KR20120101108A - 최소 출력 전압 배터리 충전기 방법 및 시스템 - Google Patents

최소 출력 전압 배터리 충전기 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

배터리와 배터리 충전기를 포함하는 휴대용 장치를 위한 장치 및 방법이 개시된다. 휴대용 장치에서, 휴대용 장치가 수행하도록 설계되는 복수의 기능을 용이하게 하도록 구성된 복수의 시스템 부품이 있다. 휴대용 장치에서의 배터리는 외부 입력 전력 공급이 없을 때 복수의 시스템 부품에 내부 전력 공급을 제공하도록 구성된다. 배터리 충전기는 외부 입력 전력 공급이 사용가능할 때 배터리를 충전하도록 구성된다. 본 명세서에 개시된 배터리 충전기는, 충전되고 있는 배터리의 전압이 한계 아래일 때 시스템 부품에 시스템 전력을 공급하여, 배터리의 전압이 한계 아래로 강하할 때 시스템 부품이 동작하도록 허용할 수 있다.

Description

최소 출력 전압 배터리 충전기 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MINIMUM OUTPUT-VOLTAGE BATTERY CHARGER}
본 발명은 배터리를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 교시 내용은 배터리 충전기 방법, 시스템 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
전자 기술의 발전에 따라, 휴대용 장치는 어디에서나 볼 수 있다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 이러한 휴대용 장치는 보통 배터리에 의해 제공된 전력으로 동작한다. 배터리의 사용 시간을 연장하는데 있어서 많은 노력을 들여져 왔다. 휴대용 장치의 사용자가 일반적으로 만나는 한 현상은 배터리 전압이 최소의 사용가능한 시스템 아래에 있을 때, 심지어 장치가 외부 전원에 연결될 때에도, 장치의 "인스턴트 온(instant-on)" 기능이 가능하지 않다는 것이다. 이러한 상황에서, 장치의 사용자는, 장치가 입력 전력에 대한 임의의 응답을 보이기 전까지, 배터리가 최소 배터리 전압으로 충전되기를 대기하여야 한다. 이는 많은 불편과 비효율을 제공한다.
도 1은 배터리(160)를 충전하기 위한 종래의 배터리 충전기(100)를 도시한다. 종래의 배터리 충전기(100)는 듀티 사이클 생성기(130), 입력 전류 한계 제어 시스템(110), 스텝 다운 스위칭 레귤레이터(120), 고정 충전 전류 증폭기(140) 및 고정 배터리 전압 증폭기(150)를 포함한다. 이 충전기에서, 듀티 사이클 생성기(130)는 입력 전류 한계 제어 시스템(110), 고정 충전 전류 증폭기(140) 및 고정 배터리 전압 증폭기(150)에 의해 제어된다. 충전기(100)의 듀티 사이클은 스텝 다운 스위칭 레귤레이터(120)를 제어하고, 그 후에 휴대용 장치로의 시스템 전력을 제어한다.
충전기(100)의 듀티 사이클(100)은 다중 소스로부터의 피드백 정보에 기초하여 동적으로 조정된다. 예를 들어, 고정 충전 전류 증폭기(140)는 배터리(160)를 통해 흐르는 전류를 측정하여, 배터리(160)를 통해 흐르는 전류가 일정하게 유지되도록 듀티 사이클을 제어하려고 시도한다. 또한, 고정 배터리 전압 증폭기(150)는 배터리(160)의 전압을 측정하고, 배터리 전압이 일정하게 유지되도록 듀티 사이클을 제어하기 위하여 이러한 정보를 사용한다. 또한, 입력 전류 한계 제어 시스템(110)은 입력 전류를 측정하고, 듀티 사이클 생성기(130)에 의해 생성되는 듀티 사이클을 자동으로 제어하기 위하여 그 정보를 사용한다.
"하부 데크(lower deck)"라는 용어는 배터리가 크게 방전될 때 배터리 충전기가 그 출력에서 생성하는 최소 전압을 말한다. 도시된 이러한 배터리 충전기에서, 배터리 전압이 하부 데크보다 더 낮을 때, 모든 전력이 배터리 충전기(100)에 의해 배터리로 보내지기 때문에, 휴대용 장치로 전송되는 시스템 전력은 없을 것이다. 따라서, 이는 배터리 충전기에 대한 종래 기술의 해결 방안에 관하여 전술한 문제점을 갖는다.
본 명세서에서 청구되고 그리고/또는 설명된 본 발명은 예시적인 실시예에 의해 더 설명된다. 이러한 예시적인 실시예는 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 이러한 실시예는 비한정적인 예시적인 실시예이며, 유사한 도면 부호는 다음의 여러 도면의 전체를 통해 유사한 구조를 나타내다:
도 1은 종래의 배터리 충전기의 시스템도를 도시한다;
도 2는 본 교시 내용의 실시예에 따른 배터리 및 배터리 충전기를 포함하는 예시적인 시스템도를 도시한다;
도 3은 본 교시 내용의 실시예에 따른 입력 전류 한계 제어 시스템에 대한 예시적인 회로를 도시한다;
도 4는 본 교시 내용의 실시예에 따른 스텝 다운 스위칭 레귤레이터에 대한 예시적인 회로를 도시한다;
도 5는 본 교시 내용의 실시예에 따른 고정 충전 전류 증폭기에 대한 예시적인 회로를 도시한다;
도 6은 본 교시 내용의 실시예에 따른 고정 배터리 전압 증폭기에 대한 예시적인 회로를 도시한다;
도 7은 본 교시 내용의 실시예에 따른 하부 데크 시스템에 대한 예시적인 회로를 도시한다;
도 8은 본 교시 내용의 실시예에 따른 이상 다이오드 증폭기(ideal diode amplifier)에 대한 예시적인 회로를 도시한다;
도 9는 본 교시 내용의 실시예에 따른 배터리 충전기에 대한 예시적인 구현례를 도시한다; 그리고,
도 10은 본 교시 내용의 실시예에 따라, 배터리 전압이 하부 데크 아래로 떨어질 때, 휴대용 장치가 동작하게 할 수 있는 배터리 충전기를 포함하는 휴대용 장치를 도시한다.
휴대 장치에서, 사용자가 외부 전력을 제품에 인가할 때, 외부 전력이 최소의 사용 가능 시스템 레벨 아래에 있는 배터리를 충전하는데 사용가능한 동안 최소의 시스템 전압을 유지하는 것은 "인스턴트 온" 동작을 가능하게 한다. 동시에, 시스템 부하가 프로그래밍된 입력 전력 한계를 초과할 때 배터리로부터 시스템 부하로 이상적인 다이오드 기능을 제공하는 것도 시스템을 유익하게 한다.
본 교시 내용은, 배터리 전압이 그 레벨 아래에 있더라도, 배터리 충전기의 최소 출력 전압이, 시스템 부하를 작동시키도록 제공되게 하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 교시 내용은, 휴대용 장치에 대한 입력 전력이 제한될 때, 시스템 부하 전력이 우선될 수 있도록 배터리 충전 전류가 희생될 수 있게 하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 교시 내용은, 시스템 부하가 사용 가능한 전력을 초과할 때, 배터리 충전 전류가 0으로 감소되고 이어서 시스템 부하를 지원하기 위하여 전력이 배터리로부터 인출될 수 있는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 즉, 이러한 상황이 발생하면, 출력 전압은 최소한의 필요한 시스템 레벨에 더 이상 보존되지 않고 대신 배터리 레벨에 또는 그 바로 아래에 보존된다.
