KR20130076692A - 배터리용 검출 회로 - Google Patents

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Abstract

검출 회로는 감지 유닛, 신호 기준 공급원 및 검출 유닛을 포함한다. 감지 유닛은 배터리의 상태를 표시하는 입력 신호를 감지하여 감지 신호를 제공한다. 신호 기준 공급원은 기준 노드를 포함하고, 그리고 기준 노드에서 신호 기준을 결정하고, 그리고 동일한 기준 노드에서 감지 신호를 수신하여 바이어스가 되어 감지 신호와 신호 기준 사이의 차이를 나타내는 트리거 신호를 발생한다. 검출 유닛은 신호 기준 공급원에 연결되고, 그리고 배터리에 비정상 상태가 존재하는지 여부를 나타내는 트리거 신호에 따라 출력 신호를 발생시킨다.

Description

배터리용 검출 회로{DETECTION OF CIRCUITS FOR BATTERIES}
본 발명은 내용 전체가 참조로 본 명세서에 포함되는 2011.12.28.에 출원된 미국 가출원 제61/580,899호 및 2012.07.19.에 출원된 미국 출원 제13/553,371호 에 대하여 우선권을 주장한다.
본 발명은 배터리의 전압 상태를 검출하는 검출 회로에 관한 것이다.
랩톱 컴퓨터(laptop computer), 셀 폰(cell phones), 개인용 휴대 단말기(personal digital assistants)와 같은 휴대용 장치(devices)는 그와 같은 장치의 성능 및 이용성이 계속 확장되고 있으므로 오늘날 점점 일반화가 되어 가고 있다. 많은 휴대용 전자 기기는 그와 같은 기기의 휴대성을 용이하게 하기 위하여 리튬, 니켈-카드뮴 또는 니켈-금속 하이브리드 형태의 배터리 같은 충전가능한 (rechargeable) 배터리(battery)에 의하여 전력을 공급받는다. 그와 같은 전자 기기는, 또한, 예를 들어 AC/DC(교류/직류) 어댑터가 공지의 AC(교류)(Alternating Current) 출력 단자에 연결되는 것과 같은 상황이 허용되는 경우에는 DC(직류)(Direct Current) 전력에 의하여 전력을 공급받을 수 있다. DC 전력(power) 공급원(source)은 또한 배터리 충전 모드에서 충전가능한 배터리 셀을 충전시키기 위하여 전력을 공급할 수 있다. 배터리 충전 모드에서, 충전가능한 배터리 셀은 셀 화재(cell burning)에 이를 수 있는 과-전압 상태를 피하도록 보호된다.
도 1은, 재충전 배터리 셀에 대한, 과-전압 보호(OVP, over-voltage protection)(본 명세서에서 OVP 회로망(100)이라 함)를 제공하는 종래의 검출 회로망(circutry)(100)의 블록 다이어그램을 도시한 것이다. 공지의 OVP 회로(100)에서, 저항(R11, R12)을 포함하는 감지 저항 스트링(sense resistor string)이 충전가능한 배터리 셀(101)의 전압을 검출하기 위하여 사용된다. 전압 기준 유닛(voltage reference unit)(103)은 비교기(105)를 경유하여 감지 전압(VSEN)과 비교하기 위하여 고정된 기준 전압(VREF)을 제공한다. 만약 과-전압 상태가 존재한다면, 비교기(105)는 출력 신호(OVP)를 발생한다. 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 낮은 경우, 출력 신호(OVP)는 논리 로우(logic low)가 되고 셀(101)의 셀 전압이 정상 범위라는 것을 나타낸다. 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 높은 경우, 출력 신호(OVP)는 논리 하이(high)가 되고 셀(101)에서 과-전압 발생함을 나타낸다.
도 1에 도시된 것처럼, 종래의 OVP 회로망(100)는 3개의 직류 전류 가지(branches)를 가진다. 전압 기준 유닛 가지, 감지 저항 스트링 가지 및 비교기 가지가 그것들이다. 이러한 3개의 직류 전류 가지의 전력 소비는 매우 높을 수 있다. 이로 인하여 회로의 성능이 효율적이지 못한 문제가 있다. 이러한 문제를 개선하는 회로가 요구된다.
본 발명의 목적은 배터리의 전압 상태를 검출하는 검출 회로를 제공하는 것이다.
하나의 실시 형태에서, 검출 회로는 감지 유닛, 신호 기준 공급원 및 검출 유닛을 포함한다. 감지 유닛은 배터리의 상태를 나타내는 입력 신호를 감지하는 것에 의하여 감지 신호를 제공한다. 감지 유닛에 결합되고 그리고 기준 노드를 포함하는 신호 기준 공급원은 기준 노드에서 신호 기준을 결정하고, 그리고 신호 기준 공급원은 감지 신호 및 신호 기준 사이의 차이를 나타내는 트리거 신호를 생성하기 위하여 동일한 기준 노드에서 감지 신호를 수신하고 감지 신호에 의하여 바이어스가 된다. 검출 유닛은 신호 기준 공급원에 연결되고 그리고 비정상 상태가 배터리에 존재하는지 여부를 나타내기 위하여 트리거 신호에 따라 출력 신호를 생성한다.
본 발명에 따른 실시 형태는 배터리에서의 비정상 작동 상태를 검출하기 위하여 배터리를 위한 검출 회로를 제공하여, 과-충전 또는 과-방전 상태 각각으로 부터 배터리 셀을 보호하기 위하여, 배터리 셀에서의 과-전압 상태 또는 부족-전압 상태를 검출한다. 본 발명에 따른 검출 회로는 종래의 회로 설계 방식에 비하여 낮은 전력 소모를 하며 간단한 회로 구조를 가진다
본 발명의 실시 예의 특징 및 이점이 아래의 상세한 설명이 진행됨에 따라 명백해질 것이고, 그리고 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성을 나타낸다.
