WO2020166877A1 - 복수의 셀이 직렬 연결된 배터리에 사용가능한 전력관리장치 - Google Patents

복수의 셀이 직렬 연결된 배터리에 사용가능한 전력관리장치 Download PDF

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WO2020166877A1
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battery
voltage
power
switch
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PCT/KR2020/001679
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레쯔프란체스코
케브레라미켈레
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주식회사 실리콘마이터스
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04M—TELEPHONIC COMMUNICATION
    • H04M1/00—Substation equipment, e.g. for use by subscribers
    • H04M1/72—Mobile telephones; Cordless telephones, i.e. devices for establishing wireless links to base stations without route selection
    • H04M1/725—Cordless telephones
    • H04M1/73—Battery saving arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present invention relates to a power management device. Specifically, the present invention relates to a power management device usable for a battery in which a plurality of cells are connected in series.
  • the power (capacity) available from the battery is basically related to the volume of the battery. For example, regardless of whether two cells are connected in series (2S) or two cells are connected in parallel (2P), the available power can be said to be substantially the same.
  • the battery 2S in which two cells are connected in series can operate at about half the current when charging or discharging compared to the battery 2P in which the two cells are connected in parallel. For this reason, when a battery in which cells are connected in series is used, it is possible to reduce power loss, extend battery life, and increase stability. Also, considering the power supply for devices that require high voltage such as class D speakers or LCD backlights inside the smartphone system, voltage boosting is required when cells are connected in parallel, but voltage boosting is not required when cells are connected in series. There is an advantage that it is not.
  • the adapter external charging device
  • the battery voltage of 9V which is the battery voltage of two cells connected in series. If it is low enough, it can operate with high efficiency (on the other hand, when two cells are connected in parallel, the step-down converter should lower 20V to 4.5V or less, but if the voltage difference is such a large difference, the efficiency of the step-down converter may be lowered).
  • the advantages of using a battery in which a plurality of cells are serially connected to a smartphone are various.
  • the voltage provided by an adapter that supplies power to the smartphone can vary.
  • the adapter may provide a voltage of about 5V according to the existing USB 2.0 standard, or a high voltage of up to 20V according to the recently emerging Type-C PD standard, or other You can also provide a level of voltage.
  • the power management device inside the smartphone needs to operate in response to these various input voltages.
  • the battery voltage can be up to 9V.
  • the voltage range provided by the adapter, 5V to 20V may be lower or higher than the battery voltage. That is, the power management device must be able to operate with high efficiency in response to both an input voltage higher than the battery voltage and an input voltage lower than the battery voltage.
  • the power management device inside the smartphone needs to have both voltage step-up or boosting and step-down functions for charging the battery.
  • a buck-boost converter having both voltage step-up and step-down functions can be used (see FIG. 14), but the buck-boost converter includes four switches (Qa to Qd).
  • the problem is that the price increases due to the use, the problem that the current flowing through the inductor (L) in the boost mode doubles the output current to increase the inductor size and loss, and the inductor current is always two switches in both the boost mode and the step-down mode. As it flows through, there is a problem that the conduction loss increases.
  • buck-boost converters Due to this problem with buck-boost converters, it is common not to use buck-boost converters in the laptop computer field. For example, a method of using a high-efficiency, low-cost step-down converter (e.g., a buck converter) while eliminating the need to use a buck-boost converter by always supplying the charging voltage higher than the battery voltage. Mainly used.
  • a high-efficiency, low-cost step-down converter e.g., a buck converter
  • the power management device needs to provide various voltages to the devices inside the smart phone system, and the devices inside the smart phone system mainly use a low voltage of around 1V to 3V.
  • the battery voltage increases, it is difficult to implement a step-down converter that provides a large voltage difference with high efficiency and low cost. For example, compared to a case where a battery voltage of 4.5V in which two cells are connected in parallel is converted to 2V, an efficiency may be lowered when a battery voltage of 9V in which two cells are connected in series is converted to 2V. Even when the voltage difference is large, it is necessary to use a step-down converter that is more expensive and has a larger size in order to realize high efficiency.
  • the power management integrated circuit which generates and supplies various voltages to various devices in the existing smartphone, uses a low-cost 5V process in consideration of the fact that the maximum value of a single cell voltage is 4.5V. could be reduced. In the case of using a battery in which two cells are connected in series, it is necessary to use an additional cost or expensive process in order to manufacture the power management integrated circuit (PMIC) to support 9V.
  • the present invention is to provide a power management device capable of operating at low cost and high efficiency while using a battery in which a plurality of cells are connected in series and being compatible with various types of adapters.
  • the present invention can provide a power management device that operates with high efficiency while minimizing cost and size when using a battery in which a plurality of cells are connected in series.
  • the present invention may provide a power management device compatible with various types of external charging devices, such as an adapter according to the USB 2.0 standard and an adapter according to the Type-C PD standard, according to an embodiment.
  • the present invention can provide a power management apparatus using a low-cost power management integrated circuit (PMIC) used in an existing single-cell system despite using a battery in which a plurality of cells are connected in series, according to an embodiment.
  • PMIC power management integrated circuit
  • One aspect of the present invention is a power management device that is connected to an external charging device through an input node and is connected to a battery in which at least two cells are connected in series through a battery node to manage power, wherein the input node and the system node A step-down converter connected to and lowering the input node voltage to transfer power to the system node; A charge pump connected between the battery node and the system node to transmit power in both directions, wherein the battery node voltage is higher than the system node voltage; A power management integrated circuit (PMIC) connected to the system node to receive power from the system node and to supply power to elements inside the system; And a control circuit for performing internal control of the power management device, wherein the power management device includes a case where the input node voltage is a high voltage higher than the battery node voltage according to the type of the external charging device, and the input node It can operate in all cases where the voltage is a low voltage lower than the battery node voltage.
  • PMIC power management integrated circuit
  • the battery node may be connected to the input node through a first switch, and the first switch may connect or disconnect the battery node and the input node.
  • the system node is connected to a battery intermediate node, which is a contact point of the at least two cells, through a second switch, and when the second switch is turned on, the charge pump comprises the at least two cells. You can perform balancing between them.
  • control circuit may determine whether to perform cell balancing according to a voltage or a state of charge (SOC) of the at least two cells, and control on/off of the second switch.
  • SOC state of charge
  • control circuit may predict a balancing current based on a voltage difference between the at least two cells, and adjust the balancing current when it is determined that the balancing current is large.
  • control circuit selectively performs at least one of adjusting a gate voltage of the second switch, adjusting a switching frequency of the charge pump, or adjusting a gate voltage of transistors inside the charge pump.
  • the balancing current can be adjusted.
  • the step-down converter is connected to the input node through a third switch, and when the third switch is turned off, the step-down converter may not receive power from the input node.
  • the charge pump may have a voltage conversion ratio of 2:1.
  • the charge pump may supply power by lowering a voltage from the battery node to the system node.
  • a switching frequency of the charge pump may be changed based on the current of the battery.
  • a switching frequency of the charge pump when the current of the battery is greater than a reference value may be higher than a switching frequency of the charge pump when the current of the battery is less than the reference value.
  • the step-down converter transmits power by lowering a voltage from the input node to the system node, and transmits power to the input node.
  • the connection between the battery nodes may be cut off.
  • the charge pump in the low voltage mode, when the power consumed by the system through the system node is greater than the power supplied by the step-down converter to the system node, the charge pump operates from the battery node to the system node.
  • the charge pump transfers the voltage from the system node to the battery node. The battery can be charged by increasing the power supply.
  • the input node in a high voltage mode in which a high voltage higher than the battery node voltage is supplied from the external charging device, the input node is connected to the battery node through a first switch, and power is supplied from the external charging device.
  • the battery may be directly charged through the first switch and/or may be supplied to the system node through the first switch and the charge pump.
  • the step-down converter may be connected to the input node through a third switch, and in the high voltage mode, the third switch may be turned off to block connection between the step-down converter and the input node.
  • the battery in the high voltage mode, when the power consumed by the system through the system node is greater than the power supplied by the external charging device, the battery supplies power to the battery node, and the charge The pump transfers the power supplied from the external charging device and the battery to the system node together, and when the power consumed by the system through the system node is less than the power supplied by the external charging device, the external charging device At least a part of the power supplied from the battery directly charges the battery via the first switch-the power for charging the battery does not pass through either the step-down converter or the charge pump.
  • control circuit may control a current flowing from the input node to the battery node by adjusting a gate voltage of the first switch.
  • control circuit may provide the external charging device with voltage target value and current target value information to be supplied by the external charging device.
  • the control circuit requests the external charging device to provide power greater than the power transmitted by the first switch, and the control circuit comprises the power supplied from the external charging device and the first switch It is possible to control the step-down converter to process power corresponding to the difference between the transmitted power.
  • a fourth switch and a fifth switch are sequentially connected in series between the input node and the battery node, and a current multiplier between the contact points of the fourth switch and the fifth switch and the battery node.
  • a (current multiplier) is arranged and a high voltage higher than the voltage of the battery node is supplied from the external charging device, according to the magnitude of the voltage supplied from the external charging device to the input node, the battery node Power may be supplied from the input node through 4 switches and the current multiplier, or power may be supplied from the input node through the fourth switch and the fifth switch without passing through the current multiplier.
  • the power management device can operate with high efficiency while minimizing cost and size when using a battery in which a plurality of cells are connected in series.
  • the power management device is compatible with various types of adapters such as an adapter according to the USB 2.0 standard and an adapter according to the Type-C PD standard.
  • the power management device may use a power management integrated circuit (PMIC) used in an existing single cell system despite using a battery in which a plurality of cells are connected in series.
  • PMIC power management integrated circuit
  • FIG. 1 illustrates a power management apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 illustrates a circuit of a step-down converter according to an embodiment.
  • FIG 3 illustrates a circuit of a charge pump according to an embodiment.
  • 4 and 5 are views for explaining the operation of the charge pump circuit of FIG. 3.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a battery mode operation of the power management apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an operation in a low voltage mode (battery discharge) of the power management apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an operation in a low voltage mode (battery charging) of the power management device of FIG. 1.
  • FIG. 9 is a view for explaining the operation of the high voltage mode (battery discharge) of the power management device of FIG. 1.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an operation in a high voltage mode (direct battery charging) of the power management device of FIG. 1.
  • FIG. 11 is a view for explaining the operation of the high voltage mode (internal current limit) of the power management device of FIG.
  • FIG. 12 is a view for explaining the operation of the high voltage mode (battery charging through a current multiplier) of the power management device of FIG.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a cell balancing operation of the power management apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 14 illustrates a circuit of a typical buck-boost converter.
  • first, second, A, B, (a), (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term.
  • a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the component may be directly connected or connected to that other component, but another component between each component It should be understood that elements may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • the power management apparatus 100 includes a step-down converter 120, a charge pump 130, a power management integrated circuit 140, a control circuit 150, a first switch (SWDC), and a second switch ( SWCB) and at least some of the third switch SWRB may be selectively included.
  • 1 shows the input ports 110 and the batteries BC1 and BC2 together with the power management device 100 for convenience of explanation, but the input ports 110 and the batteries BC1 and BC2 are the power management device 100 It may be understood that it is not included in.
  • the input port 110 is electrically connected to the power management device 100 through the input node N_in
  • the batteries BC1 and BC2 are electrically connected to the power management device 100 through the battery node N_bat. It can be understood as being connected.
  • the power management apparatus 100 may be used to manage power of a system (eg, a smartphone) using a battery in which a plurality of cells BC1 and BC2 are connected in series.
  • a battery in which a plurality of cells are connected in series hereinafter, also referred to as a “series connected battery”
  • This embodiment is intended to present a power management device 100 that can be implemented at high efficiency and inexpensively when a serial connection battery is used in a smartphone.
  • FIG. 1 illustrates that two cells BC1 and BC2 are connected in series, but the number of cells connected in series is not limited to two. However, in the current smart phone system, when considering the battery voltage level and the voltage level used by devices inside the smart phone system, a series connection of two cells may have the best performance.
  • the input port 110 may electrically connect the power management device 100 to an external charging device (not shown).
  • the external charging device connected to the power management device 100 through the input port 110 may be a device called an adapter.
  • the power management device 100 may receive power from an external charging device through the input port 110.
  • the power management device 100 may transmit and receive a control signal (information) with an external charging device through the input port 110.
  • the input port 110 may be connected to the input node N_in. Devices not shown may be disposed between the input port 110 and the input node N_in as needed, but the voltage level of the input node N_in is the voltage level provided by the external charging device through the input port 110 May be substantially the same as
  • the external charging device may provide a voltage of about 5V to the power management device 100 according to the USB 2.0 standard, or a high voltage of up to 20V according to the recently emerging Type-C PD standard. It may be provided to the power management device 100, or a voltage of another level may be provided. Accordingly, the power management device 100 of the present embodiment can operate in response to an input voltage of a wide range (eg, 5V to 20V) provided by various types of external charging devices. The range of the input voltage provided by the external charging device may be lower or higher than the battery voltage (the voltage of the battery node N_bat).
  • the step-down converter 120 is connected between the input node N_in and the system node N_sys, and may transmit power to the system node N_sys by lowering the voltage of the input node N_in.
  • a buck converter may be used for the step-down converter 120.
