KR20150016442A - 선형 레귤레이터를 이용한 2차 전지 충전회로 - Google Patents

선형 레귤레이터를 이용한 2차 전지 충전회로 Download PDF

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Abstract

2차 전지 충전 방법이 개시된다. 저전류의 충전동작이 수행될 경우에는 정전압 모드가 사용되고, 고전류의 충전동작이 수행될 경우에는 스위칭 동작에 따른 정전류 모드가 사용된다. 저전류 충전동작인 정전압 모드에서는 선형 레귤레이터가 충전동작에 사용되며, 고전류 충전동작인 정전류 모드에서는 PWM 동작에 따른 스위칭의 반복 동작이 수행된다. 따라서, 충전동작시 셀에 인가되는 전압의 리플은 감소된다.

Description

선형 레귤레이터를 이용한 2차 전지 충전회로{SECOND BATTERY CHARGING CIRCUIT USING LINEAR REGULATOR}
본 발명은 2차 전지 충전 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스위칭 방식과 선형 레귤레이터 방식을 선택적으로 이용하는 2차 전지 충전 회로와 이를 구동하는 충전 방법에 관한 것이다.
2차 전지는 양극과 음극을 가지고, 두 전극 사이에서 리튬 이온은 가역적으로 전달된다. 2차 전지는 에너지 밀도가 높고, 작동 전압이 높을 뿐 아니라 우수한 보존 및 수명 특성을 보이는 등의 많은 장점을 갖는다.
2차 전지의 충전 동작은 음극에 전자를 가하는 것이며, 통상 정전압으로 제어된 DC 성분을 전극에 인가하여 인가 전압과 전지내부전압 차이에 의한 전류에 기인하여, 전자가 공급됨으로써 수행된다. 전지의 공칭단위인 셀(C로 표기됨)당 인가전압이 정해져 있으며, 통상 휴대폰용 리튬이온전지 및 리튬폴리머전지에는 1셀당(정격3.6V) 4.2V로 엄격히 제한된 정전압이 인가되어야 한다. 단위 셀당 4.5V 이상이 인가되면, 전해액이 분해되어 가스가 발생하고, 누액이 발생되며, 폭발의 위험성이 상존한다. 또한, 단위 셀당 1.5V 이하의 과방전 상태에서는 음극의 집전체가 전해액에 용해되어, 전지성능이 저하된다. 따라서, 안정한 충방전을 위한 전압범위를 설정하기 위해 2차 전지에는 보호회로가 구비되고 있다.
보호회로는 약 4.35V 이상에서 충전전류 정지, 2.3V이하에서는 방전전류 정지, 출력단자 단락시 방전전류 정지 기능이 있다. 충전전류는 0.1C에서 1.5C까지의 범위에서 수행되며, 550mAh의 리튬 이온 전지의 경우(1C=550mAh) 600mA 내지 700mA의 전류로 충전이 수행되며, 급속 충전을 위해 충전 전류가 증가 되면, 온도 상승에 의해 충방전 사이클(통상300회)에 영향을 주어 전지 수명에 감소 되는 문제가 발생한다. 충전회로는 2차 전지의 수명 및 성능에 악영향을 미치지 않는 범위에서 최대한 빠른 시간에 안정적인 충방전 동작을 위해 구성되어야 한다.
또한, 2차 전지의 충전 개시 시점에서 정전류 방식이 사용되고, 충전 전류는 일정 크기로 인가된다. 또한, 단자 전압이 특정 레벨까지 상승하면, 정전압 회로가 구동되어 2차 전지의 전극들에는 일정한 전압이 인가된다. 충전 동작이 진행되어 전극들 사이의 전압 레벨이 정전압 회로가 인가되는 전압의 레벨을 상회하면, 2차 전지는 과충전이 되고, 결함이 야기되거나, 수명 및 안정성이 손상된다.
2차 전지의 충전 동작이 수행되기 위해서는 충전 회로, 레귤레이터 및 스위치가 구비된다. 충전 회로는 외부로부터 전원을 인가받아 셀을 충전하고, 레귤레이터는 외부로부터 인가되는 전원전압을 일정한 DC 레벨로 형성하거나 충전 회로의 출력전압을 특정의 전압 레벨로 셋팅한다. 스위치는 정전류 방식 또는 정전압 방식을 선택하기 위해 사용된다.