도 1은 충전가능한 배터리 셀의 과-전압 보호를 제공하기 위한 종래의 검출 회로의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 검출 회로의 실시 예의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 검출 회로의 실시 예의 개략적인 다이어그램은 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 검출 회로의 실시 예의 개략적인 다이어그램은 예시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 검출 회로의 실시 예의 개략적인 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 검출 회로에 의하여 실행되는 작동의 실시 예의 순서도를 예시한 것이다.
본 발명의 실시 형태에 대한 참조가 상세하게 만들어질 것이다. 본 발명은 이러한 실시 형태와 함께 기술되는 한편, 이러한 실시 형태에 본 발명이 제한되는 것으로 의도되지 않는 것으로 이해가 되어야 한다. 이와 달리, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 및 범위에 포함될 수 있는 대안 발명, 수정 발명 및 등가 발명을 포함하는 것으로 의도된다.
추가로 본 발명의 아래의 상세한 설명에서, 다양한 구체적인 사항이 본 발명의 명확한 이해를 위하여 기술된다. 그러나 본 발명은 이러한 상세한 사항이 없이 실행될 수 있는 것으로 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 이해될 것이다. 다른 예로, 본 발명의 특징을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 공지된 방법, 절차, 구성요소 및 회로는 상세하게 기술되지 않을 것이다.
본 발명에 따른 실시 형태는 배터리에서 비정상 작동 상태를 검출하기 위하여 배터리를 위한 검출 회로를 제공한다. 하나의 실시 형태에서, 검출 회로는 과-충전(over-charging) 또는 과-방전(over-discharging)으로부터 배터리 셀을 보호하기 위하여 배터리 셀에서 과-전압(over-voltage) 상태 또는 부족-전압(under-voltage)(과소-전압 또는 저-전압 이라고도 한다) 상태를 검출한다. 바람직하게도, 검출 회로는 공지(종래)의 설계에 비하여 낮은 전력 소모 및 간단한 회로 구조를 가진다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 검출 회로(200)의 실시 예의 블록 다이어그램을 예시한 것이다. 검출 회로(detection circuit)(200)는 감지 유닛(sensing unit)(203), 신호 기준 공급원(signal reference source)(205) 및 검출 유닛(detection unit)(207)을 포함한다. 감지 회로(203)는 입력 신호(IN)를 감지하고, 감지의 결과로 신호 기준 공급원(205)에게 감지 신호(sensed signal)(SEN)를 제공한다. 입력 신호(IN)는 상태, 예를 들어 배터리 셀(201)의 전압 레벨,를 나타낸다.
신호 기준 공급원(205)은 단자(R)에서 감지 신호(SEN)를 수신하고, 그리고 단자(T)에서 트리거 신호(TRG)를 생성하기 위하여 감지 신호(SEN)에 의하여 바이어스된다(biased). 신호 기준 공급원(205)은 또한 단자(R)에서 신호 기준(signal reference)(REF)을 결정한다. 하나의 실시 예에서 신호 기준 공급원(205)은 밴드 갭(bandgap) 기준 회로를 포함한다. 신호 기준(REF)은 만약 주위 온도(ambient temperature)가 변한다고 할지라도 실질적으로 일정하게 유지되는 밴드 갭 전압 기준이고, 그리고 신호 기준(REF)은 신호 기준 공급원(205)의 내부 구성요소의 특징(characteristic) 매개변수(parameters)에 따라 결정된다. 밴드 갭 기준을 제공하기 위한 기술은 이 기술 분야에서 공지되어 있다. 이러한 실시 형태에서, 만약 단자(R)에서 수신된 감지 신호(SEN)가 신호 기준(REF)에 비하여 크거나 작다면 [달리 말하면, 만약 단자(R)가 밴드 갭 기준 전압과 다른 전압 레벨에 의하여 바이어스된다면(biased)], 단자(T)에서 생성되는 트리거 신호(TRG)는 그에 따라 변화하여, 이 트리거 신호(TRG)가 감지 신호(SEN)와 신호 기준(REF) 사이의 차이를 나타내도록 한다. 바람직하게도, 검출 회로(200)의 정확성은, 신호 기준(REF)이 실질적으로 일정한(상수) 값(constant value)을 가지므로, 향상될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 어휘로, “실질적으로 일정한(substantially constant)"은 예를 들어 회로 구성요소의 비-이상성(non-ideality)로 인하여 일정한 값으로부터 벗어날 수 있는 것을 의미하지만, 그러나 벗어남은 무시할 수 있는 범위 내에 있다는 것을 의미한다. 검출 유닛(207)은 트리거 신호(TRG)에 따라 출력 신호(OUT)를 생성한다. 출력 신호(OUT)는 배터리 셀(201)에서 비정상 상태(abnormal condition)가 있는지 여부를 나타낸다.
위에서 언급한 것처럼, 바이어스 신호(bias signal)로 감지 신호(SEN)를 수신하는 것에 의하여, 신호 기준 공급원(205)은 신호 기준(REF)을 감지 신호(SEN)와 비교하고, 그리고 감지 신호(SEN)와 신호 기준(REF) 사이의 차이를 나타내는 트리거 신호(TRG)를 발생시킨다. 바람직하게도, 비교기 또는 그와 같은 종류의 것이 검출 회로(200)에는 요구되지 않는다. 달리 말하면, 신호 기준 공급원(205)은 신호 기준 공급원(205)의 전류 소비를 증가시키지 않고 비교 기능을 통합한다. 결과적으로 비교기 또는 추가적인/다른 비교 장치가 사용되지 않으므로, 전체 전력 소비 및 검출 회로(200)의 비용이 감소된다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 검출 회로(300)의 실시 예의 개략적인 다이어그램을 예시한 것이다. 도 3은 도 2와 함께 기술된다. 이러한 실시 형태에서, 검출 회로(300)는 배터리 셀(301)에 비정상 상태가 있는지 여부를 검출한다. 검출 회로(300)는 감지 유닛(303), 신호 기준 공급원(305) 및 검출 유닛(307)을 포함한다. 감지 유닛(303)은 셀(301)의 전압 레벨을 감지하기 위한 저항(R31, R32)을 포함하는 전압 분배기(voltage divider)를 포함하고, 그리고 셀(301)의 전압 레벨에 해당하는 감지 전압(VSEN)을 제공한다. 하나의 실시 형태에서, 신호 기준 공급원(305)은 만약 주위 온도가 변할지라도 실질적으로 일정하게 유지되는 밴드 갭(bandgap) 전압 기준(VREF)을 제공할 수 있는 밴드 갭 기준 회로(bandgap reference circuit)가 된다.
