WO2017030320A1 - 배터리 보호회로 모듈, 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 보호회로 모듈, 및 이를 포함하는 배터리 팩 Download PDF

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WO2017030320A1
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effect transistor
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protection circuit
battery
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나혁휘
황호석
김영석
안상훈
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Definitions

  • the present invention relates to a battery for an electronic device, and more particularly, to a battery protection circuit module for protecting a battery cell and a battery pack including the same.
  • Lithium-ion batteries are the most widely used batteries in portable terminals and the like. They generate heat during overcharging and overcurrent, and if the heating continues and the temperature rises, performance deterioration and risk of explosion occur. Therefore, in order to prevent such performance deterioration, the necessity to provide a battery with a battery protection circuit device which cuts off operation
  • movement of a battery is increasing.
  • the present invention has been made to solve various problems including the above problems, and an object thereof is to provide a battery protection circuit module and a battery pack using a single field effect transistor.
  • these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • the battery protection circuit module includes a first positive electrode terminal and a first negative electrode terminal electrically connected to an electrode terminal of a battery bare cell; A second positive terminal and a second negative terminal electrically connected to the charger or the electronic device; A first single field effect transistor connected between at least one of the first positive electrode terminal or the first negative electrode terminal and at least one of the second positive electrode terminal and the second negative electrode terminal, and for controlling the first single field effect transistor.
  • a first protection circuit unit comprising a first protection integrated circuit element; And controlling a second single field effect transistor connected between at least one of the first anode terminal or the first cathode terminal and at least one of the second anode terminal and the second cathode terminal, and controlling the second single field effect transistor.
  • At least one of the second protection circuit unit and the first protection circuit unit may operate for overcurrent protection to replace a PTC thermistor.
  • the second single field effect transistor and / or the first single field effect transistor include a drain terminal, a source terminal, a gate terminal and a well terminal, and a source terminal of the second single field effect transistor. Is electrically connected to the first negative terminal, the drain terminal of the first single field effect transistor is electrically connected to the second negative terminal, and the drain terminal of the second single field effect transistor and the first single electric field.
  • the source terminals of the effect transistors are electrically connected to each other, the protection integrated circuit device controls the gate terminals electrically connected, controls the switching of the single field effect transistor and uses an internal switch element to bias the well terminals. To control charging and discharging of the battery bare cell.
  • the protection integrated circuit device may include a bias terminal connected to a reference terminal, a sense terminal, and the well terminal, and the bias terminal is always connected to either one of the reference terminal and the sense terminal, and the internal switch
  • the device may be connected between the bias terminal and a terminal which is not always connected to the bias terminal among the reference terminal and the sensing terminal.
  • the protection integrated circuit device includes a diode connected between the bias terminal and one of the reference terminal and the sensing terminal connected to the bias terminal so that the bias terminal direction becomes a forward direction. can do.
  • the bias terminal may be always connected to the reference terminal through the diode, and the internal switch element may be interposed between the bias terminal and the sensing terminal.
  • the internal switch element may be turned on upon detection of overcharge.
  • the bias terminal may be always connected to the sensing terminal via the diode between the sensing terminal and the internal switch element may be interposed between the bias terminal and the reference terminal.
  • the internal switch element may be turned on upon detection of overdischarge.
  • the first protection circuit unit and / or the second protection circuit unit may further include at least one passive device connected to the protection integrated circuit device.
  • the first protection circuit unit and the second protection circuit unit may be composed of elements having the same arrangement as each other.
  • the first single field effect transistor and / or the second single field effect transistor include a drain terminal, a source terminal, a gate terminal and a well terminal, and the protection integrated circuit device is electrically connected.
  • the charging and discharging of the battery bare cell is controlled by controlling the gate terminal, controlling switching of the single field effect transistor, and controlling a bias of the well terminal using an internal switch element, wherein the protection integrated circuit device is configured to control the first and second gate transistors.
  • the battery protection circuit package includes a substrate; And the battery protection circuit module described above mounted on the substrate.
  • the battery pack includes a battery bare cell; And the battery protection circuit package described above connected to the battery bare cell.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram illustrating an example of a part of a battery protection circuit module according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic circuit diagram illustrating another example of a part of a battery protection circuit module according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic circuit diagram illustrating still another example of a part of a battery protection circuit module according to embodiments of the present invention.
  • 4A to 4C are schematic circuit diagrams, a perspective view, and a plan view showing a battery protection circuit module and a module package according to a first embodiment of the present invention.
  • 5A to 5C are schematic circuit diagrams, a perspective view, and a plan view showing a battery protection circuit module and a module package according to a second embodiment of the present invention.
  • 6A to 6C are schematic circuit diagrams, a perspective view, and a plan view showing a battery protection circuit module and a module package according to a third embodiment of the present invention.
  • FIGS. 7A to 7C are schematic circuit diagrams, a perspective view, and a plan view showing a battery protection circuit module and a module package according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8A through 8C are schematic circuit diagrams, a perspective view, and a plan view showing a battery protection circuit module and a module package according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9A to 9C are schematic circuit diagrams, a perspective view, and a plan view showing a battery protection circuit module and a module package according to a sixth embodiment of the present invention.
  • 10A to 10C are schematic circuit diagrams, a perspective view, and a plan view showing a battery protection circuit module and a module package according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic circuit diagram illustrating a modified example of a part of a battery protection circuit module according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic perspective view showing a battery protection circuit package according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • an integrated circuit may mean an electronic component in which many devices are integrated into one chip to process a specific complex function.
  • FIG. 1 is a schematic circuit diagram illustrating an example of a part of a battery protection circuit module according to embodiments of the present invention.
  • a battery protection circuit module includes a first positive electrode terminal 102 and a first negative electrode terminal 104 electrically connected to electrode terminals of a battery bare cell Bc, a charger or
  • the second positive terminal 106 and the second negative terminal 108 may be electrically connected to the electronic device.
  • the first positive terminal 102 is an internal positive terminal B + connected to the positive electrode of the battery bare cell Bc inside the battery pack, and the first negative terminal 104 is formed of the battery bare cell Bc.
  • the battery protection circuit module may further include a separate additional external connection terminal.
  • the battery protection circuit module is a single field effect transistor connected between at least one of the first positive terminal 102 or the first negative terminal 104 and at least one of the second positive terminal 106 and the second negative terminal 108. And a protection integrated circuit device (P-IC) 118 for controlling the single field effect transistor 112.
  • P-IC protection integrated circuit device
  • the single field effect transistor 112 may include a drain terminal D, a source terminal S, a gate terminal G, and a well terminal Bin, and include a first cathode terminal 104 and a first cathode terminal 104. It may be connected between the two negative terminal 108.
  • the drain terminal D may be electrically connected to the first negative terminal 104
  • the source terminal S may be electrically connected to the second negative terminal 108.
  • the drain terminal D and the source terminal S are not distinguished in the single field effect transistor 112 itself, the two terminals may be interchanged with each other.
  • the single field effect transistor 112 and the protection integrated circuit device 118 for controlling the same may constitute a protection circuit unit.
  • the protection circuit unit may detect overdischarge, overcharge and / or overcurrent of the battery to block charging and discharging or operation of the battery bare cell.
  • the protection integrated circuit device 118 may control the single field effect transistor 112 to control overcharge and / or overdischarge of the battery bare cell BC.
  • the single field effect transistor 112 may be, for example, an N-type MOSFET (NMOSFET). It may include a pair of parasitic diodes PD1 and PD2 connected in opposite directions with respect to the node n4 connected to the well terminal Bin.
  • the parasitic diode PD1 may be connected so that the drain electrode D may be in the positive direction at the node n4, and the parasitic diode PD2 may be connected so that the source electrode S is in the positive direction at the node n4. have.
  • the protection integrated circuit device 118 may include a control logic to control the single field effect transistor 112 therein.
  • the control logic may include a reference voltage setting unit, a comparison unit for comparing the reference voltage and the charge / discharge voltage, an overcurrent detector, and a charge / discharge detector.
  • the criterion for determining the state of charge and discharge can be changed to the specification SPEC required by the user, and the charge / discharge state is determined by recognizing the voltage difference of each terminal of the protection integrated circuit element 118 according to the determined criterion.
  • the protection integrated circuit device 118 outputs a control logic so that the reference terminal Vss, the power supply terminal Vdd, the sensing terminal V-, the charge / discharge control signal output terminal CDout, and the bias terminal are output. (Bout) may be included.
  • the protection integrated circuit device 118 may be connected to the nodes n1, n2, and n4 through at least one passive device.
  • the power supply terminal vvd is connected to the node n1 between the first positive terminal 102 and the second positive terminal 106 via the resistor R1
  • the reference terminal Vss is connected to the first negative terminal. It may be connected to the node n2 between the 104 and the drain terminal (D).
  • the capacitor C1 may be interposed between the reference terminal Vss and the power supply terminal Vdd between the node n1 and the node n2 to prevent a short circuit between the two nodes n1 and n3.
  • the sensing terminal V ⁇ may be connected to the node n3 through the resistor R2.
  • a capacitor C2 may be connected between the two nodes n2 and n3 in parallel with the single field effect transistor 112.
  • the protection integrated circuit device 118 may apply the charging voltage or the discharge voltage through the power supply terminal Vdd based on the voltage of the reference terminal Vss, and through the sensing terminal V ⁇ . Charge and discharge and overcurrent conditions can be detected.
  • the charge / discharge control signal output terminal CDout is a gate terminal G of the single field effect transistor 112 in order to control the on-off of the single field effect transistor 112 during charging and / or discharging of the battery. ) Can be connected.
  • the charging current flows from the second positive terminal 106 to the first positive terminal 102 and from the first negative terminal 104 to the second negative terminal 108.
  • the discharge current flows from the first positive terminal 102 to the second positive terminal 106 and from the second negative terminal 108 to the first negative terminal 104.
  • the protection integrated circuit device 118 When the protection integrated circuit device 118 detects an overcurrent or overdischarge state during battery discharge, the protection integrated circuit device 118 outputs a low signal through the charge / discharge control signal output terminal CDout to turn off the single field effect transistor 112. In response to detecting an overcurrent or an overcharge state when the battery is being charged, the low field effect transistor 112 may be turned off by outputting a low signal through the charge / discharge control signal output terminal CDout. As a result, the circuit between the first negative terminal 104 and the second negative terminal 108 may be blocked to block overcharging, overdischarging, and / or overcurrent of the battery.
  • the protection integrated circuit device 118 applies a voltage to the well terminal Bin of the single field effect transistor 112 through a bias terminal Bout in addition to the charge / discharge control signal output terminal CDout. It is possible to control the electric field state of the PD1, PD2.
  • the resistor R1 and the capacitor C1 serve to stabilize fluctuations in the power supply of the protection integrated circuit device 118.
  • the resistance value of the resistor R1 is a predetermined value, for example, 1 K ⁇ or less. Can be set.
  • the capacitance value of the capacitor C1 may be appropriately adjusted for stable operation, and may have a suitable value of 0.01 ⁇ F or more, for example.
  • the resistors R1 and R2 become current limiting resistors when the high voltage charger or chargers that exceed the absolute maximum rating of the protection integrated circuit element 118 are connected upside down. Since the resistor R1 and the resistor R2 may cause power consumption, the sum of the resistance value at the resistor R1 and the resistance value at the resistor R2 may be set to be larger than 1K ⁇ . If the resistance value of the resistor R2 is too large, the recovery may not occur after the overcharge cutoff, and thus the resistance value of the resistor R2 may be set to a value of 10 K ⁇ or less.
  • the capacitor C1 does not significantly affect the characteristics of the battery protection circuit product, but is added for the user's request or stability.
  • the capacitor C1 is for the effect of stabilizing the system by improving resistance to voltage fluctuations or external noise.
  • a structure in which a resistor and a varistor are connected in parallel to each other may be added for electrostatic discharge (ESD) and surge protection.
  • the varistor device is a device that lowers the resistance when an overvoltage occurs, and when the overvoltage occurs, the resistance is lowered, thereby minimizing circuit damage due to the overvoltage.
  • the number or arrangement of passive elements in the above-described protection circuit unit may be appropriately modified according to the additional function.
  • the single field effect transistor 112 instead of the conventional dual field effect transistor, it is possible to increase the overall operating speed by lowering the resistance, and additionally, the volume reduction can be expected.
  • protection circuit unit can be implemented with a semiconductor chip, so that the silicon process technology can be manufactured minutely in micro to nanometer units.
  • the protection integrated circuit device 118 and the single field effect transistor 112 can be manufactured with a semiconductor chip, but also passive devices such as resistors R1 and R2 and capacitors C1 and C2. It can also be produced in the form of a chip.
  • Such a chip structure can be easily mounted on a substrate using surface mounting technology (SMT).
  • FIG. 2 and 3 are schematic circuit diagrams showing other examples of a part of a battery protection circuit module according to embodiments of the present invention.
