KR0151494B1 - 충전 가능한 배터리의 충전 모드 변환 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충전 가능한 배터리의 쾌속 충전시 △V를 보다 정확하게 감지할 수 있고 배터리의 수명 단축을 방지하기 위한 것으로, 연산 증폭기(10)와, 다이오드(D1), 커패시터(C1, C2), 출력 전압의 조절이 가능한 전압 공급부(10), 비교기(30)로 구성되며, 배터리의 쾌속 충전시, 배터리가 완전 충전된 이후에 일어나는 자연 방전으로 인해 감소되는 전압이 소정의 전압(△V) 이상이 되거나, 배터리가 완전 충전된 이후 완전 충전 시점으로부터 배터리의 내부 온도가 급상승하기 시작하는 시점 이전까지의 소정의 시간이 경과하면 배터리의 쾌속 충전 모드를 자동으로 세류 충전 모드로 변환한다.

Description

충전 가능한 배터리의 충전 모드 변환 회로

제1도는 충전 가능한 배터리의 특성 곡선을 나타낸 도면.

제2도는 본 발명에 따른 충전 모드 변환 회로의 바람직한 실시예의 회로도.

제3도는 배터리 전압에 따른 충전 모드 변환 회로의 출력 전압의 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 연산 증폭기 20 : 오프셋 전압 공급부

30 : 비교기 40 : 세류 충전 모드 변환단

C1,C2 : 커패시터 D1 : 다이오드

본 발명은 충전 가능한 배터리(chargeable battery)의 충전용 IC에 관한 것으로, 더 구체적으로는 충전 가능한 배터리의 쾌속 충전시 그것의 충전 상태에 따라 충전 모드를 자동으로 변환하는 모드 변환 회로에 관한 것이다.

최근, 충전 가능한 배터리(이하, '배터리'라 약칭함)를 사용하는 휴대용 전자 기기의 수요가 급증하고 있다. 이런 추세와 더불어, 휴대용 전자 기기의 배터리는 쾌속 충전이 가능하고, 보다 오랫 동안 사용할 수 있으며, 보다 긴 수명을 가질 것을 요구 받고 있다.

배터리를 쾌속 충전할 때, 배터리의 특성상, 제1도에 도시된 바와 같이, 배터리가 완전 충전된 이후에는, 일반적으로, 자연적인 방전에 따라 배터리의 전압이 완전 충전시의 전압 보다 소정의 전압(△V) 만큼 감소된다. 이때에는, 배터리의 충전 모드를 쾌속 충전 모드(quick charge mode)로부터 자연 방전량 만큼의 전류를 공급하는 세류 충전 모드(trickle charge mode)로 변환해야만 한다. 그러나, 배터리가 완전 충전된 이후에도 충전모드의 변환이 이루어지지 않아 배터리로 계속해서 충전 전류가 공급되면, 그 배터리는 과충전됨과 아울러 그것의 내부 온도가 급상승하기 때문에 배터리의 수명이 단축되며, 나아가 이런 상태가 반복되면 결국 배터리는 사용 불가능한 상태에 이르게 된다. 따라서, 쾌속 충전시, 배터리의 수명을 단축시키지 않도록 하는 것이 매우 중요하며, 배터리의 완전 충전 이후에는 그것의 내부 온도가 급상승하기 전에 충전을 차단하지 않으면 안된다.

이를 위해서, 종래에는, 마이크로프로세서(mircoprocessor)를 이용하고, 샘플홀드(sample and hold)방식으로 배터리의 자연 방전으로 인한 전압 변화량(△V)을 감지하였다. 이 기술에 따르면, 보다 정확하게 △V를 감지하기 위해서는 샘플링 횟수를 증가시켜야 하는데, 이를 위해서는 여러 가지 제어 회로들이 부수적으로 필요하므로 모드 변환 회로의 구성이 복잡할 뿐만 아니라 생산비가 많이 든다.

본 발명의 주된 목적은 간단한 구성을 갖고 △V를 보다 정확하게 감지할 수 있는 모드 변환 회로를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 배터리의 쾌속 충전시 발생될 수 있는 배터리의 수명 단축을 방지하는 것이다.

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 모드 변환 회로는, 배터리의 쾌속 충전시, 배터리가 완전 충전된 이후에 일어나는 자연 방전으로 인해 감소되는 전압이 소정의 전압(△V) 이상이 되거나, 배터리가 완전 충전된 이후 완전 충전 시점으로부터 배터리의 내부 온도가 급상승하기 시작하는 시점 이전까지의 소정의 시간이 경과하면 배터리의 쾌속 충전 모드를 자동으로 세류 충전 모드로 변환한다. 이로써, 배터리의 수명에 영향을 주지 않는 쾌속 충전이 이루어질 수 있게 된다.

