KR100731398B1 - 충방전 제어회로 및 충전식 전원장치 - Google Patents

충방전 제어회로 및 충전식 전원장치 Download PDF

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Abstract

2차 전지의 충방전 동작을 제어하는 충방전 제어회로 및 이 충방전 제어회로를 내장하는 2차 전지용 충전식 전원장치에서, 규정 전압 이상의 전압이 충전식 전원 장치의 충전기 접속 단자에 인가될 때 내부 제어회로의 지연 시간이 짧게 되는 테스트 모드로 들어가는 충방전 제어회로가 제공된다.

Description

충방전 제어회로 및 충전식 전원장치{CHARGING AND DISCHARGING CONTROL CIRCUIT AND CHARGING TYPE POWER SUPPLY DEVICE}
도 1은 본 발명에 따른 충전식 전원장치의 회로 블록을 도시하는 설명도,
도 2는 본 발명에 사용된 지연회로의 예를 도시하는 설명도,
도 3은 본 발명에 따른 충전식 전원장치의 다른 회로 블록을 도시하는 설명도,
도 4는 본 발명에 따른 충전식 전원장치의 또 다른 회로 블록을 도시하는 설명도,
도 5는 종래의 충전식 전원장치의 회로 블록을 도시하는 설명도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
101 : 2차 전지 102 : 스위칭 회로
103 : 부하 104 : 충전기
110 : 충방전 제어회로 111, 112 : 전압 분할회로
113 : 과충전 검출 비교기 114, 115, 207 : 전압 검출 비교기
116, 117, 118 : 기준 전압 120 : 내부 제어회로
121 : 내부 지연회로 201, 202 : Pch 트랜지스터
205 : 캐패시터 206 : 기준 전압원
208 : Nch 트랜지스터
본 발명은 2차 전지의 충방전 동작을 제어하는 충방전 제어회로 및 이 충방전 제어회로를 내장하는 2차 전지용 충전식 전원장치에 관한 것이다.
종래의 2차 전지용 충전식 전원 장치로서, 도 5의 회로 블록도에 도시된 전원장치가 공지되어져 있다. 예를 들면, 일본국 특개평 제 4-75430 호의 "충전식 전원장치"에 상기 전원장치의 구조를 개시하고 있다. 즉, 외부 단자(-V0 또는 +V0)가 스위칭 회로(102)를 통하여 2차 전지(101)에 접속되어 있다. 또한, 충방전 제어회로(110)가 2차 전지(101)에 병렬로 접속되어 있다. 충방전 제어회로(110)는 2차 전지의 전압을 검출하는 기능을 가지고 있다. 2차 전지가 과충전 상태(전지가 소정의 전압값보다 큰 상태, 이하 "과충전 보호 상태" 라 함) 또는 과방전 상태(전지가 소정의 전압값보다 작은 상태, 이하 "과방전 보호 상태" 라 함)인 경우에는, 스위칭 회로(102)가 턴오프 하도록 충방전 제어회로(110)로부터 신호가 출력된다. 또한, 외부 단자(+V0)가 어떤 전압에 도달할 때, 스위칭 회로(102)는 턴오프하여, 방전 동작이 정지함으로써, 스위칭 회로(102)에 흐르는 전류를 제한할 수 있다.
즉, 방전 동작은 스위칭 회로(102)에 과도한 전류가 흐를 때 정지할 수 있다(과전류 제어). 이하, 이 상태를 "과전류 보호 상태" 라 한다. 충방전 제어 회로는 이들 상태로부터 전지를 보호하는 역할을 한다.
예를 들면, 다음 구성이 일반적으로 적용된다. 즉, 리튬 이온 전지의 충방전 동작을 제어하는 경우에는, 리튬 이온 전지가 과충전 되는 것을 보호하기 위해서, 소정 레벨 이상의 단자 전압이 검출될 때, 지연회로에 의해 주어진 소정의 지연 시간 후에 스위칭 회로의 스위칭 소자가 턴오프되어 충전 동작을 금지한다.
