KR20170005127A - 휴대용 전자 디바이스를 위한 단일 인덕터 다중-출력 배터리 충전기 - Google Patents

휴대용 전자 디바이스를 위한 단일 인덕터 다중-출력 배터리 충전기 Download PDF

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KR20170005127A
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토마스 씨. 그리닝
칭 류
윌리엄 씨. 아타스
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애플 인크.
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Abstract

개시된 실시예들은 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리(322)의 사용을 관리하는 시스템을 제공한다. 동작 동안, 시스템은 전원(302)으로부터의 입력 전압(Vbus)을 배터리(322)를 충전하고 휴대용 전자 디바이스 내의 저전압 서브시스템(350) 및 고전압 서브시스템(352, 354, 356)에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트(VHIn, VLO)로 변환하기 위한 충전 회로(330, 334, 336, 340, 342, 344, 346)를 제공한다. 저전압 상태인 배터리(322)의 방전을 검출하는 경우, 시스템은 충전 회로를 사용하여, 배터리의 배터리 전압으로부터 저전압 서브시스템에 직접 전력을 공급하고 배터리 전압을 상향 변환하여 고전압 서브시스템에 전력을 공급한다.

Description

휴대용 전자 디바이스를 위한 단일 인덕터 다중-출력 배터리 충전기{SINGLE INDUCTOR MULTI-OUTPUT BATTERY CHARGER FOR PORTABLE ELECTRONIC DEVICES}
개시된 실시예들은 휴대용 전자 디바이스를 위한 배터리에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 개시된 실시예들은 배터리 방전 동안 전압을 부스팅하기 위해 배터리 충전기의 인덕터를 재사용하기 위한 기술에 관한 것이다.
휴대용 전자 디바이스는 전형적으로, 그것의 배터리가 배터리의 최저 동작 전압보다 높을 수 있는 미리결정된 최소 전압에 도달할 때, 셧다운되도록 구성된다. 예를 들어, 리튬-이온 배터리는 배터리 전압이 3.0 V에 도달할 때 비어 있는 것으로 여겨질 수 있지만, 컴퓨팅 디바이스의 특정 컴포넌트들(예를 들어, 모바일 폰 또는 태블릿 컴퓨터의 무선장치(radio) 및 스피커 서브시스템들)은 동작하기 위해 3.4 V의 최소 전압을 요구할 수 있고, 디바이스는 이들 컴포넌트를 브라운아웃(browning out)시키는 것을 피하기 위해 3.4 V에서 셧다운되도록 구성될 수 있다. 그 결과, 배터리는 3.0 V 내지 3.4 V의 미사용 용량을 포함할 수 있다.
미사용 용량의 양은 배터리의 부하 전류, 온도 및 수명에 의존할 수 있다. 따뜻한 새로운 배터리 상의 가벼운 부하의 경우, 미사용 용량은 전형적으로 전체 용량의 단지 몇 퍼센트이다. 그러나, 더 차갑거나 더 오래된 배터리의 경우, 미사용 용량은 상당히 증가할 수 있다. 예를 들어, 도 1은 2개의 상이한 온도들에서 주어진 부하(0.5C 부하, 이는 2시간 내에 배터리를 방전시키는 데 요구되는 전류임)에서 방전되는 배터리들의 예를 도시한다. 거기에 도시된 바와 같이, 25℃에서의 배터리 방전은 전체 용량의 몇 퍼센트가 컷오프 전압(도 1에서 3.4 V로 도시됨) 아래에서 발생하는 것을 야기할 수 있지만, 0℃에서의 배터리 방전은 전체 용량의 30%만큼이 컷오프 전압 아래에서 발생하는 것을 야기할 수 있다. 따라서, 이러한 미사용 용량을 이용할 수 있는 시스템을 갖는 것이 바람직할 수 있다.
개시된 실시예들은 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 사용을 관리하는 시스템을 제공한다. 동작 동안, 시스템은 전원으로부터의 입력 전압을 배터리를 충전하고 휴대용 전자 디바이스 내의 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트로 변환하기 위한 충전 회로를 제공한다. 저전압 상태의 배터리의 방전을 검출하는 경우, 시스템은 충전 회로를 사용하여, 배터리의 배터리 전압으로부터 저전압 서브시스템에 직접 전력을 공급하고 배터리 전압을 상향 변환(up-convert)하여 고전압 서브시스템에 전력을 공급한다.
일부 실시예들에서, 전력부족 전원(underpowered power source)으로부터의 입력 전압 및 배터리의 저전압 상태를 검출하는 경우, 시스템은 충전 회로를 사용하여, 배터리의 목표 전압으로부터 저전압 서브시스템에 전력을 공급하고 전력부족 전원으로부터 고전압 서브시스템에 전력을 공급한다. 또한, 배터리의 개방 회로 전압 미만인 저전압 서브시스템의 전압을 검출하는 경우, 시스템은 충전 회로를 사용하여, 입력 전압 및 상향 변환된 배터리 전압으로부터의 전류들의 합으로부터 고전압 서브시스템에 전력을 공급한다.
일부 실시예들에서, 전력부족 전원으로부터의 입력 전압 및 배터리의 고전압 상태를 검출하는 경우, 시스템은 충전 회로를 사용하여, 고전압 서브시스템의 전압 요건보다 높은 배터리의 목표 전압으로부터 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템에 전력을 공급한다. 또한, 배터리의 개방 회로 전압 미만인 저전압 서브시스템의 전압을 검출하는 경우, 시스템은 충전 회로를 사용하여, 입력 어댑터 및 상향 변환된 배터리 전압으로부터의 전류들을 합산함으로써 고전압 서브시스템에 전력을 공급한다.
일부 실시예들에서, 전력부족 전원으로부터의 입력 전압 및 배터리의 부족전압 상태(undervoltage state)를 검출하는 경우, 시스템은 휴대용 전자 디바이스의 전력을 오프시키고 충전 회로를 사용하여 입력 전압으로부터 배터리를 충전한다.
일부 실시예들에서, 전원으로부터의 입력 전압 및 배터리의 저전압 상태를 검출하는 경우, 시스템은 충전 회로를 사용하여,
(i) 전원으로부터 고전압 서브시스템에 전력을 공급하고;
(ii) 입력 전압을 배터리의 목표 전압으로 하향 변환하고;
(iii) 목표 전압으로부터 배터리를 충전하고 저전압 서브시스템에 전력을 공급한다.
일부 실시예들에서, 전원으로부터의 입력 전압 및 배터리의 완전 충전 상태를 검출하는 경우, 시스템은 충전 회로를 사용하여, 배터리의 충전을 중단하고 완전 충전 상태의 배터리의 배터리 전압보다 높은 목표 전압으로부터 저전압 서브시스템 및 고압 서브시스템에 전력을 공급한다.
일부 실시예들에서, 충전 회로는,
(i) 입력 단자 및 부하 단자를 구비한 인덕터;
(ii) 입력 단자를 전원 또는 기준 전압에 결합하도록 구성된 제1 스위칭 메커니즘;
(iii) 부하 단자를 배터리, 고전압 서브시스템, 및 저전압 서브시스템에 결합하도록 구성된 제2 스위칭 메커니즘; 및
(iv) 입력 전압을 고전압 서브시스템에 결합하도록 구성된 제3 스위칭 메커니즘을 포함한다.
일부 실시예들에서, 제1, 제2, 및 제3 스위칭 메커니즘들은 전계 효과 트랜지스터(FET)들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 저전압 상태의 배터리 전압은 고전압 서브시스템의 전압 요건보다 낮다.
도 1은 개시된 실시예들에 따른 배터리에 대한 전압 대 사용 용량의 플롯을 도시한다.
도 2는 개시된 실시예들에 따른 표준 배터리 충전 회로를 도시한다.
도 3a는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스를 위한 충전 회로를 도시한다.
도 3b는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스를 위한 충전 시스템을 도시한다.
도 3c는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스를 위한 충전 회로를 도시한다.
도 4는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 사용을 관리하는 프로세스를 예시하는 흐름도를 도시한다.
도 5는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 사용을 관리하는 프로세스를 예시하는 흐름도를 도시한다.
도 6은 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 사용을 관리하는 프로세스를 예시하는 흐름도를 도시한다.
도 7은 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스를 도시한다.
도면들에서, 동일한 도면 부호들은 동일한 도면 요소들을 지칭한다.
하기 설명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 실시예들을 제작하고 이용할 수 있도록 제시되며, 특정한 응용 및 그 요건들의 맥락에서 제공된다. 개시된 실시예들에 대한 다양한 수정들이 이들 통상의 기술자에게 용이하게 명백할 것이며, 본 명세서에서 정의된 일반 원리들은 본 개시내용의 기술적 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서 다른 실시예들 및 응용들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들로 제한되지 않으며, 본 명세서에 개시된 원리들 및 특징들에 부합되는 가장 넓은 범주로 허용되어야 한다.
본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 설명된 데이터 구조들 및 코드는 통상적으로 컴퓨터 판독가능 저장 매체 상에 저장되는데, 이는 컴퓨터 시스템에 의한 사용을 위해 코드 및/또는 데이터를 저장할 수 있는 임의의 디바이스 또는 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 자기 및 광학 저장 디바이스, 예컨대 디스크 드라이브, 자기 테이프, CD(compact disc), DVD(digital versatile disc 또는 digital video disc), 또는 현재 알려져 있거나 향후에 개발될 코드 및/또는 데이터를 저장할 수 있는 다른 매체를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 설명된 방법들 및 프로세스들은 전술된 바와 같은 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장될 수 있는 코드 및/또는 데이터로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 시스템이 컴퓨터 판독가능 저장 매체 상에 저장된 코드 및/또는 데이터를 판독하고 실행할 때, 컴퓨터 시스템은 데이터 구조들 및 코드로서 구현되고 컴퓨터 판독가능 저장 매체 내에 저장되는 방법들 및 프로세스들을 수행한다.
