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KR102442187B1 - 배터리 보호 회로 - Google Patents

배터리 보호 회로 Download PDF

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KR102442187B1
KR102442187B1 KR1020150050921A KR20150050921A KR102442187B1 KR 102442187 B1 KR102442187 B1 KR 102442187B1 KR 1020150050921 A KR1020150050921 A KR 1020150050921A KR 20150050921 A KR20150050921 A KR 20150050921A KR 102442187 B1 KR102442187 B1 KR 102442187B1
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Abstract

본 발명의 배터리 보호 회로는, 배터리; 퓨즈; 방전 경로 방향으로 형성된 바디 다이오드를 포함하는 충전용 스위치; 충전 경로 방향으로 형성된 바디 다이오드를 포함하는 방전용 스위치; 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치의 접점에 일단이 연결된 서미스터; 및 상기 퓨즈, 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치를 제어하고, 상기 서미스터의 타단으로부터 전압 값을 입력받는 제어부를 포함한다.

Description

배터리 보호 회로{BATTERY PROTECTION CIRCUIT}
본 발명은 배터리 보호 회로에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 서미스터(thermistor)를 포함하는 배터리 보호 회로에 관한 것이다.
배터리가 외부 기기와 연결될 시에는 충전 및 방전을 제어하고, 과충전 및 과방전을 방지할 수 있는 배터리 보호 회로가 필요하다.
이러한 배터리 보호 회로는 일반적으로 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)로 구성된 충전용 스위치 및 방전용 스위치를 포함한다. 충전용 스위치 및 방전용 스위치는 제어 IC(Integrated Circuit)에 의해 온오프된다.
이러한 충전용 스위치 또는 방전용 스위치가 손상되는 경우, 제어 IC의 오프 제어 신호에도 불구하고 오프되지 않는 경우가 발생한다. 즉, 전류가 계속해서 흐르는 경우가 발생한다.
이러한 경우 충전용 스위치 또는 방전용 스위치의 손상 여부를 검출하여 배터리 보호 기능을 수행할 회로 구성이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 저비용으로 2차 보호 기능을 수행하는 배터리 보호 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 보호 회로는, 배터리; 퓨즈; 방전 경로 방향으로 형성된 바디 다이오드를 포함하는 충전용 스위치; 충전 경로 방향으로 형성된 바디 다이오드를 포함하는 방전용 스위치; 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치의 접점에 일단이 연결된 서미스터; 및 상기 퓨즈, 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치를 제어하고, 상기 서미스터의 타단으로부터 전압 값을 입력받는 제어부를 포함한다.
상기 서미스터의 상기 일단은 열전도 패턴으로 구성될 수 있다.
상기 제어부는, 과방전 방지모드에서 상기 방전용 스위치를 턴-오프시키고, 과충전 방지모드에서 상기 충전용 스위치를 턴-오프시킴으로써, 1차 보호 기능을 수행할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 서미스터의 저항 값 변화에 따른 전압 감지를 통해 상기 1차 보호 기능이 수행되지 않음을 검출하고, 상기 퓨즈를 차단함으로써 2차 보호 기능을 수행할 수 있다.
상기 서미스터의 저항 값은 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치 중 적어도 하나의 온도가 상승함에 따라 변화할 수 있다.
기준 전압 노드에 일단이 연결되고, 상기 제어부에 타단이 연결된 비교 저항을 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 비교 저항을 통해 감지된 전압과 상기 서미스터를 통해 감지된 전압을 비교하여 상기 1차 보호 기능이 수행되지 않음을 검출할 수 있다.
상기 비교 저항의 저항 값은, 상기 서미스터의 일단과 상기 비교 저항의 일단 사이에 위치하는 적어도 하나의 소자의 저항 값을 반영함으로써, 상기 서미스터의 저항 값과 매칭될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 저비용으로 2차 보호 기능을 수행하는 배터리 보호 회로를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 배터리 보호 회로를 도시한 도면이다.
도 2는 과충전 방지 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 과방전 방지 모드를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 배터리 보호 회로를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 한 실시예에 따른 배터리 보호 회로는 제어부(100), 배터리(200), 퓨즈(300), 충전용 스위치(400), 방전용 스위치(500), 서미스터(600) 및 비교 저항(700)을 포함한다.