  • the battery protection circuit module of these embodiments is a more specific example of the interior of the protection integrated circuit device 118 in the battery protection circuit module of FIG. 1, and therefore, redundant descriptions in the embodiments are omitted.
  • the protection integrated circuit device 118 controls the gate terminal G to control the switching of the single field effect transistor 112 and the well terminal using the internal switch elements SW1 and SW2. By controlling the bias of (Bin), it is possible to control the charge and discharge of the battery bare cell (Bc).
  • the bias terminal Bout is always connected to one of the reference terminal Vss and the sense terminal V-, and the internal switch elements SW1 and SW2 are connected to the reference terminal Vss.
  • a terminal which is not always connected to the bias terminal Bout among the sensing terminal V ⁇ and the bias terminal Bout may have a bias terminal Bout direction between any one of the reference terminal Vss and the sense terminal V ⁇ connected to the bias terminal Bout and the bias terminal Bout.
  • the diodes ID1 and ID2 may be connected to be forward.
  • the bias terminal Bout is always connected to the reference terminal Vss via the diode ID1, and the internal switch element SW1 is connected between the bias terminal Bout and the sensing terminal V ⁇ . May be interposed. More specifically, the bias terminal Bout is connected to the node n5 between the reference terminal Vss and the sensing terminal V ⁇ , and in addition to the diode ID1 between the node n5 and the reference terminal Vss. An internal resistor R31 may be further added. The internal switch element SW1 may be interposed between the node n5 and the sensing terminal V ⁇ . The diode ID1 may be connected therebetween so that the direction of the reference terminal Vss at the node n5 is reversed.
  • the internal switch element SW1 During normal charging, the internal switch element SW1 is turned off and the single field effect transistor 112 is turned on to charge current through the channel of the single field effect transistor 112. Can flow.
  • the bias terminal Bout outputs the voltage of the reference terminal Vss.
  • the internal switch element SW1 may be turned on and the single field effect transistor 112 may be turned off when the overcharge is detected during charging or when the charge overcurrent is detected.
  • the bias terminal Bout may be connected to the sensing terminal V ⁇ to apply a voltage of the sensing terminal V ⁇ to the well terminal Bin. Accordingly, as the parasitic diode PD2 in the forward direction is disabled during charging, the parasitic diode PD1 in the reverse direction has a predetermined breakdown voltage, and thus, the charging current in the source S direction in the drain D may be blocked. Accordingly, it is possible to cut off the charging current in the entire circuit.
  • the single field-effect transistor 112 Upon recharging, the single field-effect transistor 112 is turned on by sensing the change in the set potential of the power supply terminal Vdd, the sense terminal V- and / or the reference terminal Vss to recognize the charger removal or the load connection. In addition, the internal switch element SW1 may be turned off.
  • the internal switch element SW1 is turned off and the single field effect transistor 112 is turned on to discharge current through the channel of the single field effect transistor 112. Can flow.
  • the internal switch element SW1 may be turned off and the single field effect transistor 112 may also be turned off during the overdischarge detection or the discharge overcurrent detection during discharge.
  • the bias terminal Bout may be connected to the reference terminal Vss, and the voltage of the reference terminal Vss may be applied to the well terminal Bin. Accordingly, the parasitic diode PD1 in the forward direction is disabled during discharge, and internal voltage is generated in the parasitic diode PD2 in the reverse direction to block the discharge current from the source S in the drain D direction. As a result, it is possible to interrupt the discharge current in the entire circuit.
  • a single field effect transistor 112 is turned on by sensing a change in the set potential of the power supply terminal Vdd, the sense terminal V- and / or the reference terminal Vss, recognizing the charger connection or removing the load.
  • the internal switch element SW1 may maintain a turn-off state.
  • the size of the internal resistance R31 is made relatively large so that the current between the reference terminal Vss and the bias terminal Bout or between the reference terminal Vss and the sensing terminal V- is negligible. Can be as small as possible.
  • the internal resistor R31 may have a value in the range of about 10-20 mA, so that the current through the protection integrated circuit element 118 between the reference terminal Vss and the sense terminal V ⁇ . Is only a leakage current level of tens to hundreds of mA or less and can be negligibly small.
  • overcharge detection, charge overcurrent detection, overdischarge detection, or discharge overcurrent detection not only the current through the single field effect transistor 112 but also the current through the protection integrated circuit device 118 may be blocked.
  • the bias terminal Bout is always connected to the sensing terminal V- via the diode ID2 between the sensing terminal V ⁇ and the internal switch element SW2 is connected to the bias terminal Bout.
  • the reference terminal Vss More specifically, the bias terminal Bout is connected to the node n5 between the reference terminal Vss and the sense terminal V-, and the diode ID2 between the node n5 and the sense terminal V-.
  • an internal resistor R32 may be interposed.
  • the internal switch element SW2 may be interposed between the node n5 and the reference terminal Vss.
  • the diode ID2 may be connected therebetween so that the sensing terminal V ⁇ direction is reversed at the node n5.
  • both the internal switch element SW2 and the single field effect transistor 112 are turned on, so that a charging current may flow through a channel of the single field effect transistor 112.
  • the internal switch element SW2 When the internal switch element SW2 is turned on, the voltage of the reference terminal Vss may be output to the bias terminal Bout.
  • the internal switch element SW2 may be turned off and the single field effect transistor 112 may be turned off during the overcharge detection or the charge overcurrent detection during charging.
  • the bias terminal Bout may be connected to the sensing terminal V ⁇ , and the voltage of the sensing terminal V ⁇ may be applied to the well terminal Bin.
  • the parasitic diode PD2 in the forward direction is incapacitated, and the charging current may be blocked as the parasitic diode PD1 in the reverse direction has a predetermined breakdown voltage, thereby blocking the charging current in the entire circuit.
  • both the single field effect transistor 112 and the internal switch element SW2 may be turned on.
  • both the internal switch element SW2 and the single field effect transistor 112 are turned on, so that a discharge current may flow through a channel of the single field effect transistor 112.
  • the internal switch element SW2 may be turned on and the single field effect transistor 112 may be turned off during overdischarge detection or overdischarge detection during discharge.
  • the bias terminal Bout may be connected to the reference terminal Vss, and a voltage of the reference terminal Vss may be applied to the well terminal Bin. Accordingly, the parasitic diode PD1, which is in the forward direction during discharge, is incapacitated, and the breakdown voltage is generated in the parasitic diode PD2, which is in the reverse direction, so that the discharge current in the direction from the source S to the drain D can be interrupted. It is possible to cut off the discharge current throughout the circuit.
  • the single field effect transistor 112 and the internal switch element are sensed by detecting a change in the set potential of the power supply terminal Vdd, the sense terminal V- and / or the reference terminal Vss, and recognizing the charger connection or the load removal. You can turn on all of (SW2).
  • the internal resistance R32 is made relatively large so that the current between the reference terminal Vss and the bias terminal Bout or between the reference terminal Vss and the sensing terminal V- is negligible. Can be as small as possible.
  • the internal resistor R32 may have a value in the range of about 10-20 mA, so that the current through the protection integrated circuit device 118 between the reference terminal Vss and the sense terminal V ⁇ . Is only a leakage current level of tens to hundreds of mA or less and can be negligibly small.
  • overcharge detection, charge overcurrent detection, overdischarge detection, or discharge overcurrent detection not only the current through the single field effect transistor 112 but also the current through the protection integrated circuit device 118 may be blocked.
  • the single field effect is controlled by controlling the on-off of the single field effect transistor 112 and controlling the bias voltage output through the bias terminal Bout through the internal switch elements SW1 and SW2.
  • the effect transistor 112 may control the charge and discharge of the battery bare cell Bc.
  • the bias terminal Bout is always connected to either the reference terminal Vss or the sensing terminal V-, the bias voltage can be controlled by only one internal switch element SW1 or SW2, thereby simplifying the switch structure. You can.
  • the resistors R31 and R32 and the diodes ID1 and ID2 the charge or discharge is sensed by detecting the charger or the load connection while eliminating the current flow into the protection integrated circuit device 118 at the leakage current level during the charge / discharge control. Return is possible.
  • the circuit may be simplified by switching a voltage using a conventional inverter circuit without separately including a transistor inside the protection integrated circuit device 118.
  • 4A is a schematic circuit diagram illustrating a battery protection circuit module according to a first embodiment of the present invention.
  • a battery protection circuit module may include a first positive electrode terminal 102 and a first negative electrode 104 electrically connected to electrode terminals of a battery bare cell Bc; A second positive terminal 106 and a second negative terminal 108 electrically connected to a charger or an electronic device; A first single field effect transistor 112 connected between at least one of the first positive terminal 102 or the first negative terminal 104 and at least one of the second positive terminal 106 and the second negative terminal 108.
  • first protection integrated circuit element (118) for controlling the first single field effect transistor (112); And a second single field effect transistor 122 connected between at least one of the first positive terminal 102 or the first negative terminal 104 and at least one of the second positive terminal 106 and the second negative terminal 108. And a second protection circuit unit comprising a second protection integrated circuit element 128 for controlling the second single field effect transistor 122.
  • the configuration and operation of the second single field effect transistor 122 and the second protection integrated circuit device 128 and the configuration and operation of the first single field effect transistor 112 and the first protection integrated circuit device 118 are shown in FIG. Since it can be demonstrated with reference to the structure and operation
  • the bias terminal is not always connected to the reference terminal or the sensing terminal via a diode, but the number of internal switching elements. It is also possible to control the bias of the well terminal by increasing.
  • the internal switch element may be packaged by being provided externally without being embedded in the protection integrated circuit element.
  • At least one of the first protection circuit unit and the second protection circuit unit may operate for overcurrent protection to replace a PTC thermistor, for example, a second single field effect transistor 122 and a second
  • the second protection circuit unit including the protection integrated circuit device 128 may operate to block an overcurrent flowing to the battery bare cell Bc, and may include a first single field effect transistor 112 and a first protection integrated circuit.
  • the first protection circuit unit including the element 118 may operate to control overcharge and / or overdischarge of the battery bare cell Bc.
  • a structure in which a resistor and a varistor are connected in parallel to each other may be added for electrostatic discharge (ESD) and surge protection.
  • ESD electrostatic discharge
  • the number or arrangement of passive elements in the above-described second protection circuit unit and the first protection circuit unit can be appropriately modified according to additional functions.
  • the battery bare cell (Bc) is protected using the double protection structure of the first and first protection circuit unit, so that a conventional overcurrent or overheat protection device such as a PTC thermistor Alternatively, the bimetal junction structure and the like can be omitted, thereby reducing the total volume thereof.
  • a conventional overcurrent or overheat protection device such as a PTC thermistor
  • the bimetal junction structure and the like can be omitted, thereby reducing the total volume thereof.
  • the first and the first protection circuit units can be implemented with semiconductor chips, so that the silicon process technology can be used to produce micro-nano-micrometer units.
  • the second protection integrated circuit device 128, the first protection integrated circuit device 118, the second single field effect transistor 122, and the first single field effect transistor 112 may be fabricated using a semiconductor chip.
  • passive elements such as resistors R1, R2, R3, and R4 and capacitors C1, C2, C3, and C4 may also be manufactured in chip form.
  • Such a chip structure can be easily mounted on a substrate using surface mounting technology (SMT).
  • FIG. 4B illustrates a perspective view of the module package 20 in which a portion indicated by a dashed line in the circuit diagram of FIG. 4A is implemented as one package.
  • the module package 20 shown in FIG. 4B includes an encapsulant 15 implemented by molding the structure 20a shown in FIG. 4C.
  • the position and shape of the output terminal shown in the module package 20 shown in FIG. 4B may be changed according to the design design.
  • the structure 20a shown in FIG. 4C is a structure in which a component corresponding to the area indicated by a dashed line in the circuit diagram of FIG. 4A is mounted on the substrate 10 and then connected to the electrical connection member 12. It may be understood that the internal layout of the illustrated module package 20 is represented.
  • the substrate 10 may be configured as a lead frame. In another variation, the substrate 10 may be configured as a printed circuit board.
  • the electrical connection member 12 may be composed of a bonding wire or a bonding ribbon.
  • FIG. 5B illustrates a perspective view of the module package 30 in which a portion indicated by dashed lines in the circuit diagram of FIG. 5A is implemented as one package
  • FIG. 5C illustrates an internal layout of the module package 30 illustrated in FIG. 5B. It is. That is, the module package 30 illustrated in FIG. 5B implements only the second single field effect transistor 122 and the second protection integrated circuit device 128 in one packaging. Of course, in this manner, only the first single field effect transistor 112 and the first protection integrated circuit device 118 may be implemented in one packaging.
  • the position and shape of the output terminals shown in the module package 30 shown in FIG. 5B may vary depending on the design design. Since the overlapping description has been described with reference to FIGS. 1 to 3 and 4A to 4C, it will be omitted here.