본 개시 내용에서, "하부 데크(lower deck)"라는 용어는 배터리가 크게 방전될 때 배터리 충전기가 그 출력에서 생성하는 최소 전압을 말한다. 또한, "입력 전력 한계(input power limit)" 및 "입력 전류 한계(input power limit)"는 상호 변경되어 사용될 것이다. 또한, 고정된 입력 전압에 대하여 입력 전력이 일정하기 때문에, 입력 전류만을 레귤레이트하는 것은 입력 전력을 레귤레이트하는 것과 균등하다.
도 2는 본 교시 내용의 실시예에 따른 배터리 충전기의 예시적인 구현례(200)에 대한 블록도이다. 도 2에서, 배터리 충전기(200)는 배터리(260)를 충전하는데 사용된다. 배터리 충전기(200)는 스텝 다운 스위칭 레귤레이터를 제어하는 듀티 사이클 생성기(230);, 입력 전류 한계 제어 시스템(210), 고정 충전 전류 증폭기(240), 고정 배터리 전압 증폭기(250) 및 하부 데크 시스템(270)을 구비하는, 듀티 사이클 생성기(230)를 제어하는 다양한 부 회로; 및 상이한 상황에서 배터리 및 시스템 부하 사이의 전력 분배를 제어하는데 사용되는 이상 다이오드 증폭기(280)를 포함한다.
예시적인 구현례(200)에서, 도시된 바와 같이, 듀티 사이클 생성기(230)는 스텝 다운 스위칭 레귤레이터(220) 전력 출력에 연결된다. 듀티 사이클 생성기(230)에 의해 생성된 듀티 사이클은 상이한 조건에 기초하여 제어된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 듀티 사이클 생성기(230)는 배터리 충전기(200)의 입력에서 측정된 입력 전류에 따른 입력 전류 한계 제어 시스템(210), 충전기를 통해 배터리로 흐르는 측정된 전류에 기초한 고정 충전 전류 증폭기(240) 및 배터리(260)에서 측정된 전압에 기초한 고정 배터리 전압 증폭기(250)에 의해 제어된다.
종래에는, 재충전을 위하여 배터리로 흐르는 충전 전류는 일정하게 유지되고, 이는 고정 충전 전류 증폭기(240)에 의해 획득된다. 또한, 배터리(260)에서 측정된 배터리 전압은 소정의 레벨에 있도록 보장되며, 이는 고정 배터리 전압 증폭기(250)에 의해 획득된다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 재충전을 위하여 배터리로 흐르는 전류와 배터리에서 측정된 전압은, 본 교시 내용에 따라, 상황에 따라 변동할 수 있다.
하부 데크 시스템(270)은 시스템 부하와 배터리(260)의 충전 상황을 관찰하여, 시스템 전력과 재충전을 위한 배터리로의 전력 사이의 전력 분배를 제어한다. 예를 들어, 배터리 전압이 하부 데크보다 더 낮아 시스템 부하가 전력을 필요로 할 때, 하부 데크 시스템(270)은 휴대용 장치가 동작을 계속할 수 있도록 적당한 양의 전력이 휴대용 장치에 전달되게 하기 위하여, 시스템 전력으로부터 배터리를 차단하도록 설계된다. 이상 다이오드 증폭기(280)는 소정의 상황에서 시스템 전력을 배터리와 재연결하는데 사용된다. 이는 아래에서 상세히 설명될 것이다.
도 3 내지 8은 본 교시 내용의 일 실시예에 따라, 도 2에 도시된 바와 같은 상이한 시스템 부품의 예시적인 구현예를 도시한다. 회로의 기능은 이러한 시스템의 부품의 예시적인 실시예가 개시된 후에 상세히 논의될 것이다. 도 3은 입력 전류 한계 제어 시스템(210)에 대한 예시적인 회로를 도시한다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 입력 전류 한계 제어 시스템(210)은 듀티 사이클 생성기(230) 및 스텝 다운 스위칭 레귤레이터(220) 모두에 연결된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 입력 전류 한계 제어 시스템(210)은 2개의 저항(R1(310) 및 R2(330)), 전류 감지 증폭기(320) 및 레퍼런스 전압(250)과 증폭기(A1(340))를 포함한다. 이러한 부품들은 도 3에 도시된 바와 같이 연결된다. 증폭기(A1(340))의 출력은 듀티 사이클 생성기(230)에 연결된다. 저항(R1)의 한 단자는 입력 전력에 연결되고, R1의 다른 단자는 스텝 다운 스위칭 레귤레이터(220)에 연결된다.
도 4는 본 교시 내용의 일 실시예에 따른 스텝 다운 스위칭 레귤레이터의 예시적인 구현례를 도시한다. 예시적인, 스텝 다운 스위칭 레귤레이터(220)는 PMOS 트랜지스터(410)와 NMOS 트랜지스터(420), 트랜지스터(420)의 소스 및 드레인을 연결하는 다이오드(430) 및 도 4에 도시된 바와 같이 연결된 인덕터(L1(450)) 및 커패티터(C1(460))를 구비하는 부 회로(440)를 포함한다. PMOS 트랜지스터는 전력 스위치 역할을 한다. NMOS 트랜지스터(420)는 동기 정류기 역할을 한다. 일부 실시예에서, 부 회로(440)는 인턱터(L1) 및 커패시터(C1)의 외부에 있을 수 있다. 스텝 다운 스위칭 레귤레이터는 입력 전력(VIN)을 출력 전력(VOUT)으로 연결한다.
양 트랜지스터(410, 420)의 게이트는 듀티 사이클 생성기(230)에 연결된다. 트랜지스터(410)의 소스는 입력 전류 한계 제어 시스템(210)에 연결된다. 트랜지스터(410)의 드레인은 트랜지스터(420)의 드레인에 연결되고, 트랜지스터(420)의 소스는 접지에 연결된다. 부 회로(440)는 트랜지스터(420, 410)의 드레인에 연결되고, 그 출력은 시스템 전력에 연결된다. 일부 실시예에서, 듀티 사이클이 변경되면, 스텝 다운 스위칭 레귤레이터(220)는 이에 따라 스위칭 배터리 충전기를 실현하는데 사용되는 일반적인 외부뿐만 아니라 내부의 부품을 포함할 수 있는 상이한 구현예를 가질 필요가 있을 수 있다.
도 5는 본 개시 내용의 일 실시예에 따른 고정 충전 전류 증폭기(240)의 예시적인 구현예를 도시한다. 예시적인 고정 충전 전류 증폭기(240)는 전류 감지 증폭기(430), 저항(R4(540)), 증폭기(240) 및 레퍼런스 전압(520)을 포함한다. 전류 감지 증폭기(530)는 2개의 입력 단자를 가진다. 비반전 입력 단자는 시스템 전력에 연결되고, 반전 입력 단자는 하부 데크 시스템(270)에 연결된다. 양 및 음의 입력 단자 사이에, 저항(R3(550))이 있다. 저항(R3)에 걸쳐서, 전류 감지 증폭기(240)는 하부 데크 시스템(270)으로 흐르는 전류를 감지한다.
