KR20150008227A - 싱글 mosfet을 이용한 배터리 보호회로 및 이를 위한 프로텍션 ic 시스템 - Google Patents

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황호석
김영석
이성희
박성범
안상훈
정태환
박승욱
조현목
박민호
박재구
지영남
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Abstract

본 발명은 배터리의 양극단자 및 음극단자에 연결되어 배터리팩을 구성하는 배터리 충방전 보호장치에 관한 것이다. 이 보호장치는 한 개의 MOSFET 및 이를 제어하는 프로텍션 IC를 포함한다. 상기 한 개의 MOSFET의 소스단자는 상기 배터리의 음극단자에 직접 연결되고, 상기 한 개의 MOSFET의 드레인단자는 상기 배터리팩의 음극단자인 것을 특징으로 한다.

Description

싱글 MOSFET을 이용한 배터리 보호회로 및 이를 위한 프로텍션 IC 시스템{Battery protection circuit and IC system using single MOSFET}
본 발명은 배터리를 통해 흐르는 전류를 차단 또는 도통시키는 트랜지스터를 제어하는 배터리 보호 및 이를 위한 IC에 관한 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(100)는 제1 내부연결단자(B+)(11) 및 제2 내부연결단자(B-)(12)를 구비한다. 또한, 배터리 보호회로(100)는 제1 외부연결단자(P+)(13) 및 제2 외부연결단자(P-)(14)를 구비한다. 제1 외부연결단자(P+)(13) 및 제2 외부연결단자(P-)(14)는 충전 시에는 충전기에 연결되고 방전 시에는 배터리 전원에 의하여 동작되는 전자기기(예, 휴대단말기 등)에 연결된다.
그리고 배터리 보호회로(100)는 두 개의 FET(111,112), 프로텍션 IC(Protection IC)(110), 저항(R1, R2), 커패시터(C1), 및 다이오드를 포함하여 구성된다. 이때, 제1 FET(111)와 제2 FET(112) 각각의 드레인(Drain) 단자들은 서로 전기적으로 서로 연결되어 있다.
프로텍션 IC(110)는 저항(R1)을 통해 배터리의 (+)단자인 제1 내부연결단자(B+)(11)에 연결되고, 충전전압 또는 방전전압이 인가되는 전압인가와 배터리 전압을 감지하는 단자(VDD), 프로텍션 IC(110) 내부의 동작전압에 대한 기준이 되는 기준단자(VSS), 충·방전 및 과전류 상태를 감지하기 위한 감지단자(V-), 과방전 상태에서 제1 FET(111)를 오프(OFF)시키기 위한 방전차단신호 출력단자(DOUT), 및 과충전 상태에서 제2 FET(112)를 오프시키기 위한 충전차단신호 출력단자(COUT)를 갖는다. 이때, 프로텍션 IC(110)의 내부는 기준전압 설정부, 기준전압과 충·방전 전압을 비교하기 위한 비교부, 과전류 검출부, 충·방전 검출부를 구비하고 있다. 여기서 충전 및 방전상태의 판단 기준은 유저(User)가 요구하는 스펙(Spec)으로 변경이 가능하며 그 정해진 기준에 따라 프로텍션 IC(110)의 각 단자별 전압차를 인지하여 충·방전 상태를 판정한다.
프로텍션 IC(110)는 과방전 상태에 이르게 되면 방전차단신호 출력단자는 로우(Low)로 되어 제1 FET(111)를 오프시키고, 과충전 상태에 이르게 되면 충전차단신호 출력단자가 로우로 되어 제2 FET(112)를 오프시키도록 되어 있다. 또한, 과전류가 흐르는 경우에는, 충전 시에는 제2 FET(112)를 오프시키고, 방전 시에는 제1 FET(111)를 오프시키도록 구성되어 있다.
한편, 저항(R1)과 커패시터(C1)는 프로텍션 IC(110)의 공급전원의 변동을 안정시키는 역할을 한다. 저항(R1)은 제1 내부연결단자(B+)(11)와 프로텍션 IC(110)의 VDD 단자 사이에 연결되고, 커패시터(C1)는 프로텍션 IC(110)의 VDD 단자와 제2 내부연결단자(B-)(12) 사이에 연결된다. 이때, 저항(R1)의 값을 크게 하면 전압 검출 시 프로텍션 IC(110)의 내부에 침투되는 전류에 의해서 검출전압이 높아지기 때문에 저항(R1)의 값은 1KΩ 이하의 적당한 값으로 설정되어야 한다. 또한, 안정된 동작을 위하여 커패시터(C1)의 값은 0.01㎌ 이상의 적당한 값으로 설정되어야 한다. 예컨대, 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(100)에서, 저항(R1)의 값은 1KΩ이고 커패시터(C1)의 값은 0.1㎌일 수 있다.
그리고 저항(R1)과 저항(R2)은 프로텍션 IC(110)의 절대 최대정격을 초과하는 고전압 충전기 또는 충전기가 거꾸로 연결되는 경우 전류 제한 저항이 된다. 이때, 저항(R2)은 프로텍션 IC(110)의 감지단자(V-)와 제2 FET(112)의 소스단자(Source 2)가 연결된 노드(n1) 사이에 연결되어 있다. 이때, 저항(R1)과 저항(R2)은 전원소비의 원인이 될 수 있으므로 통상적으로 저항(R1)과 저항(R2)의 저항 값의 합은 1KΩ보다 크게 설정된다. 그리고 저항(R2)이 너무 크다면 과충전 차단 후에 복귀가 일어나지 않을 수 있으므로, 저항(R2)의 값은 10KΩ 또는 그 이하의 값으로 설정된다. 예컨대, 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(100)에서는 2.2KΩ일 수 있다.
