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KR101052582B1 - 전원 공급 장치 회로 및 그 동작 방법 - Google Patents

전원 공급 장치 회로 및 그 동작 방법 Download PDF

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KR101052582B1
KR101052582B1 KR1020057015376A KR20057015376A KR101052582B1 KR 101052582 B1 KR101052582 B1 KR 101052582B1 KR 1020057015376 A KR1020057015376 A KR 1020057015376A KR 20057015376 A KR20057015376 A KR 20057015376A KR 101052582 B1 KR101052582 B1 KR 101052582B1
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KR
South Korea
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battery
power
charge controller
portable device
battery charge
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두산 베셀릭
마틴 지 에이 거쓰리
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리서치 인 모션 리미티드
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Priority claimed from CA002419488A external-priority patent/CA2419488C/en
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Abstract

재충전가능 배터리(24)에 연결된 출력을 갖는 반도체 스위치(Q1), 외부 전원으로부터 전력을 받고 출력 전력을 휴대용 장치(18) 및 상기 반도체 스위치의 입력에 공급하는 배터리 충전 제어기(20)로서 이 배터리 충전 제어기의 전류 출력은 제어가능한 것인 배터리 충전 제어기, 및 상기 배터리 충전 제어기 양단의 전압 강하를 측정하고, 상기 배터리 충전 제어기 양단의 상기 전압 강하에 응답하여 상기 전압 강하가 너무 큰 경우 상기 재충전가능 배터리에 공급되는 전류량을 감소시키기 위해 상기 반도체 스위치를 조절하는 전압 감지 회로(30)를 포함하며, 그에 따라 상기 배터리 충전 제어기에 의해 소모되는 총전력이 제어되고, 상기 휴대용 장치는 그가 동작하는 데 필요한 전력을 받으며, 상기 재충전가능 배터리는 임의의 부가의 이용가능한 전력을 받는 것인 배터리 충전 회로가 제공된다.
배터리 충전 제어기, 전압 감지 회로, USB 포트, 전원 공급 장치

Description

전원 공급 장치 회로 및 그 동작 방법{CIRCUIT AND METHOD OF OPERATION FOR AN ELECTRICAL POWER SUPPLY}
본 발명은 일반적으로 배터리 충전기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 컴퓨터 데이터 버스의 내장 전원 노드(integral power node) 등의 제한된 용량의 전원을 비롯한 다양한 전원으로부터 휴대형 통신 장치 내의 배터리를 충전하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 한가지 이러한 컴퓨터 데이터 버스가 USB(유니버설 직렬 버스) 포트이다.
현재 컴퓨팅 및 정보 혁명으로, 셀룰러 전화, 개인 휴대 단말기(PDA), 디지털 페이저 및 무선 이메일 장치 등의 휴대용 전자 장치가 아주 보편화하고 있다. 이들 휴대용 장치는 일반적으로 배터리 충전기를 사용하여 외부 전원에 의해 주기적으로 재충전되어야만 하는 내장 배터리에 의해 전원을 공급받는다. 배터리 충전기는 일반적으로 표준 AC 전기 콘센트로부터 전원을 받아서 이 AC 전원을 배터리를 재충전하기 위한 낮은 DC 전압으로 변환한다.
이들 휴대용 장치의 배터리 충전기는 또한 일반적으로 "배터리 충전 제어기"를 이용하여 배터리의 충전을 관리한다. 이러한 배터리 충전 제어기는 다음과 같은 기능을 제공한다.
● 재충전가능 배터리에 맞게 전압 및 전류 레벨을 조정함.
● 휴대용 장치의 메인 프로세서에 상태 신호를 제공하거나 하나 이상의 상태 LED(발광 다이오드)를 작동함.
● 과전류(overcurrent), 저전압(undervoltage), 역극성(reverse polarity) 및 과열 보호 등의 보호 회로를 제공함, 및
● 충전 전원이 제거될 때 배터리 고갈(battery drain)을 최소화하기 위해 배터리 자체를 차단함.
예를 들어, 리튬 이온 배터리 팩은 완전 충전, 여러 번 충전 및 재충전, 그리고 안전하게 동작될 수 있도록 비교적 엄격한 알고리즘에 따라 충전되어야만 한다. 이 충전 알고리즘은 일반적으로 다음과 같이 진행된다.
1. 첫 번째 단계에서, 어떤 심각한 저전압(undervoltage) 또는 과방전(deep discharge) 조건이 해소된다. 이 사전 충전 단계 동안, 배터리 전압은 잔량이 낮은 상태 또는 잔량이 없는 상태(dead state)로부터 보통은 정규 충전 전류(regular charge current)의 1/10의 속도로 서서히 올라간다.
2. 그 다음에, 배터리 양단의 전압이 그의 설계 레벨(예를 들어, 4.2 VDC)에 도달할 때까지 배터리가 일정한 전류 레벨로 충전된다. 이때, 배터리는 전체 용량(full capacity)의 40 내지 70%에 있을 뿐이다.
3. 이어서, 배터리가 완전히 충전될 때까지 배터리의 충전은 일정한 전압 레벨(다시 말하면, 4.2 VDC)로 계속된다. 이 모드에서, 배터리에 의해 흐르게 되는 전류가 시간에 따라 떨어지게 된다. 충전 전류가 초기 충전 속도의 10%로 또는 배 터리 제조업자에 의해 정해진 어떤 다른 한계로 떨어질 때, 충전이 정지된다.
충전이 이때 정지되어야만 하는 이유는 리튬 배터리의 경우 트리클 충전(trickle charging)이 바람직하지 않기 때문이다. 즉, 과충전이 전지를 손상시키고 아마도 리튬 금속을 흡착(plate out)시켜 위험하게 된다.
그러므로 리튬 배터리는 거의 항상 그의 특정의 충전 파라미터에 맞게 설계된 배터리 충전 제어기와 함께 사용된다.
불행히도, 대부분의 배터리 충전 제어기는 그의 전류 수요 아래로 그다지 떨어지지 않는 안정된 전압을 갖는 고용량 전원 공급 장치로부터 인출(draw)하도록 설계되어 있다. 이것은 제한된 용량을 갖는 전원 공급 장치를 사용하려고 시도할 때 문제가 된다. USB(유니버설 직렬 버스) 버스 등의 어떤 컴퓨터 데이터 버스는 외부 장치에 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있지만 이러한 전원 공급 장치는 아주 편리한 반면 제한된 용량을 갖는다.
오늘날 이용가능한 대부분의 퍼스널 컴퓨터(PC) 및 랩톱 컴퓨터는 표준 구성요소로서 하나 이상의 USB를 구비하고 있다. USB 포트는 초당 12 메가비트 및 1.5 메가비트의 속도로 데이터 통신을 지원하고, PnP(플러그 앤 플레이) 설치 소프트웨어를 지원하며, 또 핫 플러깅(hot plugging)[즉, PC가 실행되고 있는 동안에 장치가 연결(connect)되고 분리(disconnect)될 수 있음]을 지원하도록 설계되어 있다. 따라서, USB 포트는 종종 키보드, 마우스, 게임 콘트롤러, 프린터 및 스캐너를 PC에 연결시키는 인터페이스로서 사용된다.
또한, USB 포트는 연결된 외부 장치에 제한된 전력을 공급하는 동작을 한다. 표준 USB 규격은 "고전력(high-power)" USB 포트가 4.75 - 5.25 VDC의 공급 전압 및 적어도 500 mA[종종 "5 단위(five units)"라고 함]의 공급 전류를 제공하게 동작하도록 요구한다. "저전력(low-power)" USB 포트의 규격은 4.40 - 5.25 VDC의 공급 전압 및 100 mA["1 단위(one unit)"라고 함]의 공급 전류를 요구한다.
USB 포트는 여러 가지 이유로 휴대용 장치에 대한 전원 공급 장치로서 아주 논리적인 선택인 것처럼 보인다. 우선, USB 포트는 종종 충전되고 있는 중인 배터리의 전압에 아주 가까운 또는 그 바로 위의 낮은 DC 전압을 공급한다(많은 휴대용 장치는 2.5 - 4.5 VDC 범위의 배터리 전압을 갖는다). 또한, 많은 휴대용 장치는 데이터 또는 소프트웨어를 퍼스널 컴퓨터 또는 랩톱 컴퓨터로 업로드 및 그로부터 다운로드하는 동작을 할 수 있다(종종 "싱킹(syncing)"이라고 함). 이와 같이, 많은 휴대용 장치는 도 1의 시스템 다이어그램에 도시된 바와 같은 도킹 크레이들(docking cradle)(10)을 구비하고 있다. 이것은 아주 간단한 시스템이며, 도킹 크레이들(10)은 간단한 USB 케이블 및 커넥터(16)를 통해 퍼스널 컴퓨터(PC)(14)의 USB 포트(12)에 연결된다. 휴대용 장치(18)는 도킹 크레이들(10)에 놓기만 하면 되며, PC(14)로의 전기적 연결이 이루어진다.