하부 데크 시스템(270)으로 흐르는 전류를 감지하면, 전류 감지 증폭기(530)는 출력을 생성하고, 이 출력은 증폭기(510)의 반전 입력 단자로 전송된다. 증폭기(510)는 반전 입력 단자 상에서 전류 감지 증폭기(530)로부터 수신된 신호와, 증폭기(510)의 비반전 단자와 접지에 연결된 레퍼런스 전압(520)을 통해 그 양의 단자 상에 제공된 레퍼런스의 차이에 따라 동작한다. 저항(R4(540))은 전류 감지 증폭기(530)의 출력과 접지 사이에 연결된다. 증폭기(510)의 출력은 시스템 전력에서 하부 데크 시스템(270)으로 흐르는 감지된 전류에 따라 듀티 사이클을 제어하도록 듀티 사이클 생성기(230)로 전송된다.
도 6은 본 교시 내용의 일 실시예에 따른 고정 배터리 전압 증폭기(250)의 예시적인 구현예를 도시한다. 예시적인 고정 배터리 전압 증폭기(250)는 그 입력에서 배터리(260)에 연결되고, 그 출력에서 듀티 사이클 생성기(230)에 연결된다. 내부적으로, 고정 배터리 전압 증폭기(250)는 2개의 저항(R5(630), R6(640)), 레퍼런스 전압(620) 및 증폭기(610)를 포함한다. 저항(R5(630))의 한 단자는 배터리에 연결되고, 다른 단자는 증폭기(610)의 반전 입력 단자에 연결된다. 저항(R6(640))은 증폭기(610)의 반전 입력 단자와 접지 사이에 연결된다. 레퍼런스 전압(620)은 접지와 증폭기(610)의 비반전 입력 단자 사이에 연결되어 레퍼런스 전압을 제공한다. 증폭기(610)는 자신의 비반전 입력 단자에서 제공된 레퍼런스 전압과, 배터리에서 감지되어 자신의 비반전 입력 단자에서 제공된 전압 사이의 차이에 기초하여 동작한다.
도 7은 본 교시 내용의 일 실시예에 따른 하부 데크 시스템(270)의 예시적인 구현예를 도시한다. 예시적인 하부 데크 시스템(270)은 PMOS 트랜지스터(710), 전류원(720), 다이오드(730), 증폭기(740), 전압 레퍼런스(760) 및 2개의 저항(R7(750), R8(770))을 포함한다. 이들은 다음과 같이 연결된다. PMOS 트랜지스터(710)의 소스는 고정 충전 전류 증폭기(240)에 연결된다. PMOS 트랜지스터(710)의 드레인은 배터리에 연결된다. 전류원(720)은 시스템 전력과, 이상 다이오드 증폭기(280)에 역시 연결되는 PMOS 트랜지스터(710)의 게이트 사이에 연결된다. 다이오드(730)의 애노드는 트랜지스터(710)의 게이트에 연결되고, 다이오드(730)의 캐소드는 증폭기(740)의 출력에 연결된다. 전압 레퍼런스(VREF4(760))는 증폭기의 비반전 입력 단자에 제공된다. 2개의 저항(R7(750), R8(770))은 시스템 전력과 접지 사이에 직렬로 연결된다. 증폭기(740)의 반전 입력 단자는 저항(750, 770)이 서로 연결되는 위치에 연결된다.
도 8은 본 교시 내용의 일 실시예에 따른 이상 다이오드 증폭기(280)의 예시적인 구현예를 도시한다. 예시적인 이상 다이오드 증폭기(280)는, 증폭기(820) 및 증폭기에 연결된 다이오드(810)를 포함한다. 증폭기(820)의 비반전 입력 단자는 시스템 전력에 연결된 전압 레퍼런스(830)에 연결된다. 증폭기의 반전 입력 단자는 배터리(260)에 연결된다. 다이오드(810)의 애노드는 하부 데크 시스템(270)에서 PMOS 트랜지스터(710)의 게이트에 연결되고, 다이오드(810)의 캐소드는 증폭기(820)의 출력에 연결된다.
도 9는 본 교시 내용의 일 실시예에 따라, 도 3 내지 8에 제공된 예시적인 회로 구현예에 기초하여, 배터리 충전기(200)의 전체적인 예시적인 구현예를 도시한다. 동작시, 증폭기(610(A3))는, 고정 배터리 전압 증폭기(250) 내의 저항(R5(630), R6(640))과 함께, 배터리 전압과 레퍼런스 소스(VREF3(620)) 사이의 차이를 검출하고, 오차 신호를 발생한다. 이 오차 신호는 리튬 이온 배터리를 충전하는데 일반적으로 사용되는 정전류/정전압 알고리즘의 정전압 부분을 제어하는데 사용된다.
본 교시 내용의 요지는 하부 데크 시스템(270) 및 이상 다이오드 증폭기(280)가 회로의 다른 부분과 함께 어떻게 동작하는지에 관한 것이다. 일반적으로, 증폭기(610)에 의해 제어되는 부동(float) 전압 제어 레벨은 하부 데크 레벨에 비하여 상당히 높게 있는 것으로 예측된다. 이를 고려하면, 고정 배터리 전압 증폭기(250)에서의 부동 전압 증폭기(610)와 하부 데크 시스템(270)에서의 증폭기(740)는 고정 충전 전류 증폭기(240)와 서로 상호 작용하지 않고, 독립적으로 상호 작용하는 것으로 예측된다. 증폭기(610)가 하부 데크 시스템(270)과 동시에 동작하는 것으로 예측되지 않기 때문에, 그 동작의 상세는 여기에서 논의되지 않는다.
고정 충전 전류 증폭기(240)에서, 증폭기(A2 또는 510)는, 전류 감지 상호 컨턱턴스 증폭기(GM2 또는 530), 저항(R3(550), R4(540)) 및 레퍼런스 소스(VREF2)와 함께, 리튬 이온 배터리를 충전하는데 일반적으로 사용되는 정전류/정전압 알고리즘의 정전류 부분을 제어하는데 사용되는 오차 신호를 발생한다. 출력을 적절한 스위칭 듀티 사이클로 변환하기 위한 이러한 증폭기 및 회로의 사용은 스위칭 파워 서플라이 설계 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 공지되어 있다. 또한, 정전류/정전압 알고리즘도 선형 배터리 충전기 설계 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있다.
입력 전류 한계 제어 시스템(210)에서, 전류 감지 증폭기(GM1(320)), 증폭기(A1(340)), 저항(R1(310), R2(320)) 및 레퍼런스 소스(VREF1)는 스위칭 레귤레이터(220)가 자신의 평균 입력 전류를 측정하고 제어할 수 있게 한다. 이 특징은 배터리 충전기에 대한 필수 요건을 아니지만, USB 표준과 같은 소정의 업계 표준을 준수하는데 유용할 수 있다. 이러한 능력은 다음의 의미에서 배터리 충전기에 대하여 추가의 유용성을 제공한다. 먼저, 이는 레귤레이터가 일정한 출력 전류가 아니라 일정한 출력 전력을 제공하게 할 수 있다. 두 번째로, 전류 제한 소스로부터 인출된 전류를 제어하는데 유용할 수 있다. 전자는, 제한된 전력원으로부터 충전 전력을 최적화하여 이에 따라 충전 시간을 최적화할 수 있기 때문에 유용하다. 후자는, 입력원 상에서의 설계 요구 사항을 최소화하여 이에 의해 크기 및 비용을 감소시키는데 유용하다.