상술한 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(100)는, 충전과 방전 시 보호 동작을 하는 배터리 보호 IC의 특성상 충·방전을 제어하기 위해 2개의 MOSFET를 포함하여 구성되어 있다. 이때, Dual-MOSFET는 Single MOSFET보다 사용 대비 2배의 내부 저항을 가진다. 이때, 상대적으로 높은 내부 저항은 배터리 충전 및 방전 시 배터리의 승, 강압 현상을 발생시켜 배터리의 사용 시간을 저하시킨다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하기 위한 기술을 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 Single MOSFET을 이용한 배터리 보호 IC가 제공된다.
본 발명의 일 양상에 따른 배터리 충방전 보호장치는 배터리의 양극단자 및 음극단자에 연결되어 배터리팩을 구성한다. 이 보호장치는, 한 개의 MOSFET; 및 상기 한 개의 MOSFET을 제어하는 프로텍션 IC를 포함한다. 그리고 상기 한 개의 MOSFET의 소스단자는 상기 배터리의 음극단자에 직접 연결되고, 상기 한 개의 MOSFET의 드레인단자는 상기 배터리팩의 음극단자인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 프로텍션 IC의 제1단자는 상기 한 개의 MOSFET의 게이트단자의 전압을 제어하도록 상기 게이트단자에 연결되어 있고, 상기 한 개의 MOSFET이 오프상태가 되도록 제어되는 경우에 상기 드레인단자 또는 상기 소스단자에 유입되는 전류가 상기 한 개의 MOSFET을 바이패스하도록, 상기 소스단자와 상기 드레인단자 사이에 한 쌍의 다이오드가 서로 반대방향으로 직렬 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 바이패스된 전류는 상기 프로텍션 IC를 통해 흐르도록 되어 있을 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 배터리팩은, 배터리; 및 상기 배터리의 양극단자 및 음극단자에 연결된 배터리 충방전 보호장치를 포함한다. 이때, 상기 배터리 충방전 보호장치는 한 개의 MOSFET 및 상기 한 개의 MOSFET을 제어하는 프로텍션 IC를 포함하며, 상기 한 개의 MOSFET의 소스단자는 상기 배터리의 음극단자에 직접 연결되고, 상기 한 개의 MOSFET의 드레인단자는 상기 배터리팩의 음극단자인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 프로텍션 IC의 제1단자는 상기 한 개의 MOSFET의 게이트단자의 전압을 제어하도록 상기 게이트단자에 연결되어 있고, 상기 한 개의 MOSFET이 오프상태가 되도록 제어되는 경우에 상기 드레인단자 또는 상기 소스단자에 유입되는 전류가 상기 한 개의 MOSFET을 바이패스하도록 상기 소스단자와 상기 드레인단자 사이에 한 쌍의 다이오드가 서로 반대방향으로 직렬 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 바이패스된 전류는 상기 프로텍션 IC를 통해 흐르도록 되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 소스단자는 배터리의 음극단자에 연결되어 있고 드레인단자는 상기 배터리를 포함하는 배터리팩의 음극단자에 연결된 한 개의 MOSFET을 제어하는 배터리 충방전 제어 IC가 제공될 수 있다. 이 배터리 충방전 제어 IC는 상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 경우, 상기 한 개의 MOSFET을 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 한 개의 MOSFET의 게이트전압을 제어하기 위한 제1 단자; 및 상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 경우, 상기 배터리를 통해 흐르는 제1 전류를 상기 배터리 충방전 제어 IC를 통해 바이패스시키도록 한 쌍 이상의 바이패스 단자를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 배터리를 통해 흐르는 전류를 차단 또는 도통시키는 트랜지스터를 제어하는 배터리 충방전 제어 IC가 제공될 수 있다. 이 배터리 충방전 제어 IC는 내부-트랜지스터; 및 상기 트랜지스터와 상기 내부-트랜지스터를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어로직을 포함한다. 이때, 상기 제어로직은, 상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 경우 상기 트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 트랜지스터를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐르는 제1 전류가 상기 내부-트랜지스터를 통해 바이패스 되도록 상기 내부-트랜지스터를 제어하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 상기 제어로직은, 상기 배터리의 충전 또는 방전이 차단되었다가 다시 허용되면, 상기 내부-트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 내부-트랜지스터를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐르는 제2 전류가 상기 트랜지스터를 통해 흐르도록 상기 트랜지스터를 제어하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류는 서로 반대방향일 수 있다.
이때, 상기 내부-트랜지스터 및 상기 트랜지스터는 MOSFET일 수 있다.
이때, 상기 트랜지스터의 소스단자와 드레인단자 사이에는 충전방향전류를 바이패스하기 위한 제1 다이오드와 방전방향전류를 바이패스하기 위한 제2 다이오드가 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 트랜지스터의 게이트단자와 소스단자 사이에는 제너 다이오드가 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 내부-트랜지스터의 소스단자와 드레인단자 사이에는 충전방향전류 또는 방전방향전류를 바이패스하기 위한 다이오드가 연결되어 있을 수 있다.
