KR20090003878A

KR20090003878A - 유에스비 장치를 이용한 휴대 단말기의 배터리 충전 장치및 방법

Info

Publication number: KR20090003878A
Application number: KR1020070067615A
Authority: KR
Inventors: 김형섭
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2009-01-12
Also published as: US7982428B2; US20090009140A1; CN101340105A; CN101340105B

Abstract

본 발명은 USB(Universal Serial Bus)를 이용한 휴대 단말기의 배터리 충전 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에서, 상기 배터리 충전 장치 및 방법은, 상기 휴대 단말기의 충전부가, 상기 배터리의 전압을 검출하는 검출 과정과, 상기 검출 과정에서, 상기 충전부가 USB의 최대 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 방법을 제공하며, 이에 따라 상기 배터리의 충전 시간을 단축하고, 상기 배터리 충전시 소모되는 전력을 감소시킬 수 있다.

USB, 휴대 단말기, 충전 회로, 전압 검출기, 배터리

Description

유에스비 장치를 이용한 휴대 단말기의 배터리 충전 장치 및 방법{An Apparatus for recharging a battery using USB devices in a portable terminal and a method thereof}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 충전부를 구비한 휴대 단말기의 내부 구성을 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 휴대 단말기와 컴퓨터의 연결을 도시하는 도면.

도 3은 도 2에서 도시한 휴대 단말기의 충전부 및 배터리를 도시하는 도면.

도 4는 도 3에서 도시한 충전 회로의 내부 구성을 도시하는 도면.

도 5a 및 도 5b는 충전 전류와 배터리 전압과의 관계를 설명하기 위한 그래프.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리의 충전 절차를 도시하는 흐름도.

본 발명은 휴대 단말기에 관한 것으로, 특히, USB(Universal Serial Bus)를 이용하여 휴대 단말기의 배터리를 충전하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

USB는 컴퓨터와 주변기기의 상호접속 (Interconnection)을 위하여, 컴퓨터 관련 주요 업체들에 의해 개발된 컴퓨터 주변장치의 접속 표준이다. 상기 USB는 컴퓨터의 전원이 켜져 있는 상태에서, 프린터, 스캐너, 모니터, 마우스 등과 같은 주변기기가 접속되면 자동으로 인식을 한다. 따라서 상기 주변기기를 컴퓨터에 연결할 때, 컴퓨터를 재부팅하지 않아도 된다. 또한 USB 포트는 상기 주변기기의 연결에 사용되는 병렬 및 직렬 포트보다 속도가 빠르고 크기가 작으며, USB 허브(Hub)를 이용하면 최대 127개의 주변기기를 연결할 수 있는 장점을 가진다. 그리고 상기 USB는 일반 스펙에서는 500mA, 저전력 스펙에서는 100mA의 전류을 공급할 수 있다. 따라서 상기 USB는 전원 공급 장치로서의 사용도 가능하다.

상기 USB를 충전에 이용하기 위해서는 충전 회로가 필요하며, 상기 충전 회로는 IC(Integrated Circuit) 제작사에서 만든 USB Charger IC 또는 FET(Field Effect Transistor)가 일반적으로 많이 사용된다.

상기 USB Charger IC를 사용하는 경우, 회로가 안정이기는 하나 가격이 비싸고, 복잡한 회로 구성으로 인해 IC를 제어하기 어려운 문제점이 있다. 또한 FET를 사용하는 방법은 경제적이기는 하나, 충전 전압 범위(0V~5V)가 너무 넓어서 배터리에 충분한 충전 전류를 공급할 수 없는 단점이 있다.

통상적으로 배터리 충전 회로를 이용한 배터리 충전은, USB 전원 공급 장치에서 공급되는 USB 전압이 배터리의 전압보다 높으면, USB충전 전류를 상기 배터리에 공급하는 과정을 통해 이루어진다. 여기서, 상기 휴대 단말기가 자동 오프될 정도로 방전된 상태의 배터리 전압은 0V(완전 방전 전압)가 아닌 3V정도이다. 종래의 USB충전 회로는 배터리가 0V일 때 USB의 최대 전류로 상기 배터리를 충전하고, 5V일 때 USB의 최소 전류로 상기 배터리를 충전하도록 설계되어 있다. 따라서 배터리의 전압이 3V까지 방전되어 상기 휴대 단말기가 자동 오프될 때, 종래의 USB충전 회로는 USB 최대 충전 전류의 절반 정도밖에 상기 배터리에 공급하지 못하므로 비효율적이다.