다양한 제어 증폭기가 제1 리미터 구성(미도시)에서 전력 스위치에 연결될 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 널리 알려져 있다. 즉, 스위칭 레귤레이터는 임의의 제어 신호 없이 최대 전력을 전달하도록 프로그래밍된다. 레귤레이션은 다양한 제어 증폭기 중 적어도 하나가 자신의 레귤레이션 포인트에 도달하여 레귤레이터가 출력 전력을 제한하도록 명령할 때 달성될 수 있다. 도 2 및 4에 도시된 바와 같은 스텝 다운 스위칭 레귤레이터가 사용될 때, 이는 듀티 사이클의 감소를 가져다 준다. 알 수 있는 바와 같이, 입력 전류 레귤레이션 특징은, 최소 출력 전압(즉, 하부 데크) 레귤레이션 증폭기(도 2에서의 하부 데크 시스템(270))과 함께 사용될 때, 흥미롭고 유용한 특성 세트를 생성한다.
210에서의 입력 전류 측정 시스템의 도시된 예시적인 구현예는 유일하게 가능한 실시예가 아니라는 것에 주목되어야 한다. 또한, 다른 실시예가 동일한 목적을 달성하는데 가능하다. 예를 들어, 한 가지 가능한 대체 구현예는 전류 감지 요소로서 전력 스위치(예를 들어, 도 4에서의 트랜지스터(410))를 사용하는 것이다.
본 교시 내용의 중요한 요소는, 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 증폭기(A4(740)), 트랜지스터(MP2(710)), 저항(R7(750), R8(770)), 레퍼런스 전압(VREF4(760)), 전류원(I1(720)) 및 다이오드(D1(730))를 포함하는 하부 데크 시스템(270)이다. 하부 데크 시스템(270)은 입력 전류 한계 시스템(210)과 함께 동작한다. 동작시, 트랜지스터(MP2(710))의 기능은, 가능한 한 낮은 임피던스를 가지면서, 스위칭 레귤레이터의 출력을 배터리 단자에 연결하는 것이다. 이러한 낮은 임피던스 연결은 최적의 배터리 충전 효율을 보장한다. 이는 일반적으로 스위칭 레귤레이터의 출력 전압을 배터리 단자 전압에 또는 그보다 약간 더 높게 한다. 그러나, 배터리 전압이 휴대용 제품이 신뢰성 있게 동작할 수 있는 레벨(즉, 하부 데크) 아래에 있을 때, 트랜지스터(MP2(710))는 출력 전압을 보존하기 위하여 배터리 단자와 스위칭 레귤레이터 출력을 분리하도록 설계된다.
하부 데크 시스템(270)에서의 증폭기(A4(740))는, 저항(750, 770), VREF4, 전류원(I1(720)) 및 다이오드(D1(730))와 함께, 시스템 전압(VOUT)이 하부 데크 전압으로 떨어질 때 트랜지스터(MP2)의 임피던스가 증가하도록 트랜지스터(MP2(710))의 게이트를 제어한다. 이러한 증가된 임피던스는 상이하고 바람직하게는 더 높은 전압에서 하나의 전압 및 출력 전압에 있는 배터리 단자를 갖는데 필요한 분리에 영향을 미친다.
배터리 충전기(200)가 동작시 수행하는 기능은 상이한 시나리오에 따라 논의될 수 있다. 이러한 기능을 적절하게 개시하기 위하여, 다음의 시나리오가 고려된다.
1. 배터리 전압은 하부 데크보다 높고, 시스템 부하와 프로그래밍된 충전 전류의 합은 입력 전력 한계를 초과하지 않는다.
2. 배터리 전압은 하부 데크보다 높고, 시스템 부하와 프로그래밍된 충전 전류의 합은 입력 전력 한계를 초과한다. 시스템 부하와 충전 전하의 어느 것도 입력 전력 한계를 초과하지 않는다.
3. 배터리 전압은 하부 데크보다 높고, 시스템 부하는 단독으로 입력 전력 한계를 초과한다.
4. 배터리 전압은 하부 데크보다 높고, 프로그래밍된 충전 전류는 단독으로 입력 전력 한계를 초과한다.
5. 배터리 전압은 하부 데크보다 높다. 시스템 부하와 프로그래밍된 충전 전류는 모두 단독으로 입력 전력 한계를 초과한다.
6. 배터리 전압은 하부 데크보다 낮고, 시스템 부하와 프로그래밍된 충전 전류의 합은 입력 전력 한계를 초과하지 않는다.
7. 배터리 전압은 하부 데크보다 낮고, 시스템 부하와 프로그래밍된 충전 전류의 합은 입력 전력 한계를 초과한다. 시스템 부하와 충전 전하의 어느 것도 입력 전력 한계를 초과하지 않는다.
8. 배터리 전압은 하부 데크보다 낮고, 시스템 부하는 단독으로 입력 전력 한계를 초과한다.
9. 배터리 전압은 하부 데크보다 낮고, 프로그래밍된 충전 전류는 단독으로 입력 전력 한계를 초과한다.
10. 배터리 전압은 하부 데크보다 낮다. 시스템 부하와 프로그래밍된 충전 전류는 모두 단독으로 입력 전력 한계를 초과한다.
배터리 충전기의 동작은 리스트된 시나리오 각각에 대하여 아래에서 상세히 논의될 것이다.
시나리오 1:
이 시나리오에서, 배터리 전압은 하부 데크 전압보다 높고, 배터리 전류 및 시스템 부하의 결합은 입력 전류 제한 특징의 프로그래밍된 레벨을 초과하지 않는다. 이 경우에, 하부 데크 증폭기는 트랜지스터(MP2(710))를 가능하게 낮게(예를 들어, 바람직하게는 접지까지) 풀링하여, 트랜지스터(MP2)를 가능한 한 전도성이 되게 한다. 스위칭 레귤레이터의 출력 전압(VOUT)은 배터리 전압과, 트랜지스터(MP2)와 저항(R3(550))의 전체 저항과 충전 전류의 곱을 더한 것과 같다.
이 시나리오에서, 충전 전류를 레귤레이션하도록 작업이 할당된 고정 충전 전류 증폭기(240)에서의 증폭기(A2(510))는 레귤레이터의 듀티 사이클을 제어한다. 배터리는 프로그래밍된 충전 전류를 수신한다. 부하 전류가 변동하면, 출력 전압도 변동하여 다소의 충전 전류가 흐르게 한다. 이 경우에, 증폭기(A2(510))는 배터리에 대한 충전 전류에서의 변동을 검출하여, 이를 보상 하기 위하여 스위칭 레귤레이터(220)의 듀티 사이클을 재조정할 것이다. 이 경우에, 어떠한 다른 증폭기도 스위칭 레귤레이터(220)에 대한 어떠한 영향도 미치지 않는다.
시나리오 2:
이 시나리오에서, 배터리 전압은 하부 데크 전압보다 높고, 연결된 부하 전류 및 프로그래밍된 충전 전류는 입력 전력 한계의 프로그래밍 레벨을 초과하지만, 어느 것도 단독으로 초과하지 않는다. 이 경우에, 증폭기(A1(340))가 하부 데크 레벨 아래의 출력 전압을 검출하지 않기 때문에, 트랜지스터(MP2(710))의 게이트는 여전히 접지 근처에 있다. 이 경우에, 입력 전류 한계 제어 시스템(210)에서의 증폭기(A1(340))는 스위칭 레귤레이터의 듀티 사이클과, 이에 따른 그의 출력 전력을 제어한다. 배터리 전압이 고정되기 때문에, 이 경우에서의 출력 전압은 약간 떨어질 것이고, 프로그래밍된 충전 전류를 지원하기 위하여 트랜지스터(MP2) 및 저항(R3)으로부터의 결합 저항에 걸친 충분한 전압 미만으로 남겨 둔다. 그러나, 부하와 인덕터 사이의 직접적인 연결이 최우선 순위를 제공하기 때문에, 전체 부하 전류는 VOUT에 계속 공급될 것이다. 또한, 이 상황에서, 증폭기(A2(510))는 매우 불만스러울 것이며, 이에 의해 스위칭 레귤레이터의 제어를 포기할 것이다. 따라서, 배터리 충전기(200)가 설계될 때, 충전 전류는 이 경우에 부하 전류의 더 높은 우선 순위에 따르도록 희생된다.
