KR20210031270A - 스위칭 충전 및 직접 충전 방식에 기반하여 배터리를 충전하는 충전 관리 칩 및 그 동작방법 - Google Patents

스위칭 충전 및 직접 충전 방식에 기반하여 배터리를 충전하는 충전 관리 칩 및 그 동작방법 Download PDF

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Abstract

스위칭 충전 및 직접 충전 방식에 기반하여 배터리를 충전하는 충전 관리 칩 및 그 동작방법이 개시된다. 본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따른 충전 관리 칩은, 외부의 충전기로부터 충전 전원을 수신하고, 상기 충전 전원을 제1 노드를 통해 바이패스하여 출력하고, 상기 충전 관리 칩이 채용된 전자 시스템에서 이용되는 시스템 전압을 생성함과 함께 스위칭 충전 방식에 따라 배터리를 충전하는 스위칭 충전 회로 및 입력 노드를 통해 상기 제1 노드에 인가된 상기 충전 전원을 수신하고, 내부의 스위칭 회로의 스위칭 동작에 기반하여 상기 충전 전원을 출력 노드를 통해 상기 배터리로 제공함으로써 직접 충전 방식에 따라 상기 배터리를 충전하는 직접 충전 회로를 구비하고, 상기 스위칭 충전 회로는 상기 충전 관리 칩의 외부에 배치되는 인덕터를 포함하는 제1 충전 경로에 따라 상기 배터리를 충전하고, 상기 직접 충전 회로는 상기 출력 노드로 전달된 충전 전원을 상기 배터리로 직접 제공하는 제2 충전 경로에 따라 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.

Description

스위칭 충전 및 직접 충전 방식에 기반하여 배터리를 충전하는 충전 관리 칩 및 그 동작방법{Charging management chip charging battery based on switching charging and direct charging and Operating method thereof}
본 개시의 기술적 사상은 충전 관리 칩에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 스위칭 충전 및 직접 충전 방식에 기반하여 배터리를 충전하는 충전 관리 칩 및 그 동작방법에 관한 것이다.
모바일 장치 또는 휴대용 장치 등의 전자 시스템은 전원을 공급받기 위해 배터리를 사용한다. 배터리를 충전하기 위해 다양한 방식이 사용될 수 있으며, 일 예로서 직접 충전(direct charging) 기능을 지원하는 충전기를 통해 배터리가 직접 충전 방식으로 충전될 수 있으며, 또는 일반 충전기를 통해 배터리가 스위칭 충전(switching charging) 방식으로 충전될 수 있다. 일반적으로 직접 충전 방식은 스위칭 충전 방식에 비해 충전 효율이 높을 수 있다.
그러나, 전자 시스템에 직접 충전 방식 및 스위칭 충전 방식을 위한 충전 회로가 별개로 구비될 필요가 있으며, 일반적으로 직접 충전 방식을 위한 충전 회로와 스위칭 충전 방식을 위한 충전 회로는 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 이 경우, 직접 충전 및 스위칭 충전 기능을 지원하기 위해 전자 시스템에 장착되는 반도체 칩의 개수가 증가하고, 이는 전자 시스템의 사이즈를 증가시키는 요인이 된다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는, 직접 충전 회로 및 스위칭 충전 회로가 하나의 반도체 칩에 내장된 충전 관리 칩 및 그 동작방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따른 충전 관리 칩은, 외부의 충전기로부터 충전 전원을 수신하고, 상기 충전 전원을 제1 노드를 통해 바이패스하여 출력하고, 상기 충전 관리 칩이 채용된 전자 시스템에 제공되는 시스템 전압의 생성을 제어함과 함께 스위칭 충전 방식에 따라 배터리를 충전하는 스위칭 충전 회로 및 입력 노드를 통해 상기 제1 노드에 인가된 상기 충전 전원을 수신하고, 내부의 스위칭 회로의 스위칭 동작에 기반하여 상기 충전 전원을 출력 노드를 통해 상기 배터리로 제공함으로써 직접 충전 방식에 따라 상기 배터리를 충전하는 직접 충전 회로를 구비하고, 상기 스위칭 충전 회로는 상기 충전 관리 칩의 외부에 배치되는 인덕터를 포함하는 제1 충전 경로에 따라 상기 배터리를 충전하고, 상기 직접 충전 회로는 상기 출력 노드로 전달된 충전 전원을 상기 배터리로 직접 제공하는 제2 충전 경로에 따라 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 한다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 충전 관리 칩 및 그 동작방법에 따르면, 직접 충전 회로 및 스위칭 충전 회로가 하나의 반도체 칩에 내장됨에 따라 전자 시스템의 사이즈 증가 요인을 방지할 수 있으며, 또한 직접 충전 기능을 제공함에 따라 충전 효율을 향상함과 함께 발열을 억제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 충전 관리 칩 및 그 동작방법에 따르면, 충전 관리 칩 내에 CC 회로 블록, 파워 미터, 및 연료 게이지 블록 등이 집적됨에 따라 전자 시스템 내에 구비되는 반도체 칩의 개수를 더 감소할 수 있으며, 또한 어플리케이션 프로세서의 제어에 무관하게 직접 외부의 충전기와 통신하여 충전 전원을 조절할 수 있으므로 충전 동작을 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 충전 관리 칩을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 충전 관리 칩의 일 구현 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 충전 관리 칩의 일 구현 예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 USB Type-C 구조의 커넥터로부터 전원을 수신하는 충전 관리 칩의 일 구현 예를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 반도체 칩을 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 충전 관리 칩의 동작방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 직접 충전 동작의 구체적인 예를 나타내는 플로우차트이다.
도 8a,b,c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 충전 관리 칩의 다양한 충전 모드들을 나타내는 회로도이다.
도 9는 도 8a,b,c에 도시된 다양한 충전 모드들에 따른 충전 동작의 일 예를 나타내는 플로우차트이다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 충전 관리 칩의 일 구현 예를 나타낸다.
도 11a,b는 기존의 스위칭 충전 방식에 따른 충전 프로파일과 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 충전 프로파일의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 12a,b및 도 13a,b은 직접 충전 회로에 구비되는 스위칭 회로의 일 구현 예들을 나타내는 회로도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 충전 관리 칩의 충전 프로파일의 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 충전 관리 칩을 포함하는 전자 시스템의 구현 예를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 충전 관리 칩을 나타내는 블록도이다. 도 1에서는 충전 관리 칩(100)과 함께 이에 연결된 배터리(101)가 더 도시되며, 충전 관리 칩(100)과 배터리(101)는 전자 시스템(또는, 전자 장치)에 포함되는 구성일 수 있다.
충전 관리 칩(100)은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 일 예로서 하나의 반도체 장치(또는, 반도체 칩이나 반도체 패키지 등)으로 구현될 수 있다. 예시적인 실시예들에 따라, 충전 관리 칩(100)은 스위칭 충전(Switching Charging) 회로(110) 및 직접 충전(Direct Charging) 회로(120)를 포함할 수 있으며, 충전 관리 칩(100)이 하나의 반도체 칩으로 구현되는 경우 하나의(또는, 동일한) 반도체 기판에 스위칭 충전 회로(110) 및 직접 충전 회로(120)에 구비되는 각종 회로들이 형성될 수 있다. 또한, 스위칭 충전 회로(110) 및 직접 충전 회로(120)에 구비되는 회로들은 동일한 반도체 기판에 동일한 반도체 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
한편, 충전 관리 칩(100)은 전자 시스템 내의 보드(미도시)에 장착될 수 있으며, 충전 관리 칩(100)이 전자 시스템에 장착될 때 충전 동작과 관련하여 배치되는 하나 이상의 회로 소자들에 연결될 수 있다. 일 예로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 충전 관리 칩(100)은 인덕터(L) 및 커패시터(C) 등에 연결될 수 있다. 즉, 예시적인 실시예에 따라, 도 1에 도시된 구성 요소들 중 인덕터(L) 및 커패시터(C)는 하나의 반도체 칩에 해당하는 충전 관리 칩(100)의 외부에 배치되는 구성일 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 충전 관리 칩(100)은 다양한 종류의 전자 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면, 충전 관리 칩(100)은 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC(tablet personal computer), 이동 전화기(mobile phone), 영상 전화기, 전자책 리더기(e-book reader), 데스크탑 PC(desktop personal computer), 랩탑 PC(laptop personal computer), 넷북 컴퓨터(netbook computer), 워크 스테이션(workstation), 서버, PDA(personal digital assistant), PMP(portable multimedia player), MP3 플레이어, 모바일 의료기기, 카메라(camera), 또는 웨어러블 장치(wearable device) 등 다양한 종류의 전자 시스템에 구비될 수 있다.
충전 관리 칩(100)은 외부의 유선 충전기 및/또는 무선 충전기에 연결될 수 있고, 유선 충전기 및/또는 무선 충전기로부터 전원을 수신할 수 있다. 실시예들에 따라 유선 충전기는 트래블 어댑터(Travel Adaptor, TA)로 지칭될 수 있으며, 이에 따라 유선 충전기의 용어와 트래블 어댑터의 용어는 혼용될 수 있다. 또한, 이하의 실시예들에서 언급되는 충전 전원은 다양한 의미로 활용될 수 있으며, 일 예로서 충전기로부터 제공되는 전원이 충전 전원을 나타낼 수도 있고, 또는 전원 중 실제 배터리(101)로 제공되는 일부의 전원이 충전 전원을 나타낼 수도 있을 것이다.
일 구현 예로서, 충전 관리 칩(100)이 채용된 전자 시스템은 유선 인터페이스(TAIN) 및 무선 인터페이스(wireless charge interface, WCIN)를 포함할 수 있으며, 유선 충전기로부터의 전원은 유선 인터페이스(TAIN)를 통해 충전 관리 칩(100)으로 제공되고, 무선 충전기로부터의 전원은 무선 인터페이스(WCIN)를 통해 충전 관리 칩(100)으로 제공될 수 있다. 유선 충전기 및 무선 충전기로부터의 전원 중 적어도 일부는 충전 전원으로서 배터리(101)를 충전하기 위해 이용될 수 있다.
유선 인터페이스(TAIN)는 USB(universal serial bus) 등 다양한 종류의 커넥터를 구비하고, 커넥터를 통해 외부의 유선 충전기와 연결될 수 있다. 또한, 무선 인터페이스(WCIN)는 코일(예컨대, 도전성 패턴)과 무선 충전 IC를 구비하고 충전 패드 등의 무선 충전기와 무선으로 전력을 송수신할 수 있다
한편, 충전 관리 칩(100)은 일반 충전(normal charging) 방식, 고속 충전(fast charging) 방식 및 직접 충전(direct charging) 방식 등 다양한 방식들을 이용하여 배터리(101)를 충전할 수 있다. 일 예로서, 스위칭 충전 회로(110)는 일반 충전 방식 및 고속 충전 방식을 통해 배터리(101)를 충전할 수 있고, 직접 충전 회로(120)는 직접 충전 방식을 통해 배터리(101)를 충전할 수 있다. 직접 충전 방식은 유선 충전기 및/또는 무선 충전기(실시예들에 따라, 충전기로 통칭될 수 있음)로부터 제공되는 전원을 배터리(101)로 직접 제공하는 방식으로서, 전력 효율을 향상시키고 이를 통해 발열을 감소시키고 배터리(101)의 충전 시간을 단축시킬 수 있다.
