KR20150112215A

KR20150112215A - 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기

Info

Publication number: KR20150112215A
Application number: KR1020140035853A
Authority: KR
Inventors: 송형석
Original assignee: 영화테크(주)
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-10-07

Abstract

본 발명은 복수 개의 배터리가 각각 연결되는 복수의 출력단에서 출력되는 전원이 시간 분할 다중 제어 방식에 의해 제어됨으로써 복수의 출력 전원이 각각 독립적으로 제어되는 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기를 개시한다.
본 발명의 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기는, 전원부로부터 공급되는 전원을 시간 분할 다중 제어 방식에 의해 복수 개의 충전 전원으로 출력하는 전원 변환 회로부; 및 상기 전원 변환 회로부에서 출력된 충전 전원을 감지하여 상기 전원 변환 회로부를 제어하는 스위칭 제어신호를 출력하는 제어부를 포함한다.

Description

시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기{MULTIPLE BATTERY CHARGER USING TIME DIVISION MULTIPLE CONTROL}

본 발명은 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 복수의 배터리가 연결되는 복수의 출력 전원을 각각 독립적으로 제어할 수 있는 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기에 관한 것이다.

최근 스마트폰, 태블릿 PC 등과 같은 휴대용 단말기들의 수요가 전자기기 시장에서 크게 성장하고 있다. 이러한 성장과 함께 고성능 휴대용 단말기에 대한 소비자들의 요구는 계속 증가하고 있으며, 휴대용 단말기의 성능 및 동작 시간에 큰 영향을 미치는 고성능 배터리에 대한 시장의 요구 또한 점차 증가하고 있다. 또한, 고성능 휴대용 단말기에 사용되는 배터리의 종류는 매우 다양하며, 다양한 배터리를 모두 충전할 수 있는 다중 배터리 충전기에 대한 연구가 진행되고 있다.

다중 배터리 충전기는 여러 종류의 배터리를 충전할 수 있는 기기이며, 종래의 다중 배터리 충전기로 복수의 배터리를 충전하는 경우 어느 하나의 배터리를 충전하면 다른 배터리를 충전하지 못하여 장시간이 소요되거나, 동시에 충전하는 경우에도 동종의 배터리만을 동일한 크기의 전원으로 충전하게 되므로 여러 종류의 배터리를 동시에 충전하지 못한다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 복수의 배터리가 연결되는 복수의 출력 전원을 시간 분할 다중 제어(Time Division Multiple Control) 에 의해 제어함으로써 복수 개의 배터리를 동시에 충전할 수 있는 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기에 관한 것이다.

본 발명의 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기는, 전원부로부터 공급되는 전원을 시간 분할 다중 제어 방식에 의해 복수 개의 충전 전원으로 출력하는 전원 변환 회로부; 및 상기 전원 변환 회로부에서 출력된 충전 전원을 감지하여 상기 전원 변환 회로부를 제어하는 스위칭 제어신호를 출력하는 제어부를 포함한다.

상기 전원 변환 회로부는, 상기 전원부로부터 전원을 공급 또는 공급 차단하는 적어도 하나의 제1스위치를 구비한 입력단; 상기 입력단에 연결되고, 입력된 전원을 승압 또는 감압하여 트랜스단; 상기 트랜스단에 연결되고, 상기 트랜스단으로부터 입력된 전원을 복수의 전원으로 출력하는 복수의 제2스위치를 구비한 스위치단; 및 상기 스위치단의 복수의 제2스위치와 각각 연결되어 시분할 방식으로 복수의 전원을 출력하는 출력단을 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 전원 변환 회로부를 통해 출력되는 전원을 감지하여 피드백 정보를 생성하는 피드백 회로단; 및 상기 피드백 회로단에서 생성된 피드백 정보에 따라 상기 전원 변환 회로부에 제어 신호를 전송하는 스위칭 제어단을 포함할 수 있다.

본 발명은 복수 개의 배터리가 각각 연결되는 복수의 출력단에서 출력되는 전원이 시간 분할 다중 제어 방식에 의해 제어됨으로써 복수의 출력 전원이 각각 독립적으로 제어되는 효과를 갖는다.

