 내에 집적하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 집적하는 단계는 고전압 CMOS 프로세스를 이용하여 집적하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 구동하는 단계는 부스터 회로를 이용하여 구동 신호를 부스트하는 단계를 포함하며,
    상기 방법은 상기 부스터 회로, 마이크로컨트롤러, 메모리 및 상기 충전 트랜지스터를 집적 회로에 집적하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 집적하는 단계는 고전압 CMOS 프로세스를 이용하여 집적하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 장치가 하나 이상의 셀들 및 방전 인에이블 트랜지스터를 구비하는 배터리 시스템에 결합되었는지를 판단하는 것을 인에이블하는 단계; 및
    상기 장치에 의한 정상적인 방전을 가능하게 하기 위하여 상기 방전 인에이블 트랜지스터를 상기 셀들의 전위보다 큰 전위로 구동하는 단계를 포함하는, 상기 방전 인에이블 트랜지스터를 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 배터리 시스템을 충전 및 방전하기 위한 방법으로서,
    배터리 시스템의 하나 이상의 셀들을 충전하기 위한 인에이블 트리거가 존재하는지를 판단하는 것을 인에이블하는 단계;
    그러하다면, 상기 배터리 시스템과 연관된 충전 트랜지스터를 상기 셀의 전위보다 큰 전위로 구동하는 단계를 포함하는, 상기 충전 트랜지스터를 완전히 인에이블된 상태로 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계;
    상기 배터리 시스템의 셀들을 방전시키기 위한 인에이블 트리거가 존재하는지를 판단하는 것을 인에이블하는 단계; 및
    그러하다면, 상기 배터리 시스템과 연관된 방전 트랜지스터를 상기 셀들의 전위보다 큰 전위로 구동하는 단계를 포함하는, 상기 방전 트랜지스터를 완전히 인에이블된 상태로 실질적으로 완전히 인에이블하는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 배터리 팩의 하나 이상의 셀들의 충전을 인에이블하도록 동작가능한 충전 트랜지스터; 및
    상기 충전 트랜지스터를 구동하도록 동작가능한 구동 회로
    를 포함하며,
    상기 구동 회로는,
    구동 신호를 제공하는 구동 신호원; 및
    상기 구동 신호를 상기 배터리 팩의 셀들의 전위보다 큰 부스트된 레벨로 구동하기 위한 신호 부스터를 포함하는 장치.
  20. 하이사이드 NFET 충전 또는 방전 트랜지스터; 및
    상기 하이사이드 NFET 충전 또는 방전 트랜지스터를 구동하는 구동 회로
    를 포함하며,
    상기 구동 회로는,
    구동 신호를 제공하는 구동 신호원, 및
    상기 구동 신호를 상기 배터리 팩의 셀들의 전위보다 큰 부스트된 레벨로 구동하기 위한 신호 부스터를 포함하는 장치.
  21. 배터리 팩의 충전 또는 방전 트랜지스터를 구동하기 위한 구동 신호원; 및
    구동 신호를 상기 배터리 팩과 연관된 셀들의 전위보다 큰 부스트된 레벨로 구동하기 위한 신호 부스터
    를 포함하는 장치.
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