KR20090041386A - 통합 배터리 전원 변환기 - Google Patents

통합 배터리 전원 변환기 Download PDF

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KR20090041386A
KR20090041386A KR1020097000786A KR20097000786A KR20090041386A KR 20090041386 A KR20090041386 A KR 20090041386A KR 1020097000786 A KR1020097000786 A KR 1020097000786A KR 20097000786 A KR20097000786 A KR 20097000786A KR 20090041386 A KR20090041386 A KR 20090041386A
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스콧 윌튼
찰스 엠. 레이놀즈
월터 톤슨
크리스티 밸디즈-으르츠
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모빌리티 일렉트로닉스 인크
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Abstract

휴대용 전자 기기에 전력을 공급하는 알맞은 휴대가능하고 저중량 전력 변환기로서, 전원을 이용할 수 없을 때 DC 출력 전압을 제공하여 휴대용 전자 기기를 작동하고 또는 충전하는데 적당한 고전력 배터리를 포함한다. 양호하게, 전원 변환기는 변환기 회로기 뿐만 아니라 매우 소형 기기로서 패키지된 고 전력 배터리를 포함하며, 휴대용 전자 기기의 배터리를 여러번 재충전으로 충전하도록 구성되어 있다. 변환기는 또한 입력 전력이 연결될 때에 변환기 배터리를 충전하도록 구성된 충전 회로를 포함한다.
휴대용, 배터리, 변환기, 전압

Description

통합 배터리 전원 변환기{Power converter with integral battery}
본 발명은 휴대용 전원 변환기, 특히 PDA, 휴대폰, MP3 플레이어, 컴퓨팅 기기, 디지털 카메라, 게임 기기 등을 포함하는 휴대용 전자 기기에 전력을 공급하는데 적합한 휴대용 전원 변환기에 관한 것이다.
전원 변환기는 통상적으로 다양한 배터리 작동 기기를 충전하고 또는 작동하는데 사용된다. PDA, 휴대폰, MP3 플레이어, 컴퓨팅 기기, 디지털 카메라, 게임 기기 등을 포함하는 휴대용 전자 기기에 전력을 공급하는데 적당한 어떤 전원 변환기은 일반적으로 AC 입력 전압 또는 DC 입력 전압이든지 또는 둘 모두를 받아서 이 입력 전압을 DC 출력 전압으로 변환하도록 구성되어 있다. DC 출력 전압은 하나의 선택가능한 값을 가지며, 상기 값은 본 발명의 양수인인, 애리조나, 스콧데일 소재의 모빌리티 일렉트로닉스에 의해 iTipsTM 로서 시판되는 팁(tip)과 같은 호환가능한 프로그래밍 모듈을 사용해서 설정될 수 있다. 이들 전원 변환기는 자동차, 항공기 및 웰 파워(well power)를 포함하는 다양한 이용가능한 전원으로부터 휴대용 전자 기기에 전력을 공급하는데 아주 적합하다. 호환가능한 프로그래밍 모듈과 조합해서, 사용자는 단지 하나의 전원 변환기와 DC 출력 전압을 설정해서 적당한 휴대용 전자 기기에 전력을 공급하는데 적합한 하나 이상의 프로그래밍 모듈을 필요로 한다.
때때로 전원으로부터 멀리 떨어져 있고 여전히 고갈된 배터리를 가진 휴대용 전자 기기를 가지는 모바일 사용자를 포함하는, 사용자에 보다 편리함을 제공하도록 휴대용 전원 변환기를 개선하는 것이 바람직하다.
본 발명은 휴대용 전자 기기에 전력을 공급하거나 또는 재충전을 하는데 사용된 휴대용 전원 변환기로서, 전원을 이용할 수 없을 때 DC 출력 전압을 제공하여 휴대용 전자 기기를 작동하고 또는 충전하는데 적당한 고전력 배터리를 포함하는 기술적 장점을 달성한다. 양호하게, 고전력 배터리를 포함하는 전원 변환기는 매우 소형이고 가벼운 기기로서 패키지되어 있으며 또한 휴대용 전자 기기의 배터리를 여러번 재충전으로 충전하도록 구성되어 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 단일 입력 및 통합 배터리를 가진 콤팩트 전원 변환기의 사시도.
