KR20140141517A

KR20140141517A - 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템

Info

Publication number: KR20140141517A
Application number: KR20140065876A
Authority: KR
Inventors: 토마스 안드레스 모레노; 조셉 디. 몬탈보; 윤성근; 로저 양
Original assignee: 페어차일드 세미컨덕터 코포레이션
Priority date: 2013-06-01
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2014-12-10
Also published as: CN204030643U; US9548604B2; CN104218633B; CN104218633A; US20140354238A1

Abstract

본 발명은 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템에 관한 것이다. 배터리 보호 회로는 전력 반도체 스위치 및 제어 집적 회로(IC)를 포함할 수 있다. 배터리 보호 회로는 배터리의 충전 및/또는 방전을 조절하고, 또한 보호 IC의 보호 트립 포인트(예를 들어, 과전류 검출 포인트)에 기초하여 배터리가 안전한 동작 영역 밖에서 동작하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 보호 IC는 전력 반도체 스위치의 온 저항(RSSon)의 프로세스 및 온도 편차를 보상하기 위해 보호 트립 포인트를 교정하도록 구성될 수 있다.

Description

배터리 관리 및 보호를 위한 시스템{SYSTEM FOR BATTERY MANAGEMENT AND PROTECTION}

우선권

본 특허 출원은 2013년 6월 1일자로 출원되고 발명의 명칭이 "배터리 관리 및 보호를 위한 시스템(System for Battery Management and Protection)"인 미국 가특허 출원 제61/830,095호의 이익을 주장하며, 이 가출원의 내용은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.

본 발명은 배터리 관리 시스템, 그리고 보다 구체적으로는 배터리 보호 회로 - 배터리 보호 회로의 전력 반도체 스위치의 온 저항(on resistance)의 프로세스 및 온도 편차를 보상하기 위해 보호 트립 포인트(protection trip point)를 교정하도록 구성된 보호 집적 회로(IC)를 포함함 - 에 관한 것이다.

배터리에 대한 다양한 모니터링 시스템이 존재한다. 예를 들어, 배터리 관리 시스템들은, 예를 들어 배터리 상태를 모니터링, 보조 데이터를 계산 및 보고, 배터리를 보호, 배터리의 환경을 제어, 및/또는 배터리의 충전/방전을 균형화함으로써 배터리(셀 또는 배터리 팩)를 관리하도록 구성될 수 있다. 일부 배터리 관리 시스템들은 전압(예를 들어, 총 전압, 주기적인 탭의 전압 또는 개별 셀의 전압), 온도(예를 들어, 평균 온도, 냉각제 입력 온도, 냉각제 출력 온도 또는 개별 셀의 온도), 충전 상태(SOC) 또는 방전 심도(DOD)를 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 파라미터에 의해 표현되는 바와 같은 배터리의 상태를 모니터링하여, 배터리의 충전 레벨 및 배터리 내로의 및/또는 밖으로의 전류를 지시할 수 있다.

일부 배터리 관리 시스템은 배터리가 사전정의된 안전 동작 영역 밖에서 동작하는 것을 방지하도록 구성되는 보호 메커니즘을 포함한다. 배터리 보호 메커니즘은 특히 기술이 발전하고, 많은 일상적인 소비자 제품이 전력을 위해 예를 들어 리튬 이온 배터리와 같은 충전식 배터리에 의존함에 따라 점점 더 중요해지고 있다. 리튬 이온 배터리가 예를 들어 과충전되는 경우, 강한 발열 반응이 가능하고, 화재를 유발할 가능성이 증가하여, 사용자에게 위험한 상황을 유발한다.

청구된 주제의 특징 및 이점이 청구된 주제에 따른 실시예의 하기 상세한 설명으로부터 명백할 것이며, 이러한 설명은 첨부 도면을 참조하여 고찰되어야 한다.
<도 1>
도 1은 종래의 배터리 보호 회로도를 나타낸다.
<도 2a 내지 도 2d>
도 2a 내지 도 2d는 종래의 배터리 보호 회로도의 실시예를 나타낸다.
<도 3>
도 3은 본 발명에 따른 예시적인 배터리 보호 회로도를 나타낸다.
<도 4>
도 4는 도 3의 배터리 보호 회로의 보호 집적 회로(IC) 및 전력 반도체 스위치를 포함하는 일 실시예에 따른 예시적인 멀티칩 모듈(MCM)의 사시도를 나타낸다.
<도 5 및 도 6>
도 5 및 도 6은 도 4의 MCM의 부분들의 상이한 도면들을 나타낸다.
<도 7>
도 7은 도 3의 배터리 보호 회로의 예시적인 보호 IC 핀 아웃을 나타낸다.
<도 8>
도 8은 도 4의 MCM의 예시적인 패키지 핀 아웃을 나타낸다.
<도 9>
도 9는 본 발명에 따른 배터리 보호 회로에 대한 대안적인 구성을 나타낸다.
<도 10>
도 10은 도 9의 배터리 보호 회로의 보호 IC 및 전력 반도체 스위치를 포함하는 일 실시예에 따른 예시적인 MCM의 예시적인 사시도를 나타낸다.
<도 11>
도 11은 본 발명에 따른 보호 IC에 대한 예시적인 다이 구성을 나타낸다.
<도 12>
도 12는 도 9의 배터리 보호 회로의 예시적인 보호 IC 핀 아웃을 나타낸다.
<도 13>
도 13은 본 발명에 따른 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템의 예시적인 동작을 나타낸다.
하기의 상세한 설명은 예시적인 실시예를 참조하여 진행되지만, 실시예의 많은 대안, 수정, 및 변경이 당업자에게 명백할 것이다.

