KR102538990B1

KR102538990B1 - 배터리 보호회로 및 이를 이용한 과전류 차단 방법

Info

Publication number: KR102538990B1
Application number: KR1020190009287A
Authority: KR
Inventors: 정원전; 장지욱
Original assignee: 주식회사 엘지에너지솔루션
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2023-06-01
Anticipated expiration: 2039-01-24
Also published as: JP7135116B2; EP3771067A1; JP2021521772A; EP3771067A4; US20210218259A1; WO2020153663A1; CN112020809A; CN112020809B; US11936219B2; KR20200092125A

Abstract

본 발명은 배터리 보호회로 및 이를 이용한 과전류 차단 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리 내에 별도의 션트저항(Shunt resistor) 실장 없이 배터리와 연결된 외부 시스템에 구비되어 있는 전력관리 IC(PMIC) 측 센싱 저항을 공용으로 사용하여 정밀하게 과충전 및 과방전에 의한 과전류를 검출하여 차단이 가능한 배터리 보호회로 및 이를 이용한 과전류 차단 방법에 관한 것이다.

Description

배터리 보호회로 및 이를 이용한 과전류 차단 방법{Battery protection circuit and overcurrent shutdown method using the same}

본 발명은 배터리 보호회로 및 이를 이용한 과전류 차단 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배터리 내에 별도의 션트저항(Shunt resistor) 실장 없이 정밀하게 배터리의 과전류 차단이 가능한 배터리 보호회로 및 이를 이용한 과전류 차단 방법에 관한 것이다.

일반적으로 스마트폰, 노트북, PDA 등을 포함하는 다양한 휴대용 전자기기에는 그 에너지 공급원으로서 배터리가 사용되고 있다. 배터리는 과충전이나 과전류의 유입에 의해 발열하고, 발열이 지속됨에 따라 온도가 상승하게 되면 그 성능이 열화 될 뿐만 아니라 폭발할 위험성을 가지고 있다.

이러한 문제를 방지하기 위하여, 통상의 스마트폰 배터리에는 과충전, 과방전 및 과전류의 유입을 감지하고 차단하는 보호회로모듈이 실장되어 있거나 또는 배터리 외부에서 과충전, 과방전, 발열을 감지하여 배터리의 동작을 차단하는 보호회로를 설치하여 사용한다.

일반적으로, 상기 보호회로는 배터리의 고정밀 전류의 요구 여부에 따라 일반 과전류 보호회로와 고정밀 과전류 보호회로로 구분될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 고정밀 전류가 요구되지 않는 일반 과전류 보호회로는 일반적으로 고정밀 과전류 센싱 미지원 보호 IC(11)가 적용되며, 그 기준단자(Vss)와 감시단자(V-) 사이에 배치되는 충전 FET 및 방전 FET의 양단에 걸리는 전압의 차이 값으로 과전류를 검출하게 된다. 그러나, 상기 충/방전 FET의 저항은 배터리 전압의 레벨에 따라 변화량이 크고, 발열 등으로 인한 온도에 따른 변화량이 크기 때문에 과전류 검출 범위가 넓어져 과전류 유입 시에 정밀한 차단이 어려운 문제점이 있다.

상기한 바와 같이 일반 과전류 보호회로가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 정밀한 과전류 검출 범위를 갖기 위해서는, FET의 저항이 아닌 온도 변화 등의 외부 환경에도 저항 값이 일정하게 유지되는 션트저항(Shunt resistor)을 이용하여 과전류를 검출하는 방식을 사용해야 한다. 이는 통상적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 션트저항(Shunt resistor)을 통해 과전류를 감지하는 과전류감지단자(Rsens)가 구비된 고정밀 과전류 센싱 지원 보호 IC(21)를 적용하여, 상기 보호 IC의 기준단자(Vss)와 과전류감지단자(Rsens) 사이에 배치되는 션트저항(Shunt resistor)의 양단에 걸리는 전압을 바탕으로 과전류를 검출할 수 있다.

하지만, 이를 위해서는 배터리 내에 별도의 션트저항(Shunt resistor)을 실장해야 하기 때문에 그 실장 공간 등으로 인해 배터리의 소형화를 구현하기에 한계가 있고, 단가 상승, 배터리 내부 저항 증가 등의 문제점을 가지고 있다.

(특허문헌 1) KR10-2007-0101895 A

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배터리 내에 션트저항(Shunt resistor) 실장 없이 정밀한 과전류 차단이 가능한 배터리 보호회로를 제공하고자 한다.