일 예로서, 충전기는 일반 충전 기능만을 지원하거나 또는 고속 충전 기능을 지원할 수 있으며, 스위칭 충전 회로(110)는 충전기의 종류에 따라 5 W 내지 15 W 정도의 충전 용량을 지원하는 일반 충전을 수행하거나, 15 W 내지 20 W 정도의 충전 용량을 지원하는 고속 충전을 수행할 수 있으며, 스위칭 충전 방식의 경우 대략 90 ~ 93 %의 충전 효율을 가질 수 있다. 반면에, 충전기가 직접 충전 기능을 지원하는 경우에는 직접 충전 회로(120)는 대략 96 % 내지 약 98 %의 충전 효율을 갖는 직접 충전을 수행할 수 있으며, 직접 충전의 충전 효율이 높으므로 열 방출 특성 또한 향상될 수 있다.
한편, 스위칭 충전 방식에서는 정전압(constant voltage) 제어 및 정전류(constant current) 제어에 기반하여 배터리(101)의 충전 동작을 수행하며, 직접 충전 방식에서는 주로 정전류 제어에 기반하여 배터리(101)의 충전 동작을 수행한다. 그러나, 직접 충전 방식에서는 정전압 제어를 통하여 배터리(101)의 충전 량(또는, 배터리의 전압)을 세밀하게 제어하는 동작이 어렵기 때문에, 직접 충전 기능을 지원하는 전용 충전기가 전자 시스템에 연결되는 경우에도 직접 충전 방식과 스위칭 충전 방식을 함께 사용하여 배터리(101)를 충전할 필요가 있다.
스위칭 충전 회로(110)와 직접 충전 회로(120) 각각은 충전기로부터의 충전 전원을 배터리(101)로 전달하는 충전 경로를 포함할 수 있으며, 일 예로서 스위칭 충전 회로(110) 또는 직접 충전 회로(120)가 선택적으로 배터리(101)를 충전하거나, 스위칭 충전 회로(110)와 직접 충전 회로(120)가 함께 배터리(101)를 충전할 수도 있다. 일 예로서, 스위칭 충전 회로(110)는 충전기로부터의 충전 전원을 바이패스(Bypass)하여 직접 충전 회로(120)의 입력 노드(VIN)로 제공하는 제1 노드(VBYP)를 포함할 수 있다.
한편, 스위칭 충전 회로(110)는 제2 노드(LX), 제3 노드(VSYS) 및 제4 노드(VBAT)를 더 포함하고, 스위칭 충전 동작에서 제2 노드(LX), 인덕터(L), 제3 노드(VSYS) 및 제4 노드(VBAT)를 통한 제1 충전 경로를 통해 충전 전원이 배터리(101)로 제공될 수 있다. 제3 노드(VSYS)는 충전 관리 칩(100) 내부 및/또는 외부의 회로 블록으로 제공되는 시스템 전압(Vsys)에 연결될 수 있다. 또한, 제2 노드(LX)와 제3 노드(VSYS) 사이에 인덕터(L)가 연결될 수 있으며, 제3 노드(VSYS)와 접지 전압 사이에 커패시터(C)가 연결될 수 있다. 제4 노드(VBAT)는 배터리(101)를 충전하기 위한 전압을 출력할 수 있다.
한편, 직접 충전 회로(120)는 입력 노드(VIN)와 출력 노드(VOUT)를 포함하고, 입력 노드(VIN)는 스위칭 충전 회로(110)의 제1 노드(VBYP)에 연결되고 출력 노드(VOUT)는 배터리(101)에 연결될 수 있으며, 직접 충전 방식에서 입력 노드(VIN)를 통해 수신된 충전 전원을 출력 노드(VOUT)를 통해 배터리(101)로 직접 제공할 수 있다. 즉, 직접 충전 방식에서의 충전 전원은 스위칭 충전 회로(110)의 입력 회로를 통해 제공받을 수 있고, 이에 따라 스위칭 충전 및 직접 충전을 위한 충전 전원의 입력 회로는 공유될 수 있다. 또한, 직접 충전 회로(120)의 출력 노드(VOUT)는 배터리(101)에 직접 연결될 수 있고, 일 예로서 직접 충전 방식을 통한 충전 경로는 외부의 인덕터나 커패시터 등의 수동 소자(passive element)를 포함하지 않는 경로를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 스위칭 충전 회로(110)와 직접 충전 회로(120)는 충전 전원을 스위칭하기 위한 회로들을 포함할 수 있고, 상기 회로들을 제어하기 위한 구성 요소들(미도시)은 충전 관리 칩(100)에 해당하는 반도체 칩에 함께 집적될 수 있다. 또한, 충전 관리 칩(100)이 하나의 반도체 칩으로 구현됨에 따라 외부의 장치들과 연결되는 하나 이상의 단자들을 포함할 수 있으며, 일 예로서 충전 관리 칩(100)은 유선 인터페이스(TAIN) 및 무선 인터페이스(WCIN)와 연결되는 단자들, 외부의 회로들(예컨대, 인덕터(L), 커패시터(C) 등)과 연결되는 단자들, 그리고 배터리(101)와 연결되는 단자들(이상, 미도시)을 포함할 수 있을 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 스위칭 충전 회로(110)와 직접 충전 회로(120)가 하나의 반도체 칩에 집적되고, 또한 스위칭 충전 및 직접 충전을 위한 충전 전원의 입력 회로가 공유될 수 있으므로, 충전 관리 칩(100)의 사이즈를 감소시킬 수 있으며, 또한 충전 관리 칩(100)이 채용된 모바일 장치 또는 휴대용 장치의 사이즈를 감소시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에서 배터리(101)는 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 배터리, 니켈 수소(Ni-MH) 배터리, 리튬 이온 배터리 등을 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 도 1의 충전 관리 칩의 일 구현 예를 나타내는 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 스위칭 충전 회로(110)는 입력 스위치 회로(111), 벅(BUCK) 제어 회로(112) 및 파워 경로 제어 회로(113)를 포함할 수 있다. 또한, 직접 충전 회로(120)는 입력 노드(VIN)와 출력 노드(VOUT) 사이에 연결된 스위칭 회로(121)를 포함할 수 있다. 이와 함께, 전술한 실시예에 따라 충전 관리 칩(100)은 배터리(101) 충전에 관련된 회로 소자들에 연결될 수 있으며, 일 예로서 스위칭 충전 회로(110)의 하나 이상의 노드들에 연결된 인덕터(L)와 커패시터(C)가 더 도시된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 과전압 보호 회로(Over Voltage Protection circuit, OVP) IC(102)가 전자 시스템에 더 구비될 수 있으며, 유선 충전기로부터의 충전 전원은 OVP IC(102)를 통해 충전 관리 칩(100)으로 제공될 수 있다. 일 구현 예로서, OVP IC(102)는 별개의 반도체 칩으로 구현될 수 있고, 이에 따라 OVP IC(102)는 충전 관리 칩(100)의 외부에 배치될 수 있다. OVP IC(102)는 유선 충전기로부터 제공되는 전압이 과전압에 해당하는 경우, 유선 충전기로부터의 전원이 충전 관리 칩(100)으로 제공되는 것을 차단함으로써 충전 관리 칩(100) 내부의 회로들의 손상을 방지할 수 있다.
입력 스위치 회로(111)는 하나 이상의 스위치들을 포함하고, 스위치 온/오프 상태에 따라 유선 충전기 및 무선 충전기로부터의 충전 전원을 충전 관리 칩(100) 내부로 전달할 수 있다. 일 예로서, 입력 스위치 회로(111)는 벅(BUCK) 제어 회로(112)로 충전 전원을 제공하거나, 제1 노드(VBYP)를 통해 충전 전원을 직접 충전 회로(120)로 제공할 수 있다.
벅(BUCK) 제어 회로(112)는 입력 스위치 회로(111)를 통해 수신되는 충전 전원을 배터리(101)를 충전하기에 적합한 레벨의 전압 또는 전류로 변환하는 동작을 제어할 수 있으며, 또한 배터리(101)로부터의 전원을 전자 시스템 내부에서 이용하기 적합한 레벨의 전압 또는 전류로 변환하는 동작을 제어할 수 있다. 일 예로서, 벅(BUCK) 제어 회로(112)는 하나 이상의 스위치들을 포함하고, 다양한 모드들에 따라 스위치들을 제어함으로써 충전 동작을 제어하거나 또는 시스템 전압(Vsys) 생성 동작을 제어할 수 있다. 벅(BUCK) 제어 회로(112)는 제2 노드(LX)를 통해 외부의 인덕터(L)의 일 단에 연결될 수 있고, 상기한 스위칭 동작을 통해 충전 전원을 제2 노드(LX)로 제공할 수 있다.
한편, 파워 경로 제어 회로(113)는 충전기로부터 제공된 충전 전원이 배터리(101)로 제공되도록 파워 경로를 제어하거나, 배터리(101)로부터의 전원이 전자 시스템 내부에서 이용되는 시스템 전압(Vsys)으로 제공되도록 파워 경로를 제어하는 동작을 수행할 수 있다. 파워 경로 제어 회로(113)는 제3 노드(VSYS) 및 제4 노드(VBAT)에 연결되어 상기한 파워 경로의 제어 동작을 수행할 수 있다.
일 예로서, 파워 경로 제어 회로(113)는 하나 이상의 스위치들을 포함하고, 충전기로부터 제공된 전원의 일부를 충전 전원으로서 배터리(101)로 제공하고, 다른 일부는 전자 시스템 내부에서 이용되는 시스템 전압(Vsys)으로 제공되도록 파워 경로를 제어할 수 있다. 일 동작 예로서, 전자 시스템의 전원이 오프된 경우에는 충전기로부터 제공된 전원이 충전 전원으로서 배터리(101)로 제공될 수 있고, 전자 시스템의 전원이 온 상태인 경우에는 충전기로부터 제공된 전원 중 일부가 충전 전원으로서 배터리(101)로 제공될 수 있다.
한편, 직접 충전 회로(120)에 구비되는 스위칭 회로(121)는 하나 이상의 스위치들을 포함할 수 있고, 스위칭 회로(121)의 스위칭 상태에 따라 입력 노드(VIN)와 출력 노드(VOUT) 사이의 전기적 연결이 제어될 수 있다. 일 예로서, 직접 충전 회로(120)는 전압 디바이더(또는, 커패시터 디바이더) 기능을 수행하고, 입력 노드(VIN)로 인가된 충전 전원을 분배하여 출력 노드(VOUT)로 제공할 수 있으며, 출력 노드(VOUT)로 전달된 충전 전원이 배터리(101)로 제공될 수 있다. 스위칭 회로(121)는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 스위칭 회로(121)의 구현 형태에 따라 입력 노드(VIN)로 제공되는 충전 전원과 동일한 레벨의 전원이 출력 노드(VOUT)로 제공될 수 있으며, 또는 입력 노드(VIN)로 제공되는 충전 전원과 상이한 레벨의 전원이 출력 노드(VOUT)로 제공될 수도 있다.