USB 포트(12)가 충분한 전력이 있다면, 별도의 AC 충전기를 사용하는 것보다 오히려 USB 포트(12)를 사용하여 휴대용 장치(18)에 충전 전력을 공급하는 것이 훨씬 더 의미가 있게 된다. 예를 들어,
1. USB 전원 공급 장치는 AC 충전기보다 전기적 노이즈를 덜 갖는다. 물론, AC 충전기가 대용량 DC 커패시터 또는 인덕터를 갖지 않더라도 그렇지만 말이다.
2. AC 충전기는 무거운 변압기 또는 비싼 스위칭 전원 공급 장치를 필요로 하며, 그 어느 것도 USB 전원이 사용되는 경우에는 필요하지 않다.
3. USB 전원 공급 장치 구현에 있어서, 도킹 크레이들(10)을 PC(14)에 연결하는 데 사용되는 케이블 및 커넥터(16)는 전력 및 데이터 둘 다를 전달하는 데 사용될 수 있으며, 따라서 추가의 물리적 구성요소가 전혀 필요 없게 된다. 이와 반대로, AC 전원 공급 장치는 USB 데이터 케이블과는 별개인 물리적 구성요소로서 제공되어야만 한다.
4. AC 전원 공급 장치에 대한 보편적인 표준은 없다. 주어진 AC 전원 공급 장치는 입력으로서 120 VAC 또는 240 VAC를 필요로 할 수 있으며, 3, 4.5, 6, 7.5 또는 9 VDC 출력을 제공할 수 있고, 많은 수의 서로 다른 가능한 커넥터 및 극성 중 하나를 갖는다. 가정에서의 그의 AC 전원 공급 장치를 잊고 온 여행자는 적당한 대용품을 찾지 못할 수도 있다.
이와 반대로, USB 표준은 널리 채택되어 있고, 따라서 USB 커넥터가 구비되어 있는 모바일 장치가 있는 여행자는 충전 전원을 찾을 기회를 더 많이 갖게 된다.
따라서, USB 전원을 사용하여 휴대용 장치를 충전하는 것이 명백히 바람직하게 된다. 그렇지만, 불행히도, 전술한 바와 같이, USB 포트는 제한된 전력만을 제공할 수 있다. 이 문제는 도 2의 블록도를 보면 분명하게 된다. 이 시나리오에서, 휴대용 장치(18) 및 배터리 충전 제어기(20)는 USB 포트(12)에 병렬로 연결되어 있는데, 그 이유는 충전 상태 하에서 휴대용 장치(18)가 USB 포트(12)로부터 전력을 인출하도록 제어 스위치(22)가 토글될 것이기 때문이다. 배터리(24)가 배터리 충전 제어기(20)에 의해 완전히 충전되고 USB 포트(12) 전원이 제거될 때, 제어 스위치(22)는 휴대용 장치(18)가 배터리(24)로부터 전력을 인출하도록 토글된다. 이러한 유형의 회로는 어떤 상황에서는 동작할 수 있지만, 전원이 제한된 용량을 갖는 경우에 바람직하지 않다.
USB 카드(12)로부터 휴대용 장치(18) 및 배터리 충전 제어기(20)에 동시에 전원을 공급하려고 시도하는 경우, 너무 많은 부하가 USB 카드(12) 상에 걸릴 가능성이 크다. USB 카드(12)에 대한 과도한 부하는 저전압 또는 저전류 상태를 가져올 수 있으며, 이는 배터리(24)가 적절히 충전되지 않거나 영구적인 손상을 입게 되거나 또는 휴대용 장치(18)가 비정상적으로 동작하거나 손상을 입게 되는 등의 다수의 바람직하지 않은 문제를 일으킬 수 있다.
대안으로서, 배터리(24) 및 휴대용 장치(18)는 이들 둘 모두 배터리 충전 제어기(20)에 의해 전력공급(feed)되도록 도 3에 도시한 바와 같이 배열될 수 있다. 이러한 설계가 휴대용 장치(18) 및 배터리(24)에 의해 함께 인출되는 총 전력을 감소시키지만, 다음과 같은 다수의 다른 문제가 있다.
1. 가장 중요한 것은, USB 포트(12)로부터 인출되는 총 전력에 대해 여전히 어떤 제어도 없다는 것이다.
2. 휴대용 장치(18)에 의해 인출되는 전력이 배터리 충전 제어기(26)의 신중히 설계된 보호 및 충전 메커니즘을 방해할 수 있다.
3. 휴대용 장치(18) 및 배터리(24)는 이용가능한 전력을 얻기 위해 제멋대로 경합하며, 따라서 이들은 서로 동작에 악영향을 줄 수 있다. 이용가능한 전압이 너무 낮게 떨어지는 경우, 또는 이용가능한 전류가 불충분한 경우, 어느 한 장치가 비정상적으로 동작할 수 있거나 완전히 동작하지 않을 수 있다.
4. 전원이 켜질 때 배터리(24)가 과방전 상태에 있는 경우, 휴대용 장치(18)로의 전압은 과방전된 배터리의 레벨까지 떨어지게 된다. 일반적으로, 휴대용 장치(18)는 이렇게 낮은 전압 레벨에서는 동작하지 않게 된다.
5. 배터리(24) 및 휴대용 장치(18)에 공급되어야만 하는 전류가 배터리 충전 제어기(20) 또는 외부 반도체에 의해 어떤 방식으로 소모된다는 것은 틀림없다. 더 많은 전력이 소모될수록, 배터리 충전 제어기(20)(또는 배터리 충전 제어기(20)에 의해 구동되는 외부 반도체)는 더 커야만 한다. 일반적으로, 반도체의 전력 소모 능력은 그의 표면적에 따라 변하며, 따라서 전력 소모가 배로 되는 경우, 반도체는 표면적을 4배 증가시켜야만 한다.
USB 전원 공급 장치 및 휴대용 장치(18)와 함께 동작하게 설계되어 있는 새롭고 전용의 배터리 충전 제어기가 개발될 수 있지만, 이는 고비용의 복잡한 해결책이다. 각각의 배터리 충전 제어기는 휴대용 장치(18) 및 배터리(24)의 특정 쌍에 적합하도록 설계되어야만 하는데, 그 이유는 그 제어기가 휴대용 장치(18) 및 배터리(24) 둘 다의 전력 소모 요구사항을 고려해야만 하기 때문이다.
따라서, 아주 특정된 적용 분야를 갖는 새로운 배터리 충전 제어기를 설계할 필요없이 USB 포트 등의 표준 컴퓨터 데이터 버스가 휴대용 장치(18) 및 그의 연관된 배터리 충전 회로(20)에 동시에 전원을 공급할 수 있게 해주는 방법 및 장치가 필요하다. 이 설계는 배터리 충전 회로의 엄격한 동작 파라미터, 휴대용 장치에서의 제한된 물리적 보드 면적, 및 설계의 신뢰성 및 복잡성을 고려해야만 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들 중 적어도 하나를 제거 또는 완화하는, 표준 배터리 충전 제어기가 표준 컴퓨터 데이터 포트 및 다른 전원 공급 장치로부터 공급받을 수 있게 해주는 신규의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면은 광의적으로 배터리 충전 회로로서 정의되며, 이 배터리 충전 회로는 재충전가능 배터리에 연결된 출력을 갖는 반도체 스위치, 외부 전원으로부터 전력을 받고 출력 전력을 휴대용 장치 및 상기 반도체 스위치의 입력에 공급하는 배터리 충전 제어기로서 이 배터리 충전 제어기의 전류 출력은 제어가능한 것인 배터리 충전 제어기, 및 상기 배터리 충전 제어기 양단의 전압 강하를 측정하고, 상기 배터리 충전 제어기 양단의 상기 전압 강하에 응답하여 상기 전압 강하가 너무 큰 경우 상기 재충전가능 배터리에 공급되는 전류량을 감소시키기 위해 상기 반도체 스위치를 조절하는 전압 감지 회로를 포함하며, 그에 따라 상기 배터리 충전 제어기에 의해 소모되는 총전력이 제어되고, 상기 휴대용 장치는 그가 동작하는 데 필요한 전력을 받으며, 상기 재충전가능 배터리는 임의의 부가의 이용가능한 전력을 받는다.
본 발명의 다른 측면은 배터리 충전 회로로서 정의되며, 이 배터리 충전 회로는 외부 전원 공급 장치에 연결되어 배터리 및 휴대용 장치에 전기를 공급하고 또 최대 전류 설정을 갖는 배터리 충전 제어기, 및 상기 배터리 충전 제어기 양단의 전압 강하를 감지하고 또 상기 배터리 충전 제어기에 의해 소모되는 전력을 미리 정해진 레벨 아래로 유지하기 위해 상기 배터리로의 전류를 조절하는 조정 회로(regulating circuit)를 포함한다.
본 발명의 부가의 측면은 외부 전원 공급 장치를 통해 휴대용 장치의 배터리를 충전하는 방법으로서 정의되며, 이 방법은 배터리 충전 제어기의 입력을 상기 외부 전원 공급 장치에 연결시키는 단계, 상기 배터리 충전 제어기의 출력을 상기 휴대용 장치 및 반도체 스위치의 입력에 병렬로 연결시키는 단계, 상기 반도체 스위치의 출력을 상기 배터리에 연결시키는 단계, 상기 배터리 충전 제어기의 전류 출력을 제어하는 단계, 상기 배터리 충전 제어기 양단의 전압 강하를 측정하는 단계, 및 상기 배터리 충전 제어기 양단의 상기 전압 강하에 응답하여 상기 전압 강하가 너무 큰 경우 상기 재충전가능 배터리로 공급되는 전류량을 감소시키기 위해 상기 반도체 스위치를 조절하는 단계를 포함하며, 그에 따라 상기 배터리 충전 제어기에 의해 소모되는 총전력이 제어되고, 상기 휴대용 장치는 그가 동작하는 데 필요로 하는 전력을 받으며, 상기 재충전가능 배터리는 임의의 부가의 이용가능한 전력을 받는다.
