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KR100339109B1 - 전원 회로 및 휴대 전자 장치 - Google Patents

전원 회로 및 휴대 전자 장치 Download PDF

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KR100339109B1
KR100339109B1 KR1019980025319A KR19980025319A KR100339109B1 KR 100339109 B1 KR100339109 B1 KR 100339109B1 KR 1019980025319 A KR1019980025319 A KR 1019980025319A KR 19980025319 A KR19980025319 A KR 19980025319A KR 100339109 B1 KR100339109 B1 KR 100339109B1
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power source
circuit
load
main power
power supply
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도시히코 니시야마
고우지 사카타
준코 구리하라
가쿠 하라다
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닛본 덴기 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 전원 장치는, 예를 들면, HDD(Hard Disk Drive), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory) 드라이브, 플로피 디스크 드라이브 또는 이와 유사한 모터 구동 장치에 접속된 전기 2중층 캐패시터와, 예를 들면, 무선 송신기에 포함된 펄스 발생 소자에 접속된 다른 전기 2중층 캐패시터를 포함한다. 이 캐패시터들은 각각 그 장치가 동작하는 동안 그 연관된 장치의 부하가 급격히 변할 때, 전력을 공급한다. 이것은 주 전원이 그러한 전력을 공급할 필요가 없게 한다. 적층 폴리머 전지는 저전압 IC(집적 회로)에 접속되어, 이것에 전력을 공급한다. 이것은 또한 주 전원이 저전압 IC에 전력을 공급할 필요가 없게 하고, 짧은 급전선(feed line)으로 적층 폴리머 전지와 IC를 접속하도록 한다. 짧은 급전선은 IC로의 노이즈 전송을 감소시키므로 노이즈로 인한 오동작을 감소시킨다.

Description

전원 회로 및 휴대 전자 장치
본 발명은 주 전원 및 복수의 보조 전원들로 구성된 전자 장치용의 전원 회로에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 전자 장치에 순간적인 부하 변동이 발생하거나, 주 전원의 효율이 현저하게 저하되는 경우에 전력을 보증할 수 있는 전원 회로에 관한 것이다.
퍼스널 컴퓨터 또는 유사한 전자 장치는 그 장치의 동작 상태에 따라서, 여러 종류의 부하 변동이 발생한다. 예를 들면, HDD(Hard Disc Drive), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory) 드라이브 또는 이와 유사한 모터 구동 장치에 엑세스하는 경우에는 급속한 전류 부하가 발생한다. 이러한 정상 부하를 상회하는 전류 부하에 대처하기 위해서, 전원 회로에는 이 예상되는 최대 전류 부하를 처리할 수 있는 용량이 제공되어야 한다. 한편, 전자 장치는 때로는 비교적 적은 전류만을 필요로 하는 모드에서 구동된다. 예를 들면, 퍼스널 컴퓨터에서 사용되는 스톱 클록(stop clock) 기능이 활성화되거나 또는 비디오 테이프 레코더 또는 텔레비젼(TV) 수신기가 대기(stand-by) 상태에 있을 때, 설계된 전원의 최대 용량의 약 1/100인 전력만으로 족하다. 그러므로, 전원 회로는 또한 이러한 낮은 전류부하에도 대처해야 한다.
상술한 종래의 전원 회로는 부하 변동과 관련하여 다음과 같이 해결하지 못한 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 최대 순간 전류 부하를 처리하기 위해 설계된 전원 회로는 규모가 커지고, 장치 전체의 크기가 커지고 비용을 증가시킨다. 이러한 문제는 휴대 전화 또는 유사한 휴대 장치에 있어서 특히 심각해진다. 전원이 전지에 의해 구현될 경우, 전지는 상술한 부하 변동까지도 처리해야 한다. 이것은 전지의 부하를 증가시키고, 이에 의해 전지의 수명, 즉 전지에 의해 전력이 공급되는 장치의 동작 시간을 감소시킨다.
다른 문제점은 펄스들을 발진하는 유형의 장치는 전지의 전압을 급격히 강하시킨다는 것이다. 상세하게, 높은 내부 임피던스를 가진 2차 전지에 의해 전력이 공급되는 휴대용 장치가 큰 전류 펄스들을 연속적으로 발진한다고 가정해보자. 그러면, 전지는 그 내부에 저장된 전기의 양이 모두 소모되기 전에 그것의 종료 전압에 이르게 된다. 그 결과, 장치의 연속적인 동작 시간은 감소된다. 이 문제점에 대해서는 후에 더욱 상세히 설명한다.