본 발명에 따른 유입되는 배터리 전류를 감지하는 센싱 저항을 구비하는 전력관리부를 포함하여 배터리와 연결되는 외부 시스템에 연결되는 배터리의 보호회로는, 상기 외부 시스템과 연결되는 배터리 충/방전 입출력부; 과충전 및 과방전에 의한 과전류를 센싱하고, 충/방전 제어 FET를 제어하는 제어부; 상기 제어부의 제어를 받아 배터리의 충전전류의 흐름을 제어하는 충전 제어 FET; 및 상기 제어부의 제어를 받아 배터리의 방전전류의 흐름을 제어하는 방전 제어 FET; 를 포함하여 구성되며, 상기 제어부는, 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항의 양단에 연결되어 상기 센싱 저항의 양단 전압으로부터 배터리의 과충전 및 과방전에 의한 과전류를 감지하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 제어부는, 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단에 연결되어, 그 양단에 발생하는 전압을 센싱하는 과전류 센싱부; 상기 과전류 센싱부에서 센싱되는 센싱 저항 양단의 전압과 소정의 기준 과전류 차단 전압 값을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 배터리의 과충전 또는 과방전에 의한 과전류를 검출하는 과전류 검출부; 상기 과전류 검출부로부터 과충전 또는 과방전에 의한 과전류가 검출됨에 따라, 상기 충전 제어 FET 또는 방전 제어 FET를 오프 제어하는 FET 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 과전류 검출부는, 충전 시, 상기 과전류 센싱부에서 센싱된 전압이 소정의 기준 충전 과전류 전압 값 이상이면, 배터리가 과충전에 의한 과전류 상태인 것으로 판단하고 충전 과전류 신호를 출력하는 충전 과전류 검출부; 방전 시, 상기 과전류 센싱부에서 센싱된 전압이 소정의 기준 방전 과전류 전압 값 이상이면, 배터리가 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 판단하고 방전 과전류 신호를 출력하는 방전 과전류 검출부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이에, 상기 FET 제어부는, 상기 충전 과전류 검출부로부터 충전 과전류 신호가 출력되면, 상기 충전 제어 FET를 오프 시켜 과충전에 의한 과전류를 차단하는 것을 특징으로 하고, 상기 방전 과전류 검출부로부터 방전 과전류 신호가 출력되면, 상기 방전 제어 FET를 오프 시켜 과방전에 의한 과전류를 차단하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 배터리 보호회로에서 과전류를 차단하는 방법은, 상기 과전류 센싱부에서, 배터리와 연결된 외부 시스템에 구비된 전력관리부의 센싱 저항 양단의 전압을 센싱하는 과전류 센싱단계; 상기 과전류 검출부에서, 상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱되는 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단의 전압을 바탕으로, 배터리의 과충전 또는 과방전에 의한 과전류를 검출하는 과전류 검출단계; 상기 FET 제어부에서, 상기 과전류 검출단계를 통해 배터리가 과충전 또는 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출됨에 따라 그에 해당하는 충전 제어 FET 또는 방전 제어 FET를 오프 제어하여 과전류를 차단하는 과전류 차단단계; 를 포함하여 구성된다.

구체적으로, 상기 과전류 검출단계는, 충전 시, 상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱된 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단의 전압과 소정의 기준 충전 과전류 차단 전압 값을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 과충전에 의한 과전류를 검출하는 충전 과전류 검출단계; 및 방전 시, 상기 상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱된 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단의 전압과 소정의 기준 방전 과전류 차단 전압 값을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 과방전에 의한 과전류를 검출하는 방전 과전류 검출단계; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 충전 과전류 검출단계는, 상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱된 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단 전압이 소정의 기준 충전 과전류 전압 값 이상이면, 배터리가 과충전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출하는 것을 특징으로 하며, 상기 방전 과전류 검출단계는, 상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱된 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단 전압이 소정의 기준 방전 과전류 전압 값 이상이면, 배터리가 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출하는 것을 특징으로 한다.

이에, 상기 과전류 차단단계는, 상기 충전 과전류 검출단계를 통해 배터리가 과충전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출되면, 상기 충전 제어 FET를 오프 시켜 과충전에 의한 과전류를 차단하는 것을 특징으로 하고, 상기 방전 과전류 검출단계를 통해 배터리가 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출되면, 상기 방전 제어 FET를 오프 시켜 과방전에 의한 과전류를 차단하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상술한 바와 같은 배터리 보호회로는, 배터리 팩에 포함될 수 있다.