  • Buck converters can be implemented at low cost and can operate with high efficiency when the difference between the input voltage and the output voltage is not large. However, if the output voltage is much lower than the input voltage, the efficiency of the buck converter may be slightly lowered. For this reason, in this embodiment, the step-down converter 120 maintains high efficiency by mainly operating in a low voltage mode (to be described later) in which the input node (N_in) voltage is lower than the battery node (N_bat) voltage. N_in) voltage is higher than the battery node (N_bat) voltage is not used in the high voltage mode (this will be described later), or may be used in a limited manner as necessary.
  • the charge pump 130 may be connected between the battery node N_bat and the system node N_sys to transmit power in both directions.
  • the voltage of the battery node N_bat may be higher than the voltage of the system node N_sys.
  • the battery node (N_bat) voltage may reach a maximum of 9V
  • the system node (N_sys) voltage may be a maximum of 4.5V.
  • the charge pump 130 may have a 2:1 conversion ratio. That is, the charge pump 130 may operate so that the voltage of the battery node N_bat and the voltage of the system node N_sys have a 2:1 relationship.
  • the voltage of the battery node N_bat may be determined by the batteries BC1 and BC2, and in this case, the charge pump 130 has a system node (N_sys) voltage equal to half of the battery node (N_bat) voltage (2:1 ), the voltage of the system node (N_sys) can be adjusted.
  • the charge pump 130 when the minimum value of the system node (N_sys) voltage is determined due to the request of the system (eg, a smartphone), the charge pump 130 has a system node (N_sys) voltage equal to half of the battery node (N_bat) voltage. It can operate to have a higher value among the minimum values of the system node (N_sys) voltage.
  • the charge pump 130 can transmit power while lowering the voltage from the battery node N_bat to the system node N_sys in the battery mode (mode without power supply from the external charging device) and the high voltage mode.
  • the low voltage mode power may be transferred while lowering the voltage from the battery node N_bat to the system node N_sys, or, if necessary, the power may be transferred while increasing the voltage from the system node N_sys to the battery node N_bat.
  • the charge pump 130 may be implemented at low cost, and may operate with high efficiency at a predetermined conversion ratio such as 2:1.
  • the charge pump 130 may perform a cell balancing function.
  • the charge pump 130 performs balancing between the first cell BC1 and the second cell BC2 by differently adjusting the magnitude of the current flowing through the first cell BC1 and the second cell BC2. Can be done.
  • the power management integrated circuit 140 may be connected to the system node N_sys to receive power from the system node N_sys and supply power to elements inside the system.
  • Various devices may operate inside a system such as a smartphone, and these various devices may require various voltages. For example, the devices inside the system may require various voltages ranging from 1V to 9V.
  • the power management integrated circuit 140 may receive power from the system node N_sys, generate various voltages V1 to Vn, and supply them to elements inside the system.
  • the system node (N_sys) can be understood as a power bus (Bus) line of the system.
  • the system node (N_sys) voltage is limited to 4.5V or less, even though the battery voltage is increased to 9V.
  • Circuit 140 can be used. In this case, there is an advantage in that the cost of the power management integrated circuit 140 is lowered, since it is not necessary to use an expensive high voltage process, and the cost for redesigning the power management integrated circuit 140 and changing production facilities is reduced. . In addition, there is an additional advantage of not having to change the power tree to provide various voltages to the components inside the system.
  • the first switch SWDC is disposed between the battery node N_bat and the input node N_in to connect or disconnect the battery node N_bat and the input node N_in. For example, in a low voltage mode in which the input node (N_in) voltage is lower than the battery node (N_bat) voltage, the first switch (SWDC) is turned off to cut off the connection between the battery node (N_bat) and the input node (N_in). , In a high voltage mode in which the input node N_in voltage is higher than the battery node N_bat voltage, the first switch SWDC is turned on to connect the battery node N_bat to the input node N_in.
  • the second switch SWCB is disposed between the system node N_sys and the battery intermediate node N_bi to connect or cut off the system node N_sys and the battery intermediate node N_bi.
  • the second switch SWCB is turned on to connect the system node N_sys and the battery intermediate node N_bi, so that the charge pump 130 is It can be done to perform cell balancing.
  • the battery intermediate node N_bi denotes a contact point between the cells BC1 and BC2.
  • the battery intermediate node N_bi may be at least one of a plurality of contacts formed by the plurality of cells.
  • the charge pump 130 may have a voltage conversion ratio suitable for a magnitude relationship between the voltage of the battery node N_bat and the voltage of the intermediate battery node N_bi.
  • the third switch SWRB may be disposed between the step-down converter 120 and the input node N_in to connect or block the step-down converter 120 and the input node N_in.
  • the third switch (SWRB) is turned on to connect the step-down converter 120 and the input node (N_in), and input
  • the third switch SWRB is turned off to cut off the connection between the step-down converter 120 and the input node N_in.
  • the third switch SWRB is not always turned off in the high voltage mode, and if necessary, the third switch SWRB is turned on even in the high voltage mode so that the step-down converter 120 is turned on. You can make it work.
  • the control circuit 150 may perform internal control of the power management device 100.
  • the control circuit 150 includes a step-down converter 120, a charge pump 130, a power management integrated circuit 140, a first switch (SWDC), a second switch (SWCB), and a third switch (SWRB). It transmits and receives information with at least one of them, and generates and transmits a control signal for controlling elements.
  • the control circuit 150 may also transmit and receive information with an external charging device.
  • the control circuit 150 provides information on target values of voltage and current provided by the external charging device to the power management device 100 to the external charging device, so that the external charging device is transferred to the power management device 100. The voltage and current provided can be adjusted.
  • the control circuit 150 collects information on at least one of voltage, current, and state of charge (SOC) of the plurality of cells BC1 and BC2, and accordingly, the second switch SWCB is turned on ( By controlling on)/off (off), it is possible to determine whether to perform the cell balancing function.
  • the control circuit 150 collects voltage information of a plurality of cells BC1 and BC2, predicts a balancing current based on a voltage difference between the plurality of cells BC1 and BC2, and states that the balancing current is large. If determined, the balancing current can be adjusted.
  • control circuit 150 may perform one or more of adjusting the gate voltage of the second switch SWCB, adjusting the switching frequency of the charge pump 130, or adjusting the gate voltage of the transistors inside the charge pump 130. It can be performed selectively to adjust the balancing current.
  • the step-down converter 120 may be implemented as a buck converter. However, other circuits other than a buck converter may be used for the step-down converter 120.
  • the step-down converter 120 may include two switches Qb1 and Qb2, an inductor L, and a capacitor C.
  • the step-down converter 120 may adjust the magnitude of the voltage and current transmitted from the input node N_in to the system node N_sys through on/off switching of the two switches Qb1 and Qb2.
  • the inductor current is twice the load current in the boost mode). It has the advantage of small size and high efficiency.
  • Buck converters used in the step-down converter 120 are widely used in conventional single cell systems due to their low cost and high efficiency advantages.
  • power from the input node (N_in) to the system node (N_sys) using the step-down converter 120 in the low voltage mode. Can be delivered.
  • FIG 3 illustrates a circuit of the charge pump 130 according to an embodiment.
  • the charge pump 130 may include four switches Q1 to Q4 and two capacitors Ca and Cb.
  • the charge pump 130 changes the magnitude of voltage and current between the battery node N_bat and the system node N_sys through on/off switching of four switches Q1 to Q4. Can deliver power.
  • the charge pump 130 may operate so that the voltage of the battery node N_bat and the voltage of the system node N_sys have a relationship of 2:1.
  • the current I_bat flowing through the battery node N_bat and the current I_sys flowing through the system node N_sys may have a 1:2 relationship.
  • 4 and 5 illustrate the operation of the charge pump 130 circuit illustrated in FIG. 3 by way of example.
  • the two capacitors (Ca, Cb) are connected in series between the battery node (N_bat) and the reference potential (eg, ground), and the system node (N_sys) is connected to the contact point of the two capacitors (Ca, Cb). State. Accordingly, the voltage of the battery node N_bat is distributed to the two capacitors Ca and Cb, and the voltage of the system node N_sys becomes the same as the voltage of the capacitor Cb.
  • FIG. 5 illustrates a case in which two switches Q1 and Q3 are in an off state and the other two switches Q2 and Q4 are in an on state.
  • the two capacitors Ca and Cb are connected in parallel with each other between the system node N_sys and the reference potential. Accordingly, the voltages of the two capacitors Ca and Cb are equal to each other, and the voltage of the system node N_sys is equal to the voltage of the capacitor Cb.
  • the charge pump 130 may implement a voltage conversion ratio of 2:1 between the battery node N_bat and the system node N_sys.
  • FIG. 3 illustrates an embodiment of a circuit of the charge pump 130 having a 2:1 conversion ratio, but other types of circuits may be used.
  • FIGS. 4 and 5 exemplarily describe the operation principle of the circuit of FIG. 3, it may be operated in a manner other than the method described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an operation in a battery mode of the power management apparatus 100 of FIG. 1.
  • the battery mode may be understood to mean a mode for supplying power to the system node N_sys by discharging the batteries BC1 and BC2 while the external charging device does not supply power to the power management device 100.
  • the charge pump 130 may supply power by lowering the voltage from the battery node N_bat to the system node N_sys. That is, in the battery mode, the charge pump 130 may supply energy charged in the batteries BC1 and BC2 to the system node N_sys. In the battery mode, the first switch SWDC and the third switch SWRB are turned off, and the step-down converter 120 may not operate.
  • the switching frequency of the charge pump 130 may be changed based on the current of the batteries BC1 and BC2.
  • the control circuit 150 collects current information of the batteries BC1 and BC2, and generates a control signal for adjusting the switching frequency of the charge pump 130 based on the currents of the batteries BC1 and BC2. It can be transmitted to the charge pump 130.
  • a computing device external to the power management device 100 collects current information of the batteries BC1 and BC2, and determines a switching frequency of the charge pump 130 based on the currents of the batteries BC1 and BC2, The switching frequency indication value of the charge pump 130 may be transmitted to the power management device 100.
  • the switching frequency of the charge pump 130 may affect the efficiency and impedance characteristics of the charge pump 130.
  • the switching frequency of the charge pump 130 when the current of the batteries BC1 and BC2 is greater than the reference value is greater than the switching frequency of the charge pump 130 when the current of the batteries BC1 and BC2 is less than the reference value.
  • the switching frequency of the charge pump 130 may be set higher. In this case, when the battery (BC1, BC2) current is small, the switching frequency is reduced to optimize the efficiency, and when the battery (BC1, BC2) current is large, the switching frequency is increased to lower the impedance of the charge pump 130, thereby reducing the impedance performance. It can be improved.
  • a current detection resistor (not shown) may be disposed between the batteries BC1 and BC2 and a reference potential (eg, ground).
  • a current detection resistor may be disposed between the second cell BC2 and the reference potential.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an operation of the power management apparatus 100 of FIG. 1 in a low voltage mode (battery discharge).
  • the low voltage mode may be understood to mean a case where the power management device 100 receives a low voltage lower than the voltage of the battery node N_bat from an external charging device. In other words, it can be understood to mean a case where the voltage of the input node N_in is lower than the voltage of the battery node N_bat. For example, a case in which 5V is supplied through an adapter using the USB 2.0 standard may correspond to the low voltage mode.
  • the step-down converter 120 may transmit power by lowering the voltage from the input node N_in to the system node N_sys.
  • the first switch SWDC is turned off, so that the connection between the input node N_in and the battery node N_bat may be cut off.
  • the reason for supplying power to the system node (N_sys) through the step-down converter 120 in the low voltage mode is that the step-down converter 120 operates with high efficiency when the voltage difference between the input node (N_in) and the system node (N_sys) is not large. It is to utilize the characteristics of
  • the charge pump 130 In the low voltage mode, when the system power (P_sys) consumed by the system through the system node (N_sys) is greater than the power supplied by the step-down converter 120 to the system node (N_sys), the charge pump 130 is used as the battery node (N_bat). Power can be supplied by lowering the voltage from) to the system node (N_sys). That is, the charge pump 130 may operate to discharge the batteries BC1 and BC2. This operation may be understood as a low voltage-supplement mode in which the batteries BC1 and BC2 supplement the system power P_sys.
  • the power delivered from the external charging device to the system node (N_sys) is processed by the high-efficiency step-down converter 120, and the power supplied from the batteries (BC1, BC2) to the system node (N_sys) is a high-efficiency charge pump. Since it is processed by 130, there is an advantage of reducing the overall power consumption.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an operation in a low voltage mode (battery charging) of the power management apparatus 100 of FIG. 1.
  • the operation illustrated in FIG. 8 is the same as that illustrated in FIG. 7 in that the power management device 100 is in a low voltage mode in which a low voltage lower than the voltage of the battery node N_bat is supplied from an external charging device. It is different from the operation illustrated in FIG. 7 in that the system power P_sys consumed through N_sys) is smaller than the power supplied by the step-down converter 120. In this case, the charge pump 130 may charge the batteries BC1 and BC2 by increasing the voltage from the system node N_sys to the battery node N_bat to supply power.
  • the step-down converter 120 transfers the power supplied from the external charging device to the system node (N_sys), and when the system power (P_sys) is greater than the power supplied from the external charging device, the charge pump 130 ) Discharges the batteries (BC1, BC2), supplies the power of the batteries (BC1, BC2) to the system node (N_sys), and when the system power (P_sys) is less than the power supplied from the external charging device, the charge pump 130 ) Can charge the batteries BC1 and BC2 by receiving power from the system node N_sys.