개략적으로, 본 발명은 전력 반도체 스위치 및 전력 집적 회로(IC)의 통합을 포함하는 배터리 보호 회로에 관한 것이다. 배터리 보호 회로는 배터리의 충전 및/또는 방전을 조절하고, 또한 보호 IC의 보호 트립 포인트(예를 들어, 과전류 검출 포인트)에 적어도 부분적으로 기초하여 배터리가 안전 동작 영역 밖에서 동작하는 것을 방지하도록 구성된다.

보호 IC는 전력 반도체 스위치의 소스-소스 온 상태 저항(source-to-source on state resistance)(RSSon)의 프로세스 및 온도 편차를 보상하기 위해 보호 트립 포인트를 교정하도록 구성될 수 있다. 전력 반도체 스위치는 예를 들어 2개의 결합된 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 스위치를 포함하는 이중 n 채널 MOSFET을 포함할 수 있으며, 여기서 보호 IC는 MOSFET 스위치를 제어하고 이에 의해 배터리 내로의 및/또는 밖으로의 전류의 흐름을 제어하도록 구성된다. 보호 IC는, 보호 트립 포인트가 각각의 MOSFET에 대한 실제 RSSon에 기초하여 (예를 들어, 트리밍(trimming) 기술을 통해) 교정될 수 있다는 점에서, 각각의 MOSFET 스위치의 RSSon을 이용하여 구성될 수 있다. 배터리 보호 회로는 과방전 전압 보호, 과충전 전압 보호, 과방전 전류 보호, 과충전 전류 보호 및 단락 보호 중 적어도 하나를 제공하도록 구성될 수 있다.

본 명세서에 보다 상세히 기술되는 바와 같이, 각각의 MOSFET의 실제 RSS에 기초하는 보호 트립 포인트의 교정은 배터리의 충전 및/또는 방전 동안에 전류 흐름의 검출의 정확성을 개선하여서, 예를 들어 모바일 장치의 통화 시간을 증가시키는 것과 같이 배터리 효율 및 성능을 개선한다. 추가의 이익으로서, 본 발명에 따른 배터리 보호 회로는 본 명세서에 보다 상세히 기술되는 바와 같이 현재의 배터리 보호 메커니즘과 비교해 크기가 감소될 수 있다.

도 1은 종래의 배터리 보호 회로(100)를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 배터리 보호 회로(100)는, 다른 컴포넌트들 중에서, 2개의 MOSFET 스위치(106(a), 106(b))를 포함하는 이중 n 채널 MOSFET(104) 및 보호 IC(102)를 포함할 수 있다. 개시된 회로에서, MOSFET(106(a))은 전류가 배터리 내로 흐르는 것을 방지할 수 있는 반면(예를 들어, 보호 IC(102)의 충전 출력(CO)에 결합됨), MOSFET(106(b))은 제어 IC(102)가 가능하게 하지 않는 한 전류가 배터리로부터 흐르는 것을 방지할 수 있다(예를 들어, 보호 IC(102)의 방전 출력(DO)에 결합됨).

도 2a 내지 도 2d는 종래의 배터리 보호 회로의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 배터리 보호 회로(200a)는 배터리 보호의 개별 접근법을 개시하는 반면, 도 2b의 배터리 보호 회로(200b)는 감지 저항기(R)를 포함함으로써 개별 접근법을 향상시킨다. 도 2c의 배터리 보호 회로(200c)는 MCM 접근법을 개시하며(예를 들어, 여기서 MOSFET들과 같은 개별 컴포넌트들이 단일 칩 패키지 내에 포함됨), 도 2d의 회로(200d)는 MCM 접근법을 외부 감지 저항기(R)와 조합한다. 그러나, 배터리 보호 회로(200a 내지 200d) 각각은 단점을 갖는다. 예를 들어, 회로(200a, 200c)에서 개시되는 개별 접근법은 일반적으로, 예를 들어 개별 컴포넌트들의 예측불가능한 실세계 특성으로 인해 불량한 보호 트립 정확성을 나타낸다. 회로(200b, 200d) 내에의 감지 저항기(R)의 포함은 보호 트립 정확성을 개선할 수 있지만, 감지 저항기(R)의 포함은 또한 비용을 증가시키고, 제조에 필요한 공간을 증가시키며, 또한 전반적인 전력 손실을 유발할 수 있다.