또한, 상기 배터리 보호회로를 포함하는 배터리 팩은, 디바이스에 포함될 수 있다.

본 발명은 배터리 내에 션트저항(Shunt resistor)을 구비하지 않기 때문에 실장 공간을 차지하지 않아 배터리의 소형화를 구현하기에 효율적이고, 단가 상승이 발생하지 않아 비용적인 측면에서 향상된 효율성을 제공해줄 수 있다.

또한, 션트저항(Shunt resistor)으로 인한 배터리 내부 저항 증가를 방지할 수 있어 배터리의 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 일반 과전류 보호회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 고정밀 과전류 보호회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 배터리 보호회로를 개략적으로 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙였다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예컨대, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

1. 본 발명에 따른 배터리 보호회로(100)

본 발명에 따른 배터리 보호회로는, 배터리 충/방전 입출력부(110), 제어부 (120), 충전 제어 FET(130) 및 방전 FET(140)를 포함하여 구성될 수 있다.

1.1. 배터리 충/방전 입출력부(110)

배터리 충/방전 입출력부는, 유입되는 배터리 전류를 감지하는 센싱 저항을 구비하는 전력관리부를 포함하는 외부 시스템 및/또는 외부의 배터리 충전장치와 연결되는 구성이다. 여기서, 상기 외부 시스템은, 휴대폰, 노트북, 웨어러블 전자기기 등을 포함하는 휴대 단말기일 수 있다.

1.2. 제어부 (120)

제어부는, 과충전에 의한 충전 과전류 및 과방전에 의한 방전 과전류를 센싱하여 그 센싱 결과에 따라 충/방전 제어 FET(130, 140)의 제어를 통해 과충전 및 과방전에 의한 충전 과전류 및 방전 과전류로부터 배터리를 보호하는 구성으로서, 하기와 같은 세부 구성을 포함하여 구성될 수 있다.

가. 과전류 센싱부(122)

과전류 센싱부는, 배터리의 과충전 또는 과방전에 의한 과전류 상태 검출을 위하여 배터리에 흐르는 전류를 센싱하는 구성일 수 있다. 본 발명에 따른 과전류 센싱부는, 상기 배터리 충/방전 입출력부(110)를 통해 배터리와 연결된 외부 시스템에 구비되어 있는 전력관리(200)의 센싱 저항(210)에 연결되어, 이를 통해 전류를 센싱할 수 있다. 즉, 정밀한 과전류 센싱을 위해 배터리에 별도의 션트저항(Shunt resistor)을 구비하는 것이 아니라, 배터리와 연결되는 외부 시스템에 구비되는 전력관리부(200)에 실장된 센싱 저항(210)을 공용으로 사용하여 이를 통해 배터리의 과충전 및 과방전에 의한 과전류를 센싱하는 것이다.

구체적으로 설명하면, 일반적으로 배터리를 전원 공급원으로 사용하는 휴대폰, 노트북, 웨어러블 전자기기 등과 같은 휴대 단말기로 구성되는 외부 시스템에는, 한정적인 배터리 전원을 다양한 부하변동에 능동적으로 대처하여 배터리 전원을 효율적으로 관리하는 전력관리부(200)가 구비된다. 이러한 전력관리 부(200)에는, 상술한 바와 같이 배터리 전원을 효율적으로 관리하기 위하여 유입되는 배터리의 전류를 센싱하는 센싱 저항(210)이 구비된다. 이에, 본 발명의 과전류 센싱부는, 배터리에 별도의 션트저항(Shunt resistor)을 실장하지 않고, 상기 외부 시스템의 전력관리부(200)에 구비되어 있는 센싱 저항(210)의 양단에 연결되어 배터리의 과전류를 센싱하도록 구성되는 것일 수 있다.

여기서, 상기 전력관리부(200)에 구비되어 있는 센싱 저항(210)은, 보다 구체적으로는 전력관리 IC(PMIC, 220)의 주변회로에 실장된 센싱 저항(210)을 의미하는 것이며 본 명세서에서의 전력관리부(200)는 상기 센싱 저항(210) 및 전력관리 IC(PMIC, 220)를 포함하는 구성을 지칭하는 것일 수 있다.

상기 센싱 저항(210)은, 션트저항(Shunt resistor)으로 구성될 수 있다.