도 2는 AC 또는 DC 입력 전압이든지 받도록 구성되어 있는 변경 실시예의 사시도.
도 3은 도 1에 도시한 기기의 변환기 회로의 블록 다이어그램.
도 4는 통합 배터리를 충전하기 위한 통합 충전기를 포함하는, 도 1의 실시예의 변경 변환기 회로의 블록 다이어그램.
도 5는 DC 입력 전압도 포함할 수 있는, 고전력 배터리를 포함하는 다른 전 기 회로의 전기적 블록 다이어그램.
도 6은 본 발명의 한 실시예의 상세한 전기 설계도.
도 7은 도 6의 벅 컨버터(buck converter; 강압 변환기)의 상세한 설계도.
도 8은 도 6의 제어 회로의 상세한 설계도.
도 9는 도 6의 AC/DC 변환기의 상세한 설계도.
도 10은 도 6의 SEPI C 변환기의 상세한 설계도.
지금 도 1을 참조하면, 입력 커넉터(12)에서 AC전압을 받아서 도 3에 도시한 바와 같이 출력부(14)에 DC 전압으로서 변환된 전압을 제공하도록 구성되어진 콤팩트 휴대용 전원 변환기를 전체적으로 도면부호 10으로 표시한 사시도를 도시하고 있다. 도 1에는 또한 다수의 배터리(16)가 도시되어 있으며, 하나 하나는 변환기의 각 측면에 배치되어 있으며 전체적으로 도면부호 18로 도시한 하우징의 투명부를 통해서 볼 수 있다.
도 2를 참조하면, 한쌍의 입력부, 즉 DC 입력 전압을 받도록 되어 있는 입력부(22)와 AC 입력 전압을 받도록 되어 있는 입력부(24)를 가지는 콤팩트 휴대용 전원 변환기를 전체적으로 도면부호 20으로 표시한 본 발명의 변경 실시예를 도시하고 있다. 변환기(20)는 도 5에서 도면부호 26으로 도시한 선택가능한 DC 출력 전압을 제공하도록 구성된 출력부(26)를 포함한다. 양호하게, 콤팩트 휴대용 전원 변환기(10, 20) 각각은 고전력 배터리를 가지고, 배터리와 전자 변환기 회로기는 모두 매우 소형의 하우징내에 패키징됨으로써, 매우 높은 전력밀도를 실현한다.
본 발명은 전원 변환기가 리듐 이온 배터리 또는 리듐 폴리머 배터리와 같은, 높은 전력과 가벼운 배터리를 포함하는 기술적 장점을 달성한다. 이들 배터리가 소형 하우징내의 변환기 회로기와 함께 들어 있어서, 변환기 자체는 휴대가능하고, 적합하게는 전력을 받아서 작동하는 통상의 휴대용 전자 기기의 크기의 절반정도이다. 예를 들어, 변환기는 PDA의 크기일 수 있다. 더욱이, 배터리는 휴대용 전자 기기를 여러번 재충전하도록 구성되어 있어서, 자체 재충전될 필요없이 모바일 사용자에 동일 기기를 반복적으로 충전하거나 멀티플 기기를 충전할 수 있는 성능을 제공하여, 휴대용 콤팩트 기기를 사용할 수 있다. 특히, 배터리는 충전회로에 의해 전원이 제공될때 자동적으로 재충전된다. 본 고전력이고 콤팩트한 전원 변환기는 저 중량이고 편리하게 다른 휴대용 전자 기기와 함께 지니고 다닐 수 있어서 사용자에게 언제 어디서든지 필요한 전력을 제공할 수 있다.