도 3의 실시 예에서, 신호 기준 공급원(305)은 저항(RS, R1), 한 쌍의 MOS(metal oxide semiconductor) 트랜지스터(M1A, M1B) 및 한 쌍의 바이폴라 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)(Q1A, Q1B)를 포함한다. 도 3에 도시된 것처럼, 감지 유닛(303)에 연결된 신호 기준 공급원(305)은 기준 노드(reference node)(K)를 포함하고, 기준 노드(K), 도 2의 실시 형태에 있는 단자(R)에 연결된,에서 감지 전압(VSEN)을 수신한다. 신호 기준 공급원(305)는 감지 전압(VSEN)에 의하여 바이어스가 되어, 트리거 노드(P), 예를 들어 도 2의 실시 형태에서 단자(T)에 연결된,에서 트리거 신호(STRG)를 발생한다. 구체적으로, 바이폴라 접합 트랜지스터 Q1A과 Q1B는 기준 노드(K)를 경유하여 연결되고 그리고 기준 노드(K)에서 감지 전압(VSEN)에 의하여 바이어스가 된다. 기준 전압(reference voltage)(VREF)은 또한 기준 노드(K)에서 신호 기준 공급원(305)에 의하여 결정된다. 이로 인하여 예를 들어 밴드 갭 기준 회로와 같은 신호 기준 공급원(305)은 감지 전압(VSEN)을 기준 전압(VREF)과 비교하여 감지 전압(VSEN)과 기준 전압(VREF) 사이의 차이를 나타내는 트리거 신호(STRG)를 발생시킨다.
검출 유닛(307)은 스위치 및 전류 공급원(IB)을 포함한다. 스위치는 도 3에 도시된 것처럼 PMOS(p-channel metal oxide semiconductor) 트랜지스터(이하 PMOS 스위치라 함)(M1C)를 포함한다. 검출 유닛(307)은 신호 기준 공급원(305)의 트리거 노드(P)에서 트리거 신호(STRG)를 검출하고 그리고 출력 신호(SOUT)를 발생한다. PMOS 스위치(M1C)는 트리거 신호(STRG)에 의하여 제어되고 그리고 출력 신호(SOUT)가 PMOS 스위치(M1C)의 상태에 따라 발생된다.
하나의 실시 형태에서, 만약 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)과 동일하다면, 트리거 신호(STRG)는 검출 유닛(307)의 PMOS 스위치(M1C)의 게이트-소스(gate-source) 전압(VGS)을 제어하는 전압 레벨을 가지고, 따라서 게이트-소스 전압(VGS)은 PMOS 스위치(M1C)의 문턱 전압(VTH)과 동일하게 된다. 만약 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 크다면, 트리거 신호(STRG)는 전압 레벨이 감소되어, PMOS 스위치(M1C)의 게이트-소스 전압(VGS)이 문턱 전압(VTH)에 비하여 크도록 할 수 있고, 그리고 이로 인하여 PMOS 스위치(M1C)는 예를 들어 PMOS 스위치(M1C)가 켜지는(turned on) 제1 상태에 있게 할 수 있다. 만약 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 작다면, 트리거 신호(STRG)는 전압 레벨이 증가하여, PMOS 스위치(M1C)의 게이트-공급원 전압(VGS)이 문턱 전압(VTH)에 비하여 작게 되고, 따라서 PMOS 스위치(M1C)가 꺼지는(turned off) 제2 상태에 있도록 할 수 있다.
하나의 실시 형태에서, 기준 전압(VREF)은 셀(301)의 과-전압 문턱 값(threshold)을 나타내고, 이로 인하여 만약 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 크다면, 과-전압 상태가 셀(301)에 존재하는 것을 나타낸다. 보다 구체적으로, 하나의 그러한 실시 형태에서, 저항(R31, R32)의 저항값은 셀(301)의 셀 전압이 정상 범위에 있는 경우, 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 작도록 선택된다. 그와 같은 경우, 감지 전압(VSEN)과 기준 전압(VREF) 사이의 차이를 나타내는 트리거 신호(STRG)는 검출 유닛(307)의 PMOS 스위치(M1C)를 끌 수 있는(turn off) 충분히 높은 레벨에 있고, 이로 인하여 출력 신호(SOUT)는, 예를 들어 논리 로우(logic low)인 제1 수준(level)에 있다. 셀(301)이 충전되어 셀(301)의 셀 전압이 증가되고, 그 결과로 감지 전압(VSEN)이 실질적으로 기준 전압(VREF)과 동일한 수준까지 증가하면, 트리거 신호(STRG)는 감소가 되기(ramp down) 시작하고 그리고 출력 신호(SOUT)가 논리 로우로 유지된다. 만약 과-전압 상태가 셀(301)에 존재한다면, 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 크게 되고 그리고 트리거 신호(STRG)가 PMOS 스위치(M1C)를 켤(turn on) 만큼 충분히 낮은 레벨을 가지고, 그리고 이로 인하여 출력 신호(SOUT)는 예를 들어 논리 하이(logic high)인 제2 레벨에 있게 된다.