상기 과전류 센싱부에서 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단에 연결되어 배터리의 과전류를 센싱하는 것은, 상기 센싱 저항(210)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 그 양단 전압을 센싱하는 것으로 이루어질 수 있다. 상기 센싱 저항(210)에 전류가 흐르면 센싱 저항 값에 따라 그 양단에 전압이 발생하게 된다. 이에, 과전류 센싱부는, 상기 센싱 저항(210) 양단의 전압을 센싱하여 이를 통해 센싱 저항에 흐르는 전류가 과전류인지를 검출할 수 있는 것이다.

이와 같이, 본 발명의 상기 과전류 센싱부는, 상기 외부 시스템에 구비되는 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단에 연결되도록 구성되는 회로 패턴을 통해 전력관리부(200)의 센싱 저항(210)을 배터리의 과전류 센싱을 위해 공용으로 사용함으로써, 배터리 내에 별도의 션트저항(Shunt resistor)을 실장하지 않기 때문에 공간을 줄일 수 있어 배터리의 소형화를 구현하기에 효율적이고, 션트저항(Shunt resistor)에 대한 단가 상승이 발생하지 않아 비용적인 측면에서도 효율적이다. 또한, 배터리 내부 저항을 줄일 수 있어 보다 안정적인 배터리 운영이 가능하도록 할 수 있다.

이와 같은 과전류 센싱부는, 상기 도 2의 고정밀 과전류 검출을 위해 적용되는 보호 IC에 구비된 과전류감지단자(Rsens)에 구성되는 것일 수 있다. 즉, 본 발명에서 보호 IC의 과전류감지단자(Rsens)를 의미하는 과전류 센싱부는, 도 2에 도시된 바와 같이 배터리 내에 실장된 션트저항(Shunt resistor)을 통해 과전류를 검출하는 것이 아닌, 도 3에 나타낸 바와 같이 배터리와 연결된 외부 시스템에 구비되는 전력관리부(200)의 센싱 저항(210)의 양단에 연결되어 그 전압을 센싱하여 배터리의 과전류를 검출할 수 있도록 구성되는 것이다.

나. 과전류 검출부(124)

과전류 검출부는, 상기 과전류 센싱부(122)에서 센싱되는 센싱 저항(210) 양단의 전압을 이용하여 배터리의 과충전 또는 과방전에 의한 과전류 여부를 검출하는 구성일 수 있다.

1) 충전 과전류 검출부(1242)

배터리 충전 시, 상기 과전류 센싱부(122)에서 센싱되는 센싱 저항(210) 양단의 전압을 이용하여 과충전에 의한 과전류 상태인지를 검출하는 구성일 수 있다. 상기 과전류 센싱부(122)에서 센싱된 센싱 저항(210) 양단의 전압 값과 소정의 기준 충전 과전류 차단 전압 값을 비교하여, 상기 센싱된 센싱 저항(210) 양단의 전압 값이 소정의 기준 충전 과전류 전압 값 이상이면 과충전에 의한 과전류 상태인 것으로 판단할 수 있다. 이와 같이 과충전에 의한 과전류 상태인 것으로 판단되면, 충전 과전류 신호를 출력할 수 있다.

여기서, 상기 외부 시스템에 구비되는 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압 값으로 배터리의 과전류를 검출하는 원리를 설명하면, 상기 센싱 저항(210)의 값은 고정된 값이며, 상기 센싱 저항(210)에 배터리의 전류가 흐르면 그 저항 양단에는 센싱 저항 값과 흐르는 전류에 비례하는 전압이 발생하게 된다. 즉, 저항으로 흐르는 전류는 저항에 비례하는 성질(I = V/R)을 이용하여 저항 양단에 걸리는 전압으로 전류를 측정하는 것이다. 따라서, 상기 센싱 저항(210) 양단의 전압 값을 통해 해당 저항에 흐르는 전류가 과전류인지를 검출할 수 있다.

따라서, 상기 기준 충전 과전류 전압 값은, 센싱 저항(210)에 과충전에 의한 과전류 차단을 판단하는 기준 차단 충전 과전류 값에 해당하는 전류가 흐를 시 발생하는 전압 값으로 설정될 수 있다.

이와 같은 상기 충전 과전류 검출부는, 충전 과전류 검출회로를 의미할 수 있다.