그 결과, 과도적인 전지 전압의 변화에 응답하지 않고 과충전 상태가 확실히 검출되며, 2차 전지가 과충전 상태가 되지 않도록 2차 전지를 충전하는 동작이 제어된다. 게다가, 충방전 제어회로에서는, 과방전이 검출되면 2차 전지로부터 부하에 전류의 공급을 정지하기 위한 제어 및 2차 전지로부터 부하에 과전류가 검출되면 2차 전지로부터 부하에 전류의 공급을 정지하기 위한 제어가 동일하게 수행된다. 이들 제어에서는, 동일한 이유로 지연회로가 제어에 각각 사용된다. 예를 들면, 리튬 이온 전지의 충방전 동작을 제어하는 경우에는, 수백 mS 내지 수 S의 지연 시간이 필요하게 된다.
그러나, 지연회로를 내장하는 충방전 제어회로의 경우에는, 회로의 단자 수의 제한에 기인하여 지연 시간을 외부로부터 변경시키는 단자가 준비될 수 없는 경우가 있다. 이 경우에는, 과충전 검출 전압 및 과방전 검출 전압이 시험될 때, 각각의 시험에서 각각의 지연 시간 이상의 시한이 경과할 때까지 출력 신호가 출력되지 않는다. 출력 신호를 확인하기 위해서, 각각의 지연 시간 이상의 시한이 경과할 필요가 있으며, 그 결과 충방전 제어회로의 시험 시간이 연장되고, 회로 제조 비용이 증가될 것이다.
본 발명은 종래 기술이 가지는 상기 문제를 해결하기 위해서 만들어 졌으며, 따라서 본 발명의 목적은 규정값 이상의 전압이 충전식 전원장치의 충전기 접속 단자에 인가되는 경우에 내부 제어회로의 지연 시간을 짧게 하는 테스트 모드에 들어감으로써 검사 시간을 단축시키고 제조 비용을 낮추는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따르면, 2차 전지용 과충전 전압 검출수단 또는 과방전 전압 검출수단 또는 과전류 전압 검출수단; 상기 과충전 전압 검출수단 또는 상기 과방전 전압 검출수단 또는 상기 과전류 전압 검출수단으로부터의 신호를 입력하여 처리하며 충방전 동작을 제어하기 위한 신호를 출력하는 내부 제어회로; 및 상기 제어 신호의 출력을 입력하여 일정 지연 시간 후에 신호를 출력하는 지연회로를 구비하며; 상기 지연회로의 지연 시간은 규정 전압 이상의 전압이 충전기 접속 단자에 인가될 때 짧게 되는 충방전 제어회로가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 스위칭 회로를 통하여 외부 전원 단자에 접속된 2차 전지; 및 상기 스위칭 회로를 제어하기 위해서 과충전 전압 검출수단 또는 과방전 전압 검출수단 또는 과전류 검출회로, 내부 제어회로, 지연회로 및 전류 제어 스위칭 회로를 포함하는 충방전 제어회로를 구비하며; 상기 지연회로의 지연 시간은 규정 전압 이상의 전압이 충전기 접속 단자에 인가될 때 짧게 되는 충방전 제어장치가 제공된다.
본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 얻어진 다음의 상세한 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 충방전 제어회로를 포함하는 충전식 전원장치를 도시하는 블록도이다. 이하, 본 발명의 실시예는 도 1을 참조하여 설명될 것이다. 도 1의 회로도는 과충전 검출회로만을 도시한다. 외부 전원 단자(+V0)는 스위칭 회로(102)를 통하여 2차 전지(101)의 양극과 접속되어 있다. 2차 전지(101)의 전압은 충방전 제어회로(110)에 의해 검출되며, 스위칭 회로(102)는 이 검출 결과에 응하여 온/오프 제어된다.
충방전 제어회로(110)는 과충전 검출 비교기(113)의 입력 단자로 소정의 기준 전압(Vr)을 공급하기 위한 기준 전압회로(116), 2차 전지(101)의 단자 전압을 분압하기 위한 저항기(R0 및 R1)로 형성된 전압 분할회로(111), 과전류 검출 단자 전압을 분압하기 위한 저항기(R2, R3 및 R4)로 형성된 전압 분할회로(112), 전압 검출 비교기(114 및 115)의 입력 단자로 소정의 기준 전압(Vr)을 주기 위한 기준 전압회로(117 및 118), 내부 제어회로(120) 및 내부 지연회로(121)를 포함한다. 과전류 검출 단자는 스위칭 회로(102)와 충전기 접속 단자 사이에 접속되어 있다.