또한 복수의 출력 전원이 각각 독립적으로 제어됨에 따라 하나의 배터리 충전기로 복수의 배터리를 충전할 수 있을 뿐만 아니라 이종의 배터리까지 동시에 충전이 가능한 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기를 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 다중 배터리 충전기의 동작을 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 3은 도 1의 다중 배터리 충전기에 이용되는 PWM 신호의 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기의 회로도를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5d는 도 4의 다중 배터리 충전기의 동작 모드를 각각 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 다중 배터리 충전기의 신호 변화의 파형을 도시한 도면이다.

이하에 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이다. 다음에서 설명되는 실시예들은 여러 가지 다양한 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 기술적 사상을 명확히 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기는 전원부(1)로부터 공급되는 전원을 다양한 크기의 전원으로 변환하여 배터리(300)에 공급하는 전원 변환 회로부(100) 및 전원 변환 회로부(100)에 제어 신호를 전송하는 제어부(200)를 포함한다.

전원 변환 회로부(100)는 전원부(1)를 통해 전원을 공급 받고, 연결된 배터리(300)의 규격에 맞는 전원으로 변환하여 배터리(300)를 충전시킬 수 있다.

전원 변환 회로부(100)는 시간 분할 다중 제어(Time Division Multiple Control, TDMC) 방식에 따라 복수 개의 배터리(300)에 다양한 전원을 동시에 공급할 수 있다. 시간 분할 다중 제어 방식은 전원 변환 회로부에 구비되며 배터리(300)에 연결되는 복수 개의 출력 구간에 인가되는 전원을 시간 분할하여 제어하는 방식을 의미하며 구체적인 설명은 후술하기로 한다.

제어부(200)는 전원 변환 회로부(100)를 통해 출력되는 전원을 감지하여 피드백 정보를 생성하는 피드백 회로단(230) 및 생성된 피드백 정보에 따라 전원 변환 회로부(100)에 제어 신호를 전송하는 스위칭 제어단(260)을 포함할 수 있다.

피드백 회로단(230)은 전원 변환 회로부(100)에서 배터리(300)로 공급되는 전압 및 전류를 측정하여 레퍼런스 신호와 비교하고, 비교된 결과에 따라 피드백 정보를 생성할 수 있다.

스위칭 제어단(260)은 피드백 정보에 따라 복수 개의 출력 구간에 연결된 배터리(300)에 공급되는 전원을 제어할 수 있도록 스위칭 제어신호를 생성할 수 있다.

도 2를 참조하면, 전원 변환 회로부는 입력단(10), 트랜스단(20), 스위치단(30) 및 출력단(40)을 포함할 수 있다.

입력단(10)은 적어도 하나의 제1스위치(SP1)를 포함하고, 입력 직류 전원을 통해 전원을 인가받으며, 제어부(200)로부터 펄스폭변조 신호(Pulse Width Modulation Signal, PWM 신호)를 전송받고, 인가되는 입력 직류 전원을 PWM 신호에 따라 트랜스단(20)에 전달할 수 있다.

트랜스단(20)은 입력 전원을 변환하여 변환(승압 또는 감압)된 전원을 출력하며, 권선비가 n : 1인 1차 코일 및 2차 코일을 포함할 수 있다.

스위치단(30)은 트랜스단(20)을 통해 인가되는 입력 전원을 스위칭하여 출력단(40)에 전송할 수 있도록 복수 개의 제2스위치(SS1, SS2,... SSn)를 포함할 수 있다. 스위치단(30)은 제어부(200)를 통해 인가되는 제어 신호에 따라 시분할 방식으로 복수 개의 제2스위치(SS1, SS2,... SSn)를 턴온 또는 턴 오프 될 수 있다.

출력단(40)은 복수 개의 출력 구간(Secondary output 1, Secondary output 2,... Secondary output n)을 포함하며, 복수 개의 출력구간은 스위치단(30)에 마련된 복수 개의 제2스위치(SS1, SS2,... SSn)에 각각 연결되어 시분할 방식으로 충전 전원을 인가받을 수 있다.

출력단(40)의 출력구간(Secondary output 1, Secondary output2,... Secondary output n)에는 복수의 이종 배터리(300) 또는 충전 상태가 다른 복수 개의 배터리(300)가 연결될 수 있으며, 연결된 배터리(300)에는 피드백 정보를 반영한 전원이 공급될 수 있다.