  • FIG. 9 is a view for explaining the operation of the high voltage mode (battery discharge) of the power management apparatus 100 of FIG.
  • the high voltage mode may be understood to mean a case in which the power management device 100 is supplied with a high voltage higher than the voltage of the battery node N_bat from an external charging device.
  • the high voltage may range from 9V to 20V.
  • a case of receiving a voltage of up to 20V according to the Type-C PD standard may correspond to the high voltage mode.
  • the external charging device and the power management device 100 communicate with each other, and the magnitude of the voltage and current that the external charging device will provide to the power management device 100 can be adjusted. That is, the power management device 100 provides the target values of the desired voltage and current to the external charging device, and the external charging device transmits the voltage and current corresponding to the target values presented by the power management device 100 to the power management device ( 100) can be provided.
  • the charge pump 130 may receive power from the input node N_in and provide power to the system node N_sys. At this time, the charge pump 130 may lower the high voltage of the input node N_in and provide it to the system node N_sys. For example, the charge pump 130 having a 2:1 conversion ratio may lower the voltage of the input node N_in by half and provide it to the system node N_sys.
  • the reason why power is supplied from the input node N_in to the system node N_sys through the charge pump 130 without passing through the step-down converter 120 is the voltage of the input node N_in and the system node N_sys. When the difference is large, it is to utilize the characteristics of the charge pump 130 having higher efficiency than the step-down converter 120.
  • the charge pump 130 In the high voltage mode, when the system power P_sys is greater than the power supplied from the external charging device, the charge pump 130 combines the power supplied from the batteries BC1 and BC2 to the battery node N_bat together with the system node N_sys. Can be supplied with That is, the charge pump 130 may operate to discharge the batteries BC1 and BC2. This operation may be understood as a high voltage-supplement mode in which the batteries BC1 and BC2 supplement the system power P_sys. In this case, since the power transferred from the external charging device and the batteries BC1 and BC2 to the system node N_sys is processed by the high-efficiency charge pump 130, there is an advantage of reducing power consumption.
  • the first switch SWDC is turned on to connect the input node N_in and the battery node N_bat.
  • the power management device 100 provides the battery node (N_bat) voltage to the external charging device. It may be required to provide a slightly higher voltage (eg 100mV). In this case, the loss of the first switch SWDC can be reduced since the first switch SWDC needs to bear a slight voltage difference between the input node N_in and the battery node N_bat.
  • the third switch SWRB is turned off to block the connection between the input node N_in and the step-down converter 120.
  • FIG. 10 is a view for explaining the operation of the high voltage mode (battery direct charging) of the power management apparatus 100 of FIG. 1.
  • the operation illustrated in FIG. 10 is the same as that illustrated in FIG. 9 in that the power management device 100 is in a high voltage mode in which a high voltage higher than the voltage of the battery node N_bat is supplied from an external charging device, but the system power (P_sys) It differs from the operation illustrated in FIG. 9 in that it is less than the power supplied from the external charging device.
  • the power supplied from the external charging device may directly charge the batteries BC1 and BC2 via the first switch SWDC.
  • direct charging may be understood to mean that power for charging the batteries BC1 and BC2 does not pass through neither of the step-down converter 120 and the charge pump 130.
  • the power management device 100 determines a target voltage and current suitable for direct charging of the batteries BC1 and BC2 based on the battery state (eg, battery voltage, battery current, SOC, etc.). It can be provided as an external charging device. According to this direct charging of the high voltage battery, the power supplied from the external charging device does not go through a separate power conversion device such as the step-down converter 120 or the charge pump 130 (via the first switch, but the power conversion device is It may be understood that it is not.) High-efficiency charging is possible because the batteries BC1 and BC2 are directly charged, and fast charging is possible because the batteries BC1 and BC2 are charged with a high voltage.
  • the battery state eg, battery voltage, battery current, SOC, etc.
  • the charge pump 130 receives high voltage power supplied from an external charging device, lowers the voltage, and supplies it to the system node N_sys, thereby enabling high-efficiency operation.
  • the charge pump 130 receives energy from not only the external charging device but also the batteries BC1 and BC2 and provides it to the system node N_sys. can do.
  • the control circuit 150 provides target voltage and current values to the external charging device in consideration of the state of the batteries BC1 and BC2. At least a portion of the power supplied from the external charging device may operate to directly charge the batteries BC1 and BC2.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the operation of the high voltage mode (internal current limiting) of the power management apparatus 100 of FIG. 1.
  • the operation illustrated in FIG. 11 is the same as that illustrated in FIG. 9 or 10 in that the power management device 100 is in a high voltage mode in which a higher voltage than the battery node (N_bat) voltage is supplied from an external charging device, but the step-down converter The difference is that 120 processes part of the power supplied from the external charging device.
  • the control circuit 150 limits the current flowing through the first switch SWDC by adjusting the gate voltage of the first switch SWDC, and provides a greater current to the external charging device than the current of the first switch SWDC.
  • the step-down converter 120 is configured so that a current obtained by subtracting the current flowing through the first switch (SWDC) from the current flowing into the power management device 100 from the external charging device flows through the step-down converter 120. Can be controlled. That is, in the high voltage mode, the charge pump 130 and the step-down converter 120 may operate together by utilizing the current limit function of the first switch SWDC.
  • the control circuit 150 limits the power transmitted by the first switch SWDC, requests the external charging device to provide greater power than the power transmitted by the first switch SWDC, and from the external charging device. It is possible to control the step-down converter 120 to process power corresponding to a difference between the supplied power and the power delivered by the first switch SWDC.
  • the control circuit 150 may request a target value of a voltage (eg, 100 mV) slightly higher than the voltage of the battery node N_bat from the external charging device.
  • a voltage slightly higher than the battery node (N_bat) voltage eg, 100mV
  • SWDC the loss of the first switch
  • the step-down converter 120 The difference between the input voltage (input node (N_in) voltage) and the output voltage (system node (N_sys) voltage) of is prevented from increasing, thereby preventing the efficiency of the step-down converter 120 from deteriorating.
  • the first switch (SWDC) when the power (or current) supplied through the first switch (SWDC) is limited and the additional power (or current) supplied from the external charging device is processed through the step-down converter 120, the first switch (SWDC) ) And the maximum capacity (processing power) of the charge pump 130 can be reduced, thereby reducing price and size.
  • the batteries BC1 and BC2 may perform a charging or discharging operation similar to the above, depending on the magnitude of the power supplied from the external charging device and the system power P_sys.
  • FIG. 12 is a view for explaining the operation of the high voltage mode (battery charging through a current multiplier) of the power management apparatus 100 of FIG. 1.
  • the operation illustrated in FIG. 12 is the same as that illustrated in FIGS. 9 to 11 in that the power management device 100 is in a high voltage mode in which a high voltage higher than the battery node (N_bat) voltage is supplied from an external charging device, but the current multiplier There is a difference in that it further includes (1260).
  • a fourth switch SWDC1 and a fifth switch SWDC2 are sequentially connected in series between the input node N_in and the battery node N_bat, and the fourth switch SWDC1 and the fifth switch A current multiplier 1260 may be disposed between the contact point of SWDC2 and the battery node N_bat.
  • the battery node (N_bat) In the high voltage mode in which a high voltage higher than the voltage of the battery node (N_bat) is supplied from the external charging device, the battery node (N_bat) is controlled without passing through the current multiplier according to the magnitude of the voltage supplied from the external charging device to the input node (N_in) Power is supplied from the input node (N_in) through the 4 switch (SWDC1) and the fifth switch (SWDC2) (path1), or the battery node (N_bat) is the input node (N_in) through the fourth switch (SWDC1) and the current multiplier. Power can be supplied from) (path2).
  • the control circuit 150 requires a high voltage of about 18V from the external charging device, and operates the current multiplier 1260 having a current conversion ratio of 1:2 (that is, a voltage conversion ratio of 2:1).
  • the input node N_in voltage of about 18V can be reduced to about 9V and supplied to the battery node N_bat.
  • the control circuit 150 requests a voltage of about 9V from the external charging device, and applies the input node (N_in) voltage of about 9V through the first switch (SWDC) and the second switch (SWCB) (current multiplier 1260). Does not operate) can be transferred to the battery node N_bat without a large voltage change.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a cell balancing operation of the power management apparatus 100 of FIG. 1.
  • the charge pump 130 may operate so that the voltages of the two cells BC1 and BC2 become the same.
  • the charge pump 130 having a voltage conversion ratio of 2:1 has a battery node (N_bat) voltage and a system node (N_sys) voltage (when the second switch (SWCB) is turned on), the battery intermediate node ( N_bi) and the same voltage) may be operated to have a 2:1 relationship.
  • the charge pump 130 may operate so that the voltages of the two cells BC1 and BC2 become the same. That is, it means that the charge pump 130 can perform a balancing function between the two cells BC1 and BC2.
  • the battery current (i_b) flows equally to the two cells (BC1, BC2), so if there is a difference in characteristics between the two cells (BC1, BC2) The voltage or state of charge of the cells BC1 and BC2 may vary.
  • the second switch SWCB is turned on, since the balancing current i_cb may flow through the battery intermediate node N_bi, the currents of the two cells BC1 and BC2 may be different from each other.
  • the charge pump 130 operates so that the battery node (N_bat) voltage and the battery intermediate node (N_bi) voltage have a relationship of 2:1, so that the two cells BC1 and BC2 are controlled by controlling the battery intermediate node current i_cb.
  • the voltage can be the same.
  • Such cell balancing can be selectively operated in all of the above-described battery mode, low voltage mode, and high voltage mode.
  • the second switch SWCB may always maintain an on state.
  • the cell balancing is performed at all times, so that the balancing of the two cells BC1 and BC2 can be well maintained.
  • the charge pump 130 since the charge pump 130 always operates, there is a disadvantage that the charge pump 130 may consume power even in a power saving mode (eg, a sleep mode) of the system.
  • the second switch SWCB may be turned on when the difference between the voltages of the two cells BC1 and BC2 is greater than a reference value.
  • the control circuit 150 collects voltage information of the two cells BC1 and BC2, determines whether to perform a balancing operation based on the voltages of the two cells BC1 and BC2, and turns the second switch SWCB. Can be controlled.
  • the second switch SWCB may be turned on when the difference between the SOC of the two cells BC1 and BC2 is greater than a reference value.
  • the control circuit 150 collects state information such as voltage, current, and temperature of the two cells BC1 and BC2, estimates the state of charge of the two cells BC1 and BC2, and estimates the state of charge according to the estimated state of charge. It is possible to control the second switch SWCB by determining whether to perform the balancing operation.
  • the control circuit 150 may limit the balancing current so that the balancing current does not exceed an appropriate range.
  • the control circuit 150 may limit the balancing current by adjusting the impedance of the charge pump 130.
  • a method of adjusting the impedance of the charge pump 130 a method of adjusting the operating frequency of the charge pump 130 or controlling the gate voltage of the transistors inside the charge pump 130 may be used.
  • the second circuit 150 may limit the balancing current by adjusting the gate voltage of the second switch SWCB to adjust the impedance of the second switch SWCB.
  • the power management apparatus can operate with high efficiency while minimizing cost and size when using a battery in which a plurality of cells are connected in series.
  • the power management device is compatible with various types of adapters such as an adapter according to the USB 2.0 standard and an adapter according to the Type-C PD standard.
  • the power management apparatus may use a power management integrated circuit (PMIC) used in an existing single cell system even though a battery in which a plurality of cells are connected in series is used. In this case, there is an additional advantage that it is not necessary to reconfigure the power tree used in the existing single cell system in order to provide various voltages to various devices.
  • PMIC power management integrated circuit

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Abstract

본 발명은 복수의 셀이 직렬 연결된 배터리에 사용가능한 전력관리장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면은, 입력노드를 통해 외부충전장치와 연결되고, 배터리노드를 통해 적어도 두 개의 셀이 직렬로 연결된 배터리와 연결되어 전력을 관리하는 전력관리장치로서, 상기 입력노드와 시스템노드 사이에 연결되고 상기 입력노드 전압을 낮추어 상기 시스템노드로 전력을 전달하는 강압컨버터; 상기 배터리노드와 상기 시스템노드 사이에 연결되어 양방향으로 전력을 전달하되, 상기 배터리노드 전압은 상기 시스템노드 전압보다 높은, 차지펌프; 상기 시스템노드에 연결되어 상기 시스템노드로부터 전력을 공급받고 시스템 내부의 소자들에게 전력을 공급하는 전력관리집적회로(PMIC); 및 상기 전력관리장치 내부의 제어를 수행하는 제어회로;를 포함하고, 상기 전력관리장치는, 상기 외부충전장치의 종류에 따라 상기 입력노드 전압이 상기 배터리노드 전압보다 높은 고전압인 경우와 상기 입력노드 전압이 상기 배터리노드 전압보다 낮은 저전압인 경우의 모두에서 동작할 수 있다.

Description

복수의 셀이 직렬 연결된 배터리에 사용가능한 전력관리장치
본 발명은 전력관리장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 복수의 셀이 직렬 연결된 배터리에 사용가능한 전력관리장치에 관한 것이다.
스마트폰의 증가하는 소비 전력은 제조사들로 하여금 시스템에 더 큰 전력을 공급하도록 강요하고 있다. 시스템 전력을 증가시키는 한 가지 방법은, 전압 레벨을 높이기 위해 배터리 셀들을 직렬로 연결하는 것이다. 랩탑 컴퓨터 분야에서 주로 사용되고 있는 이 방법은 스마트폰 분야에서도 사용되기 위한 길을 찾고 있다.