다른 실시 형태에서, 기준 전압(VREF)은 셀(301)의 부족-전압 문턱 값(under-voltage threshold)을 나타내고, 그로 인하여 만약 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)보다 작다면, 부족-전압 상태가 셀(301)에 존재한다는 것을 나타낸다. 보다 구체적으로, 하나의 실시 예에서, 저항(RR31,R32)의 저항값은, 셀(301)의 셀 전압이 정상적인 범위에 있는 경우, 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 크게 되도록 선택된다. 만약, 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 작다면, 셀에서 부족-전압 상태가 발생하도록 한다. 부족-전압 검출 과정은 과-전압 검출 과정과 검출 방식은 유사하다. 다만, 부족-전압 검출 과정에서는, 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 큰 경우, 출력 신호(SOUT)가 셀(301)이 정상 상태에 있는 것을 나타내도록, 예를 들어 논리 하이인 제2 레벨에 있다는 점과, 그리고 감지 전압(VSEN)이 기준 전압(VREF)에 비하여 작은 경우 출력 신호(SOUT)가 셀(301)이 부족-전압 상태에 있는 것을 나타내기 위하여 예를 들어 논리 로우인 제1 레벨에 있다는 점이 과-전압 검출 과정과 다르다. 과-전압 및 부족-전압 실시 예는 단지 예시를 위한 것이고, 본 발명을 제한하는 의도를 가지지 않는다. 검출 회로(300)는 다른 비정상 상태, 예를 들어 과-전류 상태 또는 부족-전류 상태를 검출하기 위하여 사용될 수 있다.
하나의 실시 형태에서, PMOS 스위치(M1C)가, 예를 들어 켜지는 것과 같이, 제1 상태에 있는 경우, 검출 회로(300)에 3개의 DC 전류 가지(branches)가 존재한다. 감지 유닛 가지(branch), 검출 유닛 가지 및 신호 기준 공급원 가지가 그들이다. 바람직하게는, 검출 유닛 가지를 통하여 흐르는 전류는 전류 공급원(IB)에 의하여 결정되고, 이로 인하여 검출 유닛 가지를 흐르는 전류는 상대적으로 작은 값이 될 수 있고, 종래의 설계와 비교하면, 검출 회로(300)의 전체적인 전력 소비가 감소한다.
PMOS 스위치(M1C)가, 예를 들어 꺼지는 것과 같이 제2 상태에 있는 경우, 검출 회로(300)에는 2개의 DC 전류 가지가 존재한다. 감지 유닛 가지 및 신호 기준 공급원 가지가 그들이다. 이로 인하여 검출 회로(300)의 전력 소비는 종래의 설계에 대하여 상대적으로 낮아진다.
더욱이, 신호 기준 공급원(305)에 포함된 밴드 갭 기준 회로는 온도에 무관한(온도-독립) 기준 유닛이므로, 이로 인하여 기준 노드(K)에서 신호 기준 공급원(305)에 의하여 결정된 기준 전압(VREF)은 온도에 의하여 영향을 받지 않는 안정된 값을 가진다. 바람직하게, 감지 유닛(303)에 의하여 발생된 감지 전압(VSEN)이 신호 기준 공급원(305)을 바이어스 시키기 위하여 기준 노드(K)에 제공되는 경우, 기준 전압(VREF)과 감지 전압(VSEN)은, 비교기 또는 그와 같은 것을 사용하지 않고, 비교된다. 이로 인하여, 검출 회로(300)는 배터리-보호 기능을 실행하지만, 종래의 설계에 대하여 상대적으로 적은 전력 소비를 가지는 간단한 구조를 가진다.
추가로, 위에서 언급된 검출 과정에서, 셀(301)의 전압 레벨을 나타내는 감지 전압(VSEN)은 신호 기준 공급원(305)에 의하여 결정된 기준 전압(VREF)과 비교된다. 감지 전압(VSEN)은, 예를 들어 VSEN = VCELL·R32/(R31+R32)와 같이, 셀(301)의 전압 레벨에 선형적으로 비례한다. 여기에서 VCELL은 셀(310)의 셀 전압을 나타내고, 그리고 R31과 R32는 각각 저항 R31과 R32의 저항값을 나타낸다. 위에서 언급된 것처럼, 하나의 실시 형태에서, 셀(301)의 셀 전압이 정상 범위에 있는 경우, 감지 전압(VSEN)은 기준 전압(VREF)에 비하여 작다. 셀(301)이 배터리 충전 모드에 있고 그리고 VCELL_OV=VSEN_OV*(R31+R32)/R32가 되는 셀 전압이 과-전압 문턱 값(VCELL _ OV)까지 증가하는 경우, 이것은 셀(301)에서 과-전압 상태의 발생을 나타내고, 예를 들어 VSEN _ OV와 같은 감지 전압은 과-전압 문턱 값 VCELL _ OV를 나타내는 기준 전압(VREF)에 도달한다. 달리 말하면, VSEN _ OV= VREF 인 경우, 수식 VCELL _ OV=VSEN _ OV*(R31+R32)/R32에 따라 셀(301)의 과-전압 문턱 값(VCELL_OV)는 (R31+R32)/R32의 값에 의하여 결정된다. 바람직하게, 예를 들어 과-전압 문턱 값(VCELL _ OV)에 의하여 나타나는 셀(301)의 과-전압 보호의 레벨이, 그러한 보호 레벨을 제공하는 저항값을 가지는 저항(R31, R32)을 선택하는 것에 의하여, 설정될 수 있다. 유사하게 다른 실시 형태에서 셀(301)의 부족-전압 문턱 값(VCELL _ UN)이, 예를 들어 부족-전압 문턱 값(VCELL _ UN)에 의하여 나타나는 셀(301)의 부족-전압 보호의 레벨이, 그러한 보호 레벨을 제공하는 저항값을 가지는 저항(R31, R32)을 선택하는 것에 의하여 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 보호 회로(400)의 실시 예의 개략적인 다이어그램을 예시한 것이다. 