특히 상기 2차 전지의 충전 회로는 정전압 방식인 저전류 구동시, 펄스 주파수 변조(Pulse-Frequency Modulation) 제어 방식이 주로 사용된다. 상기 방식은 스위칭의 Turn-on 구간동안 큰 전류를 인덕터를 통해 공급하고, Turn-off 되는 동작이 반복되면서 충전이 된다. 상기 저전류 구성시, 전류 리플이 크게 발생되며, 출력 전압 또한 리플이 나타난다. 대부분 2차 전지의 출력 전압에서 나타나는 리플 성분은 전지의 수명과 크게 연관되어 있다. 따라서 2차 전지는 충전 과정에서 리플없이 정확하게 충전이 되어야 전지의 수명을 연장할 수 있다. 또한 PFM 제어 방식은 PFM발생기 및 역전류감지부 등이 필요하여 구조적으로 구현하기 복잡한 문제점을 갖고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 선형 레귤레이터를 포함하여 구조적으로 간단하고, 저전류로 충전시 전류 및 전압 리플이 최소화된 충전 회로를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 정전압 모드로 동작하기 위한 선형 레귤레이터부; 정전류 모드로 동작하기 위한 PWM 동작부; 및 상기 선형 레귤레이터부 및 상기 PWM 동작부의 출력신호를 선택적으로 수신하여 상기 정전압 모드 또는 상기 정전류 모드로 충전 동작을 수행하기 위한 모드 선택부를 포함하는 2차 전지 충전회로를 제공한다.
본 발명의 상기 과제는, 충전 동작의 시점에서 낮은 전류가 공급되는 정전압 모드로 동작하기 위한 선형 레귤레이터부; 상기 정전압 모드에 따른 셀의 단자전압의 상승에 따라 PWM 제어를 통한 정전류 모드로 동작하기 위한 PWM 동작부; 상기 선형 레귤레이터부 및 상기 PWM 동작부의 출력신호를 선택적으로 수신하여 상기 정전압 모드 또는 상기 정전류 모드로 충전 동작을 수행하기 위한 모드 선택부; 및 상기 모드 선택부의 출력을 감지하고 상기 PWM 동작부의 동작을 제어하기 위한 센싱부를 포함하는 2차 전지 충전회로의 제공을 통해서도 달성된다.
본 발명에 따르면, 2차 전지 충전 회로의 저전류 충전 방식은 선형 레귤레이터를 이용한 정전압 모드로 한다. 상기 선형 레귤레이터의 이용은 종래의 PFM 제어 방식보다 구조가 간단해지고, 저전류 충전 방식에서 출력전압의 리플을 줄일 수 있어 시스템의 안정 및 전지의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2차 전지 충전회로의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2차 전지 충전회로의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 2차 전지 충전회로의 회로도이다.
도 4는 센싱부의 전압 감지부의 일예를 도시한 회로도이다.
도 5는 기존의 PFM방식과 본 발명의 선형 레귤레이터를 이용한 방식의 충전 전류 및 전압의 파형을 비교하여 도시한 이미지이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
<제1 실시예>
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 2차 전지 충전회로의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 충전 회로는 선형 레귤레이터부(100), PWM 동작부(200), 제1 모드 선택부(300) 및 센싱부(400)를 가진다.
선형 레귤레이터부(100)는 입력되는 충전전압 VCHG를 수신하고, 충전전압 VCHG에 대한 선형 레귤레이션 동작을 수행한다. 선형 레귤레이션된 전압은 제1 모드 선택부(300)로 인가된다. 상기 선형 레귤레이터부(100)는 전류원(102), 에러 엠프(101), 파워 트랜지스터 QP 및 궤환부(103)를 가진다.
PWM 동작부(200)는 상기 선형 레귤레이터의 궤환부(103)에 의해 감지된 전압을 수신하고, 기 설정된 기준 레벨 이상의 전압이 인가되는 경우, 활성화된다. 상기 PWM 동작부(200)의 출력신호는 제1 모드 선택부(300)로 인가된다.