예를들어, 양호한 실시예에서, 전원 변환기는 입력 전력 또는 배터리 이든지로부터 얻은, 연속 전력의 5와트까지 제공하도록 구성될 수 있으며, 여기서 하우징은 1.10 x 2.05 x 3.0 치수를 가지도록 6.80 입방 인치 이하의 체적을 가지므로 적어도 0.75와트/입방 인치의 전력 밀도(power density)를 달성하고 중량 3.5002이고 75℃ 이하에서 작동한다. 한 예시적 실시예에서, 전력 밀도는 적어도 1 와트/입방 인치이므로, 패키지는 약 5입방 인치의 체적을 가진다. 양호한 실시예에서 하우징의 크기는 .98 x 1.8 x 2.53 인치이므로, 하우징은 4.46 입방 인치의 체적을 가지고 1.12와트/입방 인치의 전력 밀도를 달성하고 중량이 3.5 oz이하이고 75℃ 이하에서 작동한다. 이들 치수 및 전력에 대해서는 여기서 한정되지 않고 변경될 수 있다.
양호한 실시예에서, 전원 변환기는 연속 전력의 15와트까지 제공할 수 있다.본 발명이 적어도 0.75, 양호하게 적어도 1.0의 전력 밀도를 제공하는 것이 매우 바람직하고 양호한 효과를 낸다. 한 실시예에서 연속 전력의 10와트까지 제공하고 약 13.33 입방 인치 이하의 체적을 가지므로 적어도 0.75와트/입방 인치의 전력 밀도(power density)를 달성하고 8 oz 이하의 중량을 가지고 75℃ 이하에서 작동한다. 하우징은 6.48 입방 인치를 달성하는 1.09 x 1.99 x 2.97 인치와 같은, 7 입방 인치의 체적과, 연속 출력 전력의 10와트에 대한 입방 인치당 적어도 1.23 와트의 전력 밀도를 달성하고 중량이 7 oz이하이고 75℃ 이하에서 작동한다.
체적, 전력 밀도, 중량 및 재충전성은 전원을 필요로 하는 사용자에게 많은 기술적 장점을 제공하는 본 발명의 양호한 특징들중 일부이다. 또한 출력 전압을 선택할 수 있어서, 휴대용 전자 기기를 잘 작동하고 또는 이들의 배터리를 재충전하는데 필요한 적합한 출력 전압 및/또는 전류를 제공할 수 있다.
도 3을 참조하면, 전원 변환기(10)내에 실행될 수 있는 회로(15)의 전기 블록 다이어그램을 도시하고 있다. 주목하게, 직렬로 구성된 한 쌍의 배터리(16)는 배터리에 의해 제공된 전압을, 도면부호 19로 도시한 휴대용 전자 기기의 입력 전압 요구사항에 상응하는 적당한 전압으로 승압시키는데 적합한 부스트 회로(30)에 연결되어 있다. 배터리(16)는 필요에 따라서 재충전될 수 있거나 버려질 수 있다. 피드백 회로(32)는 배터리(16)의 전압이 변하거나 시간을 초과해서 약하게 되는 경우, 예를 들어 배터리가 고갈될 때에도, 부스터 회로(30)가 기기(19)에 적당한 출 력 전압을 제공하도록 구성되어 있다. AC 입력 전압을 DC 출력 전압으로 변환하는 회로(15)는 도시한 바와 같이, AC to DC 변환기에 통상적으로 사용된 종래의 플라이백 토포로지(flyback topology)일 수 있다. 스위치(SW1)는 기기(19)가 입력부(12)로부터 얻은 DC 전압에 의해 전력을 공급 받을 때 닫히지만, 기기(19)가 배터리(16)에 의해 전력을 받을 때 닫힌다.