다른 문제점은 주어진 전원 용량에 대하여 부하 변동이 적은 경우, 효율적인 전력 변환이 이루어질 수 없다는 것이다. 따라서, 소요 전류보다 훨씬 더 큰 전력이 단순히 열로서 방출되어, 대단히 낮은 에너지 변환 효율의 결과로 된다. 에를 들어 비디오 테이프 레코더가 그 최대 전원 용량이 80W이고, 대기 상태에서 0.1W의 전력을 소모한다고 가정해보자. 그러면, 전원은 약 10%까지만 낮아질 수 있기 때문에 9.1W의 전력이 열로서 낭비되어, 상당한 정도로 에너지의 효율적인 사용을 방해한다.
일본 특허 공개 공보 제 7-225380 호 및 제 3-226029호에는 단일 전자 장치에 복수의 전원들을 배치한 것이 개시되어 있다. 일반적으로, LCD(liquid Crystal Display) 모듈이 휴대용 장치에 의해 구동될 때, 종래의 전지는 작은 용량 때문에 백라이트(backlight)를 켤 수 없다. 상기 공개 공보 제 7-225380호에 개시된 바에의하면, 태양 전지가 2차 전지 뒤편에 위치되어 있어서 태양 전지에 의해 발생된 전력으로 2차 전지를 충전한다. 2차 전지와 태양 전지를 조합하면, 총 전력량을 증가시킬 수 있고, 휴대 장치의 백라이트를 점등할 수 있다. 그러나, 이러한 조합은 부하 변동을 처리할 수 있는 전원 및 전지들의 분산 배치로 이룰 수 있는 에너지의 효율적인 사용에 직결되는 것은 아니다. 일본 특허 공개 공보 제3-226029호는 무선부에 할당된 전원에 부가하여 2차 전지를 포함하는 무선 호출기(radio pager)를 제공한다. 이러한 2차 전지는 바이브레이터(vibrator), 스키퍼 또는 이와 유사한 경보 수단을 구동하는데 사용된다. 이러한 구성에 의해, 경보 수단에 의해 발생되고 무선부의 전원에 이르기 쉬운 노이즈에 기인한 감도의 열화를 줄일 수 있다. 그러나, 이러한 구성은 노이즈가 전원에 들어가지 않도록 노이즈를 발생하는 회로와 전원을 단순히 분리한 것일 뿐이며 전술한 에너지의 효율적인 사용과 직결되는 것은 아니다.
예를 들어 태양광 또는 풍력을 이용하는 발전 시스템에 있어서는, 이들에 의해 발생된 전력은 일정하지 않고 시간의 경과에 따라서 흔히 변한다. 일본 특허 공개 공보 제3-22829호 및 제5-328633호는 각각, 예를 들어 2차 전지 또는 상업적으로 사용할 수 있는 전원을 전술한 전력 발생 시스템과 조합하여 사용하는 것에 대하여 제안하고 있다. 그러나, 이러한 제안은 단순히 공급측의 전력 변동을 고르게 하는 것이며, 수요측에서 발생하는 부하 변동에 대처할 수는 없다. 일본 특허 공개 공보 제 6-150951호에서는, 예를 들면, 효율적으로 전력을 발생시키면서 부하의 급격한 증가를 포함하는 부하 변동을 흡수하기 위해, 연료 전지 및 발전용 가스엔진이 조합되는 것을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 제안의 애플리케이션은 가정 및 건물에 한정된다. 구성상의 이유와 이러한 장치가 마이크로초 내지 밀리초 정도의 응답 시간을 필요로 하기 때문에, 개인용 컴퓨터 또는 유사한 전자 장치, 특히 휴대형 전자 장치에 가스 터빈을 적용하는 것은 곤란하다.
더욱이, 종래의 전원 회로는 노이즈 문제를 갖는다. 회로 또는 시스템으로부터 유도된 노이즈가 어떻게 경감되어야 하는지는 설계 관점에서의 긴급한 해결책을 필요로 하는 문제들 중 하나이다. 오늘날, 여러 종류의 회로, 예를 들어, 통신 및 계산용 회로들은 여러 방식으로 동작하며 상호간에 근접하게 배치되고, 종종 간섭하여 동작된다. 이것은 소형화 및 다기능 장치로의 현재의 추세, 즉, 회로 디바이스의 밀집된 장착 및 낮은 구동 전압으로 더욱 악화되고 있다. 이 밀집된 장착은 간섭의 기능성을 증가시키고, 낮은 구동 전압은 IC들(집적 회로들)의 임계 전압을 감소시킨다. 따라서, 장치는 작은 노이즈에 의해서 조차도 오동작이 일어난다. 일반적으로, 노이즈 경로는, 예컨대, Henry W. Ott에 의해 쓰여진, "전자 시스템에서의 노이즈 감소 기술"의 제 2판, 18-19페이지에 설명된 바와 같이, 노이즈 소스와, 이 노이즈 소스로부터 출력된 노이즈를 전송하는 결합 채널, 및 노이즈에 응답하는 회로, 즉 리셉터(receptor)를 포함한다. 노이즈 소스 및 리셉터에 적용할 수 있는 방법이 거의 없기 때문에, 노이즈에 대하여 결합 채널을 개발하는 것이 일반적이다. 도체들은 회로에 노이즈를 전달하는 가장 명백하지만 간과되는 성분이다. 노이즈를 포함하는 환경에서 놓여진 도체는 노이즈를 픽업하여, 다른 회로에 노이즈를 전달한다. 특히, 전원으로부터 연장된 급전선(feed line)은, 전원이 장치내의 특정위치에 위치되기 때문에, 주어진 회로 장치에 소정의 길이 이상으로 제공될 수 없다.
