KR20190067099A - 충방전 제어 장치, 및 배터리 장치 - Google Patents

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Abstract

충방전 제어 장치 및 배터리 장치는, 충전 제어 FET와 드레인 및 게이트가 접속된 방전 기준 FET의 전압에 의거하는 방전 과전류 기준 전압과 방전 과전류 검출 단자의 전압에 의해서 방전 과전류를 감시하는 방전 과전류 검출 회로를 구비한다.

Description

충방전 제어 장치, 및 배터리 장치{CHARGING/DISCHARGING CONTROL DEVICE AND BATTERY DEVICE}
본 발명은, 충방전 제어 장치, 및 배터리 장치에 관한 것이다.
도 3에, 종래의 배터리 장치의 블럭도를 도시한다. 종래의 배터리 장치는, 이차 전지(1)와, 과충전 검출 회로(31)와, 과방전 검출 회로(32)와, 충전 제어 회로(33)와, 방전 제어 회로(34)와, 기준 전류 회로(37)와, 콤퍼레이터(38)와, 충전 FET(Q1)와, 방전 FET(Q2)와, 제1 기준 FET(Q3)와, 제2 기준 FET(Q4)와, 외부 단자(T1 및 T2)를 구비하고 있다.
기준 전류 회로(37)는, 제1 기준 FET(Q3)와 제2 기준 FET(Q4)에 기준 전류를 흐르게 하여, 제1 기준 FET(Q3)의 소스에 과전류 검출 전압을 발생시킨다. 콤퍼레이터(38)는, 충전 FET(Q1)와 방전 FET(Q2)에 발생한 방전 전류에 의한 전압과 과전류 검출 전압을 비교하여, 배터리 장치의 방전 과전류를 검출한다.
여기서, 제1 기준 FET(Q3) 및 제2 기준 FET(Q4)는, 충전 FET(Q1) 및 방전 FET(Q2)와 각각 동일한 온도 특성, 및 소스·게이트 전압 특성을 갖고 있다. 이와 같이 구성한 배터리 장치는, 온도 변동이나 이차 전지(1)의 전압 변동에 의한 영향을 확실히 보상하여, 고정밀도로 과전류를 검출할 수 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
일본국 특허공개 2009-131020호 공보
배터리 장치에서는, 충전 FET(Q1) 및 방전 FET(Q2)의 온 저항을 낮추기 위해서 트렌치 구조의 MOSFET을 채용하는 경우가 있다. 이 경우, 제1 기준 FET(Q3) 및 제2 기준 FET(Q4)도 트렌치 구조의 MOSFET으로 하여, 동일 칩 상에 배치하려고 하면, 드레인이 공통이라고 하는 구조상의 제약에 의해서, 충전 FET(Q1) 및 방전 FET(Q2)의 드레인과 제1 기준 FET(Q3) 및 제2 기준 FET(Q4)의 드레인을 분리하는 것은 어렵고, 도 3의 회로와 같이 구성하는 것이 곤란하다고 하는 과제가 있다.