도 4를 참조하면, 전원 변환기(10)내에 실행될 수 있는 변경 회로(40)의 전기 블록 다이어그램을 도시하고 있다. 여기서는 배터리(16)는 도시한 바와 같이 스위치(SW4)가 열리면 병렬로 구성되어 지고 또는 스위치(SW4)가 닫히면 직렬로 구성되며, 또한 AC 입력 전압이 입력부(12)에 제공될 때 자동으로 충전되도록 구성되어 있다. 마이크로제어기(42)는 전력이 기기(19)에 전달될 때의 출력 전류, 온도 및 배터리 전압의 모니터링 및 1차 검사를 제공한다. AC 입력 전압이 있을 때, 스위치(SW1, SW2, SW3)가 닫히고, 그래서 기기(19)에 출력 DC 전압을 제공하고, 또한 동시에 배터리를 충전한다. 개별 채널 충전 및 일련의 방전을 제공한다. 방전동안, 배터리에 의해 제공된 전압은 부스트되어 적당한 출력 전압을 제공한다.
도 5를 참조하면, 변환기 회로(50)의 전기 블록 다이어그램을 도시하고 있다. 변환기 회로는 예를 들어 리듐 이온 배터리 또는 리듐 폴리머 배터리와 같은, 높은 전력 저장과 고 전력 밀도와 저중량의 배터리를 포함하는 고전력 배터리(16)를 포함한다. AC 전압이 입력부(24)에 제공되면, 스위치(SW1, SW2)는 닫힌다. 이 동안에, 기기(19)와 배터리(16) 모두는 충전된다. 회로(50)는 추가로 DC 입력 전압을 받아서 공통 노드 N(common node N)에 제공하고 도면부호 52로 도시한 공통 출 력 회로를 공급하도록 구성된 DC 입력부(22)를 포함한다. 충전기/전력 경로 관리 회로(54)는 스위치(SW1, SW2)를 제어하도록 구성되어 있어서, 입력 전압이 입력부(22)이든지 또는 입력부(24)에 제공되지 않을 때에 회로(54)에 의해서 스위치들을 개방한다. 부스트 회로(56)는 필요시 회로(54)에 의해 제공된 DC 전압을 부스트해서 휴대용 전자 기기(19)를 충전하고/또는 작동하기에 적합한 DC 출력 전압을 제공한다. 피드백 회로(59)는 도시한 바와 같이, 부스트 회로(56)에 제공된 도면부호 26으로 표시한 출력 전압에 따라서 부스트 회로(56)를 조절한다.
도 3, 도 4 및 도 5에 도시한 모든 회로를 참조해 보면, 각각의 피드백 회로는 각 부스트 회로를 제어해서 변환기 회로 출력부(26)에 제공된 DC 출력 전압을 선택적으로 설정할 수 있도록 구성되어진 호환가능한 긱 커넥터 팁과 같은, 호환가능한 프로그래밍 부품을 포함할 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 모빌리티 일렉트로닉스, 인크.에 의해 제공된 iTips TM와 같은, 호환가능한 프로그래밍 부품을 이용할 수 있어서, 사용자는 휴대용 전자 기기(19)를 접속해서 작동하기 위한 적당한 기계적 인터페이스와 적합한 DC 출력 전압을 모두를 설정할 수 있다. 고 전력 배터리 백업을 가진 콤팩트 전원 변환기에 통합된 이들 추가의 전압 프로그래밍 특성은 모바일 사용자가 전원을 이용할 수 없을 때에 다른 기기에 전력을 공급할 필요가 있는 곳에서는 유일한 해결책이다. 본 발명은 전원 변환기 이상으로 배터리 백업 기능도 가진다. 하나의 해결책으로는, 콤팩트 기기가 고 전력 밀도를 가지고 저중량이고 전력이 있을 때에는 배터리를 자동적으로 충전하고 전원이 없을 때에는 필요한 전력을 제공할 수 있는 것이다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 한 실시예의 상세한 전기 설계도가 도시되어 있으며, 동일한 도면부호는 동일한 요소를 가르킨다. 배터리(16)는 NCS 1400 mAh 배터리일 수 있으며, 변환기(60)는 8W 연속 DC 전력을 발생할 수 있다. 대부분의 폴리머 리-이온/리-이온 배터리는 동일한 충전 특징을 가질 것이다. 본 실시예에서는, 배터리는 온도, 과전압 및 과전류를 모니터하는 모든 보호 회로기를 포함한다. 배터리 팩은 또한 연료 게이지(fuel gauge)를 포함할 수 있다.