본 발명에 관련된 기술들은 또한 예를 들어 일본 특허 공개 공보 번호 제 55-133768호, 55-133772호, 63-25984호, 63-36319호, 및 8-308104호에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 작은 크기 및 가벼운 중량 구조의 전자 장치를 촉진하고 장치의 연속적인 동작 시간을 증가시키기 위해, 주 전원과 다수의 보조 전원을 포함하여, 전원들과 함께 이용할 수 있는 전기 에너지의 효율적인 사용을 증대시킬 수 있는 전원 회로를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 급전선을 통한 회로 장치에 노이즈의 연결을 최소화하여 전자 장치의 신뢰성을 향상시키고 전력의 절약을 증대시킬 수 있는 전원 회로를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 전자 장치용의 전원 회로는 주 전원과, 부하의 순간적인 변동이 전자 장치에서 발생할 때, 부하의 순간적인 변동에 필요한 전력을 공급하기 위한 다수의 배치된 보조 전원을 포함한다. 보조 전원들은 각각 전기 2중층 커패시터 또는 유사한 전자화학적 커패시터 및, 도전성 폴리머로 형성된 양극 및 음극을 갖는 2차 전지 중 하나에 의해 구현된다.
또, 본 발명에 따르면, 전자 장치용의 전원 회로는 주 전원 및, 상기 전원의 효율성을 눈에 띄게 강하시키는 작은 전력을 각각 소모하는 장치들의 주변에 배치된 다수의 보조 전원을 갖는다. 보조 전원은 각각 도전성 폴리머로 형성된 양극 및 음극을 갖는 2차 전지에 의해 구현된다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 통화 모드와 대기 모드간에서 휴대형 전화의 구동 전류가 어떻게 변화하는지 도시한 도면.
도 2는 리튬 이온 전지의 단자 전압이 시간 경과에 따라 어떻게 변화하는지 도시한 도면.
도 3은 스위칭 전원으로 사용 가능한 전원의 효율성을 도시한 도면.
도 4는 급전선(feed line)의 길이와 잔류 리플 전류간의 관계를 도시한 도면.
도 5는 본 발명을 구현하는 전원 회로를 개략적으로 도시하는 블록도.
도 6은 도 5의 실시예로 실현가능한 부하 할당을 도시한 도면.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 특정한 대안의 실시예를 각각 도시하는 개략적인 블록도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
5a : 출력 단자 11 : 프린터 헤드
13 : RF 모듈 15 : 광 수신부
바람직한 실시예들의 설명
본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 상술된 펄스 발진에 기인하는 전지의 급격한 전압 강하가 도 1 및 도 2를 참조하여 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 리튬 이온 전지 또는 2차 전지로 전원으로 이용하는 휴대 전화에서, 통화 모드 및 대기(stand-by) 모드에서 소모하는 전류를 도시한다. 도 2는 시간 경과에 따라 발생하는 리튬 이온 전지의 단자 전압의 변화를 도시한다. 도시한 바와 같이, 통화중에, 전지의 기전력은 전지의 내부 임피던스에 의해 급격히 강하, 즉, 약 1V 강하한다(IR 강하). 전압 강하 △V는,
△V = I × R
로서 표시되고, 여기서 I 및 R은 각각 펄스 전류(A)와 전지의 내부 임피던스(Ω)를 나타낸다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 전지의 내부 임피던스는 약 100mΩ이지만, 펄스 발진(대화)시의 펄스 전류는 10A이므로, 전압 강하 △V는 1V(10×0.1=1)이다.