이때, 상기 내부-트랜지스터의 게이트단자와 소스단자 사이에는 제너 다이오드가 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 배터리를 통해 흐르는 전류를 차단 또는 도통시키는 트랜지스터; 및 내부-트랜지스터, 및 상기 트랜지스터와 상기 내부-트랜지스터를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어로직을 포함하는 IC;를 포함하는 배터리 과전류 차단장치가 제공될 수 있다. 이때, 상기 제어로직은, 상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 경우, 상기 트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 트랜지스터를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐르는 제1 전류가 상기 내부-트랜지스터를 통해 바이패스 되도록 상기 내부-트랜지스터를 제어하도록 되어 있다.
이때, 상기 제어로직은, 상기 배터리의 충전 또는 방전이 차단되었다가 다시 허용되면, 상기 내부-트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 내부-트랜지스터를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐르는 제2 전류가 상기 트랜지스터를 통해 흐르도록 상기 트랜지스터를 제어하도록 되어 있을 수 있다.
이때, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류는 서로 반대방향일 수 있다.
이때, 상기 배터리 보호 IC의 공급전원의 변동을 안정시키기 위한 저항 및 커패시터를 더 포함하며, 상기 트랜지스터 및 상기 내부-트랜지스터 각각의 게이트와 소스 단간에 유입될 수 있는 정전기에 대해 보호하기 위한 제너 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, Single MOSFET를 사용함으로써 내부 저항이 Dual MOSFET보다 1/2로 감소될 수 있다. 이에 따라 배터리를 충전 및 방전 시 전압 승, 강압 현상이 감소하며 배터리 사용 시간이 상승할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 보호회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로텍션 IC 및 외부-트랜지스터를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로에서 충전 상태에 따른 제어회로 출력의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로에서 충전 상태에 따른 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로에서 방전 상태에 따른 제어회로 출력의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로에서 방전 상태에 따른 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
<실시예 1>
이하, 도 2 및 도 3을 함께 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로텍션 IC(210) 및 외부-트랜지스터(220)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)는 제1 내부연결단자(B+)(21), 제2 내부연결단자(B-)(22), 제1 외부연결단자(P+)(23), 및 제2 외부연결단자(P-)(24)를 구비한다. 이때, 제1 외부연결단자(P+)(23)와 제2 외부연결단자(P-)(24)는 별도의 외부 장치에 직접 접촉될 수 있는 단자이다. 이는, 도 1에 도시한 배터리 보호회로(100)와 동일하게 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)는 한 개의 외부-트랜지스터(220), 프로텍션 IC(210), 저항(R1, R2), 및 커패시터(C1)를 포함하여 구성될 수 있다. 프로텍션 IC(210)에는 제1 내부-트랜지스터(221), 제2 내부-트랜지스터(222), 및 제어로직(230)이 포함될 수 있다. 이때, 외부-트랜지스터(220)의 소스(Source) 단자는 제2 내부연결단자(B-)(22)에 연결되어 있으며 드레인(Drain) 단자는 제2 외부연결단자(P-)(24)에 연결되어 있다. 이때, 저항(R2)은 프로텍션 IC(210)의 감지단자(V-)와 제3 노드(n3) 사이에 연결되어 있으며, 저항(R1) 및 커패시터(C1)는 상술한 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(100)와 동일한 구조로 연결되어 있다. 이때, 제3 노드(n3)는 외부-트랜지스터(220)의 드레인단자와 제2 외부연결단자(P-)(24)일 수 있다. 여기서 외부-트랜지스터(220), 제1 내부-트랜지스터(221), 및 제2 내부-트랜지스터(222)는 각각 MOSFET일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 외부-트랜지스터(220), 제1 내부-트랜지스터(221), 및 제2 내부-트랜지스터(222) 각각의 게이트(Gate)와 소스 단 간에 제어 다이오드가 연결되어, 외부로부터 유입될 수 있는 정전기(Electrostatic Discharge, ESD)로부터 회로를 보호하는 역할을 할 수 있다.
도 1 및 도 2를 서로 비교하여 배터리 보호회로(200)의 구조를 설명하면, 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(100)는 두 개의 FET(111,112)을 포함하여 구성되어 있는 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)는 한 개의 외부-트랜지스터(220)를 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성에 따라, 배터리 보호회로(200)의 내부 저항이 1/2로 감소하여 배터리 충전 및 방전 시 전압의 승, 강압 현상이 감소하고 배터리의 사용 시간이 상승하는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로텍션 IC(210)는 단자(VDD), 기준단자(VSS), 감지단자(V-), 및 과충전 상태 및/또는 과방전 상태에서 외부-트랜지스터(220)를 오프시키기 위한 충·방전 제어신호 출력단자(COUT&DOUT)(25)를 갖는다. 또한, 프로텍션 IC(210)는 제1 내부-트랜지스터(221), 제2 내부-트랜지스터(222), 및 제어회로(230)를 포함하여 구성된다. 이때, 제1 내부-트랜지스터(221) 및 제2 내부-트랜지스터(222) 각각의 게이트단자는 제어회로(230)에 연결되어 있다. 이때, 제어회로(230)는 외부-트랜지스터(220), 제1 내부-트랜지스터(221), 및 제2 내부-트랜지스터(222)를 제어하도록 되어 있다.