2) 방전 과전류 검출부(1244)

배터리 방전 시, 상기 과전류 센싱부(122)에서 센싱되는 센싱 저항(210) 양단의 전압을 이용하여 과방전에 의한 과전류 상태인지를 검출하는 구성일 수 있다. 상기 과전류 센싱부(122)에서 센싱된 센싱 저항(210) 양단의 전압 값과 소정의 기준 방전 과전류 차단 전압 값을 비교하여, 상기 센싱된 센싱 저항(210) 양단의 전압 값이 소정의 기준 방전 과전류 전압 값 이상이면 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 판단할 수 있다. 이와 같이 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 판단되면, 방전 과전류 신호를 출력할 수 있다.

여기서, 상기 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압 값으로 배터리의 과전류를 검출하는 원리는 상기 충전 과전류 검출부(1242)에서 설명한 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

따라서, 상기 기준 방전 과전류 전압 값은, 센싱 저항(210)에 과방전에 의한 과전류 차단을 판단하는 기준 차단 방전 과전류 값에 해당하는 전류가 흐를 시 발생하는 전압 값으로 설정될 수 있다.

이와 같은 상기 방전 과전류 검출부는, 방전 과전류 검출회로를 의미할 수 있다.

참고로, 배터리의 충전 및 방전 시 전류 방향이 서로 다르기 때문에, 상기 충전 과전류 검출부(1242)와 방전 과전류 검출부(1244)는 전류 방향에 따라 배터리의 충전 및 방전을 각각 구분하여 해당 과전류 상태를 검출할 수 있다.

이와 같은 제어부(120)는, 도 2에 도시된 션트저항(Shunt resistor)을 통해 과전류를 센싱하는 단자가 구비된 고정밀 과전류 센싱 지원 보호 IC로 구성될 수 있다.

다. FET 제어부(126)

FET 제어부는, 상기 충전 과전류 검출부(1242) 및 방전 과전류 검출부(1244)로부터 출력되는 신호에 따라 충전 제어 FET(130) 또는 방전 제어 FET(140)를 제어하여, 배터리에 발생한 과충전에 의한 과전류 또는 과방전에 의한 과전류를 차단하는 구성일 수 있다.

구체적으로, 상기 충전 과전류 검출부(1242)로부터 충전 과전류 신호가 출력되면, 충전 중인 배터리가 과충전에 의한 과전류 상태인 것으로 인식하고 충전 제어 FET(130)로 오프(Off) 신호를 출력하여 오프 시켜 과충전에 의한 과전류를 차단할 수 있다.

또한, 상기 방전 과전류 검출부(1244)로부터 방전 과전류 신호가 출력되면, 방전 중인 배터리가 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 인식하고 방전 제어 FET(140)로 오프(Off) 신호를 출력하여 오프 시켜 과방전에 의한 과전류를 차단할 수 있다.

1.3. 충전 제어 FET(130)

충전 제어 FET는, 상기 제어부(120)의 제어를 받아 배터리와 연결된 외부의 배터리 충전장치로부터 출력되는 충전전류의 흐름을 제어하는 구성으로서, 상술한 바와 같이 FET 제어부(126)로부터 오프(Off) 신호를 입력 받은 경우 오프 되어 충전전류 유입을 차단함으로써 과충전에 의한 과전류로부터 배터리를 보호할 수 있다.

1.4. 방전 제어 FET(140)

방전 제어 FET는, 상기 제어부(120)의 제어를 받아 배터리와 연결된 외부 시스템으로 공급되는 배터리의 방전전류의 흐름을 제어하는 구성으로서, 상술한 바와 같이 FET 제어부(126)로부터 오프(Off) 신호를 입력 받은 경우 오프 되어 방전을 차단함으로써 과방전에 의한 과전류로부터 배터리를 보호할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 배터리 보호회로는, 배터리 팩에 구비되어 팩 내에 별도의 션트저항(Shunt resistor)을 실장하지 않고 배터리 팩에 연결된 외부 시스템에 구비되어 있는 전력관리부(200)의 센싱 저항(210)을 공용으로 사용하여 정밀하게 과충전 또는 과방전에 의한 과전류를 차단함으로써 과전류로부터 배터리를 보호할 수 있다.

2. 본 발명에 따른 배터리 보호회로의 과전류 차단 방법

2.1. 과전류 센싱단계(S100)

과전류 센싱부(122)에서, 배터리의 과전류를 검출하기 위해 전력관리 부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압을 센싱하는 단계이다. 상술한 바와 같이, 종래에는 정밀한 과전류 감지를 위해 배터리 팩에 별도의 션트저항(Shunt resistor)을 구비하여 이를 통해 배터리의 과전류를 감지하였다. 하지만, 본원발명은 상기 제어부(120)의 과전류 센싱부(122)와 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단과 연결되는 회로 패턴을 구성하여 그 양단에 발생하는 전압 센싱을 통해 배터리의 과전류를 검출할 수 있다. 즉, 별도의 션트저항(Shunt resistor)을 구비하지 않고 전력관리 IC(PMIC, 200) 측 센싱 저항(210)을 공용으로 사용하여 배터리의 과전류를 검출하도록 구성되는 것이다.