  • FIG. 6B illustrates a perspective view of a module package 40 in which a portion indicated by a dashed line in the circuit diagram of FIG. 6A is implemented as one package
  • FIG. 6C illustrates an internal layout of the module package 40 shown in FIG. 6B. It is. That is, the module package 40 illustrated in FIG. 6B is implemented by only one second single field effect transistor 122. Of course, in this manner, only the first single field effect transistor 112 may be implemented in one packaging.
  • the position and shape of the output terminal shown in the module package 40 shown in FIG. 6B may vary depending on the design design. Since the overlapping description has been described with reference to FIGS. 1 to 3 and 4A to 4C, it will be omitted here.
  • FIG. 7B illustrates a perspective view of a module package 50 in which a portion indicated by a dashed line in the circuit diagram of FIG. 7A is implemented as one package
  • FIG. 7C illustrates an internal layout of the module package 50 illustrated in FIG. 7B. It is. That is, the module package 50 illustrated in FIG. 7B is implemented by only one second protection integrated circuit device 128. Of course, in this manner, only the first protection integrated circuit device 118 may be implemented in one packaging.
  • the position and shape of the output terminal shown in the module package 50 shown in FIG. 7B may be changed according to the design design. Since the overlapping description has been described with reference to FIGS. 1 to 3 and 4A to 4C, it will be omitted here.
  • FIG. 8B illustrates a perspective view of the module package 60 in which a portion indicated by a dashed line in the circuit diagram of FIG. 8A is implemented as one package
  • FIG. 8C illustrates an internal layout of the module package 60 illustrated in FIG. 8B.
  • the module package 60 shown in FIG. 8B includes a first protection circuit unit and a second single field effect transistor 122 including a first single field effect transistor 112 and a first protection integrated circuit element 118.
  • a second protection circuit unit including a second protection integrated circuit device 128 and passive components R3, R4, C3, and C4 added to the second protection circuit unit in one packaging.
  • the number of passive elements embedded in the packaging is not fixed, and the passive elements C4 may be excluded as necessary.
  • the position and shape of the output terminal shown in the module package 60 shown in FIG. 8B may vary depending on the design design.
  • a V-2 terminal, a Vdd2 terminal may be provided to be exposed in the packaging structure. Since the overlapping description has been described with reference to FIGS. 1 to 3 and 4A to 4C, it will be omitted here.
  • FIG. 9B illustrates a perspective view of a module package 70 in which a portion indicated by a dashed line in the circuit diagram of FIG. 9A is implemented as one package
  • FIG. 9C illustrates an internal layout of the module package 70 illustrated in FIG. 9B.
  • the module package 70 illustrated in FIG. 9B includes a first protection circuit unit and a second single field effect transistor 122 including a first single field effect transistor 112 and a first protection integrated circuit device 118.
  • a second protection circuit unit including a second protection integrated circuit element 128, and passive elements R3, R4, C3, and C4 added to the second protection circuit unit and passive devices added to the first protection circuit unit.
  • the devices R1, R2, C1, and C2 are implemented in one packaging.
  • the number of passive elements embedded in the packaging is not fixed, and the passive elements C2 and C4 may be excluded as necessary.
  • the position and shape of the output terminal shown in the module package 70 shown in FIG. 9B may be changed according to the design design. Additionally, V-2 terminals, Vdd2 terminals, V-1 terminals, Vdd1 terminals may be provided to be exposed in the packaging structure. Since the overlapping description has been described with reference to FIGS. 1 to 3 and 4A to 4C, it will be omitted here.
  • 10A is a schematic circuit diagram illustrating a battery protection circuit module according to a first embodiment of the present invention.
  • a battery protection circuit module may include a first positive electrode terminal 102 and a first negative electrode 104 electrically connected to electrode terminals of a battery bare cell Bc; A second positive terminal 106 and a second negative terminal 108 electrically connected to a charger or an electronic device; A second single field effect transistor 122 connected between at least one of the first positive terminal 102 or the first negative terminal 104 and at least one of the second positive terminal 106 and the second negative terminal 108.
  • a second protection integrated circuit device (128) for controlling the second single field effect transistor (122); And two field effect transistors connected between at least one of the first positive terminal 102 or the first negative terminal 104 and at least one of the second positive terminal 106 and the second negative terminal 108 and connected in series with each other.
  • a first protection circuit unit including a transistor group 114 and 116 including a first protection integrated circuit element 118 for controlling the transistor group 114 and 116.
  • the configuration between the second single field effect transistor 122 and the second protection integrated circuit element 128 can be described with reference to the configuration and operation of the single field effect transistor described with reference to FIGS. .
  • the transistor group electrically connected to the first protection integrated circuit device 118 may include a first field effect transistor 114 and a second field effect transistor 116 connected in series with each other.
  • the first field effect transistor 114 and the second field effect transistor 116 may be of the same type, for example, an N-type MOSFET (NMOSFET), and share a drain with each other at the node n5. Can be connected in series. Accordingly, at least one reverse diode is formed between the drain and the source of the first field effect transistor 114 and the second field effect transistor 116 to form the first negative electrode terminal 104 and the second negative electrode terminal 108. Control the current flow.
  • NMOSFET N-type MOSFET
  • the first protection integrated circuit device 118 may include a control logic for controlling the transistor group, for example, the first field effect transistor 114 and the second field effect transistor 116.
  • the control logic may include a reference voltage setting unit, a comparison unit for comparing the reference voltage and the charge / discharge voltage, an overcurrent detector, and a charge / discharge detector. Criteria for determining the state of charge and discharge can be changed to a specification required by the user, and the state of charge and discharge is determined by recognizing the voltage difference of each terminal of the first protection integrated circuit device 118 according to the specified criteria. do.
  • the first protection integrated circuit device 118 may include a reference terminal VSS1, a power supply terminal VDD1, a sensing terminal V-1, a discharge interruption signal output terminal Dout, and the like.
  • the charging cutoff signal output terminal Cout may be included.
  • the first protection integrated circuit device 118 may be connected to the nodes n1, n2, and n3 through at least one passive device.
  • the power supply terminal VDD1 may be connected to the node n1 through the resistor R1
  • the reference terminal VSS1 may be connected to the node n2.
  • the capacitor C1 may be interposed between the reference terminal VSS1 and the power supply terminal VDD1 between the node n1 and the node n2 to prevent a short circuit between the two nodes n1 and n2.
  • the sensing terminal V-1 may be connected to the node n3 through the resistor R2.
  • the first protection integrated circuit device 118 may apply the charging voltage or the discharge voltage through the power supply terminal VDD1 based on the voltage of the reference terminal VSS1, and the sensing terminal V-1. ) Can detect the charge / discharge and overcurrent conditions.
  • the discharge blocking signal output terminal Dout may be connected to the gate of the first field effect transistor 114 to control on-off of the transistor group when the battery is discharged.
  • the charge blocking signal output terminal Cout may be connected to a gate of the second field effect transistor 116 to control on-off of the transistor group when the battery is charged.
  • the charging current flows from the second positive electrode terminal 106 to the first positive electrode terminal 102 and from the first negative electrode terminal 104 to the second negative electrode terminal 108.
  • the discharge current flows from the first positive electrode terminal 102 to the second positive electrode terminal 106 and from the second negative electrode terminal 108 to the first negative electrode terminal 104.
  • the first protection integrated circuit device 118 When the first protection integrated circuit device 118 detects an overcurrent or an overdischarge state when the battery is discharged, the first protection integrated circuit device 118 outputs a low signal through the discharge cutoff signal output terminal Dout to operate the first field effect transistor 114.
  • the controller When the controller is turned off and senses an overcurrent or an overcharge state when the battery is being charged, the second field effect transistor 116 may be turned off by outputting a low signal through the charge blocking signal output terminal Cout. Accordingly, at least one of the first field effect transistor 114 and the second field effect transistor 116 connected in series with each other is turned off, so that the circuit between the first negative electrode terminal 104 and the second negative electrode terminal 108 is turned off. Blocking may cause overcharging, overdischarging, and / or overcurrent of the battery.
  • the resistor R1 and the capacitor C1 serve to stabilize the fluctuation of the power supply of the first protection integrated circuit device 118.
  • the resistance value of the resistor R1 is a predetermined value, for example, 1 K ⁇ or less. It can be set to a value.
  • the capacitance value of the capacitor C1 may be appropriately adjusted for stable operation, and may have a suitable value of 0.01 ⁇ F or more, for example.
  • the resistors R1 and R2 become current limiting resistors when the high voltage charger or chargers that exceed the absolute maximum rating of the first protection integrated circuit element 118 are connected upside down. Since the resistor R1 and the resistor R2 may cause power consumption, the sum of the resistance value at the resistor R1 and the resistance value at the resistor R2 may be generally set to be larger than 1K ⁇ . If the resistance value of the resistor R2 is too large, the recovery may not occur after the overcharge cutoff, and thus the resistance value of the resistor R2 may be set to a value of 10 K ⁇ or less.
  • the capacitor C1 does not significantly affect the characteristics of the battery protection circuit product, but is added for the user's request or stability.
  • the capacitor C1 is for the effect of stabilizing the system by improving resistance to voltage fluctuations or external noise.
  • a structure in which a resistor and a varistor are connected in parallel to each other may be added for electrostatic discharge (ESD) and surge protection.
  • the varistor device is a device that lowers the resistance when an overvoltage occurs, and when the overvoltage occurs, the resistance is lowered, thereby minimizing circuit damage due to the overvoltage.
  • FIG. 10B illustrates a perspective view of a module package 80 in which a portion indicated by a dashed line in the circuit diagram of FIG. 10A is implemented as one package.
  • the module package 80 shown in FIG. 10B includes an encapsulant 15 implemented by molding the structure 80a shown in FIG. 10C.
  • the position and shape of the output terminal shown in the module package 80 shown in FIG. 10B may be changed according to the design design. For example, the V-2 terminal, the VDD2 terminal, the V-1 terminal, and the VDD1 terminal may be provided to be exposed in the packaging structure as needed.
  • the structure 80a illustrated in FIG. 10C is a structure in which a component corresponding to an area indicated by a dashed line in the circuit diagram of FIG. 10A is mounted on the substrate 10 and then connected to the electrical connection member 12. It may be understood that the internal layout of the illustrated module package 80 is represented.
  • the substrate 10 may be configured as a lead frame. In another variation, the substrate 10 may be configured as a printed circuit board.
  • the electrical connection member 12 may be composed of a bonding wire or a bonding ribbon.
  • the reference terminal Vss and the node n5 are opened, and the bias terminal Bout is connected to the sensing terminal V ⁇ via the internal switch element SW1 via the node n5.
  • the internal switch element SW1 is turned off and the single field effect transistor 112 is turned on to charge current through the channel of the single field effect transistor 112. Can flow.
  • the bias terminal Bout may be floating.
  • the internal switch element SW1 may be turned on and the single field effect transistor 112 may be turned off when the overcharge is detected during charging or when the charge overcurrent is detected.
  • the bias terminal Bout may be connected to the sensing terminal V ⁇ to apply a voltage of the sensing terminal V ⁇ to the well terminal Bin. Accordingly, the charging parasitic diode PD2 in the forward direction is disabled while the charging current may be blocked as the parasitic diode PD1 in the reverse direction has a predetermined breakdown voltage. Accordingly, it is possible to cut off the charging current in the entire circuit.
  • the single field-effect transistor 112 Upon recharging, the single field-effect transistor 112 is turned on by sensing the change in the set potential of the power supply terminal Vdd, the sense terminal V- and / or the reference terminal Vss to recognize the charger removal or the load connection. In addition, the internal switch element SW1 may be turned off.
  • the internal switch element SW1 is turned off and the single field effect transistor 112 is turned on to discharge current through the channel of the single field effect transistor 112. Can flow.
  • the internal switch element SW1 may be turned off and the single field effect transistor 112 may also be turned off during the overdischarge detection or the discharge overcurrent detection during discharge.
  • the bias terminal Bout may be floated.
  • the single field effect transistor 112 is designed to have a withstand voltage, the discharge current through the parasitic diodes PD1 and PD2 can be blocked without connecting the voltage of the reference terminal Vss to the bias terminal Bout. . As a result, it is possible to interrupt the discharge current in the entire circuit.
  • a single field effect transistor 112 is turned on by sensing a change in the set potential of the power supply terminal Vdd, the sense terminal V- and / or the reference terminal Vss, recognizing the charger connection or removing the load.
  • the internal switch element SW1 may maintain a turn-off state.
  • FIG. 12 is a schematic perspective view showing a battery protection circuit package according to another embodiment of the present invention.
  • the battery protection circuit package 300 described above may be implemented in a packaged form by mounting at least one component constituting the above battery protection circuit module on the substrate 350.
  • the substrate 350 may include a printed circuit board or a lead frame.
  • At least one component of the battery protection circuit module mounted on the substrate 350 may include any one of the above-described module packages 20, 30, 40, 50, 60, 70, and 80.