시나리오 3:
이 시나리오에서, 배터리 전압은 하부 데크 전압보다 높고, 시스템 부하는 단독으로 입력 전력 한계를 초과한다. 시나리오 2에서와 같이, 이 경우에, 입력 전류 한계 제어 시스템(210)은 스위칭 레귤레이터(220)의 듀티 사이클을 제어한다. 하부 데크 시스템(270)에서의 트랜지스터(MP2(710))의 게이트는 접지 근처에 있을 것이다. 외부 부하가 할당된 전력을 초과하기 때문에, 출력 전압(VOUT)은 풀다운될 것이고, 트랜지스터(MP2)와 저항(R3)에 걸친 전압은 반대로 될 것이다. 이러한 전압 반전은 배터리로 전달되기보다는 배터리로터 인출되는 전류를 발생시킨다. 따라서, 부하 및 배터리에 대한 연결과, 트랜지스터(MP2(710)) 및 저항(R3(550))의 0이 아닌 임피던스에 대한 특성에 의해, 전력이 입력 공급 및 배터리(260) 모두로부터의 출력으로 전달되는 자동 이상 다이오드 기능이 실현된다. 본 발명의 토폴로지에 의해서라기보다는, 이 결과는 부품을 제조하는 임의의 추가적인 결정 없이 획득된다.
특정의 임계 전압 검출 레벨을 가지지 않지만 대신에 저항 요소의 본질적인 특성에 의존하기 때문에, 이는 본질적인 0의 순방향 전압의 이상적인 다이오드인 것으로 고려될 수 있다. 또한, 시나리오 1, 2 및 3을 조합하는데 있어서, 결합된 부하 전류 및 충전 전류가 입력 전력 한계 이상으로 증가함에 따라, 부하 전류를 보충하기 위하여, 충전 전압은 최고로부터 그 일부로, 0으로 그리고 최종적으로 음으로 점점 작아진다. 시나리오 1, 2 및 3의 각각은, 출력 전압이 배터리 전압보다 약간 큰 것으로부터 배터리 전압보다 약간 작은 것으로 진행하도록 원하는 특성을 생성한다.
시나리오 4:
시나리오 4에서, 프로그래밍된 충전 전류는 단독으로 입력 전력 한계 프로그래밍을 초과한다. 이것은, 충전 전류가 입력 전류 한계 제어 시스템(210)에 의해 표시되는 레벨로 자동으로 감소되는 시나리오 2의 다른 특수한 경우이다. 이 경우, 트랜지스터(MP2(710))의 게이트는 접지에 있으며, 출력 전압(VOUT)은 배터리 전압과, 사용가능한 충전 전류에 트랜지스터(MP2(710)) 및 저항(R3(550))의 결합 저항을 곱한 것의 합이다.
시나리오 5:
이 시나리오에서, 시스템 부하 전류 및 프로그래밍된 배터리 충전 전류는 모두 단독으로 입력 전력 한계를 초과하고, 따라서 그 합도 입력 전력 한계를 초과한다. 시나리오 2에서와 같이, 입력 전류 한계 제어 시스템(210)은 스위칭 레귤레이터의 듀티 사이클을 제어하고, 트랜지스터(MP2(710))의 게이트는 접지에 있다. 시나리오 3과 유사하게, 이 경우에서의 출력 전압은 시스템 부하에 의해 배터리 단자 전압 아래로 풀링되고, 보충 전력이 배터리로부터 부하로 공급될 것이다. 프로그래밍된 충전 전류도 입력 전력 한계를 초과한다는 사실은, MP2-R3 조합 상에서의 반전된 전압이 충전 전류 제어 시스템을 매우 불만족스럽게 하여 이에 따라 불능으로 만들기 때문에, 불합리하다.
시나리오 6:
시나리오 6은, 배터리 전압이 하부 데크 레벨 아래에 있는 첫 번째 시나리오다. 이 경우에, 논의는, 결합된 부하 전류 및 프로그래밍된 충전 전류가 입력 전력 한계 제어 시스템(210)에 의해 사용된 임계값을 초과하지 않을 때 무엇이 발생하는지에 집중된다.
배터리 전압이 하부 데크 전압보다 작을 때, 하부 데크 시스템(270)에서의 증폭기(A4(740))는 I1이 트랜지스터(MP2(710))의 게이트 상에 풀업되게 할 수 있어, 출력(VOUT)이 프로그래밍된 하부 데크 레벨 아래로 떨어지지 않도록 그 임피던스가 상승하게 한다. 즉, 배터리(260)와 출력 전압(VOUT) 사이의 임피던스는, 배터리 단자를 출력 노드로부터 분리하기 위하여, MP2 및 증폭기(A4(740))를 통해 의도적으로 증가된다. 전술한 바와 같이, 이 분리는 낮은 배터리 전압의 경우에 출력 전압을 보존하는데 필수적이다.
이 시나리오에서, 시나리오 1에서와 같이, 배터리 충전 전류 제어 증폭기(240) 내의 증폭기(A2(510))는 스위칭 레귤레이터(220)의 듀티 사이클을 제어한다. 시나리오 1과 다르게, 하부 데크 시스템(270)에서의 증폭기(A4(710))는 트랜지스터(MP2(710))의 게이트를 접지시키려고 더 이상 노력하지 않으며, 대신에 출력 전압을 보존하는데 필요한 레벨로 이를 레귤레이트한다.
일부 흥미있는 관찰이 이 시나리오에서 이루어질 수 있다. 먼저, 증폭기(A4(740)), 트랜지스터(MP2(710)), 저항(R7(750), R8(770)) 및 VREF4를 포함하는 하부 데크 시스템(270)에서의 부품은, 스위칭 레귤레이터(220)의 듀티 사이클에 직접적인 영향을 가지지 않는다. 즉, 이는 완전히 독립적인 회로이다.
두 번째로, 하부 데크 시스템(270)에서의 이러한 부품들은 션트 레귤레이터(shunt regulator)에 대한 아주 많은 유사성을 갖는다. 구체적으로는, 전류가 전류가 하부 데크 시스템(270)의 상부로 공급될 때, 전압은 증폭기(A4(740))의 높은 이득에 의해 제어되는 변조된 MP2 임피던스에 의해 매우 정밀하게 레귤레이트된다. 본 네트워크와 션트 레귤레이터 사이의 주요 차이점은, 션트 레귤레이터에서 전류가 일반적으로 접지로 전송되지만(즉, 폐기되지만), 본 네트워크에서는 배터리로 전송되어 따라서 유용한 기능을 용이하게 한다는 것이다.