일반적으로, 개별 MOSFET 스위치들을 사용하는 고객들은 감지 저항기(R)에 기인하는 전력 손실에 대한 허용한계를 거의 또는 전혀 갖지 않는다. 더구나, 산업은 별개의 IC 판매자 및 MOSFET 판매자에 의해 서비스되었으며, 따라서 현재의 배터리 보호 회로의 불량한 정확성 문제에 대처하려는 동기가, 있었다 하더라도, 거의 없었다. 태블릿 및 스마트폰과 같은 전자 장치에서의 계속 증가하는 전력 요구로 인해, 보호 정확성과 관련된 손실은 점점 덜 허용되고 있다. 배터리 급전형 모바일 전자 장치에 대한 현재의 경향은, 부분적으로, 그러한 장치에 대한 다중 코어 시스템들 및 고속 충전 요구로 인한 더 높은 방전 및 충전 전류(예를 들어, 최대 5 A 내지 8 A)에 대한 요구이다. 게다가, 모바일 전자 장치(예를 들어, 얇은 태블릿 및 스마트폰)는 크기가 더 작으며, 이에 따라 더 작은 컴포넌트를 요구하고, 더 적은 컴포넌트에 대한 공간을 가지는 등등이어서, 컴포넌트 수 및/또는 크기를 감소시키는 통합 솔루션이 유용하다.

도 3은 본 발명에 따른 배터리 보호 회로(300)를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 회로(300)는 적어도 보호 IC(302) 및 2개의 MOSFET 스위치(306(a), 306(b))를 포함하는 이중 n 채널 MOSFET(304)을 포함할 수 있다. 앞서 기술된 바와 같이, 배터리 보호 회로(300)는 배터리의 충전 및/또는 방전을 조절하고, 또한 보호 IC(302)의 보호 트립 포인트(예를 들어, 과전류 검출 포인트)에 적어도 부분적으로 기초하여 배터리가 안전 동작 영역 밖에서 동작하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 보호 IC(302)는 MOSFET 스위치(306(a), 306(b))를 제어하고 이에 의해 배터리 내로의 및/또는 밖으로의 전류의 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다.

명료함을 위해, 도 3의 도면에 도시된 접속(예를 들어, 핀)이 기술될 것이다. VDD는 보호 IC(302)에 전력을 공급하기 위한 양의 전원 입력에 결합된 접속 핀을 나타낸다. VSS는 보호 IC(302)에 대한 기준 포인트로서의 역할을 할 수 있으며, 배터리의 음극 단자에 결합될 수 있다. VDT는 과전류 및/또는 배터리 충전기의 존재를 검출하는 데 사용되는 핀을 나타낸다. P+는 배터리 팩의 양극 단자이고 P-는 배터리 팩의 음극 단자이다. GDCH는 방전 MOSFET(306(a))을 제어하기 위한 게이트 드라이버 핀이고 SDCH는 방전 MOSFET(306(a))의 소스에 접속될 수 있다. GCHG는 충전 MOSFET(306(b))을 제어하기 위한 게이트 드라이버 핀이고 SCHG는 충전 MOSFET (306(b))의 소스에 접속될 수 있다. T1 및 T2는 보호 IC(302)의 보호 트립 포인트의 교정에 사용될 수 있는 테스트 핀들에 대응한다. 예를 들어, T1 및 T2 트립 포인트들은 보호 IC(302)에 대한 액세스를 제공하며, 이를 통해 트립 포인트들은 임의의 MOSFET 스위치(306(a), 306(b))의 RSSon에 대해 (예를 들어, 공장, OEM(original equipment manufacturer) 또는 다른 당사자에 의해) 프로그래밍될 수 있다.

보호 IC(302)는 MOSFET 스위치(306(a), 306(b))의 RSSon에서의 프로세스 및 온도 편차를 보상하도록 교정될 수 있는 보호 트립 포인트를 포함하도록 구성될 수 있다. 실제로, MOSFET 스위치(306(a), 306(b))는 프로세스 및 온도에 걸쳐 상당한 RSSon 편차를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 보호 IC(302)는 MOSFET 스위치(306(a), 306(b)) 중 적어도 하나에 대응하는 측정된 RSSon에 기초하여 구성될 수 있으며, 여기서 보호 트립 포인트는 (예를 들어, 보호 트립 포인트가 실제 RSSon에 기초하여 보호 IC(302)에서 조정될 수 있는 트리밍 기술을 이용하여) 교정될 수 있다. 이러한 교정은 보호 IC(302)가 프로세스 및/또는 온도 편차에 기인하는 MOSFET(306(a), 306(b))의 동작 특성에 기초하여 그의 제어를 맞춤화할 수 있게 하여서, 보호 정확성을 개선한다.