제1 모드 선택부(300)는 상기 선형 레귤레이터부(100)의 출력신호 및 상기 PWM 동작부(200)의 출력신호를 수신한다. 신호들의 수신에 의해 트랜지스터들 QNM 및 QNS는 상보적으로 동작된다. 상기 제1 모드 선택부(300)의 출력신호는 센싱부(400)로 인가된다.
센싱부(400)는 센싱 저항 Rs 및 전압 감지부(401)를 가진다. 센싱 저항 Rs를 흐르는 전류는 전압차 Vs로 나타나며, 센싱 저항 Rs의 양단에 나타난 전압차 Vs는 전압 감지부(401)에 의해 감지된다. 실시의 형태에 따라서, 상기 센싱부(400)에 의해 감지된 전압차 Vs는 특정 형태의 전압 레벨로 출력되고, 출력된 전압 레벨은 상기 PWM 동작부(200)의 활성화 동작에 사용될 수 있다.
따라서, 상기 PWM 동작부(200)에는 궤환부(103)에서 감지된 감지 전압 또는 센싱부(400)의 출력이 인가될 수 있다.
먼저, 2차 전지 C에 대한 충전 동작이 개시되는 경우, 충전 회로는 정전압 모드에서 동작한다. 즉, 2차 전지 C의 단자 전압은 매우 낮은 상태를 유지한다. 선형 레귤레이터의 궤환부(103)는 2개의 저항들 R1 및 R2를 가지고, 2차 전지 C에 인가되는 전압을 저항의 분배비에 따라 감지한다. 감지된 전압인 궤환 전압은 에러 엠프(101)에 인가된다. 이는 선형 레귤레이터부(100)의 궤환부(103)의 궤환 전압이 낮으며, 에러 엠프(101)의 양의 입력단자에 인가되는 기준전압 VREF 미만이 된다.
따라서, 에러 엠프(101)는 하이 레벨의 신호를 출력하고, 파워 트랜지스터 QP는 오프된다. 따라서, 선형 레귤레이터는 충전전압 VCHG를 제1 모드 선택부(300)의 트랜지스터 QNS의 게이트 단자에 인가한다. 트랜지스터 QNS의 게이트 단자에 인가되는 충전전압에 의해 트랜지스터 QNS는 턴온된다. 따라서, 일정한 레벨을 가지는 입력전압 VIN은 턴온된 트랜지스터 QNS에 의해 센싱부(400)로 인가된다. 센싱부(400)에 인가된 입력전압 VIN은 2차 전지 C에 인가되고, 2차 전지 C에서는 정전압 모드의 충전동작이 수행된다.
또한, 낮은 레벨의 궤환부(103)의 궤환 전압으로 인해 PWM 동작부(200)는 동작을 중지하거나 비활성화된다. 따라서, 정전압 모드에서는 트랜지스터 QNM은 오프 상태를 유지한다. 또한, 충전 동작의 초기에 2차 전지 C에 충전되는 전류량은 작은 값을 가지므로 센싱부(400)에서 감지되는 센싱 저항 Rs의 전압차 Vs는 낮은 값을 유지한다. 만일, PWM 동작부(200)의 동작을 결정하는 요소가 센싱부(400)의 출력신호인 경우에도 낮은 레벨의 센싱 저항 Rs의 전압차 Vs로 인해 PWM 동작부(200)는 비활성화된다.
정전압 모드에서의 충전동작이 진행됨에 따라 2차 전지 C로 흐르는 전류량은 증가한다. 또한, 2차 전지 C의 전극에서 나타나는 전압도 증가한다. 따라서, 선형 레귤레이터부(100)의 궤환부(103)에서 감지된 궤환 전압도 증가한다. 특히, 궤환부(103)에 의해 감지된 궤환 전압이 기준전압 VREF 이상인 경우, 에러 엠프(101)는 로우 레벨을 출력하고, 파워 트랜지스터 QP는 턴온된다. 따라서, 선형 레귤레이터는 로우 레벨의 신호를 제1 모드 선택부(300)의 트랜지스터 QNS의 게이트 단자에 인가하고, 트랜지스터 QNS는 턴오프된다.