세 번째로, 도 2 및 9에 배터리 충전기에서 충전 전류 제어 루프가 있다. 구체적으로는, 저항(R3(550), R4(540)), GM2(530) 및 증폭기(A2(510))는 여전히 낮은 임피던스의 부하를 "본다(see)". 즉, 이전과 같이 저항(R3(550)) 및 트랜지스터(MP2(710))의 낮은 임피던스를 통해 배터리로 고정 전류를 전송하기보다는, 이제는 증폭기(A4(740))의 높은 이득에 의해 백업되는 트랜지스터(MP2(710))의 상호 컨덕턴스에 의해 형성된 "션트 레귤레이터"로 그 전류를 전송한다. 따라서, 이 경우에, 션트 레귤레이터는 배터리에 대한 대용품 역할을 한다: 낮은 임피던스의 배터리와 유사하지만 더 높은 단자 전압을 가지면서 행동하는 새로운 낮은 임피던스를 만든다.
시나리오 7:
시나리오 2에서와 같이, 결합된 시스템 부하 및 프로그래밍된 충전 전류는 입력 전력 한계를 초과하는 반면, 어느 것도 단독으로 초과하지 않는다. 이 경우에, 입력 전류 한계 제어 시스템(210))에서의 증폭기(A1(340))는 스위칭 레귤레이터(220)로부터의 전력 레벨을 제어한다. 그러나, 이 시나리오에서, 배터리(260)는 하부 데크 레벨 아래에 있다. 시나리오 6에서와 같이, 출력 전압(VOUT)을 보존하기 위하여, 하부 데크 제어 시스템은 이제 트랜지스터(MP2(710))의 게이트를 레귤레이트한다. 시나리오 7과 시나리오 6의 차이는, 결합된 부하를 위한 전력 공급 및 이에 따른 충전 전류가 불충분하기 때문에, 출력 전압은 시나리오 6에서보다 약간 더 낮게 떨어질 것이고, 이는 증폭기(A4(740))로 하여금 I1가 트랜지스터(MP2(710))의 게이트를 풀업을 할 수 있게 하고, 이에 의해 MP2의 임피던스를 더 증가시킨다는 것이다. 그 다음, 트랜지스터(MP2(710))의 임피던스에서의 이러한 증가는 시스템 부하가 만족될 때까지 배터리 충전 전류를 효율적으로 감소시킬 것이다.
시나리오 8:
시나리오 8에서, 시스템 부하는 단독으로 입력 전력 한계를 초과한다. 이 경우에, 스위칭 레귤레이터(220)가 입력 전류 한계 제어를 위반하거나 아니면 이를 다소 무효로 하지 않고서 임의의 출력 전압을 유지하는 것은 불가능하다. 따라서, 출력 전압은 하부 데크 레벨 아래로 떨어질 것이다. 일반적으로, 이 시나리오는, 입력 전력 소스 및 이에 따른 입력 전력 한계 제어 시스템의 프로그래밍 레벨이 제품에 대한 최소 필수 전력을 제공하는데 불충분하게 설계된 상황을 나타내기 때문에, 시스템 아키텍쳐 관점으로부터 휴대용 제품의 실패를 나타낸다. 본 교시 내용에 따라, 하부 데크 시스템(270)의 결정을 반전시키고 배터리와 출력 전압을 재연결하여 시스템 부하에 비상 전력을 제공하려고 시도하는 명시적인 이상적인 다이오드 기능이 개시된다.
배터리가 이제 하부 데크 레벨 아래에 있기 때문에, 배터리 전력을 전달하려는 시도는, 휴대용 시스템이 감소된 전압을 검출하고 시스템 리셋을 수행하거나 아니며 제대로 기능을 하지 않을 수 있는 것에 따라, 성공적이거나 또는 성공적이지 않을 수 있다는 점에 주목하라. 또한, 감소된 충전 상태에 있는 배터리는, 셀 전압에서의 추가의 가파른 강하 없이 요구되는 전류를 공급할 수 있거나 공급할 수 없을 수 있다. 이상적인 다이오드 기능은, 그럼에도 불구하고, 배터리가 추가의 부하가 피해를 발생할 정도로 방전되지 않았을 때 하부 데크 레벨 바로 아래에서 동작할 수 있도록 상업적으로 사용 가능한 제품에 포함될 수 있다.
이상적인 다이오드 기능은 이상 다이오드 증폭기(280)에 의해 획득된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 이상 다이오드 증폭기(280)는 증폭기(A5(820))와 기준 전압(VREF5(830))을 포함할 수 있다. 출력 전압이 배터리 전압 아래로 예를 들어 15 mV의 소정의 양보다 더 많이 떨어짐에 따라, 증폭기(A5(820))는 접지를 향하여 트랜지스터(MP2(710))를 다시 풀링하고, 이에 의해 배터리 및 출력 전압을 재연결한다. 이 상황에서 하부 데크 시스템(270)에서의 증폭기(A4(740))는 다수의 이유로 이 동작과 간섭하지 않는다. 하부 데크 시스템(270)에서의 다이오드(D1(730))와 이상 다이오드 증폭기(280))에서의 다이오드(D2(810))의 다이오드 논리합 기능 때문에, 간섭이 없을 것이다. 또한, 트랜지스터 증폭기(A4)가 이미 매우 불만족스러운 상태에 있기 때문에, 그 출력 전압은 높은 레벨에 있다. 유사하게, 이전의 시나리오에서, 증폭기(A5(820))는, 하부 데크 기능이 활성화될 때, VOUT이 항상 배터리 전압보다 크고, 따라서 증폭기(A5(820)가 항상 매우 불만족스럽게 만든다는 사실 때문에, 증폭기(A4(740))와 간섭하지 않는다.
시나리오 9:
시나리오 9에서, 배터리 전압은 하부 데크 레벨보다 작고, 프로그래밍된 충전 전류는 단독으로 입력 전력 한계를 초과한다. 이 경우에, 시나리오 4에서와 같이, 입력 전류 한계 제어 시스템(210)은 스위칭 레귤레이터(220)의 듀티 사이클을 제어할 것이다. 이 루프가 최대 입력 전류를 유지하기 위하여 듀티 사이클을 감소시키려고 할 것이기 때문에, 출력 전압은 약간 떨어질 수 있다. 출력 전압이 떨어짐에 따라, 하부 데크 증폭기(A4(740))는 다시 I1가 트랜지스터(MP2(710))를 상승시키게 할 수 있고, 이는 트랜지스터(MP2)가 덜 전도성이게 한다. 결국, 트랜지스터(MP2(710))의 게이트 및 이에 따른 트랜지스터(MP2(710))의 임피던스는 입력 전류 한계 제어 시스템(210)에 의해 허용된 레벨로 배터리 충전 전류를 감소시키기에 충분히 높게 상승한다. 이는 프로그래밍된 한계 아래의 충전 전류와 하부 데크 레벨과 동등한 출력 전압을 발생시킨다. 충전 전류가 이제 프로그래밍된 레벨 아래에 있기 때문에, 고정 충전 전류 제어 증폭기(240)는 이에 따라 매우 불만족스럽게 되고, 따라서 입력 전류 한계 제어 시스템(210)과 간섭하지 않을 것이다.