따라서 본 발명의 목적은 충전부를 구비하는 휴대 단말기에서, 상기 충전부가 배터리의 전압을 검출한 후, 검출된 전압이 최대 충전 설정 전압이면, USB의 최대 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 충전부를 구비하는 휴대 단말기에서, 상기 충전부가 배터리의 전압을 검출한 후, 검출된 전압이 최대 충전 설정 전압 초과 만충 전압 이하의 전압이면 종래의 충전 회로보다 높은 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 휴대 단말기의 배터리 충전 장치는, 상기 배터리의 전압을 검출하고, 검출된 전압이 특정 범위의 전압인 경우 스위치를 온 하도록 신호를 발생하는 전압 검출기와, 상기 전압 검출기로부터 신호를 받고 스위치를 조정하는 조정부와, 상기 조정부에 따라 스위치를 온/오프하는 스위치부 및 상기 배터리에 공급되는 전류량을 조절하는 저항을 포함하여 구성된다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 휴대 단말 기의 배터리 충전 방법은, 상기 휴대 단말기의 충전부가, 상기 배터리의 전압을 검출하는 과정과, 검출된 배터리의 전압이 최대 충전 설정 전압인 경우 최대 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 과정을 포함하여 이루어진다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 휴대 단말기의 배터리 충전 방법은, 상기 휴대 단말기의 충전부가, 상기 배터리의 전압을 판단하는 과정과, 상기 판단 결과 상기 배터리의 전압이 최대 충전 설정 전압이면, 상기 충전부가 USB의 최대 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 과정과, 상기 판단 결과 상기 배터리의 전압이 최대 충전 설정 전압 초과 만충 전압 이하이면, 상기 충전부가, 상기 배터리의 전압에 따른 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 과정을 포함하여 이루어진다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명을, 첨부한 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 충전 회로를 구비할 수 있는 휴대 단말기의 종류로는, 이동통신 단말기, 디지털 방송 단말기, MP3(MPEG Audio Layer-3) 플레이어, PMP(Portable Multimedia Player), 디지털 카메라(Digital Camera), 네비게이션(Navigation) 단말기, 개인 정보 단말기(PDA, Personal Digital Assistant), 스마트 폰(Smart Phone), IMT-2000(International Mobile Telecommunication 2000) 단말기, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access) 단말기 및 UMTS(Universal Mobile Telecommunication Service) 단말기 등과 같은 모든 정보통신기기 및 멀티미디어 기기가 있다.

그러면 이하에서는, 충전부를 구비한 휴대 단말기의 바람직한 동작 실시 예들을, 첨부한 도면들을 참조하여 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 충전부를 구비한 휴대 단말기의 내부 구성을 도시한 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 상기 휴대 단말기(1)는, 표시부(110), 오디오 처리부(120), 입력부(130), 저장부(140), 무선 통신부(150), 제어부(160)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 휴대 단말기(1)는 충전부(10)를 더 포함한다.

표시부(110)는 액정표시장치(LCD, Liquid Crystal Display)로 형성될 수 있으며, 이 경우 표시부(190)는 액정표시장치를 제어하기 위한 제어장치, 영상 데이터를 저장할 수 있는 비디오 메모리 및 액정표시장치의 소자 등을 구비할 수 있다.

오디오 처리부(120)는 제어부(160)에서 출력되는 오디오 신호를 재생하거나 또는 마이크(MIC)로부터 입력되는 음성 등의 오디오 신호를 제어부(160)에 전송하는 기능을 수행한다.

입력부(130)는 숫자 또는 문자 정보를 입력받고 각종 기능들을 설정하기 위한 다수의 입력키들 및 기능 키들을 포함한다. 상기 기능 키들은 특정 기능을 수행하도록 설정된 방향키, 사이드 키 및 단축키 등을 포함할 수 있다.

저장부(140)는 프로그램 영역 및 데이터 영역을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 프로그램 영역은 휴대 단말기(1)를 부팅(booting)시키는 운영체제(OS, Operating System) 및 상기 휴대 단말기(1)의 기타 옵션(options) 기능 등에 필요한 응용 프로그램 등을 저장할 수 있다. 또한, 데이터 영역은 휴대 단말기(1) 사용에 따른 사용자 데이터가 저장되는 영역으로서, 예컨대, 음악 파일, 동영상 파일 등이 저장될 수 있다.

무선 통신부(150)는 휴대 단말기(1)의 발신 및 착신 통신 기능을 수행한다. 여기서 상기 무선 통신부(150)는 송신 신호의 주파수를 상승 변환(Up-Convertiong)하고, 수신 신호의 주파수를 하강 변환(Down-Convertiong)하는 주파수 변환기와 안테나를 통해 송수신되는 신호를 분리하는 듀플렉서 등을 구비할 수 있다.

제어부(160)는 휴대 단말기(1)의 전반적인 동작 및 휴대 단말기(1)의 내부 블록들 간 신호 흐름을 제어한다. 즉, 제어부(160)는 표시부(110), 오디오 처리부(120), 입력부(130), 저장부(140) 및 무선 통신부(150) 등의 각 구성 간의 신호 흐름을 제어한다. 또한, 입력부(130)로부터 입력되는 입력 신호(예컨대, 키 입력 신호, 터치스크린을 터치하는 터치 이벤트)에 따라 휴대 단말기의 각 기능을 수행하며, 이러한 기능 수행에 따른 현재 상태 및 사용자 메뉴 등의 정보를 표시부(110)를 통해 표시한다.

충전부(10)는 휴대 단말기(1)에 구비되는 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 기능을 수행한다. 통상적으로 배터리의 충전은 상기 배터리에 충전 전류를 공급하는 과정을 통해 이뤄진다. 전원 공급 장치로부터 상기 휴대 단말기(1)에 전압 및 전류가 인가되면, 상기 휴대 단말기(1)는 상기 휴대 단말기(1)에 인가된 전압과 상기 배터리의 전압을 비교한다. 이 때 상기 휴대 단말기(1)에 인가된 전압이 상기 배터리의 전압보다 높으면, 상기 충전부(10)는 상기 휴대 단말기(1)에 인가된 전류로 상기 배터리를 충전한다. 한편 상기 휴대 단말기(1)에 인가된 전압이 상기 배터리의 전압보다 낮으면, 상기 휴대 단말기(1)에 인가된 전류는 상기 배터리에 공급되지 못하고 상기 충전부(10)에 존재하게 되며, 결국 상기 배터리의 충전은 이뤄지지 않는다.