동시에, 궤환부(103)에서 감지된 궤환 전압은 PWM 동작부(200)를 활성화시킨다. 상기 PWM 동작부(200)에는 특정의 기준 레벨이 기 설정된 상태이며, 설정된 기준 레벨을 상회하는 전압이 궤환부(103)에서 발생되면 활성화되어 PWM 신호를 형성한다. 따라서, 제1 모드 선택부(300)의 트랜지스터 QNM은 온/오프 동작을 반복한다. 따라서, 정전류 모드의 구동이 개시된다.
정전류 모드에서의 충전동작이 진행됨에 따라 상기 트랜지스터 QNM의 주기적 신호가 인덕터 L에 유도기전력을 발생시키고, 센싱 저항 Rs에 높은 레벨의 전류가 인가된다. 따라서, 센싱 저항 Rs의 전압차 Vs는 높은 값을 유지하며, 상기 높은 레벨의 전류로 인해 2차 전지 C는 충전이 된다. 동시에, 2차 전지 C의 전압은 상승한다.
2차 전지 C에 대한 충전 동작이 진행되어 특정 레벨 이상의 전압이 2차 전지 C의 전극에 나타나는 경우, 정전류 모드의 충전은 종료되고, 다시 정전압 모드의 충전동작이 수행된다.
즉, 2차 전지 C의 단자 전압은 매우 높은 값으로 유지되면서, 2차 전지 C에 공급되는 전류는 감소한다. 따라서, 선형 레귤레이터부(100)의 궤환부(103)의 궤환 전압은 낮아지며, 에러 엠프(101)의 양의 입력단자에 인가되는 기준전압 VREF 미만이 된다. 따라서, 에러 엠프(101)는 하이 레벨의 신호를 출력하고, 파워 트랜지스터 QP는 오프된다. 따라서, 선형 레귤레이터는 충전전압 VCHG를 제1 모드 선택부(300)의 트랜지스터 QNS의 게이트 단자에 인가한다. 트랜지스터 QNS의 게이트 단자에 인가되는 충전전압에 의해 트랜지스터 QNS는 턴온된다. 따라서, 일정한 레벨을 가지는 입력전압 VIN은 턴온된 트랜지스터 QNS에 의해 센싱부(400)로 인가된다. 센싱부(400)에 인가된 입력전압 VIN은 2차 전지 C에 인가되고, 2차 전지 C에서는 정전압 모드의 충전동작이 수행된다.
또한, 낮은 레벨의 궤환부(103)의 감지 전압으로 인해 PWM 동작부(200)는 다시 동작을 중지하거나 비활성화된다. 따라서, 정전압 모드에서는 트랜지스터 QNM은 오프 상태를 유지한다.
<제2 실시예>
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2차 전지 충전회로의 회로도이다.
도 2을 참조하면, 본 실시예의 충전 회로는 선형 레귤레이터부(100), PWM 동작부(200), 제2 모드 선택부(310) 및 센싱부(400)를 가진다.
선형 레귤레이터부(100)는 상기 도 1과 동일한 구성을 가진다. 따라서, 상기 선형 레귤레이터부(100)는 전류원(102), 에러 엠프(101), 파워 트랜지스터 QP 및 궤환부(103)를 가진다.
PWM 동작부(200)는 상기 선형 레귤레이터의 궤환부(103)에 의해 감지된 궤환 전압을 수신하고, 기 설정된 기준 레벨 이상의 전압이 인가되는 경우, 활성화된다. 상기 PWM 동작부(200)의 출력신호는 제2 모드 선택부(310)로 인가된다.
제2 모드 선택부(310)는 상기 선형 레귤레이터부(100)의 출력신호 및 상기 PWM 동작부(200)의 출력신호를 수신한다. 제1 스위치(301)는 선형 레귤레이터의 출력 또는 PWM 동작부(200)의 출력을 선택할 수 있다. 또한, 제2 스위치(302)는 온/오프 동작을 통해 인턱터 L 및 감지저항 Rs를 바이패스 할 수 있다. 상기 제2 모드 선택부(310)의 출력신호는 선택적으로 센싱부(400)로 인가된다.