본 발명의 또 다른 측면은 전원 공급 회로로서 정의되며, 이 전원 공급 회로는 휴대용 장치 및 반도체 스위치의 입력에 병렬로 전력을 제공하는 배터리 충전 제어기 양단의 전압 강하를 측정하는 수단, 상기 배터리 충전 제어기의 전류 출력을 제어하는 수단, 및 상기 배터리 충전 제어기 양단의 전압 강하에 응답하여 상기 전압 강하가 너무 큰 경우 상기 재충전가능 배터리로 공급되는 전류량을 감소시키기 위해 상기 반도체 스위치를 조절하는 수단을 포함하며, 그에 따라 상기 배터리 충전 제어기에 의해 소모되는 총전력이 제어되고, 상기 휴대용 장치는 그가 동작하는 데 필요로 하는 전력을 받으며, 상기 재충전가능 배터리는 임의의 부가의 이용가능한 전력을 받는다.
도 1은 퍼스널 컴퓨터가 기술 분야에 공지된 방식으로 휴대용 전자 장치에 연결되는 물리적 레이아웃을 나타낸 도면.
도 2는 배터리 충전 회로 및 휴대용 장치가 병렬로 전원을 공급받는 회로 블록도를 나타낸 도면.
도 3은 배터리 및 휴대용 장치 둘 모두 배터리 충전 제어기에 의해 전원을 공급받는 회로 블록도를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 광의의 실시예에서 배터리 충전 회로의 개략 회로도를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에서 리튬 이온 배터리의 충전의 경우 전압, 전류 및 전력 곡선의 타이밍도를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 간단한 실시예에서 배터리 충전 회로의 개략 회로도를 나타낸 도면.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 포괄적인 실시예에서 배터리 충전 회로의 개략 회로도를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에서 배터리 충전 회로를 동작시키는 방법의 플로우 차트를 나타낸 도면.
본 발명의 이들 및 다른 특징은 첨부 도면들을 참조하여 기술된 이하의 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
앞서 설명한 바와 같이, 제한된 용량을 갖는 전원 공급 장치로부터 휴대용 장치(18) 및 재충전가능 배터리(24) 둘 다에 전원을 공급할 수 있는 효과적인 설계가 현재는 없다.
기술 분야의 다수의 문제를 극복하는 회로가 도 4에 블록도로서 제공되어 있다. 동 도면은 표준의 배터리 충전 제어기(20) 주변에 구축된 배터리 충전 회로를 제공한다. 본 발명의 이 실시예에서, 배터리 충전 제어기(20)는 외부 전원(VBUS)으로부터 전력을 받고 휴대용 장치(18) 및 재충전가능 배터리 또는 배터리들(24)을 병렬로 전력공급(feed) 하지만, 배터리(24)로의 전력공급(feed)은 반도체 스위치(Q1)를 통해 행해진다. 반도체 스위치(Q1)를 통한 전류 흐름의 제어는 배터리 충전 제어기(20) 양단의 전압 강하를 측정하고 전압 강하가 너무 큰 경우 반도체 스위치(Q1)를 통해 배터리(24)로의 전류 흐름을 감소시키는 전압 감지 회로(30)에 의해 조절된다.
전압 감지 회로(30)는 이 회로의 총 전력 소모가 추론될 수 있게 해주는데, 그 이유는 배터리 충전 제어기(20)의 전류 출력이 제어가능하며, 전력은 전압 강하와 전류의 곱이기 때문이다. 기술 분야에 공지된 대부분의 배터리 충전 제어기(20)는 어떤 종류의 최대 전류 제어를 구비하고 있다. 이후에 기술되는 전형적인 실시 예들에서, 배터리 충전 제어기(20)의 최대 전류 출력은 간단히 외부 저항기(R1)를 통해 설정되지만, 물론 전류 출력은 또한 많은 다른 방식으로 제어될 수 있다(예를 들어 어떤 형태의 아날로그 또는 디지털 입력 신호를 통해 프로그램가능하거나, 응용마다 특정되어 있거나, 설정될 수 있다).
또한, 이후에 기술되는 실시예들에서, 전압 감지 회로(30) 자체는 연산 증폭기(OP 앰프)를 통해 제공된다. 따라서, 배터리 충전 제어기(20) 양단의 전압 강하는 도 4에 도시한 바와 같은 배터리 충전 제어기(20)의 입력 및 출력에서의 전압을 비교함으로써 간단히 측정될 수 있다. 다른 대안에서, OP 앰프로의 한쪽 입력은 배터리 충전 제어기(20)의 출력으로부터 얻을 수 있는 반면, 다른 쪽 입력은 어떤 기준 전압(reference voltage) VREF일 수 있다, 즉 배터리 충전 제어기(20)로의 VBUS 입력을 에뮬레이트하거나 어떤 방식으로 스케일링될 수 있다.
따라서, 배터리 충전 제어기(20) 양단의 전압 강하를 측정하고 이 제어기가 제공할 수 있는 최대 전류를 알게 되면, 총전력을 알게 된다. 이 정보를 사용하여 배터리(24)로의 전력을 조정함으로써, 배터리 충전 제어기(20)에 의해 소모되는 총전력이 제어될 수 있다.
또한, 이 회로가 배터리(24)가 이용가능한 전력을 조절하기 때문에, 이 회로는 휴대용 장치(18)가 그가 동작하는 데 필요로 하는 전력을 받고 재충전가능 배터리(24)는 여분의 용량이 이용가능할 때만 전력을 받도록 설계될 수 있다.
따라서, 소모되는 총전력은 USB 포트(12)로부터 이용가능한 전력의 한계 내 에 또 배터리 충전 제어기(20)가 소모할 수 있는 전력 범위 내에 유지되도록 조절될 수 있다. 이것에 의해 배터리 충전 제어기(20)는 휴대용 장치(18) 및 배터리(24) 둘 다에 공급하기에 충분한 전력을 소모할 수 있는 새롭고 더 큰 배터리 충전 제어기(20)를 설계할 필요없이 "당장 이용가능하게(off the shelf)" 사용될 수 있게 된다. 또한, 이에 의해 배터리 충전 제어기(20) 또는 외부 구동 소자는 물리적으로 작게 유지될 수 있다.
이러한 전력 조절 메카니즘에서는, 휴대용 장치(18)와 배터리(24) 간의 전력 경합이 더 이상 없다. 배터리(24)는 휴대용 장치(18)가 필요로 하는 것보다 더 많은 전력이 이용가능한 경우에만 전력을 받는다. 이것은 리튬 전지 등의 배터리의 충전 요구사항에 부합하지 않는 것처럼 보일 수 있지만, 회로의 파라미터는 그에 대처하도록 용이하게 설계될 수 있다.
전술한 바와 같이, 배터리 충전 제어기는 보통 특정의 배터리 또는 특정 계열의 배터리에 적합하도록 설계되어 있다. 예를 들어, 리튬 배터리는 3가지 단계로 충전된다.
1. 과방전(deep discharge) 상태를 해결한다.
2. 배터리가 어떤 전압 레벨에 도달할 때까지 일정 전류로 충전한다.
3. 이어서 충전 전류가 어떤 점으로 떨어질 때까지 일정 전압으로 충전한다.
과방전 상태의 초기 처리 동안에, 비교적 적은 전류가 배터리에 제공된다(일반적으로 충전 전류의 1/10). 따라서, 본 발명의 회로는 배터리가 이러한 아주 적절한 전력 요구를 거부당하는 일이 드물도록 설계된다.
일정 전류 충전 단계는 최대량의 전력을 인출하지만, 이 단계 동안에 충전 전류가 조절되거나 사이클링 되더라도 리튬 전지는 피해를 보지 않는다. 따라서, 본 발명의 회로에 의해 가장 많이 변경되는 것이 이 단계이다. 이 단계 동안 휴대용 장치(18)가 많이 사용되는 경우, 유일한 부정적 효과는 배터리(24)의 충전이 훨씬 더 오래 걸린다는 것이다.
일정 전압 충전 단계 동안에, 최대 전류는 일정 전류 단계의 것보다 작으며 배터리(24)가 완전히 충전됨에 따라 계속하여 떨어진다. 더욱 중요한 것은 이 단계 동안에 배터리(24) 전압이 일정한 최대 레벨에 유지되며, 따라서 배터리 충전 제어기(20)에 의해 소모되는 총전력이 일정 전류 단계 동안보다 일정 전압 단계 동안에 더 낮게 된다.
이후에 더욱 상세히 기술하는 바와 같이, 전압 감지 회로(30)는 완전 충전 전압 레벨에 도달될 때 반도체 스위치(Q1)를 포화시키도록 설계되어 있다(즉, 반도체 스위치(Q1)는 이때 전류 흐름을 전혀 제한하지 않는다).