또한, 본 명세서에 기술된 방법들 및 프로세스들은 하드웨어 모듈들 또는 장치들 내에 포함될 수 있다. 이들 모듈 또는 장치는 주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit; ASIC) 칩, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(field-programmable gate array; FPGA), 특정 시간에 특정 소프트웨어 모듈 또는 코드의 일부분을 실행하는 전용 또는 공유 프로세서, 및/또는 현재 알려져 있거나 향후 개발될 다른 프로그래머블 논리 디바이스를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 하드웨어 모듈들 또는 장치가 활성화되면, 이들은 그들 내에 포함된 방법들 및 프로세스들을 수행한다.
개시된 실시예들은 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 사용을 관리하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 보다 상세하게는, 개시된 실시예들은 상향 변환된 전압을 휴대용 전자 디바이스의 하나 이상의 서브시스템에 제공할 수 있는 충전 회로를 제공한다. 일부 경우들에서, 충전 회로는 휴대용 전자 디바이스에서 전압들을 상향 변환(예를 들어, 부스팅)하기 위한 재사용(reused) 인덕터를 포함할 수 있다. 이러한 경우들에서, 인덕터는 충전 회로가 제1 구성 또는 구성들의 세트에 있을 때 하향 변환된 전압을 생성할 수 있고, 충전 회로가 제2 구성 또는 구성들의 세트에 있을 때 상향 변환된 전압을 생성할 수 있다. 재사용 인덕터는 충전 회로에 의해 점유되는 보드 공간의 증가를 피할 수 있으며, 이에 의해 배터리의 크기 및/또는 런타임을 감소시키지 않고 배터리 내의 미사용 용량이 액세스될 수 있게 한다.
도 2는 시스템 전압이 3.4 V와 같은 최소 동작 전압 미만으로 떨어질 때 디스에이블되는 시스템을 위한 일반적인 충전기 회로를 도시한다. 도시된 바와 같이, 충전기 회로는 간헐적 전원(202)(예를 들어, 전력 어댑터), 배터리(214), 및 배터리(214)에 의해 전력 공급되는 하나 이상의 시스템(204)에 연결될 수 있다. 일부 경우들에서, 시스템은 전원(202)이 충전기 회로에 연결되거나 그로부터 연결해제되는 것을 허용할 수 있는, 간헐적 전원과 충전기 회로 사이의 커넥터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 전계 효과 트랜지스터(FET) A(206)는 역전압에 대해 보호하고 배터리로부터 커넥터로 전류가 흐르는 것을 방지한다(예를 들어, 전원(202)을 제공하는 전력 어댑터가 시스템에 연결되어 있지 않을 때). FET B(208) 및 FET C(210)는, 인덕터(216)와 함께 인덕터의 출력(VMAIN)에서 버킹된 전압(bucked voltage)을 생성하는 벅 컨버터를 형성하는, 교번적으로 스위칭하는 FET들이다. 배터리 전압이 최소 동작 전압(예를 들어, 3.4 V)보다 작은 경우, VMAIN은 벅 컨버터를 사용하여 최소 동작 전압으로 제어될 수 있고, FET D(212)는 VBAT에서의 전압을 배터리(214)를 충전하기 위한 목표 전압으로 낮추도록 선형적으로 제어된다. FET D(212)는 또한 배터리(214)가 가득 차면 충전을 중지하도록 디스에이블된다. 배터리(214)가 하나 이상의 시스템(204)에 전력을 공급하기 위해 방전되고 있는 경우, FET B(208) 및 FET C(210)는 스위칭을 중지하고, FET D(212)는 배터리(214)를 하나 이상의 시스템(204)에 연결하기 위해 완전히 턴온된다.
배터리(214)가 3.0 V와 같은 컷오프 전압으로 방전됨에 따라 배터리(214)의 배터리 전압을 최소 동작 전압 이상으로(예를 들어, 3.4 V보다 큼) 부스팅하기 위해, 표준 부스트 컨버터가 배터리(214)와 시스템(204) 사이에 추가될 수 있다. 그러나, 이 옵션은 부스트 컨버터(특히 그것의 인덕터)의 크기가 이용가능한 보드 공간에 크게 기여할 것이기 때문에 바람직하지 않을 수 있다. 공간이 제약된 휴대용 전자 디바이스에서 회로를 위한 보드 공간을 제거하는 것은 전형적으로 더 작은 배터리 크기를 야기하며, 이는 결과적으로 휴대용 전자 디바이스에 대한 더 짧은 런타임을 야기할 수 있다. 이는 배터리 전압을 디바이스 서브시스템들에 의해 요구되는 전압으로 부스팅하는 것으로부터 임의의 용량 이득을 상쇄할 수 있다. 배터리-충전 회로에 의해 점유되는 보드 공간을 크게 증가시키지 않고 배터리-충전 회로 내의 부스트 기능을 제공하기 위한 메커니즘들이 여기서 논의된다.
도 3a는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스를 위한 충전 회로의 변형예를 도시한다. 예를 들어, 도 3a는 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 모바일 폰, 디지털 카메라, 및/또는 다른 배터리-전력공급되는(battery-powered) 전자 디바이스의 컴포넌트들에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 이러한 변형예들에서, 휴대용 전자 디바이스는 배터리(322)에 의해 전력 공급될 수 있는 하나 이상의 고전압 서브시스템(306) 및 하나 이상의 저전압 서브시스템(304)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 저전압 서브시스템(304)은 휴대용 전자 디바이스의 동작 동안 하나 이상의 고전압 서브시스템(306)에 의해 요구되는 제2 전압보다 작은 제1 전압을 요구할 수 있다. 예를 들어, 일부 변형예들에서, 저전압 서브시스템들(304)은 배터리(322)의 컷오프 전압 이하인 제1 전압을 요구할 수 있는 반면(예를 들어, 3.0 V), 고전압 서브시스템들(306)은 배터리의 컷오프 전압 초과인 제2 전압을 요구할 수 있다(예를 들어, 3.4 V). 다른 변형예들에서, 하나 이상의 저전압 서브시스템(304)에 의해 요구되는 제1 전압은 배터리(322)의 컷오프 전압 초과일 수 있다. 충전 회로는 예를 들어, 배터리(322)의 전압이 제2 전압 미만일 때 하나 이상의 고전압 서브시스템(306)에 전력을 공급할 수 있는 부스트 기능을 제공할 수 있다. 반면에, 저전압 서브시스템들(304)은 고전압 서브시스템들(306) 및/또는 배터리(322)의 컷오프 전압보다 상당히 낮은 전압을 요구할 수 있고, 일부 경우들에서 배터리(322)에 의해 직접 전력 공급될 수 있다.
예를 들어, 중앙처리장치(CPU), 그래픽 처리 유닛(GPU), 및/또는 집적회로 레일들을 포함하는 휴대용 전자 디바이스 내의 대부분의 컴포넌트들은 배터리(322)에 대한 예시적인 3.0 V 컷오프 전압보다 훨씬 낮은 전압을 요구할 수 있다. 반면에, 휴대용 전자 디바이스의 무선장치 및 스피커 서브시스템들은 동작하기 위해 3.4 V의 예시적인 최소 전압을 요구할 수 있다. 결과적으로, 휴대용 전자 디바이스 내의 서브시스템들은 3.0 V로부터 전력 공급될 수 있는 저전압 서브시스템들(304) 및 최소 3.4 V를 요구하는 고전압 서브시스템들(306)과 같은 2개 이상의 그룹들로 분할될 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 부스트 기능을 갖는 충전 회로는 인덕터(308) 및 6개의 FET들(310 내지 320)을 포함하며, 전원(302)에 연결될 수 있다. FET A(310)는 확인된 전원(302)이 이용가능할 때 턴온될 수 있고, 디스에이블될 때 부정확하게 설계되거나 반대 방향으로 연결된 전원으로부터의 역전압 보호를 제공한다. FET A(310)는 전원(302)이 이용가능하지 않을 때(예를 들어, 외부 전력 어댑터가 연결되지 않음) 턴오프되어, 휴대용 전자 디바이스가, 이용가능하지 않은 전원(302)에 또는 전원이 연결될 수 있는 커넥터에 전력을 전송하는 것을 방지한다. FET B(312) 및 FET C(314)는 인덕터(308)의 입력 단자를 전압 노드(VX) 및 접지와 같은 기준 전압에 각각 결합한다. FET B(312) 및 FET C(314)는 인덕터(308)의 입력을 전압 노드(VX) 또는 기준 전압에 선택적으로 결합하도록 스위칭될 수 있다. FET D(316)는 배터리(322)를 전압 노드(VLO)(이는 하나 이상의 저전압 서브시스템(304) 및 인덕터(308)의 부하 단자에 연결될 수 있음)에 결합할 수 있다. FET E(318)는 전압 노드(VLO)를 전압 노드(VHI)(하나 이상의 고전압 서브시스템(306)에 연결될 수 있음)에 결합할 수 있거나, 또는 다른 변형예들에서는 전압 노드(VHI)를 배터리(322)에 직접 결합할 수 있다. FET F(320)는 전압 노드(VX)를 전압 노드(VHI)에 결합하며, 이는 전원(302)으로부터의 입력 전압 및/또는 인덕터(308)로부터의 부스팅된 배터리 전압을 고전압 서브시스템들(306)에 결합하는 데 사용될 수 있다. 배터리(322)의 방전 동안 부스트 인덕터로서 충전 인덕터(308)를 재사용함으로써, 휴대용 전자 디바이스의 런타임은 요구되는 보드 공간을 크게 증가시키지 않고 연장될 수 있다.