스위칭 회로(102)는 충방전 제어회로(110)의 출력에 의해 제어된다. 2차 전지(101)를 충전하기 위한 충전기(104) 및 2차 전지(101)가 전류를 공급하는 부하(103)는 외부 전원 단자(+V0 과 -V0) 사이에 접속되어 있다.
과충전 검출 비교기(113)는 전압 분할회로(111)의 저항기(R0 및 R1)에 의해 2차 전지의 단자 전압을 분압하여 생기는 분압 출력을 기준 전압회로(116)의 기준 전압(Vr)과 비교하여 과충전 상태를 검출한다. 과충전 검출 비교기(113)는 이의 정상(positive phase) 입력 단자에 입력된 분압 출력 전압의 레벨이 기준 전압(Vr)보다 클 때 고 레벨을 출력한다.
전압 검출 비교기(114 및 115)는 전압 분할 회로(112)의 저항기(R2, R3, 및 R4)에 의해 과전류 검출 단자 전압을 분압하여 생기는 분압 출력을 기준 전압회로(117 및 118)의 기준 전압(Vr)과 비교하여 전압을 검출한다. 전압 검출 비교기(114)는 이의 부상(inverse phase) 입력 단자에 입력된 분압 출력 전압의 레벨이 기준 전압(Vr)보다 클 때 저 레벨을 출력한다. 전압 검출 비교기(115)는 그 정상 입력 단자에 입력된 분압 출력 전압의 레벨이 기준 전압(Vr)보다 클 때 고 레벨을 출력한다.
내부 제어회로(120)는 입력 신호로서 과충전 검출 비교기(113)와 전압 검출 비교기(114 및 115)의 출력을 입력하여 내부 지연회로(121)로 신호를 출력한다. 내부 지연회로(121)는 입력 신호로서 내부 제어회로(120)의 출력을 입력하여 규정된 지연 시간 후에 스위칭 회로(102)를 제어하는 신호를 출력한다.
과충전 상태에서, 과충전 검출 비교기(113)는 고 레벨을 출력하며, 내부 제어회로(120)는 내부 지연회로(121)로 제어 신호를 출력한다. 내부 지연회로(121)는 입력 신호로서 이 출력 전압을 입력하여 규정된 지연 시간(t1) 후에 스위칭 회로(102)를 제어하는 신호를 출력한다.
과전류 검출 단자의 전압이 규정 전압(V1) 이상이 될 때, 전압 검출 비교기(115)의 출력은 고 레벨이 된다. 내부 제어회로(120)는 전압 검출 비교기(115)의 출력이 고 레벨이 될 때 내부 지연회로(121)의 지연 시간을 짧게 하기 위한 제어 신호를 출력하는 상태가 되며, 그 상태를 유지한다. 과충전 상태에서는, 과충전 검출 비교기(113)가 고 레벨을 출력하며, 내부 제어회로(120)가 내부 지연회로(121)로 제어 신호를 출력한다. 내부 지연회로(121)는 입력 신호로서 이 출력 전압을 입력하여 규정된 지연 시간(t2) 후에 스위칭 회로(102)를 제어하는 신호를 출력한다. 이 때문에, 일단 과전류 검출 단자가 규정 전압 이상의 전압(V1)이 되면, 지연 시간이 짧게 유지된다. 그 후에, 과충전 지연 시간이 짧은 상태로, 과충전 검출 전압이 측정될 수 있다.