변환기(60)에 부착된 기기(19)가 있다면, 배터리(16)는 배터리 전압이 4.2V에 도달할 때까지 일정한 전류-0.2C 또는 280mA를 사용해서 충전될 수 있다. 배터리가 4.2V에 도달하면, 충전은 일정한 전압으로 전환될 수 있고 전류는 40mA 이하로 떨어질 수 있다. 전체 충전 시간은 거의 5시간될 것이다. 이 시간동안, 휴대용 전자 기기(19)에 이용가능한 전류는 -570mA로 제한될 수 있다.
부착된 기기(19)가 없다면, 충전 속도는 배터리 전압이 4.2V에 도달할 때까지 일정한 전류-0.6C 또는 850mA일 수 있다. 배터리가 4.2V에 도달하면, 충전은 일정한 전압으로 전환될 수 있고 전류는 40mA 이하로 떨어질 수 있다. 이 경우 충전시간은 약 2시간 거릴 것이다.
MSP430 마이크로제어기(42)는 연속적으로 외부 센서로 배터리 온도, 충전 전류, 충전 전압을 모니터한다. 마이크로제어기(42)는 또한 기기(19)와 같은 작동기(load)가 부착될 때를 알려주도록 유니트를 모니터한다. 작동기가 부착되면, 기기(19)에 우선권을 주어서, 배터리(16)로의 충전 전류를 줄인다.
도 7를 참조하면, 벅 컨버터(62)가 도시되어 있다. AC/DC 변환 회로(64)로부 터의 최대 개방 회로 전압은 6.42 V일 수 있다. 벅 컨버터(62)는 변환기 회로(64)로부터 전압을 4.2V로 아래로 떨어뜨리므로, 배터리(16)를 충전할 수 있다. MSP430 마이크로제어기(42)는 항상 배터리 전압과 벅 컨버터의 입력을 모니터해서 배터리(16)를 조절한다. MSP430의 전환 주파수는 173 kHz일 수 있다. 이는 5 비트의 리젤우션(resolution)을 근거한 것이다. 저항(R11)은 배터리 충전 전류를 감지하며 배터리 전압은 저항 R6 노드에서 감지된다.
트랜지스터(Q1, Q4)와 동반 저항은 ACI OC 변환기(64)로부터 팁(19)로의 패스 쓰루(pass-through)로서 작용한다. 트랜지스터(Q2, Q5 및 Q6)는 배터리(16)를 팁(19)의 전원으로서 사용될 때 패스 쓰루로서 작용한다.
도 8를 참조하면, LOO(80)는 MSP430 마이크로제어기(42)와 모든 회로기의 VCC에 3.3V를 제공한다. 회로(U5)는 배터리 전류 센스의 신호 뿐만아니라 작동 센서를 AC/DC 변환기(64)로부터 비교해서 MSP430에 정보를 제공한다. 상술한 바와 같이, 휴대용 전자 기기(19)가 부착되어 있고 배터리(16)가 충전되면, MSP430는 배터리 충전 전류를 표준 속도 -0.2C로 감소하여 기기(19)에 우선권을 주어 여기에 570mA의 전류까지 제공한다.
4개의 이색 LEO 04-07(four bi-colored LEOs 04-07)는 25-100% 충전과 방전 상태를 소비자가 볼 수 있게 정보를 제공한다. MSP430 마이크로제어기(42) 연료 게이지(70)로부터 정보를 처리해서 이에 따라서 LEO를 구동한다. 연료 게이지는 MSP430 마이크로제어기(42)가 동일한 기능을 수행하는 성능을 가지고 있기 때문에 필요없을 수 있다.