  • At least one component of the battery protection circuit module mounted on the substrate 350 may be encapsulated in one package using the molding material 330.
  • the above-described protective circuit unit may be mounted on the substrate 350 in the form of a chip scale package (CSP), respectively, to reduce its volume.
  • CSP chip scale package
  • the second single field effect transistor 122, the second protection integrated circuit device 128, the first single field effect transistor 112, and the first protection integrated circuit device 118 are stacked. It may be manufactured in a package structure or a package on package (POP) structure.
  • POP package on package
  • FIG. 13 is a perspective view showing a battery pack according to another embodiment of the present invention.
  • the battery protection circuit package 300 described above is inserted between the upper surface of the battery bare cell and the upper case 500 embedded in the battery can 400 to form a battery pack.
  • the upper case 500 has a through hole 550 formed in a corresponding portion so that the external connection terminals P + and P- may be exposed to plastic and / or metal.
  • This battery bare cell comprises an electrode assembly and a cap assembly.
  • the electrode assembly is interposed between a positive electrode plate formed by applying a positive electrode active material to a positive electrode current collector, a negative electrode plate formed by applying a negative electrode active material to a negative electrode current collector, and between the positive electrode plate and the negative electrode plate to prevent short circuit between the two electrode plates and to allow movement of lithium ions. It can be made of a separator.
  • the positive electrode tab attached to the positive electrode plate and the negative electrode tab attached to the negative electrode plate are drawn out to the electrode assembly.
  • the cap assembly includes a cathode terminal 410, a gasket 420, a cap plate 430, and the like.
  • the cap plate 430 may serve as a positive electrode terminal.
  • the negative electrode terminal 410 may be referred to as a negative electrode cell or an electrode cell.
  • the gasket 420 may be formed of an insulating material to insulate the negative electrode terminal 410 from the cap plate 430. Accordingly, the electrode terminal of the battery bare cell may include the negative electrode terminal 410 and the cap plate 430.
  • the electrode terminal of the battery bare cell includes a plate 430 of a first polarity (eg, a positive electrode) and an electrode cell 410 of a second polarity (eg, a negative electrode) disposed in the center of the plate 430.
  • the first internal connection lead B + is electrically connected to the plate 430 of the first polarity (for example, the positive electrode), and the second internal connection lead B- is connected to the second.
  • the electrode cells 410 of the polarity (for example, the cathode) may be electrically connected to each other by bonding.
  • the length of the leadframe 50 is the length from one end of the plate 430 of the first polarity (eg, the anode) to the electrode cell 410 of the second polarity (eg, the cathode). It may correspond to (L / 2).
  • the battery protection circuit package module 300 is mounted using only one side area of the upper portion based on the electrode cell 410 of the second polarity (for example, the negative electrode), thereby miniaturizing or increasing the capacity of the battery.
  • the electrode cell 410 of the second polarity for example, the negative electrode
  • an additional cell may be formed in the other side region of the electrode cell 410 to increase battery capacity or to place a chip having another additional function, thereby contributing to miniaturization of an application having such a battery.

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Abstract

본 발명의 일 관점에 의한 배터리 보호회로 모듈은 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 양극 단자 및 제 1 음극 단자; 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자; 상기 제 1 양극 단자 또는 제 1 음극 단자 중 적어도 하나와 상기 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 1 단일 전계효과 트랜지스터, 및 상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛; 및 상기 제 1 양극 단자 또는 제 1 음극 단자 중 적어도 하나와 상기 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 2 단일 전계효과 트랜지스터, 및 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 2 보호회로 유닛;을 포함한다.

Description

배터리 보호회로 모듈, 및 이를 포함하는 배터리 팩
본 발명은 전자장치용 배터리에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 배터리 셀을 보호하기 위한 배터리 보호회로 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
일반적으로 휴대폰, PDA 등의 전자장치 등에 배터리가 사용되고 있다. 리튬이온 배터리는 휴대단말기 등에 가장 널리 사용되는 배터리로 과충전, 과전류 시에 발열하고, 발열이 지속되어 온도가 상승하게 되면 성능열화는 물론 폭발의 위험성까지 갖는다. 따라서, 이러한 성능 열화를 방지하기 위해서 배터리의 동작을 차단하는 배터리 보호회로 장치를 배터리에 제공해야 할 필요성이 높아지고 있다.
<선행기술문헌>
1. 공개특허공보 10-2007-0044544 (2007. 04. 30)
2. 등록특허공보 10-0791551 (2007. 12. 27)
통상적인 배터리 보호회로 장치는 충전과 방전을 제어하기 위하여 두 개의 전계효과 트랜지스터를 스위칭 소자로 이용하고 있지만, 이는 동작저항의 증가로 인한 성능 저하와 그 부피를 감소시키는 데 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 단일 전계효과 트랜지스터를 이용한 배터리 보호회로 모듈 및 배터리 팩을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 배터리 보호회로 모듈은 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 양극 단자 및 제 1 음극 단자; 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자; 상기 제 1 양극 단자 또는 제 1 음극 단자 중 적어도 하나와 상기 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 1 단일 전계효과 트랜지스터, 및 상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛; 및 상기 제 1 양극 단자 또는 제 1 음극 단자 중 적어도 하나와 상기 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 2 단일 전계효과 트랜지스터, 및 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 2 보호회로 유닛;을 포함한다.
상기 배터리 보호회로 모듈에서, 상기 제 2 보호회로 유닛 및 상기 제 1 보호회로 유닛 중 적어도 하나의 유닛은 피티씨 써미스터를 대체하도록 과전류 보호용으로 동작할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에서, 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터 및/또는 상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터는 드레인 단자, 소스 단자, 게이트 단자 및 웰 단자를 포함하고, 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터의 소스 단자가 상기 제 1 음극 단자에 전기적으로 접속되고, 상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터의 드레인 단자가 상기 제 2 음극 단자에 전기적으로 접속되고, 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터의 드레인 단자와 상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터의 소스 단자가 서로 전기적으로 접속되고, 상기 프로텍션 집적회로 소자는 전기적으로 접속된 상기 게이트 단자를 제어하며 상기 단일 전계효과 트랜지스터의 스위칭을 제어하고 내부 스위치 소자를 이용하여 상기 웰 단자의 바이어스를 제어하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 제어하며, 상기 프로텍션 집적회로 소자는 기준 단자, 감지 단자 및 상기 웰 단자와 접속되는 바이어스 단자를 포함하고, 상기 바이어스 단자는 상기 기준 단자 및 상기 감지 단자의 둘 중 어느 하나에 상시 접속되고, 상기 내부 스위치 소자는 상기 기준 단자 및 상기 감지 단자 중 상기 바이어스 단자와 상시 접속되지 않은 단자와 상기 바이어스 단자 사이에 접속될 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에서, 상기 프로텍션 집적회로 소자는 상기 바이어스 단자 및 상기 바이어스 단자와 접속되는 상기 기준 단자와 상기 감지 단자의 둘 중 어느 하나 사이에 상기 바이어스 단자 방향이 순방향이 되도록 접속되는 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에서, 상기 바이어스 단자는 상기 다이오드를 개재하여 상기 기준 단자에 상시 접속되고, 상기 내부 스위치 소자는 상기 바이어스 단자와 상기 감지 단자 사이에 개재될 수 있다. 상기 내부 스위치 소자는 과충전 검지 시 턴-온될 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에서, 상기 바이어스 단자는 상기 감지 단자와의 사이에 상기 다이오드를 개재하여 상기 감지 단자에 상시 접속되고, 상기 내부 스위치 소자는 상기 바이어스 단자와 상기 기준 단자 사이에 개재될 수 있다. 상기 내부 스위치 소자는 과방전 검지 시 턴-온될 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에서, 상기 제 1 보호회로 유닛 및/또는 상기 제 2 보호회로 유닛은 상기 프로텍션 집적회로 소자와 접속되는 적어도 하나의 수동소자를 더 포함할 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에서, 제 1 보호회로 유닛과 제 2 보호회로 유닛은 서로 동일한 배치의 소자들로 구성될 수 있다.
상기 배터리 보호회로 모듈에서, 상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터 및/또는 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터는 드레인 단자, 소스 단자, 게이트 단자 및 웰 단자를 포함하고, 상기 프로텍션 집적회로 소자는 전기적으로 접속된 상기 게이트 단자를 제어하며 상기 단일 전계효과 트랜지스터의 스위칭을 제어하고 내부 스위치 소자를 이용하여 상기 웰 단자의 바이어스를 제어하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 제어하며, 상기 프로텍션 집적회로 소자는 상기 제 1 음극 단자와 상기 드레인 단자 사이에 접속되는 기준 단자, 상기 제 2 음극 단자와 상기 소스 단자 사이에 접속되는 감지 단자, 및 상기 웰 단자와 접속되는 바이어스 단자를 포함하고, 상기 바이어스 단자는 상기 내부 스위치 소자를 중간에 개재하여 상기 감지 단자에 접속 가능할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의한 배터리 보호회로 패키지를 제공한다. 상기 배터리 보호회로 패키지는 기판; 및 상기 기판 상에 실장된 상술한 상기 배터리 보호회로 모듈;을 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 의한 배터리 팩을 제공한다. 상기 배터리 팩은 배터리 베어셀; 및 상기 배터리 베어셀과 접속되는 상술한 상기 배터리 보호회로 패키지;를 포함한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예들에 따르면, 동작 저항을 낮추어 성능을 높이며 컴팩트하게 구현할 수 있는 배터리 보호회로 모듈 및 이를 구비하는 배터리 보호회로 패키지와 배터리 팩을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 보호회로 모듈 일부의 일 예를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 보호회로 모듈 일부의 다른 예를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 보호회로 모듈 일부의 또 다른 예를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈 및 모듈 패키지를 보여주는 개략적인 회로도, 사시도 및 평면 구조도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈 및 모듈 패키지를 보여주는 개략적인 회로도, 사시도 및 평면 구조도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈 및 모듈 패키지를 보여주는 개략적인 회로도, 사시도 및 평면 구조도이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈 및 모듈 패키지를 보여주는 개략적인 회로도, 사시도 및 평면 구조도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈 및 모듈 패키지를 보여주는 개략적인 회로도, 사시도 및 평면 구조도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈 및 모듈 패키지를 보여주는 개략적인 회로도, 사시도 및 평면 구조도이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 제 7 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈 및 모듈 패키지를 보여주는 개략적인 회로도, 사시도 및 평면 구조도이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 보호회로 모듈 일부의 변형 예를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 보여주는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 동일한 참조부호에 대하여, 배터리 보호회로의 관점에서는 회로의 개념으로 설명할 수 있으나, 배터리 보호회로 패키지의 관점에서는 소자나 회로부품의 개념으로 설명할 수 있다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 집적회로(IC, integrated circuit)는 특정의 복잡한 기능을 처리하기 위해 많은 소자를 하나의 칩 안에 집적화한 전자부품을 의미할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 보호회로 모듈 일부의 일 예를 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 이 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈은 배터리 베어셀(Bc)의 전극단자들과 전기적으로 연결되는 제 1 양극 단자(102)와 제 1 음극 단자(104)와, 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 2 양극 단자(106)와 제 2 음극 단자(108)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 양극 단자(102)는 배터리 팩 내부의 배터리 베어셀(Bc)의 양극과 연결되는 내부 양극 단자(B+)이고, 제 1 음극 단자(104)는 배터리 베어셀(Bc)의 음극과 연결되는 내부 음극 단자(B-)이고, 제 2 양극 단자(106)는 배터리 팩 외부의 충전기 또는 전자기기의 양극에 연결되는 외부 양극 단자(P+)이고, 제 2 음극 단자(108)는 충전기 또는 전자기기의 음극에 연결되는 외부 음극 단자(P-)일 수 있다.
나아가, 도면에서 도시되지 않았으나, 본 발명의 일부 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈은 별도의 추가적인 외부 연결 단자를 더 포함할 수 있다.
배터리 보호회로 모듈은 제 1 양극 단자(102) 또는 제 1 음극 단자(104) 중 적어도 하나와 제 2 양극 단자(106) 및 제 2 음극 단자(108) 중 적어도 하나 사이에 접속되는 단일 전계효과 트랜지스터(112)와, 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 제어하기 위한 프로텍션 집적회로 소자(P-IC, 118)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 단일 전계효과 트랜지스터(112)는 드레인 단자(D), 소스 단자(S), 게이트 단자(G) 및 웰 단자(Bin)를 포함할 수 있고, 제 1 음극 단자(104)와 제 2 음극 단자(108) 사이에 접속될 수 있다. 예컨대, 드레인 단자(D)는 제 1 음극 단자(104)에 전기적으로 접속되고, 소스 단자(S)는 제 2 음극 단자(108)에 전기적으로 접속될 수 있다. 다만, 단일 전계효과 트랜지스터(112) 자체에서 드레인 단자(D)와 소스 단자(S)가 구분되는 것은 아니므로, 두 단자는 서로 바뀌어 불릴 수도 있다.