도 4는 도 2 및 도 3과 함께 기술된다. 이러한 실시 형태에서, 검출 회로(400)는 감지 유닛(403), 감지 기준 공급원(305) 및 검출 유닛(307)을 포함한다. 감지 유닛(403)은, 도 3의 검출회로에서와는 달리, 상부-측 감지 전압(upper-side sensed voltage)(VSENU) 및 하부-측 감지 전압(lower-side sensed voltage)(VSENL)의 2개의 신호 레벨을 제공한다. 감지 유닛(403)은 셀의 전압 레벨을 감지하여 상부-측 감지 전압(VSENU) 및 하부-측 감지 전압(VSENL)을 제공하기 위하여 3개의 저항(R41, R42, R43)을 포함한다. 이러한 구성은 단지 예시를 위한 것이고 본 발명을 제한하기 위한 의도를 가지지 않는다. 다른 실시 형태에서, 감지 유닛(403)은 2개의 신호 레벨보다 많은 레벨을 제공하기 위하여 3개의 저항보다 많은 저항을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 검출 회로(400)는 과-전압 및 부족-전압 상태를 검출하기 위하여 사용될 수 있다. 감지 유닛(403)은 신호 기준 공급원(305)을 바이어스를 시키기 위하여, 예를 들어 상부-측(upper-side) 감지 전압(VSENU) 또는 하부-측(lower-side) 감지 전압(VSENL) 신호 레벨 중 하나를 선택적으로 제공하기 위한 되먹임 스위치(feedback switch)(S1)를 포함한다. 예를 들어, 만약 되먹임 스위치(S1)가 "U(상부)" 측면으로 스위칭이 된다면, 검출 유닛(400)은 부족-전압 상태를 검출할 수 있고, 또는 만약 되먹임 스위치(S1)가 "L(하부)" 측면으로 스위칭이 된다면, 검출 회로(400)는 과-전압 상태를 검출할 수 있다. 검출 회로(400)에 의하여 실행된 과-전압 및 부족-전압 검출 과정은 도 3의 검출 회로(300)에 의하여 실행된 검출 과정과 유사하다. 도 3의 실시 형태에 유사하게, 셀(301)의 과-전압 문턱 값(VCELL _ OV) 및 부족-전압 문턱 값(VCELL _ UN)은 VCELL _ OV= VREF*(R41+R42+R43)/R43 및 VCELL _ UN= VREF*(R41+R42+R43)/(R42+R43)으로 주어질 수 있고, 상기에서 R41, R42 및 R43은 각각 저항 R41, R42 및 R43의 저항값을 나타낸다. 그러므로 셀(301)에 대한 과-전압 및 부족-전압 보호는 각각 (R41+R42+R43)/R43)의 값 및 (R41+R42+R43)/(R42+R43)의 값에 의하여 결정된다. 셀(301)의 과-전압 보호 및 부족-전압 보호 수준(level)는 저항 R41, R42 및 R43에 대해 적절한 저항값을 선택하는 것에 의하여 설정될 수 있다.
다른 실시 형태에서, 검출 회로(400)는 과-전압 보호의 다수의 레벨의 검출를 위하여 사용될 수 있다. 실시 예로, 셀(301)은 셀(301)에게 과-전압 보호의 제1 레벨 및 과도 전압 보호의 제2 보호의 레벨을 제공하는 제1 과-전압 문턱 값(VCELL _ OV1) 및 제2 과-전압 문턱 값(VCELL _ OV2)을 가질 수 있다. 과-전압 보호의 제1 레벨은 되먹임 스위치(S1)가 "U" 측면으로 스위칭이 된 경우 실행될 수 있고, 그리고 과-전압 보호의 제2 레벨은 되먹임 스위치(S2)가 "L" 측면으로 스위칭이 된 경우 실행될 수 있다. 위에서 설명한 바와 유사하게, 제1 및 제2 과-전압 문턱 값(VCELL _ OV1, VCELL _ OV2)은 저항(R41, R42, R43)에 대해 적절한 저항값을 선택하는 것에 의하여 설정될 수 있다. 유사하게 다른 실시 형태에서, 보호 회로(400)는 부족-전압 보호의 다수의 레벨의 보호를 위하여 사용될 수 있고, 그리고 셀(301)은 다수 개의 부족-전압 문턱 값을 가질 수 있다.
검출 회로(400)는 추가로 감지 유닛(403)의 스위치(S1)를 제어하기 위하여 제어 신호를 제공하는 제어 유닛(도 4에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛은 검출회로(400)에 제어 신호를 제공하는 외부의 장치가 될 수 있다. 제어 신호는 "U" 측면 또는 "L" 측면으로 주기적으로 스위칭을 하기 위하여 스위치(S1)를 제어한다. 검출 유닛(307)으로부터 발생한, 비정상 상태를 지시하는 출력 신호(U/LB)는 비정상 상태가 과-전압 상태 또는 부족-전압 상태인지 여부를 식별하기 위하여 제어 신호와 결합될 수 있다. 실시 예로, 제어 신호가 스위치(S1)를 "U" 측면으로 스위칭하는 경우, 검출 회로(400)는 셀(301)에서 부족-전압 상태를 검출할 수 있다. 만약, 검출 유닛(307)에서 발생한 출력 신호(U/LB)가 논리 하이(logic high)라면, 셀(301)의 전압 레벨은 정상 범위 내로 되고, 그리고 비정상 상태는 검출되지 않는다. 또는, 만약 출력 신호(U/LB)가 논리 로우(logic low)라면, 검출 회로(400)는 셀(301)에서 부족-전압 상태를 검출한다. 유사하게 , 제어 신호가 스위치(S1)를 "L" 면으로 스위칭하는 경우, 검출 회로(400)는 셀(301)에서 과-전압상태를 검출할 수 있다. 만약 출력 신호(U/LB)가 논리 로우라면, 셀(301)의 전압 레벨이 정상 범위 내로 되고, 그리고 비정상 상태는 검출되지 않는다. 또는, 만약 출력 신호(U/LB)가 논리 하이라면, 검출 회로(400)는 셀(301)에서 과-전압상태를 검출한다.