도 9를 참조하면, AC/DC 변환기(64)의 상세한 설계도가 도시되어 있다. 도 10를 참조하면, SEPIC 변환기(100)가 도시되어 있다. 도면부호 102로 도시한 LTC1619 기기는 SEPIC 변환기에 구성되어진 저 전압 PWM 변환기이다. 이 회로는 배터리(16)가 팁으로 방전하고 또는 AC/DC 조절을 위해서 감지하는 전압 및 전류에 대한 전원으로서 사용될때 적용된다. 모든 회로기는 배터리에 의해 전력을 공급받지만, 예외로, op-amps 66 및 68를 감지하는 전압과 전류는 AC 전원이 변환기(64)에 있을 때 AC/DC 변환기(64)에 의해 전력을 공급받는다.
비록 본 발명이 특정 양호한 실시예에 대해서 기술되어 있지만, 많은 변경과 개량이 본 출원서를 읽고 당업자에 의해 일어날 수 있을 것이다. 그러므로 첨부 청구범위는 이들 모든 변경과 개량을 포함하도록 종래 기술의 관점에서 가능한 넓게 해설되어야 할 것입니다.

Claims (19)

  1. 전원 변환기로서,
    하우징,
    상기 하우징내에 배치되고 AC 전압이든지 또는 DC 전압을 받아서 출력부에서 변환된 DC 출력 전압을 제공하도록 구성되어진 입력부를 가지는 전원 변환기 회로 및,
    상기 하우징내에 배치되고 전압이 입력부에 제공되지 않을 때 출력부에 DC 전압을 제공하도록 구성되어진 배터리를 포함하며,
    상기 배터리는 휴대용 전자 기기에 전기적으로 연결되어서 작동하거나 충전하도록 구성되어 있으며, 상기 배터리는 15와까지 전력을 발생하고 적어도 0.75와트/입방 인치의 전력 밀도를 발생하도록 구성되어 있는 전원 변환기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전원 변환기는 적어도 1.0와트/입방 인치의 전력 밀도를 가지는 전원 변환기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 전력 밀도는 적어도 1.2와트/입방 인치인 전원 변환기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전원 변환기 배터리는 10와트까지 연속 전력을 발생 하도록 구성되어 있으며 상기 하우징은 약 13.33 입방 인치 이하의 체적을 가지는 전원 변환기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 배터리는 5와트까지 전력을 연속적으로 발생하도록 구성되어 있으며 상기 하우징은 약 6.67 입방 인치 이하의 체적을 가지는 전원 변환기.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 전원 변환기는 적어도 1.0와트/입방 인치의 전력 밀도를 가지는 전원 변환기.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 전원 변환기는 적어도 1.0와트/입방 인치의 전력 밀도를 가지는 전원 변환기.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 하우징은 약 6.48 입방 인치 이하의 체적을 가지는 전원 변환기.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 하우징은 약 4.46 입방 인치 이하의 체적을 가지는 전원 변환기.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 DC 출력 전압은 선택가능한 전원 변환기.
  11. 제 10항에 있어서, DC 출력 전압의 값을 설정하도록 구성된 호환가능한 프로그램 모듈을 더 포함하는 전원 변환기.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 호환가능한 프로그램 모듈은 상기 휴대용 전자 기기에 기계적이고 전기적으로 연결하도록 구성되어진 팁 커넥터를 포함하는 전원 변환기.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 배터리는 충전업이 적어도 2번 상기 휴대용 전자 기기의 배터리를 완전히 충전하도록 구성되어진 전원 변환기.
  14. 제 1항에 있어서, 전압이 입력부에 제공될 때 배터리를 충전하도록 구성되어진 충전 회로를 더 포함하는 전원 변환기.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 충전 회로는 전압이 입력부에 제공될 때 배터리를 자동적으로 충전하는 전원 변환기.
  16. 제 13항에 있어서, 상기 배터리는 사용자가 교체가능한 전원 변환기.
  17. 제 11항에 있어서, 상기 배터리는 사용자가 교체가능한 전원 변환기.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 배터리는 알카리 또는 리듐 이온 배터리를 포함하는 전원 변환기.
  19. 제 17항에 있어서, 상기 배터리는 리듐 이온 또는 리듐 폴리머 배터리를 포함하는 전원 변환기.
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