외부 양극 단자(10)와 외부 음극 단자(20)에는 외부 기기가 연결된다. 이러한 외부 기기는 배터리(200)를 충전시키는 충전 기기 또는 배터리(200)의 전력을 소모하는 방전 기기일 수 있다.
따라서 배터리(200), 충전용 스위치(400), 방전용 스위치(500), 퓨즈(300), 외부 양극 단자(10), 외부 기기(미도시), 외부 음극 단자(20)는 대전류 경로를 형성한다.
배터리(200)는 단일 또는 복수의 전지 셀을 포함할 수 있다. 도 1에서는 4개의 전지 셀이 배터리(200)를 구성하는 것으로 도시되었으나, 전지 셀의 개수 및 각각의 직병렬 연결 관계는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
배터리(200)는 양극과 음극을 가지며 재충전이 가능하다. 각각의 전지 셀은 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지 등으로 구성될 수 있다.
충전용 스위치(400)는 전계 효과 트랜지스터로 구성될 수 있다. 충전용 스위치(400)가 전계 효과 트랜지스터로 구성되는 경우 바디 다이오드(body diode)를 포함하게 되는데, 이러한 바디 다이오드의 형성 방향은 조절 가능하다.
충전용 스위치(400)에 포함되는 바디 다이오드는 방전 경로 방향이 순방향이 되도록 형성된다. 이러한 바디 다이오드 방향으로 인해 과충전 방지 모드에서 충전 경로 방향으로 전류가 흐르는 것을 방지하면서, 방전은 가능하도록 한다.
방전용 스위치(500) 또한 전계 효과 트랜지스터로 구성될 수 있다. 방전용 스위치(500)가 전계 효과 트랜지스터로 구성되는 경우 바디 다이오드를 포함하게 되는데, 이러한 바디 다이오드의 형성 방향은 조절 가능하다.
방전용 스위치(500)에 포함되는 바디 다이오드는 충전 경로 방향이 순방향이 되도록 형성된다. 이러한 바디 다이오드 방향으로 인해 과방전 방지 모드에서 방전 경로 방향으로 전류가 흐르는 것을 방지하면서, 충전은 가능하도록 한다.
본 실시예에서 충전용 스위치(400) 및 방전용 스위치(500)는 N형 전계 효과 트랜지스터로 구성되었으나, P형 전계 효과 트랜지스터로 구성될 수도 있다.
N형 전계 효과 트랜지스터의 경우, 양의 전압이 제어 단자에 가해지면 온-상태가 되고, 음의 전압이 제어 단자에 가해지면 오프-상태가 된다. 전압의 크기는 전계 효과 트랜지스터의 구성에 따라 달라질 수 있다.
서미스터(thermistor)(600)는 감지되는 온도에 따라 저항 값이 변하는 소자이다. 서미스터(600)는 PTC(Positive Temperature Coefficient-thermistor) 소자일 수 있다. 이 경우, 서미스터(600)는 온도가 올라 감에 따라 저항 값이 상승하게 된다.
본 실시예에서 서미스터(600)의 일단은 충전용 스위치(400)와 방전용 스위치(500)의 접점에 연결된다. 그리고 서미스터(600)의 타단은 제어부(100)에 연결된다.
본 발명에서 서미스터(600)의 일단은 열전도 패턴으로 구성된다. 즉, 종래 기술에서는 충전용 스위치(400), 방전용 스위치(500) 및 서미스터(600)를 열전도 실리콘을 도포하여 연결하였다. 이러한 경우 열전도 실리콘의 양 및 형태에 따라 온도 감지의 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다. 또한 열전도 실리콘 도포 공정 추가에 따른 공정 비용이 상승하는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 이러한 열전도 실리콘 도포 공정을 제거함으로서 저비용화를 도모한다. 또한 열전도 패턴은 배선 패터닝 단계에서 함께 패터닝됨으로써 추가 공정 비용이 없을 수 있다. 또한 열전도 패턴의 규격화에 따라 정확한 온도의 측정이 가능한 장점이 있다.
더불어, 열전도 패턴은 전압 감지를 위한 전도성 배선 역할을 겸하므로, 별도의 전압 감지 패턴을 형성할 필요가 없어서 공간 확보에 유리하므로, 배터리 팩의 소형화에 적합하다.
비교 저항(700)의 일단은 기준 전압 노드에 연결되고, 타단은 제어부(100)에 연결된다. 본 실시예에서 기준 전압 노드는 배터리(200)의 양극이다.
제어부(100)는 도시된 바와 같이 하나의 IC로 구성될 수도 있지만, 두 개 이상의 IC로 구성될 수도 있다. 후술하는 1차 보호 기능을 수행하는 제1 IC와 2차 보호 기능을 수행하는 제2 IC로 구분될 수도 있다. 이는 제품 규격에 따라 달라질 수 있으므로 이하에서는 제어부(100)가 1차 보호 기능 및 2차 보호 기능을 모두 수행할 수 있도록 설계된 것으로 본다.
퓨즈(300)는 대전류 경로에 위치하고 일단이 제어부(100)에 연결된다. 퓨즈(300)에 존재하는 저항에 제어부의 신호에 따라 일정량 이상의 전류가 흐르면, 발열 현상으로 인해 퓨즈(300)가 끊어짐으로써 대전류 경로가 차단될 수 있다.
제어부(100)는 충전 모드 및 방전 모드에서 충전용 스위치(400) 및 방전용 스위치(500)를 모두 온 상태로 제어함으로써 대전류 경로를 완전히 개방할 수 있다.
하지만 배터리(200)가 과충전되거나 과방전되는 경우에 각각 충전 및 방전을 방지할 필요가 있는데, 이에 따라 1차 보호 기능이 수행된다. 1차 보호 기능이 수행된다는 것은 과충전 방지 모드 또는 과방전 방지 모드가 수행된다는 것을 의미한다.