이때, 외부-트랜지스터(220)의 상기 소스단자와 상기 드레인단자 사이, 및 충·방전 제어신호 출력단자(25)와 외부-트랜지스터(220)의 상기 소스단자 사이에는 다이오드가 연결되어 있다. 또한, 제1 내부-트랜지스터(221)의 소스단자와 드레인단자 사이, 및 제어회로(230)의 일 측과 제1 내부-트랜지스터(221)의 상기 소스단자 사이에는 다이오드가 연결되어 있다. 이때, 제2 내부-트랜지스터(222)는 제1 내부-트랜지스터(221)와 동일하게 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)에서, 충전 및 방전 상태에 따른 제어회로(230)의 출력의 변화와 전류의 흐름에 대해 도 4 내지 도 7b를 함께 참고하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)에서 충전 상태에 따른 제어회로 출력의 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)에서 충전 상태에 따른 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)에서 방전 상태에 따른 제어회로 출력의 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)에서 방전 상태에 따른 전류의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)의 충전 과정은, 예컨대, 정상충전구간(P1,P3)과 충전차단구간(P2)으로 나뉠 수 있다. 이때, 정상충전구간(P1,P3)일 경우에는 도 5a에 도시한 바와 같이 제1 방향(51)으로 전류가 흐르도록 되어 있으며, 충전차단구간(P2)일 경우에는 도 5b에 도시한 바와 같이 제2 방향(52)으로 전류가 흐를 수 있는 전류통로가 제공될 수 있다. 이하, 배터리 보호회로(200)의 충전 상태에 따른 각 구간에 대해 자세히 설명한다.
정상충전구간( P1 ) : 정상적으로 배터리가 충전되는 경우, 배터리 보호회로(200)는, 충·방전 제어신호 출력단자(25)를 통해 하이(High)레벨의 충·방전제어신호를 출력하여 외부-트랜지스터(220)를 온(ON)-상태로 제어하도록 되어 있다. 이에 따라, 도 5a에 도시한 바와 같이, 외부-트랜지스터(220)를 통해 제1 방향(51)으로 충전전류가 흐르도록 구성되어 있다. 이와 동시에 제1 내부-트랜지스터(221)와 제2 내부-트랜지스터(222)를 오프(OFF)-상태로 제어하여 제1 내부-트랜지스터(221)와 제2 내부-트랜지스터(222) 각각의 제1 단자(31,33) 및 제2 단자(32,34)를 통해 전류가 흐르지 않도록 구성되어 있다. 이때, 예컨대, 제1 방향(51)은 시계 반대방향일 수 있다. 즉, 제2 내부연결단자(B-)(22)에서부터 외부-트랜지스터(220)의 소스단자와 드레인단자를 거쳐 제2 외부연결단자(P-)(24)로 이어지는 방향일 수 있다.
충전차단구간( P2 ) : 정상충전상태를 유지하다가 배터리의 과충전 및 과도한 충전전류의 유입으로 인해 충전전류를 차단해야 하는 경우에는, 과충전 발생검지시점(T1)에 충·방전 제어신호 출력단자(25)를 통해 로우(Low)레벨의 충·방전제어신호를 출력하여 외부-트랜지스터(220)를 오프-상태로 제어하여 외부-트랜지스터(220)를 통해 전류가 흐르지 않도록 구성되어 있다. 이와 동시에 제1 내부-트랜지스터(221)를 온-상태로 제어하고 제2 내부-트랜지스터(222)를 오프-상태를 갖도록 제어함으로써, 도 5b에 도시한 바와 같이, 제1 내부-트랜지스터(221)의 제1 단자(31) 및 제2 단자(32)를 통해 제2 방향(52)으로 전류가 흐를 수 있는 전류통로를 제공하도록 구성되어 있다. 이에 따라, 다시 정상충전상태로 복귀가 가능할 때까지 충전차단구간(P2)이 지속된다. 이때, 제2 방향(52)은 제1 방향(51)과 반대방향일 수 있다. 즉, 제2 외부연결단자(P-)로부터 제1 내부-트랜지스터(221)의 제1 단자(31) 및 제2 단자(32)를 거쳐 제2 내부연결단자(B-)로 이어지는 방향일 수 있다.
충전차단상태(P2)에서 정상충전상태(P3)로 복귀하기 위해서는 어느 정도의 방전전류가 흘러야 하며, 상술한 충전차단구간(P2)에서의 제어상태에 따르면 이러한 방전전류의 전류통로가 제공되는 것이다.
정상충전구간( P3 ) : 충전차단구간(P2) 이후 다시 정상적으로 충전을 하기 위한 충전복귀 결정시점(T2)이 결정되면, 충전복귀 결정시점(T2)에 충·방전 제어신호 출력단자(25)를 통해 하이레벨의 충·방전제어신호를 출력하여 외부-트랜지스터(220)를 온-상태로 제어하여 외부-트랜지스터(220)를 통해 제1 방향(51)으로 충전전류가 흐르도록 구성되어 있다. 이와 동시에 제1 내부-트랜지스터(221)와 제2 내부-트랜지스터(222)를 오프-상태로 제어하여 제1 내부-트랜지스터(221)와 제2 내부-트랜지스터(222) 각각의 제1 단자(31,33) 및 제2 단자(32,34)를 통해 전류가 흐르지 않도록 구성되어 있다.