특히, 본 발명의 실시 예에 따른 충전부(10)는, USB 전원 공급 장치에서 공급받은 USB 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다. USB 전압이 공급되는 상태에서, 상기 충전부(10)는 상기 배터리의 전압을 감지한다. 감지 결과, 상기 배터리의 전압이 특정 범위의 전압이면 상기 충전부(10)는 상기 감지한 배터리의 해당 전압에 대응하는 충전 전류로 상기 배터리의 충전을 시작한다. 이에 의거하여 본 발명의 실시 예에서는 배터리의 충전 시간을 단축하여 상기 배터리를 충전할 수 있다.

최대 충전 설정 전압이 3V인 경우를 가정하여 예를 들면, 감지한 전압이 3V이면 충전부(10)는 최대 충전 전류 500mA에서 충전을 시작한다. 또한 감지한 전압이 3.7V이면, 충전부(10)는 그에 해당하는 충전 전류 210mA에서 충전을 시작할 수 있다.

즉, 감지한 상기 배터리의 전압이 최대 충전 설정 전압이면, 상기 충전부(10)는 최대 충전 전류로 상기 배터리를 충전할 수 있다. 또한 상기 배터리의 전 압이 최대 충전 설정 전압 초과 만충 전압 이하이면, 상기 충전부(10)는 상기 감지한 전압에 대응하는 최대 충전 전류에서 상기 배터리를 충전할 수 있다. 따라서 상기 배터리의 전압이 최대 충전 설정 전압인 경우와, 상기 최대 충전 설정 전압 초과 만충 전압 이하인 경우, 종래의 배터리 충전 방식과 비교하여, 높은 충전 전류로 상기 배터리를 충전할 수 있다.

상기 특정 범위의 전압은, 최대 충전 설정 전압 이상 만충 전압 이하의 전압임이 바람직하다.

상기 최대 충전 설정 전압은, 상기 배터리의 과방전 차단 전압 내지 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압 사이에서 배터리 설계에 따라 설정되는 기준 전압이다. 바람직하게는 설계하는 배터리의 특성에 따라 2.4V 내지 3V 중 어느 하나의 값으로 설정될 수 있다. 그러나 이는 단지 2.4V 내지 3V로 한정되지 않으며, 상기 휴대 단말기(1)에 구비되는 배터리의 종류 및 특성에 따라 달라질 수 있다.

상기 과방전 차단 전압은, 상기 배터리에 내장된 보호회로가 상기 배터리의 방전을 중지시킬 때의 전압으로서, 바람직하게는 2.4V이다. 그러나 이는 단지 2.4V로 한정되지 않으며, 상기 휴대 단말기(1)에 구비되는 배터리의 종류 및 특성에 따라 달라질 수 있다. 상기 휴대 단말기(1)가 자동 오프될 때의 전압은 3V이다. 그러나 이는 단지 3V로 한정되지 않으며, 상기 휴대 단말기(1)에 구비되는 배터리의 종류 및 특성에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 상기 배터리가 상기 휴대 단말기(1)가 자동 오프될 때의 전압까지 방전되면, 상기 제어부(160)는 화면에 "배터리가 부족하여 자동 종료됩니다"와 같은 메시지를 출력한 후, 휴대 단말기(1)의 전원을 오프 시킬 수 있다.

상기 보호회로는, 과방전으로 인한 배터리의 손상을 막기 위해, 상기 배터리의 전압이 과방전 차단 전압(2.4V)까지 내려가면, 상기 배터리의 방전을 중지시킨다. 또한 과충전으로 인한 배터리의 폭발을 막기 위해, 상기 배터리가 만충되면, 상기 배터리의 충전을 중지시키는 기능을 수행한다.

상기 만충 전압은, 상기 배터리가 완전 충전되었을 때의 전압으로써, 바람직하게는 4.2V이다. 그러나 이는 단지 4.2V로 한정되지 않으며, 상기 휴대 단말기(1)에 구비되는 배터리의 종류 및 특성에 따라 달라질 수 있다.

또한 상기 최대 충전 전류는, USB 전원 공급 장치가 상기 배터리에 공급할 수 있는 최대 전류로써, 상기 휴대 단말기(1)에 구비되는 배터리의 종류 및 특성에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 휴대 단말기(1)에 구비되는 배터리의 종류 및 특성에 따른 USB 스펙에 따라 100mA, 500mA 등과 같은 충전 전류가 상기 휴대 단말기(1)의 배터리에 인가될 수 있다. 이하에서 설명하는 본 발명의 실시 예에서는 최대 충전 전류가 500mA인 경우를 대표하여 설명함에 유의하여야 한다.

도2는 본 발명의 실시 예에 따른 휴대 단말기와 컴퓨터의 연결을 도시하는 도면이다. 상기 도 2를 참조하면, 상기 휴대 단말기(1)의 데이터 통신 포트(3)는, USB 케이블(5)을 통해 컴퓨터(11)의 USB 포트(13)와 연결되어 있으며, 상기 컴퓨터(11)로부터 공급되는 데이터 및 전원을 상기 휴대 단말기(1)로 전달하는 기능을 수행한다.