적어도 RSSon 편차를 보상하도록 보호 트립 포인트를 교정하는 보호 IC(302)의 능력은 배터리 보호 회로(300)가 종래의 보호 회로에서는 달리 실현되지 않을 수 있는 개선된 보호 정확성을 제공할 수 있게 한다. 예를 들어, 과전류 보호 트립 포인트가 처음에 2 A로 설정될 수 있으며, 따라서 IC를 통해 흐르는 2 A보다 큰 임의의 전류는 보호 IC(302)로 하여금 MOSFET 스위치(306(a), 306(b)) 중 하나 또는 둘 모두를 턴오프(turn off)시키게 하여서, 배터리로의 전류 유입 또는 배터리로부터의 전류 유출을 중단시킬 것이다.

보호 IC(302)의 트립을 위해, IC는 일반적으로 저항에 기초하여 MOSFET 스위치들의 쌍에 걸친 전압 강하를 측정하는 것이 필요하다. 일례에서, 25℃(섭씨)에서, MOSFET 스위치(306(a), 306(b))는 10 밀리옴의 RSSon을 가질 수 있다. 2 A에서의 보호 IC(302)의 트립을 위해, 보호 IC(302)의 보호 트립 포인트는 20 mV로 사전 설정되는 것이 필요할 것이다(예를 들어, V = IR = 2 A x 10 밀리옴). 프로세스 편차 및/또는 온도 편차가 거의 또는 전혀 없는 이상적인 경우에, 보호 정확성은 100%에 접근할 것이다. 그러나, 실제로는, MOSFET의 실제 RSSon은 정확히 10 밀리옴이 아닐 수 있다. 일부 MOSFET에서 RSSon은 6 밀리옴만큼 낮을 수 있는 반면, 다른 MOSFET은 12 밀리옴의 RSSon을 가질 수 있다. MOSFET들 사이에 편차가 존재한다. 예를 들어, MOSFET이 6 밀리옴의 실제 RSSon을 갖고 보호 IC(302)가 20 mV의 사전 설정된 보호 트립 포인트를 갖는 경우, 보호 IC(302)는 3.333 A(I = V/R = 20 mV /6 밀리옴)에서 (예를 들어, 충전 및/또는 방전 전류들을 불능화하는) 보호 모드에 들어갈 수 있어서, 2 A 타겟 위에서 66%의 허용한계를 제공할 수 있다. MOSFET이 대신에 12 밀리옴의 RSSon을 가질 때, 보호 IC(302)는 1.66 A(I = V/R = 20 mV/12 밀리옴)에서 보호 모드에 들어갈 수 있어서, 2 A 타겟 아래에서 17%의 허용한계를 제공할 수 있다. 따라서, MOSFET 스위치(306(a), 306(b))의 RSSon을 측정 및 감지하고, 결과적으로 MOSFET 스위치(306(a), 306(b))에 대한 실제 RSSon에 기초하여 보호 트립 포인트를 교정하는 보호 IC(302)의 능력은 보호 IC(302)가 MOSFET 스위치의 임의의 프로세스 및/또는 온도를 보상할 수 있게 하여서, 보호 정확성을 개선한다. 예를 들어, 상기에 기술된 6 밀리옴 시나리오에서, 보호 IC(302)는 12 mV(V = IR = 2 A x 6 밀리옴)에서 보호 트립 포인트를 트리밍하여 2 A에 근접하는 보다 정확한 보호 트립 포인트를 생성하도록 구성될 수 있다.

하기의 표들은 "교정 IC"로 표기되는, 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 배터리 보호 회로의 보호 정확성과 비교되는 ("종래"로 표기되는, 도 1 또는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 것들과 같은) 종래의 배터리 보호 회로의 보호 정확성에 대응하는 테스트 결과를 나타낸다. 표 1의 결과는 암페어(A) 단위의 방전 과전류 보호(OCP) 트립 레벨에 기초하며, 여기서 최대 OCP 트립 레벨은 3 A로 설정된 반면(예를 들어, 현재의 안전 규정은 3 A보다 큰 트립 레벨을 허용하지 않음), 배터리 용량은 2200 mAh인 것으로 가정하였다.