한편, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호회로(200)의 방전 과정은, 예컨대, 정상방전구간(P4,P6)과 방전차단구간(P5)으로 나뉠 수 있다. 이때, 정상방전구간(P4,P6)일 경우에는 도 7a에 도시한 바와 같이 제3 방향(61)으로 전류가 흐르도록 되어 있으며, 충전차단구간(P2)일 경우에는 도 7b에 도시한 바와 같이 제4 방향(62)으로 전류가 흐를 수 있는 전류통로가 제공될 수 있다. 이하, 배터리 보호회로(200)의 방전과정의 각 구간에 대해 자세히 설명한다.
정상방전구간( P4 ) : 정상적으로 배터리가 방전되는 경우, 배터리 보호회로(200)는, 충·방전 제어신호 출력단자(25)를 통해 하이레벨의 충·방전제어신호를 출력하여 외부-트랜지스터(220)를 온-상태로 제어하도록 되어 있다. 이에 따라, 도 7a에 도시한 바와 같이 외부-트랜지스터(220)를 통해 제3 방향(61)으로 방전전류가 흐르도록 구성되어 있다. 이와 동시에 제1 내부-트랜지스터(221)와 제2 내부-트랜지스터(222)를 오프-상태로 제어하여 제1 내부-트랜지스터(221)와 제2 내부-트랜지스터(222) 각각의 제1 단자(31,33) 및 제2 단자(32,34)를 통해 전류가 흐르지 않도록 구성되어 있다. 이때, 예컨대, 제3 방향(61)은 시계방향일 수 있다. 즉, 제2 외부연결단자(P-)(24)로부터 외부-트랜지스터(220)의 드레인단자와 소스단자를 거쳐 제2 내부연결단자(B-)(22)로 이어지는 방향일 수 있다.
방전차단구간( P5 ) : 정상방전상태를 유지하다가 배터리의 과방전 및 과도한 방전전류의 유입으로 인해 방전전류를 차단해야 하는 경우에는, 과방전 발생검지시점(T3)에 충·방전 제어신호 출력단자(25)를 통해 로우레벨의 충·방전제어신호를 출력하여 외부-트랜지스터(220)를 오프-상태로 제어하여 외부-트랜지스터(220)를 통해 전류가 흐르지 않도록 구성되어 있다. 이와 동시에 제2 내부-트랜지스터(222)를 온-상태로 제어하고 제1 내부-트랜지스터(221)를 오프-상태로 제어함으로써, 도 7b에 도시한 바와 같이, 제2 내부-트랜지스터(222)의 제1 단자(33) 및 제2 단자(34)를 통해 제4 방향(62)으로 전류가 흐를 수 있는 전류통로를 제공하도록 구성되어 있다. 이에 따라, 다시 정상방전상태로 복귀가 가능할 때까지 방전차단구간(P5)이 지속된다. 이때, 예컨대, 제4 방향(62)은 제3 방향(61)과 반대방향일 수 있다. 즉, 제2 내부연결단자(B-)(22)로부터 제2 내부-트랜지스터(222)의 제1 단자(33) 및 제2 단자(34)를 거쳐 제2 외부연결단자(P-)(24)로 이어지는 방향일 수 있다.
방전차단상태(P5)에서 정상방전상태(P6)로 복귀하기 위해서는 어느 정도의 충전전류가 흘러야 하며, 상술한 방전차단구간(P5)에서의 제어상태에 따르면 이러한 충전전류의 전류통로가 제공되는 것이다.
정상방전구간( P6 ) : 방전차단구간(P5) 이후 다시 정상적으로 방전을 하기 위한 방전복귀 결정시점(T4)이 결정되면, 충·방전 제어신호 출력단자(25)를 통해 하이레벨의 충·방전제어신호를 출력하여 외부-트랜지스터(220)를 온-상태로 제어하여 외부-트랜지스터(220)를 통해 제3 방향(61)으로 방전전류가 흐르도록 구성되어 있다. 이와 동시에 제1 내부-트랜지스터(221)와 제2 내부-트랜지스터(222)를 오프-상태로 제어하여 제1 내부-트랜지스터(221)와 제2 내부-트랜지스터(222) 각각의 제1 단자(31,33) 및 제2 단자(32,34)를 통해 전류가 흐르지 않도록 구성되어 있다.
<실시예 2>
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 보호 IC에 대해 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 보호 IC(210)(즉, 프로텍션 IC)는 배터리를 통해 흐르는 전류를 차단 또는 도통시키는 트랜지스터(220)(즉, 외부-트랜지스터)를 제어하도록 되어있다. 이때, 배터리 보호 IC(210)는 내부-트랜지스터(221, 222); 및 트랜지스터(220)와 내부-트랜지스터(221, 222)를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어로직(230)을 포함한다.
이때, 제어로직(230)은, 상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 경우, 트랜지스터(220)를 통해 전류가 흐르지 않도록 트랜지스터(220)를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐를 수 있는 제1 전류가 내부-트랜지스터(221, 222)를 통해 바이패스 되도록 내부-트랜지스터(221, 222)를 제어하도록 되어 있다. 또한, 제어로직(230)은, 상기 배터리의 충전 또는 방전이 차단되었다가 다시 허용되면 내부-트랜지스터(221, 222)를 통해 전류가 흐르지 않도록 내부-트랜지스터(221, 222)를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐르는 제2 전류가 트랜지스터(220)를 통해 흐르도록 트랜지스터(220)를 제어하도록 되어 있다. 이때, 상기 제1 전류와 상기 제2 전류는 서로 반대방향일 수 있다.