따라서, 상기 과전류 센싱부(122)에 의해 상기 외부 시스템의 전력관리 부(200)의 센싱 저항 양단(210)의 전압을 센싱하는 과전류 센싱단계가 수행될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 배터리와 연결된 외부 시스템에 구비되어 있는 상기 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단에 연결되도록 구성되는 과전류 센싱부(122)를 통해 전력관리부(200)의 센싱 저항(210)을 배터리의 과전류 센싱을 위해 공용으로 사용하여 배터리의 과전류를 센싱할 수 있다.

2.2. 과전류 검출단계(S200)

과전류 검출단계는, 상기 과전류 센싱단계(S100)를 통해 센싱되는 상기 외부 시스템의 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압 값과 소정의 기준 과전류 차단 전압 값을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 배터리의 과전류를 검출하는 단계로서, 상술한 과전류 검출부(124)에 의해 수행될 수 있다.

1) 충전 과전류 검출단계(S210)

충전 과전류 검출단계는, 배터리 충전 시 상술한 충전 과전류 검출부(1242)에 의해 수행되는 단계로서, 배터리 충전 시 상기 과전류 센싱단계(S100)를 통해 센싱되는 상기 외부 시스템의 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압 값과 소정의 기준 충전 과전류 차단 전압 값을 비교하여 그 비교 결과에 따라 과충전에 의한 과전류를 검출할 수 있다. 구체적으로, 상기 센싱된 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압 값이 소정의 기준 충전 과전류 차단 전압 값 이상이면 과충전에 의한 과전류가 발생한 것으로 검출할 수 있다. 과충전에 의한 과전류가 발생한 것으로 검출되면, 상기 충전 과전류 검출부(1242)는 이를 차단하기 위하여 충전 과전류 신호를 출력할 수 있다.

여기서, 상기 외부 시스템의 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압 값으로 배터리의 과전류를 검출하는 원리를 설명하면, 상기 센싱 저항의 값은 고정된 값이며, 상기 센싱 저항에 배터리의 전류가 흐르면 그 저항 양단에는 센싱 저항 값과 흐르는 전류에 비례하는 전압이 발생하게 된다. 즉, 저항으로 흐르는 전류는 저항에 비례하는 성질(I = V/R)을 이용하여 저항 양단에 걸리는 전압으로 전류를 측정하는 것이다. 따라서, 상기 센싱 저항(210) 양단의 전압 값을 통해 해당 저항에 흐르는 전류가 과전류인지를 검출할 수 있다.

여기서, 상기 충전 과전류 검출단계를 수행하는 상기 충전 과전류 검출부(1242)는, 상술한 바와 같이 충전 과전류 검출회로를 의미할 수 있다.

2) 방전 과전류 검출단계(S220)

방전 과전류 검출단계는, 배터리 방전 시 상술한 방전 과전류 검출부(1244)에 의해 수행되는 단계로서, 배터리 방전 시 상기 과전류 센싱단계(S100)를 통해 센싱되는 상기 외부 시스템의 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압 값과 소정의 기준 방전 과전류 차단 전압 값을 비교하여 그 비교 결과에 따라 과방전에 의한 과전류를 검출할 수 있다. 구체적으로, 상기 센싱된 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압 값이 소정의 기준 방전 과전류 검출 전압 값 이상이면 과방전에 의한 과전류가 발생한 것으로 검출할 수 있다. 과방전에 의한 과전류가 발생한 것으로 검출되면, 상기 방전 과전류 검출부(1244)는 이를 차단하기 위하여 방전 과전류 신호를 출력할 수 있다.

여기서, 상기 외부 시스템의 전력관리부(200)의 센싱 저항(210) 양단의 전압 값으로 배터리의 과전류를 검출하는 원리는 상기 충전 과전류 검출단계(S210)에서 설명한 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

따라서, 상기 기준 방전 과전류 전압 값은, 상기 센싱 저항(210)에 과방전에 의한 과전류 차단을 판단하는 기준 차단 방전 과전류 값에 해당하는 전류가 흐를 시 발생하는 전압 값으로 설정될 수 있다.