이하에서 도 2 및 도 3을 참조하여 과충전 방지 모드 및 과방전 방지 모드를 설명한다. 도 2는 과충전 방지 모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 과방전 방지 모드를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 2를 참조하면, 배터리(200)가 과충전되는 경우에는 배터리(200)의 충전을 방지할 필요가 있다. 이때 과충전 상태를 해소하기 위하여 방전은 가능해야한다.
제어부(100)는 충전용 스위치(400)의 제어 단자에 오프 레벨의 제어 신호를 인가하고, 방전용 스위치(500)의 제어 단자에 온 레벨의 제어 신호를 인가한다. 이에 따라 충전용 스위치(400)는 차단되고, 방전용 스위치(500)는 도통된다.
충전용 스위치(400)가 차단되고, 충전용 스위치(400)에 포함된 바디 다이오드는 방전 경로 방향으로 형성되어 있으므로, 충전 경로 방향으로 전류가 흐를 수 없게 된다.
이때, 도 2에 화살표로 전류 경로가 도시된 바와 같이, 배터리(200)의 양극, 충전용 스위치(400)의 바디 다이오드, 방전용 스위치(500), 퓨즈(300) 및 외부 양극 단자(10)를 통해서 방전이 가능하다.
따라서 본 실시예의 과충전 방지 모드가 수행될 수 있음을 확인할 수 있다.
다음으로 도 3을 참조하면, 배터리(200)가 과방전되는 경우에는 배터리(200)의 방전을 방지할 필요가 있다. 이때 과방전 상태를 해소하기 위하여 충전은 가능해야 한다.
제어부(100)는 충전용 스위치(400)의 제어 단자에 온 레벨의 제어 신호를 인가하고, 방전용 스위치(500)의 제어 단자에 오프 레벨의 제어 신호를 인가한다. 이에 따라 충전용 스위치(400)는 도통되고, 방전용 스위치(500)는 차단된다.
방전용 스위치(500)가 차단되고, 방전용 스위치(500)에 포함된 바디 다이오드는 충전 경로 방향으로 형성되어 있으므로, 방전 경로 방향으로 전류가 흐를 수 없게 된다.
이때, 도 3에 화살표로 전류 경로가 도시된 바와 같이, 외부 양극 단자(10), 퓨즈(300), 방전용 스위치(500)의 바디 다이오드, 충전용 스위치(400) 및 배터리(200)의 양극을 통해서 충전이 가능하다.
따라서 본 실시예의 과방전 방지 모드가 수행될 수 있음을 확인할 수 있다.
하지만 이러한 과충전 방지 모드와 과방전 방지 모드가 제대로 수행되지 않는 경우에, 제어부(100)는 2차 보호 기능을 수행할 필요가 있다.
과충전 방지 모드가 제대로 수행되지 않는 경우는 충전용 스위치(400)가 손상되어 전류가 계속해서 흐르는 경우가 있을 수 있다. 이때 과충전 방지 모드 임에도 충전 경로가 열리게 되므로 배터리(200)에 충전 전류가 입력될 수 있어 문제된다.
과방전 방지 모드가 제대로 수행되지 않는 경우는 방전용 스위치(500)가 손상되어 전류가 계속해서 흐르는 경우가 있을 수 있다. 이때 과방전 방지 모드임에도 방전 경로가 열리게 되므로 배터리(200)가 더욱 방전될 수 있어 문제된다.
따라서 제어부(100)에 의한 2차 보호 기능의 수행이 필요하며, 아래에서 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이 충전용 스위치(400) 또는 방전용 스위치(500)가 손상되어 전류가 계속 흐르는 경우, 충전용 스위치(400) 또는 방전용 스위치(500)가 발열하게 된다.
따라서 충전용 스위치(400) 및 방전용 스위치(500)의 접점에 연결된 열전도 패턴을 통해서 서미스터(600)가 가열되어, 서미스터(600)의 저항 값이 상승하게 된다.
제어부(100)는 서미스터(600)를 통해 감지되는 전압 값과 비교 저항(700)을 통해 감지된 전압 값을 비교하여 1차 보호 기능이 수행되지 않음을 검출한다.
즉, 평상시 상태와 1차 보호 기능이 수행되는 상태에서, 서미스터(600)를 통해 감지되는 전압 값과 비교 저항(700)을 통해 감지된 전압 값의 차이는 일정 임계값 이하이다.
서미스터(600)를 통해 감지되는 전압 값과 비교 저항(700)을 통해 감지된 전압 값의 차이가 이러한 임계값을 넘어가게 되면, 제어부(100)는 1차 보호 기능이 제대로 수행되지 않음을 검출할 수 있게 된다.
서미스터(600)의 온도가 높아져 서미스터(600)의 저항 값이 상승되면, 제어부(100)에서 검출되는 전압 값이 작아지게 되므로, 이러한 검출 방법이 가능하다.
이때 비교 저항(700)의 저항 값은 서미스터(600)의 일단과 비교 저항(700)의 일단 사이에 위치하는 적어도 하나의 소자의 저항 값을 반영할 수 있다. 따라서 비교 저항(700)의 저항 값과 서미스터(600)의 저항 값은 서로 매칭되게 된다. 즉, 중간에 개재된 각 소자로 인한 전압 강하분을 고려한 것이다.
제어부(100)는 1차 보호 기능이 수행되지 않음을 검출한 후에, 퓨즈(300)를 차단함으로써 2차 보호 기능을 수행한다. 따라서 대전류 경로가 차단되게 되고, 배터리(200)의 보호 기능이 수행된다.
다른 실시예로서, 제어부(100)는 1차 보호 기능의 수행 여부와 관계없이, 서미스터(600)의 저항 값 변화에 따른 전압 감지를 통해, 충전용 스위치(400) 또는 방전용 스위치(500)의 손상을 감지하고, 그에 따라 퓨즈(300)를 차단할 수 있다.
예를 들어, 충전용 스위치(400) 또는 방전용 스위치(500)가 쇼트 모드(short mode)로 손상이되면, 충전용 스위치(400) 또는 방전용 스위치(500)에는 정상적인 충방전 동작에도 불구하고 과도한 발열이 발생하게 된다. 이러한 발열로 배터리팩 보호 회로가 손상되거나, 외곽 케이스가 녹거나 타버릴 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 외부 양극 단자
20: 외부 음극 단자
100: 제어부
200: 배터리
300: 퓨즈
400: 충전용 스위치
500: 방전용 스위치
600: 서미스터
700: 비교 저항