내부-트랜지스터(221, 222) 및 트랜지스터(220)는 MOSFET일 수 있다.
그리고 트랜지스터(220)의 소스단자와 드레인단자 사이에는 충전방향전류를 바이패스하기 위한 제1 다이오드(510)와 방전방향전류를 바이패스하기 위한 제2 다이오드(520)가 연결되어 있을 수 있다. 또한 트랜지스터(220)의 게이트단자와 소스단자 사이에는 제너 다이오드(530)가 연결되어 있을 수 있다.
또한 내부-트랜지스터(221, 222)의 소스단자와 드레인단자 사이에는 충전방향전류 또는 방전방향전류를 바이패스하기 위한 다이오드(540)가 연결되어 있을 수 있다. 그리고 내부-트랜지스터(221, 222)의 게이트단자와 소스단자 사이에는 제너 다이오드(550)가 연결되어 있을 수 있다.
<실시예 3>
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 과전류 차단장치를 설명한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 과전류 차단장치는, 배터리를 통해 흐르는 전류를 차단 또는 도통시키는 트랜지스터; 및 내부-트랜지스터와 제어로직을 포함하는 IC를 포함한다. 이때, 상기 제어로직은 상기 트랜지스터와 상기 내부-트랜지스터를 제어하는 제어신호를 생성하도록 되어 있으며, 상술한 실시예 2에 따른 배터리 보호 IC의 상기 제어로직과 동일하게 구성되어 있을 수 있다.
또한, 배터리 과전류 차단장치는, 상기 배터리 보호 IC의 공급전원의 변동을 안정시키기 위한 저항 및 커패시터를 더 포함하며, 상기 트랜지스터 및 상기 내부-트랜지스터 각각의 게이트와 소스 단간에 유입될 수 있는 정전기에 대해 보호하기 위한 다이오드를 더 포함하여 구성된다.
이때, 실시예 2와 실시예 3에서, 상기 배터리 보호 IC는 실시예 1에서 상술한 프로텍션 IC(210)와 대응될 수 있으며, 상기 제어로직은 상술한 제어회로(230)와 대응될 수 있다. 또한, 상기 트랜지스터는 외부-트랜지스터(220)와 대응될 수 있으며, 상기 내부-트랜지스터는 제1 내부-트랜지스터(221) 및 제2 내부-트랜지스터(222)와 대응될 수 있다.
<실시예 4>
한편, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 보호 IC를 포함하여 구성된 배터리 팩에 대해 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩(300)을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 다른 배터리 팩(300)은 배터리 셀(70)을 보호하는 보호 회로 모듈이 패키지 형태의 보호 모듈 패키지(90)로 구현되며, 배터리 셀(70)과 상부 케이스(80)에 개재된 구조를 갖는다. 이러한 배터리 팩(300)은 배터리 셀(70), 보호 모듈 패키지(90) 및 상부 케이스(80)를 포함한다. 배터리 셀(70)은 상면(71)에 음극 탭(73)과 양극판(74)이 형성되어 있다. 보호 모듈 패키지(90)는 배터리 셀(70)의 음극 탭(73) 및 양극판(74)에 연결되어 배터리 셀(70)을 보호하는 보호 회로 소자가 패키징되어 있다. 그리고 상부 케이스(80)는 보호 모듈 패키지(90)를 덮도록 배터리 셀(70)의 상부에 결합되며, 상부로 보호 모듈 패키지(90)의 단자 패드(85)가 노출되는 개구부(81,83)가 형성되어 있다. 개구부(81,83)는 단자 패드(85) 중 음극 단자 패드가 노출된 제1 개구부(81)와 양극 단자 패드가 노출되는 제2 개구부(83)를 포함한다.
그 외 배터리 팩(300)은 배터리 셀(70) 상부에 설치되는 상부 절연 시트(75), 배터리 셀(70)의 하부에 설치되는 하부 절연 시트(91) 및 하부 케이스(93), 배터리 셀(70)의 외측면을 둘러싸는 포장 라벨(95)을 포함할 수 있다.
예컨대 배터리 팩(300)은 얇은 사각판 형태로 구현될 수 있다. 즉 배터리 셀(70)은 얇은 사각판 형태를 가지며, 상면(71)에 상부 절연 시트(75), 보호 모듈 패키지(90) 및 상부 케이스(80)가 순차적으로 적층되어 설치된다. 배터리 셀(70)은 하면(72)에 하부 절연 시트(91) 및 하부 케이스(93)가 순차적으로 적층되어 설치된다. 그리고 배터리 셀(70)의 외측면은 포장 라벨(95)에 의해 덮여 보호될 수 있다.
배터리 셀(70)은 상면(71)과 하면(72)을 가지며, 상면(71)에 형성된 양극판(74)에 대해서 음극 탭(73)이 전기적으로 격리되어 양극판(74)에 대해서 돌출되게 형성되어 있다. 물론 양극판(74)은 배터리 셀(70)에 내장된 셀의 양극과 전기적으로 연결되고, 음극 탭(73)은 셀의 음극과 전기적으로 연결된다. 예컨대 배터리 셀(70)로는 리튬이온전지, 리튬폴리머전지 등과 같이 리튬이차전지가 사용될 수 있다.