본 발명은, 이상과 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 충전 FET(Q1) 및 방전 FET(Q2)를 트렌치 구조 등 세로형 MOSFET으로 구성해도, 온도 변동이나 이차 전지(1)의 전압 변동에 의한 영향을 확실히 보상하여, 고정밀도로 과전류를 검출할 수 있는 충방전 제어 장치 및 배터리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 충방전 제어 장치는,
이차 전지의 전압 및 전류를 감시하여 이차 전지의 충방전을 제어하는 충방전 제어 장치로서,
상기 이차 전지와 외부 단자 사이의 전류 경로에 설치되고, 서로의 드레인이 접속된 충전 제어 FET 및 방전 제어 FET와,
상기 충전 제어 FET와 드레인 및 게이트가 접속된 방전 기준 FET와,
상기 이차 전지의 일단이 접속되는 제1 전원 단자와, 상기 이차 전지의 타단과 상기 방전 제어 FET의 소스가 접속되는 제2 전원 단자와, 상기 충전 제어 FET의 게이트가 접속되는 충전 제어 단자와, 상기 방전 제어 FET의 게이트가 접속되는 방전 제어 단자와, 상기 방전 기준 FET의 소스가 접속되는 방전 과전류 기준 단자와, 상기 충전 제어 FET의 소스가 접속되는 방전 과전류 검출 단자를 갖는 충방전 제어 회로를 구비하고,
상기 충방전 제어 회로는, 상기 방전 과전류 기준 단자의 전압에 의거하는 방전 과전류 기준 전압과 상기 방전 과전류 검출 단자의 전압에 의해서 방전 과전류를 감시하는 방전 과전류 검출 회로와, 상기 방전 과전류 검출 회로의 신호에 의해서 상기 방전 제어 FET를 제어하는 신호를 출력하는 제어 회로를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 충방전 제어 장치에 의하면, 충방전 제어 FET에 세로형 MOSFET을 채용해도, 동일한 세로형 MOSFET의 방전 기준 FET를 구성할 수 있으므로, 온도 변동이나 이차 전지의 전압 변동에 의한 영향을 확실히 보상하여, 고정밀도로 과전류를 검출할 수 있다. 이것에 의해, 고정밀도로 과전류를 검출할 수 있는 배터리 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시 형태의 배터리 장치를 도시하는 블럭도이다.
도 2는 본 실시 형태의 배터리 장치의 다른 예를 도시하는 블럭도이다.
도 3은 종래의 배터리 장치를 도시하는 블럭도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태의 배터리 장치(100)를 도시하는 블럭도이다. 배터리 장치(100)는, 이차 전지(1)와, 충방전 제어 장치(2)를 구비하고 있다. 충방전 제어 장치(2)는, 충방전 제어 회로(10)와, FET 회로(20)와, 외부 단자(P＋ 및 P－)를 구비하고 있다.
이차 전지(1)는, 양극 단자가 외부 단자(P＋)에 접속된다. 충방전 제어 회로(10)는, 제1 전원 단자(Vdd)가 이차 전지(1)의 양극 단자에 접속되고, 제2 전원 단자(Vss)가 이차 전지(1)의 음극 단자에 접속되며, 충전 제어 단자(CO)가 FET 회로(20)의 단자(CG)에 접속되고, 방전 제어 단자(DO)가 FET 회로(20)의 단자(DG)에 접속되며, 방전 과전류 검출 단자(VM)가 저항(15)을 통해 FET 회로(20)의 단자(S2)에 접속되고, 충전 과전류 기준 단자(VRC)가 FET 회로(20)의 단자(S3)에 접속되며, 방전 과전류 기준 단자(VRD)가 FET 회로(20)의 단자(S4)에 접속된다. FET 회로(20)는, 단자(S1)가 이차 전지(1)의 음극 단자에 접속되고, 단자(S2)가 외부 단자(P－)에 접속된다.
충방전 제어 회로(10)는, 제어 회로(11)와, 정전류 회로(12 및 14)와, 비교 회로(13 및 15)를 구비하고 있다. 정전류 회로(12)는, 제1 전원 단자(Vdd)와 충전 과전류 기준 단자(VRC) 사이에 접속되어 있다. 정전류 회로(14)는, 제1 전원 단자(Vdd)와 방전 과전류 기준 단자(VRD) 사이에 접속되어 있다. 비교 회로(13)는, 제1 입력 단자가 제2 전원 단자(Vss)에 접속되고, 제2 입력 단자가 충전 과전류 기준 단자(VRC)에 접속되며, 출력 단자가 제어 회로(11)에 접속된다. 비교 회로(15)는, 제1 입력 단자가 방전 과전류 검출 단자(VM)에 접속되고, 제2 입력 단자가 방전 과전류 기준 단자(VRD)에 접속되며, 출력 단자가 제어 회로(11)에 접속된다.
정전류 회로(12)와 비교 회로(13)는, 충전 과전류를 감시하는 충전 과전류 검출 회로를 구성한다. 정전류 회로(14)와 비교 회로(15)는, 방전 과전류를 감시하는 방전 과전류 검출 회로를 구성한다.