배터리로부터 활용가능한 전력(용량)은 기본적으로 배터리의 부피와 관련이 있다고 할 수 있다. 예를 들어, 2개의 셀들이 직렬로 연결(2S)되거나 또는 2개의 셀들이 병렬로 연결(2P)되거나에 관계없이 활용가능한 전력은 실질적으로 같다고 할 수 있다.
동일한 배터리 용량을 기준으로, 두 개의 셀들이 직렬 연결된 배터리(2S)는 두 개 셀들이 병렬 연결된 배터리(2P)에 비해 충전이나 방전 시에 대략 절반 정도의 전류에서 동작할 수 있다. 이로 인해, 셀들이 직렬 연결된 배터리를 사용할 경우 전력 손실을 줄이고 배터리 수명을 연장하며 안정성을 높일 수 있다. 또한, 스마트폰 시스템 내부에서 class D 스피커나 LCD 백라이트 등과 같이 높은 전압을 요구하는 소자들을 위한 전원 공급을 고려하면, 셀들이 병렬 연결된 경우 전압 부스팅이 필요하지만, 셀들이 직렬 연결된 경우 전압 부스팅이 필요하지 않다는 장점이 있다. 또한, 최근 부각되는 Type-C PD(Power Delivery) 규격에 따라 어댑터(외부충전장치)가 최대 20V의 높은 전압을 스마트폰으로 제공할 때, 20V의 전압을 2개 셀이 직렬 연결된 배터리 전압인 9V 정도로 낮출 경우 고효율로 동작할 수 있다(반면, 2개 셀이 병렬 연결된 경우 강압컨버터가 20V를 4.5V 이하로 낮추어야 하는데 이렇게 전압 차이가 큰 경우 강압컨버터의 효율이 낮아질 수 있음). 이와 같이, 스마트폰에 복수의 셀들이 직렬 연결된 배터리를 사용할 경우의 장점은 다양하다.
그러나 랩탑 컴퓨터와는 달리 스마트폰의 경우 고려해야 할 중요한 요소 중의 하나로서, 스마트폰에 전력을 공급하는 어댑터가 제공하는 전압의 크기가 다양할 수 있다는 것이다. 예시적으로, 어댑터는 기존의 USB 2.0 규격에 따라 약 5V의 전압을 제공할 수도 있고, 또는 최근 부각되고 있는 Type-C PD 규격에 따라 최대 20V의 높은 전압을 제공할 수도 있으며, 또는 그 외의 다른 레벨의 전압을 제공할 수도 있다. 스마트폰 내부의 전력관리장치는 이러한 다양한 입력전압에 대응하여 동작할 필요가 있다. 스마트폰에 2개의 셀을 직렬 연결한 배터리(2S)를 사용할 경우, 배터리 전압은 최대 9V가 될 수 있다. 어댑터가 제공하는 전압 범위인 5V ~ 20V는 배터리 전압보다 낮을 수도 있고 높을 수도 있다. 즉, 전력관리장치는 배터리 전압보다 높은 입력전압과 배터리 전압보다 낮은 입력전압에 모두 대응하여 고효율로 동작할 수 있어야 한다.
이와 같이 넓은 범위의 입력전압에 대응하여, 스마트폰 내부의 전력관리장치는 배터리 충전을 위해 전압 승압(step-up or boosting) 및 강압(step-down) 기능을 모두 구비할 필요가 있다. 이를 위해, 전압 승압 및 강압 기능을 모두 구비한 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터가 사용될 수 있지만(도 14 참조), 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터는 4개의 스위치(Qa ~ Qd)를 사용하므로 가격이 상승하는 문제, 승압 모드에서 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류가 출력 전류의 2배가 되어 인덕터 사이즈 및 손실이 증가하는 문제, 및 승압 모드와 강압 모드 모두에서 인덕터 전류가 항상 2개의 스위치를 거쳐 흐르므로 도통 손실이 증가하는 문제가 있다. 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터의 이러한 문제로 인해, 랩탑 컴퓨터 분야에서는 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터를 사용하지 않는 것이 일반적이다. 예를 들어, 충전전압을 항상 배터리 전압보다 높게 공급함으로써 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터의 사용 필요성을 없애면서 효율이 높고 저가인 강압 컨버터(예, 벅(Buck) 컨버터)를 사용하는 방법을 주로 사용한다. 그렇지만, 스마트폰 응용에서는, 전술한 바와 같이, 다양한 입력 전압에 대응해야 하므로 효율이 높고 저가인 강압 컨버터(예, 벅(Buck) 컨버터) 만으로는 대응이 곤란하다는 문제가 있다.
또한, 전력관리장치는 스마트폰 시스템 내부의 장치들에게 다양한 전압을 제공할 필요가 있는데, 스마트폰 시스템 내부의 장치들은 주로 1V ~ 3V 내외의 낮은 전압을 사용한다. 배터리 전압이 높아질 경우, 큰 전압 차이를 제공하는 강압컨버터를 고효율 및 저가로 구현하기가 쉽지 않다. 예를 들어, 2개 셀들이 병렬 연결된 배터리 전압 4.5V를 2V로 변환하는 경우에 비해, 2개 셀들이 직렬 연결된 배터리 전압 9V를 2V로 변환하는 경우 효율이 낮아질 수 있다. 전압 차이가 큰 경우에도 고효율을 구현하기 위해서는 좀 더 고가이고 사이즈가 큰 강압컨버터를 사용할 필요가 생긴다.
또한, 기존의 스마트폰에서 다양한 소자들에게 다양한 전압을 생성하여 공급하는 전력관리집적회로(PMIC)는 단일 셀 전압의 최대값이 4.5V인 점을 고려하여 저가의 5V 공정을 사용하여 제조비용을 줄일 수 있었다. 2개 셀을 직렬 연결한 배터리를 사용할 경우, 전력관리집적회로(PMIC)가 9V를 지원할 수 있도록 제작하기 위해서는 추가적인 비용이 들거나 고가의 공정을 사용할 필요가 생긴다.
이와 같이, 현재 스마트폰의 증가하는 전력 요구는, 멀티-셀 배터리의 사용을 강요하고 있다. 복수의 셀을 직렬 연결할 경우 병렬 연결에 비해 배터리 충방전 전류가 약 절반으로 줄어 효율이 개선되는 장점이 있지만, 어댑터가 스마트폰에 제공하는 전압의 범위가 다양할 경우 전술한 바와 같은 몇 가지 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은, 복수의 셀을 직렬 연결한 배터리를 사용하고 다양한 종류의 어댑터와 호환이 가능하도록 하면서도 저가 및 고효율로 동작할 수 있는 전력관리장치를 제공하고자 한다.
본 발명은, 실시예에 따라, 복수의 셀들이 직렬 연결된 배터리를 사용할 때, 비용과 사이즈를 최소화하면서 고효율로 동작하는 전력관리장치를 제공할 수 있다.
본 발명은, 실시예에 따라, USB 2.0 규격에 따른 어댑터와 Type-C PD 규격에 따른 어댑터 등 다양한 종류의 외부충전장치와 호환이 가능한 전력관리장치를 제공할 수 있다.
본 발명은, 실시예에 따라, 복수의 셀들이 직렬 연결된 배터리를 사용함에도 불구하고 기존의 단일 셀 시스템에서 사용되는 저가의 전력관리집적회로(PMIC)를 사용하는 전력관리장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면은, 입력노드를 통해 외부충전장치와 연결되고, 배터리노드를 통해 적어도 두 개의 셀이 직렬로 연결된 배터리와 연결되어 전력을 관리하는 전력관리장치로서, 상기 입력노드와 시스템노드 사이에 연결되고 상기 입력노드 전압을 낮추어 상기 시스템노드로 전력을 전달하는 강압컨버터; 상기 배터리노드와 상기 시스템노드 사이에 연결되어 양방향으로 전력을 전달하되, 상기 배터리노드 전압은 상기 시스템노드 전압보다 높은, 차지펌프; 상기 시스템노드에 연결되어 상기 시스템노드로부터 전력을 공급받고 시스템 내부의 소자들에게 전력을 공급하는 전력관리집적회로(PMIC); 및 상기 전력관리장치 내부의 제어를 수행하는 제어회로;를 포함하고, 상기 전력관리장치는, 상기 외부충전장치의 종류에 따라 상기 입력노드 전압이 상기 배터리노드 전압보다 높은 고전압인 경우와 상기 입력노드 전압이 상기 배터리노드 전압보다 낮은 저전압인 경우의 모두에서 동작할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 배터리노드는 제1스위치를 통해 상기 입력노드에 연결되고, 상기 제1스위치는 상기 배터리노드와 상기 입력노드를 연결 또는 차단할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 시스템노드는 제2스위치를 통해 상기 적어도 두 개의 셀의 접점인 배터리중간노드에 연결되고, 상기 제2스위치가 온(on) 되면 상기 차지펌프는 상기 적어도 두 개의 셀들 사이의 밸런싱(balancing)을 수행할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 제어회로는 상기 적어도 두 개의 셀의 전압 또는 충전상태(SOC)에 따라 셀 밸런싱을 수행할지 여부를 결정하고 상기 제2스위치의 온/오프를 제어할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 제어회로는 상기 적어도 두 개의 셀의 전압차에 기초하여 밸런싱 전류를 예측하고, 상기 밸런싱 전류가 크다고 판단될 경우 상기 밸런싱 전류를 조절할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 제어회로는, 상기 제2스위치의 게이트 전압의 조절, 상기 차지펌프의 스위칭주파수의 조절 또는 상기 차지펌프 내부 트랜지스터들의 게이트 전압의 조절 중의 하나 이상을 선택적으로 수행하여 상기 밸런싱 전류를 조절할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 강압컨버터는 제3스위치를 통해 상기 입력노드에 연결되고, 상기 제3스위치가 오프(off) 되면 상기 강압컨버터는 상기 입력노드로부터 전력을 공급받지 않을 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 차지펌프는 2:1의 전압변환비를 가질 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 외부충전장치가 상기 전력관리장치에게 전력을 공급하지 않는 배터리모드에서, 상기 차지펌프는 상기 배터리노드로부터 상기 시스템노드로 전압을 낮추어 전력을 공급할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 배터리모드에서 상기 차지펌프는 상기 배터리의 전류에 기초하여 스위칭주파수가 변경될 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 배터리의 전류가 기준값보다 큰 경우의 상기 차지펌프의 스위칭주파수는 상기 배터리의 전류가 상기 기준값보다 작은 경우의 상기 차지펌프의 스위칭주파수에 비해 더 높을 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 외부충전장치로부터 상기 배터리노드 전압보다 낮은 저전압을 공급받는 저전압모드에서, 상기 강압컨버터는 상기 입력노드로부터 상기 시스템노드로 전압을 낮추어 전력을 전달하고, 상기 입력노드와 상기 배터리노드 사이의 연결은 차단될 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 저전압모드에서, 상기 시스템이 상기 시스템노드를 통해 소비하는 전력이 상기 강압컨버터가 상기 시스템노드로 공급하는 전력보다 큰 경우, 상기 차지펌프는 상기 배터리노드로부터 상기 시스템노드로 전압을 낮추어 전력을 공급하고, 상기 시스템이 상기 시스템노드를 통해 소비하는 전력이 상기 강압컨버터가 상기 시스템노드로 공급하는 전력보다 작은 경우, 상기 차지펌프는 상기 시스템노드로부터 상기 배터리노드로 전압을 높여 전력을 공급하여 상기 배터리를 충전할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 외부충전장치로부터 상기 배터리노드 전압보다 높은 고전압을 공급받는 고전압모드에서, 상기 입력노드는 제1스위치를 통해 상기 배터리노드에 연결되고, 상기 외부충전장치로부터 공급되는 전력이 상기 제1스위치를 통해 상기 배터리를 직접 충전하거나 및/또는 상기 제1스위치 및 상기 차지펌프를 통해 상기 시스템노드로 공급될 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 강압컨버터는 제3스위치를 통해 상기 입력노드에 연결되고, 상기 고전압모드에서 상기 제3스위치는 오프되어 상기 강압컨버터와 상기 입력노드의 연결이 차단될 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 고전압모드에서, 상기 시스템이 상기 시스템노드를 통해 소비하는 전력이 상기 외부충전장치가 공급하는 전력보다 큰 경우, 상기 배터리는 상기 배터리노드로 전력을 공급하고, 상기 차지펌프는 상기 외부충전장치 및 상기 배터리로부터 공급받은 전력을 함께 상기 시스템노드로 전달하며, 상기 시스템이 상기 시스템노드를 통해 소비하는 전력이 상기 외부충전장치가 공급하는 전력보다 작은 경우, 상기 외부충전장치로부터 공급된 전력의 적어도 일부가 상기 제1스위치를 경유하여 상기 배터리를 직접 충전 - 상기 배터리를 충전하는 전력이 상기 강압컨버터와 상기 차지펌프 중의 어느 것도 경유하지 않음 - 할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 제어회로는 상기 제1스위치의 게이트 전압을 조절하여 상기 입력노드로부터 상기 배터리노드로 흐르는 전류를 조절할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 제어회로는 상기 외부충전장치에게 상기 외부충전장치가 공급할 전압목표값과 전류목표값 정보를 제공할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 제어회로는 상기 외부충전장치에게 상기 제1스위치가 전달하는 전력보다 큰 전력를 제공하도록 요청하고, 상기 제어회로는 상기 외부충전장치로부터 공급받은 전력과 상기 제1스위치가 전달하는 전력의 차이에 해당하는 전력를 상기 강압컨버터가 처리하도록 제어할 수 있다.