도 2에 도시된 실시예에 따라, 입력 스위치 회로(111)는 스위칭 충전 동작과 직접 충전 동작에서 공통하게 충전 전원을 수신하는 회로로서 이용되고, 이에 따라 하나의 반도체 칩으로 구현되는 충전 관리 칩(100)의 사이즈가 감소될 수 있다. 또한, 하나의 반도체 칩 내에서 스위칭 충전 회로(110) 및 직접 충전 회로(120)를 이용한 다양한 충전 모드들이 지원될 수 있고, 이에 따라 스위칭 충전 회로(110) 및 직접 충전 회로(120) 중 어느 하나에 의해 선택적으로 배터리(101)에 대한 충전 동작이 수행되거나, 스위칭 충전 회로(110) 및 직접 충전 회로(120)를 이용하여 배터리(101)에 대한 충전 동작이 수행될 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같이 도 2에 도시된 각종 구성 요소들은 하나 이상의 스위치들을 포함할 수 있고, 스위치들은 충전 관리 칩(100) 내에서 생성되는 제어 신호들(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 일 예로서, 충전 관리 칩(100)은 그 내부의 다양한 노드들로부터 검출된 전압/전류에 따른 제어 신호를 생성하거나, 또는 배터리(101)의 전압/전류를 검출한 결과에 따른 제어 신호를 생성하는 회로들을 포함할 수 있고, 상기한 전압/전류의 검출 결과에 기반하여 충전 관리 칩(100) 내의 각종 스위치들이 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 충전 관리 칩의 일 구현 예를 나타내는 회로도이다. 도 3에 도시된 회로도는 충전 관리 칩의 하나의 구현 가능한 예를 나타내는 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예들에 따른 충전 기능을 수행함에 있어서 구체적인 회로 설계는 다소 변형된 형태를 가질 수도 있을 것이다.
도 3을 참조하면, 충전 관리 칩(200)은 하나의 반도체 칩으로 구현될 수 있고, 스위칭 충전 회로(210)와 직접 충전 회로(220)를 포함할 수 있다. 또한, 스위칭 충전 회로(210)는 입력 스위치 회로(211), 벅(BUCK) 제어 회로(212) 및 파워 경로 제어 회로(213)를 포함할 수 있으며, 직접 충전 회로(220)는 스위칭 회로(221)를 포함할 수 있다. 또한, 충전 관리 칩(200)은 유선 충전기와 통신하는 유선 인터페이스(TAIN)와 무선 충전기와 통신하는 무선 인터페이스(WCIN)에 연결될 수 있다. 또한, 도 3에서는 전술한 실시예에서와 같이 OVP IC(201)가 충전 관리 칩(200)의 외부에 배치된 예가 도시되며, 유선 인터페이스(TAIN)를 통한 충전 전원은 OVP IC(201)를 통해 충전 관리 칩(200)으로 제공될 수 있다. 또한, 배터리(202)에 대한 충전 동작과 관련하여 추가의 회로 소자들이 더 필요로 될 수 있으며, 도 3에 도시된 인덕터(L) 및 커패시터(C) 등은 충전 관리 칩(200)의 외부에 배치되는 구성일 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서와 같이 입력 스위치 회로(211), 벅(BUCK) 제어 회로(212) 및 파워 경로 제어 회로(213) 각각은 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있다. 일 예로서, 입력 스위치 회로(211)는 유선 인터페이스(TAIN)를 통해 수신되는 충전 전원을 전달하는 제1 입력 스위치(Q1)와 무선 인터페이스(WCIN)를 통해 수신되는 충전 전원을 전달하는 제2 입력 스위치(Q2)를 포함할 수 있다. 또한, 벅(BUCK) 제어 회로(212)는 입력 스위치 회로(211)의 출력과 접지 전압 사이에 직렬하게 연결되는 하나 이상의 스위치들을 포함할 수 있고, 일 예로서 제1 및 제2 벅(BUCK) 제어 스위치들(Q11, Q12)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 벅(BUCK) 제어 스위치들(Q11, Q12) 사이의 노드는 제2 노드(LX)에 연결될 수 있다.
한편, 파워 경로 제어 회로(213)는 경로 제어 스위치(Q21)를 포함할 수 있으며, 경로 제어 스위치(Q21)는 제3 노드(VSYS) 및 제4 노드(VBAT) 사이에 연결될 수 있다. 경로 제어 스위치(Q21)는 제3 노드(VSYS)를 통해 시스템 전압(Vsys)이 인가되는 노드에 연결될 수 있고, 제4 노드(VBAT)를 통해 배터리(202)에 연결될 수 있다. 또한, 경로 제어 스위치(Q21)의 스위칭 상태에 따라 스위칭 충전 방식에 따른 제1 충전 경로(Path_S)가 형성될 수 있다.
한편, 스위칭 충전 회로(210)에 구비되는 스위치들(Q1, Q2, Q11, Q12, Q21)을 제어하기 위한 각종 제어 신호들이 충전 관리 칩(200) 내부에서 생성될 수 있으며, 전술한 실시예에 따라 각종 제어 신호들은 충전 관리 칩(200) 내의 다양한 노드들 및/또는 배터리(202)에 연결된 노드들의 전압/전류 레벨을 검출한 결과에 기반하여 생성될 수 있다. 도 3에서는 입력 스위치 회로(211)로 제공되는 제어 신호들(Ctrl_Q1, Ctrl_Q2), 벅(BUCK) 제어 회로(212)로 제공되는 제어 신호들(Ctrl_Q11, Ctrl_Q12) 및 파워 경로 제어 회로(213)로 제공되는 제어 신호(Ctrl_Q21)이 예시된다.
한편, 직접 충전 방식에 따라 충전이 수행되는 경우, 직접 충전 회로(220)는 제1 노드(VBYP) 및 충전 관리 칩(200) 내부의 배선을 통해 충전 전원을 수신하고, 스위칭 회로(221)에 구비되는 스위치(예컨대, 직접 충전 스위치(Q31))의 스위칭 동작에 기반하여 입력 노드(VIN)와 출력 노드(VOUT)가 전기적으로 연결되며, 이에 따라 직접 충전 방식에 따른 제2 충전 경로(Path_D)가 형성되고, 충전 전원이 배터리(202)로 제공될 수 있다. 한편, 도 3에서는 스위칭 회로(221) 내에 하나의 스위치(Q31)와 대응하는 제어 신호(Ctrl_Q31)가 예시되었으나, 더 많은 개수의 스위치들이 스위칭 회로(221)에 구비될 수도 있을 것이다.
도 4는 USB Type-C 구조의 커넥터로부터 전원을 수신하는 충전 관리 칩의 일 구현 예를 나타내는 블록도이다. 일 예로서, 도 4는 USB(Universal Serial Bus) Type-C 구조의 커넥터(310)와 본 발명의 예시적인 실시예의 충전 관리 칩(320)을 포함하는 전자 시스템(300)을 나타낼 수 있다. 도 4에 USB Type-C 구조와 관련하여 기재된 각종 용어들은 USB 스펙을 통해 당업자에게 용이하게 이해될 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략된다.
도 4의 전자 시스템(300)을 참조하면, USB Type-C 구조의 커넥터(310)는 전술한 실시예들에서 유선 인터페이스에 구비되는 구성일 수 있다. 또한, 상기 USB Type-C 구조의 커넥터(310)에 포함되는 핀들은 대칭 구조를 가질 수 있다. 즉, 유선 충전기가 커넥터(310)에 연결될 때, 대칭 구조에 의해 유선 충전기의 방향성에 관계 없이 연결이 가능하다.
커넥터(310)는 두 개의 열들의 핀들을 포함할 수 있다. 일 예로서, 커넥터(310)는 제1 열의 핀들(A1 ~ A12) 및 제2 열의 핀들(B1 ~ B12)을 포함할 수 있으며 다양한 속도의 데이터 통신을 지원할 수 있다. 일 예로서, 커넥터(310)는 제1 규격(예컨대, USB 3.1)에 따른 고속 데이터 통신을 지원하는 핀들(A2 ~ A3, A10 ~ A11, B2 ~ B3, B10 ~ B11)과, 제2 규격(예컨대, USB 2.0)에 따른 저속 데이터 통신을 지원하는 핀들(A6 ~ A7, B6 ~ B7)을 포함할 수 있다. 이외에도, 제1 열의 핀들(A1 ~ A12) 및 제2 열의 핀들(B1 ~ B12) 각각은 고유의 기능을 수행할 수 있으며, 일 예로 VBUS 핀(A4, A9, B4, B9)은 전원 공급 핀에 해당하고, GND 핀(A1, A12, B1, B12)은 접지 전압을 전달하는 핀에 해당하며, SBU(Sideband Use) 핀(A8, B8)은 ALT(Alternate) 모드 지원을 위해 이용되는 핀으로서 Thunderbolt, DisplayPort, HDMI 등을 탑재한 케이블과 연결될 수 있다.
한편, 커넥터(310)가 채용된 전자 시스템(300)은 양방향 통신을 수행할 수 있다. 일 예로서, 전자 시스템(300)은 커넥터(310)를 통해 외부의 장치와 연결될 때 호스트(예컨대, downstream facing port(DFP))로 동작하거나 또는 슬레이브(upstream facing port(UFP))로 동작할 수 있다. 또는, 전술한 전자 시스템(300)은 DRP(dual role port)로 동작할 수 있으며, 이 때 상기 시스템(300)은 호스트(DFP) 또는 디바이스(UFP)의 역할을 적응적으로 변경할 수 있다.
상기와 같은 전자 시스템(300)의 역할은 커넥터(310)의 CC(Configuration Channels) 핀(A5, B5)을 통해 지정될 수 있다. 일 예로서, USB 인터페이스의 경우 데이터 연결(data connection) 및 제어(control)가 CC1/CC2 핀(A5, B5)을 통한 디지털 통신에 의해 수행될 수 있다.
한편, 충전 관리 칩(320)은 상기 커넥터(310)를 통해 충전 전원(V_TA)을 수신할 수 있으며, 일 예로서 커넥터(310)의 다양한 핀들(예컨대, VBUS 핀)을 통해 충전 전원(V_TA)을 수신할 수 있다. 충전 관리 칩(320)은 CC(Configuration Channels) 회로 블록(321), 스위칭 충전 회로(322) 및 직접 충전 회로(323)를 포함할 수 있다. 충전 관리 칩(320)은 상기 커넥터(310)를 통해 충전 전원(V_TA)을 수신함과 함께, 무선 충전기(미도시)로부터 제공되는 충전 전원(V_WCIN)을 더 수신할 수 있다.