제어 회로(200)는 피드백 회로단(230) 및 스위칭 제어단(260)을 포함할 수 있다.

피드백 회로단(230)은 전원 변환 회로부(100)의 복수 개의 출력 구간에서 출력되는 전압 및 전류를 검출하여 피드백 정보를 생성하고, 생성된 피드백정보를 스위칭 제어단(260)으로 공급할 수 있다. 피드백 회로단(230)은 복수 개의 출력 구간에서 출력되는 전압 및 전류를 스위칭 제어단(260)으로 전달하여 출력단(40) 각각의 출력 구간에 대한 충전전원을 제어할 수 있다.

스위칭 제어단(260)은 전원 변환 회로부(100)의 입력단(10) 및 스위치단(30)에 스위칭 신호를 전송하여 각각 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 스위칭 제어단(260)은 시간 분할 다중 제어(TDMC) 방식으로 입력단(10)과 스위치단(30)을 컨트롤할 수 있다.

시간 분할 다중 제어 방식에 의하면, 스위칭 제어단(260)은 입력단(10)에 포함되는 제1스위치(SP1)를 fs 의 주파수에서 PWM 제어를 수행하고, 스위치단(30)에 포함되는 n개의 제2스위치를 각각 fs/n의 주파수에서 PWM 제어를 수행하게 된다.

시간 분할 다중 제어 방식에 의하면, 하나의 샘플링 타임(nTs)에서 스위치단(30)에 연결된 모든 출력 구간의 전압을 제어할 수 있고, 하나의 스위칭 구간 Ts 동안 복수 개의 출력단(40)에 포함되는 각각의 출력 구간이 독립적으로 제어될 수 있다.

또한, 하나의 개별적인 스위칭 구간 동안 스위치단(30)에 속하는 각각의 제2스위치는 제1스위치(SP1)의 PWM 제어에 동기화되어 순차적으로 턴온될 수 있다. 이에 따라, 출력단(40)의 모든 출력구간은 하나의 샘플링 구간내에서 개별적으로 컨트롤될 수 있다.

도 3을 참조하면, 스위칭 제어단(260)은 스위치단(30)에 포함되는 스위치가 n개 있는 경우, nTs 시간 구간 동안 제1스위치(SP1)를 PWM 제어하고, Ts 구간마다 스위치단(30)에 속하는 제2스위치(SS1, SS2,... SSn)를 순차적으로 턴온시켜 샘플링 타임 nTs 시간 동안 스위치단(30)에 속하는 모든 제2스위치(SS1, SS2,... SSn)를 컨트롤할 수 있고, 이에 따라 스위치단(30)의 제2스위치(SS1, SS2,... SSn)에 각각 연결되어 있는 모든 출력 구간(Secondary output 1, Secondary output 2,... Secondary output n)의 충전 전원이 개별 제어될 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 다중 배터리 충전기는 전원 변환 회로부(100a)와 제어부(200a)를 포함할 수 있다.

전원 변환 회로부(100a)는 입력단(10a), 트랜스단(20a), 스위치단(30a) 및 출력단(40a)을 포함할 수 있다.

입력단(10a)은 제1스위치(SP1, SP2)를 포함하고, 제1스위치(SP1, SP2)는 2개의 스위치를 포함할 수 있다. 입력단(10a)은 입력 직류 전원을 통해 전원을 인가받으며, 제어부(200a)로부터 PWM 신호를 전송받아 인가되는 입력직류 전원을 스위칭하여 트랜스단(20a)에 전달할 수 있다.

트랜스단(20a)은 입력 전원을 승압하여 승압전원을 출력하며, 권선비가 n인 1차 코일 및 2차 코일을 포함할 수 있다.

스위치단(30a)은 트랜스단(20a)을 통해 인가되는 입력 전원을 스위칭하여 출력단(40a)에 전송할 수 있도록 2개의 제2스위치(SS1, SS2)를 포함할 수 있다. 스위치단(30a)은 제어부(200a)를 통해 인가되는 제어 신호에 따라 시분할 방식으로 2개의 제2스위치(SS1, SS2)가 제어될 수 있다.