나타낸 바와 같이, 종래의 보호 회로는 1.6 A만큼 낮은 전류에서 트립될 수 있다. 배터리 용량이 2200 mAh인 경우, 종래의 보호 회로는 단지 부하가 1시간에 최대 1.6 A를 인출하는 것을 허용하여, 1시간에 600 mA가 낭비된다. 따라서, 배터리 용량 이용률은 약 73%이다. 교정 IC에 관해서, OCP는 2.2 A만큼 낮은 전류에서 트립될 것이다. 배터리 용량이 2200 mAh인 경우, 교정 IC는 부하가 1시간에 최대 2.2 A를 인출하는 것을 허용하여, 1시간에 0 mA가 낭비된다. 따라서, 배터리 용량 이용률은 100%이다. 2200 mAh 배터리 셀에 대한 4.05 달러의 평균 시장 가격에 기초해, 종래의 회로는 배터리 셀의 4.05 달러 비용 중 2.95 달러만을 취하여, 1.10 달러를 낭비한다. 교정 IC 회로는 배터리 셀에 대해 100%의 배터리 용량 이용률 및 4.05 달러의 완전한 보답을 제공한다. 그렇기 때문에, 교정 IC 회로의 사용으로부터의 잠재적 비용 절감은 1.10 달러이다.

표 2에 나타낸 결과는 암페어(A) 단위의 방전 과전류 보호(OCP) 트립 레벨에 기초하며, 여기서 특정 응용은 1.75 A를 요구하였고 최소 OCP는 동작을 보증하기 위해 1.75 A로 설정하였다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 회로 OCP는 3.25 A만큼 높은 전류에서 트립될 수 있다. 전형적인 배터리 셀의 방전 안전 요건을 충족시키기 위하여, 고객은 2200 mAh 크기 배터리 셀을 구매하는 것이 필요할 것이다. 더 작은 크기의 배터리 셀의 구매는 요구되는 방전 OCP의 레벨을 제공하지 않을 수 있다. 교정 IC는 2.36 A만큼 높은 전류에서 트립될 수 있다. 그렇기 때문에, 전형적인 배터리 셀의 방전 안전 요건을 충족시키기 위해, 고객은 단지 1600 mAh 크기 배터리 셀을 구매하는 것이 필요할 것이다. 따라서, 종래의 회로는 교정 IC 회로에서 사용가능한 1600 mAh 배터리보다 37% 더 큰 2200 mAh 배터리를 필요로 할 수 있다. 2200 mAh 배터리 셀은 1600 mAh 배터리 셀보다 50%만큼 더 많은 비용이 들 수 있으며, 이에 따라 설계자는 결국 종래의 회로로는 부피가 더 크고 보다 비싼 배터리 셀에 이르게 될 수 있다.

도 4는 (예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은) 배터리 보호 회로(300)의 보호 IC(302) 및 전력 반도체 스위치(304)를 포함하는 일 실시예에 따른 예시적인 MCM(400)의 사시도를 도시하고 있다. 도 5 및 도 6은 MCM(400)의 부분들의 상이한 도면들을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 보호 IC(302) 및 전력 반도체 스위치(304)는 리드 프레임 구조(402)에 구조적으로뿐만 아니라 전자적으로 결합될 수 있다. 도 7은 도 3의 배터리 보호 회로의 보호 IC(302)에 대한 예시적인 핀 아웃을 도시하고 있으며 도 8은 도 4의 MCM의 예시적인 패키지 핀 아웃을 도시하고 있다. MCM(400)은 보호 IC(302) 및 전력 반도체 스위치(304)를 포함한, 둘 모두의 배터리 보호 회로(300) 컴포넌트들을 포함할 수 있으며, 그 결과 극도로 낮은 온 저항 및 1.8 mm의 폭(배터리에 대해 수직 에지)을 갖는 소형 플립 다이 패키지를 생성할 수 있다. 본 발명에 따른 MCM(400)은 최대 8 A의 단일 솔루션을 포함한, 보다 얇은 배터리 팩 및 전화를 생성할 수 있어, 설계를 용이하게 하고 출시 시간(time to market)을 더 빠르게 할 수 있다. 공간 절약 1.8 × 3.5 mm 패키지 내에 총 전력 보호 회로 솔루션을 갖는 것은 사용의 증가된 용이함 및 PCB 레이아웃 간소화의 결과를 가져올 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 배터리 보호 회로(300')에 대한 대안적인 구성을 도시하고 있다. 제어 IC(302)가 보호 트립 포인트를 교정하는 데 사용가능한 테스트 포인트들로서 핀(T1, T2)을 포함하는 도 3에 개시된 배터리 보호 회로(300)의 실시예와는 대조적으로, 도 9의 보호 IC(302')는 전력 반도체 스위치(304')에 기초하여 내부적으로 교정될 수 있다. 예를 들어, 교정은 배터리 보호 회로(300')를 구성하는 MCM의 제조 동안에 수행될 수 있다. 구체적으로, MOSFET(306a', 306b')의 동작 특성은 제조 프로세스 동안에 결정(예를 들어, 측정)될 수 있으며, 보호 IC(302')는 배터리 보호 회로(300')의 최종 조립 전에 또는 후에 동작 특성에 기초하여 교정될 수 있다. 전력 반도체 스위치(304')의 동작 특성은 배터리 보호 회로(302')의 동작 동안에 실질적으로 일정하게 유지되어야 하는데, 그 이유는 모든 컴포넌트들이 동일 MCM의 일부이기 때문이다. 이러한 방식으로 보호 트립 포인트를 사전구성하는 것은 MOSFET 동작 특성의 온더플라이(on-the-fly) 결정이 필요하지 않기 때문에 보다 간단한 회로 설계를 허용할 수 있으며, 이에 따라 배터리 보호 회로(300')에 대한 보다 작은 크기 및/또는 보다 낮은 비용을 허용할 수 있다. 배터리 보호 회로(300')에서, BG 핀은 배터리 셀 접지를 배터리 보호 회로(300') 내의 배터리 방전 MOSFET(306a')의 소스에 접속할 수 있는 반면, PG 핀은 팩(-)을 배터리 충전 MOSFET(306b')의 소스에 접속할 수 있다.