도 3b는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스를 위한 충전 시스템을 도시한다. 도 3b의 충전 시스템은 전원(302)으로부터의 입력 전압 및/또는 배터리(322)로부터의 배터리 전압을 배터리(322)를 충전하고/하거나 하나 이상의 저전압 서브시스템(304) 및 하나 이상의 고전압 서브시스템(306)에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트로 변환할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 충전 시스템은 스위칭 컨버터(330)를 포함한다. 스위칭 컨버터(330)는 하나 이상의 인덕터 및, FET, 다이오드, 및/또는 다른 전자 스위칭 컴포넌트와 같은 스위칭 메커니즘들의 세트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 컨버터(330)는 도 3a에 도시된 컨버터에 의해 제공될 수 있으며, 이는 입력 단자 및 부하 단자를 구비한 인덕터(308) 및 2개의 스위칭 메커니즘들(예를 들어, FET들(312 내지 314)에 의해 제공되는 바와 같음)을 포함하며, 이는 입력 단자를 전압 노드(VX)(이는 전원(308)의 출력에 연결될 수 있음) 또는 기준 전압(예를 들어, 접지) 중 어느 하나에 결합하도록 구성되며, 이는 앞서 논의된 바와 같다. 충전 시스템은 스위칭 메커니즘들(332, 336) 및 레귤레이터들(334, 338)을 포함할 수 있으며, 이들은 집합적으로 스위칭 컨버터(330)의 출력을 배터리(322), 고전압 서브시스템들(306) 및/또는 저전압 서브시스템들(304) 중 어느 하나에 결합하고 전원(308)을 고전압 서브시스템들(306)에 결합하는 데 사용될 수 있다. 각각의 스위칭 메커니즘은 상이한 전압 노드들을 선택적으로 결합할 수 있으며, 스위치, FET(예컨대 도 3a의 FET들(310, 318)), 다이오드 등을 포함할 수 있다. 각각의 레귤레이터는 하나 이상의 전압 노드에서 전압을 제어하거나 또는 스위치로서 동작하도록 선택적으로 제어될 수 있으며, FET(예컨대 도 3a의 FET들(316, 320)), 가변 저항기 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 스위칭 메커니즘(332)은 부적절하게 기능하는 전원(302)(예를 들어, 잘못된 설계를 갖는 전원 또는 부정확하게 연결된 전원(302))으로부터의 역전압 보호를 제공할 수 있고, 전압 노드(VX)로부터 전원(302)(여기서 VBUS로서 도시됨)으로 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 스위칭 컨버터(330)는 전압 노드(VX)를 전압 노드(VLO)와 결합할 수 있으며, 전압 노드(VLO)는 결국 저전압 서브시스템들(304)에 결합될 수 있다. 레귤레이터(338)는 VHI를 VX보다 작은 전압으로 직접적으로 또는 선형적으로 조절함으로써 전압 VX를 전압 노드 VHI와 선택적으로 결합할 수 있으며, 이는 결국 고전압 서브시스템들(306)에 결합될 수 있다. 스위칭 메커니즘(336)은 전압 노드(VHI)를 전압 노드(VLO)와 선택적으로 결합할 수 있거나, 또는 일부 경우들에서는 전압 노드(VHI)를 배터리(322)와 선택적으로 결합할 수 있다. 레귤레이터(334)는 배터리 전압을 VLO보다 작은 전압으로 직접적으로 또는 선형적으로 조절함으로써 전압 노드(VLO)를 배터리(322)에 선택적으로 결합할 수 있다. 스위칭 메커니즘들은 이하에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 고전압 서브시스템들(306) 및 저전압 서브시스템들(304)에 대한 전력을 제어하는 데 사용될 수 있다.
도 3c는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스를 위한 충전 회로를 도시한다. 충전 회로는 전원(302)으로부터의 입력 전압 및/또는 배터리(322)로부터의 배터리 전압을, 배터리(322)를 충전하고/하거나 상이한 전압 요건들을 갖는 휴대용 전자 디바이스의 다수의 서브시스템들(350 내지 356)에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트(예를 들어, VLO, VHI1, VHI2, VHI3)로 변환할 수 있다(여기서는 4개의 서브시스템들을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 충전 회로는 2개, 3개, 4개, 또는 5개 이상의 서브시스템들과 같은, 상이한 전압 요건들을 갖는 임의의 수의 서브시스템들에 전력을 공급할 수 있다). 예를 들어, 충전 시스템은 휴대용 전자 디바이스에서, 제1 전압 요건(일부 변형예들에서 배터리(322)의 컷오프 전압 이하임(예를 들어, 3.0 V))을 갖는 하나 이상의 서브시스템, 제1 전압 요건보다 높은 제2 전압 요건(배터리(322)의 컷오프 전압보다 약간 높을 수 있음(예를 들어, 3.2 V))을 갖는 하나 이상의 서브시스템, 제2 전압 요건보다 높은 제3 전압 요건(예를 들어, 3.4 V)을 갖는 하나 이상의 서브시스템, 및 가장 높은 전압 요건(예를 들어, 3.6 V와 같은, 제3 전압 요건보다 높은 제4 전압 요건)을 갖는 하나 이상의 서브시스템에 전력을 공급할 수 있다.
도 3b의 충전 시스템에서와 같이, 도 3c의 충전 시스템은 하나 이상의 인덕터 및, FET, 다이오드, 및/또는 다른 전자 스위칭 컴포넌트와 같은 스위칭 메커니즘들의 세트에 의해 제공될 수 있는 스위칭 컨버터(330)를 포함한다. 특히, 스위칭 컨버터(330)는 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 인버팅 컨버터, 벅-부스트 컨버터,
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컨버터, SEPIC(single-ended primary-inductor converter), 및/또는 제타 컨버터와 같은 임의의 유형의 양방향 컨버터일 수 있다.
추가적인 스위칭 메커니즘들(336, 340, 344) 및 레귤레이터들(334, 338, 342, 346)은 스위칭 컨버터(330)의 출력을 배터리(322) 및 서브시스템들(350 내지 356)에 결합하고, 전원(302) 및/또는 배터리(322)로부터 서브시스템들(350 내지 356)에 전력을 공급하고, 서브시스템들(350 내지 356)의 전압 요건들을 충족시키는 출력 전압들을 생성하는 데 사용될 수 있다.
스위칭 메커니즘들(336, 340, 344) 및 레귤레이터(334)는 스위칭 컨버터(330)의 출력을 배터리(322) 및 서브시스템들(350 내지 356)에 결합한다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 레귤레이터(334)는 배터리(322)를 전압 노드 VLO(이는 컨버터(330)의 부하 단자 및 서브시스템들(350)에 연결될 수 있음)에 선택적으로 결합할 수 있다. 스위칭 메커니즘(336)은 전압 노드(VLO)를 전압 노드(VHI1)에 선택적으로 결합할 수 있으며, 이는 결국 서브시스템들(352)에 연결될 수 있다. 스위칭 메커니즘(340)은 전압 노드(VHI1)를 전압 노드(VHI2)에 선택적으로 결합할 수 있으며, 이는 결국 서브시스템들(354)에 연결될 수 있다. 스위칭 메커니즘(344)은 전압 노드(VH2)를 전압 노드(VHI3)에 선택적으로 결합할 수 있으며, 이는 결국 서브시스템들(356)에 연결될 수 있다. 다른 변형예들에서, 스위칭 메커니즘들(336, 340, 344) 각각은 배터리(322)를 서브시스템들(352, 345, 356)에 각각 직접 연결할 수 있다.
레귤레이터들(338, 342, 346)은 VX보다 작은 전압으로 직접적으로 또는 선형적으로 조절함으로써 전압 노드(VX)(이는 결국 전원(302)로부터의 입력 전압 및/또는 스위칭 컨버터(330)로부터의 부스팅된 배터리 전압을 제공할 수 있음)를 각각 서브시스템들(352 내지 356)에 결합할 수 있다. 예를 들어, 도 3c에 도시된 바와 같이, 레귤레이터(338)는 VX보다 작은 전압(VHI1)으로 직접적으로 또는 선형적으로 조절함으로써 전압 노드(VX)를 전압 노드(VHI1) 및 서브시스템(352)과 선택적으로 결합할 수 있다. 레귤레이터(342)는 VX보다 작은 전압(VHI2)으로 직접적으로 또는 선형적으로 조절함으로써 전압 노드(VX)를 전압 노드(VHI2) 및 서브시스템(354)과 선택적으로 결합할 수 있다. 레귤레이터(346)는 VX보다 작은 전압(VHI3)으로 직접적으로 또는 선형적으로 조절함으로써 전압 노드(VX)를 전압 노드(VHI3) 및 서브시스템(356)과 선택적으로 결합할 수 있다.
충전 시스템의 동작 동안, 다음의 3개의 전원(302) 충전 상태들이 고려된다: 전원(302)으로부터의 표준 충전, 전력부족 전원(302)을 이용한 충전, 및 배터리(322)로부터의 방전. 전력부족 전원은 어댑터 전류(iBUS) 또는 어댑터 전압(VBUS) 한계들에 도달함으로써 시스템에 원하는 전력을 제공할 수 없는 임의의 전원(예를 들어, 전원(302))이다. 예를 들어, 전원(302)은, 전류(iBUS) 또는 VBUS 한계들이 100 내지 240 V의 전압들을 갖는 AC 전기 본선(mains electricity)에 대해 설계되었지만 전원(302)이 컴퓨터 시스템 상의 범용 직렬 버스(USB) 포트와 같은 iBUS 또는 VBUS 한계들보다 낮은 전류 또는 전압을 갖는 전원에 플러그인되는 경우에, 전력부족일 수 있다.