출력단(40a)은 2개의 출력 구간을 포함하며, 2개의 출력구간은 스위치단(30a)에 마련된 제2스위치(SS1, SS2)에 각각 연결되어 시분할 방식으로 출력 전압을 인가받을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 출력단(40a)을 더블-엔디드 타입을 이용하였으나, 이에 한정되지 않고 다양한 엔디드 타입으로 적절하게 변형할 수 있다.

제어 회로(200a)는 피드백 회로단(230a) 및 스위칭 제어단(260a)을 포함할 수 있으며, 피드백 회로단(230a)은 전압 제어부(205a) 및 전류 제어부(210a)를 포함할 수 있다.

전압 제어부(205a)는 2개의 출력 구간에서 출력되는 전압(V01)을 검출하고, 검출된 전압(V01)과 레퍼런스 전압(V01*)의 오차를 검출하고, 검출된 오차에 따라 PI 제어기(PI Controller)가 오차의 증폭, 오차의 증폭률 설정 등의 작업을 수행하여 전압의 오차를 조정하기 위한 전류를 출력할 수 있다.

전류 제어부(210a)는 전압 제어부(205a)를 통해 출력되는 전류를 전류 설정기(Current limiter 1, Current limiter 2)를 통해 입력받아 한계(limit) 설정된 크기로 필터링하고, 필터링되어 출력되는 레퍼런스 전류(I01*)와 검출된 전류(I01)를 비교하여 오차를 검출하고, PI 제어기(PI Controller)는 검출된 오차에따라 PWM 신호를 만들기 위해 비교기(Comparator)의 "+"단자에 신호를 출력한다.

상술한 과정에 의해 피드백 회로단(230a)은 2개의 출력 구간에서 출력되는 전원(전압,전류) 정보를 레퍼런스 정보와 비교하여 오차를 산출하고, 오차에 따라 반영되어야 하는 피드백 정보를 스위칭 제어단(260a)으로 전달하여 출력단(40a)의 각각의 구간에 대한 충전전원을 독립적으로 제어할 수 있다.

스위칭 제어단(260a)은 전류 제어부(210a)에 포함되는 PI 제어기(PI Controller)를 통해 인가되는 신호를 비교기(Comparater)의 "+"단자에 입력하고, 비교가 되는 삼각파를 "-" 단자에 입력하여 펄스폭 변조 신호를 생성할 수 있으며, 생성된 펄스폭 변조 신호에 따라 전원 변환 회로부(100a)의 입력단(10a) 및 2차측 스위치단(30a)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.

특히, 스위칭 제어단(260a)은 시간 분할 다중 제어(TDMC) 방식으로 입력단(10a)의 제1스위치(SP1, SP2)와 스위치단(30a)의 제2스위치(SS1, SS2)를 컨트롤하는 것이 바람직하다.

도 5a 내지 도 5d 및 도 6을 참조하면, 스위칭 제어단(260a)은 mode 1 내지 mode 4의 단계로 제1스위치(SP1, SP2)와 스위치단(30a)을 제어할 수 있으며, mode 1에서 제1스위치(SP1, SP2)를 PWM 제어에 의해 턴-온시키고, 스위치단(30a) 중 상단 스위치(SS1)를 턴-온시키고 하단스위치(SS2)를 턴-오프시킨다.

도 5a 및 도 6을 참조하면, 스위칭 제어단(260a)에서 제1스위치(SP1, SP2)를 턴-온시키면 트랜스단(20a)에 입력직류전원(VS)이 인가된다. 트랜스단(20a)은 인가된 입력직류전원(VS)을 권선비에 따라 변환한다. 트랜스단(20a)에 의해 변환된 전원은 상단스위치(SS1)를 통해 제1배터리(B1)에 인가되며, mode 1 구간 동안 트랜스단(20a)의 2차단을 통해 출력되는 전류(IP)가 증가하며, 2차단을 통해 출력되는 전류(IP)가 제1배터리(B1)에 연결된 제1인덕터(L01)로 흐르게 되어 그 전류(IL01)의 크기도 증가하게 된다. 제1인덕터(L01)로 흐르는 전류에 따라 제1인덕터(L01)에 전압(VL01)이 걸리게 되고, 제1배터리(B1)에는 출력 전압(V01)이 걸리게 된다.