시간에 따른 전력 소모의 변화가 도 5에 도시되어 있다. 4개의 곡선, 즉 배터리(24)의 전압(VBAT), 충전 전류(ICHARGE), 배터리 충전 제어기(20) 양단의 전압 강하(VDROP), 및 소모된 총전력(PBCC)이 동 도면에 도시되어 있다. 유의할 점은 VDROP이 VBAT와 반대로 변하며 배터리 충전 제어기(20)에 의해 소모되는 전력이 ICHARGE와 VDROP의 곱이라는 것이다.
명확한 것은 컨디셔닝(conditioning) 단계 동안에 배터리 전압(VBAT)이 낮고 따라서 VDROP가 높다는 것이다. 그렇지만, ICHARGE도 역시 이 단계 동안에 낮으므로(최대 충전 전류 IMAXCHARGE의 약 1/10) 소모된 총전력은 적당하다.
일정 전류 단계 동안에, 충전 전류는 IMAXCHARGE로 상승하지만, 배터리의 전압 (VBAT)은 배터리가 충전됨에 따라 떨어지며, 따라서 배터리 충전 제어기(20)에 의해 소모되는 전력이 이 단계 동안에 떨어진다.
일정 전압 단계가 시작될 때, 배터리 전압은 그의 완전 충전된 레벨(VFULLCHARGE)에 도달하며, 따라서 VDROP는 최소이다. ICHARGE가 이 단계 동안에 떨어짐에 따라, 소모된 전력도 역시 계속하여 떨어진다(다시 말하면 소모된 전력이 ICHARGE와 VDROP의 곱이라는 것에 유의한다).
그러면, 최대 전력 레벨이 일정 전류 단계 동안에 인출되는 것은 명확하다. 전술한 바와 같이, 배터리(24)의 충전은 이 단계 동안에 안전하게 사이클링 될 수 있으며, 따라서 이 단계 동안 배터리(24)로의 전류의 제한이 가능하게 된다.
이 회로는 또한 사용자가 그의 휴대용 장치(18)를 아주 신속하게 부팅할 수 있게 해주는 데 그 이유는 이 회로가 배터리(24)를 휴대용 장치(18)와 분리시키기 때문이다. 배터리 충전 제어기(20)가 과방전 배터리(24)를 컨디셔닝(condition)하려고 시도할 때 배터리(24) 및 휴대용 장치(18)가 연결되어 있는 경우, 휴대용 장치(18)의 전압은 과방전된 배터리(24)의 레벨로 떨어진다. 일반적으로, 이것은 휴대용 장치(18)의 적절한 동작을 위해 너무 낮다. 본 발명의 회로에서는, 배터리 (24)와 휴대용 장치(18)가 Q1에 의해 분리되어 있다. 배터리(24)가 과방전 상태에 있을지라도, 휴대용 장치(18)는 여전히 적절한 동작을 위한 충분히 높은 전압을 보게 된다.
따라서, 휴대용 장치(18)가 부팅 되는 시간은 배터리 충전 제어기(20) 자체의 가동 시간(enabling time)에 의해서만 제한된다. 이 램프업(ramp-up)에 대한 일반적인 값은 1 mS - 4 mS이지만, 이는 배터리 충전 제어기(20)마다 다를 수 있다.
따라서, 도 4의 회로의 사용에 의해 컴퓨터 데이터 버스 및 제한된 용량을 갖는 유사한 전원 공급 장치는 휴대용 장치 및 방전된 배터리에 동시에 전력을 공급할 수 있다.
이제부터, 본 발명의 다수의 서로 다른 실시예들에 대해 기술한다. 각각의 실시예는 아주 적은 수의 간단하고 신뢰할만한 구성요소를 사용한다. 따라서, 전체로서, 본 발명은 저렴하고 신뢰성 있으며 휴대용 장치에서 최소한의 보드 공간을 차지하는 효과적인 해결책을 제공한다.
기본적인 구현
도 6은 4개의 주요 구성요소, 즉 NCP1800 배터리 충전 제어기(50), 배터리 충전 제어기(50)에 대한 외부 구동 소자로서 기능 하는 반도체(Q2), 연산 증폭기(OP 앰프)(52) 및 재충전가능 배터리(24)로의 전류를 제어하는 MOSFET(금속 산화물 실리콘 전계 효과 트랜지스터)(Q3)를 이용하는 충전 회로의 개략 회로도를 나타낸 것이다.
NCP1800 배터리 충전 제어기(50)는 기술 분야에 공지되어 있는 표준의 단일-전지 리튬 이온 배터리 충전 제어기이다. 이 장치가 제공하게 되는 최대 전류는 핀(ISEL)과 접지 사이의 저항에 의해 조절된다. 이 경우, 3개의 저항기(R2, R3, R4)가 서로 다른 동작 조건에 대한 최대 전류 레벨을 설정하는 데 사용된다. 디폴트 조건은 100mA만이 이용가능하다는 것이며(저전력 USB), 이는 저항기(R2)의 값을 설정한다. 이 장치가 고전력 USB 전원에 꽂아져 있는 것으로 검출되는 경우, MOSFET(Q4)의 게이트에 전원이 공급되고, ISEL과 접지 사이의 저항은 병렬로 된 R2와 R3의 저항에 의해 설정된다.
이와 유사하게, 회로에 대한 전원이 훨씬 더 많은 이용가능한 전력을 갖는 것으로 검출되는 경우(예를 들어, AC 플러그-인 또는 차량 어댑터), MOSFET(Q5)에 전원이 공급되고 따라서 ISEL과 접지 사이의 저항은 병렬로 된 R2 및 R4의 저항에 의해 설정된다. 도 6의 회로는 일반적으로 휴대용 장치(18) 자체 내에, 또는 도킹 크레이들(10) 내에 포함되어 있으며, 따라서 이는 이러한 대용량 전원 공급 장치에서도 동작할 수 있어야만 한다.
설계자가 저항기(R2, R3, R4) 및 구동 트랜지스터(Q2)에 대한 특정의 파라미터 및 값들을 설정하는 데 도움을 주는 NCP1800 배터리 충전 제어기(50)의 제조업자로부터의 적용상 주의사항(application note)이 입수가능하다.
이 회로의 전압 감지 부분은 저항기(R5, R6) 및 커패시터(C1)와 함께 OP 앰프(52)에 의해 제공된다. 이 회로는 Q2의 컬렉터측 상의 전압을 [전압 분배기(R5, R6)를 통해] 모니터링하고, 이를 기준 레벨(이 경우, VREF = +3.3V)과 비교한다. Q2의 컬렉터측 상의 전압이 강하하면, Q2 양단의 전압 강하는 상승하고 Q2가 소모해야 하는 전력이 상승한다. 소모되어야만 하는 전력을 감소시키기 위해, OP 앰프(52)는 그의 드레인 소스 저항을 증가시킴으로써 Q3를 통과하는 전류를 제한한다.
VREF가 단순히 VBUS 및 전압 조절기(voltage regulator)로부터 제공될 수 있음에 주의한다. VBUS보다는 오히려 VREF가 OP 앰프(52)로의 입력으로서 사용되는데 그 이유는 전압 조절기가 일정한 출력 전압을 제공하는 것에 반해 VBUS는 넓은 범위를 가지며 이는 설계를 더욱 어렵게 만들기 때문이다. 저항기(R5, R6)의 값은 단지 VBUS 값을 VREF 값에 대해 스케일링할 필요성에 의해 설정된다.
또한, 변동(fluctuation)을 제거하고 발진(oscillation)을 방지하기 위해 커패시터(C1)가 회로에 포함되어 있음에 유의한다.
앞서 기술한 바와 같이, 이 회로는 휴대용 장치(18) 및 배터리(24)의 결합된 인출이 Q2의 전력 용량을 초과하게 하지 않고 휴대용 장치(18)가 Q2를 통해 전력을 인출할 수 있게 해준다. 휴대용 장치(18)가 전력을 인출할 때, Q2의 컬렉터측 상의 전압은 강하하고 Q3를 통하는 전류는 선형 모드에서 쓰로틀링(throttle)된다.
전력 소모는 최악의 시나리오에 대비해 설계되어야만 한다. 예를 들어, 최대 설계 파라미터는 다음과 같다.
● 최대 0.85A가 이용가능하다.
● 입력 전압은 6V만큼 높을 수 있다.
● 배터리(24)의 사전 충전은 3.0V에서 완료된다(즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 최고 충전 전류가 배터리로 전달되는 경우).
이어서, (6V - 3V) * 0.85A = 2.55W의 전력이 외부 구동 소자(Q2)에 의해 소모된다(유의할 점은 이러한 소자를 사용하지 않는 회로에서는 이 전력의 전부가 배터리 충전 제어기(50)에 의해 소모된다는 것이다).
이 외부 구동 소자(Q2)는 그를 통해 흐르는 전류에 의해 발생한 열을 소산 시켜야만 한다. 더 많은 전력이 소모될수록, 이 통과 소자(pass element)의 물리적 크기가 더 커야만 한다. 일반적으로, 장치가 필요로 하는 표면적은 소모되는 전력의 제곱에 비례하여 증가한다. 즉, 전력이 2배가 되면, 4배의 표면적을 갖는 트랜지스터가 필요하다. 트랜지스터의 크기는 표준화되어 있으며, 따라서 이 회로의 양호한 실시예는 최대 1.6W를 소모할 수 있는 SOT-23(또는 superSOT-6) 패키지를 이용하도록 설계되어 있다. 그 다음 크기는 SOT-223이며, 이는 2배의 전력 소모를 갖는 상당히 더 큰 것이다.