상기 전력관리장치에 있어서, 상기 입력노드와 상기 배터리노드 사이에는 제4스위치와 제5스위치가 직렬로 순차적으로 연결되고, 상기 제4스위치와 상기 제5스위치의 접점과 상기 배터리노드 사이에는 전류체배기(current multiplier)가 배치되며, 상기 외부충전장치로부터 상기 배터리노드 전압보다 높은 고전압을 공급받는 고전압모드에서, 상기 외부충전장치로부터 상기 입력노드로 공급되는 전압의 크기에 따라, 상기 배터리노드는 상기 제4스위치와 상기 전류체배기를 통해 상기 입력노드로부터 전력을 공급받거나 또는 상기 전류체배기를 거치지 않고 상기 제4스위치와 상기 제5스위치를 통해 상기 입력노드로부터 전력을 공급받을 수 있다.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 전력관리장치는 복수의 셀들이 직렬 연결된 배터리를 사용할 때, 비용과 사이즈를 최소화하면서 고효율로 동작할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 전력관리장치는 USB 2.0 규격에 따른 어댑터와 Type-C PD 규격에 따른 어댑터 등 다양한 종류의 어댑터와 호환이 가능하다.
본 발명에 의하면, 실시예에 따라, 전력관리장치는 복수의 셀들이 직렬 연결된 배터리를 사용함에도 불구하고 기존의 단일 셀 시스템에서 사용되는 전력관리집적회로(PMIC)를 사용할 수 있다. 이 경우, 다양한 소자들에게 다양한 전압을 제공하기 위해 기존의 단일 셀 시스템에서 사용하던 전력 공급 체계(power tree)를 재구성할 필요가 없다는 장점이 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 전력관리장치를 예시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 강압컨버터의 회로를 예시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 차지펌프의 회로를 예시한다.
도 4 및 도 5는 도 3의 차지펌프 회로의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1의 전력관리장치의 배터리모드 동작을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 1의 전력관리장치의 저전압모드(배터리 방전) 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 1의 전력관리장치의 저전압모드(배터리 충전) 동작을 설명하는 도면이다.
도 9는 도 1의 전력관리장치의 고전압모드(배터리 방전) 동작을 설명하는 도면이다.
도 10은 도 1의 전력관리장치의 고전압모드(배터리 직접충전) 동작을 설명하는 도면이다.
도 11은 도 1의 전력관리장치의 고전압모드(내부전류제한) 동작을 설명하는 도면이다.
도 12는 도 1의 전력관리장치의 고전압모드(전류체배기를 통한 배터리 충전) 동작을 설명하는 도면이다.
도 13은 도 1의 전력관리장치의 셀밸런싱 동작을 설명하는 도면이다.
도 14는 일반적인 벅-부스트(Buck-Boost) 컨버터의 회로를 예시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 전력관리장치(100)를 예시한다. 도 1을 참조하면, 전력관리장치(100)는 강압컨버터(120), 차지펌프(130), 전력관리집적회로(140), 제어회로(150), 제1스위치(SWDC), 제2스위치(SWCB) 및 제3스위치(SWRB) 중의 적어도 일부를 선택적으로 포함할 수 있다. 도 1에는 설명의 편의상 입력포트(110)와 배터리(BC1, BC2)를 전력관리장치(100)와 함께 도시하고 있으나, 입력포트(110)와 배터리(BC1, BC2)는 전력관리장치(100)에 포함되지 않는 것으로 이해될 수도 있다. 이 경우, 입력포트(110)는 입력노드(N_in)을 통해 전력관리장치(100)와 전기적으로 연결되고 배터리(BC1, BC2)는 배터리노드(N_bat)를 통해 전력관리장치(100)와 전기적으로 연결되는 것으로 이해될 수 있다.
전력관리장치(100)는 복수의 셀(BC1, BC2)이 직렬연결된 배터리를 사용하는 시스템(예를 들어, 스마트폰)의 전력을 관리하는데 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 복수의 셀이 직렬연결된 배터리(이하 간략히 '직렬연결 배터리'라고도 함)를 사용하는 경우 다양한 장점이 있지만, 또한 극복되어야 할 과제도 가지고 있다. 특히, 스마트폰 응용의 경우 넓은 범위의 입력전압에 대응할 수 있어야 한다는 점은 큰 도전이다. 본 실시예는 스마트폰에서 직렬연결 배터리를 사용하는 경우에 효율이 높고 저가로 구현될 수 있는 전력관리장치(100)를 제시하고자 한다.
도 1에는 2개의 셀(BC1, BC2)이 직렬연결된 것으로 예시되어 있으나, 직렬연결되는 셀의 수는 2개로 제한되지 않는다. 다만, 현재의 스마트폰 시스템에서는 배터리 전압 레벨과 스마트폰 시스템 내부의 소자들이 사용하는 전압 레벨을 고려할 때 2개 셀의 직렬연결이 가장 성능이 우수할 수 있다.
입력포트(110)는 전력관리장치(100)를 외부충전장치(미도시)와 전기적으로 연결할 수 있다. 입력포트(110)를 통해 전력관리장치(100)와 연결되는 외부충전장치는 소위 어댑터(adapter)라고 불리는 장치일 수 있다. 전력관리장치(100)는 입력포트(110)를 통해 외부충전장치로부터 전력을 공급받을 수 있다. 또한, 전력관리장치(100)는 입력포트(110)를 통해 외부충전장치와 제어신호(정보)를 송수신할 수도 있다.
입력포트(110)는 입력노드(N_in)에 연결될 수 있다. 입력포트(110)와 입력노드(N_in) 사이에는 필요에 따라 도시되지 않은 소자들이 배치될 수 있지만, 입력노드(N_in)의 전압 레벨은 외부충전장치가 입력포트(110)를 통해 제공하는 전압 레벨과 실질적으로 동일할 수 있다.
외부충전장치는, 전술한 바와 같이, USB 2.0 규격에 따라 약 5V의 전압을 전력관리장치(100)로 제공할 수도 있고, 또는 최근 부각되고 있는 Type-C PD 규격에 따라 최대 20V의 높은 전압을 전력관리장치(100)로 제공할 수도 있으며, 또는 그 외의 다른 레벨의 전압을 제공할 수도 있다. 따라서, 본 실시예의 전력관리장치(100)는 다양한 종류의 외부충전장치가 제공하는 넓은 범위(예, 5V ~ 20V)의 입력전압에 대응하여 동작할 수 있다. 외부충전장치가 제공하는 입력전압의 범위는 배터리전압(배터리노드 N_bat의 전압)보다 낮을 수도 있고 높을 수도 있다.
강압컨버터(120)는 입력노드(N_in)와 시스템노드(N_sys) 사이에 연결되고 입력노드(N_in) 전압을 낮추어 시스템노드(N_sys)로 전력을 전달할 수 있다. 예시적으로, 강압컨버터(120)에는 벅(Buck) 컨버터가 사용될 수 있다. 벅(Buck) 컨버터는 저가로 구현될 수 있고, 입력전압과 출력전압의 차이가 크지 않을 때 고효율로 동작할 수 있다. 다만, 입력전압에 비해 출력전압이 많이 낮아질 경우 벅 컨버터의 효율은 다소 낮아질 수 있다. 이러한 이유로, 본 실시예에서 강압컨버터(120)는 입력노드(N_in) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압에 비해 낮은 저전압모드(이에 대한 후술함)에서 주로 동작하도록 함으로써 고효율을 유지하고, 입력노드(N_in) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압보다 높은 고전압모드(이에 대한 후술함)에서는 사용되지 않거나 필요에 따라 제한적으로 사용될 수 있다.
차지펌프(130)는 배터리노드(N_bat)와 시스템노드(N_sys) 사이에 연결되어 양방향으로 전력을 전달할 수 있다. 배터리노드(N_bat) 전압은 시스템노드(N_sys) 전압보다 높을 수 있다. 예시적으로, 2개 셀을 직렬로 연결하는 경우 배터리노드(N_bat) 전압은 최대 9V에 이를 수 있고, 시스템노드(N_sys) 전압은 최대 4.5V일 수 있다. 예시적으로, 차지펌프(130)는 2:1의 변환비를 가질 수 있다. 즉, 차지펌프(130)는 배터리노드(N_bat) 전압과 시스템노드(N_sys) 전압이 2:1의 관계를 가지도록 동작할 수 있다. 예시적으로, 배터리노드(N_bat) 전압은 배터리(BC1, BC2)에 의해 결정될 수 있고, 이 경우 차지펌프(130)는 시스템노드(N_sys) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압의 절반(2:1)이 되도록 시스템노드(N_sys) 전압을 조절할 수 있다. 실시예에 따라, 시스템(예, 스마트폰)의 요구로 인해 시스템노드(N_sys) 전압의 최소값이 정해진 경우, 차지펌프(130)는 시스템노드(N_sys) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압의 절반과 시스템노드(N_sys) 전압의 최소값 중에서 높은 값을 가지도록 동작할 수 있다.
본 명세서에서 전압이나 전류의 크기 관계를 언급할 때, 각종 소자들의 기생성분이나 제어 오차 등에 의한 미세한 값의 변화에 대해서는 설명의 편의상 언급을 생략할 것이므로, 본 명세서에서의 전압이나 전류의 크기 관계에 대한 설명은 개념적인 동작 원리를 설명하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
후술할 바와 같이, 차지펌프(130)는 배터리모드(외부충전장치로부터의 전력 공급이 없는 모드)와 고전압모드에서는 배터리노드(N_bat)로부터 시스템노드(N_sys)로 전압을 낮추면서 전력을 전달할 수 있고, 저전압모드에서는 배터리노드(N_bat)로부터 시스템노드(N_sys)로 전압을 낮추면서 전력을 전달하거나 또는 필요에 따라 시스템노드(N_sys)로부터 배터리노드(N_bat)로 전압을 높이면서 전력을 전달할 수 있다. 차지펌프(130)는 저가로 구현될 수 있고, 2:1 등과 같이 정해진 변환비에서 고효율로 동작할 수 있다.
제2스위치(SWCB)가 온(on) 된 경우, 차지펌프(130)는 셀 밸런싱 기능을 수행할 수 있다. 예시적으로, 차지펌프(130)는 제1셀(BC1)과 제2셀(BC2)을 통해 흐르는 전류의 크기를 다르게 조절함으로써 제1셀(BC1)과 제2셀(BC2) 사이의 밸런싱을 수행할 수 있다.
전력관리집적회로(140)는 시스템노드(N_sys)에 연결되어 시스템노드(N_sys)로부터 전력을 공급받고 시스템 내부의 소자들에게 전력을 공급할 수 있다. 스마트폰과 같은 시스템 내부에는 다양한 소자들이 동작할 수 있고, 이러한 다양한 소자들은 다양한 전압을 요구할 수 있다. 예시적으로, 시스템 내부의 소자들은 1V ~ 9V 범위의 다양한 전압을 요구할 수 있다. 전력관리집적회로(140)는 시스템노드(N_sys)로부터 전력을 공급받고 다양한 전압(V1 ~ Vn)을 생성하여 시스템 내부의 소자들에게 공급할 수 있다. 시스템노드(N_sys)는 시스템의 전력 버스(Bus) 라인으로 이해될 수 있다.
2개 셀의 직렬연결을 가정하면, 본 실시예에서는, 배터리 전압이 최대 9V로 높아졌음에도 불구하고 시스템노드(N_sys) 전압을 4.5V 이하로 제한함으로써 기존의 단일 셀 시스템에 사용되는 전력관리집적회로(140)를 사용할 수 있다. 이 경우, 고가의 고전압 공정을 사용하지 않아도 되므로 전력관리집적회로(140)의 가격이 낮아질뿐만 아니라, 전력관리집적회로(140)를 새롭게 설계하고 생산 설비의 변경하기 위한 비용이 절감되는 장점이 있다. 또한, 시스템 내부 소자들에게 다양한 전압을 제공하기 위한 전력 공급 체계(power tree)를 변경할 필요가 없다는 추가적인 장점도 생긴다.
제1스위치(SWDC)는 배터리노드(N_bat)와 입력노드(N_in) 사이에 배치되어 배터리노드(N_bat)와 입력노드(N_in)를 연결하거나 차단할 수 있다. 예시적으로, 입력노드(N_in) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압보다 낮은 저전압모드에서 제1스위치(SWDC)는 오프(off)되어 배터리노드(N_bat)와 입력노드(N_in)의 연결을 차단하고, 입력노드(N_in) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압보다 높은 고전압모드에서 제1스위치(SWDC)는 온(on)되어 배터리노드(N_bat)를 입력노드(N_in)에 연결할 수 있다.