도 5b 및 도 6을 참조하면, 스위칭 제어단(260a)은 mode 2에서 제1스위치(SP1, SP2)를 PWM 제어에 의해 턴-오프시키고, 스위치단(30a)의 상단스위치(SS1) 및 하단 스위치(SS2)를 모두 턴-오프시킨다. 이에 따라, 제1배터리(B1) 및 제2배터리(B2)에는 인덕터(L01, L02) 및 커패시터(C01,C02)에 이미 저장된 전류가 환류하게 되며, 트랜스단(20a)를 통해 나오는 전류는 '0'이 되고, 제1인덕터(L01) 및 제2인덕터(L02)를 통해 흐르는 전류는 감소하게 된다.

도 5c 및 도 6을 참조하면, 스위칭 제어단(260a)은 mode 3에서 제1스위치(SP1, SP2)를 PWM 제어에 의해 턴-온시키고, 스위치단(30a)의 상단스위치(SS1)를 턴-오프시키고 하단스위치(SS2)를 턴-온시킨다. 스위칭 제어단(260a)에서 1차측 스위치(SP1, SP2)를 턴-온시키면 트랜스단(20a)에 입력직류전원(VS)이 인가된다.

트랜스단(20a)는 인가된 입력직류전원(VS)을 권선비에 따라 변환한다. 트랜스단(20a)에 의해 변환된 전원은 하단스위치(SS2)를 통해 제2배터리(B2)에 인가되며, mode 3 구간 동안 트랜스단(20a)의 2차단을 통해 출력되는 전류(IP)가 증가하며, 2차단을 통해 출력되는 전류(IP)가 제2출력단(40a)의 제2인덕터(L02)로 흐르게 되어 그 전류(IL02)의 크기도 증가하게 된다. 제2배터리(B2)에는 출력 전압(V02)이 걸리게 된다.

도 5d 및 도 6을 참조하면, 스위칭 제어단(260a)은 mode 4에서 제1스위치(SP1, SP2)를 PWM 제어에 의해 턴-오프시키고, 스위치단(30a)의 상단스위치(SS1) 및 하단스위치(SS2)를 모두 턴-오프시킨다.

이에 따라, 제1배터리(B1) 및 제2배터리(B2)에는 인덕터(L01,L02) 및 커패시터(C01,C02)에 이미 저장된 전류가 환류하게 되며, 트랜스단(20a)를 통해 나오는 전류는 '0'이 되고, 제1인덕터(L01) 및 제2인덕터(L02)를 통해 흐르는 전류는 감소하게 된다.

상술한 방법을 종합하여 설명하면, 다중 배터리 충전기에 포함되는 컨버터의 1차측은 공유하고, 2차측은 복수 개의 출력 구간을 마련하고, 각각의 출력 구간에 개별 제어 가능한 스위치를 설치하여 시간 분할 다중 제어(TDMC) 방식으로 배터리(300)의 충전을 독립 제어하게 된다.

100: 전원 변환 회로부
200: 제어부
300: 배터리

Claims

전원부로부터 공급되는 전원을 시간 분할 다중 제어 방식에 의해 복수 개의 충전 전원으로 출력하는 전원 변환 회로부; 및
상기 전원 변환 회로부에서 출력된 충전 전원을 감지하여 상기 전원 변환 회로부를 제어하는 스위칭 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하는 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기.
청구항 1에 있어서,
상기 전원 변환 회로부는,
상기 전원부로부터 전원을 공급 또는 공급 차단하는 적어도 하나의 제1스위치를 구비한 입력단;
상기 입력단에 연결되고, 입력된 전원을 승압 또는 감압하여 트랜스단;
상기 트랜스단에 연결되고, 상기 트랜스단으로부터 입력된 전원을 복수의 전원으로 출력하는 복수의 제2스위치를 구비한 스위치단; 및
상기 스위치단의 복수의 제2스위치와 각각 연결되어 시분할 방식으로 복수의 전원을 출력하는 출력단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는,
상기 전원 변환 회로부를 통해 출력되는 전원을 감지하여 피드백 정보를 생성하는 피드백 회로단; 및
상기 피드백 회로단에서 생성된 피드백 정보에 따라 상기 전원 변환 회로부에 제어 신호를 전송하는 스위칭 제어단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시간 분할 다중 제어 방식을 이용한 다중 배터리 충전기.