다른 실시 형태에서, 제어 신호는 스위치(S1)를 제어하여 2개 이상의 측면 사이에 수동으로(manually) 또는 주기적으로 전환이 되도록 제어하고, 이로 인하여 검출 회로(400)는 위에서 언급한 것처럼 과-전압 보호 및/또는 부족-전압 보호의 다수 개의 레벨을 제공할 수 있다. 제어 신호는 출력 신호(U/LB)와 결합되어 셀(301)에서 비정상 상태에 대한 보호의 레벨을 식별하고, 그리고 추가로 비정상 상태가 과-전압 상태 또는 부족-전압 상태인지 여부를 식별할 수 있다.
과-전압 및 부족-전압 상태는 단지 실시 예에 지나지 않으며, 본 발명을 제한할 의도가 가지는 것이 아니다. 예를 들어 과-전류 상태 및 부족-전류 상태와 같은 다른 형태의 비정상 상태가 또한 검출 회로(400)에 의하여 검출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 검출 회로(500)의 실시 예의 개략적인 다이어그램을 예시한 것이다. 도 5는 도 2 및 도 3과 함께 기술된다. 검출 회로(500)는 감지 유닛(503), 신호 기준 공급원(505) 및 검출 유닛(307)을 포함한다. 감지 유닛(503)은 감지 전압(VSEN) 및 바이어스 전압(VB)을 제공하기 위하여 직렬-결합된(series-coupled) 저항(R51, R52, R53)을 포함한다. 도 5에서 신호 기준 공급원(505)은 캐스케이드 구조로 한 쌍의 MOS 트랜지스터(MN1A, MN1B)를 포함한다는 점을 제외하고는 도 3의 신호 기준 공급원과 유사하다. 한 쌍의 MOS 트랜지스터(MN1A, MN1B)는 감지 유닛(503)에 의하여 제공된 전압(VB)에 의하여 바이어스된다(biased).
도 3 및 도 5의 실시 형태에서 신호 기준 공급원은 또한 제1- 단계 증폭 유닛(first-stage amplifying unit)으로 기능을 하고, 그리고 트리거 노드(P)에서 트리거 신호(STRG)는 제1-단계 증폭 유닛의 출력 신호로 기능을 하고, 그리고 트리거 신호(STRG)는 감지 전압(VSEN)과 기준 전압(VREF) 사이의 차이를 나타낸다. 증폭 유닛의 출력 신호의 이득(gain)은 증폭 유닛의 출력 임피던스에 의하여 결정된다. 도 5의 실시 형태를 도 3의 실시 형태와 비교하면, 신호 기준 공급원의 출력 임피던스가 한 쌍의 MOS 트랜지스터(MN1A, MN1B)를 추가하는 것에 의하여 증가한다. 결과적으로, 도 5의 실시 형태에서 신호 기준 공급원(505)의 이득이 도 3의 신호 기준 공급원의 이득에 비하여 커진다. 바람직하게도, 더 큰 이득으로, 기준 전압(VREF)과 감지 전압(VSEN)의 비교 결과는 더 정확하게 된다. 그 결과로, 검출 유닛(500)의 정확성이 향상된다. MOS 트랜지스터와 다른 구조들이 신호 기준 공급원에 통합되어 신호 기준 공급원의 출력 신호의 이득을 향상시킬 수 있다.
한 쌍의 MOS 트랜지스터(MN1A, MN1B)가 감지 유닛(503)에 의하여 생성된 전압(VB)에 의하여 바이어스가 되고, 이로 인하여 다른 바이어스 회로가 요구되지 않는다. 결과적으로, 회로를 더 복잡하도록 만들거나 또는 비용이 증가하도록 하지 않고도 검출 회로(500)의 정확성이 향상된다.
하나의 실시 형태에서, 도 3의 저항(R31, R32)과 유사하게, 도 5에서 저항(R51, R52, R53)이, 검출 회로(500)가 과-전압 상태 또는 부족-전압 상태 중 어느 하나를 검출할 수 있도록, 선택될 수 있다. 그러나 다른 실시 형태에서, 도 5에서 저항(R52, R53)이 예를 들어 도 4의 저항(R41, R42, R43)과 유사하게 3개의 저항에 의하여 대체되거나 또는 다른 수의 저항으로 대체될 수 있고, 이로 인하여 검출 회로(500)는 또 다른 레벨의 보호를 제공할 수 있고, 그리고 도 4의 검출 회로(400)와 유사한 방법으로 과-전압 검출 모드 또는 부족-전압 검출 모드에서 선택적으로 작동할 수 있다.