전술한 바와 같이, 전류가 휴대용 장치(18)의 요구를 항상 만족시키고 또 어떤 잔여 전류(입력 전류와 휴대용 장치(18)로의 전류 간의 차이분)라도 배터리(24)로 전달되도록 배터리(24)로의 전력의 쓰로틀링이 행해진다. 예를 들어, 이 회로가 고전력 USB 포트(500mA가 이용가능함) 및 휴대용 Blackberry™ 핸드헬드 장치 등의 휴대용 장치(18)에 연결되어 있는 것으로 가정하자. Blackberry가 슬립 상태(sleep)로 되면, 이용가능한 전류(499.3mA - 499.7mA)의 잔여분이 배터리(24)에 제공될 수 있도록 Blackberry는 0.3mA - 0.7mA만을 요구할 수 있다. Blackberry가 웨이크업(wake-up)되면(Blackberry는 하우스키핑 작업을 수행하기 위해 주기적으로 이를 행함), Blackberry는 자신이 무엇을 하고 있는지에 따라 예를 들어 30mA - 70mA를 인출한다. 이 시점에서, 배터리(24)는 430mA - 470mA를 받는다. Blackberry가 어떤 데이터를 수신 또는 전송할 때 또는 어떤 다른 작업을 수행할 때, 분석이 행해진다. 각 경우에, 배터리(24)로의 전력이 동적으로 자동 조정된다.
제한된 전력이 이용가능할 때, 고전력 소모 구성요소를 차단시켜 프로세서에 대한 전력만이라도 보존하는 것도 역시 바람직하다. 이것은 도 6에 도시한 바와 같이 휴대용 장치(18)의 프로세서 및 메모리만을 Q2에 연결하고 다른 고전력 소모 요소를 Q3의 배터리측에 연결함으로써 용이하게 행해진다. 그 결과, 우리가 제한된 전류원(100mA의 저전력 USB 등)으로 동작하고 진동기(일반적으로 120mA) 또는 백라이트(일반적으로 150mA) 등의 과전류 구성요소가 턴온되어 있는 경우, Q2로부터의 전압 출력이 강하하기 시작하고 Q3로 하여금 그의 Rds 저항을 증가시켜 프로세서가 필요로 하는 전류를 보존하도록 한다.
포괄적 구현
도 7a 내지 도 7c에 제공된 설계는 도 6에서와 동일한 기본 회로를 사용하지만 추가의 이점을 제공하는 몇 가지 요소를 부가하고 있다. 이들 이점은 이하의 것들을 포함한다.
● 배터리는 배터리 레벨을 겨우 넘는 입력 전압으로 충전될 수 있다.
● 배터리가 잔량이 없거나 존재하지 않을 때의 휴대용 장치(18)의 시동은 도 6의 경우와 다르다.
● 외부 전원 공급 장치로부터의 입력 글리치(input glitch)의 처리가 개선된다.
● 이 구현에서 사용되는 배터리 충전 제어기의 제조업자의 지시사항과는 반대로, VCC 핀 및 IN 핀은 배터리 충전 제어기에서의 백 전압 누설(back voltage leakage) 및 잠재적인 래치업(latch-up) 문제를 피하기 위해 개별적으로 전력공급(feed)된다.
본 발명의 이 실시예에 대한 특정의 설계 파라미터는 다음과 같이 요약될 수 있다.
1. 일정 전류, 일정 전압 충전 기능(리튬 이온 배터리의 충전에 필요한 것임)
2. 100mA, 500mA 및 750mA 전원 공급 장치에 대한 전류 선택
3. 재충전가능 배터리(24)가 잔량이 낮거나, 잔량이 없거나 존재하지 않을 때 휴대용 장치(18)의 동작
4. 배터리(24)가 존재하지 않거나 잔량이 없을 경우에, 100mS 미만의 기간 내에 휴대용 장치(18)의 개시 및 동작
5. USB 서스펜드 동작 모드(suspend mode of operation)에 부합(시스템은 500μA 미만을 인출해야 함)
6. 5.8V 이상 최소한 10V까지의 과전압 보호
7. 배터리 커넥터 상의 단락 회로에 대한 보호
8. 휴대용 장치(18)가 그의 안전한 동작을 위해 필요로 하는 정도로 낮은 입력 전압으로 충전하는 것을 허용
9. D+ 라인 상의 풀업 저항에 대한 3.3V - 3.6V 범위의 전압
10. D+ 라인 상의 풀업 저항에 전압을 연결 및 분리하는 수단을 제공
11. 배터리 존재 표시, 및
12. 배터리 충전 제어기의 상태를 제공.
다음은 본 발명의 이 포괄적인 구현에 대한 일반적인 설명이다.
도 7a 내지 도 7c의 회로는 도 7c에 U909로 표시한 텍사스 인스트루먼츠 bq24040 리튬 이온 배터리 충전 제어기를 중심으로 되어 있다. 이 배터리 충전 제어기는 리튬 이온 전지를 충전하는 데 필요로 하는 일정 전류 모드 및 일정 전압 모드를 제공하며, 외부 프로그램가능 전류 한계를 지원한다. 그의 UVLO(under voltage lock-out threshold, 저전압 로크아웃 임계값)이 기준을 갖는 PFI/PFO(U908) 비교기(텍사스 인스트루먼츠 TPC3103E15)에 의해 제공되고, 그의 임계값은 VBUS 입력의 저항 분배기(resistor divider)에 의해 설정된다. U908은 또한 최소한 100mS으로 U909의 초기 시동 동작을 보증하는 데 사용된다. 이것은 잔량 낮음/잔량 없음 또는 배터리 없음의 상태에서 동작할 때를 열거(enumerate)하는 수단을 제공한다. 과전압 보호(overvoltage protection, OVP)는 ~5.8V로 설정되어 있는 U912에 의해 제공된다. 충전 상태는 제어기가 시스템에 전류를 전달하는지 여부를 나타내는 배터리 충전 제어기(U909)에 의해 제공된다. D+ 풀업 저항에 대한 전압은 U901(저전압 드롭아웃 조절기, Toko TK71733SCL)에 의해 제공되고 그의 스위칭 기 능은 Q907을 통해 제공된다. 동일한 전압은 또한 외부 전원이 VBUS(U906, U905 등)를 통해 이용가능한 경우에만 사용되는 구성요소에 전원을 공급하는 데도 사용된다.
비교기(U905)(LMC7111A) 및 MOSFET(Q908)은 잔량이 낮은/잔량이 없는 배터리 상태로 또는 배터리가 없는 상태로 동작할 때 시스템 전압을 높이는 데 사용된다. 이러한 폐루프는 또한 배터리가 없는 상태 및 낮은 잔량의 배터리 상태 하에서 시스템으로의 전류를 "쓰로틀링"한다. 이것이 발생하는 이유는 L_BAT 전압이 강하할 때(시스템 부하로 인한 것임), U905가 Q908을 턴오프하는 동작을 하여 더 많은 전류를 시스템(배터리로부터 떨어져 있음)으로 보내기 때문이다.
비교기(U907)는 배터리 존재 상태 표시기를 제공한다.
배터리 커넥터 단락 회로 보호는 충전기 인에이블 기능과 NAND(U906)되어 있으며, 따라서 단락이 존재할 때 배터리 충전 제어기(U909)를 자동으로 디스에이블시킨다. 배터리 충전 제어기(U909)는 배터리 전압이 내부 임계값 아래로 떨어지는 경우 자동으로 충전을 재시작하며 VCC 전원 공급 장치가 제거될 때 자동으로 슬립 모드(sleep mode)로 들어간다.
동작 원리
도 7a 내지 도 7c의 회로의 입력 및 출력은 다음과 같이 요약될 수 있음에 유의한다.
신호 연결 설명
VBUS 전원(USB 또는 충전기)에 장치로의 전원 입력, 배터리 충전 또는 장치 동작에 사용됨
CHRG_EN 시스템 제어 신호 충전기 및 시스템으로의 전류 전달을 인에이블/디스에이블함, 리셋 상태:HIZ(풀다운 저항이 RST=LOW로 만듦, 충전기는 OFF임)
CHRG_A 시스템 제어 신호 충전기에 대해 450mA 전류 제한을 인에이블함, 리셋 상태: LOW
CHRG_B 시스템 제어 신호 충전기에 대해 750mA 전류 제한을 인에이블함, 리셋 상태: LOW
USB_CD 시스템 제어 신호 VBUS가 ~2.1V를 넘을 때마다 HIGH로 됨
CHRG_FLG 시스템 제어 신호 충전기 상태 플래그, 리셋 상태: LOW
VBAT 재충전가능 배터리에 재충전가능 배터리에 대한 메인 전원 공급 장치, 리셋 상태: 배터리 전압 값
L_BAT 휴대용 장치에 시스템 전력을 제공함, 리셋 상태: 배터리 전압 레벨
입력 전압인 VBUS는 Q904a를 통해 배터리 충전 제어기(U909)의 USB 입력 핀에 제공된다. Q904는 OVP를 위해 사용되고 저항 분배기(R925 및 R925 + R926)를 통해 제공되는 입력 전압을 갖는 U912(3.0V 저전압 검출기, National Semiconductor LMS33460)에 의해 제어된다. 그의 개방 드레인 출력은 VBUS/(R937 + R925 + R926)*(R925 + R926) < 3.0V인 동안(이는 ~5.8V를 넘는 OVP를 제공함) Q904를 포화 상태에 유지시킨다.