이러한 단일 전계효과 트랜지스터(112)와 이를 제어하기 위한 프로텍션 집적회로 소자(118)는 보호회로 유닛을 구성할 수 있다. 이러한 보호회로 유닛은 배터리의 과방전, 과충전 및/또는 과전류를 감지하여 배터리 베어셀의 충방전 또는 동작을 차단할 수 있다. 구체적으로, 프로텍션 집적회로 소자(118)는 배터리 베어셀(BC)의 과충전 및/또는 과방전을 제어하도록 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 제어할 수 있다.
단일 전계효과 트랜지스터(112)는 예컨대 N타입 모스펫(NMOSFET)일 수 있다. 웰 단자(Bin)에 접속되는 노드(n4)를 중심으로 서로 반대 방향으로 접속된 한 쌍의 기생 다이오드들(PD1, PD2)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기생다이오드(PD1)는 노드(n4)에서 드레인 전극(D) 방향이 정방향이 되고, 기생다이오드(PD2)는 노드(n4)에서 소스 전극(S) 방향이 정방향이 되도록 접속될 수 있다.
프로텍션 집적회로 소자(118)는 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 제어하는 제어로직을 내부에 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어로직은 기준전압 설정부, 기준전압과 충방전 전압을 비교하기 위한 비교부, 과전류 검출부, 충방전 검출부를 포함할 수 있다.
충전 및 방전상태의 판단 기준은 유저가 요구하는 스펙(SPEC)으로 변경이 가능하며 그 정해진 기준에 따라 프로텍션 집적회로 소자(118)의 각 단자별 전압차를 인지하여 충ㆍ방전상태를 판정한다. 예를 들어, 프로텍션 집적회로 소자(118)는 제어로직을 출력하기 위해서, 기준단자(Vss), 전원단자(Vdd), 감지단자(V-), 충방전제어신호 출력단자(CDout) 및 바이어스 단자(Bout)를 포함할 수 있다.
프로텍션 집적회로 소자(118)는 적어도 하나의 수동소자를 개재하여 노드들(n1, n2, n4)에 연결될 수 있다. 예컨대, 전원단자(vdd)는 저항(R1)을 개재하여 제 1 양극 단자(102)와 제 2 양극 단자(106) 사이의 노드(n1)에 접속되고, 기준단자(Vss)는 제 1 음극 단자(104)와 드레인 단자(D) 사이의 노드(n2)에 접속될 수 있다. 노드(n1)와 노드(n2) 사이의 기준단자(Vss)와 전원단자(Vdd) 사이에는 두 노드(n1, n3) 사이의 단락을 방지하기 위해서 커패시터(C1)가 개재될 수 있다. 감지단자(V-)는 저항(R2)을 개재하여 노드(n3)에 접속될 수 있다. 두 노드들(n2, n3) 사이에는 단일 전계효과 트랜지스터(112)와 병렬로 커패시터(C2)가 접속될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 프로텍션 집적회로 소자(118)는 기준단자(Vss)의 전압을 기준으로, 전원단자(Vdd)를 통해서 충전전압 또는 방전전압을 인가할 수 있고, 감지단자(V-)를 통해서 충방전 및 과전류 상태를 감지할 수 있다. 충방전제어신호 출력단자(CDout)는 배터리의 충전 및/또는 방전시 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 온-오프(on-off)를 제어하기 위해서 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 게이트 단자(G)에 접속될 수 있다.
배터리의 충전 시 충전전류는 제 2 양극 단자(106)로부터 제 1 양극 단자(102) 방향으로, 그리고 제 1 음극 단자(104)로부터 제 2 음극 단자(108) 방향으로 흐르게 된다. 배터리의 방전 시 방전전류는 제 1 양극 단자(102)로부터 제 2 양극 단자(106) 방향 그리고, 제 2 음극 단자(108)로부터 제 1 음극 단자(104) 방향으로 흐르게 된다.
프로텍션 집적회로 소자(118)는 배터리 방전 시에 과전류 또는 과방전 상태를 감지하면, 충방전제어신호 출력단자(CDout)를 통해 로우(LOW) 신호를 출력하여 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 오프 시키고, 배터리 충전 시에 과전류 또는 과충전 상태를 감지하면 충방전제어신호 출력단자(CDout)를 통해서 로우(LOW) 신호를 출력하여 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 오프 시키도록 동작할 수 있다. 이에 따라, 제 1 음극 단자(104)에서 제 2 음극 단자(108) 사이의 회로가 차단되어 배터리의 과충전, 과방전 및/또는 과전류가 차단될 수 있다.
나아가, 프로텍션 집적회로 소자(118)는 충방전제어신호 출력단자(CDout) 외에 부가적으로 바이어스 단자(Bout)를 통해서 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 웰 단자(Bin)에 전압을 인가하여 기생 다이오드들(PD1, PD2)의 전계 상태를 제어할 수 있다.
저항(R1)과 커패시터(C1)는 프로텍션 집적회로 소자(118)의 공급전원의 변동을 안정시키는 역할을 한다. 저항(R1)의 저항값을 크게 하면 전압 검출 시 프로텍션 집적회로 소자(118) 내부에 침투되는 전류에 의해서 검출전압이 높아지기 때문에 저항(R1)의 저항값은 소정의 값, 예컨대 1KΩ 이하의 값으로 설정될 수 있다. 또한, 안정된 동작을 위해서 커패시터(C1)의 용량값은 적절하게 조절될 수 있고, 예컨대 0.01μF 이상의 적당한 값을 가질 수 있다.
저항(R1), 저항(R2)은 프로텍션 집적회로 소자(118)의 절대 최대정격을 초과하는 고전압 충전기 또는 충전기가 거꾸로 연결되는 경우 전류 제한 저항이 된다. 저항(R1), 저항(R2)은 전원소비의 원인이 될 수 있으므로 통상적으로 저항(R1)에서의 저항값과 저항(R2)에서의 저항값의 합은 1KΩ 보다 크게 설정될 수 있다. 저항(R2)의 저항값이 너무 크다면 과충전 차단 후에 복귀가 일어나지 않을 수 있으므로, 저항(R2)의 저항값은 10KΩ 또는 그 이하의 값으로 설정될 수 있다.
커패시터(C1)는 배터리 보호회로 제품의 특성에 크게 영향을 끼치지는 않지만, 유저의 요청이나 안정성을 위해 추가되고 있다. 커패시터(C1)는 전압변동이나 외부 노이즈에 대한 내성을 향상시켜 시스템을 안정화시키는 효과를 위한 것이다.
선택적으로, 도면에 도시되지 않았으나, ESD(Electrostatic Discharge), 서지(surge) 보호를 위하여, 저항 및 배리스터가 서로 병렬 연결되는 구조가 부가될 수 있다. 배리스터 소자는 과전압 발생시 저항이 낮아지는 소자로, 과전압이 발생되는 경우 저항이 낮아져 과전압으로 인한 회로손상 등을 최소화할 수 있다. 전술한 보호회로 유닛에서 수동소자의 수나 배치는 부가 기능에 따라서 적절하게 변형될 수 있다.
전술한 배터리 보호회로 모듈에 따르면, 종래의 듀얼 전계효과 트랜지스터가 아닌 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 이용함으로써 저항을 낮추어 전체적인 동작속도를 높일 수 있고, 부가적으로 부피 감소도 기대할 수 있게 된다.
전술한 보호회로 유닛은 반도체칩으로 구현 가능하기 때문에 실리콘 공정 기술을 이용하면 마이크로 내지 나노 미터 단위로 미소하게 제작할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 프로텍션 집적회로 소자(118)와 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 모두 반도체칩으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 수동 소자들, 예컨대 저항들(R1, R2), 커패시터들(C1, C2)도 칩형태로 제조할 수 있다. 이러한 칩 구조는 표면실장기술을(surface mounting technology, SMT) 이용하여 용이하게 기판 상에 실장될 수 있다.
도 2와 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 보호회로 모듈 일부의 다른 예들을 보여주는 개략적인 회로도들이다. 이 실시예들의 배터리 보호회로 모듈은 도 1의 배터리 보호회로 모듈에서 프로텍션 집적회로 소자(118)의 내부를 보다 구체화 한 예들이고, 따라서 실시예들에서 중복된 설명은 생략된다.
도 2와 도 3을 참조하면, 프로텍션 집적회로 소자(118)는 게이트 단자(G)를 제어하여 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 스위칭을 제어하고 내부 스위치 소자(SW1, SW2)를 이용하여 웰 단자(Bin)의 바이어스를 제어하여, 배터리 베어셀(Bc)의 충방전을 제어할 수 있다.
프로텍션 집적회로 소자(118)에서, 바이어스 단자(Bout)는 기준 단자(Vss) 및 감지 단자(V-)의 둘 중 어느 하나에 상시 접속되고, 내부 스위치 소자(SW1, SW2)는 기준 단자(Vss) 및 감지 단자(V-) 중 바이어스 단자(Bout)와 상시 접속되지 않은 단자와 바이어스 단자(Bout) 사이에 접속될 수 있다. 나아가, 프로텍션 집적회로 소자(118)는 바이어스 단자(Bout) 및 바이어스 단자(Bout)와 접속되는 기준 단자(Vss)와 감지 단자(V-)의 둘 중 어느 하나 사이에 바이어스 단자(Bout) 방향이 순방향이 되도록 접속되는 다이오드(ID1, ID2)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 바이어스 단자(Bout)는 다이오드(ID1)를 개재하여 기준 단자(Vss)에 상시 접속되고, 내부 스위치 소자(SW1)는 바이어스 단자(Bout)와 감지 단자(V-) 사이에 개재될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 바이어스 단자(Bout)는 기준 단자(Vss)와 감지 단자(V-) 사이의 노드(n5)에 접속되고, 노드(n5)와 기준 단자(Vss) 사이에는 다이오드(ID1) 외에 내부 저항(R31)이 더 부가될 수 있다. 내부 스위치 소자(SW1)는 노드(n5)와 감지 단자(V-) 사이에 개재될 수 있다. 다이오드(ID1)는 노드(n5)에서 기준 단자(Vss) 방향이 역방향이 되도록 그 사이에 접속될 수 있다.
정상 충전 중에는 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프(turn-off) 되고, 단일 전계효과 트랜지스터(112)는 턴-온(turn-on) 되어 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 채널을 통해서 충전 전류가 흐를 수 있다. 내부 스위치 소자(SW1)가 턴-오프 되면, 바이어스 단자(Bout)는 기준 단자(Vss)의 전압을 출력하게 된다.
다만, 충전 중 과충전 검지 시 또는 충전 과전류 검지 시 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-온(turn-on) 되고 단일 전계효과 트랜지스터(112)는 턴-오프(turn-off) 될 수 있다. 이와 같이, 내부 스위치 소자(SW1)가 턴-온 되면, 바이어스 단자(Bout)는 감지 단자(V-)에 연결되어 웰 단자(Bin)에 감지 단자(V-)의 전압이 인가될 수 있다. 이에 따라, 충전 시 순방향이 되는 기생 다이오드(PD2)는 무력화되고 역방향이 되는 기생 다이오드(PD1)가 일정 내압을 갖게 됨에 따라, 드레인(D)에서 소스(S) 방향 충전 전류는 차단될 수 있다. 이에 따라, 회로 전체에서 충전 전류를 차단할 수 있게 된다.
충전 복귀 시에는 전원 단자(Vdd), 감지 단자(V-) 및/또는 기준 단자(Vss)의 설정 전위 변화를 감지하여 충전기 제거 또는 부하 연결을 인식하여 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 턴-온 시키고, 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프 될 수 있다.
정상 방전 중에는 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프(turn-off) 되고, 단일 전계효과 트랜지스터(112)는 턴-온(turn-on) 되어 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 채널을 통해서 방전 전류가 흐를 수 있다.
다만, 방전 시 과방전 검지 또는 방전 과전류 검지 시 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프 되고 단일 전계효과 트랜지스터(112)도 턴-오프 될 수 있다. 내부 스위치 소자(SW1)가 턴-오프 되면, 바이어스 단자(Bout)는 기준 단자(Vss)와 연결을 유지하게 되고, 웰 단자(Bin)에 기준 단자(Vss)의 전압이 인가될 수 있다. 이에 따라, 방전 시 순방향이 되는 기생 다이오드(PD1)는 무력화되고, 역방향이 되는 기생 다이오드(PD2)에는 내압이 생겨 소스(S)에서 드레인(D) 방향의 방전 전류를 차단할 수 있다. 이에 따라, 회로 전체에서 방전 전류를 차단할 수 있게 된다.
방전 복귀 시에는 전원 단자(Vdd), 감지 단자(V-) 및/또는 기준 단자(Vss)의 설정 전위 변화를 감지하여 충전기 연결 또는 부하 제거를 인식하여 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 턴-온 시키고, 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다.