도 2, 도 3, 도 4 및 도 5의 실시 형태에 의하여 제공된 검출 회로는, 예를 들어 셀(201 또는 301)과 같은 배터리 셀에서 발생하는 비정상 상태가 있는지 여부를 검출한다. 그러나, 다수 개의 배터리 셀들은 다수 개의 검출 회로를 사용하여 모니터할 수 있다. 이 경우, 다수 개의 검출회로 각각[예를 들어, 이전에 설명한 검출 회로(200, 300, 400 또는 500)]은 대응되는 각각의 배터리 셀을 모니터한다. 검출 회로로부터 발생한 출력 신호들은 하나 또는 그 이상의 배터리 셀에서의 비정상 상태의 발생을 나타내도록 결합될 수 있다. 또는, 검출 회로로부터 발생된 각각의 출력 신호가 대응되는(해당되는) 배터리 셀의 비정상 상태의 발생을 별개로(독립적으로) 나타내도록 분리되어 얻어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 검출 회로에 의하여 실행되는 작동의 실시 예의 순서도를 예시한 것이다. 비록 특정한 단계가 도 6에 개시되어 있지만, 그와 같은 단계는 예시적으로 나타내는 실시 예에 해당된다. 즉, 본 발명은 다양한 다른 형태의 단계 또는 도 6에서 인용된 단계의 변형을 통해서도 실시 가능하다. 도 6은 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5와 함께 결합되어 기술된다.
단계 602에서, 감지 신호(SEN)가 검출 회로(예를 들어 200, 300, 400 또는 500)의 입력 신호(IN)를 감지하는 것에 의하여 발생하고, 그리고 입력 신호(IN)는, 예를 들어 배터리 셀(예를 들어 201 또는 301과 같은)의 셀 전압과 같은, 상태를 나타낸다. 검출 회로는, 예를 들어 입력 신호(IN)에 기초하여, 배터리 셀에서 과-전압 상태 또는 부족-전압 상태와 같은 비정상 상태의 발생을 검출한다.
단계 604에서, 기준 신호(REF)가, 예를 들어 기준 노드(K)와 같이 신호 기준 공급원 내부의 특정 노드에서, 결정된다. 신호 기준(REF)은, 예를 들어 주위 온도와 같은 주위 상태가 변할지라도 실질적으로 일정하다(constant).
단계 606에서, 신호 기준 공급원을 바이어스 하기 위하여 감지 신호(SEN)가 특정 노드에 제공된다.
단계 608에서, 트리거 신호(TRG)가 감지 신호(SEN)와 신호 기준(REF) 사이의 차이를 나타내기 위하여 신호 기준 공급원에 의하여 발생된다.
단계 610에서 출력 신호(OUT)가 검출 회로에 의하여 발생된다. 출력 신호(OUT)는 배터리 셀에서의 비정상 상태를 나타낸다.
요약하면, 본 발명에 따른 실시 형태는 배터리 셀에서 과-전압 상태 및/또는 부족-전압 상태와 같은 비정상 상태를 검출하는 검출 회로를 제공한다. 밴드 갭 전압 기준과 같은 신호 기준 공급원은, 예를 들어 주위 온도와 같은 주위 상태가 변한다고 할지라도, 실질적으로 일정한 신호 기준을 결정하고 셀 전압을 나타내는 감지 신호를 이러한 신호 기준과 비교한다. 감지 신호 및 신호 기준의 비교는, 비교기 또는 그와 같은 것을 사용하지 않고, 정확하게 실행이 된다. 검출 회로는 다양한 응용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 검출 회로는 다수 개의 셀의 셀 전압을 감시하기 위하여, 그리고 셀의 전류의 충전/방전을 감시하기 위한 유사한 회로 및 배터리 감시 시스템에서 사용되는 회로와 결합될 수 있다. 또한 검출 회로는 심장 박동(heartbeat) 정보. 맥박(sphygmus) 정보, 혈압(blood-pressure)정보와 같은 것을 나타내는 신호를 감시하는 의료 장비에 사용될 수 있다.
위의 기술 및 도면은 본 발명의 실시 형태를 나타내는 한편, 다양한 부가 발명, 변형 발명 및 대체 발명이 본 발명의 기본 원칙의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 실시에서 사용되는 형상, 구조, 배열, 비율, 소재, 소자 및 구성요소의 많은 변형 및 이와 다른 것을 이용하여 사용될 수 있고 이것은 본 발명의 기본 원리로부터 벗어나지 않고 특정 환경 및 작동 요구에 특별히 적응이 되는 것이라는 것을 인지할 것이다. 그러므로 본 명세서에서 개시된 실시 형태는 모든 관점에서 예시적이며 제한되지 않는 것이고 그리고 위에서 기술된 것에 제한되지 않는 것으로 간주하여야 할 것이다.
103: 전압 기준 유닛
203: 감지 유닛
207: 검출 유닛
205: 신호 기준 공급원
301: 셀

Claims (20)

  1. 배터리의 상태를 나타내는 입력 신호를 감지하여 감지 신호를 제공하는 감지 유닛;
    상기 감지 유닛에 결합되고, 그리고 기준 노드를 포함하고, 상기 기준 노드에서 신호 기준을 결정하고, 그리고 상기 기준 노드에서 상기 감지 신호를 수신하고, 상기 감지 신호에 의하여 바이어스가 되고, 상기 감지 신호 및 상기 신호 기준 사이의 차이를 나타내는 트리거 신호를 생성하는 신호 기준 공급원; 및
    상기 신호 기준 공급원에 결합되어 상기 배터리에 비정상 상태가 존재하는지를 나타내는 상기 트리거 신호에 따라 출력 신호를 생성하는 검출 유닛을 포함하는 검출 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호 기준 공급원은, 상기 기준 노드에서 주위 상태가 변하는 경우에도 일정하게 유지되는 전압 기준을 제공할 수 있는 밴드 갭 기준 회로를 포함하고, 상기 신호 기준은 상기 전압 기준을 포함하는 검출 회로.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 밴드 갭 기준 회로는 상기 감지 신호를 상기 전압 기준과 비교하여 상기 트리거 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 검출 회로.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출 유닛은 상기 트리거 신호에 의하여 제어되는 스위치를 포함하고, 그리고 상기 검출 유닛은 상기 스위치의 상태에 기초하여 상기 출력 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 검출 회로.