제2스위치(SWCB)는 시스템노드(N_sys)와 배터리중간노드(N_bi) 사이에 배치되어 시스템노드(N_sys)와 배터리중간노드(N_bi)를 연결하거나 차단할 수 있다. 예시적으로, 셀들(BC1, BC2) 사이의 밸런싱이 필요한 경우 제2스위치(SWCB)는 온(on)되어 시스템노드(N_sys)와 배터리중간노드(N_bi)를 연결함으로써, 차지펌프(130)가 셀 밸런싱을 수행하도록 할 수 있다. 배터리중간노드(N_bi)는 셀들(BC1, BC2)의 접점을 의미한다. 셀이 3개 이상인 경우, 배터리중간노드(N_bi)는 복수의 셀들이 형성하는 복수의 접점들 중의 적어도 어느 하나일 수 있다. 이 경우, 차지펌프(130)는 배터리노드(N_bat) 전압과 배터리중간노드(N_bi) 전압의 크기 관계에 적합한 전압 변환비를 가질 수 있다.
제3스위치(SWRB)는 강압컨버터(120)와 입력노드(N_in) 사이에 배치되어 강압컨버터(120)와 입력노드(N_in)를 연결하거나 차단할 수 있다. 예시적으로, 입력노드(N_in) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압보다 낮은 저전압모드에서 제3스위치(SWRB)는 온(on)되어 강압컨버터(120)와 입력노드(N_in)를 연결하고, 입력노드(N_in) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압보다 높은 고전압모드에서 제3스위치(SWRB)는 오프(off)되어 강압컨버터(120)와 입력노드(N_in)의 연결을 차단할 수 있다. 다만, 후술할 바와 같이, 고전압모드에서 제3스위치(SWRB)가 항상 오프(off)되는 것은 아니며, 필요에 따라 제3스위치(SWRB)는 고전압모드에서도 온(on) 되어 강압컨버터(120)가 동작하도록 할 수 있다.
제어회로(150)는 전력관리장치(100) 내부의 제어를 수행할 수 있다. 예시적으로, 제어회로(150)는 강압컨버터(120), 차지펌프(130), 전력관리집적회로(140), 제1스위치(SWDC), 제2스위치(SWCB) 및 제3스위치(SWRB) 중의 적어도 하나와 정보를 송수신하며 소자들을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고 전송할 수 있다. 실시예에 따라, 제어회로(150)는 외부충전장치와도 정보를 송수신할 수 있다. 예시적으로, 제어회로(150)는 외부충전장치가 전력관리장치(100)로 제공하는 전압과 전류의 목표값에 대한 정보를 외부충전장치로 제공함으로써 외부충전장치가 전력관리장치(100)로 제공하는 전압과 전류를 조절할 수 있다.
실시예에 따라, 제어회로(150)는 복수의 셀(BC1, BC2)의 전압, 전류 및 충전상태(SOC) 중의 적어도 하나에 대한 정보를 수집하고, 이에 따라 제2스위치(SWCB)의 온(on)/오프(off)를 제어함으로써 셀 밸런싱 기능의 수행 여부를 결정할 수 있다. 실시예에 따라, 제어회로(150)는 복수의 셀(BC1, BC2)의 전압 정보를 수집하고, 복수의 셀(BC1, BC2)의 전압차에 기초하여 밸런싱 전류를 예측하며, 밸런싱 전류가 크다고 판단될 경우 밸런싱 전류를 조절할 수 있다. 예시적으로, 제어회로(150)는, 제2스위치(SWCB)의 게이트 전압의 조절, 차지펌프(130)의 스위칭주파수의 조절 또는 차지펌프(130) 내부 트랜지스터들의 게이트 전압의 조절 중의 하나 이상을 선택적으로 수행하여 밸런싱 전류를 조절할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 강압컨버터(120)의 회로를 예시한다. 도 2를 참조하면, 강압컨버터(120)는 벅(Buck) 컨버터로 구현될 수 있다. 다만, 강압컨버터(120)에는 벅(Buck) 컨버터 외의 다른 회로가 사용될 수도 있다.
예시적으로, 강압컨버터(120)는 2개의 스위치(Qb1, Qb2), 인덕터(L) 및 커패시터(C)를 포함할 수 있다. 강압컨버터(120)는 두 스위치(Qb1, Qb2)의 온(on)/오프(off) 스위칭을 통해 입력노드(N_in)로부터 시스템노드(N_sys)로 전달되는 전압 및 전류의 크기를 조절할 수 있다. 강압컨버터(120)는 인덕터(L)를 통해 흐르는 전류의 크기가 부하 전류의 크기와 유사하므로(전술한 바와 같이, 벅-부스트 컨버터는 부스트 모드에서 인덕터 전류가 부하 전류의 두 배) 인덕터(L) 사이즈가 작고 효율이 높은 장점이 있다.
강압컨버터(120)에 사용되는 벅(Buck) 컨버터는 저가 및 고효율의 장점으로 인해 기존의 단일 셀 시스템에서도 많이 사용되고 있다. 본 실시예에서는, 배터리 전압이 2배로 높아짐에도 불구하고 강압컨버터(120)의 장점을 활용하기 위해, 저전압모드에서 강압컨버터(120)를 사용하여 입력노드(N_in)로부터 시스템노드(N_sys)로 전력을 전달하도록 할 수 있다. 다만, 강압컨버터(120)의 단점인 입력전압과 출력전압의 차이가 클 경우 효율이 낮아지는 문제를 고려하여, 본 실시예에서는 고전압모드에서 강압컨버터(120) 대신 차지펌프(130)를 통해 입력노드(N_in)로부터 시스템노드(N_sys)로 전력을 공급하고 강압컨버터(120)는 사용하지 않거나 제한적으로 사용하는 방법을 사용할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 차지펌프(130)의 회로를 예시한다.
도 3을 참조하면, 차지펌프(130)는 네 개의 스위치(Q1 ~ Q4) 및 두 개의 커패시터(Ca, Cb)를 포함할 수 있다. 차지펌프(130)는 네 개의 스위치(Q1 ~ Q4) 의 온(on)/오프(off) 스위칭을 통해 배터리노드(N_bat)와 시스템노드(N_sys) 사이에서 전압과 전류의 크기를 변경하면서 양방향으로 전력을 전달할 수 있다. 이 때, 차지펌프(130)는 배터리노드(N_bat) 전압과 시스템노드(N_sys) 전압이 2:1의 관계를 가지도록 동작할 수 있다. 이 경우, 배터리노드(N_bat)를 통해 흐르는 전류(I_bat)와 시스템노드(N_sys)를 통해 흐르는 전류(I_sys)는 반대로 1:2의 관계를 가질 수 있다.
도 4와 도 5는 도 3에 예시된 차지펌프(130) 회로의 동작을 예시적으로 설명한다.
도 4는 두 개의 스위치(Q1, Q3)가 온(on) 상태이고 나머지 두 개의 스위치(Q2, Q4)는 오프(off) 상태인 경우를 예시한다. 이 경우, 두 개의 커패시터(Ca, Cb)는 배터리노드(N_bat)와 기준전위(예, 그라운드) 사이에서 직렬로 연결되고, 시스템노드(N_sys)는 두 커패시터(Ca, Cb)의 접점에 접속된 상태가 된다. 따라서, 배터리노드(N_bat)의 전압이 두 커패시터(Ca, Cb)에 분배되고 시스템노드(N_sys) 전압은 커패시터(Cb)의 전압과 동일하게 된다.
도 5는 두 개의 스위치(Q1, Q3)가 오프(off) 상태이고 나머지 두 개의 스위치(Q2, Q4)는 온(on) 상태인 경우를 예시한다. 이 경우, 두 개의 커패시터(Ca, Cb)는 시스템노드(N_sys)와 기준전위 사이에서 서로 병렬로 연결된 상태가 된다. 따라서, 두 커패시터(Ca, Cb)의 전압은 서로 동일하게 되고, 시스템노드(N_sys) 전압도 커패시터(Cb)의 전압과 동일하게 된다.
도 4와 도 5는 한 스위칭 주기 내에서 스위치들의 온(on)/오프(off)에 따른 두 가지 상태(state)를 설명하고 있는데, 두 커패시터(Ca, Cb)들의 커패시턴스(capacitance)가 충분히 커서 한 스위칭주기 내에서 두 커패시터(Ca, Cb)의 전압이 일정하게 유지된다고 가정하면, 커패시터 Ca의 전압과 커패시터 Cb의 전압 및 시스템노드(N_sys) 전압은 모두 동일하게 되고, 배터리노드(N_bat) 전압은 시스템노드(N_sys) 전압의 두 배가 될 수 있다.
이와 같은 동작 원리에 의해 차지펌프(130)는 배터리노드(N_bat)와 시스템노드(N_sys) 사이에서 2:1의 전압변환비를 구현할 수 있다.
도 3에서는 2:1 변환비를 가지는 차지펌프(130)의 회로의 일 실시예를 예시하고 있으나, 그 외에도 다른 종류의 회로가 사용될 수 있다. 또한, 도 4와 도 5는 도 3의 회로의 동작 원리를 예시적으로 설명하고 있으나 도 4와 도 5를 참조하여 설명한 방식 외의 다른 방식으로 동작할 수도 있다.
도 6은 도 1의 전력관리장치(100)의 배터리모드(battery mode) 동작을 설명하는 도면이다.
배터리모드는 외부충전장치가 전력관리장치(100)에게 전력을 공급하지 않는 상태에서 배터리(BC1, BC2)를 방전시켜 시스템노드(N_sys)에 전력을 공급하는 모드를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
배터리모드에서 차지펌프(130)는 배터리노드(N_bat)로부터 시스템노드(N_sys)로 전압을 낮추어 전력을 공급할 수 있다. 즉, 배터리모드에서 차지펌프(130)는 배터리(BC1, BC2)에 충전된 에너지를 시스템노드(N_sys)로 공급할 수 있다. 배터리모드에서 제1스위치(SWDC)와 제3스위치(SWRB)는 오프(off)되고, 강압컨버터(120)는 동작하지 않을 수 있다.
배터리모드에서 차지펌프(130)는 배터리(BC1, BC2)의 전류에 기초하여 스위칭주파수가 변경될 수 있다. 이를 위해, 실시예에 따라, 제어회로(150)는 배터리(BC1, BC2) 전류 정보를 수집하고, 배터리(BC1, BC2) 전류에 기초하여 차지펌프(130)의 스위칭주파수를 조절하는 제어신호를 차지펌프(130)로 전송할 수 있다. 실시예에 따라, 전력관리장치(100) 외부의 연산장치가 배터리(BC1, BC2) 전류 정보를 수집하고, 배터리(BC1, BC2) 전류에 기초하여 차지펌프(130)의 스위칭주파수를 결정하며, 차지펌프(130)의 스위칭 주파수 지시값을 전력관리장치(100)로 전송할 수 있다.
차지펌프(130)의 스위칭주파수는 차지펌프(130)의 효율 및 임피던스 특성에 영향을 줄 수 있다. 예시적으로, 배터리(BC1, BC2) 전류가 기준값보다 큰 경우의 차지펌프(130)의 스위칭주파수는 배터리(BC1, BC2) 전류가 기준값보다 작은 경우의 차지펌프(130)의 스위칭주파수에 비해 더 높게 설정될 수 있다. 예시적으로, 배터리(BC1, BC2) 전류가 증가할수록 차지펌프(130)의 스위칭주파수를 높게 설정할 수 있다. 이 경우, 배터리(BC1, BC2) 전류가 작을 때 스위칭주파수가 감소되어 효율이 최적화되고, 배터리(BC1, BC2) 전류가 클 때 스위칭주파수가 높아져 차지펌프(130)의 임피던스를 낮춤으로써 임피던스 성능을 개선할 수 있다.
배터리(BC1, BC2) 전류를 측정하는 방법의 예시로서, 배터리(BC1, BC2)와 기준전위(예, 그라운드) 사이에 전류검출저항(미도시)을 배치할 수 있다. 예시적으로, 제2셀(BC2)와 기준전위 사이에 전류검출저항이 배치될 수 있다.
도 7은 도 1의 전력관리장치(100)의 저전압모드(배터리 방전) 동작을 설명하는 도면이다.
저전압모드(low voltage mode)는 전력관리장치(100)가 외부충전장치로부터 배터리노드(N_bat) 전압보다 낮은 저전압을 공급받는 경우를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 다시 말해, 입력노드(N_in) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압보다 낮은 경우를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 예시적으로, USB 2.0 규격을 사용하는 어댑터를 통해 5V를 공급받는 경우가 저전압모드에 해당할 수 있다.
저전압모드에서 강압컨버터(120)는 입력노드(N_in)로부터 시스템노드(N_sys)로 전압을 낮추어 전력을 전달할 수 있다. 이 때, 필요에 따라, 제1스위치(SWDC)가 오프(off)되어 입력노드(N_in)와 배터리노드(N_bat) 사이의 연결은 차단될 수 있다. 저전압모드에서 강압컨버터(120)를 통해 시스템노드(N_sys)로 전력을 공급하는 이유는, 입력노드(N_in)와 시스템노드(N_sys)의 전압차이가 크지 않을 때 고효율로 동작하는 강압컨버터(120)의 특성을 활용하기 위함이다.
저전압모드에서, 시스템이 시스템노드(N_sys)를 통해 소비하는 시스템전력(P_sys)이 강압컨버터(120)가 시스템노드(N_sys)로 공급하는 전력보다 큰 경우, 차지펌프(130)는 배터리노드(N_bat)로부터 시스템노드(N_sys)로 전압을 낮추어 전력을 공급할 수 있다. 즉, 차지펌프(130)는 배터리(BC1, BC2)가 방전되도록 동작할 수 있다. 이러한 동작은 배터리(BC1, BC2)가 시스템전력(P_sys)을 보충하는 저전압-보충모드(low voltage-supplement mode)로 이해될 수 있다. 이 경우, 외부충전장치로부터 시스템노드(N_sys)로 전달되는 전력은 고효율의 강압컨버터(120)에 의해 처리되고, 배터리(BC1, BC2)로부터 시스템노드(N_sys)로 공급되는 전력은 고효율의 차지펌프(130)에 의해 처리되므로, 전체적인 전력 소모를 줄이는 장점이 있다.