상기 데이터 및 전원의 전달 과정을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

상기 컴퓨터(11)가 교류 전압을 입력받으면, 상기 컴퓨터(11)에 구비되어 있는 전원부(SMPS : Switching Mode Power Supply, 15)는 상기 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 이 때, 변환된 직류 전압, 즉 USB 전압은 상기 USB 케이블(5)을 통해 상기 휴대 단말기(1)로 전달되어, 상기 휴대 단말기(1)의 배터리(30)를 충전하는 데 사용된다. 여기서 상기 휴대 단말기(1)로 전달될 수 있는 최대 USB 전압은 5V이고, 최대 USB 전류는 USB 스펙에 따른 500mA이다.

상기 USB 케이블(5)은 4개의 선으로 이루어져 있으며, 상기 4개의 선은 양전압(V+)선, 음전압(V-)선 및 D+와 D-의 디퍼렌셜 신호(differential signal)선을 의미한다.

USB 전압은 상기 USB 케이블(5)의 양전압(V+)선과 음전압(V-)선을 통해서 상기 배터리(30)로 인가된다. 이 때, 상기 음전압(V-)선은 충전 회로의 그라운드(GND)와 연결되어 접지되며, 상기 양전압(V+)선은 상기 USB 전압을 후술하는 도 3의 충전 회로(21)로 전달한다. 또한, 상기 디퍼렌셜 신호(differential signal)선은 후술하는 도 3의 USB 컨트롤러(23)에 데이터를 전달한다.

도 3은 도 2에서 도시한 휴대 단말기의 충전부 및 배터리를 도시하는 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 충전부(10)는 데이터 통신 포트(3), 충전 회로(21) 및 USB 컨트롤러(Controller, 23)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 데이터 통신 포트(3)는 휴대 단말기(1)와 USB 케이블(5)의 접속 단자로써, 컴퓨터(11)로부터 공급되는 전원 및 데이터를 상기 휴대 단말기(1)로 전달하는 기능을 수행한다.

상기 USB 컨트롤러(23)는, 상기 컴퓨터(11)에서 상기 휴대 단말기(1)로 전달된 데이터를 수신 및 처리하는 기능을 수행하며, 또한 상기 휴대 단말기(1)의 저장부(140)에 저장되어 있는 데이터를 상기 컴퓨터(11)로 송신할 수 있다.

상기 배터리(30)는 상기 휴대 단말기(1)에 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 본 발명의 실시 예로 사용할 수 있는 배터리는, 재충전이 가능한 니카드(Ni-Cd) 배터리, 니켈수소(Ni-MH) 배터리, 리튬이온(Li-Ion) 배터리 및 리튬포리머(Li-Polymer) 배터리 등이 있다.

본 발명에서는 현재 휴대 단말기의 배터리로 가장 많이 사용되고 있는 리튬이온 배터리를 한 예로 하여, 상기 리튬이온 배터리의 충전 과정을 설명하고자 한다. 상기 리튬이온 배터리의 정격 전압은 3.7V이며, 휴대 단말기의 전원이 자동 오프될 정도로 방전된 상태의 전압은 3V, 만충되었을 때의 전압은 4.2V 이다.

또한 상기 리튬이온 배터리는 보호 회로를 내장하고 있다. 상기 보호 회로는 상기 리튬이온 배터리의 전압이 상기 만충 전압보다 높아지면, 전압의 흐름을 차단하는 기능을 수행한다. 예컨대, 상기 리튬이온 배터리의 전압이 만충 전압인 4.2V보다 높아지면, 상기 리튬이온 배터리의 내부에 있는 전해액이 분해되어, 상기 리튬이온 배터리는 폭발할 수 있다. 또한 상기 리튬이온 배터리의 전압이 2.4V 이하로 방전되면 상기 배터리(30) 내부의 음극의 집전체인 전해액이 녹아 전지의 성능이 떨어지게 된다. 이러한 위험으로부터 상기 리튬이온 배터리를 보호하기 위해, 상기 리튬이온 배터리에는 보호 회로가 내장되어 있다.

상기 충전 회로(21)는 상기 배터리(30)의 전압을 감지한 후, 상기 배터리(30)의 전압이 최대 충전 설정 전압일 경우, USB의 최대 충전 전류로 상기 배터리(30)를 충전할 수 있다. 상기 충전 회로(21)는 전압검출기, 조정부, 스위치부, 저항 등을 포함하여 구성될 수 있다. 이는 후술하는 도 4의 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 충전 회로(21)의 일반적인 구성 요소를 살펴보았다. 이하에서는 상기 충전 회로(21)의 구체적인 내부구성에 대하여 후술하는 도 4의 도면을 참조하여 더 상세히 살펴보기로 한다.

도4는 도 3에서 도시한 충전 회로의 내부 구성을 도시하는 도면이며, 도 5a 및 도 5b는 충전 전류와 배터리 전압과의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.

상기 도 4를 참조하면 상기 충전 회로(21)는, 배터리(30)의 전압을 검출하는 전압검출기(40), 스위치부의 동작을 제어하는 조정부, 충전 전류의 흐름을 조절하는 스위치부, 상기 배터리(30)에 공급되는 충전 전류량을 조절하는 저항(37), 휴대 단말기(1)에 공급되는 USB 전압을 조절하는 다이오드(31)로 구성된다.

상기 다이오드(31)는 상기 배터리(30)가 만충 상태이면 더 이상 충전되지 않도록, 휴대 단말기(1)에 공급되는 USB 전압을 0.7V 정도 강하시킨다. 또한 충전 전류가 휴대 단말기(1)에서 컴퓨터(11)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

상기 조정부는, USB 전압이 상기 충전 회로(21)에 공급될 때, 상기 전압 검출기(40)로부터 인가받은 신호로 스위치부를 조정한다.