  5. 청구항 4에 있어서,
    만약, 상기 감지 신호가 상기 신호 기준보다 크면, 상기 스위치는 제1 상태에 있고, 상기 출력 신호가 제1 출력 레벨에 있으며,
    만약 상기 감지 신호가 상기 신호 기준보다 작으면, 상기 스위치는 제2 상태에 있고, 상기 출력 신호는 제2 출력 레벨에 있는 것을 특징으로 하는 검출 회로.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 비정상 상태는 상기 배터리의 과-전압 상태를 포함하고, 그리고 상기 신호 기준은 상기 배터리의 과-전압 문턱 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 검출 회로.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 비정상 상태는 상기 배터리의 부족-전압 상태를 포함하고, 그리고 상기 신호 기준은 상기 배터리의 부족-전압 문턱 값을 나타내는 것을 특징으로 하는 검출 회로.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호 기준 공급원은 제1 트랜지스터 및 상기 기준 노드를 경유하여 상기 제1 트랜지스터에 결합된 제2 트랜지스터를 포함하고, 상기 제1 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터는 상기 기준 노드를 경유하여 상기 감지 신호에 의하여 바이어스가 되는 것을 특징으로 하는 검출 회로.
  9. 배터리의 상태를 표시하는 입력 신호를 감지하여 감지 신호를 생성시키는 단계;
    신호 기준 공급원 내부에 기준 노드에서 신호 기준을 결정하는 단계;
    상기 신호 기준을 바이어스 시키기 위해 상기 기준 노드에 상기 감지 신호를 제공하는 단계;
    상기 감지 신호와 상기 신호 기준 사이의 차이를 나타내는 트리거 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 배터리 내부에 비정상 상태가 존재하는지 여부를 가리키는 상기 트리거 신호에 따라 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 배터리 전압 검출 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 트리거 신호를 생성하는 단계는
    밴드 갭 기준 회로를 사용하여 상기 기준 노드에서 전압 기준을 제공하는 단계, 여기에서 상기 신호 기준은 상기 전압 기준을 포함하고, 그리고 상기 전압 기준은 주위 상태가 변할지라도 일정하게 유지되는; 및
    상기 트리거 신호를 생성하기 위하여, 상기 기준 노드에서 상기 감지 신호와 상기 전압 기준을 비교하는 단계를 포함하는 배터리 전압 검출 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 출력 신호를 생성하는 단계는,
    상기 트리거 신호를 경유하여 스위치를 제어하는 단계; 및
    상기 스위치의 상태에 따라 상기 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 배터리 전압 검출 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 스위치의 상태에 따라 상기 출력 신호를 생성하는 단계는,
    만약 상기 감지 신호가 상기 신호 기준에 비하여 크다면, 제1 상태의 상기 스위치에 따라 제1 출력 레벨에서 상기 출력 신호를 생성하는 단계; 및
    만약 상기 감지 신호가 상기 신호 기준에 비하여 작다면, 제2 상태의 상기 스위치에 따라 제2 출력 레벨에서 상기 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 배터리 전압 검출 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 비정상 상태는 상기 배터리의 과-전압 상태 및 상기 배터리의 부족-전압 상태 중 하나인 것을 특징으로 하는 배터리 전압 검출 방법.
  14. 배터리의 상태를 나타내는 감지 신호를 수신하는 입력 단자;
    상기 배터리에 비정상 상태가 존재하는지 여부를 나타내는 출력 신호를 생성하는 출력 단자; 및
    상기 입력 단지 및 상기 출력 단자에 연결되는 검출 회로망(circuitry)을 포함하고, 여기에서, 상기 검출 회로망은 상기 검출 회로망 내의 기준 노드에서 신호 기준을 결정하고, 상기 기준 노드에서 상기 감지 신호를 수신하고, 상기 감지 신호와 상기 신호 기준 사이의 차이에 기초하여 상기 출력 신호를 생성하는, 검출 회로.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 검출 회로망은 상기 기준 노드에서 주위 상태가 변할지라도 일정하게 유지되는 전압 기준을 제공할 수 있는 밴드 갭 기준 회로를 포함하고, 상기 신호 기준은 상기 전압 기준을 포함하는, 검출 회로.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 감지 신호 및 상기 전압 기준은 상기 밴드 갭 기준 회로를 사용하여 상기 기준 노드에서 비교되고, 상기 감지 신호와 상기 전압 기준 사이의 차이를 나타내는 트리거 신호가 상기 밴드 갭 기준 회로의 트리거 노드에서 생성되는, 검출 회로.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 검출 회로망은 상기 감지 신호와 상기 신호 기준 사이의 상기 차이에 기초하여 제어되는 스위치를 포함하고, 상기 출력 신호는 상기 스위치의 상태에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는, 검출 회로.
  18. 청구항 17에 있어서,
    만약 상기 감지 신호가 상기 전압 기준보다 크다면, 상기 스위치는 제1 상태에 있고, 상기 출력 신호는 제1 출력 레벨에 있으며,
    만약 상기 감지 신호가 상기 전압 기준에 비하여 작다면, 상기 제1 스위치는 제2 상태에 있고, 상기 출력 신호는 제2 출력 레벨에 있는 것을 특징으로 하는, 검출 회로.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 비정상 상태는 상기 배터리의 과-전압 상태를 포함하고, 상기 전압 기준은 상기 배터리의 과-전압 문턱 값을 나타내는, 검출 회로.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 비정상 상태는 상기 배터리의 부족-전압 상태를 포함하고, 그리고 상기 신호 기준은 상기 배터리의 부족-전압 문턱 값을 나타내는, 검출 회로.
KR1020120110459A 2011-12-28 2012-10-05 배터리용 검출 회로 KR20130076692A (ko)

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US13/553,371 2012-07-19
US13/553,371 US8922218B2 (en) 2011-12-28 2012-07-19 Detection circuits for batteries

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