과전류 검출 단자의 전압이 규정 전압(V2) 이하가 될 때, 전압 검출 비교기(114)의 출력은 고 레벨이 된다. 내부 제어회로(120)는 전압 검출 비교기(114)의 출력이 고 레벨이 될 때 내부 지연회로(121)의 지연 시간을 짧게 하기 위한 제어 신호를 출력하는 상태를 해제하여, 통상의 지연 시간(t1)을 설정한다. 따라서, 일단 과전류 검출 단자가 규정 전압 이하의 전압(V2)이 되면, 내부 제어회로(120)는 테스트 모드를 해제하여 통상 상태가 된다. 이 회로 구성에 의하면, 이상(abnormal) 고 전압을 갖는 충전기가 접속되어 과전류 검출 단자의 전압이 규정 전압(V1) 이상이 되는 경우에는, 스위칭 회로(102)가 이상 충전기가 접속되어 있다고 가정하여 턴오프 될 수 있다. 이 경우에, 충방전 제어회로(110)의 지연 시간이 짧게 되며, 고 전압이 2차 전지(101)에 인가되는 시간은 2차 전지(101)를 보호하도록 짧게 될 수 있다.
내부 지연회로의 예가 도 2를 참조하여 설명될 것이다. 정전류원(constant current source)(203 및 204)이 각각 전류(i1 및 i2)를 공급한다. i1 및 i2의 전류값은 다르며 i2가 i1보다 크다. Pch 트랜지스터(201 및 202)는 각각 입력 신호(1 및 2)에 의해 온/오프 상태를 전환한다. 내부 지연회로는 Pch 트랜지스터(201 및 202) 중에서 어느 쪽을 턴온/오프 할 것인가를 제어한다. Nch 트랜지스터는 지연 시간이 필요하게 되지 않으면 캐패시터(205)를 방전하여 전압 검출 비교기(207)의 출력을 저 레벨로 만든다.
통상 상태에서, 과충전을 검출하면, 내부 제어신호는 Nch 트랜지스터를 턴오프하며, 또한 Pch 트랜지스터(201)를 턴온하며 또한 Pch 트랜지스터(202)를 턴오프하는 제어 신호를 내부 지연회로로 출력한다. 캐패시터(205)는 시정 전류(time constant current)(i1)로 충전되며, 전압이 상승한다. 캐패시터(205)의 전압이 기준 전압원(206)의 출력 전압(Vr)을 초과할 때, 전압 검출 비교기(207)의 출력은 고 레벨이 된다. 이 신호는 스위칭 회로를 제어한다. 이 때, 지연 시간은 다음과 같다.
t1 = CVr/i1
과전류 검출 단자의 전압이 규정 전압(V1) 이상일 때, 내부 제어회로(120)는 지연 시간이 짧은 테스트 모드가 된다. 이 상황에서, 과충전을 검출하면, 내부 제어회로(120)는 Nch 트랜지스터를 턴오프하며, 또한 Pch 트랜지스터(202)를 턴온하며 또한 Pch 트랜지스터(201)를 턴오프하는 제어 신호를 내부 지연회로로 출력한다. 캐패시터(205)는 시정 전류(i2)로 충전되며, 전압이 상승한다. 캐패시터(205)의 전압이 기준 전압원(206)의 출력 전압(Vr)을 초과할 때, 전압 검출 비교기(207) 의 출력은 고 레벨이 된다. 이 신호는 스위칭 회로를 턴오프시킨다. 이 때, 지연 시간은 다음과 같다.
t2 = CVr/i2
이 경우에, t1 > t2가 만족되며, 지연 시간이 전환될 수 있다.
상기 설명은 지연 회로의 일예이며, 클록 주파수 발생회로와 카운터로 구성된 지연회로에서는, 카운터의 카운트 수가 전환됨으로써, 지연 시간을 전환할 수 있다.
또한, 다른 수단에 의해 지연 시간을 전환할 수 있는 지연회로가 사용될 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 스위치가 VSS 측에 배치되어 충전식 전원 장치를 구성할 수 있다.
이 경우에, 과전류 검출 단자의 전압이 규정 전압(V1) 이하가 될 때, 전압 검출 비교기(115)의 출력은 고 레벨이 된다. 내부 제어회로(120)는 전압 검출 비교기(115)의 출력이 고 레벨이 될 때 내부 지연회로(121)의 지연 시간이 짧게 되는 제어 상태가 되며 그 상태를 유지한다. 이 때문에, 일단 과전류 검출 단자가 규정 전압 이하의 전압(V1)이 되면, 지연 시간이 짧게 유지된다. 그 후에, 과충전 검출 전압은 과충전 지연 시간이 짧은 상태로 측정될 수 있다.