본 발명의 실시 예에서는 상기 조정부에 사용되는 논리 소자(Logic Gates) 로, 모든 입력에 신호가 들어올 때만 출력에 신호가 나타나도록 구성된 앤드게이트(AND Gate, 33)를 예로 하여 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 조정부는, 입력 신호를 판단하여 상기 스위치의 동작을 제어하는 출력 신호를 나타내는 논리 소자로, OR게이트, NOT게이트, NAND게이트, NOR게이트 등을 사용할 수 있으며, 상술한 소자들의 확장된 형태 및 변형된 형태들에 있어서도 다양하게 응용할 수 있을 것이다.

상기 스위치부는 상기 조정부에서 인가받은 신호로 스위치를 온/오프하여, 충전 전류의 흐름을 제어한다.

본 발명의 실시 예에서는 상기 스위치부에 사용되는 스위치로 NMOS (N-channel Metal Oxide Semiconductor, 35)를 예로 하여 설명하지만, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 스위치는 일측으로부터 전달되는 신호를 타측으로 선택적으로 전달할 수 있는 하드웨어 장치로서, 트랜지스터(Transistor), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor), PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor), BJT(Bipolar Junction Transistor), 토글 스위치 등을 이용할 수 있으며, 상술한 소자들의 확장된 형태 및 변형된 형태들에 있어서도 다양하게 응용할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명에서 설명하는 드레인(Drain), 게이트(Gate), 소스(Source) 단 각각은 상기 NMOS가 상기 BJT로 대체되는 경우, 이미터(Emitter), 베이스(Base), 콜렉터(Collector) 단으로 각각 대응될 수 있다.

상기 저항(37)은 상기 배터리(30)에 공급되는 충전 전류를 조절하는 기능을 한다. 특히, 본 발명의 실시 예에 따른 저항(37)은 상기 배터리(30)의 전압이 과방 전 차단 전압(2.4V) 내지 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압(3V) 사이에서 어느 하나의 최대 충전 설정 전압이 설정되는 경우, 설정되는 최대 충전 설정 전압에 대응하는 USB의 최대 충전 전류가 상기 배터리(30)에 공급되도록 설정되는 것이 바람직하다.

예를 들면, 상기 최대 충전 설정 전압이 2.4V이고, 상기 2.4V에서 최대 충전 전류를 500mA로 설정하는 경우, 상기 저항(37)은 상기 옴의 법칙에 따라 3.6옴(R1)의 저항값을 가지는 저항으로 구성될 수 있다. 배터리(30)의 전압이 상기 최대 충전 설정 전압과 동일한 2.4V인 경우, 상기 R1의 저항값을 식으로 표현하면, 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

R1 = (V1-V2)/I =(4.3-2.4)/0.5 = 3.6

상기 <수학식 1>에서, 상기 V1은 다이오드(21)에 의해 0.7V 강하된 USB 전압이며, 상기 V2는 현재 배터리(30)의 전압이고, I는 USB 전원 공급 장치가 상기 휴대 단말기(1)에 공급할 수 있는 최대 충전 전류이다. 상기 R1은 배터리(30)의 전압이 2.4V일 때의 저항값이다.

또 다른 예로 상기 최대 충전 설정 전압이 3V이고, 상기 3V에서 최대 충전 전류를 500mA로 설정하는 경우, 상기 저항(37)은 2.4옴(R2)의 저항값을 가지는 저항으로 구성될 수 있다. 배터리(30)의 전압이 상기 최대 충전 설정 전압과 동일한 3V인 경우, 상기 R2의 저항값을 식으로 표현하면, 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.

R2 = (V1-V3)/I =(4.3-3)/0.5 = 2.4

상기 <수학식 2>에서, 상기 V1은 다이오드(21)에 의해 0.7V 강하된 USB 전압이며, 상기 V3는 배터리(30)의 전압이고, 상기 I는 USB 전원 공급 장치가 상기 휴대 단말기(1)에 공급할 수 있는 최대 충전 전류이다. 상기 R2는 배터리(30)의 전압이 3V일 때의 저항값이다.

한편, 상기 배터리(30)의 전압을 체크할 수 있는 장치 및 가변저항의 저항값을 조절하는 저항조절장치를 구비하는 휴대 단말기에서, 상기 저항(37)은 상기 배터리(30)의 전압에 따라 저항값을 다르게 설정할 수 있는 가변저항으로 대체될 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시 예에 따른 가변저항은 0.2옴(배터리의 전압이 만충전압인 4.2V일 때의 저항, R3) 이상 3.6옴(배터리의 전압이 과방전 차단 전압인 2.4V일 때의 저항, R1) 이하의 저항범위를 가지는 것이 바람직하다.

배터리(30)의 전압이 만충 전압과 동일한 4.2V인 경우, 상기 R3의 저항값을 식으로 표현하면, 하기 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.

R3 = (V1-V4)/I =(4.3-4.2)/0.5 = 0.2

상기 <수학식 3>에서, 상기 V1은 다이오드(21)에 의해 0.7V 강하된 USB 전압이며, 상기 V4는 배터리(30)의 전압이고, 상기 I는 USB 전원 공급 장치가 상기 휴대 단말기(1)에 공급할 수 있는 최대 충전 전류이다. 상기 R3는 배터리(30)의 전압이 4.2V일 때의 저항값이다.