도 8은 도 1의 전력관리장치(100)의 저전압모드(배터리 충전) 동작을 설명하는 도면이다.
도 8에 예시된 동작은, 전력관리장치(100)가 외부충전장치로부터 배터리노드(N_bat) 전압보다 낮은 저전압을 공급받는 저전압모드인 점에서는 도 7에 예시된 바와 동일하지만, 시스템이 시스템노드(N_sys)를 통해 소비하는 시스템전력(P_sys)이 강압컨버터(120)가 공급하는 전력보다 작은 경우라는 점에서 도 7에 예시된 동작과 차이가 있다. 이 경우, 차지펌프(130)는 시스템노드(N_sys)로부터 배터리노드(N_bat)로 전압을 높여 전력을 공급하여 배터리(BC1, BC2)를 충전시킬 수 있다.
이와 같이, 저전압모드에서는 강압컨버터(120)가 외부충전장치로부터 공급되는 전력을 시스템노드(N_sys)로 전달하고, 시스템전력(P_sys)이 외부충전장치로부터 공급되는 전력에 비해 클 경우 차지펌프(130)는 배터리(BC1, BC2)를 방전시키며 배터리(BC1, BC2)의 전력을 시스템노드(N_sys)로 공급하고, 시스템전력(P_sys)이 외부충전장치로부터 공급되는 전력에 비해 작을 경우 차지펌프(130)는 시스템노드(N_sys)로부터 전력을 공급받아 배터리(BC1, BC2)를 충전할 수 있다.
도 9는 도 1의 전력관리장치(100)의 고전압모드(배터리 방전) 동작을 설명하는 도면이다.
고전압모드(high voltage mode)는 전력관리장치(100)가 외부충전장치로부터 배터리노드(N_bat) 전압보다 높은 고전압을 공급받는 경우를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 다시 말해, 입력노드(N_in) 전압이 배터리노드(N_bat) 전압보다 높은 경우를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 예시적으로, 고전압은 9V ~ 20V 범위일 수 있다. 예시적으로, Type-C PD 규격에 따라 최대 20V의 전압을 공급받는 경우가 고전압모드에 해당할 수 있다. Type-C PD 규격에 따른 외부충전장치의 경우, 외부충전장치와 전력관리장치(100)는 서로 통신하며 외부충전장치가 전력관리장치(100)로 제공할 전압과 전류의 크기를 조절할 수 있다. 즉, 전력관리장치(100)는 원하는 전압과 전류의 목표값을 외부충전장치로 제공하고, 외부충전장치는 전력관리장치(100)가 제시한 목표값에 해당하는 전압과 전류를 전력관리장치(100)로 제공할 수 있다.
고전압모드에서 차지펌프(130)는 입력노드(N_in)로부터 전력을 공급받고 시스템노드(N_sys)로 전력을 제공할 수 있다. 이 때, 차지펌프(130)는 입력노드(N_in)의 고전압을 낮추어 시스템노드(N_sys)로 제공할 수 있다. 예시적으로, 2:1의 변환비를 가지는 차지펌프(130)는 입력노드(N_in)의 전압을 절반으로 낮추어 시스템노드(N_sys)로 제공할 수 있다. 고전압모드에서 강압컨버터(120)를 통하지 않고 차지펌프(130)를 통해 입력노드(N_in)로부터 시스템노드(N_sys)로 전력을 공급하는 이유는, 입력노드(N_in)와 시스템노드(N_sys)의 전압차이가 큰 경우 강압컨버터(120)보다는 차지펌프(130)의 효율이 높은 특성을 활용하기 위함이다.
고전압모드에서, 시스템전력(P_sys)이 외부충전장치로부터 공급받는 전력보다 큰 경우, 차지펌프(130)는 배터리(BC1, BC2)로부터 배터리노드(N_bat)로 공급되는 전력을 함께 시스템노드(N_sys)로 공급할 수 있다. 즉, 차지펌프(130)는 배터리(BC1, BC2)가 방전되도록 동작할 수 있다. 이러한 동작은 배터리(BC1, BC2)가 시스템전력(P_sys)을 보충하는 고전압-보충모드(high voltage-supplement mode)로 이해될 수 있다. 이 경우, 외부충전장치와 배터리(BC1, BC2)로부터 시스템노드(N_sys)로 전달되는 전력은 고효율의 차지펌프(130)에 의해 처리되므로 전력 소모를 줄이는 장점이 있다.
고전압모드에서 제1스위치(SWDC)가 온(on)되어 입력노드(N_in)와 배터리노드(N_bat)를 연결할 수 있다. 이 경우, 입력노드(N_in)와 배터리노드(N_bat)의 전압 차이가 크면 제1스위치(SWDC)에서 손실이 많이 발생할 수 있으므로, 전력관리장치(100)는 외부충전장치에게 배터리노드(N_bat) 전압보다 근소하게 높은 전압(예, 100mV)을 제공하도록 요구할 수 있다. 이 경우, 제1스위치(SWDC)는 입력노드(N_in)와 배터리노드(N_bat)의 근소한 전압 차이를 감당하면 되므로 제1스위치(SWDC)의 손실이 줄어들 수 있다.
실시예에 따라, 고전압모드에서 제3스위치(SWRB)는 오프(off)되어 입력노드(N_in)와 강압컨버터(120)의 연결을 차단할 수 있다.
도 10은 도 1의 전력관리장치(100)의 고전압모드(배터리 직접충전) 동작을 설명하는 도면이다.
도 10에 예시된 동작은, 전력관리장치(100)가 외부충전장치로부터 배터리노드(N_bat) 전압보다 높은 고전압을 공급받는 고전압모드인 점에서는 도 9에 예시된 바와 동일하지만, 시스템전력(P_sys)이 외부충전장치로부터 공급되는 전력보다 작은 경우라는 점에서 도 9에 예시된 동작과 차이가 있다. 이 경우, 외부충전장치로부터 공급되는 전력의 적어도 일부는 제1스위치(SWDC)를 경유하여 배터리(BC1, BC2)를 직접충전할 수 있다. 여기서, 직접충전은 배터리(BC1, BC2)를 충전하는 전력이 강압컨버터(120)와 차지펌프(130)의 어느 것도 경유하지 않음을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
고전압모드 중의 배터리 직접충전 동작에서, 전력관리장치(100)는 배터리 상태(예, 배터리 전압, 배터리 전류, SOC 등)에 기초하여 배터리(BC1, BC2)의 직접충전에 적합한 전압과 전류 목표값을 외부충전장치로 제공할 수 있다. 이러한 고전압 배터리 직접충전에 의하면 외부충전장치로부터 공급된 전력이 강압컨버터(120) 또는 차지펌프(130) 등 별도의 전력변환장치를 거치지 않고(제1스위치를 경유하지만 제1스위치는 전력변환장치가 아닌 것으로 이해될 수 있음) 배터리(BC1, BC2)를 바로 충전하므로 고효율 충전이 가능하고, 고전압으로 배터리(BC1, BC2)를 충전하므로 고속 충전이 가능하다.
이와 같이, 고전압모드에서는 차지펌프(130)가 외부충전장치로부터 공급되는 고전압 전력을 수신하고 전압을 낮추어 시스템노드(N_sys)로 공급하므로 고효율 동작이 가능하다. 고전압모드에서, 시스템전력(P_sys)이 외부충전장치로부터 공급받는 전력보다 큰 경우 차지펌프(130)는 외부충전장치뿐만 아니라 배터리(BC1, BC2)로부터도 에너지를 공급받아 시스템노드(N_sys)로 제공할 수 있다. 고전압모드에서, 시스템전력(P_sys)이 외부충전장치로부터 공급받는 전력보다 작은 경우, 제어회로(150)는 배터리(BC1, BC2)의 상태를 고려하여 전압과 전류 목표값을 외부충전장치로 제공하여 외부충전장치로부터 공급되는 전력 중의 적어도 일부가 배터리(BC1, BC2)를 직접 충전하도록 동작할 수 있다.
도 11은 도 1의 전력관리장치(100)의 고전압모드(내부전류제한) 동작을 설명하는 도면이다.
도 11에 예시된 동작은, 전력관리장치(100)가 외부충전장치로부터 배터리노드(N_bat) 전압보다 높은 고전압을 공급받는 고전압모드인 점에서는 도 9 또는 도 10에 예시된 바와 동일하지만, 강압컨버터(120)가 외부충전장치로부터 공급받는 전력의 일부를 처리한다는 점에서 차이가 있다.
제어회로(150)는 제1스위치(SWDC)의 게이트 전압을 조절함으로써 제1스위치(SWDC)를 통해 흐르는 전류를 제한하고, 외부충전장치에게는 제1스위치(SWDC)의 전류보다 더 큰 전류를 제공하도록 요청하며, 외부충전장치로부터 전력관리장치(100) 내부로 유입되는 전류에서 제1스위치(SWDC)를 통해 흐르는 전류를 차감한 전류가 강압컨버터(120)를 통해 흐르도록 강압컨버터(120)를 제어할 수 있다. 즉, 고전압모드에서 제1스위치(SWDC)의 전류 리미트 기능을 활용하여 차지펌프(130)와 강압컨버터(120)가 함께 동작하도록 할 수 있다. 다른 관점에서, 제어회로(150)는 제1스위치(SWDC)가 전달하는 전력을 제한하고, 제1스위치(SWDC)가 전달하는 전력보다 큰 전력를 제공하도록 외부충전장치에게 요청하며, 외부충전장치로부터 공급받은 전력과 제1스위치(SWDC)가 전달하는 전력의 차이에 해당하는 전력를 강압컨버터(120)가 처리하도록 제어할 수 있다.
이 때, 제어회로(150)는 배터리노드(N_bat) 전압보다 근소하게 높은 전압(예, 100mV) 목표값을 외부충전장치에게 요청할 수 있다. 전력관리장치(100)가 배터리노드(N_bat) 전압보다 근소하게 높은 전압(예, 100mV)을 외부충전장치로부터 제공받을 경우, 제1스위치(SWDC)의 손실이 감소할뿐만 아니라 강압컨버터(120)의 입력전압(입력노드(N_in) 전압)과 출력전압(시스템노드(N_sys) 전압)의 차이가 커지는 것을 방지하여 강압컨버터(120)의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 제1스위치(SWDC)를 통해 공급되는 전력(또는 전류)을 제한하고 외부충전장치로부터 공급되는 추가 전력(또는 전류)은 강압컨버터(120)를 통해 처리할 경우, 제1스위치(SWDC)와 차지펌프(130)의 최대 용량(처리 전력)을 줄일 수 있어 가격과 사이즈를 줄이는 장점이 있다.
도 11에서, 배터리(BC1, BC2)는 외부충전장치로부터 공급되는 전력과 시스템전력(P_sys)의 대소에 따라, 전술한 바와 유사하게, 충전 또는 방전 동작을 수행할 수 있다.
도 12는 도 1의 전력관리장치(100)의 고전압모드(전류체배기를 통한 배터리 충전) 동작을 설명하는 도면이다.
도 12에 예시된 동작은, 전력관리장치(100)가 외부충전장치로부터 배터리노드(N_bat) 전압보다 높은 고전압을 공급받는 고전압모드인 점에서는 도 9 내지 도 11에 예시된 바와 동일하지만, 전류체배기(1260)을 더 포함하는 점에서 차이가 있다.
도 12를 참조하면, 입력노드(N_in)와 배터리노드(N_bat) 사이에는 제4스위치(SWDC1)와 제5스위치(SWDC2)가 직렬로 순차적으로 연결되고, 제4스위치(SWDC1)와 제5스위치(SWDC2)의 접점과 배터리노드(N_bat) 사이에는 전류체배기(current multiplier, 1260)가 배치될 수 있다.
외부충전장치로부터 배터리노드(N_bat) 전압보다 높은 고전압을 공급받는 고전압모드에서, 외부충전장치로부터 입력노드(N_in)로 공급되는 전압의 크기에 따라, 배터리노드(N_bat)는 전류체배기를 거치지 않고 제4스위치(SWDC1)와 제5스위치(SWDC2)를 통해 입력노드(N_in)로부터 전력을 공급받거나(path1), 또는 배터리노드(N_bat)는 제4스위치(SWDC1)와 전류체배기를 통해 입력노드(N_in)로부터 전력을 공급받을 수 있다(path2).
예시적으로, 제어회로(150)는 외부충전장치에게 약 18V의 높은 전압을 요구하고, 1;2의 전류변환비(즉, 2:1의 전압변환비)를 가지는 전류체배기(1260)를 동작시켜 약 18V의 입력노드(N_in) 전압을 약 9V로 낮추어 배터리노드(N_bat)로 공급할 수 있다. 또는 제어회로(150)는 외부충전장치에게 약 9V의 전압을 요구하고, 약 9V의 입력노드(N_in) 전압을 제1스위치(SWDC)와 제2스위치(SWCB)를 거쳐(전류체배기(1260)는 동작하지 않음) 큰 전압 변동없이 배터리노드(N_bat)로 전달할 수 있다.