시나리오 10:
시나리오 10에서, 프로그래밍된 배터리 충전 전류 및 시스템 부하 전류는 모두 단독으로 입력 전류 시스템의 한계를 초과한다. 이 경우는 부하 전류가 출력 전압을 하부 데크 레벨 아래로 풀링하는 시나리오 8과 유사하여, 명시적인 이상적인 다이오드 기능이 트랜지스터(MP2(710))를 통해 배터리 단자를 시스템 출력 노드(VOUT)로 재연결하는 것을 필요로 한다. 또한, 이 시나리오는, 하부 데크 한계가 위반되고 제품의 정확한 동작이 실제 배터리 셀 전압에 따라 손상될 수 있기 때문에, 시스템 디자인에서의 실패를 나타낸다.
일부 실제적인 문제가 있다. 시나리오 6 내지 10에서, 하부 데크 시스템(270)에서의 증폭기(A4(740))가 활성화되고, 트랜지스터(MP2(710))는 그 최소의 획득가능한 값보다 더 높은 저항을 나타낸다. 이 경우에, MP2에 걸친 전압은 더 이상 최소화되지 않고(즉, 하부 데크 전압에서 배터리 전압을 뺀 것과 동일하다), 따라서, 그 전력 소비는 더 이상 최소화되지 않는다. 높은 전력 시스템에 대하여, 전력 소비가 상당하게 될 수 있다는 것은 명확하다. 이것은 일부 역효과를 가질 수 있다. 예를 들어, 배터리 충전기(200)는 스위칭 배터리 충전기와 선형 배터리 충전기의 하이브리드이며, 따라서 하이브리드 효율을 가진다. 즉, 그 효율은 주어진 조건에 대하여 획득가능한 최대보다 더 낮을 것이다. 또한, 분리 트랜지스터(MP2(710))는 배터리 단자 전압이 하부 데크 레벨에 도달할 때까지 발생하는 전력 소비를 견디도록 설계될 필요가 있다. 이는 제2 DC/DC 컨버터를 사용하지 않고, 휴대용 제품 내에서의 인스턴트 온 특징을 제공하는데 존재하는 트레이드 오프이다. 일부 실시예에서, 대체 방법 또는 회로가 트랜지스터(MP2(710))를 보호하기 위하여 채용될 수 있으며, 이는 하부 데크 전압 및 배터리 단자 전압 사이의 차이의 함수로서 프로그래밍된 충전 전류를 더 높은 값에서 더 낮은 값으로 감소시킨다. 트레이드 오프로서, 이러한 대체 방법은, 충전 시간을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 이러한 역효과를 완화시키기 위하여 다양한 고려가 취해질 수 있다. 예를 들어, 하부 데크 전압은 가능한 한 낮게 설정될 수 있어, 이에 의해 하이브리드 배터리 충전기가 인스턴트 온 특성의 특징을 여전히 제공하면서 순수하게 스위칭하는 충전기에 더 가깝게 되게 한다. 일반적으로, 하부 데크 전압은 휴대용 장치가 신뢰성있게 동작하는 레벨에 기초하여 결정된다. 또한, 배터리 전압이 매우 낮을 때, 일반적으로 하부 데크 전압으로 매우 빠르게 충전하기 때문에 충전기가 이러한 불충분한 모드에 있는 동안의 시간의 비율은 오히려 낮다. 따라서, 충전 사이클에 대한 전체 충전 효율은 여전히 매우 높다. 또한, 통과 요소(예를 들어, 트랜지스터(MP2(710))에서의 추가의 전력 소비는, 지속 시간이 너무 긴 것으로 예측되지 않는다면, 터무니없이 크지 않을 수 있다.
도 10은, 본 교시 내용의 일 실시예에 따라, 배터리 전압이 하부 데크보다 낮게 강하할 때 휴대용 장치가 동작하게 할 수 있는 배터리 충전기(1010)를 포함하는 휴대용 장치(1000)를 도시한다. 본 구성에서, 휴대용 장치(1000)는 배터리(1020), 배터리 충전기(1010) 및 휴대용 장치가 수행하는 것으로 설계된 기능을 수행하기 위하여 배치되는 한 세트의 시스템 부품(1030)을 포함한다. 이러한 시스템 부품의 예는 소정의 디스플레이 스크린(1040), 복수의 애플리케이션 모듈(1060) 및 통신 모듈(1070)이 동작하게 하는 주 회로(1050)를 포함한다.
동작시, 휴대용 장치(1000)는 어떠한 외부 전원에도 연결되지 않는다. 즉, 배터리 충전기에 어떠한 입력 전력도 없고, 배터리(1020)는 시스템 부품에 내부 전력 공급을 제공한다. 배터리(1020)가 방전되고 외부 전원이 있을 때, 배터리 충전기(1010)는 배터리를 충전한다. 배터리가 매우 방전되는 경우, 즉 배터리의 전압이 하부 데크 아래로 강하하는 경우, 배터리 충전기(1010)는, 동작을 계속하기 위하여 시스템 부품에 적합한 전력 공급이 공급될 수 있도록 배터리(1020)로부터 시스템 전력을 분리하고 이에 따라 인스턴트 온 특징을 용이하게 할 수 있다.
도 10에서의 배터리 충전기(1010)는 본 교시 내용에 따라 구축되고, 도 2 내지 9를 참조하여 본 명세서에서 설명되었다. 본 발명이 소정의 도시된 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 명세서에서 사용된 용어는 한정적인 용어라기보다는 설명적인 용어로서 사용되었다. 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서, 본 발명의 범위 및 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 변경이 이루어질 수 있다. 본 발명이 본 명세서에서, 특정 구조, 동작 및 재료를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은, 개시된 특정 사항에 한정되지 않으며, 오히려 일부가 개시된 실시예와는 많이 다를 수 있는 매우 다양한 형태로 구체화될 수 있고, 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 있는 모든 균등한 구조, 동작 및 재료로 확장된다.