센싱부(400)는 센싱 저항 Rs 및 전압 감지부(401)를 가진다. 센싱 저항 Rs를 흐르는 전류는 전압차 Vs로 나타나며, 센싱 저항 Rs의 양단에 나타난 전압차 Vs는 전압 감지부(401)에 의해 감지된다. 실시의 형태에 따라서, 상기 센싱부(400)에 의해 감지된 전압차 Vs는 특정 형태의 전압 레벨로 출력되고, 출력된 전압 레벨은 상기 PWM 동작부(200)의 활성화 동작에 사용될 수 있다.
따라서, 상기 PWM 동작부(200)에는 궤환부(103)에서 감지된 궤환 전압 또는 센싱부(400)의 출력이 인가될 수 있다.
먼저, 2차 전지 C에 대한 충전 동작이 개시되는 경우, 충전 회로는 정전압 모드에서 동작한다. 정전압 모드에서는 제1 스위치(301)는 선형 레귤레이터부(100)에 연결되고, 제2 스위치(302)가 턴온된다. 또한, 2차 전지 C의 단자 전압은 매우 낮은 상태를 유지한다. 이는 선형 레귤레이터부(100)의 궤환부(103)의 궤환 전압이 낮으며, 에러 엠프(101)의 양의 입력단자에 인가되는 기준전압 VREF 미만이 된다. 따라서, 에러 엠프(101)는 하이 레벨의 신호를 출력하고, 파워 트랜지스터 QP는 오프된다. 따라서, 선형 레귤레이터는 충전전압 VCHG를 제2 모드 선택부(310)의 제1 스위치(301)를 통해 트랜지스터 QNM의 게이트에 인가한다. 트랜지스터 QNM의 게이트 단자에 인가되는 특정 레벨의 충전전압에 의해 트랜지스터 QNM는 턴온되고, 일정한 레벨을 가지는 입력전압 VIN은 턴온된 트랜지스터 QNM에 의해 인덕터 L와 센싱부(400)를 통과하지 않고, 제2 스위치(302)로 인가된다. 제2 스위치(302)에 인가된 입력전압 VIN은 2차 전지 C에 인가되고, 2차 전지 C에서는 정전압 모드의 충전동작이 수행된다.
또한, 낮은 레벨의 궤환부(103)의 궤환 전압으로 인해 PWM 동작부(200)는 동작을 중지하거나 비활성화된다.
정전압 모드에서의 충전동작이 진행됨에 따라 2차 전지 C로 흐르는 전류량은 증가한다. 또한, 2차 전지 C의 전극에서 나타나는 전압도 증가한다. 따라서, 선형 레귤레이터부(100)의 궤환부(103)에서 감지된 궤환 전압도 증가한다. 특히, 궤환부(103)에 의해 감지된 궤환 전압이 기준전압 VREF 이상인 경우, 에러 엠프(101)는 로우 레벨을 출력하고, 파워 트랜지스터 QP는 턴온되며, 제1 스위치(301)는 제2 모드 선택부(310)와 PWM 신호발생기 사이의 전기적 연결을 달성한다.
동시에, 궤환부(103)에서 감지된 궤환 전압은 PWM 동작부(200)를 활성화시킨다. 상기 PWM 동작부(200)에는 특정의 기준 레벨이 기 설정된 상태이며, 설정된 기준 레벨을 상회하는 전압이 궤환부(103)에서 발생되면 활성화되어 PWM 신호를 형성한다. 따라서, 제2 모드 선택부(310)의 트랜지스터 QNM은 온/오프 동작을 반복한다. 따라서, 정전류 모드의 구동이 개시되고, 제2 스위치(302)는 개방된다.
정전류 모드에서의 충전동작이 진행됨에 따라 상기 트랜지스터 QNM의 주기적 신호가 인덕터 L에 유도기전력을 발생시키고, 센싱 저항 Rs에 높은 레벨의 전류가 인가된다. 따라서, 센싱 저항 Rs의 전압차 Vs는 높은 값을 유지하며, 상기 높은 레벨의 전류로 인해 2차 전지 C는 충전이 된다. 동시에, 2차 전지 C의 전압은 상승한다.