연속하여 펄스들을 발진하는 휴대 전화에서, 전지 전압은 내부 임피던스로 인한 전압 강하 △V로부터 회복되지 않고 조금씩 강하된다. 일반적으로, 리듐 이온전지는 약 3.2V인 선택된 종료 전압(end voltage)을 갖고, 종료 전압을 초과하는 방전은 양극 활성 재료의 구조를 비가역적으로 변화시키고, 이에 의해 전지의 충전 및 방전 특성을 현저히 열화시킨다. 도 2에 도시된 바와 같이, 통화는 리듐 이온 전지가 상술한 종료 전압에 도달하는 시간(종료 시간)까지만 게속할 수 있다. 펄스 발진이 종료하면, 예를 들면, 휴대용 전화기가 대기 모드로 될 때, 소비 전류는 도 1에 도시된 바와 같이, 당연히 약 0.1A로 떨어진다. 그 결과, 내부 임피던스에 기인한 전압 강하 △V는 약 0.1V로 감소하고, 전지 전압을 통화 레벨까지 복귀하도록 한다. 이러한 방식으로, 높은 내부 임피던스를 갖는 2차 전지에 의해 전원이 공급된 휴대 전화가 큰 전류 형태의 펄스들을 연속해서 발진하는 경우, 그 전지는 그 내부에 축적된 전기를 모두 사용하지 않고 종료 전압에 도달한다. 이는 휴대 전화의 연속 동작 시간을 감소시킨다.
도 3은 스위칭 전원의 부하 전류와 연관된 에너지 변환 효율을 나타내는 곡선을 도시한다. 이 곡선은, 주어진 전원 용량에 대해 부하의 변동이 작을 경우, 효율적인 용량 변환이 이루어질 수 없기 때문에, 필요한 전류보다 훨씬 많은 전력이 열로서 간단히 소모된다는 사실을 나타낸다. 그 결과, 에너지 변환 효율은 현저하게 떨어진다. 도 4는 급전선(feed line)의 길이와 잔류 리플 전류(ripple current)간의 관계를 도시하고, 이는 상술한 노이즈 문제를 말하는 것이다.
본 발명에 따라서, 분선 전원 회로는 전기 2중층 커패시터와 적층 폴리머 전지(laminate polymer battery)를 포함한다. 전기 2중층 캐패시터는, HDD, CD-ROM 드라이브, 플로피 디스크 드라이브, 또는 유사한 모터 구동 장치, 또는 예컨대 무선 송신기에 포함되는 펄스 발생 디바이스에 접속되어, 동작의 개시시의 급격한 부하 또는 연속하게 출력되는 전류 펄스들을 충족하기 위한 전력을 공급한다. 적층 폴리머 전지는 가정용 TV 수신기의 원격 제어 회로에 포함된 적외선 수신부 등에 접속되거나, DRAM(dynamic random access memory) 또는 유사한 저전압 IC의 근방에 위치하여, 그 전지로부터 이들 소자에 짧은 급전선을 통해 전력이 공급될 수 있다.
전기 2중층 커패시터는 도전성 고무나 유사한 집전체(current collecting body)상에 위치하며 활성 탄소로 형성된 2개의 전극들을 포함하는 단위 소자를 갖는다. 그 2개의 전극들은 이온 투과막을 통해 서로 마주보고 있다. 전해액은, 예를 들면 술폰산 이온들 또는 유사한 전기 2중층 형성 이온들을 포함하는 희석된 술폰산에 의해 구현된다. 전기 2중층 커패시터는 활성 탄소상에 형성된 전기 2중층에 축적된 전하를 사용하므로, 다른 종류의 커패시터, 예를 들면 전해질 커패시터에서 사용할 수 있는 전하보다 많은 전하가 축적될 수 있고(수백 패럿에 이르기까지), 충전 및 방전의 회수가 물리적 전하 축적으로 인해 제한되지 않으며, 나노초 (nanosecond)정도의 신속한 충전 및 방전이 가능하다는 이점이 있다. 이 커패시터는 주 전원과 병렬로 접속되고, 부하 소스(load source)에 대하여 방전함과 동시에, 주 전원에 의해 순간적으로 충전된다.
적층 폴리머 전지는 Cu, Al 또는 유사한 집전체에 형성된 도전성 폴리머에 의해 구현되는 양극 활성 물질(positive pole active substance)과, Zn 또는 유사한 금속(리튬 금속 제외) 집전체 또는 Cu, Al 또는 유사한 집전체상에 형성된 도전성 폴리머에 의해 구현되는 음극 활성 물질을 포함하는 단위 소자를 갖는다. 2개의도전성 폴리머들은 이온 투과막을 통해 서로 마주보고 있다. 전해액으로는, 퍼클로 레이트(perchlolate)나 유사한 전해액 수용액, 또는, 폴리머 고체 전해액, 또는 겔 (gel)로 만들어진다. 주의할 점은 리튬 이온을 포함한 재료들은 지지 전해액으로 사용될 수 없다는 것이다.