상기 저항범위에서 충전부(10)가 최대 충전 전류로 상기 배터리(30)를 충전하는 한 예를 후술하는 도 5a 및 도 5b의 그래프를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 후술하는 도 5a 및 도 5b의 그래프에서, 상기 배터리(30)의 전압이 정격 전압인 3.7V인 경우에, 도 5a에서는 130mA를, 도 5b의 그래프1(51)에서는 140mA를, 도 5b의 그래프2(52)에서는 210mA를 상기 배터리(30)에 공급하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 가변저항을 충전 회로(21)에 구비하여 저항값을 1.2옴(R4)으로 조정하면, 충전부(10)는 상기 3.7V에서 최대 충전 전류로 상기 배터리를 충전할 수 있다.

배터리(30)의 전압이 3.7V인 경우, 상기 R4의 저항값을 식으로 표현하면, 하기 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.

R4 = (V1-V5)/I =(4.3-3.7)/0.5 = 1.2

상기 <수학식 4>에서, 상기 V1은 다이오드(21)에 의해 0.7V 강하된 USB 전압이며, 상기 V5는 배터리(30)의 전압이고, I는 USB 전원 공급 장치가 상기 휴대 단말기(1)에 공급할 수 있는 최대 충전 전류이다. 상기 R2는 배터리(30)의 전압이 3V일 때의 저항값이다.

즉, 상기 가변저항을 사용하면, 상기 배터리(30)의 전압이 과방전 차단 전압(2.4V) 이상 만충 전압(4.2V) 이하인 경우에, 상기 저항조절장치를 조절하여 최대 충전 전류로 상기 배터리(30)를 충전할 수 있다. 따라서, 상기 배터리(30)의 충전 시간을 단축하고, 충전시 소모되는 전력을 줄일 수 있는 이점이 있다.

상기 전압검출기(40)는, 상기 배터리(30)의 전압을 감지한 후, 상기 배터리(30)의 전압이 특정 범위의 전압인 경우, 상기 배터리(30)의 전압을 검출하고, 스위치를 온 시키는 신호를 출력하는 기능을 수행한다.

상기 전압 검출기(40)는 상기 배터리(30)에 최대 충전 설정 전압(바람직하게는 과방전 차단 전압(2.4V) 이상 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압(3V) 이하의 전압인 경우, 상기 충전부(10)는 최대 충전 전류로 상기 배터리(30)를 충전할 수 있다. 또한 상기 배터리(30)의 전압이 상기 최대 충전 설정 전압 내지 만충 전압(4.2V) 사이의 전압일 경우, 상기 충전부(10)는 기존의 USB 충전 방식보다 높은 충전 전류로 상기 배터리(30)를 충전하여 충전시간을 단축할 수 있다. 이는 후술하는 도 5a 및 도 5b의 그래프를 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 충전 회로(21)의 배터리 충전 효율을 도 5a 및 도 5b의 그래프를 참조하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 5a는 종래의 배터리 충전 회로에서 충전 전류와 배터리 전압과의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 실시 예에 따른 배터리 충전 회로에서 충전 전류와 배터리 전압과의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한 상기 도 5b에서, 그래프1(51)은 최대 충전 설정 전압이 2.4V일 때 충전 전류와 배터리 전압과의 관계를 나타내며, 그래프2(52)는 상기 최대 충전 설정 전압이 3V일 때 충전 전류와 배터리 전압과의 관계를 나타낸다.

상기 도 5a 및 도 5b의 그래프1(51)을 참조하면, 배터리(30)의 전압이 2.4V일 때, 도 5a에서 충전 전류는 260mA인 반면, 도 5b에서는 500mA이다. 종래의 충전 회로는 상기 배터리(30)가 완전 방전되는 0V일 때 최대 충전 전류인 500mA를 공급하고, 이후 상기 배터리(30)의 전압이 증가할수록 충전 전류는 감소되도록 설계되어 있다. 따라서, 배터리(30)에 내장된 보호회로에 의해 방전이 차단될 때의 배터리(30) 전압인 2.4V에서, 종래의 충전 회로는 상기 배터리(30)에 260mA의 충전 전류밖에 공급할 수 없다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 충전 회로(21)는, 상기 전압 검출기(40)가 2.4V의 최대 충전 설정 전압을 검출할 경우, 최대 충전 전류인 500mA를 상기 배터리(30)에 공급할 수 있도록 설계되어 있다. 따라서, 상기 충전 회로(21)를 이용하면, 종래의 충전 회로보다 1.9배 정도 많은 충전 전류로 상기 배터리(30)를 충전할 수 있는 이점이 있다.

또한 상기 도 5a 및 도 5b의 그래프2(52)를 참조하면, 배터리(30)의 전압이 3V일 때, 도 5a에서 충전 전류는 200mA인 반면, 도 5b에서는 500mA이다. 종래의 충전 회로는 상기 배터리(30)가 완전 방전되는 0V일 때 최대 충전 전류인 200mA를 공급하고, 이후 상기 배터리(30)의 전압이 증가할수록 충전 전류는 감소되도록 설계되어 있다. 따라서, 상기 휴대 단말기(1)의 전원이 자동오프될 정도로 방전된 배터리 전압인 3V에서, 종래의 충전 회로는 상기 배터리(30)에 200mA의 충전 전류밖에 공급할 수 없다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 충전 회로(21)는, 상기 전압 검출기(40)가 3V의 최대 충전 설정 전압을 검출할 경우, 최대 충전 전류인 500mA를 상기 배터리(30)에 공급할 수 있도록 설계되어 있다. 따라서, 상기 충전 회로(21)를 이용하면, 종래의 충전 회로보다 2.5배 정도 많은 충전 전류로 상기 배터리(30)를 충전할 수 있는 이점이 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 충전 회로(21)를 이용하면, 2.4V 내지 3V 사이에서 최대 충전 설정 전압이 설정되면, 종래의 충전 회로보다 1.9배 내지 2.5배 정도 많은 충전 전류를 상기 배터리(30)에 공급할 수 있다.