유사하게, 다음의 4개 이상의 배터리 전압 상태들이 고려된다: 부족전압 상태, 하나 이상의 저전압 상태, 고전압 상태, 및 완전 충전 상태. 배터리(322)는 배터리(322)의 배터리 전압이 배터리의 지정된 컷오프 전압(예를 들어, 최소 동작 전압) 이하인 경우에(예를 들어, 3.0 V) 부족전압으로 간주되고, 배터리(322)는 어떠한 유용한 잔여 충전도 갖지 않는다. 저전압 배터리(322)는 저전압 서브시스템들(304)에 의해 직접 사용될 수 있지만 고전압 서브시스템들(306)에 의해서는 사용될 수 없는 배터리 전압(예를 들어, 3.0 V 내지 3.4 V)을 가질 수 있다. 고전압 배터리(322)는 모든 서브시스템들에 의해 직접 사용될 수 있는 전압(예를 들어, 3.4 V보다 큼)을 가질 수 있지만, 아직 완전히 충전되어 있지는 않다. 완전 충전된 배터리(322)는 배터리(322)의 최대 전압에 있을 수 있으며 따라서 더 이상 충전될 수 없다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 디바이스가 상이한 전압 요건들을 갖는 3개 이상의 서브시스템들을 갖는 경우들에서, 배터리는 다수의 저전압 상태들을 가질 수 있다(예를 들어, 배터리 전압이 서브시스템들(350)에는 전력을 공급하지만 서브시스템들(352 내지 356)에는 전력을 공급하지 않을 정도로 높은 제1 저전압 상태, 배터리가 서브시스템들(350, 352)에는 전력을 공급하지만 서브시스템들(354, 356)에 전력을 공급하지 않을 정도로 높은 제2 저전압 상태, 및 배터리가 서브시스템들(352 내지 354)에는 전력을 공급하지만 서브시스템들(356)에는 전력을 공급하지 않을 정도로 높은 제3 저전압 상태).
어댑터 상태들과 배터리(322) 전압 상태들의 조합은 고려할 12개의 고유 상태들을 제공한다. 다음 섹션들은 이들 상태 각각에 대한 도 3a 및 도 3b의 충전 시스템들의 상세한 동작들을 설명한다.
상태 1: 부족전압 배터리를 이용한 표준 충전
부족전압 배터리(322)를 이용한 표준 충전 동안, 제어 회로는 전원(302)을 사용하여 배터리(322)를 충전할 수 있다. 제어 회로는 또한 스위칭 컨버터(330)를 사용하여, 전원(302)으로부터의 입력 전압을 서브시스템들에 전력을 공급하기 위한 하나 이상의 출력 전압으로 변환할 수 있다. 이들 경우에서, 전원의 입력 전압은 배터리에 충전 전압을 제공하고, 각각의 서브시스템에 그 서브시스템에 대한 요구되는 전압을 충족시키는 전압을 제공하는 데 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 3a에 도시된 충전 회로에서, 제어 회로는 다음의 방식으로 부족전압 배터리(322)를 이용한 표준 충전을 수행하도록 충전 회로를 구성할 수 있다. 전원(302)(직류(DC) 소스일 수 있음)이 인에이블된 FET A(310)에 연결된다. FET B(312)는, 어댑터 전류(iBUS) 또는 어댑터 전압(VBUS)에 대한 한계들에 의해 제한되지 않는 한, 전압 노드(VLO)(예를 들어, 저전압 서브시스템들(304)의 전압)를 저전압 서브시스템들에 전력을 공급하기에 충분한 전압(이는, 예를 들어, 배터리(322)의 컷오프 전압일 수 있음(예를 들어, 3.0 V))으로 제어하는 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭한다. FET C(314)는 FET B(312)와 상보적인 방식으로 스위칭한다. FET D(316)는 3.0 V 미만일 수 있는, 배터리(322)를 충전하기 위한 목표 전압으로 VBAT를 제어하도록 선형적으로 동작시킬 수 있다. FET E(318)는 이상적인 다이오드로서 동작할 수 있으며, 이 상태에서는 턴오프될 수 있다. FET F(320)는 하나 이상의 고전압 서브시스템(306)에 전력을 공급하기에 충분한 전압을 전압 노드(VHI)에 제공하도록 활성화될 수 있다. 일부 경우들에서, FET F(320)는 고전압 서브시스템들(306)의 전압 노드(VHI)를 VHI_MAX와 동일하게 유지하도록 선형적으로 동작할 수 있으며, 이는 고전압 서브시스템들(306)의 최대 전압 한계들을 초과하지 않으면서 전원(302)으로부터의 입력 전압에 가능한 한 가까운 전압이다. 저전압 서브시스템들(304)은 제1 전압에서(예를 들어, 배터리(322)의 컷오프 전압(예를 들어, 3.0 V)에서) 전력 공급되는 반면, 고전압 서브시스템들(306)은 FET F(320)를 통해 전원(302)으로부터 VHI _MAX에서 전력 공급된다.
상태 2: 저전압 배터리를 이용한 표준 충전
저전압 배터리를 이용한 표준 충전 동안, 제어 회로는 전원(302)을 사용하여 배터리(322)를 충전할 수 있다. 제어 회로는 또한 스위칭 컨버터(330)를 사용하여, 전원(302)으로부터의 입력 전압을 서브시스템들에 전력을 공급하기 위한 하나 이상의 출력 전압으로 변환할 수 있으며, 이는 배터리(322)의 목표 전압을 포함할 수 있다. 이들 경우에서, 전원의 입력 전압은 배터리에 충전 전압을 제공하고, 각각의 서브시스템에 그 서브시스템에 대한 요구되는 전압을 충족시키는 전압을 제공하는 데 사용될 수 있다.
예를 들어, 제어 회로는 다음의 방식으로 저전압 배터리(322)를 이용한 표준 충전을 수행하도록 도 3a의 충전 회로를 구성할 수 있다. 전원(302)(예를 들어, DC 전압 전원)이 인에이블된 FET A(310)에 연결된다. FET B(312)는, 어댑터 전류(iBUS) 또는 어댑터 전압(VBUS)에 대한 한계들에 의해 제한되지 않는 한, 저전압 서브시스템들(304)에 대한 전압 요건(이는 배터리(322)의 컷오프 전압일 수 있음(예를 들어, 3.0 V))과 고전압 서브시스템들(306)에 의해 요구되는 전압(예를 들어, 3.4 V) 사이의 목표 전압으로 VLO를 제어하는 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭한다. FET C(314)는 FET B(312)와 상보적인 방식으로 스위칭하여, 전류가 어느 방향으로든 흐를 수 있게 한다. FET D(316)는 VBAT 및 VLO가 둘 다 목표 전압에 있도록 완전히 온된다. FET E(318)는 이상적인 다이오드로서 동작할 수 있으며, 이 상태에서는 오프일 수 있다. FET F(320)는 하나 이상의 고전압 서브시스템(306)에 전력을 공급하기에 충분한 전압을 전압 노드(VHI)에 제공하도록 활성화될 수 있다. 일부 경우들에서, FET F(320)는 앞서 논의된 바와 같이 VHI를 VHI_MAX와 동일하게 유지하도록 선형적으로 동작하고 있다. 저전압 서브시스템들(304)은 배터리(322)의 목표 전압(예를 들어, 3.0 내지 3.4 V)에서 벅 컨버터(예를 들어, FET B(312), FET C(314) 및 인덕터(308))에 의해 전력 공급되는 반면, 고전압 서브시스템들(306)은 VHI_MAX에서 FET F(320)를 통해 전원(302)으로부터 전력 공급된다.
효율을 향상시키기 위해, 대신에 FET C(314)는 이상적인 다이오드로서 동작하고, 전류가 접지(예를 들어, 기준 전압)로 흐르는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 서보 메커니즘(예를 들어, 제어 회로)이 갑자기 어댑터-제한되어, 아래의 상태 6에서 논의되는 바와 같이 전력부족 전원 및 저전압 배터리를 이용한 충전으로의 전이를 야기하는 경우, FET C(314)는 더 이상 이상적인 다이오드로 구성될 수 없고 대신에 FET B(312)와 상보적인 방식으로 스위칭하여, 배터리(322)로부터 전류가 부스팅되게 할 수 있다.
상태 3: 고전압 배터리를 이용한 표준 충전
고전압 배터리를 이용한 표준 충전 동안, 제어 회로는 전원(302)을 사용하여 배터리(322)를 충전할 수 있다. 제어 회로는 또한 스위칭 컨버터(330)를 사용하여, 전원(302)으로부터의 입력 전압을 휴대용 전자 디바이스의 하나 이상의 서브시스템에 전력을 공급하는 데 또한 사용되는 배터리(322)의 목표 전압으로 변환할 수 있다. 이들 경우에서, 전원의 입력 전압은 배터리에 충전 전압을 제공하고, 각각의 서브시스템에 그 서브시스템에 대한 요구되는 전압을 충족시키는 전압을 제공하는 데 사용될 수 있다.
예를 들어, 제어 회로는 다음의 방식으로 고전압 배터리(322)를 이용한 표준 충전을 수행하도록 도 3a의 충전 회로를 구성할 수 있다. 전원(302)은 인에이블된 FET A(310)에 연결된다. FET B(312)는, 어댑터 전류(iBUS) 또는 어댑터 전압(VBUS)에 대한 한계들에 의해 제한되지 않는 한, 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건(예를 들어, 3.4 V)보다 큰 목표 전압으로 VLO를 제어하는 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭한다. FET C(314)는 FET B(312)와 상보적인 방식으로 스위칭하여, 전류가 어느 방향으로든 흐를 수 있게 한다. FET D(316)는 VBAT 및 VLO가 둘 다 목표 전압에 있도록 완전히 온된다. FET E(318)는 VHI가 VLO와 동일하도록 온일 수 있다(그리고 이상적인 다이오드로서 동작할 수 있다). FET F(320)는 또한 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건 이상에서 VHI를 유지하도록 온일 수 있지만(예를 들어, 선형적으로 동작), VHI가 인에이블된 FET E(318)에 의해 전압 요건보다 크게 구동될 때 스위치 오프된다. 고전압 서브시스템들(306) 및 저전압 서브시스템들(304) 둘 모두는 배터리 목표 전압에서 벅 컨버터에 의해 전력 공급된다.
상태 2(저전압 배터리를 이용한 표준 충전)에서 논의된 바와 같이, FET C(314)는 대신에 이상적인 다이오드로서 동작하도록 구성되어, 전력부족 전원 및 고전압 배터리를 이용한 충전으로의 전이에 신속하게 반응할 수 있는 것을 대신해 효율을 향상시킬 수 있으며, 이는 아래의 상태 7에서 논의된다.