CC 회로 블록(321)은 커넥터(310)의 적어도 하나의 핀에 연결될 수 있고, 일 예로서 CC1/CC2 핀(A5, B5)에 연결될 수 있다. CC 회로 블록(321)은 상기한 바에 따라 커넥터(310)를 통해 외부의 장치(예컨대, 유선 충전기)와 통신할 수 있으며, 각종 정보를 외부의 장치로 제공할 수 있다. 일 예로서, CC 회로 블록(321)은 유선 충전기로부터 제공되는 충전 전원(V_TA)의 레벨을 조절하기 위한 레벨 조절 정보(Info_UD)를 커넥터(310)를 통해 외부의 장치로 제공할 수 있고, 이에 따라 그 레벨이 조절된 충전 전원(V_TA)을 수신할 수 있다.
배터리에 대한 충전 과정은 기 설정되는 충전 프로파일에 따른 동작을 수행할 수 있고, 충전 프로파일은 다양한 충전 모드들을 포함할 수 있다. 일 예로서, 유선 충전기에 의해 배터리가 충전되는 경우를 가정하면, 충전 프로파일에 따라 충전 전원(V_TA)의 레벨이 단계적으로 상승하거나 또는 단계적으로 하강할 필요가 있으며, CC 회로 블록(321)이 레벨 조절 정보(Info_UD)를 유선 충전기로 제공함으로써 충전 전원(V_TA)의 레벨이 변동될 수 있다. 일 예로서, 배터리의 전압이나 배터리로 제공되는 전류의 레벨은 기 설정되는 범위 이내의 레벨을 유지할 필요가 있으며, 배터리의 전압 및/또는 전류를 검출한 결과에 기반하여 레벨 조절 정보(Info_UD)를 유선 충전기로 제공함으로써 충전 전원(V_TA)의 레벨을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
도 4에서는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 충전 관리 칩(320)이 USB Type-C 구조의 커넥터(310)에 연결된 예가 도시되었으나, 본 발명의 실시예들은 다른 다양한 구조의 커넥터에 적용될 수도 있을 것이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 반도체 칩을 나타내는 블록도이다. 도 5에서는 전술한 스위칭 충전 및 직접 충전을 위한 회로들과 함께 다른 다양한 기능들이 함께 집적된 반도체 칩(400)이 예시되며, 반도체 칩(400)은 전술한 실시예에서와 같이 충전 관리 칩으로 지칭될 수도 있을 것이다.
도 5를 참조하면, 반도체 칩(400)은 CC 회로 블록(410), 스위칭 충전 회로(420), 직접 충전 회로(430), 파워 미터(Power Meter(PM)) 블록(440) 및 연료 게이지(Fuel Gauge) 블록(450)을 포함할 수 있다. CC 회로 블록(410)은 전술한 실시예에 따라 USB 타입에 기반하는 커넥터(미도시)에 연결될 수 있고, 커넥터를 통해 외부의 장치(일 예로서, 유선 충전기)와 연결될 수 있다. 일 실시예에 따라, CC 회로 블록(410)은 USB Type-C 구조의 커넥터의 CC1/CC2 핀에 연결될 수 있고, 유선 충전기와 CC 통신을 수행할 수 있다. 한편, 스위칭 충전 회로(420) 및 직접 충전 회로(430) 각각은 전술한 실시예들에 따라 구현될 수 있고, 이에 따라 스위칭 충전 회로(420)는 스위칭 충전 방식에 따른 제1 충전 경로를 통해 배터리를 충전하고, 직접 충전 회로(430)는 직접 충전 방식에 따른 제2 충전 경로를 통해 배터리를 충전할 수 있다.
파워 미터 블록(440) 및 연료 게이지 블록(450)은 반도체 칩(400) 내부의 다양한 노드의 전압 및 전류, 배터리의 전압 및 전류 등을 검출하고 그 검출 결과를 출력할 수 있다. 일 예로서, 파워 미터 블록(440) 및 연료 게이지 블록(450) 각각은 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하고, 전압 및 전류를 검출한 결과를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 일 예로서, 파워 미터 블록(440)은 스위칭 충전 회로(420) 및 직접 충전 회로(430)로 검출 결과들(Det_S1, Det_D1)을 제공하고, 연료 게이지 블록(450)은 스위칭 충전 회로(420) 및 직접 충전 회로(430)로 검출 결과들(Det_S2, Det_D2)을 제공할 수 있다.
일 구현 예로서, 스위칭 충전 회로(420) 및 직접 충전 회로(430) 각각에는 소정의 충전 프로파일에 따라 스위치들이 동작할 수 있도록 하드웨어적인 회로 블록이 배치되고, 이를 통해 파워 미터 블록(440) 및 연료 게이지 블록(450)으로부터의 검출 결과(Det_S1, Det_D1, Det_S2, Det_D2)에 대응하는 제어 신호들이 스위칭 충전 회로(420) 및 직접 충전 회로(430)에 구비되는 스위치들을 제어하기 위해 생성될 수 있다.
한편, 다른 다양한 구현 예로서, 파워 미터 블록(440) 및 연료 게이지 블록(450) 각각으로부터의 출력 신호들이 스위칭 충전 회로(420) 및 직접 충전 회로(430)에 구비되는 스위치들을 제어하기 위한 제어 신호로서 이용될 수도 있을 것이다.
파워 미터 블록(440)은 반도체 칩(400) 내부의 다양한 노드들의 전압 및 전류의 레벨을 검출할 수 있고, 일 동작 예로서 충전기로부터의 충전 전원을 수신하는 입력단의 전압 및 전류의 레벨을 검출할 수 있다. 또한, 연료 게이지 블록(450)은 배터리에 관련하여 다양한 정보들(일 예로, 배터리의 용량, 충방전 횟수, 온도, 또는 전압/전류 등)을 검출할 수 있다. 도 6에 도시되지는 않았으나, 파워 미터 블록(440) 및 연료 게이지 블록(450)으로부터 다양한 종류의 정보들이 CC 회로 블록(410)이나 반도체 칩(400) 외부의 어플리케이션 프로세서로 제공될 수 있다.
한편, 전술한 실시예들에 따라 CC 회로 블록(410)은 충전기로부터의 충전 전원의 레벨(예컨대, 전압 및/또는 전류 레벨)을 검출한 결과에 따라 충전 전원의 레벨을 조절하기 위한 통신을 수행할 수 있고, 일 예로서 CC 회로 블록(410)은 파워 미터 블록(440) 또는 연료 게이지 블록(450)으로부터의 검출 결과를 수신하거나, 또는 반도체 칩(400) 내에 구비되는 별도의 회로(예컨대, 검출 센서)로부터 검출 결과를 수신할 수도 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 충전 관리 칩의 동작방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 6을 참조하면, 충전 관리 칩은 배터리를 포함하는 전자 시스템 내에 구비되고, 전자 시스템의 유선 충전을 위한 유선 인터페이스를 통해 외부의 유선 충전기에 연결될 수 있고, 또한 무선 충전을 위한 무선 인터페이스를 통해 외부의 무선 충전기에 연결될 수 있다(S11). 충전 관리 칩은 유선 충전기 또는 무선 충전기로부터의 충전 전원을 이용하여 배터리를 충전할 수 있고, 일 예로서 충전 관리 칩은 스위칭 충전 회로와 직접 충전 회로를 포함함에 따라 다양한 충전 모드들로 진입하여 충전 동작을 수행할 수 있다.
유선 충전기 또는 무선 충전기(이하, 충전기로 통칭됨)가 전자 시스템에 연결되면, 충전 관리 칩의 스위칭 충전 회로는 충전 모드로 동작하고, 이에 따라 스위칭 충전 방식에 의해 배터리가 충전될 수 있으며(S12), 배터리의 충전 량(또는, 배터리 전압)이 상승할 수 있다. 직접 충전 방식에 따른 직접 충전 동작을 수행하기 위해서는 소정의 요건이 만족될 필요가 있으며, 이에 따라 직접 충전을 수행하기 위한 요건을 만족하는 지 여부가 판단될 수 있다(S13). 일 예로서, 전자 시스템에 연결된 충전기가 직접 충전 기능을 지원하는 충전기에 해당하는 지가 판단될 수 있으며, 또한 직접 충전 동작이 배터리의 전압이 소정의 기준 레벨(예컨대, 제1 기준 레벨) 이상일 때 수행될 수 있는 경우에는 배터리의 전압이나 또는 충전 관리 칩 내부의 하나 이상의 노드들의 전압을 검출함으로써 상기 요건의 만족 여부가 판단될 수 있다.
만약, 직접 충전 동작을 위한 요건이 만족되는 경우 직접 충전 회로는 충전 모드에서 동작하고, 충전기로부터의 충전 전원이 스위칭 충전 회로 내의 입력 회로를 통해 바이패스되어 직접 충전 회로의 입력 노드로 제공될 수 있다(S14). 또한, 직접 충전 회로 내의 스위칭 회로의 스위칭 동작을 통해 충전 전원이 스위칭 회로 및 출력 노드를 통해 배터리로 제공될 수 있고, 이에 따라 직접 충전 회로를 이용한 배터리 충전 동작이 수행될 수 있다(S15).
직접 충전 방식에 따른 충전 동작은 배터리의 전압 레벨이 소정의 범위 이내일 때 수행될 수 있다. 예컨대, 전술한 바와 같이 배터리의 전압이 소정의 제1 기준 레벨 이상일 때 직접 충전 방식에 따른 충전 동작이 시작될 수 있고, 배터리의 전압이 상승하여 소정의 설정 레벨(예컨대, 제2 기준 레벨)에 도달하면 직접 충전 동작이 종료되고 다시 스위칭 충전 방식에 따른 충전 동작이 수행될 수 있다.
이에 따라, 배터리의 충전 량이 소정의 설정 레벨을 초과하는 지가 판단될 수 있다(S16). 만약, 배터리의 충전 량이 상기한 설정 레벨을 초과하지 않는 경우에는 직접 충전 방식에 따른 배터리 충전이 계속 수행될 수 있다. 반면에, 배터리의 충전 량이 설정 레벨을 초과하는 경우에는 정전압 제어 방식에 기반하여 배터리의 충전 량을 미세하게 조정하기 위하여 충전 모드가 다시 스위칭 충전 모드로 변경될 수 있으며, 이에 따라 스위칭 충전 회로를 이용하여 배터리를 충전하는 동작이 수행될 수 있다(S17).
이후, 배터리의 충전 량이 충전을 통해 지원되는 최대 충전 값(Max)에 도달하였는지 여부가 판단되고(S18), 배터리의 충전 량이 최대 충전 값(Max)에 도달한 경우 충전 동작이 종료될 수 있다(S19).
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 직접 충전 동작의 구체적인 예를 나타내는 플로우차트이다.