또한 상기 최대 충전 설정 전압 이후에서도, 본 발명의 실시 예에 따른 충전 회로(21)는 종래의 충전 회로보다 높은 충전 전류를 상기 배터리(30)에 공급할 수 있다. 예컨대, 상기 도 5a 및 도 5b의 그래프를 참조하면, 정격 전압(3.7V)에서 종래의 충전 회로보다 높은 충전 전류를 상기 배터리(30)에 공급하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 상기 배터리(30)의 충전 시간을 단축하고, 또한 상기 배터리(30) 충전시 소모되는 전력을 줄일 수 있는 이점이 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 배터리(30)의 충전 절차를 도시하는 흐름도이다.

상기 도 6을 참조하면, S501 단계에서 충전부(10)는 휴대 단말기(1)에 인가된 USB 전압을 감지한다. S501 단계의 판단 결과, USB 전압이 감지되면 다이오드(31)는 배터리(30)에 과도한 충전 전류가 공급되는 것을 방지하기 위해 상기 USB 전압을 0.7V 강하하여, 4.3V로 낮춘다. 상기 다이오드(31)를 통과한 4.3V의 USB 전압이 충전 회로(21)로 공급되면, 상기 충전부(10)는 S503 단계에서, 앤드게이트(33)에 논리값 "하이"를 인가한다. 한편 S501 단계의 판단 결과, 상기 USB 전압이 감지되지 않으면 상기 충전부(10)는 상기 앤드게이트(33)에 논리값 "로우"를 입력(S515 단계)한 후 다음 단계를 진행한다.

충전부(10)는 S505 단계에서, 상기 배터리(30)의 전압이 특정 범위의 전압인 지 판단한다. 상기 특정 범위의 전압은 최대 충전 설정 전압과 만충 전압(4.2V) 사이의 전압을 의미한다. 상기 배터리(30)의 전압이 상기 특정 범위 내의 전압이면, 상기 충전부(10)는 S507 단계에서 상기 앤드게이트(33)에 논리값 "하이"를 입력한다. 그러나 상기 배터리(30)의 전압이 특정 범위 밖의 전압이면, 상기 충전부(10)는 상기 앤드게이트(33)에 논리값 "로우"를 입력(S515 단계)한 후 다음 단계를 진행한다.

앤드게이트(40)는, 상기 USB 전압 및 상기 배터리(30)의 논리값이 모두 "하이"임을 감지한 후, S509 단계에서 NMOS(35)의 게이트 단자에 논리값 "하이"를 입력한다. 상기 NMOS(35)의 게이트 단자에 논리값 "하이"가 인가되면, 상기 NMOS(35)는 S511 단계에서 턴-온(Turn-On)되어 충전 전류가 흐를 수 있는 N채널을 형성한다.

상기 충전부(10)는 S513 단계에서, 상기 NMOS(35)을 통해 흐르는 충전 전류를 상기 배터리(30)에 공급한다. 상기 배터리(30)의 내부에 충전 전류가 흐르면, 상기 배터리(30)의 음극에 전자가 공급되면서, 상기 배터리(30)는 충전되기 시작한다. 상술한 충전 과정은 상기 배터리(30)의 전압이 증가하여 만충될 때까지 지속되며, 상기 배터리(30)가 만충되면 상기 충전 과정은 종료된다.

한편, 상기 충전부(10)가 USB 전압을 감지하지 못하거나(S501 단계) 또는 특정 범위 내의 배터리 전압을 검출하지 못하면(S505 단계), S517 단계에서 상기 앤드게이트(33)에 논리값이 "로우"를 입력한다. 상기 앤드게이트(33)에 논리값 "로우"가 입력되면, 상기 앤드게이트(33)는 S519 단계에서, 상기 NMOS(35)의 게이트 단자에 논리값 "로우"를 입력한다. 상기 NMOS(35)의 게이트 단자에 논리값 "로우"가 입력되어 저전력(GND)이 형성되면, 상기 NMOS(35)는 턴-오프(Turn-Off)되고(S521 단계), 결국 상기 배터리(30)는 충전되지 않는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시 예에서 상기 특정 범위의 전압은, 최대 충전 설정 전압 이상 만충 전압 이하의 전압이다.

상기 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압은 3V이다. 그러나 이는 단지 3V로 한정되지 않으며, 상기 휴대 단말기에 구비되는 배터리의 종류 및 특성에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 상기 배터리가 상기 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압까지 방전되면, 상기 제어부(160)는 화면에 "배터리가 부족하여 자동 종료됩니다" 라는 메시지를 출력한 후, 휴대 단말기(1)의 전원을 오프시킬 수 있다.