상태 4: 완전 충전된 배터리를 이용한 표준 충전
완전 충전된 배터리를 이용한 표준 충전 동안, 제어 회로는 전원(302)으로부터의 배터리(322)의 충전을 중단할 수 있다. 제어 회로는 또한 스위칭 컨버터(330)를 사용하여, 전원(302)으로부터의 입력 전압을 휴대용 전자 디바이스의 서브시스템들에 전력을 공급하기 위한 출력 전압으로 변환할 수 있다. 출력 전압은 완전 충전 상태의 배터리(322)의 배터리 전압보다 높을 수 있다.
예를 들어, 제어 회로는 다음의 방식으로 완전 충전된 배터리(322)를 이용한 표준 충전을 수행하도록 도 3a의 충전 회로를 구성할 수 있다. 전원(302)은 인에이블된 FET A(310)에 연결된다. FET B(312)는 저전압 서브시스템(304)에 전력을 공급하기에 충분한 목표 전압으로 VLO를 제어하는 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭한다. 일부 변형예들에서, 이 전압은, 어댑터 전류(iBUS) 또는 어댑터 전압(VBUS)의 한계들에 의해 제한되지 않는 한, 배터리(322)의 완전 충전 전압보다 (예를 들어, 100 ㎷만큼) 더 크도록 구성된다. 이는 배터리를 방전할 필요 없이 전류 펄스에 대한 전압 헤드룸을 제공할 수 있다. FET C(314)는 FET B(312)와 상보적인 방식으로 스위칭하여, 전류가 어느 방향으로든 흐를 수 있게 한다. FET D(316)는 오프일 수 있고 이상적인 다이오드로서 동작하여, 배터리(322)가 충전되는 것을 방지할 수 있다. FET E(318)는 이상적인 다이오드로서 동작하고 있고 이 상태에서 온이며, 이때 VHI는 VLO와 동일하다. FET F(320)는 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건 이상에서 VHI를 유지하도록 선형적으로 동작하고 있지만, VHI가 인에이블된 FET E(318)에 의해 전압 요건보다 크게 구동될 때 스위치 오프된다. 고전압 서브시스템들(306) 및 저전압 서브시스템들(304) 둘 모두는 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건보다 큰, 목표 전압에서 벅 컨버터에 의해 전력 공급된다.
상태 2(저전압 배터리를 이용한 표준 충전)에서 논의된 바와 같이, FET C(314)는 대신에 이상적인 다이오드로서 동작하도록 구성되어, 전력부족 전원 및 완전 충전된 배터리를 이용한 충전으로의 전이에 신속하게 반응할 수 있는 것을 대신해 효율을 향상시킬 수 있으며, 이는 아래의 상태 8에서 논의된다.
상태 5: 전력부족 전원 및 부족전압 배터리를 이용한 충전
전력부족 전원(302) 및 부족전압 배터리(322)를 이용한 충전 동안, 제어 회로는 휴대용 전자 디바이스의 전력을 오프시키고 배터리(322)를 충전하기 위해 전원(302)으로부터의 제한된 전력 모두를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 다음의 방식으로 전력부족 전원(320) 및 부족전압 배터리(322)를 이용한 충전을 수행하도록 도 3a의 충전 회로를 구성할 수 있다. 전원(302)(예를 들어, DC 전압 전원)이 인에이블된 FET A(310)에 연결된다. FET B(312)는 배터리(322)의 컷오프 전압(예를 들어, 3.0 V)으로 VLO를 제어하려고 하는 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭하지만, 대신에 어댑터 전류(iBUS) 또는 어댑터 전압(VBUS)에 대한 한계들에 의해 제한된다. FET C(314)는 FET B(312)와 상보적인 방식으로 스위칭한다. FET D(316)는 배터리(322)의 컷오프 전압(예를 들어, 3.0 V)보다 낮은 목표 전압으로 VBAT를 제어하기 위해 선형적으로 동작하고 있다. FET E(318)는 이상적인 다이오드로서 동작하고 있으며, 이 상태에서는 오프이다. FET F(320)는 VHI를 VHI_MAX와 동일하게 유지하도록 선형적으로 동작하고 있다. 저전압 서브시스템들(304)은 배터리(322)의 컷오프 전압(예를 들어, 3.0 V) 미만에서 벅 컨버터에 의해 전력 공급되는 반면, 고전압 서브시스템들(306)은 VHI_MAX에서, 선형적으로 동작하는 FET F(320)를 통해 전원(302)으로부터 전력 공급된다. VLO가 배터리(322)의 컷오프 전압 미만이기 때문에, 시스템은 턴오프되고, 고전압 서브시스템들(306) 또는 저전압 서브시스템들(304) 상의 어떠한 전류 펄스도 고려될 필요가 없다. 제한된 어댑터 전력은 모두, 충전 회로가 상태 1(부족전압 배터리를 이용한 표준 충전) 또는 상태 6(전력부족 전원 및 저전압 배터리를 이용한 충전)으로 전이될 때까지, 배터리를 충전하는 것으로 들어갈 것이다.
상태 6: 전력부족 전원 및 저전압 배터리를 이용한 충전
부족전력 전원(302) 및 저전압 배터리(322)를 이용한 충전 동안, 제어 회로는 배터리의 목표 전압으로부터 저전압 서브시스템에 전력을 공급하고 전력부족 전원(302)으로부터 고전압 서브시스템에 전력을 공급할 수 있다. 제어 회로가 배터리(322)의 개방 회로 전압 미만인 저전압 서브시스템의 전압을 검출하는 경우, 제어 회로는, 입력 전압 및 스위칭 컨버터(330)로부터의 상향 변환된 배터리 전압으로부터의 전류들의 합으로부터 고전압 서브시스템에 전력을 공급할 수 있다.
예를 들어, 제어 회로는 다음의 방식으로 전력부족 전원(302) 및 저전압 배터리(322)를 이용한 충전을 수행하도록 도 3a의 충전 회로를 구성할 수 있다. 전원(302)은 인에이블된 FET A(310)에 연결된다. FET B(312)는 배터리(322)의 컷오프 전압(예를 들어, 3.0 V)과 고전압 서브시스템들(306)에 의해 요구되는 전압(예를 들어, 3.4 V) 사이의 목표 전압으로 VLO를 제어하려고 하는 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭하지만, 대신에 어댑터 전류(iBUS) 또는 어댑터 전압(VBUS)에 대한 한계들에 의해 제한된다. FET C(314)는 FET B(312)와 상보적인 방식으로 스위칭하여, 전류가 어느 방향으로든 흐를 수 있게 한다. FET D(316)는 VBAT 및 VLO가 둘 다 목표 전압에 있도록 완전히 온된다. FET E(318)는 이상적인 다이오드로서 동작하고 있으며, 이 상태에서는 오프이다. FET F(320)는 VHI를 VHI_MAX와 동일하게 유지하도록 선형적으로 동작하고 있다. 저전압 서브시스템들(304)은 배터리(322)의 목표 전압 미만에서 벅 컨버터에 의해 전력 공급되는 반면, 고전압 서브시스템들(306)은 VHI_MAX에서, 선형적으로 동작하는 FET F(320)를 통해 전원(302)으로부터 전력 공급된다.
VLO가 배터리(322)의 개방 회로 전압 미만이면, 배터리(322)는 충전하는 대신에 방전하고 있을 것이다. 이 경우에서, 충전은 인덕터(308) 및 스위칭하는 FET B(312) 및 FET C(314)에 의해 VLO에서 배터리로부터 VX로 부스팅된다. 저전압 서브시스템들(304)은 배터리(322)에 의해 전력 공급될 수 있고, 고전압 서브시스템들(306)은 선형적으로 동작하는 FET F(320)를 통해 제어되는 VHI_MAX에서 부스팅된 배터리 전력 및 어댑터 전력으로부터의 전류들의 합에 의해 전력 공급될 수 있다.
상태 7: 전력부족 전원 및 고전압 배터리를 이용한 충전
전력부족 전원(302) 및 고전압 배터리(322)을 이용한 충전 동안, 제어 회로는 고전압 서브시스템의 전압 요건보다 높은 배터리(322)의 목표 전압으로부터 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템에 전력을 공급할 수 있다. 제어 회로가 배터리(322)의 개방 회로 전압 미만인 저전압 서브시스템의 전압을 검출하는 경우, 제어 회로는, 입력 전압 및 스위칭 컨버터(330)로부터의 상향 변환된 배터리 전압으로부터의 전류들의 합으로부터 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템에 전력을 공급할 수 있다.
예를 들어, 제어 회로는 다음의 방식으로 전력부족 전원(302) 및 고전압 배터리(322)를 이용한 충전을 수행하도록 도 3a의 충전 회로를 구성할 수 있다. 전원(302)은 인에이블된 FET A(310)에 연결된다. FET B(312)는 고전압 서브시스템들(306)에 의해 요구되는 전압(예를 들어, 3.4 V)보다 큰 목표 전압으로 VLO를 제어하려고 하는 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭하지만, 대신에 어댑터 전류(iBUS) 또는 어댑터 전압(VBUS)에 대한 한계들에 의해 제한된다. FET C(314)는 FET B(312)와 상보적인 방식으로 스위칭하여, 전류가 어느 방향으로든 흐를 수 있게 한다. FET D(316)는 VBAT 및 VLO가 둘 다 목표 전압에 있도록 완전히 온된다. FET E(318)는 이상적인 다이오드로서 동작하고 있고 이 상태에서는 온이며, 이때 VHI는 VLO와 동일하다. FET F(320)는 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건 이상에서 VHI를 유지하도록 선형적으로 동작하고 있지만, VHI가 인에이블된 FET E(318)에 의해 전압 요건보다 크게 구동될 때 스위치 오프된다. 고전압 서브시스템들(306) 및 저전압 서브시스템들(304)은 둘 모두, 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건보다 큰 전압에서 벅 컨버터에 의해 전력 공급된다.