도 7을 참조하면, 충전기가 전자 시스템에 연결되고 배터리의 전압 레벨이 검출될 수 있다(S21). 일 예로서, 배터리의 전압 레벨이 직접 충전이 가능한 레벨로서 제1 기준 레벨(Vref1)과 제2 기준 레벨(Vref2) 사이에 해당하는 지가 판단될 수 있다. 배터리의 전압 레벨이 제1 기준 레벨(Vref1)보다 작은 지가 판단되고(S22), 배터리의 전압 레벨이 제1 기준 레벨(Vref1)보다 작은 경우에는 스위칭 충전 방식에 따라 배터리가 충전됨으로써 배터리의 전압 레벨이 상승할 수 있다(S23).
한편, 배터리의 전압 레벨이 제2 기준 레벨(Vref2)보다 큰 지 판단될 수 있으며(S24), 배터리의 전압 레벨이 제2 기준 레벨(Vref2)보다 큰 경우에는 직접 충전 방식을 수행함이 없이 스위칭 충전 방식에 기반하는 정전압 제어 방식에 따라 배터리가 충전될 수 있다(S26). 반면에, 배터리의 전압 레벨이 제2 기준 레벨(Vref2)보다 작은 경우에는 직접 충전을 위한 요건이 만족되므로, 직접 충전 방식에 따라 배터리가 충전될 수 있다(S25). 상기한 바에 따라, 충전기가 전자 시스템에 연결된 상태에서 배터리의 전압이 제2 기준 레벨(Vref2)보다 큰 경우에는 직접 충전을 수행함이 없이 배터리 충전 동작이 완료될 수 있고, 또한 배터리의 전압이 제1 기준 레벨(Vref1)과 제2 기준 레벨(Vref2) 사이에 해당하는 경우에는 직접 충전 동작이 바로 수행될 수도 있을 것이다.
직접 충전 방식에 따른 충전 동작에서 충전기로부터의 입력 전류(또는 배터리에 인가되는 전류)의 레벨은 소정의 범위(예컨대, 최소 설정값과 최대 설정값 사이의 범위)를 만족할 필요가 있으며, 이에 따라 충전기로부터의 입력 전류의 레벨을 검출하고 상기한 최소 설정값보다 작은 지가 판단될 수 있다(S27). 만약, 입력 전류의 레벨이 최소 설정값보다 작은 경우에는 충전 관리 칩과 충전기와의 통신을 통해 충전 전원(V_TA)을 증가시키고(S28), 입력 전류의 레벨과 최대 설정값을 비교한 결과에 따라(S29), 입력 전류의 레벨이 최대 설정값보다 큰 경우에는 충전 관리 칩과 충전기와의 통신을 통해 충전 전원(V_TA)을 감소시킬 수 있다(S30).
한편, 직접 충전 방식에 따른 충전 과정에서 배터리 전압이 제2 기준 레벨(Vref2)보다 큰 지 판단하는 동작이 계속하여 수행되고, 배터리 전압이 상승하여 제2 기준 레벨(Vref2)을 초과하는 경우에는 전술한 정전압 제어 방식에 따른 충전 동작이 수행되며, 이후 배터리의 전압이 최대 충전 량에 해당하는 지가 판단되고(S31), 판단 결과에 따라 충전 동작이 완료될 수 있다(S32).
도 8a,b,c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 충전 관리 칩의 다양한 충전 모드들을 나타내는 회로도이다. 도 8a,b,c에 도시된 각종 회로들의 구성 및 동작들은 앞선 실시예에서 설명된 바 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략된다. 한편, 도 8a,b,c 에 도시된 실시예들에서, 전자 시스템에 유선 충전기에 해당하는 충전기가 연결됨에 따라 충전 관리 칩(500)은 유선 인터페이스를 통해 충전 전원을 수신하는 것으로 가정된다.
도 8a를 참조하면, 도 8a에서는 스위칭 충전 회로(510)가 충전 모드에서 동작하고 직접 충전 회로(520)는 오프 모드인 경우가 예시된다. 이에 따라, 스위칭 충전 회로(510)를 통한 제1 충전 경로가 활성화되는 반면에 직접 충전 회로(520)를 통한 제2 충전 경로는 비활성화될 수 있다. 충전기로부터의 충전 전원은 OVP IC를 통해 스위칭 충전 회로(510)로 제공되고, 충전 전원은 제1 입력 스위치(Q1)를 통해 벅(BUCK) 제어 회로로 제공될 수 있다. 또한, 벅(BUCK) 제어 회로, 인덕터(L) 및 경로 제어 스위치(Q21)를 포함하는 제1 충전 경로를 통해 배터리가 충전될 수 있다.
한편, 도 8b는 직접 충전 회로(520)가 충전 모드에서 동작하고 스위칭 충전 회로(510)가 벅(BUCK) 모드에서 동작하는 예를 나타낸다. 이에 따라, 스위칭 충전 회로(510)를 통한 제1 충전 경로는 비활성화되는 반면에 직접 충전 회로(520)를 통한 제2 충전 경로는 활성화될 수 있다. 일 예로서, 스위칭 충전 회로(510)로 제공된 충전 전원은 제1 노드(VBYP)를 통해 직접 충전 회로(520)로 제공되고, 직접 충전 회로(520) 내의 스위칭 회로(미도시)가 턴 온됨에 따라 입력 노드(VIN), 직접 충전 회로(520) 내의 스위칭 회로(미도시) 및 출력 노드(VOUT)를 포함하는 제2 충전 경로를 통해 배터리가 충전될 수 있다.
한편, 도 8b 에 도시된 실시예에서, 스위칭 충전 회로(510)가 벅(BUCK) 모드로 동작함에 따라 충전기로부터의 전원 중 일부가 제1 벅(BUCK) 스위치(Q11) 및 인덕터(L)를 통해 시스템 전압(Vsys)으로서 제공될 수 있다. 또한, 경로 제어 스위치(Q21)는 턴 오프됨에 따라 스위칭 충전 회로(510)를 통한 제1 충전 경로는 비활성화될 수 있다.
한편, 도 8c는 스위칭 충전 회로(510)와 직접 충전 회로(520)가 모두 충전 모드에서 동작하는 예를 나타내며, 이에 따라 스위칭 충전 회로(510)를 통한 제1 충전 경로와 직접 충전 회로(520)를 통한 제2 충전 경로가 함께 활성화될 수 있다. 일 예로서, 벅(BUCK) 제어 회로와 파워 경로 제어 회로의 경로 제어 스위치(Q21)를 포함하는 제1 충전 경로를 통해 배터리가 충전됨과 함께, 입력 노드(VIN), 직접 충전 회로(520) 내의 스위칭 회로(미도시) 및 출력 노드(VOUT)를 포함하는 제2 충전 경로를 통해 배터리가 충전될 수 있다.
도 9는 도 8a,b,c에 도시된 다양한 충전 모드들에 따른 충전 동작의 일 예를 나타내는 플로우차트이다.
도 8a,b,c 및 도 9을 참조하면, 전자 시스템에 외부의 충전기가 연결됨에 따라(S41), 연결된 충전기의 타입을 인식하기 전까지는 충전 관리 칩은 전술한 도 8a에서와 같이 스위칭 충전 방식을 통해 배터리를 충전할 수 있으며, 이에 따라 스위칭 충전 회로는 충전 모드에서 동작하고, 직접 충전 회로는 오프 모드를 유지할 수 있다(S42).
직접 충전 방식에 따라 배터리를 충전할 지 여부를 판단하기 위해, 충전기의 타입이 판단되고 배터리의 충전 량(또는, 배터리의 전압)이 확인될 수 있다(S43). 일 예로서, 연결된 충전기가 노멀 충전 만을 지원하는 지, 또는 노멀 충전과 함께 빠른 충전, 그리고 전술한 실시예들에 따른 직접 충전을 지원하는 지가 판단될 수 있으며, 또한 배터리의 전압이 소정의 기준 레벨을 초과하는 경우에는 직접 충전 방식에 따라 배터리가 충전될 수 있다.
직접 충전 방식에 따른 충전 동작을 위한 요건이 만족되면 직접 충전 회로는 충전 모드로 진입할 수 있다. 또한, 직접 충전 회로의 충전 모드에서 스위칭 충전 회로는 다양한 모드들로서 동작할 수 있다. 일 예로서, 충전 관리 칩에서 스위칭 충전 회로는 벅(BUCK) 모드로 동작하고 직접 충전 회로는 충전 모드로 동작하거나(S44_1), 또는 스위칭 충전 회로와 직접 충전 회로가 함께 충전 모드로 동작할 수 있다(S44_2). 일 동작 예로서, 전자 시스템의 전원이 온 상태인 경우에는 전자 시스템 내부의 각종 구성 요소들로 시스템 전압이 제공될 필요가 있고, 이 경우 스위칭 충전 회로는 벅(BUCK) 모드로 동작함에 따라 시스템 전압을 제공할 수 있다. 반면에, 전자 시스템의 전원이 오프 상태인 경우에는 스위칭 충전 회로는 충전 모드로 동작할 수 있다.
이후, 직접 충전 방식에 따라 배터리가 충전됨에 따라 배터리의 전압이 상승되고, 배터리의 전압이 소정의 설정 레벨에 도달할 수 있다(S45). 배터리의 전압이 상기한 설정 레벨에 도달함에 따라 배터리의 충전 량을 세밀하게 조절하기 위해 전술한 S42 단계에서와 같이 스위칭 충전 회로는 충전 모드에서 동작하고, 직접 충전 회로는 오프 모드로 변동될 수 있으며(S46), 스위칭 충전 회로는 정전압 방식의 충전을 통해 배터리의 충전 량을 세밀하게 조절할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 충전 관리 칩의 일 구현 예를 나타낸다.
충전 관리 칩(600)이 채용된 전자 시스템은 유선 및 무선 등 다양한 방식에 의한 충전을 지원할 수 있으며, 일부의 전자 시스템은 유선 충전만을 지원하는 시스템에 해당할 수 있다. 이 때, 유선 충전만을 지원하는 전자 시스템은 무선 인터페이스를 구비하지 않을 수 있으며, 이에 따라 충전 관리 칩(600)의 스위칭 충전 회로(610)의 입력 스위치 회로(611)의 구성이 전술한 실시예에 비해 변형될 수 있다.
일 예로서, 충전 관리 칩(600)은 스위칭 충전 회로(610)와 직접 충전 회로(620)를 포함하여 다양한 충전 모드들에 따라 동작하고, 외부의 유선 충전기로부터의 충전 전원은 OVP IC(601)를 통해 스위칭 충전 회로(610)의 입력 스위치 회로(611)로 제공될 수 있다.
전술한 실시예들에 따라, 입력 스위치 회로(611)는 제1 입력 스위치(Q1)와 제2 입력 스위치(Q2)를 포함할 수 있으며, 제1 입력 스위치(Q1)의 일 노드는 입력 스위치 회로(611)의 제1 입력단(IN1)에 연결되고, 제2 입력 스위치(Q2)의 일 노드는 입력 스위치 회로(611)의 제2 입력단(IN2)에 연결될 수 있다. 그리고, 충전 관리 칩(600)이 무선 충전 기능을 지원하지 않는 전자 시스템에 채용되는 경우, 제2 입력단(IN2)은 전술한 실시예들에서의 무선 인터페이스에 연결되지 않을 수 있다.