FET 회로(20)는, 방전 제어 FET(21)와, 충전 제어 FET(22)와, 충전 기준 FET(23)와, 방전 기준 FET(24)를 구비하고 있다. 방전 제어 FET(21)는, 소스가 단자(S1)에 접속되고, 게이트가 단자(DG)에 접속된다. 충전 제어 FET(22)는, 소스가 단자(S2)에 접속되며, 게이트가 단자(CG)에 접속된다. 충전 기준 FET(23)는, 소스가 단자(S3)에 접속되고, 게이트가 단자(DG)에 접속된다. 방전 기준 FET(24)는, 소스가 단자(S4)에 접속되며, 게이트가 단자(CG)에 접속된다. 모든 FET는, 드레인이 공통으로 접속되어 있다(노드(D)라고 칭한다).
여기서, 방전 제어 FET(21) 및 충전 제어 FET(22)는, 온 저항을 낮추기 위해서 트렌치 구조의 MOSFET으로 구성된다. 그리고, 충전 기준 FET(23) 및 방전 기준 FET(24)는, 방전 제어 FET(21) 및 충전 제어 FET(22)와 특성을 합치기 위해서 트렌치 구조의 MOSFET으로 구성한다. 그리고, 예를 들어, 충전 기준 FET(23)와 방전 제어 FET(21)의 채널 폭의 비를 1：1000000으로 하고, 정전류 회로(12)의 전류와 충전 과전류의 비도 마찬가지로 한다. 방전 과전류에 관해서도 마찬가지로 한다.
다음으로, 상기와 같이 구성된 배터리 장치(100)의 동작에 대해 설명한다.
이차 전지(1)의 전압이 과방전 전압보다 높고 과충전 전압보다 낮을 때, 제어 회로(11)는 충전 제어 단자(CO)와 방전 제어 단자(DO)로부터 하이레벨의 신호를 출력한다. 방전 제어 FET(21) 및 충전 제어 FET(22)는, 단자(DG) 및 단자(CG)를 통해 하이레벨의 신호를 게이트에 인가되므로 온 한다. 충전 기준 FET(23) 및 방전 기준 FET(24)는, 방전 제어 FET(21) 및 충전 제어 FET(22)와 게이트가 공통되므로 마찬가지로 온 한다.
충전 과전류 기준 단자(VRC)의 전압은, 노드(D)를 기준으로 한 충전 기준 FET(23)의 온 저항과 정전류 회로(12)의 전류에 의거하는 충전 과전류 기준 전압이 된다. 제2 전원 단자(Vss)의 전압은, 노드(D)를 기준으로 한 방전 제어 FET(21)의 온 저항과 제1 외부 단자(P＋)와 제2 외부 단자(P－)에 접속된 도시 생략한 충전기의 충전 전류에 의거한 전압이 된다. 비교 회로(13)는, 제1 입력 단자에 입력되는 제2 전원 단자(Vss)의 전압과 제2 입력 단자에 입력되는 충전 과전류 기준 단자(VRC)의 전압에 의해서 충전 과전류를 감시한다. 즉, 제2 전원 단자(Vss)의 전압이 충전 과전류 기준 단자(VRC)의 전압을 웃돌면, 비교 회로(13)는 충전 과전류를 검출하여, 충전 과전류 검출 신호를 출력한다.
방전 과전류 기준 단자(VRD)의 전압은, 노드(D)를 기준으로 한 방전 기준 FET(24)의 온 저항과 정전류 회로(14)의 전류에 의거하는 방전 과전류 기준 전압이 된다. 방전 과전류 검출 단자(VM)의 전압은, 노드(D)를 기준으로 한 충전 제어 FET(22)의 온 저항과 제1 외부 단자(P＋)와 제2 외부 단자(P－)에 접속된 도시 생략한 부하에 흐르는 방전 전류에 의거한 전압이 된다. 비교 회로(15)는, 제1 입력 단자에 입력되는 방전 과전류 검출 단자(VM)의 전압과 제2 입력 단자에 입력되는 방전 과전류 기준 단자(VRD)의 전압에 의해서 방전 과전류를 감시한다. 즉, 비교 회로(15)는, 방전 과전류 검출 단자(VM)의 전압이 방전 과전류 기준 단자(VRD)의 전압을 웃돌면 방전 과전류를 검출하여, 방전 과전류 검출 신호를 출력한다.