VLO가 배터리(322)의 개방 회로 전압 미만이면, 배터리(322)는 충전하는 대신에 방전하고 있을 것이다. 이 경우에서, 고전압 서브시스템들(306)은 배터리(322)로부터의 전류에 의해 보충되면서, 벅 컨버터를 통해 전원(302)에 의해 전력 공급될 수 있다.
상태 8: 전력부족 전원 및 완전 충전된 배터리를 이용한 충전
전력부족 전원(302) 및 완전 충전된 배터리(322)를 이용한 충전 동안, 제어 회로는 전원(302)으로부터의 배터리(322)의 충전을 중단할 수 있다. 제어 회로는 또한 휴대용 전자 디바이스 내의 모든 서브시스템들에 전력을 공급하는 출력 전압을 생성하기 위해 스위칭 컨버터(330)를 사용할 수 있다. 출력 전압이 배터리(322)의 배터리 전압 미만인 경우, 제어 회로는 배터리(322)로부터의 전력으로 출력 전압을 보충할 수 있다.
예를 들어, 제어 회로는 다음의 방식으로 전력부족 전원(302) 및 완전 충전된 배터리(322)를 이용한 충전을 수행하도록 도 3a의 충전 회로를 구성할 수 있다. 전원(302)은 인에이블된 FET A(310)에 연결된다. FET B(312)는 배터리(322)의 완전 충전 전압보다 (예를 들어, 100 ㎷만큼) 큰 목표 전압으로 VLO를 제어하는 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭하지만, 대신에 어댑터 전류(iBUS) 또는 어댑터 전압(VBUS)에 대한 한계들에 의해 제한된다. FET C(314)는 FET B(312)와 상보적인 방식으로 스위칭하여, 전류가 어느 방향으로든 흐를 수 있게 한다. FET E(316)는 이상적인 다이오드로서 동작하고 있고 이 상태에서는 오프이어서, 배터리(322)가 충전되는 것을 방지한다. FET E(318)는 이상적인 다이오드로서 동작하고 있고 이 상태에서는 온이며, 이때 VHI는 VLO와 동일하다. FET F(320)는 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건 이상에서 VHI를 유지하도록 선형적으로 동작하고 있지만, VHI가 인에이블된 FET E(318)에 의해 전압 요건보다 크게 구동될 때 스위치 오프된다. 고전압 서브시스템들(306) 및 저전압 서브시스템들(304) 둘 모두는 벅 컨버터가 제공할 수 있는 최대 전압에 있다.
벅 컨버터 전압이 배터리 전압 미만인 경우, FET D(316)는 이상적인 다이오드로서 행동하여, 상태 7(전력부족 전원 및 고전압 배터리를 이용한 충전)과 같이, 배터리 전력이 어댑터 전력을 보충할 수 있게 한다.
상태 9: 부족전압 배터리를 이용한 방전
부족전압 배터리(322)를 이용한 방전 동안, 시스템에는 유용한 전력이 없고, 휴대용 전자 디바이스는 스위치 오프된다. 예를 들어, 도 3a의 충전 회로 내의 모든 FET들(310 내지 320)은 디스에이블되면서, 전원(302)의 검출을 기다릴 수 있다.
상태 10: 저전압 배터리를 이용한 방전
저전압 배터리를 이용한 방전 동안, 제어 회로는 배터리(322)의 배터리 전압으로부터 저전압 서브시스템에 직접 전력을 공급하고 배터리 전압을 상향 변환하여 고전압 서브시스템에 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 다음의 방식으로 저전압 배터리(322)를 방전시키도록 도 3a의 충전 회로를 구성할 수 있다. FET A(310)는, 연결해제된 어댑터 플러그에 전류가 도달하는 것을 방지하기 위해, 디스에이블된다. FET C(314)는 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건(예를 들어, 3.4 V)으로 VX를 제어하는, 부스트 구성의, 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭한다. FET B(312)는 이상적인 다이오드로서 동작하면서, FET C(314)와 상보적인 방식으로 스위칭한다. FET D(316)는 이상적인 다이오드로서 동작하고 있고 완전히 온된다. FET E(318)는 이상적인 다이오드로서 동작하고 있고 완전히 오프된다. FET F(320)는 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건(예를 들어, 3.4 V)과 동일하게 VHI를 유지하도록 선형적으로 동작하고 있고 완전히 온된다. 저전압 서브시스템들(304)은 배터리(322)의 컷오프 전압(예를 들어, 3.0 V)과 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건(예를 들어, 3.4 V) 사이의 전압으로 배터리(322)에 의해 직접 전력 공급된다. 고전압 서브시스템들(306)은 역으로 실행되는 충전 벅 컨버터에 의해 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건(예를 들어, 3.4 V)으로 부스팅된 배터리 전압에 의해 전력 공급된다.
상태 11: 고전압 배터리를 이용한 방전
저전압 배터리를 이용한 방전 동안, 제어 회로는 배터리(322)의 배터리 전압으로부터 모든 서브시스템들에 직접 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 제어 회로는 다음의 방식으로 고전압 배터리(322)를 방전시키도록 도 3a의 충전 회로를 구성할 수 있다. FET A(310)는, 연결해제된 어댑터 플러그에 전류가 도달하는 것을 방지하기 위해, 디스에이블된다. FET B(312)는 이상적인 다이오드로서 동작하고 있고, FET C(314)가 오프일 때 온되어, VX를 VLO와 동일하게 유지한다. FET C(314)는 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건(예를 들어, 3.4 V)으로 VX를 제어하는, 부스트 구성의, 서보 메커니즘 피드백 루프(예를 들어, 제어 회로에서 구현됨)의 일부로서 스위칭하며, VX가 전형적으로 3.4 V보다 큰 VLO에 있을 것이므로 일반적으로 오프된다. FET D(316) 및 FET E(318)은 둘 모두 이상적인 다이오드로 동작하고 있고 완전히 온된다. FET F(320)는 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건 이상에서 VHI를 유지하도록 선형적으로 동작하고 있지만, VHI가 인에이블된 FET E(318)에 의해 전압 요건보다 높게 구동될 때 스위치 오프된다. 고전압 서브시스템들(306) 및 저전압 서브시스템들(304) 둘 모두는, 어느 하나의 서브시스템의 전압 요건보다 큰 배터리 전압에 직접 연결된다.
상태 12: 완전 충전된 배터리를 이용한 방전
이 조건들은 고전압 배터리를 이용한 방전을 설명하는 상태 11과 동일하다.
충전기 전이
상태들 사이의 전이들은, 배터리(322) 전압의 전압, 전원(302)이 플러그인 또는 언플러그되거나, 또는 큰 전류 과도가 시스템 부하들 중 하나에서 발생할 때에, 발생한다. 제안된 충전기는 이러한 전이들을 잘 다루며, 이때 특정 전이들은 여기서 상세히 기술된다.
전형적인 전이는 고전압 배터리(322)와 저전압 배터리(322) 사이에서 전이할 때 발생한다. 이 경우, 고전압 서브시스템들(306)에 대한 전압(VHI)은 고전압 서브시스템들(306)에 대한 최소 고전압 레벨(예를 들어, 3.4 V)로부터 FET F(320)에 의해 전력 공급된 VHI_MAX로 전이될 것이다. 이러한 전이는 단순히 방전에 비해 충전일 때 반전되며, 이때 유일한 차이는 고전압 서브시스템들(306)에 대한 전력의 소스이다. 높은 전압에서 낮은 전압으로의 어느 방향으로든 전이하는 것은 순조로우며, 두 상태들 사이에서 튀는 것을 방지하도록 작은 레벨의 히스테리시스만을 요구한다.
고전압 시스템들 상에서 전류 펄스가 발생할 때 보다 어려운 전이가 발생하며, 이때 시스템은 상태 2(저전압 배터리를 이용한 충전)에 있다. 이러한 경우, 고전압 시스템들에 대한 전력은 VHI_MAX에서 VHI를 유지하기 위해 선형적으로 동작하는 FET F(320)에 의해 제공된다. VHI 전압 노드가 너무 낮게 강하하는 것을 방지하기 위해, FET F(320)는 높은 대역폭을 갖는 선형 제어를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 추가적으로, VHI 목표 전압을 가능한 가장 높은 전압(VHI_MAX)으로 설정하는 것은, 고전압 서브시스템들(306)을 브라운아웃시키지 않으면서 전류 서지에 대한 전압 헤드룸을 제공할 수 있다. 추가적으로, 가능한 한 많은 시스템들이 저전압 서브시스템들(304)에 놓이면서, 고전압 서브시스템들(306)에 있도록 요구되는 시스템들의 수 및/또는 전류 부하들을 제한하는 것이 바람직할 수 있다.
고전압 서브시스템들(306) 상의 전류 펄스가 너무 커서 벅 서보 메커니즘이 어댑터 전류 또는 어댑터 전압에 의해 제한되는 경우, 고전압 서브시스템들(306)에 대한 전력은 상태 6(전력부족 전원 및 저전압 배터리를 이용한 충전)에 의해 기술된 배터리 전압을 상향 변환함으로써 보충될 수 있다.
다른 경우들에서, 상태 11(고전압 배터리를 이용한 방전)에서, 고전압 서브시스템들(306) 상의 전류 펄스는, VLO 레일 상의 펄스-발생된(pulse-incurred) 전압 강하로 인해 상태 10(저전압 배터리를 이용한 방전)으로의 전이를 야기할 수 있다. 펄스 전에, 고전압 서브시스템들(306)은 배터리(322)에 직접 연결되고, VX 전압은 또한, 이상적인 다이오드로서의 FET B(312)의 동작으로 인해 배터리 전압과 동일하다. 펄스가 발생할 때, 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건(예를 들어, 3.4 V) 초과에서 VHI를 유지하도록 선형적으로 동작하는 FET F(320)는, FET C(314)를 제어하는 부스트 서보 메커니즘이 3.4 V에서 VX를 유지하기 위해 스위칭을 시작함에 따라, VX로부터 VHI로 전하를 전달할 것이다.