위의 충방전 제어의 경우, 내부 저항(R31)의 크기를 상대적으로 크게 해서 기준 단자(Vss)와 바이어스 단자(Bout) 사이 또는 기준 단자(Vss)와 감지 단자(V-) 사이의 전류는 무시할 만큼 작게 할 수 있다. 예를 들어, 내부 저항(R31)은 약 10 ~ 20 ㏀ 범위의 값을 가질 수 있고, 이에 따라, 기준 단자(Vss)와 감지 단자(V-) 사이에서 프로텍션 집적회로 소자(118)를 통한 전류는 수십 내지 수백 ㎂ 이하의 누설전류 수준에 그쳐서 무시할 만큼 작게 될 수 있다. 예컨대, 과충전 검지, 충전 과전류 검지, 과방전 검지 또는 방전 과전류 검지 시, 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 통한 전류뿐만 아니라 프로텍션 집적회로 소자(118)를 통한 전류도 모두 차단될 수 있다.
도 3을 참조하면, 바이어스 단자(Bout)는 감지 단자(V-)와의 사이에 다이오드(ID2)를 개재하여 감지 단자(V-)에 상시 접속되고, 내부 스위치 소자(SW2)는 바이어스 단자(Bout)와 기준 단자(Vss) 사이에 개재될 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 바이어스 단자(Bout)는 기준 단자(Vss)와 감지 단자(V-) 사이의 노드(n5)에 접속되고, 노드(n5)와 감지 단자(V-) 사이에는 다이오드(ID2)와 내부 저항(R32)이 개재될 수 있다. 예컨대, 내부 스위치 소자(SW2)는 노드(n5)와 기준 단자(Vss) 사이에 개재될 수 있다. 다이오드(ID2)는 노드(n5)에서 감지 단자(V-) 방향이 역방향이 되도록 그 사이에 접속될 수 있다.
정상 충전 중에는 내부 스위치 소자(SW2)와 단일 전계효과 트랜지스터(112)가 모두 턴-온(turn-on) 되어, 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 채널을 통해서 충전 전류가 흐를 수 있다. 내부 스위치 소자(SW2)가 턴-온 되면, 바이어스 단자(Bout)에는 기준 단자(Vss)의 전압이 출력될 수 있다.
다만, 충전 중 과충전 검지 시 또는 충전 과전류 검지 시 내부 스위치 소자(SW2)는 턴-오프(turn-off) 되고 단일 전계효과 트랜지스터(112)는 턴-오프(turn-off) 될 수 있다. 내부 스위치 소자(SW12가 턴-오프 되면, 바이어스 단자(Bout)는 감지 단자(V-)에 연결되어 웰 단자(Bin)에 감지 단자(V-)의 전압이 인가될 수 있다. 이에 따라, 충전 시 순방향이 되는 기생 다이오드(PD2)는 무력화되고, 역방향이 되는 기생 다이오드(PD1)가 일정 내압을 갖게 됨에 따라 충전 전류가 차단될 수 있다. 이에 따라, 회로 전체에서 충전 전류를 차단할 수 있게 된다. 충전 복귀 시에는 단일 전계효과 트랜지스터(112)와 내부 스위치 소자(SW2)가 모두 턴-온 될 수 있다.
정상 방전 중에는 내부 스위치 소자(SW2)와 단일 전계효과 트랜지스터(112)가 모두 턴-온(turn-on) 되어 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 채널을 통해서 방전 전류가 흐를 수 있다.
다만, 방전 시 과방전 검지 또는 방전 과전류 검지 시 내부 스위치 소자(SW2)는 턴-온 되고, 단일 전계효과 트랜지스터(112)는 턴-오프 될 수 있다. 내부 스위치 소자(SW2)가 턴-온 되면, 바이어스 단자(Bout)는 기준 단자(Vss)와 연결을 유지하게 되고, 웰 단자(Bin)에 기준 단자(Vss)의 전압이 인가될 수 있다. 이에 따라, 방전 시 순방향이 되는 기생 다이오드(PD1)는 무력화되고, 역방향이 되는 기생 다이오드(PD2)에는 내압이 생겨 소스(S)에서 드레인(D) 방향의 방전 전류를 차단할 수 있다.이에 따라, 회로 전체에서 방전 전류를 차단할 수 있게 된다.
방전 복귀 시에는 전원 단자(Vdd), 감지 단자(V-) 및/또는 기준 단자(Vss)의 설정 전위 변화를 감지하여 충전기 연결 또는 부하 제거를 인식하여 단일 전계효과 트랜지스터(112)와 내부 스위치 소자(SW2)를 모두 턴-온 시킬 수 있다.
위의 충방전 제어의 경우, 내부 저항(R32)의 크기를 상대적으로 크게 해서 기준 단자(Vss)와 바이어스 단자(Bout) 사이 또는 기준 단자(Vss)와 감지 단자(V-) 사이의 전류는 무시할 만큼 작게 할 수 있다. 예를 들어, 내부 저항(R32)은 약 10 ~ 20 ㏀ 범위의 값을 가질 수 있고, 이에 따라, 기준 단자(Vss)와 감지 단자(V-) 사이에서 프로텍션 집적회로 소자(118)를 통한 전류는 수십 내지 수백 ㎂ 이하의 누설전류 수준에 그쳐서 무시할 만큼 작게 될 수 있다. 예컨대, 과충전 검지, 충전 과전류 검지, 과방전 검지 또는 방전 과전류 검지 시, 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 통한 전류뿐만 아니라 프로텍션 집적회로 소자(118)를 통한 전류도 모두 차단될 수 있다.
전술한 실시예들에 따르면, 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 온-오프를 제어하고, 내부 스위치 소자(SW1, SW2)를 통해서 바이어스 단자(Bout)를 통해서 출력되는 바이어스 전압을 제어함으로써, 단일 전계효과 트랜지스터(112)로 배터리 베어셀(Bc)의 충방전을 제어할 수 있다.
또한, 바이어스 단자(Bout)를 기준 단자(Vss) 또는 감지 단자(V-) 중 어느 하나에 상시 접속시킴으로써 하나의 내부 스위치 소자(SW1 또는 SW2) 만으로도 바이어스 전압을 제어할 수 있어서, 스위치 구조를 단순화시킬 수 있다. 또한, 저항(R31, R32)과 다이오드(ID1, ID2)를 이용하여, 충방전 제어 시 프로텍션 집적회로 소자(118) 내로 전류 흐름을 누설 전류 수준으로 없애면서도, 충전기 또는 부하 연결을 감지하여 충방전 복귀가 가능해진다.
나아가, 일부 실시예에서, 프로텍션 집적회로 소자(118) 내부에 트랜지스터를 별도로 구비하지 않고, 종래 인버터 회로를 활용하여 전압을 스위칭 시킴으로써 회로를 단순화할 수도 있다.
도 4a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈을 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈은 배터리 베어셀(Bc)의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 양극 단자(102) 및 제 1 음극 단자(104); 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 2 양극 단자(106) 및 제 2 음극 단자(108); 제 1 양극 단자(102) 또는 제 1 음극 단자(104) 중 적어도 하나와 제 2 양극 단자(106) 및 제 2 음극 단자(108) 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112), 및 상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛; 및 제 1 양극 단자(102) 또는 제 1 음극 단자(104) 중 적어도 하나와 제 2 양극 단자(106) 및 제 2 음극 단자(108) 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122), 및 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122)를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)를 포함하는, 제 2 보호회로 유닛;을 포함한다.
제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122)와 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128) 간의 구성과 동작과 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112)와 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118) 간의 구성과 동작은 도 1 내지 도 3에서 서술한 단일 전계효과 트랜지스터의 구성과 동작을 참조하여 설명할 수 있으므로, 여기에서는 생략한다.
다만, 이하의 도 4a 내지 도 10a에서 설명하는 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128) 및 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)의 구성과 동작은 도 1 내지 도 3에서 설명한 내용에 한정되지 않으며, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128) 및/또는 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)에서 바이어스 단자는 다이오드를 개재하여 기준 단자 또는 감지 단자에 상시 접속되는 구성이 아니라 내부 스위칭 소자의 개수를 증가하여 웰 단자의 바이어스를 제어할 수 도 있다. 부가적으로, 다른 변형된 실시예에서는, 내부 스위치 소자를 프로텍션 집적회로 소자에 내장하지 않고 외부에 별도로 제공하여 패키징화 할 수도 있다.
상기 제 1 보호회로 유닛 및 상기 제 2 보호회로 유닛 중 적어도 하나의 유닛은 피티씨 써미스터를 대체하도록 과전류 보호용으로 동작할 수 있는 바, 예를 들어, 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122)와 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)를 포함하는 상기 제 2 보호회로 유닛은 배터리 베어셀(Bc)로 흐르는 과전류를 차단할 수 있도록 동작할 수 있으며, 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112)와 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)를 포함하는 상기 제 1 보호회로 유닛은 배터리 베어셀(Bc)의 과충전 및/또는 과방전을 제어하도록 동작할 수 있다.
선택적으로, 도면에 도시되지 않았으나, ESD(Electrostatic Discharge), 서지(surge) 보호를 위하여, 저항 및 배리스터가 서로 병렬 연결되는 구조가 부가될 수 있다. 전술한 상기 제 2 보호회로 유닛 및 상기 제 1 보호회로 유닛에서 수동소자의 수나 배치는 부가 기능에 따라서 적절하게 변형될 수 있다.
전술한 본 발명의 듀얼 보호회로 구성에 따르면, 배터리 베어셀(Bc)을 제 1 및 제 1 보호회로 유닛의 이중 보호 구조를 이용하여 보호하게 됨에 따라서, 종래의 과전류 또는 과열 보호 장치, 예컨대 PTC 써미스터 또는 바이메탈 접합구조 등을 생략할 수 있어서, 그 전체 부피를 줄일 수 있다. 제 1 및 제 1 보호회로 유닛은 반도체칩으로 구현 가능하기 때문에 실리콘 공정 기술을 이용하면 마이크로 내지 나노 미터 단위로 미소하게 제작할 수 있기 때문이다.
예를 들어, 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128), 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118), 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122), 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 모두 반도체칩으로 제조할 수 있을 뿐만 아니라 수동 소자들, 예컨대 저항들(R1, R2, R3, R4), 커패시터들(C1, C2, C3, C4)도 칩형태로 제조할 수 있다. 이러한 칩 구조는 표면실장기술을(surface mounting technology, SMT) 이용하여 용이하게 기판 상에 실장될 수 있다.
도 4b는 도 4a의 회로도에서 일점쇄선으로 표시한 부분을 하나의 패키징으로 구현한 모듈 패키지(20)의 사시도를 나타낸 것이다. 도 4b에 도시된 모듈 패키지(20)은 도 4c에 도시된 구조체(20a)를 몰딩함으로써 구현된 봉지재(15)를 포함한다. 도 4b에 도시된 모듈 패키지(20)에서 도시된 출력 단자의 위치 및 모양은 설계 디자인에 따라 변경될 수도 있다. 도 4c에 도시된 구조체(20a)는 기판(10) 상에 도 4a의 회로도에서 일점쇄선으로 표시한 영역에 해당하는 부품을 실장한 후에 전기적 연결부재(12)로 연결한 구조체로서, 도 4b에 도시된 모듈 패키지(20)의 내부 레이아웃을 표현한 것으로 이해할 수도 있다. 기판(10)은 리드프레임으로 구성될 수 있으며, 다른 변형례에서는, 인쇄회로기판으로 구성될 수도 있다. 전기적 연결부재(12)는 본딩 와이어 또는 본딩 리본 등으로 구성될 수 있다.
그 밖에도 배터리 보호회로 모듈의 다양한 변형례가 가능한 바, 이하에서 예시적으로 설명한다.
도 5b는 도 5a의 회로도에서 일점쇄선으로 표시한 부분을 하나의 패키징으로 구현한 모듈 패키지(30)의 사시도를 나타낸 것이며, 도 5c는 도 5b에 도시된 모듈 패키지(30)의 내부 레이아웃을 도시한 것이다. 즉, 도 5b에 도시된 모듈 패키지(30)은 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122) 및 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128) 만을 하나의 패키징으로 구현한 것이다. 물론, 이러한 방식으로 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112) 및 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118) 만을 하나의 패키징으로 구현할 수도 있다. 도 5b에 도시된 모듈 패키지(30)에서 도시된 출력 단자의 위치 및 모양은 설계 디자인에 따라 변경될 수도 있다. 그 밖에 중복된 설명은 도 1 내지 도 3과 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명하였으므로 여기에서는 생략한다.