여기서, 상기 방전 과전류 검출단계를 수행하는 방전 과전류 검출부(1244)는, 상술한 바와 같이 방전 과전류 검출회로를 의미할 수 있다.

2.3. 과전류 차단단계(S300)

FET 제어부(126)에서, 상기 과전류 검출단계(S200)를 통해 과충전 또는 과방전에 의한 과전류가 검출됨에 따라 충전 제어 FET(130) 또는 방전 제어 FET(140)를 제어하여 해당 과전류를 차단하는 단계이다.

구체적으로, 배터리 충전 시 상기 충전 과전류 검출부(1242)에 의해 수행된 충전 과전류 검출단계(S210)를 통해 과충전에 의한 과전류가 검출되면, 상기 충전 제어 FET(130)를 오프(Off) 시켜 과충전에 의한 과전류를 차단할 수 있다. 이는 상기 FET 제어부(126)에서, 상기 충전 과전류 검출부(1242)로부터 충전 과전류 신호가 출력되면 과충전에 의한 과전류가 발생한 것으로 인식하고 충전 제어 FET(130)로 오프(Off) 신호를 출력함으로써 과충전에 의한 과전류를 차단할 수 있다.

또한, 배터리 방전 시 상기 방전 과전류 검출부(1244)에 의해 수행된 방전 과전류 검출단계(S220)를 통해 과방전에 의한 과전류가 검출되면, 상기 방전 제어 FET(140)를 오프(Off) 시켜 과방전에 의한 과전류를 차단할 수 있다. 이는 상기 FET 제어부(126)에서, 상기 방전 과전류 검출부(1244)로부터 방전 과전류 신호가 출력되면 과방전에 의한 과전류가 발생한 것으로 인식하고 방전 제어 FET(140)로 오프(Off) 신호를 출력함으로써 과방전에 의한 과전류를 차단할 수 있다.

따라서, 이와 같은 과전류 차단단계(S300)를 통해 과충전 또는 과방전에 의한 과전류를 차단함으로써, 해당 과전류로부터 배터리를 보호할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 상술한 S100 내지 S300를 통하여, 배터리 내에 별도의 션트저항(Shunt resistor)을 실장하지 않고 배터리와 연결되는 외부 시스템에 구비된 전력관리부(200)의 센싱 저항(210)을 공용으로 사용함으로써 정밀한 과전류 차단을 구현할 수 있다. 이에 따라, 배터리 내 션트저항(Shunt resistor)의 실장 공간을 줄일 수 있기 때문에 배터리의 소형화를 구현하기에 효율적이고, 션트저항(Shunt resistor)으로 인한 단가 상승이 발생하지 않아 비용적인 측면에서도 효율적이다. 또한, 배터리 내부 저항 증가가 발생하지 않기 때문에 장기적으로 안정적인 배터리 운영이 가능할 수 있다.

한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

11: 고정밀 과전류 센싱 미지원 보호 IC
21: 고정밀 과전류 센싱 지원 보호 IC
14, 24, 300: 배터리 셀
100: 배터리 보호회로
110: 배터리 충/방전 입출력부
120: 제어부
122: 과전류 센싱부
124: 과전류 검출부
1242: 충전 과전류 검출부
1244: 방전 과전류 검출부
126: FET 제어부
12, 22, 130: 충전 제어 FET
13, 23, 140: 방전 제어 FET
200: 전력관리부
210: 센싱 저항
220: 전력관리 IC(PMIC)