본 발명에 따른 배터리 충전 모드 변환 회로는 배터리 전압(V_batt)이 인가되는 비반전 입력 단자(noninverting input terminal)를 구비하고 상기 배터리 전압의 감소가 시작될 때 상기 배터리 전압의 감소율에 비해 상대적으로 더 높은 감소율을 갖는 출력 신호(Vout)를 제공하는 연산 증폭기(operational amplifier)와, 상기 연산 증폭기의 반전 입력 단자(inverting input terminal)에 캐소우드 전극(cathode electrode)이 연결되고 상기 연산 증폭기의 출력 단자(output terminal)에 애노우드 전극(anode electrode)이 연결되는 다이오드와, 이 다이오드의 상기 캐소우드 전극에 두 전극들 중 제1 전극이 연결되고 제2 전극이 접지되는 제1 커패시터와 정(+) 및 부(-)전극들을 갖되 상기 부(-)전극은 상기 다이오드의 상기 애노우드 전극에 연결되며 출력전압의 가변이 가능한 전압 공급부와, 상기 다이오드와 병렬로 연결되며 두 전극들 중 제1 전극이 상기 다이오드의 상기 캐소우드 전극과 연결되고 제2 전극이 상기 다이오드의 상기 애노우드 전극과 연결되는 제2 커패시터와, 상기 전압 공급부의 상기 정전극에 연결되는 비반전 입력 단자와 상기 제1 커패시터의 상기 제1 전극에 연결되는 반전 입력단자 및 자연 방전량 만큼의 전류가 배터리로 공급되도록 하기 위한 세류 충전 모드 변환단(trickle charge mode converting stage)에 연결되는 출력단자를 갖는 비교기(comprator)를 포함하는 데 그 특징이 있다.

제2도는 본 발명에 따른 충전 모드 변환 회로의 바람직한 실시예를 나타낸 것이다. 제2도를 참조하여, 본 실시예의 배터리 충전 모드 변환 회로는 연산 증폭기(10)와, 디이오드(D1), 제1 및 제2 커패시터(C1,C2), 전압 공급부(20), 비교기(30)로 구성된다. 연산 증폭기(10)의 비반전 단자에는 배터리 전압(V_batt)이 인가된다. 그것의 반전 및 출력 단자들에는 다이오드(D1)의 캐소우드 및 애노우드 단자들이 각각 연결된다. 다이오드(D1)의 캐소우드 단자에는 제1 커패시터(C1)의 한 단자가 연결되고 그것의 다른 단자는 접지된다. 다이오드(D1)에 병렬로 그것의 애노우드 단자와 캐소우드 단자에 제2 커패시터(C2)의 양단자들이 각각 연결된다. 다이오드(D1)의 애노우드 전극 및 비교기(30)의 비반전 단자에는 출력전압의 가변이 가능한 전압 공급부(20)의 부전극 및 정전극이 각각 연결된다. 비교기(30)의 반전 단자와 출력 단자는 제1 커패시터(C1)와 세류 충전 모드변환단(4)에 각각 연결된다.

다음에는 위와 같은 구성을 갖는 본 실시예의 작용에 대해 상세히 설명해 나가도록 하겠는데, 본 실시예의 작용을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위해, 배터리 전압에 따른 본 실시예의 충전 모드 변환 회로의 출력전압의 과형을 보이는 제3도를 참조하면서 회로의 동작을 구간별로 나누어 상세히 설명하도록 하였다.

제2도 및 제3도를 참조하여, 먼저, 구간 t0≤tt1에서는, 다이오드(D1)가 도통(turn-on)된다. 따라서 연산 증폭기(10)의 바이어스 전류 I1과, 다이오드(D1)를 통하여 흐르는 전류 I2, 비교기(30)의 바이어스 전류 I4, 및 제1 커패시터(C1)에 충전되는 전류 I5가 흐르게 되는데, I5는 다음과 같은 식들로 표시될 수 있다.

(여기서, dV_batt= V_batt(t1)-V_batt(t0), dt = t1-t0)

다음, 시점 t=t1에서는, 제1 커패서터(C1)가 완전충전되는데, 이때에는 Vb = Vc = V_batt가 되므로 다이오드(D1)는 부도통(turn-off)된다.

구간 t＜tt2에서는, 제1 커패시터(C1)의 방전이 시작되며, 제1 커패시터(C1)의 방전 전류 I5'가 흐르게 됨과 동시에 전류 I3가 제2 커패시터(C2)로 흐르게 된다. 이때의 전류 I3와 I5'는 다음의 식들 (1), (2)로 표시될 수 있다.

(여기서, dV_batt= V_batt(t1)-V_batt(t2) = △V, dt = t2 - t1 = △t)

또한, Vc는 다음의 식(3)과 같다.

(여기서, V_C2는 제2 커패시터 C2의 전압.)

시점 t1이후에, Vb는 배터리 전압(V_batt)이고, 제2 커패시터(C2)에 의한 강하 전압 V_C2는 다음의 식(4)와 같으므로,

결국, 배터리가 완전충전되는 시점 t1 이후에는, Vc는 Vb보다 작아지게 된다.

한편, 비교기(30)는 Vb = Vd인 지의 여부를 비교하여, 그 결과에 대응되는 전기적인 신호(Vout)를 세류 충전 모드 변환단(40)으로 제공하는 데, Vd는 다음의 식(5)와 같이 표시될 수 있다.