2차 전지의 충전 및 방전 특성을 제한하는 주요 요인은 충전 및 방전 반응에 기인한 전극 물질의 비가역적 구조 변화이다. 예를 들면, 리튬 이온 전지의 충전 및 방전은, 양극 반응으로서 LiCoO2→ Li1-xCoO2+ Lix+ xe-로 진행한다. LiCoO2의 페로브스카이트 (perovskite) 구조는 리튬 이온(Li+)의 분리 및 침착에 의해 조금씩 파괴된다.
적층 폴리머 전지에서, 양극 및 음극의 반응은 도전성 폴리머상의 불순물의 분리 및 침착이나, 폴리머 불순물이나 도전성 폴리머의 술폰기(sulfone group)의 양성자들의 분리 및 침착에 기초하여 발생한다. 이런 유형의 전지는 긴 주기의 수명(1백만회까지)과, 리튬이나 리튬 이온들을 사용하지 않음으로 인한 안전성과, 간단한 케이스라는 특징을 갖는다. 또한, 이러한 특징들로 인해, 적층 폴리머 전지는 회로에 온-보드(on-board) 구성으로 장착이 가능하며 교환될 필요가 없다. 또한, 적층 폴리머 전지는 전해질로서 폴리머 고체 전해질이나 겔이 사용되는 경우에는 얇다.
구체적인 2차 전지의 구성은 예를 들면 "Journal of Power Sources, 47(1994), 89-107 페이지"에 개시되어 있다. 그 구체적인 구성은 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아닐린이나 이것들의 유도체를 활성 물질로서 각각 사용한다. 전원 회로 전체를 고려하면, 개별적인 디바이스에 요구되는 특성과는 별도로, 각각이 최대 성능을 연관된 장치에게 제공하도록, 주전원과 보조 전원들을 분산 배치하는 것이 필요하다.
본 발명에 따르면, 전기 2중층 캐패시터들 각각은 HDD, CD-ROM 드라이브, 플로피 디스크 드라이브나, 유사한 모터 구동 장치나 무선 송신기에 포함된 펄스 발생 디바이스에 접속되어 있다. 이 캐패시터들 각각은 연관된 장치의 부하가 장치의 동작 동안 급속하게 변화할 때에 전력을 공급한다. 이것은 주 전원이 그와 같은 전력을 공급하는 것을 불필요하게 한다. 적층 폴리머 전지는 저전압 IC에 접속되어, 이것에 전원을 공급한다. 이것은 또한 주 전원이 저전압 IC에 전원을 공급하는 것을 불필요하게 하고, 짧은 급전선이 적층 폴리머 전지와 IC를 접속할 수 있게 한다. 짧은 급전선은 IC에 대한 노이즈의 전파를 감소시켜, 노이즈에 기인하는 오동작을 감소시킨다.
도 5는 HDD나 급속한 전류 부하와 연속 펄스 전류를 필요로 하는 유사한 모터 구동 장치(1)와, 연속 펄스 전류 또는 펄스 발생 디바이스(3)와, 정상 부하 디바이스(6)와, 저레벨의 부하를 필요로 하는 저전압 IC(7)을 도시한다. 저전압 IC(7)는, 예를 들면, 대기 상태에서 점등하는 디스플레이 장치이거나 DRAM이다. 전기 2중층 캐패시터(2)는 모터 구동 유닛(1)과 펄스 발생 디바이스(3)에 각각 접속된다. 주 전원(5)은 캐패시터들(2)을 충전하기 위해, 즉 전하를 보충하기 위해 커패시터들(2)에 접속된다. 적층 폴리머 전지(4)는 짧은 급전선(8)에 의해 저전압IC(7)에 접속된다. 또한 주 전원(5)은 상세하게 도시되어 있지는 않지만 적층 폴리머 전지(4)에 접속된다.
주 전원(5)은 리튬 전지나, 니켈 금속 수소화물 전지 또는 유사한 2차 전지, 또는 상시 상용 전원에 접속되는 DC 전원의 어느 하나에 의해 구현될 수 있다. 적충 폴리머 전지(4)는 각각이 리튬 금속 대신에 도전성 폴리머로 형성된 양극 또는 음극을 갖는 단위 전지들의 스택(stack)으로서 구현된다. 이 구성으로, 전지(4)는 원하는 기전력을 발생한다. 주 전원(5)이 상용 전원에 접속되는 DC 전원인 경우에는, 전지(4)는 항상 충전될 것이다. 주 전원(5)용으로 2차 전지가 사용되는 경우에는, 전지(4)는 2차 전지가 재충전되는 시점에서 재충전될 것이다. 주 전원(5)이 2차 전지로 구현되는 경우, 주 전원(5)과 전지(4) 모두를 포함하는 분산형 전원은 주 전원(5) 단독의 경우 보다 더 높은 에너지 밀도를 실현한다. 주어진 총 에너지에 대해, 주 전원(5)을 구성하는 2차 전지는 크기에서 당연히 감소될 수 있다. 한편, 주 전원(5)용으로 2차 전지를 사용하는 경우, 전기 2중층 커패시터들(2) 각각은 2차 전지로 이용 가능한 밀도의 단지 1/100 정도의 축적 에너지 밀도를 갖는다. 따라서, 커패시터들(2)에 축적된 에너지는 총 축적 에너지에 거의 기여하지 않는다.