여기서, 충전 기준 FET(23) 및 방전 기준 FET(24)는, 방전 제어 FET(21) 및 충전 제어 FET(22)와 마찬가지로 트렌치 구조의 MOSFET으로 구성되어 있으므로, 온도 변동이나 이차 전지의 전압 변동에 의한 영향을 확실히 보상하여, 고정밀도로 과전류를 검출할 수 있다.
또, FET 회로(20)는, 트렌치 구조를 필요로 하지 않는 충방전 제어 회로(10)와 상이한 반도체 기판 상에 구성해도 된다. 즉, 충방전 제어 장치(2)는, 충방전 제어 회로(10)를 탑재하는 반도체 장치와 FET 회로(20)를 탑재하는 반도체 장치에 의해서 구성한다. 이와 같이 구성함으로써, 충방전 제어 장치(2)의 제조 비용을 낮게 억제하는 것이 가능해진다.
도 2는, 본 실시 형태의 배터리 장치(100)의 다른 예를 도시하는 블럭도이다.
충방전 제어 회로(10)는, 방전 과전류 검출 회로와 충전 과전류 검출 회로에 각각 정전류 회로(12 및 14)를 구비하고 있다. 도 2에 도시하는 배터리 장치(100)는, 저소비 전류로 할 필요가 있는 경우에 유효한 회로예이다.
도 2에 도시하는 충방전 제어 회로(10)는, 방전 과전류 검출 단자(VM)의 전압과 제2 전압 단자(Vss)의 전압을 비교하는 비교 회로(16)와, 정전류 회로(12)와 방전 과전류 기준 단자(VRD) 사이에 접속된 스위치(17)와, 정전류 회로(14)와 방전 과전류 기준 단자(VRD) 사이에 접속된 스위치(18)를 구비하고 있다.
비교 회로(16)는, 제1 외부 단자(P＋)와 제2 외부 단자(P－)에 충전기가 접속되어, 충전 전류가 흐름으로써, 방전 과전류 검출 단자(VM)의 전압이 전원 단자(Vss)의 전압보다 낮아지는 것을 이용하여, 이차 전지(1)가 충전되고 있는 것을 검출해 제어 회로(11)에 충전 전류 검출 신호를 출력한다. 제어 회로(11)는, 충전 전류 검출 신호에 따라 스위치(17)와 스위치(18)에 제어 신호를 출력한다. 즉, 충전 전류가 흐르고 있을 때에는 스위치(17)를 온, 스위치(18)를 오프하여 충전 과전류를 검출하고, 충전 전류가 흐르고 있지 않을 때에는 스위치(17)를 오프, 스위치(18)를 온 하여 방전 과전류를 검출한다. 따라서, 도 2에 도시하는 충방전 제어 회로(10)는, 정전류 회로(12)와 정전류 회로(14) 중 어느 한 전류밖에 흐르지 않으므로, 소비 전류를 줄일 수 있다.
또한, 도 2에 있어서 스위치(17) 및 스위치(18)의 위치는, 이 회로에 한정되는 것이 아니며, 정전류 회로(12) 및 정전류 회로(14)의 전류 경로 중 어디에나 접속되어도 된다. 또, 공통의 정전류 회로를 스위치로 전환하여, 방전 과전류 검출 회로 또는 충전 과전류 검출 회로에 흐르게 하도록 해도 된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했는데, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않으며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 변경이 가능한 것은 말할 필요도 없다.
예를 들어, 상기 실시 형태에 있어서는, 방전 과전류와 충전 과전류의 양방을 검출하는 구성예를 설명했는데, 방전 과전류만, 충전 과전류만의 구성이어도 된다. 또 예를 들어, 상기 실시 형태에 있어서는, FET 회로(20)로서 P채널 FET를 이용한 예를 설명했는데, N채널 FET를 이용하여 논리를 반전시킨 회로 구성을 이용하는 것도 가능하다.