도 10은 도 9의 배터리 보호 회로(300')의 보호 IC(302') 및 전력 반도체 스위치(304')를 포함하는 일 실시예에 따른 예시적인 MCM(400')의 사시도를 도시하고 있다. 도 4에 개시된 실시예와 유사하게, MCM(400')에서, 보호 IC(302') 및 전력 반도체 스위치(304')는 리드 프레임 구조(402')에 구조적으로 그리고/또는 전자적으로 결합된다. 구조적 완전성 및 전자 전도성을 제공하는 것에 더하여, 리드 프레임(402')은 또한 전력 반도체 스위치(304')에 의해 생성되는 열에 대한 열방산을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 12에 개시된 BG 및 PG와 같은 큰 전도성 패드는 열이 MCM(400') 내의 전력 반도체 스위치(304')로부터 멀어지는 쪽으로 전도되는 것을 허용할 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 보호 IC(302")에 대한 예시적인 다이 구성을 도시하고 있다. 예시적인 보호 IC(302")에 대한 이미지가 다이 상의 상이한 입력/출력 콘택(contact)들에 대응하는 식별자들과 함께 도 11에 도시된다. 예를 들어, CHG는 배터리 충전 MOSFET의 게이트 드라이버에 대한 콘택에 대응할 수 있고, SCHG는 배터리 충전 MOSFET의 소스에 대한 콘택에 대응할 수 있고, DSG는 배터리 방전 MOSFET의 게이트 드라이버에 대한 콘택에 대응할 수 있고, G는 접지에 대한 콘택에 대응할 수 있고, BAT는 양의 전원 입력에 대한 콘택에 대응할 수 있다. SCL, VIN0, VIN1 및 SDA는 단지 내부용일 수 있다. 예를 들어, SCL, VIN0, VIN1 및 SDA 콘택들 중 하나 이상은 전력 반도체 스위치(304)의 측정된 동작 특성에 기초하여 보호 IC(302")를 교정하는 데 채용될 수 있다.

도 12는 도 3의 배터리 보호 회로의 예시적인 보호 IC 핀 아웃을 도시하고 있다. MCM(400")은 가능한 패드 크기와 함께 다양한 전도성 패드들의 예시적인 배치를 포함하는 것으로 도시된다. 일부 전도성 패드는 NC 및 VBAT 패드들보다 더 높은 전압 및/또는 전류를 처리하기 위해 보다 크게 크기설정될 수 있다(예를 들어, 패드(BG, PG)). 보다 큰 전도성 패드는 또한 열이 MCM(400")으로부터 멀어지는 쪽으로 전도되는 것을 허용할 수 있다. 열 전도성 특성은 전력 반도체 스위치(304)와 같은 전력 컴포넌트들의 열 관리를 가능하게 할 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템의 예시적인 동작을 도시하고 있다. 동작 1300에서, 예를 들어 적어도 보호 IC 및 전력 반도체 스위치를 포함하는 MCM이 조립될 수 있다. 조립 후에, 동작 1302에서, 전력 반도체 스위치에 대한 동작 특성이 결정될 수 있다. 예를 들어, 전력 반도체 스위치를 구성하는 각각의 MOSFET의 RSSon이 측정될 수 있다. 동작 1304에서, 보호 IC가 적어도 동작 1302에서 측정된 동작 특성에 기초하여 교정될 수 있다. 예를 들어, 동작 1302에서 측정된 특정 RSSon을 보상하도록 보호 트립 포인트가 설정될 수 있다. 이러한 방식으로, MCM은 보다 정확한 전류 트립 포인트 보호를 제공하여, MCM에 의해 보호되는 배터리에 보다 높은 효율의 동작 및 보다 양호한 배터리 수명을 제공할 수 있다.

본 명세서에 기술된 소정 실시예는, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 본 명세서에 기술된 방법 및/또는 동작을 수행하는 명령어들이 개별적으로 또는 조합하여 저장된 하나 이상의 기계 판독가능 저장 매체를 포함하는 시스템에서 구현될 수 있다. 여기서, 프로세서는 예를 들어 시스템 CPU(예를 들어, 코어 프로세서) 및/또는 프로그래밍 가능 회로를 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 방법에 따른 동작들은 몇몇 상이한 물리적 위치에 있는 처리 구조들과 같은 복수의 물리 장치에 걸쳐 분포될 수 있음이 의도된다.