상부 절연 시트(75)는 배터리 셀(70)의 상면(71)에 부착되며, 배터리 셀(70)의 음극 탭(73)과 양극판(74) 간의 전기적 쇼트를 방지하는 기능을 한다. 상부 절연 시트(75)에는 음극 탭(73)이 노출될 수 있는 제1 개방부(76)가 형성되어 있다. 상부 절연 시트(75)의 한쪽에 배터리 셀(70)의 상면(71)을 통하여 양극판(74)의 일부가 외부로 노출되며, 노출된 양극판(74) 부분에 보호 모듈 패키지(90)의 양극 외부 리드(78)가 접합된다. 이때 상부 절연 시트(75)의 소재로는 PC(Poly Carbonate), PE(Poly Ethylene) 등 다양한 합성수지가 사용될 수 있다. 상부 절연 시트(75)는 경질의 판 형태나 유연성을 갖는 테이프 형태로 구현될 수 있다.
보호 모듈 패키지(90)는 상부 절연 시트(75)의 상부에 탑재되며, 배터리 셀(70)의 음극 탭(73) 및 양극판(74)에 전기적으로 연결되게 접합된다. 보호 모듈 패키지(90)는 패키지 몸체(79) 내부에 칩 형태의 보호 회로 소자가 내장된 구조를 갖는다. 보호 모듈 패키지(90)는 양측으로 음극 외부 리드(77)와 양극 외부 리드(78)가 돌출되어 있으며, 음극 외부 리드(77)는 음극 탭(73)에 PTC(Positive Temperature Coefficient) 소자를 매개로 접합되고, 양극 외부 리드(78)는 양극판(74)에 접합된다. 패키지 몸체(79)의 상부로 상부 케이스(80)의 개구부(81,83)로 노출되는 복수의 단자 패드(85)가 노출되어 있다.
이때 음극 외부 리드(77)는 음극 탭(73)에 저항 용접 방식에 의해 접합될 수 있다. 양극 외부 리드(78)는 양극판(74)에 레이저 용접 방식에 의해 접합될 수 있다. 그 외 외부 리드(65,67)는 초음파 용접이나 전도성 접착제를 개재하여 음극탭(16) 및 양극판(74)에 각각 접합할 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩(300)은 보호 회로 모듈이 보호 모듈 패키지(90)로 구현되기 때문에, 배터리 팩(300)에서 보호 회로 모듈이 차지하는 공간을 최소화할 수 있다. 보호 모듈 패키지(90)는 보호 회로 소자가 칩 형태로 내장되고, 패키지 몸체(79)는 성형에 의해 판 형태로 제조가 가능하기 때문에, 두께가 얇으면서 크기는 작은 보호 회로 모듈로 구현될 수 있다.
보호 모듈 패키지(90)는 배터리 셀(70)과, 전원 공급부나 휴대용 단말기 사이에 개재되어 배터리 셀(70)의 과충전 방지, 과방전 방지, 과전류 방지 등과 같은 배터리 팩(300)의 보호 기능 기능을 수행한다.
상부 케이스(80)는 보호 모듈 패키지(90)를 덮도록 배터리 셀(70)의 상부에 결합되어 설치되며, 개구부(81,83)는 보호 모듈 패키지(90)의 복수의 단자 패드(85)에 각각 대응되게 형성된다. 개구부(81,83)는 휴대형 단말기에 연결될 수 있도록 상부 케이스(80)의 상면을 관통하여 형성된다. 상부 케이스(80)는 상면의 일측에 마련된 홈(87)에 라벨지(97)가 부착될 수 있다. 상부 케이스(80)는 상부에 휴대형 단말기에 탈착할 수 있는 홈이나 돌기 등이 형성될 수 있다. 이러한 상부 케이스(80)는 에폭시 수지와 같은 경질의 플라스틱 소재를 이용하여 성형 방법으로 제조될 수 있다.
하부 절연 시트(91)는 배터리 셀(70)의 하면(72)에 부착된다. 하부 절연 시트(91)로는 상부 절연 시트(75)와 동일한 소재가 사용될 수 있다.
하부 케이스(93)는 하부 절연 시트(91)를 덮도록 배터리 셀(70)의 하부에 결합된다. 이러한 하부 케이스(93)는 에폭시 수지와 같은 경질의 플라스틱 소재를 이용하여 성형 방법으로 제조될 수 있다.
그리고 포장 라벨(95)은 배터리 셀(70)의 외측면을 감싸도록 배터리 셀(70)의 외측면에 부착된다. 이때 포장 라벨(95)은 배터리 셀(70)의 상단부 및 하단부로 연장된 상부 케이스(80) 및 하부 케이스(93) 부분을 감싸도록 부착된다.
본 명세서에 있어서, ‘배터리’는 도 2의 단자(B+, B-)에 연결되는 배터리 셀을 의미할 수 있고, ‘배터리 팩’은 위의 ‘배터리’와 도 2에 나타낸 회로가 결합된 것을 의미할 수 있다. 그리고 ‘배터리의 음극단자’는 예컨대 도 2의 단자(B-)일 수 있고, ‘배터리팩의 음극단자’는 예컨대 도 2의 단자(P-)일 수 있다.
본 명세서에서 “전류가 상기 한 개의 MOSFET을 바이패스”한다는 의미는, 상기 전류가 상기 한 개의 MOSFET을 통해 흐르지 않고 다른 회로경로를 통해 흐른다는 것을 의미할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들을 이용하여, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.