1 이차 전지
2 충방전 제어 장치
10 충방전 제어 회로
11 제어 회로
12, 14 정전류 회로
13, 15 비교 회로
20 FET 회로
21 방전 제어 FET
22 충전 제어 FET
23 충전 기준 FET
24 방전 기준 FET
100 배터리 장치
CO 충전 제어 단자
DO 방전 제어 단자
P＋ 제1 외부 단자
P－ 제2 외부 단자
Vdd 제1 전원 단자
Vss 제2 전원 단자
VM 방전 과전류 검출 단자
VRD 방전 과전류 기준 단자
VRC 충전 과전류 기준 단자

Claims (6)

  1. 이차 전지의 전압 및 전류를 감시하여 이차 전지의 충방전을 제어하는 충방전 제어 장치로서,
    상기 이차 전지의 일단에 접속되는 제1 외부 단자와,
    제2 외부 단자와,
    상기 이차 전지의 타단과 상기 제2 외부 단자 사이에 설치되고, 서로의 드레인이 접속된 충전 제어 FET 및 방전 제어 FET와,
    상기 충전 제어 FET의 드레인과 드레인이 접속되고, 상기 충전 제어 FET의 게이트와 게이트가 접속된 방전 기준 FET와,
    상기 이차 전지의 일단이 접속되는 제1 전원 단자와, 상기 이차 전지의 타단과 상기 방전 제어 FET의 소스가 접속되는 제2 전원 단자와, 상기 충전 제어 FET의 게이트가 접속되는 충전 제어 단자와, 상기 방전 제어 FET의 게이트가 접속되는 방전 제어 단자와, 상기 방전 기준 FET의 소스가 접속되는 방전 과전류 기준 단자와, 상기 충전 제어 FET의 소스가 접속되는 방전 과전류 검출 단자를 갖는 충방전 제어 회로를 구비하고,
    상기 충방전 제어 회로는, 상기 방전 과전류 기준 단자의 전압에 의거하는 방전 과전류 기준 전압과 상기 방전 과전류 검출 단자의 전압에 의해서 방전 과전류를 감시하는 방전 과전류 검출 회로와, 상기 방전 과전류 검출 회로의 신호에 의해서 상기 방전 제어 FET를 제어하는 신호를 출력하는 제어 회로를 갖는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 충방전 제어 장치는, 상기 방전 제어 FET의 드레인과 드레인이 접속되고, 상기 방전 제어 FET의 게이트와 게이트가 접속된 충전 기준 FET를 구비하고,
    상기 충방전 제어 회로는, 상기 충전 기준 FET의 소스가 접속되는 충전 과전류 기준 단자와, 상기 충전 과전류 기준 단자의 전압에 의거하는 충전 과전류 기준 전압과, 상기 제2 전원 단자의 전압에 의해서 충전 과전류를 감시하는 충전 과전류 검출 회로를 가지며,
    상기 제어 회로는, 상기 충전 과전류 검출 회로의 신호에 의해서 상기 충전 제어 FET를 제어하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 충전 제어 FET 및 상기 방전 제어 FET와 상기 방전 기준 FET 및 상기 충전 기준 FET는, 세로형 MOSFET인 것을 특징으로 하는 충방전 제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 충전 제어 FET 및 상기 방전 제어 FET와 상기 방전 기준 FET 및 상기 충전 기준 FET는, 상기 충방전 제어 회로와 상이한 반도체 기판 상에 형성된 것을 특징으로 하는 충방전 제어 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 충방전 제어 회로는,
    상기 방전 과전류 검출 단자의 전압과 상기 제2 전원 단자의 전압을 비교하여, 상기 제1 외부 단자와 상기 제2 외부 단자 사이에 충전 전류가 흐르고 있는 것을 검출하면, 상기 제어 회로에 충전 전류 검출 신호를 출력하는 비교 회로를 갖고,
    상기 제어 회로는, 상기 충전 전류 검출 신호에 따라 상기 방전 과전류 검출 회로의 전류 경로와 상기 충전 과전류 검출 회로의 전류 경로를 전환하는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 장치.
  6. 상기 이차 전지와,
    청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 충방전 제어 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 배터리 장치.
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