저장 매체는 임의의 타입의 유형(예를 들어, 비일시적) 매체, 예를 들어 플로피 디스크, 광 디스크, 컴팩트 디스크 판독 전용 메모리(CD-ROM), 컴팩트 디스크-재기입 가능(CD-RW), 디지털 다기능 디스크(DVD) 및 광자기 디스크를 포함한 임의의 타입의 디스크, 판독 전용 메모리(ROM), 동적 및 정적 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 RAM, 소거 및 프로그래밍 가능 판독 전용 메모리(EPROM), 전기적으로 소거 및 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리(EEPROM), 플래시 메모리와 같은 반도체 장치, 자기 또는 광학 카드, 또는 전자 명령어들을 저장하는 데 적합한 임의의 타입의 매체를 포함할 수 있다.

본 명세서에 기술된 바와 같이, 다양한 실시예가 하드웨어 요소, 소프트웨어 요소, 또는 이들의 임의의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 하드웨어 요소의 예는 프로세서, 마이크로프로세서, 회로, 회로 요소(예를 들어, 트랜지스터, 저항기, 커패시터, 인덕터 등), 집적 회로, 주문형 집적 회로(ASIC), 프로그래밍 가능 논리 장치(PLD), 디지털 신호 프로세서(DSP), 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 논리 게이트, 레지스터, 반도체 장치, 칩, 마이크로칩, 칩셋 등을 포함할 수 있다.

본 명세서의 임의의 실시예에 사용된 바와 같은 "회로(circuitry 또는 circuit)"는 예를 들어 하드와이어드 회로, 프로그래밍 가능 회로, 상태 기계 회로, 프로그래밍 가능 회로에 의해 실행되는 명령어들을 저장하는 펌웨어 및/또는 더 큰 시스템에서 이용가능한 회로, 예를 들어 집적 회로의 일부로서 포함될 수 있는 개별 요소들을 단독으로 또는 임의의 조합으로 포함할 수 있다. 게다가, 본 명세서에 기술된 임의의 스위치 장치는 예를 들어 MOS 트랜지스터, BJT, SiC 등과 같은 임의의 타입의 공지된 또는 장차 개발될 스위치 회로를 포함할 수 있다.

본 명세서 전반에 걸쳐 "하나의 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 언급은 그 실시예와 관련하여 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 하나 이상의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 여러 부분에서의 문구 "하나의 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"의 출현은 반드시 모두가 동일 실시예를 언급하는 것은 아니다. 더구나, 특정 특징들, 구조들, 또는 특성들은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.

따라서, 본 발명은 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템에 관한 것이다. 배터리 보호 회로는 전력 반도체 스위치 및 제어 집적 회로(IC)를 포함할 수 있다. 배터리 보호 회로는 배터리의 충전 및/또는 방전을 조절하고, 또한 보호 IC의 보호 트립 포인트(예를 들어, 과전류 검출 포인트)에 기초하여 배터리가 안전한 동작 영역 밖에서 동작하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 보호 IC는 전력 반도체 스위치의 온 저항(RSSon)의 프로세스 및 온도 편차를 보상하기 위해 보호 트립 포인트를 교정하도록 구성될 수 있다.

하나의 예시적인 실시예에서, 시스템이 제공된다. 시스템은 전원 및 전원을 보호하기 위한 보호 회로를 포함할 수 있으며, 보호 회로는 보호 회로 내의 컴포넌트의 동작 특성에 기초하여 교정된다.

다른 예시적인 실시예에서, 장치가 제공된다. 장치는 전력 반도체 스위치, 및 적어도 보호 트립 포인트에 기초하여 전력 반도체 스위치를 제어하기 위한 보호 집적 회로를 포함할 수 있으며, 보호 집적 회로는 전력 반도체 스위치의 동작 특성에 기초하여 교정된다.

다른 예시적인 실시예에서, 방법이 제공된다. 방법은 적어도 보호 집적 회로 및 전력 반도체 스위치를 포함하는 장치를 조립하는 단계, 적어도 전력 반도체 스위치에 대한 동작 특성을 결정하는 단계, 및 동작 특성에 기초하여 보호 집적 회로를 교정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어 및 표현은 제한이 아닌 설명의 용어로서 사용되며, 그러한 용어 및 표현의 사용에 있어서, 도시 및 설명된 특징들(또는 그의 부분들)의 임의의 등가물을 배제하려는 의도는 없으며, 특허청구범위의 범주 내에서 다양한 변경이 가능하다는 것이 인식된다. 따라서, 특허청구범위는 모든 그러한 등가물을 포함하도록 의도된다. 다양한 특징, 태양, 및 실시예가 본 명세서에 기술되었다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 특징들, 태양들, 및 실시예들은 서로 조합되는 것은 물론 수정 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명은 그러한 조합, 수정, 및 변경을 포함하는 것으로 간주되어야 한다.