도 6b는 도 6a의 회로도에서 일점쇄선으로 표시한 부분을 하나의 패키징으로 구현한 모듈 패키지(40)의 사시도를 나타낸 것이며, 도 6c는 도 6b에 도시된 모듈 패키지(40)의 내부 레이아웃을 도시한 것이다. 즉, 도 6b에 도시된 모듈 패키지(40)은 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122)만을 하나의 패키징으로 구현한 것이다. 물론, 이러한 방식으로 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112)만을 하나의 패키징으로 구현할 수도 있다. 도 6b에 도시된 모듈 패키지(40)에서 도시된 출력 단자의 위치 및 모양은 설계 디자인에 따라 변경될 수도 있다. 그 밖에 중복된 설명은 도 1 내지 도 3과 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명하였으므로 여기에서는 생략한다.
도 7b는 도 7a의 회로도에서 일점쇄선으로 표시한 부분을 하나의 패키징으로 구현한 모듈 패키지(50)의 사시도를 나타낸 것이며, 도 7c는 도 7b에 도시된 모듈 패키지(50)의 내부 레이아웃을 도시한 것이다. 즉, 도 7b에 도시된 모듈 패키지(50)은 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)만을 하나의 패키징으로 구현한 것이다. 물론, 이러한 방식으로 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)만을 하나의 패키징으로 구현할 수도 있다. 도 7b에 도시된 모듈 패키지(50)에서 도시된 출력 단자의 위치 및 모양은 설계 디자인에 따라 변경될 수도 있다. 그 밖에 중복된 설명은 도 1 내지 도 3과 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명하였으므로 여기에서는 생략한다.
도 8b는 도 8a의 회로도에서 일점쇄선으로 표시한 부분을 하나의 패키징으로 구현한 모듈 패키지(60)의 사시도를 나타낸 것이며, 도 8c는 도 8b에 도시된 모듈 패키지(60)의 내부 레이아웃을 도시한 것이다. 즉, 도 8b에 도시된 모듈 패키지(60)은 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112) 및 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)를 포함하는 제 1 보호회로 유닛과 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122) 및 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)을 포함하는 제 2 보호회로 유닛 및 상기 제 2 보호회로 유닛에 부가된 수동소자(R3, R4, C3, C4)까지 하나의 패키징으로 구현한 것이다. 패키징 내에 내장된 수동소자의 개수는 고정된 것이 아니며, 필요에 의해 수동소자(C4)를 제외할 수도 있다. 도 8b에 도시된 모듈 패키지(60)에서 도시된 출력 단자의 위치 및 모양은 설계 디자인에 따라 변경될 수도 있다. 추가로, V-2 단자, Vdd2 단자가 패키징 구조체에서 노출되도록 제공될 수 있다. 그 밖에 중복된 설명은 도 1 내지 도 3과 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명하였으므로 여기에서는 생략한다.
도 9b는 도 9a의 회로도에서 일점쇄선으로 표시한 부분을 하나의 패키징으로 구현한 모듈 패키지(70)의 사시도를 나타낸 것이며, 도 9c는 도 9b에 도시된 모듈 패키지(70)의 내부 레이아웃을 도시한 것이다. 즉, 도 9b에 도시된 모듈 패키지(70)은 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112) 및 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)를 포함하는 제 1 보호회로 유닛과 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122) 및 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)을 포함하는 제 2 보호회로 유닛 및 상기 제 2 보호회로 유닛에 부가된 수동소자(R3, R4, C3, C4)와 상기 제 1 보호회로 유닛에 부가된 수동소자(R1, R2, C1, C2)까지 하나의 패키징으로 구현한 것이다. 패키징 내에 내장된 수동소자의 개수는 고정된 것이 아니며, 필요에 의해 수동소자(C2, C4)를 제외할 수도 있다. 도 9b에 도시된 모듈 패키지(70)에서 도시된 출력 단자의 위치 및 모양은 설계 디자인에 따라 변경될 수도 있다. 추가로, V-2 단자, Vdd2 단자, V-1 단자, Vdd1 단자가 패키징 구조체에서 노출되도록 제공될 수 있다. 그 밖에 중복된 설명은 도 1 내지 도 3과 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명하였으므로 여기에서는 생략한다.
도 10a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈을 보여주는 개략적인 회로도이다.
도 10a를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배터리 보호회로 모듈은 배터리 베어셀(Bc)의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 양극 단자(102) 및 제 1 음극 단자(104); 충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 2 양극 단자(106) 및 제 2 음극 단자(108); 제 1 양극 단자(102) 또는 제 1 음극 단자(104) 중 적어도 하나와 제 2 양극 단자(106) 및 제 2 음극 단자(108) 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122), 및 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122)를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128)를 포함하는, 제 2 보호회로 유닛; 및 제 1 양극 단자(102) 또는 제 1 음극 단자(104) 중 적어도 하나와 제 2 양극 단자(106) 및 제 2 음극 단자(108) 중 적어도 하나 사이에 접속되며 서로 직렬 연결된 두 개의 전계효과 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터군(114, 116) 및 상기 트랜지스터군(114, 116)을 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛을 포함한다.
제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122)와 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128) 간의 구성은 도 1 내지 도 3에서 서술한 단일 전계효과 트랜지스터의 구성과 동작을 참조하여 설명할 수 있으므로, 여기에서는 생략한다.
제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)와 전기적으로 접속된 트랜지스터군은 서로 직렬 연결된 제 1 전계효과 트랜지스터(114) 및 제 2 전계효과 트랜지스터(116)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 전계효과 트랜지스터(114)와 제 2 전계효과 트랜지스터(116)는 서로 동일한 타입, 예컨대 N타입 모스펫(NMOSFET)일 수 있고, 노드(n5)에서 서로 드레인(drain)을 공유하도록 직렬 연결될 수 있다. 이에 따라, 제 1 전계효과 트랜지스터(114)와 제 2 전계효과 트랜지스터(116)의 드레인과 소스 사이에는 적어도 하나의 역방향의 다이오드가 구성되어, 제 1 음극단자(104)와 제 2 음극단자(108)의 전류 흐름을 제어할 수 있게 된다.
제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 트랜지스터군, 예컨대 제 1 전계효과 트랜지스터(114) 및 제 2 전계효과 트랜지스터(116)를 제어하는 제어로직을 내부에 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어로직은 기준전압 설정부, 기준전압과 충방전 전압을 비교하기 위한 비교부, 과전류 검출부, 충방전 검출부를 포함할 수 있다. 충전 및 방전상태의 판단 기준은 유저가 요구하는 스펙(SPEC)으로 변경이 가능하며 그 정해진 기준에 따라 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)의 각 단자별 전압차를 인지하여 충ㆍ방전상태를 판정한다. 예를 들어, 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 제어로직을 출력하기 위해서, 기준단자(VSS1), 전원단자(VDD1), 감지단자(V-1), 방전차단신호출력단자(Dout) 및 충전차단신호출력단자(Cout)를 포함할 수 있다.
제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 적어도 하나의 수동소자를 개재하여 노드(n1, n2, n3)에 연결될 수 있다. 예컨대, 전원단자(VDD1)는 저항(R1)을 개재하여 노드(n1)에 접속되고, 기준단자(VSS1)은 노드(n2)에 접속될 수 있다. 노드(n1)와 노드(n2) 사이의 기준단자(VSS1)과 전원단자(VDD1) 사이에는 두 노드(n1, n2) 사이의 단락을 방지하기 위해서 커패시터(C1)이 개재될 수 있다. 감지단자(V-1)은 저항(R2)를 개재하여 노드(n3)에 접속될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 기준단자(VSS1)의 전압을 기준으로, 전원단자(VDD1)을 통해서 충전전압 또는 방전전압을 인가할 수 있고, 감지단자(V-1)을 통해서 충방전 및 과전류 상태를 감지할 수 있다.
방전차단신호출력단자(Dout)는 배터리의 방전시 트랜지스터군의 온-오프(on-off)를 제어하기 위해서, 제 1 전계효과 트랜지스터(114)의 게이트에 접속될 수 있다. 충전차단신호출력단자(Cout)는 배터리의 충전시 트랜지스터군의 온-오프(on-off)를 제어하기 위해서, 제 2 전계효과 트랜지스터(116)의 게이트에 접속될 수 있다.
배터리의 충전 시 충전전류는 제 2 양극단자(106)로부터 제 1 양극단자(102) 방향으로, 그리고 제 1 음극단자(104)로부터 제 2 음극단자(108) 방향으로 흐르게 된다. 배터리의 방전 시 방전전류는 제 1 양극단자(102)로부터 제 2 양극단자(106) 방향 그리고, 제 2 음극단자(108)로부터 제 1 음극단자(104) 방향으로 흐르게 된다.
제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 배터리 방전 시에 과전류 또는 과방전 상태를 감지하면, 방전차단신호출력단자(Dout)를 통해 로우(LOW) 신호를 출력하여 제 1 전계효과 트랜지스터(114)를 오프 시키고, 배터리 충전 시에 과전류 또는 과충전 상태를 감지하면 충전차단신호출력단자(Cout)를 통해서 로우(LOW) 신호를 출력하여 제 2 전계효과 트랜지스터(116)를 오프 시키도록 동작할 수 있다. 이에 따라, 서로 직렬 연결된 제 1 전계효과 트랜지스터(114)와 제 2 전계효과 트랜지스터(116) 중 적어도 하나가 오프되게 됨에 따라서, 제 1 음극단자(104)에서 제 2 음극단자(108) 사이의 회로가 차단되어 배터리의 과충전, 과방전 및/또는 과전류가 차단될 수 있다.
저항(R1)과 커패시터(C1)은 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)의 공급전원의 변동을 안정시키는 역할을 한다. 저항(R1)의 저항값을 크게 하면 전압 검출 시 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118) 내부에 침투되는 전류에 의해서 검출전압이 높아지기 때문에 저항(R1)의 저항값은 소정의 값, 예컨대 1KΩ 이하의 값으로 설정될 수 있다. 또한, 안정된 동작을 위해서 커패시터(C1)의 용량값은 적절하게 조절될 수 있고, 예컨대 0.01μF 이상의 적당한 값을 가질 수 있다.
저항(R1), 저항(R2)는 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)의 절대 최대정격을 초과하는 고전압 충전기 또는 충전기가 거꾸로 연결되는 경우 전류 제한 저항이 된다. 저항(R1), 저항(R2)는 전원소비의 원인이 될 수 있으므로 통상적으로 저항(R1)에서의 저항값과 저항(R2)에서의 저항값의 합은 1KΩ 보다 크게 설정될 수 있다. 저항(R2)의 저항값이 너무 크다면 과충전 차단 후에 복귀가 일어나지 않을 수 있으므로, 저항(R2)의 저항값은 10KΩ 또는 그 이하의 값으로 설정될 수 있다.
커패시터(C1)은 배터리 보호회로 제품의 특성에 크게 영향을 끼치지는 않지만, 유저의 요청이나 안정성을 위해 추가되고 있다. 커패시터(C1)은 전압변동이나 외부 노이즈에 대한 내성을 향상시켜 시스템을 안정화시키는 효과를 위한 것이다.
선택적으로, 도면에 도시되지 않았으나, ESD(Electrostatic Discharge), 서지(surge) 보호를 위하여, 저항 및 배리스터가 서로 병렬 연결되는 구조가 부가될 수 있다. 배리스터 소자는 과전압 발생시 저항이 낮아지는 소자로, 과전압이 발생되는 경우 저항이 낮아져 과전압으로 인한 회로손상 등을 최소화할 수 있다.
도 10b는 도 10a의 회로도에서 일점쇄선으로 표시한 부분을 하나의 패키징으로 구현한 모듈 패키지(80)의 사시도를 나타낸 것이다. 도 10b에 도시된 모듈 패키지(80)은 도 10c에 도시된 구조체(80a)를 몰딩함으로써 구현된 봉지재(15)를 포함한다. 도 10b에 도시된 모듈 패키지(80)에서 도시된 출력 단자의 위치 및 모양은 설계 디자인에 따라 변경될 수도 있다. 예를 들어, 추가로 V-2 단자, VDD2 단자, V-1 단자, VDD1 단자를 필요에 의해 패키징 구조체에서 노출되도록 제공할 수 있다.
도 10c에 도시된 구조체(80a)는 기판(10) 상에 도 10a의 회로도에서 일점쇄선으로 표시한 영역에 해당하는 부품을 실장한 후에 전기적 연결부재(12)로 연결한 구조체로서, 도 10b에 도시된 모듈 패키지(80)의 내부 레이아웃을 표현한 것으로 이해할 수도 있다. 기판(10)은 리드프레임으로 구성될 수 있으며, 다른 변형예에서는, 인쇄회로기판으로 구성될 수도 있다. 전기적 연결부재(12)는 본딩 와이어 또는 본딩 리본 등으로 구성될 수 있다.
전술한 실시예들에서, 제 1 보호회로 유닛 또는 제 2 보호회로 유닛을 구성하는 일 예를 보여주는 도 2의 배터리 보호회로 모듈 일부 구성은 도 11과 같이 변형될 수 있다.