Claims (8)

  1. 배터리;
    퓨즈;
    방전 경로 방향으로 형성된 바디 다이오드를 포함하는 충전용 스위치;
    충전 경로 방향으로 형성된 바디 다이오드를 포함하는 방전용 스위치;
    상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치의 접점에 일단이 연결된 서미스터;
    상기 퓨즈, 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치를 제어하고, 상기 서미스터의 타단에 연결되어 상기 서미스터의 타단으로부터 전압 값을 입력받는 제어부; 및
    기준 전압 노드에 일단이 연결되고, 상기 제어부에 타단이 연결된 비교 저항을 포함하고,
    상기 제어부는 과방전 방지모드에서 상기 방전용 스위치를 턴-오프시키고 과충전 방지모드에서 상기 충전용 스위치를 턴-오프시킴으로써, 1차 보호 기능을 수행하며,
    상기 제어부는 상기 비교 저항을 통해 감지된 전압과 상기 서미스터를 통해 감지된 전압을 비교하여 상기 1차 보호 기능의 수행 여부를 검출하는, 배터리 보호 회로.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 서미스터의 상기 일단은 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치의 접점에 연결된 열전도 패턴으로 구성된
    배터리 보호 회로.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 서미스터의 저항 값 변화에 따른 전압 감지를 통해, 상기 충전용 스위치 또는 상기 방전용 스위치의 손상을 감지하고,
    상기 퓨즈를 차단함으로써 보호 기능을 수행하는
    배터리 보호 회로.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 퓨즈를 차단함으로써 2차 보호 기능을 수행하는
    배터리 보호 회로.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 서미스터의 저항 값은 상기 충전용 스위치 및 상기 방전용 스위치 중 적어도 하나의 온도가 상승함에 따라 변화하는
    배터리 보호 회로.
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 비교 저항의 저항 값은
    상기 서미스터의 일단과 상기 비교 저항의 일단 사이에 위치하는 적어도 하나의 소자의 저항 값을 반영함으로써,
    상기 서미스터의 저항 값과 매칭되는
    배터리 보호 회로.
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