Claims (16)

  1. 시스템 전력을 제공하고 배터리를 충전하는 회로에 있어서,
    입력 전력 및 듀티 사이클에 기초하여 상기 시스템 전력을 전송하도록 구성된 스위칭 레귤레이터;
    입력 전류 한계 제어 회로, 배터리 전류 한계 제어 회로 및 배터리 전압 한계 제어 회로에 응답하여 상기 회로로부터 출력된 전력을 레귤레이트하는데 사용되는 상기 듀티 사이클을 생성하도록 구성된 듀티 사이클 생성기;
    입력 전류의 한계에 기초하여 상기 듀티 사이클을 제한하도록 구성된 상기 입력 전류 한계 제어 회로;
    배터리 충전 전류의 한계에 기초하여 상기 듀티 사이클을 제한하도록 구성된 상기 배터리 전류 한계 제어 회로;
    배터리 전압의 한계에 기초하여 상기 듀티 사이클을 제한하도록 구성된 상기 배터리 전압 한계 제어 회로;
    상기 배터리를 상기 시스템에 공칭(nominally) 연결하는 제어가능한 임피던스 요소; 및
    상기 제어가능한 임피던스 요소를 제어하도록 구성된 출력 전압 레귤레이션 회로
    를 포함하고,
    상기 제어가능한 임피던스 요소는 상기 시스템의 전압이 시스템 전압 한계 아래로 강하할 때 상기 배터리를 상기 시스템으로부터 부분적으로 또는 실질적으로 분리하는,
    회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 레귤레이터는 스텝 다운 스위칭 레귤레이터인,
    회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력 전류 한계 제어 회로는,
    상기 입력 전력에 연결된 비반전 입력과, 상기 스위칭 레귤레이터에 연결된 반전 입력을 갖는 제1 전류 감지 증폭기;
    상기 제1 전류 감지 증폭기의 비반전 입력 및 반전 입력을 연결하는 제1 저항;
    상기 제1 전류 감지 증폭기의 출력과 접지를 연결하는 제2 저항; 및
    상기 제1 전류 감지 증폭기의 출력에 연결된 반전 입력과, 제1 전압 레퍼런스에 연결된 비반전 입력 및 상기 듀티 사이클 생성기에 연결된 출력을 갖는 제1 증폭기
    를 포함하는,
    회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 전류 한계 제어 회로는,
    상기 시스템 전력에 연결된 비반전 입력과, 상기 제어가능한 임피던스 요소에 연결된 반전 입력을 갖는 제2 전류 감지 증폭기;
    상기 제2 전류 감지 증폭기의 비반전 입력 및 반전 입력을 연결하는 제3 저항;
    상기 제2 전류 감지 증폭기의 출력과 접지를 연결하는 제4 저항; 및
    상기 제2 전류 감지 증폭기의 출력에 연결된 반전 입력과, 제2 레퍼런스 전압에 연결된 비반전 입력 및 생성되는 상기 듀티 사이클을 제어하도록 상기 듀티 사이클 생성기에 연결된 출력을 갖는 제2 증폭기
    를 포함하는,
    회로.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 전압 한계 제어 회로는,
    생성되는 상기 듀티 사이클을 제어하도록 상기 듀티 사이클 생성기에 연결된 출력과, 제3 레퍼런스 전압에 연결된 비반전 입력을 갖는 제3 증폭기;
    상기 제3 증폭기의 반전 입력 및 상기 배터리에 연결된 제5 저항; 및
    상기 제3 증폭기의 반전 입력과 접지를 연결하는 제6 저항
    을 포함하는,
    회로.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어가능한 임피던스 요소는 제1 PMOS 트랜지스터에 기초하여 구현되는,
    회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 PMOS 트랜지스터는, 상기 고정 충전 전류 증폭기에서 상기 제2 전류 감지 증폭기의 반전 입력에 연결된 소스와, 상기 배터리에 연결된 드레인과, 이상 다이오드 증폭기(ideal diode amplifier)에 연결된 게이트를 갖고;
    상기 출력 전압 레귤레이션 회로는,
    상기 시스템 전력과 상기 제1 PMOS 트랜지스터의 게이트 사이에 연결된 제1 전류원;
    상기 제1 PMOS 트랜지스터의 게이트에 연결된 애노드를 갖는 제1 다이오드;
    제4 레퍼런스 전압에 연결된 비반전 입력과, 상기 제1 다이오드의 캐소드에 연결된 출력을 갖는 제4 증폭기; 및
    상기 시스템 전력 및 접지 사이에 직렬로 연결된 제7 및 제8 저항
    을 포함하고,
    상기 제7 및 제8 저항은 상기 제4 증폭기의 반전 입력에 서로 연결되는,
    회로.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전류원은 적어도 트랜지스터 또는 저항을 포함하는,
    회로.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 스텝 다운 스위칭 레귤레이터는,
    상기 듀티 사이클 생성기에 연결된 게이트와, 상기 제1 전류 감지 증폭기의 반전 입력에 연결된 소스를 갖는 제2 PMOS 트랜지스터;
    상기 듀티 사이클 생성기에 연결된 게이트와, 접지에 연결된 소스와, 상기 제2 PMOS 트랜지스터의 드레인에 연결된 드레인을 갖는 제1 NMOS 트랜지스터; 및
    상기 제2 PMOS 트랜지스터의 드레인 및 상기 시스템 전력에 연결된 부 회로
    를 포함하는,
    회로.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 부 회로는,
    상기 제2 PMOS 트랜지스터의 드레인에 연결된 일단과, 상기 시스템 전력에 연결된 타단을 갖는 인덕터; 및
    상기 시스템 전력에 연결된 일단과, 접지에 연결된 타단을 갖는 커패시터
    를 포함하는,
    회로.
  11. 제1항에 있어서,
    이상 다이오드 증폭기를 더 포함하는,
    회로.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이상 다이오드 증폭기는,
    제5 전압 레퍼런스를 통하여 상기 시스템 전력에 연결된 비반전 입력과, 상기 배터리에 연결된 반전 입력을 갖는 제5 증폭기; 및
    상기 하부 데크 시스템에서 상기 제1 다이오드의 애노드에 연결된 애노드와, 상기 제5 증폭기의 출력에 연결된 캐소드를 갖는 제2 다이오드
    를 포함하는,
    회로.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전압 레퍼런스는 상기 제5 증폭기의 오프셋으로서 실현되는,
    회로.
  14. 휴대용 장치를 위한 시스템에 있어서,
    상기 휴대용 장치가 수행하도록 설계되는 복수의 기능을 용이하게 하도록 구성된 복수의 시스템 부품;
    외부 입력 전력 공급이 없을 때 상기 복수의 시스템 부품에 내부 전력 공급을 제공하도록 구성된 배터리; 및
    상기 외부 입력 전력 공급이 사용가능할 때 상기 배터리를 충전하도록 구성된 배터리 충전기
    를 포함하고,
    상기 배터리 충전기는, 충전되고 있는 상기 배터리의 전압이 한계 아래일 때 상기 시스템 부품에 시스템 전력을 공급하여, 상기 배터리의 전압이 상기 한계 아래로 떨어질 때 상기 시스템 부품이 동작하도록 허용할 수 있는,
    휴대용 장치를 위한 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 시스템 부품은,
    정보를 디스플레이하도록 구성된 디스플레이 스크린;
    상기 휴대용 장치 상에 배치되고, 상기 휴대용 장치가 수행하도록 설계된 기능의 적어도 일부를 수행하도록 구성된 하나 이상의 애플리케이션 모듈;
    상기 하나 이상의 애플리케이션 모듈의 적어도 일부를 실행하도록 구성된 주 회로; 및
    상기 휴대용 장치가 통신을 수행하는 것을 용이하게 하도록 구성된 하나 이상의 통신 모듈
    을 포함하는,
    휴대용 장치를 위한 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 배터리 충전기는,
    입력 전력 및 듀티 사이클에 기초하여 상기 시스템 전력을 전송하도록 구성된 스위칭 레귤레이터;
    입력 전류 한계 제어 회로, 배터리 전류 한계 제어 회로 및 배터리 전압 한계 제어 회로에 응답하여 상기 회로로부터 출력된 전력을 레귤레이트하는데 사용되는 상기 듀티 사이클을 생성하도록 구성된 듀티 사이클 생성기;
    입력 전류의 한계에 기초하여 상기 듀티 사이클을 제한하도록 구성된 상기 입력 전류 한계 제어 회로;
    배터리 충전 전류의 한계에 기초하여 상기 듀티 사이클을 제한하도록 구성된 상기 배터리 전류 한계 제어 회로;
    배터리 전압의 한계에 기초하여 상기 듀티 사이클을 제한하도록 구성된 상기 배터리 전압 한계 제어 회로;
    상기 배터리를 상기 시스템에 공칭 연결하는 제어가능한 임피던스 요소; 및
    상기 제어가능한 임피던스 요소를 제어하도록 구성된 출력 전압 레귤레이션 회로
    를 포함하고,
    상기 제어가능한 임피던스 요소는 상기 시스템의 전압이 시스템 전압 한계 아래로 강하할 때 상기 배터리를 상기 시스템으로부터 부분적으로 또는 실질적으로 분리하는,
    휴대용 장치를 위한 시스템.
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