Claims

유입되는 배터리 전류를 감지하는 센싱 저항을 구비하는 전력관리부를 포함는 외부 시스템 및 배터리와 연결되는 배터리의 보호회로에 있어서,
상기 보호회로는,
전력관리부를 구비하는 외부 시스템과 연결되는 배터리 충/방전 입출력부;
과충전 및 과방전에 의한 과전류를 센싱하고, 충/방전 제어 FET를 제어하는 제어부;
상기 제어부의 제어를 받아 배터리의 충전전류의 흐름을 제어하는 충전 제어 FET; 및
상기 제어부의 제어를 받아 배터리의 방전전류의 흐름을 제어하는 방전 제어 FET;
를 포함하여 구성되며,
상기 외부시스템의 전력관리부는,
전력관리 IC를 포함하고,
외부 시스템의 부하변동에 대응하여 배터리 전원을 관리하기 위하여, 전력관리 IC의 주변회로에 실장되어 유입되는 배터리 전류를 감지하는 센싱 저항을 구비하고,
상기 제어부는,
상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항의 양단에 연결되는 회로 패턴을 구비하여, 상기 외부시스템의 전력관리부의 센싱저항으로부터 배터리의 과충전 및 과방전에 의한 과전류를 감지하도록 상기 센싱 저항의 양단에 연결되어 그 양단전압을 센싱하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단에 연결되어, 그 양단에 발생하는 전압을 센싱하는 과전류 센싱부;
상기 과전류 센싱부에서 센싱되는 센싱 저항 양단의 전압과 소정의 기준 과전류 차단 전압 값을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 배터리의 과충전 또는 과방전에 의한 과전류를 검출하는 과전류 검출부;
상기 과전류 검출부로부터 과충전 또는 과방전에 의한 과전류가 검출됨에 따라, 상기 충전 제어 FET 또는 방전 제어 FET를 오프 제어하는 FET 제어부;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
제2항에 있어서,
상기 과전류 검출부는,
충전 시, 상기 과전류 센싱부에서 센싱된 전압이 소정의 기준 충전 과전류 전압 값 이상이면, 배터리가 과충전에 의한 과전류 상태인 것으로 판단하고 충전 과전류 신호를 출력하는 충전 과전류 검출부;
방전 시, 상기 과전류 센싱부에서 센싱된 전압이 소정의 기준 방전 과전류 전압 값 이상이면, 배터리가 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 판단하고 방전 과전류 신호를 출력하는 방전 과전류 검출부;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
제3항에 있어서,
상기 FET 제어부는,
상기 충전 과전류 검출부로부터 충전 과전류 신호가 출력되면, 상기 충전 제어 FET를 오프 시켜 과충전에 의한 과전류를 차단하는 것을 특징으로 하고,
상기 방전 과전류 검출부로부터 방전 과전류 신호가 출력되면, 상기 방전 제어 FET를 오프 시켜 과방전에 의한 과전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 배터리 보호회로.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 배터리 보호회로에서 과전류를 차단하는 방법에 있어서,
상기 과전류 센싱부에서, 배터리와 연결된 외부 시스템에 구비된 전력관리 부의 센싱 저항 양단의 전압을 센싱하는 과전류 센싱단계;
상기 과전류 검출부에서, 상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱되는 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단의 전압을 바탕으로, 배터리의 과충전 또는 과방전에 의한 과전류를 검출하는 과전류 검출단계;
상기 FET 제어부에서, 상기 과전류 검출단계를 통해 배터리가 과충전 또는 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출됨에 따라 그에 해당하는 충전 제어 FET 또는 방전 제어 FET를 오프 제어하여 과전류를 차단하는 과전류 차단단계;
를 포함하여 구성되는 과전류 차단 방법.
제5항에 있어서,
상기 과전류 검출단계는,
충전 시, 상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱된 상기 외부 시스템의 전력관리 부의 센싱 저항 양단의 전압과 소정의 기준 충전 과전류 차단 전압 값을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 과충전에 의한 과전류를 검출하는 충전 과전류 검출단계; 및
방전 시, 상기 상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱된 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단의 전압과 소정의 기준 방전 과전류 차단 전압 값을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 과방전에 의한 과전류를 검출하는 방전 과전류 검출단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 방법.
제6항에 있어서,
상기 충전 과전류 검출단계는,
상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱된 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단 전압이 소정의 기준 충전 과전류 전압 값 이상이면, 배터리가 과충전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출하는 것을 특징으로 하며,
상기 방전 과전류 검출단계는,
상기 과전류 센싱단계를 통해 센싱된 상기 외부 시스템의 전력관리부의 센싱 저항 양단 전압이 소정의 기준 방전 과전류 전압 값 이상이면, 배터리가 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 방법.
제7항에 있어서,
상기 과전류 차단단계는,
상기 충전 과전류 검출단계를 통해 배터리가 과충전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출되면, 상기 충전 제어 FET를 오프 시켜 과충전에 의한 과전류를 차단하는 것을 특징으로 하고,
상기 방전 과전류 검출단계를 통해 배터리가 과방전에 의한 과전류 상태인 것으로 검출되면, 상기 방전 제어 FET를 오프 시켜 과방전에 의한 과전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 과전류 차단 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 배터리 보호회로를 포함하는 배터리 팩.
제9항에 따른 배터리 팩을 포함하는 디바이스.