배터리 충전 제어기(U909)로의 USB 입력이 존재하는 동안, 100mA 및 500mA 전류 제한이 CHRG_B를 통해 선택될 수 있다(CHRG_B = LOW는 100mA를 제공하고, CHRG_B = HIGH는 500mA를 제공한다). 저항기(R941)는 디폴트 LOW 논리 레벨을 U909의 ISET2 입력으로 설정하며, 따라서 100mA 디폴트 전류 제한이 가능하게 된다. 이것이 중요한 이유는 잔량이 낮은/잔량이 없는 상태에서 또는 배터리가 존재하지 않는 상태에서 동작할 때 그렇게 하는 것이 시스템을 USB 규격에 부합하게 하여주기 때문이다. 장치가 500mA로 열거될 때까지(호스트 USB가 이것을 지원하는 경우) USB 장치는 100mA 동작으로 제한되어 있다.
저항기(R940)는 Q905a의 게이트에 디폴트 LOW 입력 레벨을 제공하며, 이는 리셋 모드에 있는 동안 Q905a를 포화 상태에서 벗어나게(OFF) 해줌으로써 Q904a의 게이트 전압을 그의 소스 레벨로(VBUS 전압의 레벨로) 설정하고 이에 따라 배터리 충전 제어기(U909)의 AC 입력에 VBUS가 존재하지 않게 한다. 저항기(R932 및 R936)는 Q904에 대한 풀업 저항기이다.
750mA(비USB 전원 공급 장치에 사용됨)의 충전 전류는 CHRG_A = HIGH를 설정함으로써 선택될 수 있고, 이는 Q905a를 포화 상태(ON)로 설정하고 차례로 Q904b도 역시 포화 상태(ON)에 둠으로써 배터리 충전 제어기(U909)의 AC 입력에 VBUS 전압을 제공한다. U909로의 AC 입력이 USB 입력에 대한 오버라이드(override)를 제공할 때(AC 입력상의 전압이 1.5V를 초과하는 경우, 충전 입력-출력 경로는 AC 입력으로 초기 설정된다), 충전 전류는 이제 R939 저항기의 값에 의해 프로그램된다.
커패시터(C925)는 VBUS 전압의 고속 과도 응답 동안에 Q904b의 게이트-드레인 기생 커패시턴스(게이트-드레인 커패시턴스는 그의 소스에 풀업되어 있는 경우 RC 시간으로 게이트를 충전하게 된다)로 인해 Q904b가 도전 상태로 되는 것을 방지하는 데 사용되고, 게이트를 VBUS 레벨로 급속히 충전시켜 Q904b를 포화 상태에 유지시킬 수 있다. 저항기(R935)는 Q905a가 그의 지정된 한계를 초과하지 않도록 C925의 방전 전류를 제한하는 데 사용된다. R933은 배터리 충전 제어기(U909)로의 AC 입력이 부유 상태가 되지 않도록 하는 풀다운 저항기(pull-down resistor)이다. C926 및 C927은 입력 바이패스 커패시터(input bypass capacitor)이다. USB 돌입(inrush) 전류 규격에 부합하기 위해 전체 입력 커패시턴스를 10μF 아래로 유지하는 것이 중요하다.
시스템이 VBUS로부터 인출하는 총전류는 서스펜드 모드에 있을 때 500μA를 초과해서는 안 된다. 이것은 주로 OFF 동작 모드에서 배터리 충전 제어기(U909)의 아주 낮은 동작 전류(일반적으로 <100μA)에 의해 달성된다. Q905b는 배터리 충전 제어기(U909)가 배터리(24) 및/또는 휴대용 장치(18)에 전류를 전혀 전달하지 않을 때 LBAT 전압 부스터를 디스에이블하는 데 사용된다. Q905b는 U905의 플러스(+) 입력을 단락시켜 그의 출력이 Q908을 포화 상태(ON)로 구동하게 함으로써 이것을 행한다.
U906b는 그 자신을 단지 나머지 시스템의 소프트웨어 및 하드웨어와 호환되도록 만들기 위해 CHRG_FLG 플래그의 인버터로서 사용된다. R931은 CHRG_FLG 개방 드레인 출력에 대한 풀업 저항기이다.
프로세서 슈퍼바이저(processor supervisor)(U908)는 이중 기능을 갖는다. 그의 PFI(power fail input) 입력 레벨은 저항 분배기(R937 + R925 및 R926)에 의해 설정되며, 따라서 VBUS가 3.3V(또는 잔량이 낮은/잔량이 없는 상태에서 또는 배터리가 존재하지 않는 상태에서 동작할 때는 U905 및 Q908에 의해 설정된 LBAT 전압의 값)까지 강하할 때 그 입력 레벨은 U908 내부 기준(internal reference)과 일치하며, 그의 개방 드레인 출력[PFO(power fail output)]을 GND로 되게 한다. 이것은 U905의 플러스(+) 입력 노드를 강제로 GND로 되게 하고 Q908을 포화 상태(ON)로 둔다. 이러한 회로의 설정은 L_BAT 부스트 회로에 대한 저전압 로크아웃(Under Voltage Lock Out, UVLO) 임계값을 생성한다. 이것이 중요한 이유는 U909가 2.5V까지 동작할 수 있으며, 그의 상태 플래그로 하여금 실제로는 그렇지 않아도 시스템으로의 전류 전달을 나타내도록 하기 때문이다(배터리(24)는 내부적으로 2.5V 아래에서 분리된다). U905/Q908이 배터리(24)를 분리시키고 배터리 충전 제어기(U909)가 충분한 전류를 전달하는 것으로 생각함으로써 LBAT 전압을 사전 설정된 값에 유지하려고 하므로, 이러한 조건은 시스템을 리셋시켜 버린다(배터리 전압 레벨이 사전 설정된 최소 LBAT 값보다 낮은 경우).
U908의 두 번째 기능은 USB-BUS를 기동시켜 그에 대해 적절히 열거하기 위해 최소한 100mS 동안 시스템에 전력을 제공하는 U909-CE 입력 핀에 대한 시동 오버라이드(start-up override)이다. 이것은 VBUS가 2.5V에 도달되기 전에 그 다음 100mS 후에 그의 RESET 개방 드레인 출력을 GND에 유지시킴으로써 달성된다. 이것은 배터리 충전 제어기(U909)를 그 시간 동안 인에이블 상태로 유지한다.
U906a는 CHRG_EN과 배터리 커넥터 상의 단락의 존재의 NAND된 기능을 제공한다. 단락된 배터리는 배터리 충전 제어기(U909)를 하드웨어적으로 디스에이블시킨다. VBAT 상에 전압을 가짐으로써, CHRG_EN 제어 라인은 배터리 충전 제어기(U909)를 인에이블 또는 디스에이블할 수 있다(CHRG_EN = HIGH는 U908의 MR 입력 핀을 로우(low)로 풀링(pull)함으로써 배터리 충전 제어기(U909)를 인에이블한다). R921은 배터리 및 U906a의 입력으로부터의 분리를 제공하며 따라서 U906의 VCC에 전원이 존재하지 않을 때 U906이 HIZ(하이 임피던스) 입력 및 출력을 생성하더라도 전류 드레인이 최대한 42μA로 제한된다.
R924는 호스트 프로세서 리셋 동안 U906a에 대한 디폴트 LOW 입력 레벨을 제공한다. R920은 CHRG_FLG에 대한 풀업 저항기로서 배터리 충전 제어기(U909)가 인에이블되어 있는 시간 동안만 CHRG_FLG를 유효하게 한다.
U907은 배터리 팩으로부터의 BAT_ID 입력을 모니터링함으로써 배터리 존재 표시자를 생성한다. 그의 출력은 BAT_ID 저항기가 존재하고 그의 풀업이 BAT_CHK 신호에 의해 제공될 때마다 HIGH 논리 레벨에 있게 된다.
로우 드롭 아웃 전압 조절기(low drop out voltage regulator)(U901)(TOKO TK71733SCL)는 USB 데이터 라인 풀업 저항기에 대한 조절된 3.3V 전원은 물론 충전기 회로 내의 여러 가지 구성요소에 대한 3.3V 전원 및 외부 전원이 부착되어 있다는 표시자(EXT_PWR_CD)를 제공한다. U901은 역바이어스 및 과전류 보호, 내장된 과열 차단(built-in thermal shutdown) 및 단락 회로 보호를 갖는다.
U901은 U906, U908 및 U905에 대한 전원은 물론 풀업 저항기에 대한 3.3V 전압을 제공한다. 이는 또한 VBUS 존재의 표시를 시스템에 제공하는 데 사용된다(EXT_PWR_CD). R904는 시스템의 입력 핀으로의 전류를 제한하는 데 사용된다. C915는 입력 바이패스 커패시터이고, C922는 출력 필터링 커패시터이다. C910은 RF 회로로부터 나오는 RF 노이즈를 필터링하는 데 사용되고, C912는 내부 기준에 대한 바이패스 커패시터이다.