이 때, 제1 입력단(IN1)과 제2 입력단(IN2)은 전기적으로 서로 단락될 수 있으며, 이에 따라 제1 입력 스위치(Q1)와 제2 입력 스위치(Q2)가 병렬하게 연결되어 턴 온되는 경우 상기 스위치들(Q1, Q2)에 의한 등가 저항값이 감소되며, 이를 통해 충전 효율이 향상될 수 있다. 일 구현 예로서, OVP IC(601)는 충전 전원 출력 노드(a)를 통해 유선 충전기로부터의 충전 전원을 제공하고, 입력 스위치 회로(611)의 제1 입력단(IN1)은 상기 충전 전원 출력 노드(a)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 입력 스위치 회로(611)의 제2 입력단(IN2)은 충전 관리 칩(600) 외부에 형성되는 배선에 연결될 수 있으며, 제2 입력단(IN2)에 연결된 배선이 전술한 충전 전원 출력 노드(a)에 연결됨에 따라 제1 입력단(IN1)과 제2 입력단(IN2)이 전기적으로 단락될 수 있다.
전술한 실시예들에 따라, 유선 충전 및 무선 충전 기능을 지원하는 전자 시스템에 본 발명의 실시예들에 따른 충전 관리 칩이 채용된 경우, 유선 충전기와 무선 충전기가 동시에 전자 시스템에 연결이 되더라도 제1 입력 스위치(Q1)와 제2 입력 스위치(Q2)의 선택적 스위칭 동작을 통해 하나의 충전기로부터의 충전 전원이 선택될 수 있고, 이에 따라 다수의 충전기들 사이에서 단락이 발생되는 것이 방지될 수 있다. 반면에, 본 실시예에 따라 전자 시스템이 유선 충전만을 지원하는 경우에는 입력 스위치 회로(611)의 제1 입력단(IN1)과 제2 입력단(IN2)이 전기적으로 단락되도록 함으로써 그 충전 효율이 향상되도록 할 수 있다.
한편, 도 10에 도시된 실시예에서는 제1 입력단(IN1)과 제2 입력단(IN2)이 충전 관리 칩(600)의 외부에 형성된 배선을 통해 단락되는 경우가 예시되었으나, 본 발명의 실시예들은 이에 국한될 필요가 없다. 일 구현 예로서, 충전 관리 칩(600) 내부에서 제1 입력단(IN1)과 제2 입력단(IN2) 사이에 연결되는 연결 제어 스위치(미도시)가 구비되고, 충전 관리 칩(600)이 채용된 전자 시스템의 무선 충전의 지원 여부를 확인하고, 확인 결과에 따라 상기 연결 제어 스위치(미도시)를 턴 온시킴으로써 제1 입력단(IN1)과 제2 입력단(IN2)을 전기적으로 연결할 수도 있을 것이다.
또한, 예시적인 실시예들에 따라, 무선 인터페이스를 통해 충전 전원이 충전 관리 칩(600)으로 제공되는 지 여부가 판단되고, 그 판단 결과에 따라 상기 연결 제어 스위치(미도시)의 턴 온/턴 오프가 제어될 수도 있을 것이다. 일 예로서, 전술한 실시예들에서의 충전 관리 칩에 본 실시예에 따른 상기 연결 제어 스위치(미도시)가 더 구비되고, 무선 충전기를 통한 충전 전원이 제공되지 않는 경우에는(또는, 무선 충전기가 연결되지 않은 경우에는) 상기 연결 제어 스위치(미도시)를 턴 온시킴으로써 제1 입력단(IN1)과 제2 입력단(IN2)을 전기적으로 연결할 수도 있을 것이다.
도 11a,b는 기존의 스위칭 충전 방식에 따른 충전 프로파일과 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 충전 프로파일의 일 예를 나타내는 그래프이다. 도 11a,b의 그래프에서 가로 축은 시간을 나타내고, 세로 축은 충전 전류(Ibat) 및 배터리 전압(Vbat)을 나타낼 수 있다. 또한, 도 11a,b에 도시된 충전 전류(Ibat)는 배터리로 제공되는 전류에 해당할 수도 있고, 또는 충전기로부터 제공되는 충전 전원의 전류에 해당할 수도 있을 것이다. 예컨대, 충전 전원에 의한 전류 레벨(Ibat)은 실제 배터리로 제공되는 전류와 시스템 전압에 연결되는 노드(VSYS)로 제공되는 전류(예컨대, 로드 전류)를 합한 것으로 정의될 수 있다. 이하의 실시예에서는, 도 11a,b의 충전 전류(Ibat)는 충전기로부터 제공되는 충전 전원의 전류에 해당하는 것으로 가정된다.
도 11a를 참조하면, 전자 시스템에 연결된 충전기가 직접 충전 기능을 지원하지 않음에 따라 스위칭 충전 방식에 의해 배터리가 충전될 수 있다. 일 예로서, 스위칭 충전 방식에서 다양한 레벨의 충전 전류 또는 충전 전압이 배터리로 제공됨에 따라 스위칭 충전 동작은 다수의 구간들을 포함할 수 있고, 일 예로서 도 11a에서는 제1 내지 제4 구간들(T1~T4)이 예시된다.
제1 구간(T1)에서, 배터리는 소정의 레벨(예컨대, 3.1V) 미만으로 과방전된 상태일 수 있고, 과방전된 상태의 배터리에 높은 전류가 제공되는 경우에는 배터리 안정성이 저하될 수 있으므로, 상대적으로 낮은 레벨을 갖는 충전 전류(Ibat)에 기반하여 배터리가 충전될 수 있고, 이에 따라 배터리 전압(Vbat)은 천천히 상승할 수 있다.
한편, 제2 구간(T2)은 정전류 구간에 해당할 수 있고, 제1 구간(T1)에 비해 큰 레벨을 갖는 충전 전류(Ibat)를 이용하여 배터리를 충전함에 따라 배터리 전압(Vbat)은 빠르게 상승할 수 있다. 일 동작 예로서 제2 구간(T2)에서 충전 전류(Ibat)의 레벨은 일정하게 유지될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상기 제2 구간(T2)은 충전기가 빠른 충전을 지원하는 경우 빠른 충전 구간에 해당할 수도 있다. 한편, 배터리 전압(Vbat)이 소정의 설정된 레벨로 상승하면 스위칭 충전 동작은 제3 구간(T3)으로 진입할 수 있다.
제3 구간(T3)은 정전압 구간에 해당할 수 있고, 제3 구간(T3)에서 배터리 전압(Vbat)은 일정하게 유지되고, 충전 전류(Ibat)의 레벨은 감소될 수 있다. 충전 전류(Ibat)의 레벨이 소정의 설정된 레벨로 감소되면 배터리로의 전류의 제공이 중단될 수 있다. 배터리에 전류의 제공이 중단됨에 따라 배터리는 방전될 수 있고, 배터리 전압(Vbat)이 소정의 설정된 레벨로 낮아지면 스위칭 충전 동작은 제4 구간(T4)으로 진입할 수 있다. 제4 구간(T4)에서 배터리 전압(Vbat)을 상승하기 위해 충전 전류(Ibat)가 일시적으로 배터리로 제공될 수도 있다.
한편, 도 11b는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 직접 충전 방식이 적용된 경우의 충전 프로파일의 일 예를 나타낸다. 도 11b에서는 전자 시스템에 연결된 충전기가 직접 충전 기능을 지원하고, 이에 따라 전자 시스템이 다양한 단자들(예컨대, USB 타입 C 구조에서의 CC 핀)을 통해 충전기와 통신을 수행할 수 있으며, 전자 시스템으로부터의 레벨 조절 정보에 따라 충전기는 충전 전원의 레벨을 조절하여 출력할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 도 11b에서의 충전 프로파일은 제1 내지 제5 구간들(T1~T5)을 포함할 수 있다.
먼저, 직접 충전 기능을 지원하는 충전기가 전자 시스템에 연결되고, 제1 구간(T1)에서 상대적으로 낮은 레벨의 충전 전류(Ibat)를 이용하여 스위칭 충전 동작에 기반하여 배터리를 충전하고, 이에 따라 배터리 전압(Vbat)은 천천히 상승할 수 있다. 또한, 제1 구간(T1)에서 전자 시스템에 연결된 충전기가 직접 충전 기능을 지원하는 지가 판단될 수 있고, 배터리 전압(Vbat)의 레벨이 직접 충전이 가능한 레벨로 상승함에 따라 배터리 충전 모드가 스위칭 충전 모드에서 직접 충전 모드로 변동될 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 제2 구간(T2)에서 충전 전류(Ibat)의 레벨이 일정한 범위 내의 레벨을 유지하도록 최소 설정값(ISET_MIN)과 최대 설정값(ISET_MAX)이 정의될 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 충전 전류(Ibat)의 레벨이 상기한 최소 설정값(ISET_MIN)과 최대 설정값(ISET_MAX)과 비교되고, 비교 결과에 따라 충전 전원(또는, 충전 전류)의 레벨이 조절될 수 있다.
제2 구간(T2)에서 충전 전류(Ibat)의 레벨이 최소 설정값(ISET_MIN) 보다 커질 때까지 전자 시스템은 외부의 충전기로 충전 전원의 레벨을 증가시키기 위한 레벨 조절 정보를 제공할 수 있고, 외부의 충전기는 충전 전원의 레벨을 증가시켜 전자 시스템으로 제공할 수 있다. 이에 따라 충전 전류(Ibat)의 레벨이 최소 설정값(ISET_MIN) 보다 커지게 되고, 충전 전류(Ibat)의 레벨이 최대 설정값(ISET_MAX)에 도달할 때까지 충전 전원의 레벨을 한 단계씩 상승(1 step up)시키기 위한 레벨 조절 정보가 외부의 충전기로 제공될 수 있다. 또한, 충전 전류(Ibat)의 레벨이 최대 설정값(ISET_MAX)에 도달하면, 충전 전류(Ibat)의 레벨을 한 단계씩 하강(1 step down)시키기 위한 레벨 조절 정보가 외부의 충전기로 제공될 수 있다.
한편, 제3 구간(T3) 또한 직접 충전 방식에 기반하는 충전 동작에 해당할 수 있고, 전술한 스위칭 충전 방식의 예에서의 정전압(CV) 제어와 유사한 방식에 따라 충전 동작이 제어될 수 있다. 일 예로서, 전자 시스템과 외부의 충전기와의 통신에 기반하여 충전 전류(Ibat)의 레벨이 단계적으로 하강하고, 배터리 전압(Vbat)은 미세하게 상승하거나 또는 일정한 레벨을 유지할 수 있다. 이후, 충전 전류(Ibat)의 레벨이 소정의 설정된 값으로 하강하면(또는, 배터리 전압(Vbat)이 소정의 설정된 레벨에 도달하면) 스위칭 충전 동작은 직접 충전 모드에서 스위칭 충전 모드로 변경될 수 있고, 이에 따라 충전 동작은 제4 구간(T4)으로 진입할 수 있다.