펄스 발생 소자(3)를 포함하는 전기 장치를 급속한 전류 부하를 필요로 하는 장치로서, DRAM을 저전압 IC(7)로서, 리튬 2차 전지를 주 전원(5)으로서 가정하자. 도 6은 그러한 장치의 부하 전류의 시간에 따른 변화와, 커패시터(2), 전지(4), 및 주전원인 리튬 이온 전지(5)에 대한 부하 분담의 관계를 도시하고 있다. 펄스 전류가 인가되는 경우, 커패시터(2)와 리튬 이온 전지(주 전원(5))는 그들간의 부하를 분담한다. 그 결과, 리튬 이온 전지는 단독으로 사용되는 때보다 더 작은 전류를 공급한다. 이는 내부 임피던스에 기인하는 전압 강하를 성공적으로 감소시키고, 전지가 종료 전압에 도달하는 시간을 연장한다. DRAM이나 일정한 부하 소스에 대해서, 전지(4)는 짧은 급전선(8)을 통해 전류를 공급하여 급전선(8)이 노이즈를 전달하는 것을 방지한다.
도 7을 참조하여 본 발명을 구현하는 전원 회로를 설명한다. 도시된 바와 같이, SW 전원(5)은 24V 내지 40V 출력 단자(5a)와 5V 출력 단자(5b)를 포함하며, 50V의 용량을 갖는다. 출력 단자(5a)는 4F/40V 전기 2중층 커패시터(2)를 통해 프린터 헤드(11)에 접속된다. 프린터 헤드(11)는 모터에 의해 구동된다. 출력 단자(5b)는 제어기(12)에 접속된다.
프린터 헤드(11)가 동작을 개시하도록 하기 위해, 전기 2중층 커패시터(2)의 대향 단자들간에 측정된, 40V 및 2 A, 즉 80 W의 전력이 공급된다. 상술한 전류의 약 60%가 커패시터(2)로부터 출력된 전류로 이용될 수 있다. 즉, 커패시터(2) 및 SW 전원(5)은 프린터 헤드(11)가 동작 개시할 때 각각 48W 및 32W를 부담한다. 커패시터(2)가 없다면, SW 전원(5)은 단독으로 80W를 부담하여, 80W의 용량이 필요하다. 그러나, 부하가 순간적으로 증가하는 경우, 커패시터(2)가 부하의 일부분을 부담한다면, 주 전원(5)의 부하는 현저하게 감소될 수 있다. 커패시터(2)가 완전히 방전될 때, SW 전원(5)에 의해 즉시 충전되고, 이에 의해 다음의 방전에 준비한다. 이러한 방식으로, 소요 전력의 순간적인 증가의 경우에 커패시터(2)가 전력을 공급하도록 함으로써, SW 전원(5)의 소요 용량을 감소시키고, 전원 회로를 소형화할 수 있다. 전원 회로의 소형화는 성공적으로 전체 장치의 크기 및 비용을 감소시킨다.
본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위해 도 8을 참조한다. 도시된 대와 같이, RF(무선 주파수) 모듈(13)은 리튬 2차 전지, 즉 주 전원(5)의 출력 단자에 접속된다. RF 모듈(13)은 모뎀을 구동하는데 사용된다. 2차 전지(5)는 4.2V의 기전력, 600mWh의 에너지 밀도, 300mΩ의 내부 임피던스, 및 3.2V의 종료 전압을 갖는다. 전기 2중층 캐피시터(2)는 2차 전지(5)와 RF 모듈(13)간에 접속되고, 1F의 용량 및 150mΩ의 내부 임피던스를 갖는다. RF 모듈(13)의 발진 구동 시작시에 어떻게 2차 전지(5) 및 커패시터(2)가 전류 부하를 분담하는 것인가는, 전지(5)의 대향단자들과 커패시터(2)의 대향 단자들간에 흐르는 전류로 결정된다. RF 모듈(13)의 요구되는 피크 전압인 전체 6A 중 2A및 4A는 각각 2차 전지(5)와 캐패시터(2)로부터 방전된다는 것을 측정치가 나타낸다. 예를 들어, 캐패시터(2)에 분담된 전류는 다음과 같이 표현된다. 즉,
I(w)=I(sum) x R(Li)/[R(Li) + R(w)]
여기서, I 및 R은 각각 전류 및 임피던스를 나타내고, ( )안의 w, Li 및 sum은 각각 캐패시터(2), 전지(5), 및 합계을 의미한다.