(여기서, V_offset는 출력 전압의 가변이 가능한 전압 공급부(20)로 부터 비교기(40)로 제공되는 오프셋 전압.)

앞의 식(5)에 식(3)을 대입하면, Vd는 다음의 식(6)으로 표시된다.

위의 식(5)에서, Vd = Vb로 두면(즉, 비교기 20의 두 입력을 동일하게 설정하면), 결국, V_offset은 다음의 식(7)과 같이 된다.

앞의 식(2)에서, dV_batt(즉, △V)와 dt(즉, △t)를 결정해 주면, 제1 커패시터(C1)로부터의 방전 전류 I5'을 얻을 수 있게 된다. I5'이 얻어지면, 식(1)로부터 I3이 결정된다. 이와 같이 I3이 얻어지면, 식(4)로부터 V_C2를 얻을 수 있다. 따라서, 전압 공급부(20)의 출력 전압(V_offset)을 V_C2로 조정할 수 있게 된다. 이와 같이 V_offset을 V_C2로 조정해 두면, 쾌속 충전시 완전충전된 배터리의 자연 방전으로 인해 배터리 전압이 V_batt에서 △V만큼 감소될 때 비교기(30)는 세류 충전 모드 변환단(40)을 제어하여 배터리의 충전 모드가 쾌속 충전 모드에서 세류 충전 모드로 변환되게 한다.

한편, 제1 커패시터(C1)의 방전 전류(I5')는 제2 커패시터(C2)의 충전 전류(I3)와 동일하므로, 앞의 식(4)는 다음의 식(8)로 표시될 수 있다.

위의 식(8)에 앞의 식(2)를 대입하면,

이 된다.

따라서,이 성립되므로, V_offset을 가변시킴으로써, △V를 결정할 수 있게 된다.

이는 V_offset을 가변하면 배터리의 충전 모드를 변환하는 것이 가능하다는 것을 뜻한다.

제3도를 참조하여, 구간 t0≤tt1에서는 배터리 전압(V_batt)이 증가하고, t=t1의 시점에 이르러 배터리는 완전충전되고, Vb = Vc = V_batt가 된다. 시점 t1에서의 Vc는 V_batt가 된다. 구간 tt1에서는 Vb는 V_batt을 유지하는 반면, Vc는 제2 커패시터(C2)의 전압 V_C2만큼 감소된다.

따라서, 그 감소량만큼 전압 공급부(20)의 오프셋 전압(Voffset)을 미리 설정해주면, 구간 t0≤tt2에서, Vd(= Vc + V_offset)는 Vb(= V_batt)보다 크게 된다. 따라서, 이때(VdVb)에서는, 비교기(30)가 '하이 레벨(high level)'의 출력 신호(Vout)를 세류 충전 모드 변환단(40)으로 제공하여 배터리의 쾌속 충전 모드를 유지시킨다. 그러나, 위와 같이 V_offset이 V_C2로 설정된 상태에서, 시점 t=t2에 이르면, 쾌속 충전 중의 배터리의 전압(V_batt)이 △V 만큼 떨어지게 되는 데, 이때에는 연산 증폭기(10)의 출력 특성에 따라서 Vb가 Vd보다 높아지게 되므로, 비교기(30)는 '로우 레벨(low level)'의 출력 신호(Vout)를 세류 충전 모드 변환단(40)으로 제공함으로써, 배터리의 충전 모드가 쾌속 충전 모드로부터 세류 충전 모드로 변환된다.

Claims (2)

1. 배터리 전압(V_batt)이 인가되는 비반전 입력 단자를 갖고, 상기 배터리 전압의 감소가 시작될 때 상기 배터리 전압의 감소율에 비해 상대적으로 더 높은 감소율을 갖는 출력 신호(Vout)를 제공하는 연산 증폭기와; 상기 연산 증폭기의 반전 입력 단자에 제1 단자가 연결되고 상기 연산 증폭기의 출력 단자에 제2 단자가 연결되며, 상기 연산 증폭기의 상기 출력 단자 및 상기 반전 입력 단자의 전압 크기에 따라서 온/오프되는 스위치 수단과; 상기 스위치 수단의 상기 제1 단자에 두 전극들 중 제1 전극이 연결되고 제2 전극이 접지되는 제1 커패시터와; 정 및 부전극들을 갖되, 상기 부전극은 상기 다이오드의 상기 애노우드 전극에 연결되며, 가변 가능한 출력 전압을 갖는 전압 공급부와; 상기 스위치 수단에 병렬로 연결되되, 두 전극들 중 제1 전극이 상기 상기 스위치 수단의 상기 제1 단자와 연결되고 제2 전극이 상기 스위치 수단의 상기 제2 단자와 연결되는 제2 커패시터와; 상기 전압 공급부의 상기 정전극에 연결되는, 비반전 입력 단자와 상기 제1 커패시터의 상기 제1 전극에 연결되는 반전 입력 단자 및 세류 충전 모드 변환단에 연결되는 출력 단자를 갖는 비교기를 포함하는 충전 가능한 배터리의 충전 모드 변환 회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 스위치 수단은 다이오드를 포함하는 충전 가능한 배터리의 충전 모드 변환 회로.