제4 구간(T4)은 스위칭 충전 동작의 정전압 구간(cv)에 해당할 수 있고, 이에 따라 충전 전류(Ibat)의 레벨은 감소될 수 있으며 배터리 전압(Vbat)은 일정하게 유지될 수 있다. 상기한 제4 구간(T4)이 종료되고 제5 구간(T5)으로 진입됨에 따라 상기 제5 구간(T5)에서 충전 동작이 종료될 수 있다. 또한, 전술한 실시예에서와 같이, 제5 구간(T5)에서 충전 전류의 제공이 중단됨에 따라 배터리는 방전될 수 있고, 제5 구간(T5)에서 배터리 전압(Vbat)을 상승하기 위해 충전 전류(Ibat)가 일시적으로 배터리로 제공될 수도 있을 것이다.
한편, 전술한 실시예에서 직접 충전 동작 동안 스위칭 충전 동작이 종료되는 것으로 설명되었으나, 본 발명의 실시예는 이에 국한될 필요가 없다. 예컨대, 전술한 실시예들에서와 같이 스위칭 충전 동작과 직접 충전 동작은 함께 수행될 수도 있으며, 이에 따라 상기한 제2 구간(T2) 및 제3 구간(T3)에서는 스위칭 충전 동작이 함께 수행되어도 무방할 것이다.
도 12a,b및 도 13a,b은 직접 충전 회로에 구비되는 스위칭 회로의 일 구현 예들을 나타내는 회로도이다. 본 발명의 실시예들에 따른 스위칭 회로는 도 12a,b및 도 13a,b에 도시된 회로도의 구성에 한정될 필요는 없으며, 본 발명의 실시예에 따른 기능들과 동일 또는 유사한 기능을 수행하는 선에서 다양한 형태로 변형이 가능할 것이다.
도 12a,b를 참조하면, 직접 충전 회로의 스위칭 회로는 다수의 스위치들을 포함하고, 일 예로서 제1 내지 제4 스위치들(Q41~Q44)이 예시된다. 제1 내지 제4 스위치들(Q41~Q44)은 입력 노드(VIN)과 접지 전압 사이에 직렬하게 연결될 수 있으며, 제2 스위치(Q42)와 제3 스위치(Q43) 사이의 노드가 출력 노드(VOUT)에 연결될 수 있다. 또한, 직접 충전 회로는 하나 이상의 커패시터들(Ca, Cout)에 연결될 수 있고, 일 예로서 커패시터들(Ca, Cout)은 충전 관리 칩의 외부에 배치되는 수동 소자일 수 있다. 제1 스위치(Q41)의 일 노드와 제4 스위치(Q44)의 일 노드 사이에 제1 커패시터(Ca)가 연결되고, 출력 노드(VOUT)에 출력 커패시터(Cout)가 연결될 수 있으며, 이에 따라 직접 충전 회로는 전압 디바이더(또는, 커패시터 디바이더)로서 동작할 수 있다.
도 12b를 참조하면, 직접 충전 방식에 따른 충전 동작에서 상기한 제1 내지 제4 스위치들(Q41~Q44)의 스위칭 동작이 제어될 수 있고, 일 예로서 제1 스위치(Q41)와 제3 스위치(Q43)가 턴 온되는 동안 제2 스위치(Q42)와 제4 스위치(Q44)가 턴 오프되고, 해당 구간 동안 제1 커패시터(Ca)가 충전될 수 있다. 또한, 제1 스위치(Q41)와 제3 스위치(Q43)가 턴 오프되는 동안 제2 스위치(Q42)와 제4 스위치(Q44)가 턴 온되고, 해당 구간 동안 제1 커패시터(Ca)가 방전될 수 있다. 상기와 같은 구간들이 반복하여 수행되고, 출력 커패시터(Cout)에 충전된 전압에 상응하는 출력 노드(VOUT)의 전압 레벨은 소정의 범위 이내에서 상승 및 하강을 반복할 수 있고, 출력 노드(VOUT)를 통해 출력되는 전압이 배터리로 제공될 수 있다.
한편, 도 13a,b를 참조하면, 직접 충전 회로의 스위칭 회로는 다수의 스위치들을 포함하고, 일 예로서 제1 커패시터 블록(CB1)에 구비되는 제1 내지 제4 스위치들(Q51a~Q54a)과 제2 커패시터 블록(CB2)에 구비되는 제5 내지 제8 스위치들(Q51b~Q54b)이 예시된다. 또한, 제2 스위치(Q52a)와 제3 스위치(Q53a) 사이의 노드는 제1 커패시터 블록(CB1)의 제1 출력 노드(VOUT1)에 연결되고, 제6 스위치(Q52b)와 제7 스위치(Q53b) 사이의 노드는 제2 커패시터 블록(CB2)의 제2 출력 노드(VOUT2)에 연결될 수 있다. 또한, 제1 스위치(Q51a)의 일 노드와 제4 스위치(Q54a)의 일 노드 사이에 제1 커패시터(Ca)가 연결되고, 제5 스위치(Q51b)의 일 노드와 제8 스위치(Q54b)의 일 노드 사이에 제2 커패시터(Cb)가 연결될 수 있으며, 상기 제1 커패시터(Ca)와 제2 커패시터(Cb)는 출력 커패시터(Cout)에 연결될 수 있다. 또한, 전술한 실시예에서와 유사하게, 제1 커패시터(Ca), 제2 커패시터(Cb) 및 출력 커패시터(Cout)는 충전 관리 칩의 외부에 배치되는 수동 소자일 수 있다.
도 13b를 참조하면, 직접 충전 방식에 따른 충전 동작에서 상기한 제1 커패시터 블록(CB1) 및 제2 커패시터 블록(CB2) 내의 제1 내지 제8 스위치들(Q51a~Q54a, Q51b~Q54b)의 스위칭 동작이 제어될 수 있고, 일 예로서 제1 커패시터(Ca)가 충전되는 동안 제2 커패시터(Cb)가 방전될 수 있고, 제1 커패시터(Ca)가 방전되는 동안 제2 커패시터(Cb)가 충전될 수 있다. 이와 같은 동작에 따라 제1 출력 노드(VOUT1)의 전압이 상승하는 동안 제2 출력 노드(VOUT2)의 전압이 하강할 수 있고, 또한 제1 출력 노드(VOUT1)의 전압이 하강하는 동안 제2 출력 노드(VOUT2)의 전압이 상승할 수 있으며, 이를 통해 배터리로 제공되는 출력 노드(VOUT)의 전압이 대략 일정한 레벨을 유지할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 충전 관리 칩의 충전 프로파일의 다른 예를 나타내는 그래프이다. 도 14에서는 배터리에 대한 충전 과정에서 빠른 충전이 적용되고, 또한 스위칭 충전 방식과 직접 충전 방식에 함께 수행되는 경우가 예시된다.
도 14를 참조하면, 제1 구간(T1)에서 스위칭 충전 방식의 노멀 충전 동작에 기반하여 상대적으로 낮은 레벨의 충전 전류(Ibat)를 이용하여 배터리를 충전하고, 배터리 전압(Vbat)은 천천히 상승할 수 있다. 한편, 제2 구간(T2)에서 스위칭 충전 방식의 빠른 충전 동작에 기반하여 상대적으로 큰 레벨을 갖는 충전 전류(Ibat)를 이용하여 배터리를 충전하고, 이에 따라 배터리 전압(Vbat)의 상승 률을 커질 수 있다.
한편, 배터리에 대한 직접 충전을 위한 요건이 충족됨에 따라, 제3 구간(T3)에서 스위칭 충전 방식(예컨대, 빠른 충전 방식)과 직접 충전 방식에 따른 충전이 함께 수행되고, 이에 따라 배터리 전압(Vbat) 레벨은 더욱 빠르게 상승할 수 있다. 제3 구간(T3)에서 외부의 충전기와의 통신에 기반하여 충전 전원의 레벨이 조절될 수 있고, 일 예로서 전술한 실시예에 따라 충전 전류(Ibat)의 레벨이 최소 설정값(ISET_MIN)과 최대 설정값(ISET_MAX) 사이의 레벨을 갖도록 레벨 조절 정보가 외부의 충전기로 제공될 수 있다. 이후, 직접 충전 동작이 종료되고, 제4 구간(T4)에서 스위칭 충전 방식의 빠른 충전 동작에 기반하여 배터리에 대한 충전 동작이 수행되고, 제5 구간(T5)에서 정전압 제어 방식에 따라 배터리가 충전됨에 따라 충전 전류는 감소될 수 있으며 배터리 전압(Vbat)은 일정하게 유지될 수 있으며, 제6 구간(T6)에서 충전 동작이 종료될 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 충전 관리 칩을 포함하는 전자 시스템의 구현 예를 나타내는 블록도이다. 도 15 및 도 16에서는 전자 시스템과 외부의 충전기와의 다양한 방식들에 따른 통신 예가 도시된다.
도 15를 참조하면, 전자 시스템(700A)은 충전 관리 칩(710A)과 어플리케이션 프로세서(AP, 720A)를 구비하고, 충전 관리 칩(710A)은 CC 회로 블록, 스위칭 충전 회로 및 직접 충전 회로를 포함할 수 있다. 충전 관리 칩(710A)과 어플리케이션 프로세서(720A)는 각종 정보를 송수신할 수 있고, 일 예로서 충전 관리 칩(710A)은 어플리케이션 프로세서(720A)로 배터리 충전 상태나 충전기로부터 제공되는 충전 전원의 레벨 등을 포함하는 다양한 정보들(Info_B)을 제공할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(720A)는 정보들(Info_B)에 기반하여 배터리 상태를 판단할 수 있고, 이를 통해 디스플레이 동작을 제어하는 등의 기능을 수행할 수 있다.
한편, 충전 관리 칩(710A)과 어플리케이션 프로세서(720A)는 서로 별개의 칩으로 구현되고, 충전 관리 칩(710A) 내에 CC 회로 블록이 구비됨에 따라 커넥터를 통해 외부의 충전기와 통신을 수행할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 충전 관리 칩(710A)은 어플리케이션 프로세서(720A)로부터의 제어에 무관하게 외부의 충전기와 통신할 수 있으며, 전술한 실시예에 따른 충전 프로파일에 따라 배터리를 충전하는 과정에서 레벨 조절 정보(Info_UD)를 외부의 충전기로 제공하고, 외부의 충전기로부터 레벨이 조절된 충전 전원(V_TA)을 수신할 수 있다.