또 다른 경우들에서, 상태 2(저전압 배터리를 이용한 충전) 동안 전원(302)의 연결해제는 상태 10(저전압 배터리를 이용한 방전)으로의 전이를 야기할 수 있다. 이 경우, FET B(312) 및 FET C(314)는 원래 벅 컨버터로서 스위칭하여, FET D(316)를 통해 VLO에 연결된 배터리(322)를 배터리(322)의 컷오프 전압(예를 들어, 3.0 V)과 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건(예를 들어, 3.4 V) 사이의 전압으로 충전한다. 언플러그 이벤트 후에, 인덕터(308)를 통하는 전류는, FET B(312) 및 FET C(314)가 이제 VHI를 VHI_MAX로 제어하기 위해 부스트 컨버터로서 스위칭하므로, 가능한 한 빨리 방향을 반전시킬 필요가 있을 수 있다. 언플러그 이벤트 전에, VHI 전압은 선형적으로 동작하는 FET F(320)를 통해 VHI_MAX로 제어되어, VHI 전압이 고전압 서브시스템들(306)의 전압 요건 아래로 강하하기 전에 전류가 반전하기(turn around) 위한 전압 헤드룸을 제공할 수 있다. 인덕터(308) 값, 스위칭 주파수, 및 VHI 정전용량의 선택은 이들 경우에서 전압 강하를 제한하는 것을 도울 수 있다.
도 4는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 사용을 관리하는 프로세스를 예시하는 흐름도를 도시한다. 하나 이상의 실시예에서, 단계들 중 하나 이상이 생략, 반복, 및/또는 상이한 순서로 수행될 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 단계들의 특정 배열이 실시예들의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
초기에, 전원으로부터의 입력 전압 및/또는 배터리로부터의 배터리 전압을 배터리를 충전하고 휴대용 전자 디바이스 내의 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트로 변환하기 위한 충전 회로가 제공된다(동작(402)). 충전 회로는 양방향 컨버터 및 제어 회로를 포함할 수 있다. 양방향 컨버터는 입력 단자 및 부하 단자를 구비한 인덕터 및 3개의 스위칭 메커니즘들을 포함할 수 있으며, 이는 입력 단자를 전원 또는 기준 전압에 결합하고; 부하 단자를 배터리, 고전압 서브시스템, 및 저전압 서브시스템에 결합하고; 입력 전압을 고전압 서브시스템에 결합하도록 구성된다. 스위칭 메커니즘들은 FET들 및/또는 다른 스위칭 컴포넌트들에 의해 제공될 수 있다. 대안적으로,
Figure pct00002
컨버터, 인버팅 컨버터, 부스트 컨버터, SEPIC(single-ended primary-inductor converter), 제타 컨버터, 및/또는 벅-부스트 컨버터와 같은 다른 유형들의 양방향 컨버터가 사용될 수 있다.
다음에, 전원으로부터의 입력 전압이 검출된다(동작(404)). 예를 들어, 입력 전압은 전원 콘센트에 플러그인되는 전원으로부터 검출될 수 있다. 이어서, 충전 회로는 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 배터리 상태(동작(406))에 기초하여 동작될 수 있다. 배터리가 부족전압 상태에 있는 경우, 충전 회로는 배터리를 충전하고 저전압 및 고전압 서브시스템들에 전력을 공급하기 위한 상이한 출력 전압들을 제공하는 데 사용된다(동작(408)). 예를 들어, 충전 회로는 배터리의 컷오프 전압보다 낮은 배터리를 충전하기 위한 목표 전압, 컷오프 전압 이상에서 저전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 하향 변환된 전압(예를 들어, 버킹된 전압), 및 고전압 서브시스템의 전압 요건 이상에서 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 전원으로부터의 더 높은 전압을 생성할 수 있다.
배터리가 저전압 상태에 있는 경우, 충전 회로는 배터리의 목표 전압으로부터 저전압 서브시스템에, 그리고 전원으로부터 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 데 사용된다(동작(410)). 예를 들어, 목표 전압은 배터리의 컷오프 전압(예를 들어, 3.0 V)과 고전압 서브시스템의 전압 요건 사이에 있을 수 있으며, 고전압 서브시스템은 고전압 서브시스템의 최대 전압 한계 이하인 전압으로부터 전력 공급될 수 있다.
배터리가 고전압 상태에 있는 경우, 충전 회로는 배터리의 목표 전압으로부터 모든 서브시스템들에 전력을 공급하는 데 사용된다(동작(412)). 예를 들어, 동일한 목표 전압이, 저전압 및 고전압 서브시스템들 둘 모두에 전력을 공급하고 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있다.
마지막으로, 배터리가 완전 충전 상태에 있는 경우, 배터리의 충전은 중단되고(동작(414)), 서브시스템들 둘 모두는 완전 충전 상태에 있는 배터리의 배터리 전압보다 높은 목표 전압으로부터 전력 공급된다(동작(416)). 예를 들어, 충전 회로는 전압 헤드룸을 제공하고 전류 펄스들 동안 배터리의 방전을 피하기 위해 배터리의 완전 충전 전압보다 100 ㎷ 더 높은 목표 전압으로 입력 전압을 변환하는 데 사용될 수 있다.
도 5는 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 사용을 관리하는 프로세스를 예시하는 흐름도를 도시한다. 하나 이상의 실시예에서, 단계들 중 하나 이상이 생략, 반복, 및/또는 상이한 순서로 수행될 수 있다. 따라서, 도 5에 도시된 단계들의 특정 배열이 실시예들의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
초기에, 전원으로부터의 입력 전압 및/또는 배터리로부터의 배터리 전압을 배터리를 충전하고 휴대용 전자 디바이스 내의 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트로 변환하기 위한 충전 회로가 제공된다(동작(502)). 다음에, 전력부족 전원으로부터의 입력 전압이 검출된다(동작(504)). 예를 들어, 입력 전압은 컴퓨터 시스템 및/또는 다른 휴대용 전자 디바이스 상의 USB 포트에 플러그인되는 전원(예를 들어, 전력 어댑터)으로부터 검출될 수 있다. 대안적으로, 전원은 하나 또는 둘 모두의 서브시스템들 상의 전류 펄스 동안 일시적으로 전력부족 상태일 수 있다.
이어서, 충전 회로는 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 배터리 상태(동작(506))에 기초하여 동작될 수 있다. 배터리가 부족전압 상태에 있는 경우, 휴대용 전자 디바이스는 전력 오프되고(동작(508)), 충전 회로는 입력 전압으로부터 배터리를 충전하는 데 사용된다(동작(510)). 휴대용 전자 디바이스는, 충전 회로가 전원으로부터의 표준 충전으로 전이되고/되거나 배터리가 저전압 상태로 전이될 때까지, 오프를 유지할 수 있다.
배터리가 저전압 상태에 있는 경우, 충전 회로는 배터리의 목표 전압으로부터 저전압 서브시스템에, 그리고 전력부족 전원으로부터 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 데 사용된다(동작(512)). 예를 들어, 목표 전압은 고전압 서브시스템들에 전력을 공급하기 위해 충전 회로에 의해 상향 변환(예를 들어, 부스팅)될 수 있다. 또한, 저전압 서브시스템의 전압이 배터리의 개방 회로 전압 미만인 경우, 충전 회로는 전력부족 전원으로부터의 입력 전압 및 상향 변환된 배터리 전압으로부터의 전류들의 합으로부터 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
배터리가 고전압 상태에 있는 경우, 충전 회로는 고전압 서브시스템의 전압 요건보다 높은 배터리의 목표 전압으로부터 서브시스템들 둘 모두에 전력을 공급하는 데 사용된다(동작(514)). 예를 들어, 충전 회로는 배터리를 충전하고 두 서브시스템들 모두에 전력을 공급하기 위해 동일한 목표 전압을 생성할 수 있다. 또한, 저전압 서브시스템의 전압이 배터리의 개방 회로 전압 미만인 경우, 충전 회로는 전력부족 전원으로부터의 입력 전압 및 상향 변환된 배터리 전압으로부터의 전류들의 합으로부터 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다.
배터리가 완전 충전 상태에 있는 경우, 배터리의 충전은 중단되고(동작(516)), 서브시스템들 둘 모두는 완전 충전 상태에 있는 배터리의 배터리 전압보다 높은 목표 전압으로부터 전력 공급된다(동작(518)). 고전압 상태에서의 충전과 같이, 저전압 서브시스템의 전압이 배터리의 개방 회로 전압 미만인 경우, 전원으로부터의 전력은 배터리 전력에 의해 보충될 수 있다.
도 6은 개시된 실시예들에 따른 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 사용을 관리하는 프로세스를 예시하는 흐름도를 도시한다. 하나 이상의 실시예에서, 단계들 중 하나 이상이 생략, 반복, 및/또는 상이한 순서로 수행될 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 단계들의 특정 배열이 실시예들의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 4 및 도 5의 흐름도와 같이, 전원으로부터의 입력 전압 및/또는 배터리로부터의 배터리 전압을 배터리를 충전하고 휴대용 전자 디바이스 내의 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트로 변환하기 위한 충전 회로가 제공된다(동작(602)). 다음으로, 배터리의 방전이 검출된다(동작(604)). 예를 들어, 전원이 휴대용 전자 디바이스에 연결되어 있지 않은 경우, 배터리는 방전하고 있을 수 있다.
충전 회로는 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 배터리 상태(동작(606))에 기초하여 동작될 수 있다. 배터리가 부족전압 상태에 있는 경우, 휴대용 전자 디바이스는 전력 오프되고(동작(608)), 휴대용 전자 디바이스 내에 유용한 전력이 없기 때문에 전원의 검출이 대기된다(동작(610)).