2차 전지(5)의 단자 전압의 시간 경과에 따른 변화는 다음과 같다. RF 모듈 (13)이 펄스 발진을 시작할 때, 단자 전압은 전지(5)의 내부 임피던스로 인해 즉시 강하한다. 하강된 전압은 RF 모듈(13)이 발진을 중단할 때까지, 상승이 회복되지 않는다. 예시적인 실시예에서, 내부 임피던스에 기인한 전압 강하는, 2(A) x 300(mΩ)=0.6V 만큼 생긴다.
상술한 전압 강하는, 6(A) x 300(mΩ)=1.8 V로 표현되는, 커패시터(2)가 없을 때 측정된 전압 강하보다 훨씬 작은 것이다.
상술한 바와 같이, 커패시터(2) 및 2차 전지(5)에 대한 부하의 할당은 2차 전지(5)의 내부 임피던스에 기인한 전압 강하를 감소시키는데 성공적이다. 따라서, 2차 전지(5)가 그것의 종료 전압에 도달할 때의 시간은 연장된다.
도 9는 본 발명의 다른 대안의 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, SW 전원(5)은 40V 내지 80V의 출력 단자(5d) 및 5V출력 단자(5e)를 포함한다. 출력 단자(5e)는 충전 회로(14) 및 적층 폴리머 전지(4)를 통해 광 수신부(15)에 접속된다. 광 수신부(15)는, 예컨대 TV 수신기에 포함되고, 예를 들면 수신기가 대기 상태에 있을 동안에, 원격 제어기(도시안됨)로부터 적외선 신호를 수신한다. 광 수신부(15)는, 수신기가 원격 제어기로부터 턴온될 수 있도록, 예컨대 TV 수신기가 사용되지 않을 때에도 주 전원으로부터 전력을 계속 수신한다. SW 전원은 최대 용량의 약 10%까지 변화된 용량을 가질 수 있는 반면에, 광 부신부(15)는 소량의 전략만을 필요로 한다. 도 3은 SW 전원(5)의 전원 효율성을 나타내는 곡선을 도시한 것이다.
예시적인 실시예에서와 같이, 소요 전력이 0,3 W이고, SW 전원(5)의 최소 가변 전력은 8W이라고 가정하자. 그러면, 7.7W(8-0.3=7.7)의 전력은 단순히 열 에너지로서 소모된다. 만일, 광 수신부(15)가 적층 폴리머 전지(4)에 의해 전력 공급된다면, 쓸데 없는 에너지 손실은 방지될 수 있다. 이 실시예에서, 사이클 수명 관점에서 적층 폴리머 전지를 다른 종류의 2차 전지로 대체하는 것은 바람직하지 않다. 구체적으로, 가정용 TV수신기가 적어도 하루에 2번 ON/OFF되는 것으로 가정하자. 그러면, 수신기는 3년내에 최소한 2,400회정도 반복적으로 충전 및 방전된다. 적층 폴리머 전지이외의 2차 전지들은 이러한 충전 및 방전 횟수를 견딜 수 없다.
기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본원에서 개시한 가르침을 수용한 후에 각종 변형예들을 만들 수 있다.
요약하면, 본 발명은 후술된 대로 여러 장점을 갖는 전원 회로를 제공한다.
(1) 전기 2중층 캐패시터는 순간적인 큰 전류에 대처하고, 전원은 일정한 출력에 대해서만 설계되도록 허용한다. 따라서, 회로는 전원의 요구되는 용량을 감소시키고, 이에 의해 회로가 포함된 전체 장치의 크기 및 비용을 감소시킨다.
(2) 큰 용량은 갖는 전기 2중층 캐패시터는 전지의 내부 저항에 기인한 전압 강하를 감소시키도록 펄스 전류의 일부를 부담한다. 이것은 연속적으로 펄스를 출력하는 종류의 장치에 실장되었을때 전지의 수명을 연장시킨다.
(3) 낮은 레벨의 요구 전류의 공급은 적층 폴리머 전지에 할당되어, 전원의 에너지 효율이 상술한 요구 전류에 의해 하강되지 않게 한다.
(4) 적층 폴리머 전지는 회로 디바이스의 부근에 위치되며 짧은 급전선에 의해 회로 디바이스에 접속된다. 이것은 낮은 전압에 의해 구동되는 장치에 특유한 노이즈에 기인하는 오동작을 방지한다.