Q907은 USB_VPU 전압을 스위칭하고 USB 버스에 대한 소프트 열거(soft enumeration)를 가능하게 하는데 사용된다. R909는 P-FET에 대한 디폴트 OFF 조건을 제공하고, R905는 (배터리가 존재하지 않는 상태에서 RST 또는 서스펜드 개시 동안) USB_SFTCN 제어 라인의 고속 방전을 제공한다.
U904는 USB 트랜시버 칩에 대한 공급 전압을 제공한다(이는 기술 분야에 공지된 표준 전압 조절기이다). U904는 VBUS가 존재할 때 인에이블되고, VBUS가 OFF로 될 때 전원을 자동으로 차단한다. C921 및 C913은 출력 필터 커패시터이다. U904는 비용을 절감하기 위해 선택적으로 제거될 수 있고, 그러면 R942는 USB 트랜시버 칩에 전원을 공급하기 위해 설치되어야만 한다. U904는 트랜시버 칩이 USB 서스펜드 전류 요구사항을 만족시키지 않을 경우에(또 우리의 장치가 단지 D+/D- 라인 응답만을 보는 것에 의해 서스펜드로부터 웨이크-업할 수 있는 경우에)만 필요하게 된다.
U905 및 Q908은 VBUS가 존재하지 않을 때는 L_BAT = VBAT를 유지하고 VBUS가 존재하고(충전기가 시스템에 전류를 전달하고 있는 동안) 배터리 전압이 3.6V 미만일 때는 L_BAT를 적어도 3.6V로 유지하기 위해 주로 사용된다. 이는 또한 모든 배터리 전압 레벨에서 더 높은 충전 전류가 가능하도록 하기 위해 총전력 소모를 둘로(배터리 충전 제어기의 메인 패스 구성요소와 Q908 간에) 분할하는 데 사용된다.
이 회로의 또 하나의 중요한 기능은 배터리가 존재하지 않거나 잔량이 없을 때 시스템이 15mS 이내에 웨이크 업할 수 있도록 해주기 위해, 배터리가 잔량이 낮은/잔량이 없는 때 또는 배터리가 존재하지 않을 때 적절한 USB 열거를 가능하게 해준다. U909가 전체 프로그램된 전류(whole programmed current)를 전달할 때, U905/Q908은 Q908의 드레인-소스 저항을 변경함으로써 최소한의 사전 프로그램된 전압(minimum preprogrammed voltage)을 L_BAT(우리 경우에 3.5 V)에 유지하게 된다.
U905의 플러스(+) 입력은 기준으로서 사용되고 R934 및 R913에 의해 설정된다. C924는 LBAT의 저속 램프-업(slow ramp-up)을 가능하게 해주며, 따라서 배터리 충전 제어기(U909)는 (필요한 경우) Q908이 L_BAT에 대한 전류 증가를 요청할 때까지 전체 프로그램된 전류(full programmed current)를 전달할 수 있다. 저항기 분배기(R916 및 R915)는 "최소 전압"을 L_BAT에 설정하는 데 사용되는 반면, R914는 Q908의 게이트에 대한 풀다운 저항기를 제공한다.
U907은 시스템에 배터리 존재의 표시를 제공한다. R927 및 R929는 기준을 설정하는 데 사용되고, R928은 U907의 개방 드레인 출력에 대한 풀업 저항기이다. 이어서, BAT_ID는 그의 마이너스(-) 입력에 제공되고 그에 따라 NO_BAT_N이 설정된다.
이 회로 내의 구성요소에 대한 바람직한 값들은 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같다. 이들 값은 물론 응용 및 설계 파라미터에 따라 변화한다.
소프트웨어 구현
상기 도시된 전자 하드웨어만을 사용하기보다는, 본 발명은 또한 디지털 신호 처리기(DSP), 마이크로콘트롤러, FPGA(field programmable gate array), 주문형 반도체(ASIC) 및 기타 등등의 프로그램가능 장치를 비롯하여, 하드웨어와 소프트웨어 구성요소의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 이러한 실시예는 도 8의 플로우차트에 도시된 바와 같이 구현될 수 있다.
상기 기술된 실시예들과 같이, 이 방법은 휴대용 장치 또는 유사한 전자 장 치 내의 임의의 재충전가능 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있다. 어떤 외부 전원 공급 장치라도 사용될 수 있지만, 본 발명은 제한된 용량을 갖는 전원 공급 장치에서 가장 유용하다.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 방법은 단계 90에서 바람직하게 USB 케이블 및 커넥터(16), 및 휴대용 장치(18)를 보유하는 크레이들(cradle)(10)을 통해 배터리 충전 제어기(20)의 입력을 외부 전원 공급 장치에 연결하는 것으로 시작한다. 배터리 충전 제어기(20)의 출력은 휴대용 장치(18) 및 반도체 스위치(Q1)의 입력에 병렬로 연결되고(단계 92), 상기 반도체 스위치(Q1)의 출력은 재충전가능 배터리(24)에 연결된다(단계 94).
그 다음에, 배터리 충전 제어기(20)의 전류 출력은 어떤 방식으로 제어된다(단계 96). 앞서 기술한 바와 같이, 이것은 여러 가지 방식으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 마이크로콘트롤러의 DAC(디지털 아날로그 변환기) 출력은 적절한 신호를 배터리 충전 제어기(20)의 전류 제어 입력으로 전송하는 데 사용될 수 있다.
이어서, 배터리 충전 제어기(20) 양단의 전압 강하가 측정된다(단계 98). 이 작업도 역시 많은 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 내장 ADC(아날로그 디지털 변환기)를 구비하는 많은 마이크로콘트롤러가 이 기능을 수행하는 데 사용될 수 있다.
전류가 단계 96에서 제어되고 배터리 충전 제어기(20) 양단의 전압 강하가 단계 98에서 측정되기 때문에, 이 방법은 배터리 충전 제어기(20)에 대한 전력 소모가 유추될 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법은 단계 100에서 배터리 충전 제어기 (20) 양단의 전압 강하에 응답하여 전압 강하가 너무 큰 경우에 재충전가능 배터리(24)에 공급되는 전류량을 감소시키기 위해 반도체 스위치(Q1)를 조절함으로써 전력 소모를 제어할 수 있다.
이와 같이, 배터리 충전 제어기(20)에 의해 소모되는 총전력이 제어되고, 휴대용 장치(18)는 그가 동작하는 데 필요로 하는 전력을 받고 재충전가능 배터리(24)는 임의의 부가의 이용가능한 전력을 받는다.
이 알고리즘을 수행하는 데 필요한 나머지 소프트웨어 코드는 당업자에게는 간단한 것이다.
본 발명의 방법 단계들은 오브젝트 코드 또는 소스 코드 등의 다양한 형태로 저장되어 있거나 다른 프로그램의 코드와 통합되어 있거나, 서브루틴으로, 외부 프로그램 호출에 의해 또는 기술 분야에 공지된 다른 기술에 의해 구현되어 있는 일련의 실행가능한 머신 코드로 구현될 수 있다.
본 발명의 하드웨어 실시예조차도 집적 회로를 제조하는 데 사용되는 하드웨어 개발 언어(HDL 코드) 등의 소프트웨어 형태로 인코딩될 수 있다. 이 HDL 또는 유사한 코드는 컴퓨터 디스켓, CD-ROM, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 판독 전용 메모리(ROM) 등의 임의의 전자 메모리 수단 상에 저장될 수 있다. 또한, 이 소프트웨어 코드를 나타내는 전자 신호는 통신 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.
옵션 및 대안
본 발명의 특정 실시예들이 도시되고 기술되어 있지만, 본 발명의 진정한 범 위 및 정신을 벗어나지 않고 이러한 실시예들에 여러 변경 및 수정이 행해질 수 있음을 분명하다. 예를 들어,
1. 본 발명의 회로는 종래의 AC 전원 공급 장치(종종 "브릭(brick)"이라고 함), USB 포트 등의 컴퓨터 데이터 버스, 외부 배터리 팩, 랩톱 전원 공급 장치, 및 자동차 및 항공기의 DC 콘센트를 비롯하여 임의의 방식의 전원 공급 장치와 함께 사용될 수 있다.
2. 휴대용 랩톱 컴퓨터, 개인 휴대 단말기(PDA), 셀룰러 전화, 무선 이메일 및 페이징 장치를 비롯한 임의의 방식의 가전 제품은 이러한 회로로 충전될 수 있다.
3. 단일 또는 다중 리튬 이온, 니켈-카드뮴, 또는 다른 유형의 전지를 비롯한 임의의 방식의 재충전가능 배터리가 사용될 수 있다.
다시 말하면, 이러한 구현은 본 명세서의 개시 내용으로부터 당업자에게는 명백한 것이며, 본 발명으로부터 벗어난 것이 아니다.
본 발명은 다양한 전원으로부터 휴대용 통신 장치 내의 배터리를 충전하는 방법 및 장치를 제공한다.