한편, 도 16의 전자 시스템(700B)을 참조하면 외부의 충전기로의 레벨 조절 정보(Info_UD)의 제공은 어플리케이션 프로세서(720B)에 의해 제어될 수 있으며, 어플리케이션 프로세서(720B)는 충전 관리 칩(710B)으로부터 각종 정보들(Info_B)을 수신하고, 이에 기반하여 충전 전원(V_TA)의 레벨을 조절하기 위한 요청(Req_UD)을 충전 관리 칩(710B)으로 제공할 수 있다. 예시적인 실시예들에 따라, 어플리케이션 프로세서(720B)는 상기한 정보들(Info_B)을 기초로 충전기로부터의 충전 전원의 레벨의 조절 여부를 판단할 수 있으며, 판단 결과에 따른 요청(Req_UD)을 충전 관리 칩(710B)으로 제공할 수 있다. 충전 관리 칩(710B)은 어플리케이션 프로세서(720B)로부터의 요청(Req_UD)에 기반하는 레벨 조절 정보(Info_UD)를 외부의 충전기로 제공할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 충전 관리 칩에 있어서,
    외부의 충전기로부터 충전 전원을 수신하고, 상기 충전 전원을 제1 노드를 통해 바이패스하여 출력하고, 상기 충전 관리 칩이 채용된 전자 시스템에 제공되는 시스템 전압의 생성을 제어함과 함께 스위칭 충전 방식에 따라 배터리를 충전하는 스위칭 충전 회로; 및
    입력 노드를 통해 상기 제1 노드에 인가된 상기 충전 전원을 수신하고, 내부의 스위칭 회로의 스위칭 동작에 기반하여 상기 충전 전원을 출력 노드를 통해 상기 배터리로 제공함으로써 직접 충전 방식에 따라 상기 배터리를 충전하는 직접 충전 회로를 구비하고,
    상기 스위칭 충전 회로는 상기 충전 관리 칩의 외부에 배치되는 인덕터를 포함하는 제1 충전 경로에 따라 상기 배터리를 충전하고, 상기 직접 충전 회로는 상기 출력 노드로 전달된 충전 전원을 상기 배터리로 직접 제공하는 제2 충전 경로에 따라 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 충전 회로와 상기 직접 충전 회로는 동일한 반도체 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자 시스템이 온 상태일 때, 상기 직접 충전 회로가 상기 배터리를 충전하는 동안 상기 스위칭 충전 회로는 상기 시스템 전압을 생성하고,
    상기 전자 시스템이 오프 상태일 때, 상기 직접 충전 회로가 상기 배터리를 충전하는 동안 상기 스위칭 충전 회로는 상기 배터리를 함께 충전하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 충전 회로는,
    유선 충전기에 해당하는 상기 외부의 충전기로부터 제공되는 상기 충전 전원을 상기 제1 노드로 전달하는 제1 입력 스위치를 포함하는 입력 스위치 회로;
    상기 제1 노드와 접지 전압 사이에 연결되는 제1 및 제2 벅 제어 스위치들을 포함하고, 제2 노드를 통해 상기 인덕터의 일 단에 연결되며, 상기 충전 동작을 제어하거나 상기 시스템 전압의 생성을 제어하는 벅(BUCK) 제어 회로; 및
    상기 충전 전원의 상기 배터리로의 전달 경로를 제어하는 경로 제어 스위치를 포함하는 파워 경로 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전 관리 칩은 무선 인터페이스를 통해 외부의 무선 충전기와 연결되어 상기 무선 충전기로부터 충전 전원을 더 수신하고,
    상기 입력 스위치 회로는, 상기 무선 충전기로부터의 충전 전원을 상기 제1 노드로 전달하는 제2 입력 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 입력 스위치 회로는, 상기 제1 노드에 연결되고 상기 제1 입력 스위치와 병렬하게 배치되는 제2 입력 스위치를 더 포함하고,
    상기 제2 입력 스위치는, 상기 충전 관리 칩 외부의 배선을 통해 상기 제1 입력 스위치의 입력단에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  7. 제1항에 있어서, 상기 직접 충전 회로의 스위칭 회로는,
    상기 입력 노드와 상기 출력 노드 사이에 연결되는 하나 이상의 제1 스위치들; 및
    상기 출력 노드와 접지 전압 사이에 연결되는 하나 이상의 제2 스위치들을 포함하고,
    상기 출력 노드는 상기 충전 관리 칩의 외부에 배치된 출력 커패시터에 연결되고,
    상기 제1 스위치들과 상기 제2 스위치들이 교번하게 스위칭됨에 따라 상기 스위칭 회로는 전압 디바이더로서 동작하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 충전 관리 칩은 USB(universal serial bus) 타입 C 구조를 갖는 커넥터를 통해 상기 충전 전원을 수신하고,
    상기 충전 관리 칩은 상기 커넥터에 구비되는 다수의 핀들 중 CC(Configuration Channels)1 핀 및 CC2 핀 중 적어도 하나를 통해 상기 외부의 충전기와 통신하는 CC 회로 블록을 포함하며,
    상기 직접 충전 방식에 따른 충전 동작 동안, 상기 CC 회로 블록은 외부의 프로세서의 제어에 무관하게 상기 충전기로부터 제공되는 상기 충전 전원의 레벨을 조절하기 위한 레벨 조절 정보를 상기 외부의 충전기로 제공하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 충전 관리 칩은, 상기 외부의 충전기로부터 제공되는 충전 전원의 전압 및 전류 중 적어도 하나의 레벨을 검출하여 제1 검출 결과를 생성하는 파워 미터를 더 포함하고,
    상기 제1 검출 결과는 상기 스위칭 충전 회로 및 상기 직접 충전 회로 중 적어도 하나로 제공되는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 충전 관리 칩은, 상기 외부의 충전기의 전압 및 전류 중 적어도 하나의 레벨을 검출하여 제2 검출 결과를 생성하는 연료 게이지를 더 포함하고,
    상기 제2 검출 결과는 상기 스위칭 충전 회로 및 상기 직접 충전 회로 중 적어도 하나로 제공되는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  11. 배터리에 대한 충전 동작을 제어하는 충전 관리 칩에 있어서,
    외부의 충전기로부터 제공되는 충전 전원을 제1 노드로 전달하는 제1 입력 스위치를 포함하고, 제2 노드를 통해 상기 충전 관리 칩의 외부에 배치되고 스위칭 충전 경로 상에 배치되는 인덕터의 일 노드에 연결되며, 제3 노드를 통해 상기 인턱터의 다른 일 노드에 상응하고 시스템 전압을 제공하는 노드에 연결되고, 제4 노드를 통해 상기 배터리에 연결됨에 따라 상기 충전 전원을 상기 배터리로 제공함으로써 상기 배터리를 충전하는 스위칭 충전 회로; 및
    입력 노드가 상기 제1 노드에 연결됨에 따라 상기 제1 입력 스위치를 통해 전달된 상기 충전 전원을 수신하고, 상기 입력 노드와 출력 노드 사이에 연결된 스위칭 회로의 스위칭 상태에 따라 상기 충전 전원을 상기 출력 노드를 통해 상기 배터리로 직접 제공함으로써 상기 배터리를 충전하는 직접 충전 회로를 구비하고,
    상기 직접 충전 회로가 충전 모드에서 동작하는 동안, 상기 스위칭 충전 회로는 상기 시스템 전압을 생성하는 벅(BUCK) 모드에서 동작하거나 스위칭 충전 방식에 따라 상기 배터리를 충전하는 충전 모드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  12. 제11항에 있어서, 상기 스위칭 충전 회로는,
    상기 제1 노드와 접지 전압 사이에 직렬하게 연결되는 제1 및 제2 벅 제어 스위치들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 벅 제어 스위치들 사이의 노드가 상기 제2 노드에 연결되는 벅(BUCK) 제어 회로; 및
    상기 제3 노드와 상기 제4 노드 사이에 연결되는 경로 제어 스위치를 포함하고, 상기 충전 전원의 상기 배터리로의 전달 경로를 제어하는 파워 경로 제어 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 스위칭 충전 회로와 상기 직접 충전 회로는 동일한 반도체 기판에 형성되는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 직접 충전 회로가 충전 모드에서 동작하는 동안, 상기 충전 관리 칩이 채용된 전자 시스템이 온 상태일 때 상기 스위칭 충전 회로는 상기 벅(BUCK) 모드에서 동작하고, 상기 전자 시스템이 오프 상태일 때 상기 스위칭 충전 회로는 상기 충전 모드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 충전 관리 칩은, 상기 외부의 충전기와 통신하는 회로 블록을 더 구비하고,
    상기 직접 충전 회로가 충전 모드에서 동작하는 동안, 상기 회로 블록은 외부의 어플리케이션 프로세서의 제어와 무관하게 상기 충전 전원을 조절하기 위한 레벨 조절 정보를 상기 외부의 충전기로 제공하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 충전 관리 칩은 USB(universal serial bus) 타입 C 구조를 갖는 커넥터를 통해 상기 충전 전원을 수신하고,
    상기 회로 블록은, 상기 커넥터에 구비되는 다수의 핀들 중 CC(Configuration Channels)1 핀 및 CC2 핀 중 적어도 하나를 통해 상기 외부의 충전기와 통신하는 CC 회로 블록인 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩.
  17. 충전 관리 칩의 동작방법에 있어서,
    외부 충전기가 연결됨에 따라, 상기 충전 관리 칩에 구비되는 스위칭 충전 회로를 이용하여 스위칭 충전 방식에 기반하여 배터리를 충전하는 단계;
    상기 외부 충전기가 직접 충전 기능을 지원하는 지를 판단하는 단계;
    상기 외부 충전기가 상기 직접 충전 기능을 지원함에 따라, 상기 스위칭 충전 회로로 제공된 충전 전원을 바이패스하여 상기 충전 관리 칩에 구비되는 직접 충전 회로의 입력 노드로 전달하는 단계;
    상기 입력 노드로 전달된 상기 충전 전원을 디바이딩하여 상기 직접 충전 회로의 출력 노드를 통해 상기 배터리로 제공함으로써 직접 충전 방식에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 단계; 및
    상기 배터리의 전압이 소정의 설정 레벨로 상승함에 응답하여 상기 직접 충전 방식에 따른 충전 동작이 종료됨에 따라, 상기 스위칭 충전 방식에 기반하여 상기 배터리가 충전되도록 충전 모드를 변경하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩의 동작방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 스위칭 충전 방식은, 상기 충전 관리 칩의 외부에 배치되는 인덕터를 포함하는 제1 충전 경로에 따라 상기 배터리를 충전하고,
    상기 직접 충전 방식은, 상기 출력 노드와 상기 배터리가 직접 연결되는 제2 충전 경로에 따라 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩의 동작방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 직접 충전 방식에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 동안, 상기 스위칭 충전 회로는 상기 충전 전원의 일부를 이용하여 상기 충전 관리 칩의 외부로 제공되는 시스템 전압을 생성하는 벅(BUCK) 모드에서 동작하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩의 동작방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 외부 충전기로부터의 충전 전원의 전류 레벨을 검출하는 단계를 더 구비하고,
    상기 직접 충전 방식에 기반하여 상기 배터리를 충전하는 동안, 상기 충전 관리 칩은 상기 전류 레벨을 소정의 최소 설정값 및 최대 설정값과 비교하고, 외부의 프로세서의 제어에 무관하게 상기 비교 결과에 따라 상기 충전 전원을 조절하기 위한 레벨 조절 정보를 상기 외부 충전기로 제공하는 것을 특징으로 하는 충전 관리 칩의 동작방법.

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