또한 상기 최대 충전 전류는, USB 전원 공급 장치가 상기 배터리에 공급할 수 있는 최대 전류로써, 바람직하게는 500mA이다. 그러나 이는 단지 500mA로 한정 되지 않으며, 상기 휴대 단말기에 구비되는 배터리의 종류 및 특성에 따라 달라질 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에서 제안하는 충전 회로를 사용하면, 종래의 충전 회로보다 많은 충전 전류를 배터리에 공급하여, 배터리 충전 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 휴대 단말기가 자동오프 될 정도로 배터리가 방전된 상태에서 본 발명의 실시 예에 따른 충전 회로를 사용하면, USB의 최대 충전 전류인 500mA로 상기 배터리를 충전할 수 있다. 따라서, 종래의 충전 회로와 비교하여, 배터리 충전 시간을 절반 정도로 단축할 수 있으며, 상기 배터리 충전시 소모되는 전력도 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

휴대 단말기의 배터리 충전 장치에 있어서,

상기 휴대 단말기에 전원을 공급하는 배터리와,

상기 배터리의 전압을 검출하고, 검출된 전압이 특정 범위의 전압인 경우 스위치를 온 시키는 신호를 발생하는 전압 검출기와,

상기 전압 검출기로부터 신호를 받고 스위치를 조정하는 조정부와,

상기 조정부에 따라 스위치를 온/오프하는 스위치부 및

상기 배터리에 공급되는 전류량을 조절하는 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 배터리의 검출된 전압이 최대 충전 설정 전압일 경우, USB(Universal Serial Bus)의 최대 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
청구항 2에 있어서,

상기 최대 충전 설정 전압은

상기 배터리의 과방전 차단 전압 내지 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압 사이에서 설정됨을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 조정부는

상기 배터리의 전압이 상기 특정 범위의 전압인 경우, 전압이 인가되어 논리값 "하이(High)"를 출력하는 앤드게이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 스위치부는

상기 조정부로부터 논리값 "하이"가 입력되면, 턴-온(Turn-On)되어 충전 전류를 상기 배터리로 전달하는 NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 저항은

최대 충전 설정 전압에 따라 가변적으로 설정됨을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 특정 범위의 전압은

상기 배터리의 과방전 차단 전압 이상 만충 전압 이하인 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 배터리 충전 장치는

충전 전류의 역류를 막는 다이오드와,

상기 USB 전원 공급 장치로부터 공급되는 USB 전압 및 전류를 상기 휴대 단말기로 전달하는 USB 케이블과,

상기 USB 케이블을 통해 전달된 상기 USB 전압 및 전류를, 상기 다이오드로 인가하는 데이터 통신 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
휴대 단말기의 배터리 충전 방법에 있어서,

상기 휴대 단말기의 충전부가, 상기 배터리의 전압을 검출하는 과정과,

상기 검출한 배터리의 전압이 최대 충전 설정 전압인 경우 최대 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 방법.
청구항 9에 있어서,

상기 배터리를 충전하는 과정은,

데이터 통신 포트가 USB 전원 공급 장치로부터 데이터, USB 전압 및 전류를 공급받는 공급 과정과,

상기 배터리의 전압이 특정 범위의 전압이면, 충전회로가 상기 USB의 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 충전 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 방법.
청구항 10에 있어서,

상기 충전 과정은

전압 검출기가 상기 배터리의 상기 특정 범위의 전압을 검출하는 과정과,

상기 데이터 통신 포트를 통해 상기 USB 전압을 공급받는 동시에 상기 배터리의 전압이 상기 특정 범위의 전압이면, 스위치가 턴-온되어 상기 충전 전류를 상기 배터리로 전달하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 방법.
청구항 11에 있어서,

상기 특정 범위의 전압은

상기 배터리의 최대 충전 설정 전압 이상 만충 전압 이하인 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 방법.
청구항 12에 있어서,

상기 최대 충전 설정 전압은

상기 배터리의 과방전 차단 전압 내지 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압 사이에서 설정되는 전압임을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
청구항 9에 있어서,

상기 배터리 충전 방법은

상기 휴대 단말기의 충전부가, 상기 배터리의 최대 충전 설정 전압 초과 만충 전압 이하의 전압을 검출하는 과정과,

상기 배터리의 전압이 검출되면, 상기 충전부가, 상기 배터리의 전압에 따른 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 방법.
청구항 14에 있어서,

상기 충전 전류는

상기 최대 충전 설정 전압에서 USB의 최대 충전 전류와 동일하며, 이 후 상기 배터리의 전압이 증가할수록 일정한 비율로 감소하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 방법.
청구항 15에 있어서,

상기 최대 충전 설정 전압은

상기 배터리가 방전되어 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압인 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 방법.
청구항 15에 있어서,

상기 최대 충전 설정 전압은

상기 배터리의 과방전 차단 전압 내지 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압 사이에서 설정됨을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.
휴대 단말기의 배터리 충전 방법에 있어서,

상기 휴대 단말기의 충전부가, 상기 배터리의 전압을 판단하는 과정과,

상기 판단 결과 상기 배터리의 전압이 최대 충전 설정 전압이면, 상기 충전부가 USB의 최대 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 과정과,

상기 판단 결과 상기 배터리의 전압이 최대 충전 설정 전압 초과 만충 전압 이하이면, 상기 충전부가, 상기 배터리의 전압에 따른 충전 전류로 상기 배터리를 충전하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 방법.
청구항 18에 있어서,

상기 최대 충전 설정 전압은

상기 배터리의 과방전 차단 전압 내지 휴대 단말기가 자동 오프될 때의 전압 사이에서 설정됨을 특징으로 하는 휴대 단말기의 배터리 충전 장치.