Claims (20)

  1. 배터리 충전 회로로서,
    재충전가능 배터리에 연결된 출력을 가지며 상기 재충전가능 배터리를 휴대용 장치로부터 분리하도록 구성 가능한 반도체 스위치;
    배터리 충전 제어기로서, 외부 USB(유니버설 직렬 버스) 포트로부터 전력을 받고, 배터리 충전 제어기와 관련없는 적어도 하나의 기능을 갖는 상기 휴대용 장치와 상기 반도체 스위치를 통하여 상기 재충전가능 배터리에 출력 전력을 공급하도록 구성되고, 상기 휴대용 장치 및 상기 재충전가능 배터리가 상기 USB 포트로부터 이용가능한 미리 정해진 최대 전류보다 많은 전류를 인출할 수는 없도록 상기 출력 전력을 제한하도록 더 구성되는 것인 배터리 충전 제어기; 및
    상기 배터리 충전 제어기 양단의 전압 강하를 측정하고, 상기 배터리 충전 제어기 양단의 상기 전압 강하에 응답하여, 상기 휴대용 장치가 동작하는 데 필요한 미리 정해진 양의 전력을 수신하고 상기 재충전가능 배터리가 상기 배터리 충전 제어기로부터 이용가능한 전력의 나머지 전력을 수신하도록 상기 재충전가능 배터리에 공급되는 전류량을 제어하게 상기 반도체 스위치를 조절하는 전압 감지 회로
    를 포함하는 배터리 충전 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배터리 충전 제어기에 의해 제어되며 상기 USB 포트로부터 상기 휴대용 장치 및 상기 재충전가능 배터리에 공급 전류를 전달하도록 동작가능한 외부 구동 반도체를 더 포함하고,
    상기 공급 전류는 상기 배터리 충전 제어기를 통하는 것이 아니라 상기 외부 구동 반도체를 통과하는 것인 배터리 충전 회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전압 감지 회로는 연산 증폭기를 포함하는 것인 배터 리 충전 회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전압 감지 회로는 상기 배터리 충전 제어기로부터의 전압 신호를 기준 전압 신호(reference voltage signal)와 비교하도록 구성되는 연산 증폭기를 포함하며, 상기 연산 증폭기는 상기 전압 신호의 전압이 상기 기준 전압 신호의 전압보다 작은 전압 차이에 응답하여 상기 재충전가능 배터리에의 전류를 감소시키도록 더 구성되는 것인 배터리 충전 회로.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전압 감지 회로는 상기 배터리 충전 제어기의 출력 상의 전압을 기준 전압과 비교하는 연산 증폭기를 포함하는 것인 배터리 충전 회로.
  6. 제2항에 있어서, 상기 휴대용 장치의 저전력 필수 구성요소(low-power, critical component)는 상기 배터리 충전 제어기로부터 전력공급(feed)되고, 상기 휴대용 장치의 고전력 비필수 구성요소(high-power, non-critical component)는 상기 재충전가능 배터리로부터 전력공급(feed)되는 것인 배터리 충전 회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 저전력 필수 구성요소는 메모리 및 마이크로프로세서 중 적어도 하나를 포함하는 것인 배터리 충전 회로.
  8. 제6항에 있어서, 상기 고전력 비필수 구성요소는 백라이팅 시스템(back lighting system) 및 진동기(vibrator) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 배터리 충 전 회로.
  9. 제2항에 있어서, 상기 외부 구동 반도체는 트랜지스터를 포함하는 것인 배터리 충전 회로.
  10. 제4항에 있어서, 상기 연산 증폭기는 상기 배터리 충전 제어기로부터의 상기 전압 신호를 축소(scaling down)시키는 전압 분배기(voltage divider)를 더 포함하며, 상기 기준 전압 신호는 그에 비례하여 축소되는 것인 배터리 충전 회로.
  11. 제2항에 있어서, 상기 배터리 충전 제어기로부터 인출될 수 있는 상기 미리 정해진 최대 전류는 접지로의 외부 저항에 의해 제한되는 것인 배터리 충전 회로.
  12. 제1항에 있어서, 상기 배터리 충전 제어기와 상기 재충전가능 배터리 사이에 연결되며, 상기 재충전가능 배터리에 공급되는 전류량을 제한하도록 상기 전압 감지 회로에 의해 제어되는 반도체 스위치를 더 포함하는 배터리 충전 회로.
  13. 제1항에 있어서, 상기 배터리 충전 제어기는 상기 USB 포트의 전류 제한에 따라 상기 미리 정해진 최대 전류를 설정하도록 구성될 수 있는 것인 배터리 충전 회로.
  14. 제1항에 있어서, 상기 배터리 충전 제어기는 비USB 소스(non-USB source)로부터 전력을 받도록 더 구성되는 것인 배터리 충전 회로.
  15. 제14항에 있어서, 상기 배터리 충전 제어기는 전력을 USB 포트로부터 받는 것인지 아니면 비USB 소스로부터 받는 것인지에 따라 상기 미리 정해진 최대 전류를 설정하도록 구성될 수 있는 것인 배터리 충전 회로.
  16. 제14항에 있어서, 상기 비USB 소스는 AC 플러그인 어댑터인 것인 배터리 충전 회로.
  17. 제14항에 있어서, 상기 비USB 소스는 자동차에 사용하기 위한 DC/DC 어댑터인 것인 배터리 충전 회로.
  18. 배터리 충전 회로로서,
    재충전가능 배터리에 연결된 출력을 가지며, 상기 재충전가능 배터리를 휴대용 장치로부터 분리하도록 구성 가능한 반도체 스위치,
    외부 USB 포트로부터 전력을 받고, 상기 휴대용 장치와, 상기 반도체 스위치를 통하여 상기 재충전가능 배터리에 출력 전력을 공급하도록 구성되는 배터리 충전 제어기로서, 상기 배터리 충전 제어기는 상기 휴대용 장치 및 상기 재충전가능 배터리가 상기 USB 포트로부터 이용가능한 미리 정해진 최대 전류보다 많이 인출할 수는 없도록 상기 출력 전력을 제한하게 더 구성되고, 상기 배터리 충전 제어기는 상기 USB 포트의 전류 제한에 따라 상기 미리 정해진 최대 전류를 보내도록 구성될 수 있고, 상기 USB 포트로부터 이용가능한 미리 정해진 최대 전류는 저전력 USB 포트의 경우 100 mA로 설정될 수 있고 고전력 USB 포트의 경우 500 mA로 설정될 수 있는 것인, 배터리 충전 제어기; 및
    상기 배터리 충전 제어기 양단의 전압 강하를 측정하고, 상기 배터리 충전 제어기 양단의 상기 전압 강하에 응답하여, 상기 휴대용 장치가 동작하는 데 필요한 미리 정해진 양의 전력을 수신하며 상기 재충전가능 배터리가 상기 배터리 충전 제어기로부터 이용가능한 전력의 나머지를 수신하도록 상기 재충전가능 배터리에 공급되는 전류량을 제어하게 상기 반도체 스위치를 조절하는 전압 감지 회로를 포함하는 배터리 충전 회로.
  19. 배터리 충전 회로로서,
    재충전가능 배터리에 연결된 출력을 가지며, 상기 재충전가능 배터리를 휴대용 장치로부터 분리하도록 구성 가능한 반도체 스위치;
    외부의 USB 포트 또는 비 USB 소스로부터 전력을 받고, 상기 휴대용 장치와 상기 반도체 스위치를 통하여 상기 재충전가능 배터리에 출력 전력을 공급하도록 구성되는 배터리 충전 제어기로서, 상기 배터리 충전 제어기는 상기 휴대용 장치 및 상기 재충전가능 배터리가 상기 USB 포트로부터 이용가능한 미리 정해진 최대 전류보다 많이는 인출할 수 없도록 상기 출력 전력을 제한하도록 더 구성되고, 상기 배터리 충전 제어기는 전력을 저전력 USB 포트로부터 받는 것인지, 고전력 USB 포트로부터 받는 것인지, 또는 비USB 소스로부터 받는 것인지에 따라 복수의 전류 제한 중 하나로 상기 미리 정해진 최대 전류를 설정하도록 구성될 수 있는 것인, 배터리 충전 제어기; 및
    상기 배터리 충전 제어기 양단의 전압 강하를 측정하고, 상기 배터리 충전 제어기 양단의 상기 전압 강하에 응답하여, 상기 휴대용 장치가 동작하는 데 필요한 미리 정해진 양의 전력을 받으며 상기 재충전가능 배터리가 상기 배터리 충전 제어기로부터 이용가능한 전력의 나머지를 받도록 상기 재충전가능 배터리에 공급되는 전류량을 제어하게 상기 반도체 스위치를 조절하는 전압 감지 회로를 포함하는 배터리 충전 회로.
  20. USB 포트에 의해 공급되는 전력을 사용하여, 재충전가능 배터리를 충전하는 것과 관련없는 기능을 갖는 휴대용 장치에 대하여 재충전가능 배터리를 충전하는 시스템으로서,
    USB 포트로부터 전력을 받기 위한 수단;
    수신된 전력을 상기 재충전가능 배터리와 상기 휴대용 장치에 공급하는 수단으로서, 상기 재충전가능 배터리와 상기 휴대용 장치가 상기 USB 포트로부터 이용가능한 전류의 미리 정해진 최대 전류량보다 많이는 인출하지 못하도록 상기 공급되는 전력이 제한되는 것인, 전력 공급 수단; 및
    상기 휴대용 장치로부터 상기 재충전가능 배터리를 분리하고, 상기 받은 전력 중 동작하는데 필요한 미리 정해진 양을 상기 휴대용 장치가 받고 상기 받은 전력 중 나머지를 상기 재충전가능 배터리가 받도록 상기 재충전 가능 배터리에 공급된 전류량을 제어하는 수단
    을 포함하는 재충전가능 배터리 충전 시스템.
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