배터리가 저전압 상태에 있는 경우, 충전 회로는 배터리 전압으로부터 저전압 서브시스템에 직접 전력을 공급하고 배터리 전압을 상향 변환하여 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 데 사용된다(동작(612)). 예를 들어, 저전압 서브시스템은 배터리의 컷오프 전압과 고전압 서브시스템의 전압 요건 사이에 있는 배터리 전압으로부터 전력 공급될 수 있으며, 고전압 서브시스템은 전압 요건보다 높은 전압으로 배터리 전압을 상향 변환함으로써 전력 공급될 수 있다.
마지막으로, 배터리가 고전압 상태 또는 완전 충전 상태에 있는 경우, 서브시스템들 둘 모두는 배터리 전압으로부터 전력 공급된다(동작(614)). 예를 들어, 배터리 전압은 고전압 서브시스템의 전압 요건보다 높을 수 있으며, 이에 의해 배터리 전압의 추가적인 상향 변환을 요구하지 않으면서 고전압 서브시스템 및 저전압 서브시스템 둘 모두의 직접 전력 공급을 가능하게 할 수 있다.
전술한 충전 회로는 일반적으로 임의의 유형의 전자 디바이스에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 7은 프로세서(702), 메모리(704), 및 디스플레이(708) - 이들 모두는 전력 공급장치(706)에 의해 전력 공급됨 - 를 포함하는 휴대용 전자 디바이스(700)를 예시한다. 휴대용 전자 디바이스(700)는 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 모바일 폰, 휴대용 미디어 재생기, 디지털 카메라, 및/또는 다른 유형의 배터리-전력 공급되는 전자 디바이스에 대응할 수 있다. 전력 공급장치(706)는 도 3에 도시된 컨버터, 부스트 컨버터, 인버팅 컨버터,
Figure pct00003
컨버터, SEPIC, 제타 컨버터 및/또는 벅-부스트 컨버터와 같은 양방향 컨버터를 포함할 수 있다. 전력 공급장치(706)는 또한, 전원으로부터의 입력 전압 및/또는 휴대용 전자 디바이스(700) 내의 배터리로부터의 배터리 전압을, 배터리를 충전하고 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템을 포함하는 휴대용 전자 디바이스(700) 내의 2개 이상의 서브시스템들에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트로 변환하기 위해 양방향 컨버터를 사용하는 제어회로를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 대한 위의 설명들은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이들은 본 발명을 총망라하거나 개시된 형태들로 제한하도록 의도되지 않는다. 따라서, 많은 수정들 및 변형들이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 또한, 상기의 개시내용은 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는다.

Claims (22)

  1. 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리의 사용을 관리하기 위한 방법으로서,
    전원으로부터의 입력 전압을 상기 배터리를 충전하고 상기 휴대용 전자 디바이스 내의 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트로 변환하기 위한 충전 회로를 제공하는 단계; 및
    저전압 상태인 상기 배터리의 방전을 검출하는 경우, 상기 충전 회로를 사용하여,
    상기 배터리의 배터리 전압으로부터 상기 저전압 서브시스템에 직접 전력을 공급하는 단계; 및
    상기 배터리 전압을 상향 변환(up-convert)하여 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    전력부족 전원(underpowered power source)으로부터의 상기 입력 전압 및 상기 배터리의 상기 저전압 상태를 검출하는 경우, 상기 충전 회로를 사용하여,
    상기 배터리의 목표 전압으로부터 상기 저전압 서브시스템에 전력을 공급하는 단계; 및
    상기 전력부족 전원으로부터 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배터리의 개방 회로 전압 미만인 상기 저전압 서브시스템의 전압을 검출하는 경우, 상기 충전 회로를 사용하여, 상기 입력 전압 및 상기 상향 변환된 배터리 전압으로부터의 전류들의 합으로부터 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    전력부족 전원으로부터의 상기 입력 전압 및 상기 배터리의 고전압 상태를 검출하는 경우, 상기 충전 회로를 사용하여, 상기 고전압 서브시스템의 전압 요건보다 높은 상기 배터리의 목표 전압으로부터 상기 저전압 서브시스템 및 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배터리의 개방 회로 전압 미만인 상기 저전압 서브시스템의 전압을 검출하는 경우, 상기 충전 회로를 사용하여, 상기 입력 전압 및 상기 상향 변환된 배터리 전압으로부터의 전류들의 합으로부터 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    전력부족 전원으로부터의 상기 입력 전압 및 상기 배터리의 부족전압 상태(undervoltage state)를 검출하는 경우,
    상기 휴대용 전자 디바이스의 전력을 오프시키는 단계; 및
    상기 충전 회로를 사용하여 상기 입력 전압으로부터 상기 배터리를 충전하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원으로부터의 상기 입력 전압 및 상기 배터리의 저전압 상태를 검출하는 경우, 상기 충전 회로를 사용하여,
    상기 전원으로부터 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 단계;
    상기 입력 전압을 상기 배터리의 목표 전압으로 하향 변환하는 단계; 및
    상기 목표 전압으로부터 상기 배터리를 충전하고 상기 저전압 서브시스템에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전원으로부터의 상기 입력 전압 및 상기 배터리의 완전 충전 상태를 검출하는 경우, 상기 충전 회로를 사용하여,
    상기 배터리의 충전을 중단하는 단계; 및
    상기 완전 충전 상태인 상기 배터리의 상기 배터리 전압보다 높은 목표 전압으로부터 상기 저전압 서브시스템 및 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 충전 회로는,
    입력 단자 및 부하 단자를 구비한 인덕터;
    상기 입력 단자를 상기 전원 또는 기준 전압에 결합하도록 구성된 제1 스위칭 메커니즘;
    상기 부하 단자를 상기 배터리, 상기 고전압 서브시스템, 및 상기 저전압 서브시스템에 결합하도록 구성된 제 2 스위칭 메커니즘; 및
    상기 입력 전압을 상기 고전압 서브시스템에 결합하도록 구성된 제3 스위칭 메커니즘을 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 저전압 상태의 상기 배터리 전압은 상기 고전압 서브시스템의 전압 요건보다 낮은, 방법.
  11. 휴대용 전자 디바이스를 위한 충전 시스템으로서,
    양방향 컨버터; 및
    전원으로부터의 입력 전압을 상기 휴대용 전자 디바이스 내의 배터리를 충전하고 상기 휴대용 전자 디바이스 내의 저전압 서브시스템 및 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트로 변환하기 위해 상기 양방향 컨버터를 사용하도록 구성된 제어 회로를 포함하는, 충전 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어 회로는,
    상기 배터리로부터의 배터리 전압을 상기 저전압 서브시스템 및 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 상기 출력 전압들의 세트로 변환하도록 더 구성되는, 충전 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 출력 전압들의 세트는,
    상기 전원으로부터의 상기 입력 전압을 하향 변환하거나; 또는
    상기 배터리의 방전 동안 상기 배터리로부터의 상기 배터리 전압을 상향 변환함으로써 생성되는, 충전 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제어 회로는,
    상기 전원으로부터의 표준 충전;
    전력부족 전원으로부터의 충전; 및
    상기 배터리의 방전
    동안 상기 출력 전압들의 세트를 생성하도록 구성되는, 충전 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제어 회로는,
    상기 배터리의 부족전압 상태;
    상기 배터리의 저전압 상태;
    상기 배터리의 고전압 상태; 및
    상기 배터리의 완전 충전 상태
    동안 상기 출력 전압들의 세트를 생성하도록 구성되는, 충전 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 상기 양방향 컨버터는,
    입력 단자 및 부하 단자를 구비한 인덕터;
    상기 입력 단자를 상기 전원 또는 기준 전압에 결합하도록 구성된 제1 스위칭 메커니즘;
    상기 부하 단자를 상기 배터리, 상기 고전압 서브시스템, 및 상기 저전압 서브시스템에 결합하도록 구성된 제 2 스위칭 메커니즘; 및
    상기 입력 전압을 상기 고전압 서브시스템에 결합하도록 구성된 제3 스위칭 메커니즘을 포함하는, 충전 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1, 제2, 및 제3 스위칭 메커니즘들은 전계 효과 트랜지스터(FET)들을 포함하는, 충전 시스템.
  18. 휴대용 전자 디바이스로서,
    고전압 서브시스템 내의 제1 세트의 컴포넌트들;
    저전압 서브시스템 내의 제2 세트의 컴포넌트들;
    배터리; 및
    전원으로부터의 입력 전압을 상기 배터리를 충전하고 상기 저전압 서브시스템 및 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 출력 전압들의 세트로 변환하도록 구성된 충전 회로를 포함하는, 휴대용 전자 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제어 회로는,
    상기 배터리로부터의 배터리 전압을 상기 저전압 서브시스템 및 상기 고전압 서브시스템에 전력을 공급하기 위한 상기 출력 전압들의 세트로 변환하도록 더 구성되는, 휴대용 전자 디바이스.
  20. 제19항에 있어서, 상기 출력 전압들의 세트는,
    상기 전원으로부터의 상기 입력 전압을 하향 변환하거나; 또는
    상기 배터리의 방전 동안 상기 배터리로부터의 상기 배터리 전압을 상향 변환함으로써 생성되는, 휴대용 전자 디바이스.
  21. 제18항에 있어서, 상기 충전 회로는,
    입력 단자 및 부하 단자를 구비한 인덕터;
    상기 입력 단자를 상기 전원 또는 기준 전압에 결합하도록 구성된 제1 스위칭 메커니즘;
    상기 부하 단자를 상기 배터리, 상기 고전압 서브시스템, 및 상기 저전압 서브시스템에 결합하도록 구성된 제 2 스위칭 메커니즘; 및
    상기 입력 전압을 상기 고전압 서브시스템에 결합하도록 구성된 제3 스위칭 메커니즘을 포함하는, 휴대용 전자 디바이스.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1, 제2, 및 제3 스위칭 메커니즘들은 전계 효과 트랜지스터(FET)들을 포함하는, 휴대용 전자 디바이스.
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