Claims (13)

  1. 배터리의 양극단자 및 음극단자에 연결되어 배터리팩을 구성하는 배터리 충방전 보호장치로서,
    한 개의 MOSFET; 및 상기 한 개의 MOSFET을 제어하는 프로텍션 IC를 포함하며,
    상기 한 개의 MOSFET의 소스단자는 상기 배터리의 음극단자에 직접 연결되고, 상기 한 개의 MOSFET의 드레인단자는 상기 배터리팩의 음극단자인 것을 특징으로 하는,
    배터리 충방전 보호장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프로텍션 IC의 제1단자는 상기 한 개의 MOSFET의 게이트단자의 전압을 제어하도록 상기 게이트단자에 연결되어 있고,
    상기 한 개의 MOSFET이 오프상태가 되도록 제어되는 경우에 상기 드레인단자 또는 상기 소스단자에 유입되는 전류가 상기 한 개의 MOSFET을 바이패스하도록, 상기 소스단자와 상기 드레인단자 사이에 한 쌍의 다이오드가 서로 반대방향으로 직렬 연결되어 있는,
    배터리 충방전 보호장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 바이패스된 전류는 상기 프로텍션 IC를 통해 흐르도록 되어 있는, 배터리 충방전 보호장치.
  4. 배터리; 및 상기 배터리의 양극단자 및 음극단자에 연결된 배터리 충방전 보호장치를 포함하며,
    상기 배터리 충방전 보호장치는 한 개의 MOSFET 및 상기 한 개의 MOSFET을 제어하는 프로텍션 IC를 포함하며,
    상기 한 개의 MOSFET의 소스단자는 상기 배터리의 음극단자에 직접 연결되고, 상기 한 개의 MOSFET의 드레인단자는 상기 배터리팩의 음극단자인 것을 특징으로 하는,
    배터리팩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프로텍션 IC의 제1단자는 상기 한 개의 MOSFET의 게이트단자의 전압을 제어하도록 상기 게이트단자에 연결되어 있고,
    상기 한 개의 MOSFET이 오프상태가 되도록 제어되는 경우에 상기 드레인단자 또는 상기 소스단자에 유입되는 전류가 상기 한 개의 MOSFET을 바이패스하도록 상기 소스단자와 상기 드레인단자 사이에 한 쌍의 다이오드가 서로 반대방향으로 직렬 연결되어 있는,
    배터리팩.
  6. 제5항에 있어서, 상기 바이패스된 전류는 상기 프로텍션 IC를 통해 흐르도록 되어 있는, 배터리팩.
  7. 소스단자는 배터리의 음극단자에 연결되어 있고 드레인단자는 상기 배터리를 포함하는 배터리팩의 음극단자에 연결된 한 개의 MOSFET을 제어하는 배터리 충방전 제어 IC로서,
    상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 경우, 상기 한 개의 MOSFET을 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 한 개의 MOSFET의 게이트전압을 제어하기 위한 제1 단자; 및
    상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 경우, 상기 배터리를 통해 흐르는 제1 전류를 상기 배터리 충방전 제어 IC를 통해 바이패스시키도록 한 쌍 이상의 바이패스 단자를 포함하는,
    배터리 충방전 제어 IC.
  8. 배터리를 통해 흐르는 전류를 차단 또는 도통시키는 트랜지스터를 제어하는 배터리 보호 IC로서,
    내부-트랜지스터; 및 상기 트랜지스터와 상기 내부-트랜지스터를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어로직을 포함하며,
    상기 제어로직은, 상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 경우 상기 트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 트랜지스터를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐르는 제1 전류가 상기 내부-트랜지스터를 통해 바이패스 되도록 상기 내부-트랜지스터를 제어하도록 되어 있는,
    배터리 충방전 제어 IC.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어로직은, 상기 배터리의 충전 또는 방전이 차단되었다가 다시 허용되면, 상기 내부-트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 내부-트랜지스터를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐르는 제2 전류가 상기 트랜지스터를 통해 흐르도록 상기 트랜지스터를 제어하도록 되어 있는,
    배터리 충방전 제어 IC.
  10. 제8항에 있어서, 상기 내부-트랜지스터 및 상기 트랜지스터는 MOSFET인, 배터리 충방전 제어 IC.
  11. 제10항에 있어서, 상기 트랜지스터의 소스단자와 드레인단자 사이에는 충전방향전류를 바이패스하기 위한 제1 다이오드와 방전방향전류를 바이패스하기 위한 제2 다이오드가 연결되어 있는, 배터리 충방전 제어 IC.
  12. 배터리를 통해 흐르는 전류를 차단 또는 도통시키는 트랜지스터; 및
    내부-트랜지스터, 및 상기 트랜지스터와 상기 내부-트랜지스터를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어로직을 포함하는 IC;
    를 포함하며,
    상기 제어로직은, 상기 배터리의 충전 또는 방전을 차단하는 경우, 상기 트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 트랜지스터를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐르는 제1 전류가 상기 내부-트랜지스터를 통해 바이패스 되도록 상기 내부-트랜지스터를 제어하도록 되어 있는,
    배터리 충방전 제어장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어로직은, 상기 배터리의 충전 또는 방전이 차단되었다가 다시 허용되면, 상기 내부-트랜지스터를 통해 전류가 흐르지 않도록 상기 내부-트랜지스터를 제어하고, 상기 배터리를 통해 흐르는 제2 전류가 상기 트랜지스터를 통해 흐르도록 상기 트랜지스터를 제어하도록 되어 있는, 배터리 충방전 제어장치.
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