도 11을 참조하면, 기준 단자(Vss)와 노드(n5) 사이가 개방되고, 바이어스 단자(Bout)는 노드(n5)를 거쳐서 내부 스위치 소자(SW1)를 개재하여 감지 단자(V-)에 접속될 수 있다. 즉, 도 11의 구조는 도 2에서 다이오드(ID1)와 저항(R31)이 생략된 구조에 대응될 수 있다.
정상 충전 중에는 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프(turn-off) 되고, 단일 전계효과 트랜지스터(112)는 턴-온(turn-on) 되어 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 채널을 통해서 충전 전류가 흐를 수 있다. 내부 스위치 소자(SW1)가 턴-오프 되면, 바이어스 단자(Bout)는 플로팅(floating) 될 수 있다.
다만, 충전 중 과충전 검지 시 또는 충전 과전류 검지 시 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-온(turn-on) 되고 단일 전계효과 트랜지스터(112)는 턴-오프(turn-off) 될 수 있다. 이와 같이, 내부 스위치 소자(SW1)가 턴-온 되면, 바이어스 단자(Bout)는 감지 단자(V-)에 연결되어 웰 단자(Bin)에 감지 단자(V-)의 전압이 인가될 수 있다. 이에 따라, 충전 시 순방향이 되는 기생 다이오드(PD2)는 무력화되고, 역방향이 되는 기생 다이오드(PD1)가 일정 내압을 갖게 됨에 따라 충전 전류가 차단될 수 있다. 이에 따라, 회로 전체에서 충전 전류를 차단할 수 있게 된다.
충전 복귀 시에는 전원 단자(Vdd), 감지 단자(V-) 및/또는 기준 단자(Vss)의 설정 전위 변화를 감지하여 충전기 제거 또는 부하 연결을 인식하여 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 턴-온 시키고, 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프 될 수 있다.
정상 방전 중에는 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프(turn-off) 되고, 단일 전계효과 트랜지스터(112)는 턴-온(turn-on) 되어 단일 전계효과 트랜지스터(112)의 채널을 통해서 방전 전류가 흐를 수 있다.
다만, 방전 시 과방전 검지 또는 방전 과전류 검지 시 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프 되고 단일 전계효과 트랜지스터(112)도 턴-오프 될 수 있다. 내부 스위치 소자(SW1)가 턴-오프 되면, 바이어스 단자(Bout)는 플로팅될 수 있다. 이 경우, 단일 전계효과 트랜지스터(112)가 내전압을 갖도록 설계함으로써, 바이어스 단자(Bout)에 기준 단자(Vss)의 전압을 연결하지 않고도 기생 다이오들(PD1, PD2)을 통한 방전 전류를 차단할 수 있다. 이에 따라, 회로 전체에서 방전 전류를 차단할 수 있게 된다.
방전 복귀 시에는 전원 단자(Vdd), 감지 단자(V-) 및/또는 기준 단자(Vss)의 설정 전위 변화를 감지하여 충전기 연결 또는 부하 제거를 인식하여 단일 전계효과 트랜지스터(112)를 턴-온 시키고, 내부 스위치 소자(SW1)는 턴-오프 상태를 유지할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배터리 보호회로 패키지를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 12를 참조하면, 전술한 배터리 보호회로 패키지(300)는 기판(350) 상에 상술한 배터리 보호회로 모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 부품이 실장되어 패키징 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 기판(350)은 인쇄회로기판 또는 리드프레임을 포함할 수 있다. 기판(350) 상에 실장되는 배터리 보호회로 모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 부품은 상술한 모듈 패키지(20, 30, 40, 50, 60, 70, 80)들 중의 어느 하나를 포함할 수 있다. 기판(350) 상에 실장되는 배터리 보호회로 모듈을 구성하는 적어도 하나 이상의 부품은 몰딩재(330)를 이용하여 하나의 패키지로 봉지될 수 있다.
이 실시예의 변형된 예에서, 전술한 보호회로 유닛은 그 부피를 줄이기 위해서 각각 칩스케일 패키지(chip scale package, CSP) 형태로 기판(350) 상에 실장될 수도 있다.
이 실시예의 다른 변형된 예에서, 제 2 단일 전계효과 트랜지스터(122), 제 2 프로텍션 집적회로 소자(128), 제 1 단일 전계효과 트랜지스터(112), 제 1 프로텍션 집적회로 소자(118)는 적층 패키지 구조나 또는 패키지-온-패키지(package on package, POP) 구조로 제조될 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 배터리 팩을 보여주는 사시도이다.
도 13을 참조하면, 배터리 캔(400) 내에 내장된 배터리 베어셀의 상부면과 상부케이스(500) 사이에 상술한 배터리 보호회로 패키지(300)가 삽입되어 배터리 팩을 구성하게 된다. 상부케이스(500)는 플라스틱 및/또는 금속 재질로 외부연결단자들(P+, P-)이 노출될 수 있도록 대응되는 부분에 관통홀(550)이 형성되어 있다.
이러한 배터리 베어셀은 전극 조립체와 캡 조립체를 포함하여 구성된다. 전극 조립체는 양극 집전체에 양극 활물질을 도포해서 형성된 양극판, 음극 집전체에 음극 활물질을 도포해서 형성된 음극판 및 상기 양극판과 상기 음극판 사이에 개재되어 두 극판의 단락을 방지하고 리튬 이온의 이동을 가능하게 하는 세퍼레이터로 이루어질 수 있다. 전극 조립체에는 상기 양극판에 부착된 양극탭과 상기 음극판에 부착된 음극탭이 인출되어 있다.
캡 조립체는 음극단자(410), 가스켓(420), 캡 플레이트(430) 등을 포함한다. 캡 플레이트(430)는 양극단자의 역할을 할 수 있다. 음극단자(410)는 음극셀 또는 전극셀로 명명될 수도 있다. 가스켓(420)은 음극단자(410)와 캡 플레이트(430)를 절연시키기 위하여 절연성 물질로 형성될 수 있다. 따라서, 배터리 베어셀의 전극단자는 음극단자(410)와 캡 플레이트(430)를 포함할 수 있다.
배터리 베어셀의 전극단자는 제 1 극성(예를 들어, 양극)의 플레이트(430)와 플레이트(430) 내의 중앙에 배치되는 제 2 극성(예를 들어, 음극)의 전극셀(410)을 포함하며, 제 1 내부연결단자용 리드(B+)는 제 1 극성(예를 들어, 양극)의 플레이트(430)와 접합하여 전기적으로 연결되고, 제 2 내부연결단자용 리드(B-)는 제 2 극성(예를 들어, 음극)의 전극셀(410)과 접합하여 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 리드프레임(50)의 길이는 제 1 극성(예를 들어, 양극)의 플레이트(430)의 일단에서 제 2 극성(예를 들어, 음극)의 전극셀(410)까지의 길이(L/2)에 해당할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 제 2 극성(예를 들어, 음극)의 전극셀(410)을 기준으로 상단 부분의 편측 영역만을 사용하여 배터리 보호회로 패키지모듈(300)을 장착하므로, 배터리의 소형화 또는 고용량화를 구현할 수 있다. 예를 들어, 전극셀(410)의 다른 편측 영역에 셀을 더 형성하여 배터리 용량을 늘이거나 또는 다른 추가 기능을 갖는 칩 등을 배치함으로써 이러한 배터리를 갖는 응용제품의 소형화에 기여할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 양극 단자 및 제 1 음극 단자;
    충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자;
    상기 제 1 양극 단자 또는 제 1 음극 단자 중 적어도 하나와 상기 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 1 단일 전계효과 트랜지스터, 및 상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터를 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛; 및
    상기 제 1 양극 단자 또는 제 1 음극 단자 중 적어도 하나와 상기 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 2 단일 전계효과 트랜지스터, 및 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 2 보호회로 유닛;을 포함하는,
    배터리 보호회로 모듈.
  2. 배터리 베어셀의 전극단자와 전기적으로 연결되는 제 1 양극 단자 및 제 1 음극 단자;
    충전기 또는 전자기기에 전기적으로 연결되는 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자;
    상기 제 1 양극 단자 또는 제 1 음극 단자 중 적어도 하나와 상기 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되며 서로 직렬 연결된 두 개의 전계효과 트랜지스터를 포함하는 트랜지스터군, 및 상기 트랜지스터군을 제어하기 위한 제 1 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 1 보호회로 유닛; 및
    상기 제 1 양극 단자 또는 제 1 음극 단자 중 적어도 하나와 상기 제 2 양극 단자 및 제 2 음극 단자 중 적어도 하나 사이에 접속되는 제 2 단일 전계효과 트랜지스터, 및 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터를 제어하기 위한 제 2 프로텍션 집적회로 소자를 포함하는, 제 2 보호회로 유닛;을 포함하는,
    배터리 보호회로 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 보호회로 유닛 및 상기 제 1 보호회로 유닛 중 적어도 하나의 유닛은 피티씨 써미스터를 대체하도록 과전류 보호용으로 동작하는, 배터리 보호회로 모듈.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터 및/또는 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터는 드레인 단자, 소스 단자, 게이트 단자 및 웰 단자를 포함하고,
    상기 프로텍션 집적회로 소자는 전기적으로 접속된 상기 게이트 단자를 제어하며 상기 단일 전계효과 트랜지스터의 스위칭을 제어하고 내부 스위치 소자를 이용하여 상기 웰 단자의 바이어스를 제어하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 제어하며,
    상기 프로텍션 집적회로 소자는 기준 단자, 감지 단자 및 상기 웰 단자와 접속되는 바이어스 단자를 포함하고, 상기 바이어스 단자는 상기 기준 단자 및 상기 감지 단자의 둘 중 어느 하나에 상시 접속되고, 상기 내부 스위치 소자는 상기 기준 단자 및 상기 감지 단자 중 상기 바이어스 단자와 상시 접속되지 않은 단자와 상기 바이어스 단자 사이에 접속되는,
    배터리 보호회로 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 프로텍션 집적회로 소자는 상기 바이어스 단자 및 상기 바이어스 단자와 접속되는 상기 기준 단자와 상기 감지 단자의 둘 중 어느 하나 사이에 상기 바이어스 단자 방향이 순방향이 되도록 접속되는 다이오드를 포함하는, 배터리 보호회로 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이어스 단자는 상기 다이오드를 개재하여 상기 기준 단자에 상시 접속되고, 상기 내부 스위치 소자는 상기 바이어스 단자와 상기 감지 단자 사이에 개재된, 배터리 보호회로 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 내부 스위치 소자는 과충전 검지 시 턴-온되는, 배터리 보호회로 모듈.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 바이어스 단자는 상기 감지 단자와의 사이에 상기 다이오드를 개재하여 상기 감지 단자에 상시 접속되고, 상기 내부 스위치 소자는 상기 바이어스 단자와 상기 기준 단자 사이에 개재된, 배터리 보호회로 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 내부 스위치 소자는 과방전 검지 시 턴-오프되는, 배터리 보호회로 모듈.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 보호회로 유닛 및/또는 상기 제 2 보호회로 유닛은 상기 프로텍션 집적회로 소자와 접속되는 적어도 하나의 수동소자를 더 포함하는, 배터리 보호회로 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    제 1 보호회로 유닛과 제 2 보호회로 유닛은 서로 동일한 배치의 소자들로 구성되는, 배터리 보호회로 모듈.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단일 전계효과 트랜지스터 및/또는 상기 제 2 단일 전계효과 트랜지스터는 드레인 단자, 소스 단자, 게이트 단자 및 웰 단자를 포함하고,
    상기 프로텍션 집적회로 소자는 전기적으로 접속된 상기 게이트 단자를 제어하며 상기 단일 전계효과 트랜지스터의 스위칭을 제어하고 내부 스위치 소자를 이용하여 상기 웰 단자의 바이어스를 제어하여 상기 배터리 베어셀의 충방전을 제어하며,
    상기 프로텍션 집적회로 소자는 상기 제 1 음극 단자와 상기 드레인 단자 사이에 접속되는 기준 단자, 상기 제 2 음극 단자와 상기 소스 단자 사이에 접속되는 감지 단자, 및 상기 웰 단자와 접속되는 바이어스 단자를 포함하고, 상기 바이어스 단자는 상기 내부 스위치 소자를 중간에 개재하여 상기 감지 단자에 접속 가능한,
    배터리 보호회로 모듈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 바이어스 단자는 상기 내부 스위치 소자가 턴-온 되면 상기 감지 단자에 연결되고, 상기 내부 스위치 소자가 턴-오프 되면 플로팅되는,
    배터리 보호회로 모듈.
  14. 기판; 및 상기 기판 상에 실장된 제 1 항 또는 제 2 항의 상기 배터리 보호회로 모듈;을 포함하는, 배터리 보호회로 패키지.
  15. 배터리 베어셀; 및 상기 배터리 베어셀과 접속되는 제 14 항의 상기 배터리 보호회로 패키지;를 포함하는, 배터리 팩.
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