이와 같이, 전류체배기를 사용하여 외부충전장치로부터 공급되는 전류의 크기를 줄일 경우(1:2 전류비를 가지는 전류체배기를 사용할 경우 외부충전장치로부터 전력관리장치(100)로 공급되는 전류를 절반으로 줄일 수 있음), 도통 손실을 줄일 수 있을뿐만 아니라, 외부충전장치가 전력관리장치(100)로 고전력을 제공하는 경우에도 저가의 케이블(외부충전장치와 전력관리장치(100)를 연결하는 케이블)을 사용할 수 있다는 장점이 있다.
도 13은 도 1의 전력관리장치(100)의 셀 밸런싱(cell balancing) 동작을 설명하는 도면이다.
제2스위치(SWCB)가 온(on) 되면 차지펌프(130)는 두 셀(BC1, BC2)의 전압이 동일해지도록 동작할 수 있다. 예시적으로, 2:1의 전압변환비를 가지는 차지펌프(130)는 배터리노드(N_bat) 전압과 시스템노드(N_sys) 전압(제2스위치(SWCB)가 온(on) 된 경우 배터리중간노드(N_bi)와 동일한 전압)이 2:1의 관계를 가지도록 동작할 수 있다. 따라서, 차지펌프(130)는 두 셀(BC1, BC2)의 전압이 동일해지도록 동작할 수 있다. 즉, 차지펌프(130)가 두 셀(BC1, BC2) 사이의 밸런싱 기능을 수행할 수 있음을 의미한다.
구체적으로, 제2스위치(SWCB)가 오프(off)일 경우 배터리 전류(i_b)는 두 셀(BC1, BC2)에 동일하게 흐르므로 두 셀(BC1, BC2) 사이의 특성의 차이가 있을 경우 두 셀(BC1, BC2)의 전압 또는 충전상태가 달라질 수 있다. 반면, 제2스위치(SWCB)가 온(on) 되면 배터리중간노드(N_bi)를 통해 밸런싱 전류(i_cb)가 흐를 수 있으므로 두 셀(BC1, BC2)의 전류가 서로 다를 수 있다. 차지펌프(130)는 배터리노드(N_bat) 전압과 배터리중간노드(N_bi) 전압이 2:1의 관계를 가지도록 동작하므로 배터리중간노드 전류(i_cb)의 조절을 통해 두 셀(BC1, BC2)의 전압이 동일해질 수 있다. 이러한 셀 밸런싱은 전술한 배터리모드, 저전압모드 및 고전압모드 모두에서 선택적으로 동작이 가능하다.
셀 밸런싱 동작의 일 실시예로서, 제2스위치(SWCB)는 항상 온(on) 상태를 유지할 수 있다. 이 경우 셀 밸런싱이 상시적으로 수행되어 두 셀(BC1, BC2)의 밸런싱이 잘 유지될 수 있다는 장점이 있다. 다만, 이 경우 차지펌프(130)가 항상 동작하므로 시스템의 절전모드(예, 슬립모드) 등의 경우에도 차지펌프(130)가 전력을 소모할 수 있다는 단점이 있다.
셀 밸런싱 동작의 일 실시예로서, 제2스위치(SWCB)는 두 셀(BC1, BC2) 전압의 차이가 기준값보다 커질 경우에 턴온(on)될 수 있다. 이 경우 시스템이 절전모드일 때 전력소모가 없으면서도 두 셀(BC1, BC2)의 밸런싱을 적절히 유지할 수 있다는 장점이 있다. 이를 위해, 제어회로(150)는 두 셀(BC1, BC2)의 전압 정보를 수집하고 두 셀(BC1, BC2)의 전압에 기초하여 밸런싱 동작을 수행할지 여부를 결정하여 제2스위치(SWCB)를 제어할 수 있다.
셀 밸런싱 동작의 일 실시예로서, 제2스위치(SWCB)는 두 셀(BC1, BC2)의 충전상태(SOC)의 차이가 기준값보다 커질 경우에 턴온(on)될 수 있다. 두 셀(BC1, BC2)의 충전상태(SOC)를 기준으로 제2스위치(SWCB)를 동작시킬 경우 좀 더 정확한 셀 밸런싱이 가능하다는 장점이 있다. 이를 위해, 제어회로(150)는 두 셀(BC1, BC2)의 전압, 전류, 온도 등의 상태 정보를 수집하고, 두 셀(BC1, BC2)의 충전상태를 추정하며, 추정된 충전상태에 따라 밸런싱 동작을 수행할지 여부를 결정하여 제2스위치(SWCB)를 제어할 수 있다.
한편, 두 셀(BC1, BC2)의 전압 차이나 충전상태의 차이에 기초하여 셀 밸런싱을 선택적으로 동작시키는 경우, 두 셀(BC1, BC2)의 전압 또는 충전상태의 차이가 있는 상태에서 제2스위치(SWCB)를 턴온(on)시킬 때 일시적으로 큰 밸런싱 전류가 흐를 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해, 제어회로(150)는 밸런싱 전류가 적절한 범위를 넘어서지 않도록 밸런싱 전류를 제한할 수 있다. 예시적으로, 제어회로(150)는 차지펌프(130)의 임피던스를 조절하여 밸런싱 전류를 제한할 수 있다. 차지펌프(130)의 임피던스를 조절하는 방법으로는 차지펌프(130)의 동작주파수를 조절하거나 또는 차지펌프(130) 내부의 트랜지스터들의 게이트 전압을 조절하는 방법을 사용할 수 있다. 또는 제이회로(150)는 제2스위치(SWCB)의 게이트 전압을 조절하여 제2스위치(SWCB)의 임피던스를 조절함으로써 밸런싱 전류를 제한할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예에 따라, 전력관리장치는 복수의 셀들이 직렬 연결된 배터리를 사용할 때, 비용과 사이즈를 최소화하면서 고효율로 동작할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 전력관리장치는 USB 2.0 규격에 따른 어댑터와 Type-C PD 규격에 따른 어댑터 등 다양한 종류의 어댑터와 호환이 가능하다. 또는, 실시예에 따라, 전력관리장치는 복수의 셀들이 직렬 연결된 배터리를 사용함에도 불구하고 기존의 단일 셀 시스템에서 사용되는 전력관리집적회로(PMIC)를 사용할 수 있다. 이 경우, 다양한 소자들에게 다양한 전압을 제공하기 위해 기존의 단일 셀 시스템에서 사용하던 전력 공급 체계(power tree)를 재구성할 필요가 없다는 추가적인 장점이 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 입력노드를 통해 외부충전장치와 연결되고, 배터리노드를 통해 적어도 두 개의 셀이 직렬로 연결된 배터리와 연결되어 전력을 관리하는 전력관리장치로서,
    상기 입력노드와 시스템노드 사이에 연결되고 상기 입력노드 전압을 낮추어 상기 시스템노드로 전력을 전달하는 강압컨버터;
    상기 배터리노드와 상기 시스템노드 사이에 연결되어 양방향으로 전력을 전달하되, 상기 배터리노드 전압은 상기 시스템노드 전압보다 높은, 차지펌프;
    상기 시스템노드에 연결되어 상기 시스템노드로부터 전력을 공급받고 시스템 내부의 소자들에게 전력을 공급하는 전력관리집적회로(PMIC); 및
    상기 전력관리장치 내부의 제어를 수행하는 제어회로;를 포함하고,
    상기 전력관리장치는, 상기 외부충전장치의 종류에 따라 상기 입력노드 전압이 상기 배터리노드 전압보다 높은 고전압인 경우와 상기 입력노드 전압이 상기 배터리노드 전압보다 낮은 저전압인 경우의 모두에서 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리노드는 제1스위치를 통해 상기 입력노드에 연결되고,
    상기 제1스위치는 상기 배터리노드와 상기 입력노드를 연결 또는 차단하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 시스템노드는 제2스위치를 통해 상기 적어도 두 개의 셀의 접점인 배터리중간노드에 연결되고,
    상기 제2스위치가 온(on) 되면 상기 차지펌프는 상기 적어도 두 개의 셀들 사이의 밸런싱(balancing)을 수행하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 적어도 두 개의 셀의 전압 또는 충전상태(SOC)에 따라 셀 밸런싱을 수행할지 여부를 결정하고 상기 제2스위치의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 적어도 두 개의 셀의 전압차에 기초하여 밸런싱 전류를 예측하고, 상기 밸런싱 전류가 크다고 판단될 경우 상기 밸런싱 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어회로는, 상기 제2스위치의 게이트 전압의 조절, 상기 차지펌프의 스위칭주파수의 조절 또는 상기 차지펌프 내부 트랜지스터들의 게이트 전압의 조절 중의 하나 이상을 선택적으로 수행하여 상기 밸런싱 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 강압컨버터는 제3스위치를 통해 상기 입력노드에 연결되고,
    상기 제3스위치가 오프(off) 되면 상기 강압컨버터는 상기 입력노드로부터 전력을 공급받지 않는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 차지펌프는 2:1의 전압변환비를 가지는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부충전장치가 상기 전력관리장치에게 전력을 공급하지 않는 배터리모드에서,
    상기 차지펌프는 상기 배터리노드로부터 상기 시스템노드로 전압을 낮추어 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 배터리모드에서 상기 차지펌프는 상기 배터리의 전류에 기초하여 스위칭주파수가 변경되는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 배터리의 전류가 기준값보다 큰 경우의 상기 차지펌프의 스위칭주파수는 상기 배터리의 전류가 상기 기준값보다 작은 경우의 상기 차지펌프의 스위칭주파수에 비해 더 높은 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부충전장치로부터 상기 배터리노드 전압보다 낮은 저전압을 공급받는 저전압모드에서,
    상기 강압컨버터는 상기 입력노드로부터 상기 시스템노드로 전압을 낮추어 전력을 전달하고,
    상기 입력노드와 상기 배터리노드 사이의 연결은 차단되는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 저전압모드에서,
    상기 시스템이 상기 시스템노드를 통해 소비하는 전력이 상기 강압컨버터가 상기 시스템노드로 공급하는 전력보다 큰 경우, 상기 차지펌프는 상기 배터리노드로부터 상기 시스템노드로 전압을 낮추어 전력을 공급하고,
    상기 시스템이 상기 시스템노드를 통해 소비하는 전력이 상기 강압컨버터가 상기 시스템노드로 공급하는 전력보다 작은 경우, 상기 차지펌프는 상기 시스템노드로부터 상기 배터리노드로 전압을 높여 전력을 공급하여 상기 배터리를 충전하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부충전장치로부터 상기 배터리노드 전압보다 높은 고전압을 공급받는 고전압모드에서,
    상기 입력노드는 제1스위치를 통해 상기 배터리노드에 연결되고,
    상기 외부충전장치로부터 공급되는 전력이 상기 제1스위치를 통해 상기 배터리를 직접 충전하거나 및/또는 상기 제1스위치 및 상기 차지펌프를 통해 상기 시스템노드로 공급되는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 강압컨버터는 제3스위치를 통해 상기 입력노드에 연결되고,
    상기 고전압모드에서 상기 제3스위치는 오프되어 상기 강압컨버터와 상기 입력노드의 연결이 차단되는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 고전압모드에서,
    상기 시스템이 상기 시스템노드를 통해 소비하는 전력이 상기 외부충전장치가 공급하는 전력보다 큰 경우, 상기 배터리는 상기 배터리노드로 전력을 공급하고, 상기 차지펌프는 상기 외부충전장치 및 상기 배터리로부터 공급받은 전력을 함께 상기 시스템노드로 전달하며,
    상기 시스템이 상기 시스템노드를 통해 소비하는 전력이 상기 외부충전장치가 공급하는 전력보다 작은 경우, 상기 외부충전장치로부터 공급된 전력의 적어도 일부가 상기 제1스위치를 경유하여 상기 배터리를 직접 충전하는 - 상기 배터리를 충전하는 전력이 상기 강압컨버터와 상기 차지펌프 중의 어느 것도 경유하지 않음 - 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 제1스위치의 게이트 전압을 조절하여 상기 입력노드로부터 상기 배터리노드로 흐르는 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 외부충전장치에게 상기 외부충전장치가 공급할 전압목표값과 전류목표값 정보를 제공하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제어회로는 상기 외부충전장치에게 상기 제1스위치가 전달하는 전력보다 큰 전력를 제공하도록 요청하고,
    상기 제어회로는 상기 외부충전장치로부터 공급받은 전력과 상기 제1스위치가 전달하는 전력의 차이에 해당하는 전력를 상기 강압컨버터가 처리하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 입력노드와 상기 배터리노드 사이에는 제4스위치와 제5스위치가 직렬로 순차적으로 연결되고,
    상기 제4스위치와 상기 제5스위치의 접점과 상기 배터리노드 사이에는 전류체배기(current multiplier)가 배치되며,
    상기 외부충전장치로부터 상기 배터리노드 전압보다 높은 고전압을 공급받는 고전압모드에서, 상기 외부충전장치로부터 상기 입력노드로 공급되는 전압의 크기에 따라, 상기 배터리노드는 상기 제4스위치와 상기 전류체배기를 통해 상기 입력노드로부터 전력을 공급받거나 또는 상기 전류체배기를 거치지 않고 상기 제4스위치와 상기 제5스위치를 통해 상기 입력노드로부터 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 전력관리장치.
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