Claims (11)

  1. 전원 회로에 있어서,
    주 전원과,
    제 1 회로의 부하에 변동이 발생할 때 결과로서 나타나는 제 1 부하 요구들(load reuirements)을 갖는 상기 제 1 회로에 전력을 공급하는 제 1 보조 전원과,
    제 2 부하 요구들을 갖는 제 2 회로에 전력을 공급하는 제 2 보조 전원으로서, 상기 제 2 부하 요구들은 상기 제 1 부하 요구들 보다 더 적은, 상기 제 2 보조 전원을 포함하고,
    상기 제 1 보조 전원은 상기 주 전원과 병렬로 접속된 전기 2중층 커패시터를 포함하고, 상기 전기 2중층 커패시터는 상기 전기 2중층 커패시터와 상기 주 전원간에 상기 제 1 회로의 전류 부하를 분담하고,
    상기 제 2 보조 전원은 상기 주 전원에 접속되어 있고, 도전성 폴리머로 형성된 양극 및 음극 중 하나를 갖는 전지를 포함하는, 전원 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전지의 상기 도전성 폴리머는 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜으로 구성된 그룹으로부터 선택된 양극 또는 음극의 활성 물질을 포함하는, 전원 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 2중층 커패시터와 상기 주 전원간에 상기 제 1 회로의 전류 부하를 분담하는 상기 전기 2중층 커패시터의 결과로서, 상기 주 전원의 최대 용량 요구들은 상기 전원의 회로의 크기를 감소하기에 충분한 양만큼 감소되는, 전원회로,
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 전원은 상기 제 2 회로의 상기 제 2 부하 요구들보다 상당히 더 큰 최소 출력 전력 용량을 가지며, 상기 폴리머 전지는 상기 주 전원이 상기 제 2 회로에 전력을 공급하는 것을 방지하여 상기 주 전원의 에너지가 상기 주 전원의 상기 최소 출력 전력 용량과 상기 제 2 회로의 상기 제 2 부하 요구들간의 차이 (disparity)의 결과로서 소실되지 않도록 하는, 전원 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 2중층 커패시터는 상기 제 1 회로에 전력을 공급하고, 동시에 상기 주 전원은 상기 전기 2중층 커패시터를 충전하는, 전원회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 보조 전원은 상기 제 2 회로로부터 전달되는 노이즈를 감소시키기에 충분히 짧은 길이의 급전선(feed line)에 의해 상기 제 2 회로에 접속되는, 전원 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 주 전원은 상기 제 1 및 제 2 부하 요구들과는 상이한 제 3 부하 요구들을 갖는 적어도 제 3 회로에 전력을 직접 공급하는, 전원 회로.
  8. 전원 회로에 있어서,
    주 전원과,
    보조 전원과,
    상기 주 전원에 병렬로 접속된 복수의 부하들을 포함하고,
    상기 복수의 부하들 중 적어도 하나는 급속히 변화하고,
    상기 보조 전원은 상기 주전원에 병렬로 접속된 복수의 보조 전원들을 포함하며, 각각은 특정 부하에 할당되어 있고,
    상기 주 전원 및 상기 복수의 보조 전원들 각각은 변화하는 부하 전류의 일부를 부담하는, 전원 회로.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 보조 전원들 중 제 1 보조 전원은 제 1 회로의 부하의 변동이 발생할 때 결과로서 나타나는 제 1 부하 요구들을 갖는 상기 제 1 회로에 전력을 공급하고,
    상기 보조 전원들 중 제 2 보조 전원은 제 2 부하 요구들을 갖는 제 2 회로에 전력을 공급하며, 상기 제 2 부하 요구들은 상기 제 1 부하 요구들 보다 작은, 전원 회로.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 보조 전원은 상기 주 전원과 병렬로 접속된 전기 2중층 커패시터를 포함하고, 상기 전기 2중층 커패시터는 상기 전기 2중층 커패시터와 상기 주 전원간에 상기 제 1 회로의 전류 부하를 분담하고,
    상기 제 2 보조 전원은 상기 주 전원에 접속되어 있고, 도전성 폴리머로 형성된 양극 및 음극 중 하나를 갖는 전지를 포함하는, 전원 회로.
  11. 휴대 전자 장치로서,
    복수의 부하들과,
    전원 회로로서,
    (a) 주 전원과,
    (b) 보조 전원을 포함하는, 상기 전원 회로를 포함하고,
    상기 복수의 부하들은 상기 주 전원에 병렬로 접속된, 상기 휴대 전자 장치에 있어서,
    상기 복수의 부하들 중 적어도 하나는 급속하게 변화하고,
    상기 보조 전원은 상기 주 전원에 병렬로 접속된 복수의 보조 전원들을 포함하며, 각각은 특정 부하에 할당되어 있고,
    상기 주 전원 및 상기 복수의 보조 전원들 각각은 변화하는 부하 전류의 일부를 부담하는, 휴대 전자 장치.
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