Claims

배터리 관리 및 보호를 위한 시스템으로서,
전원; 및
상기 전원을 보호하기 위한 보호 회로를 포함하며, 상기 보호 회로는 상기 보호 회로 내의 컴포넌트의 동작 특성에 기초하여 교정되는, 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템.
제1항에 있어서, 상기 보호 회로는 멀티칩 모듈(multichip module)을 포함하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템.
제2항에 있어서, 상기 멀티칩 모듈은 적어도 보호 집적 회로 및 전력 반도체 스위치를 포함하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템.
제3항에 있어서, 상기 보호 집적 회로는 적어도 보호 트립 포인트(protection trip point)에 기초하여 상기 전력 반도체 스위치를 제어하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템.
제4항에 있어서, 상기 전력 반도체 스위치는 2개 이상의 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 스위치를 포함하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템.
제5항에 있어서, 상기 보호 집적 회로는 제1 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 스위치를 제어하여 상기 전원으로 가는 전류를 제어하고, 제2 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 스위치를 제어하여 상기 전원으로부터 나오는 전류를 제어하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템.
제5항에 있어서, 상기 보호 트립 포인트는 상기 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 스위치들 중 적어도 하나에 대해 측정된 소스-소스 온 상태 저항(source-to-source on state resistance)에 기초하여 상기 보호 집적 회로에서 설정되는, 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템.
제7항에 있어서, 상기 소스-소스 온 상태 저항은 상기 보호 회로의 동작 동안에 상기 보호 집적 회로에 의해 측정되는, 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템.
제7항에 있어서, 상기 소스-소스 온 상태 저항은 상기 멀티칩 모듈의 제조 동안에 측정되는, 배터리 관리 및 보호를 위한 시스템.
배터리 관리 및 보호를 위한 장치로서,
전력 반도체 스위치; 및
적어도 보호 트립 포인트에 기초하여 상기 전력 반도체 스위치를 제어하기 위한 보호 집적 회로를 포함하며, 상기 보호 집적 회로는 상기 전력 반도체 스위치의 동작 특성에 기초하여 교정되는, 배터리 관리 및 보호를 위한 장치.
제10항에 있어서, 상기 전력 반도체 스위치는 2개 이상의 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 스위치를 포함하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 장치.
제11항에 있어서, 상기 보호 집적 회로는 제1 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 스위치를 제어하여 전원으로 가는 전류를 제어하고, 제2 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 스위치를 제어하여 상기 전원으로부터 나오는 전류를 제어하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 장치.
제11항에 있어서, 상기 보호 트립 포인트는 상기 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 스위치들 중 적어도 하나에 대해 측정된 소스-소스 온 상태 저항에 기초하여 상기 보호 집적 회로에서 설정되는, 배터리 관리 및 보호를 위한 장치.
제13항에 있어서, 상기 소스-소스 온 상태 저항은 상기 장치의 제조 동안에 측정되는, 배터리 관리 및 보호를 위한 장치.
배터리 관리 및 보호를 위한 방법으로서,
적어도 보호 집적 회로 및 전력 반도체 스위치를 포함하는 장치를 조립하는 단계;
적어도 상기 전력 반도체 스위치에 대한 동작 특성을 결정하는 단계; 및
상기 동작 특성에 기초하여 상기 보호 집적 회로를 교정하는 단계를 포함하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 방법.
제15항에 있어서, 상기 동작 특성을 결정하는 단계는 상기 전력 반도체 스위치 내의 하나 이상의 금속-산화물-반도체 전계 효과 트랜지스터 스위치에 대한 소스-소스 온 상태 저항을 측정하는 단계를 포함하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 방법.
제15항에 있어서, 상기 보호 집적 회로를 교정하는 단계는 상기 보호 집적 회로에서 보호 트립 포인트를 설정하는 단계를 포함하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 방법.
제17항에 있어서, 상기 보호 집적 회로를 교정하는 단계는 트리밍(trimming) 기술에 기초하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 방법.
제17항에 있어서,
적어도 상기 보호 트립 포인트에 기초하여 전원을 보호하는 단계를 추가로 포함하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 방법.
제19항에 있어서, 상기 전원을 보호하는 단계는,
상기 전원으로부터 흐르는 전류 또는 상기 전원으로 흐르는 전류 중 적어도 하나를 측정하는 단계;
상기 보호 트립 포인트에 기초하여 측정값을 평가하는 단계; 및
적어도 상기 측정값의 평가에 기초하여 상기 전력 반도체 스위치의 동작을 제어하는 단계를 포함하는, 배터리 관리 및 보호를 위한 방법.