과전류 검출 단자의 전압이 규정 전압(V2) 이상일 때, 전압 검출 비교기(114)의 출력은 고 레벨이 된다. 내부 제어회로(120)는 전압 검출 비교기(114)의 출력이 고 레벨이 될 때 내부 지연회로(121)의 지연 시간이 짧은 제어 상태를 해제하여, 통상의 지연 시간(t1)을 설정한다. 이 때문에, 일단 과전류 검출 단자가 규정 전압 이상의 전압(V2)이 되면, 내부 제어회로(120)는 테스트 모드를 해제하여 통상 상태가 된다.
상기 설명은 과충전에 관해서만 설명되고 있지만, 동일한 회로가 과방전에 적용될 수 있다. 또한, 비교기가 전압 검출 수단으로서 사용되고 있지만, CMOS 트랜지스터의 임계 전압을 사용함으로써 전압을 검출하기 위한 전압 검출 수단에 의해서도 동일한 회로가 구성될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 다수의 2차 전지가 직렬로 접속되는 경우에도 동일한 회로가 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예의 전술한 설명은 예시와 설명을 목적으로 제공되었다. 개시된 정확한 형태에 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 상기 가설에 비추어 또는 본 발명의 실행으로부터 얻어질 수 있는 변형 및 변화가 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리와 실제적 적용을 설명하기 위해서 선택되고 기술되며 당해 기술분야의 숙련된 자는 고려된 특정 사용에 적합하게 각종 실시예와 변형에 본 발명을 사용할 수 있다. 본 발명의 범주를 첨부된 특허청구범위, 그리고 그 균등물에 의해서 한정하려고 의도된다
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 규정 전압 이상의 전압이 충전식 전원 장치의 충전기 접속 단자에 인가되는 경우에는, 내부 제어회로의 지연 지간을 짧게 하기 위한 테스트 모드로 들어감으로써, 검사 시간을 단축하고 제조 비용을 낮출 수 있다. 또한, 이상 전압을 가진 충전기가 접속되는 경우에는, 지연 시간이 짧게 되어 2차 전지를 보호 가능함으로써, 장기간 과도한 전류가 2차 전지에 인가되는 것을 방지할 수 있다.

Claims (2)

  1. 충방전 제어회로에 있어서,
    2차 전지용 과충전 전압 검출수단 또는 과방전 전압 검출수단 또는 과전류 전압 검출수단;
    상기 과충전 전압 검출수단 또는 상기 과방전 전압 검출수단 또는 상기 과전류 전압 검출수단으로부터의 신호를 입력하여 처리하며 충방전 동작을 제어하기 위한 신호를 출력하는 내부 제어회로; 및
    상기 제어 신호의 출력을 입력하여 일정 지연 시간 후에 신호를 출력하는 지연회로를 구비하며;
    상기 지연회로의 지연 시간은 규정 전압 이상의 전압이 충전기 접속 단자에 인가될 때 상기 규정 전압 미만의 전압이 충전기 접속 단자에 인가될 때의 지연 시간보다 짧게 되는 것을 특징으로 하는 충방전 제어회로.
  2. 충방전 제어장치에 있어서,
    스위칭 회로를 통하여 외부 전원 단자에 접속된 2차 전지; 및
    과충전 전압 검출수단 또는 과방전 전압검출 수단 또는 과전류 검출회로, 내부 제어회로, 지연회로 및 전류 제어 스위칭 회로를 포함하며 상기 스위칭 회로를 제어하기 위한 충방전 제어회로를 구비하며;
    상기 지연회로의 지연 시간은 규정 전압 이상의 전압이 충전기 접속 단자에 인가될 때 상기 규정 전압 미만의 전압이 충전기 접속 단자에 인가될 때의 지연 시간보다 짧게 되는 것을 특징으로 하는 충방전 제어장치.
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