2차 전지 C에 대한 충전 동작이 진행되어 특정 레벨 이상의 전압이 2차 전지 C의 전극에 나타나는 경우, 정전류 모드의 충전은 종료되고, 다시 정전압 모드의 충전동작이 수행된다.
즉, 2차 전지 C의 단자 전압은 매우 높은 값으로 유지되면서, 2차 전지 C에 공급되는 전류는 감소한다. 따라서, 선형 레귤레이터부(100)의 궤환부(103)의 궤환 전압은 낮아지며, 에러 엠프(101)의 양의 입력단자에 인가되는 기준전압 VREF 미만이 된다. 따라서, 에러 엠프(101)는 하이 레벨의 신호를 출력하고, 파워 트랜지스터 QP는 오프된다. 따라서, 선형 레귤레이터는 충전전압 VCHG를 제2 모드 선택부(310)의 트랜지스터 QNM의 게이트 단자에 인가한다.
트랜지스터 QNM의 게이트 단자에 인가되는 특정 레벨의 충전전압에 의해 트랜지스터 QNM는 턴온되고, 일정한 레벨을 가지는 입력전압 VIN은 턴온된 트랜지스터 QNM에 의해 인덕터 L와 센싱부(400)를 통과하지 않고, 제2 스위치(302)로 인가된다. 일정한 레벨을 가지는 입력전압 VIN에 의해 전류 또한 일정한 레벨을 가지므로, 인덕터 L에 의해 유도기전력이 발생하지 않는다. 제2 스위치(302)에 인가된 입력전압 VIN은 2차 전지 C에 인가되고, 2차 전지 C에서는 정전압 모드의 충전동작이 수행된다.
또한, 낮은 레벨의 궤환부(103)의 궤환 전압으로 인해 PWM 동작부(200)는 동작을 중지하거나 비활성화된다.
<제3 실시예>
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 2차 전지 충전회로의 회로도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 충전 회로는 선형 레귤레이터부(100), PWM 동작부(200), 제3 모드 선택부(320) 및 센싱부(400)를 가진다.
선형 레귤레이터부(100)의 구성 및 동작은 상기 도 1 및 도 2에 설명된 바와 동일하다.
다만, 본 실시예에서는 제3 모드 선택부(320)의 구성이 상기 도 1 및 도 2와 상이하다. 따라서, 상이한 구성을 가지는 제3 모드 선택부(320)를 중심으로 본 실시예의 충전 회로를 설명한다.
본 실시예의 제3 모드 선택부(320)는 제3 스위치(303)를 가진다. 상기 제3 스위치(303)는 선형 레귤레이터의 출력 또는 PWM 동작부(200)의 출력을 선택할 수 있다. 따라서, 제3 모드 선택부(320)에는 선형 레귤레이터의 출력 및 PWM 동작부(200)의 출력이 선택적으로 수신될 수 있다.
먼저, 2차 전지 C에 대한 충전 동작이 개시되는 경우, 충전 회로는 정전압 모드에서 동작한다. 정전압 모드에서는 제3 스위치(303)가 턴온된다. 또한, 2차 전지 C의 단자 전압은 매우 낮은 상태를 유지한다. 이는 선형 레귤레이터부(100)의 궤환부(103)의 궤환 전압이 낮으며, 에러 엠프(101)의 양의 입력단자에 인가되는 기준전압 VREF 미만이 된다. 따라서, 에러 엠프(101)는 하이 레벨의 신호를 출력하고, 파워 트랜지스터 QP는 오프된다. 따라서, 선형 레귤레이터는 충전전압 VCHG를 제3 모드 선택부(320)의 제3 스위치(303)를 통해 트랜지스터 QNM의 게이트에 인가한다.
트랜지스터 QNM의 게이트 단자에 인가되는 특정 레벨의 충전전압에 의해 트랜지스터 QNM는 턴온되고, 일정한 레벨을 가지는 입력전압 VIN은 턴온된 트랜지스터 QNM에 의해 인덕터 L에 인가된다. 또한, 일정한 레벨을 가지는 입력전압 VIN에 의해 전류 또한 일정한 레벨을 가지므로, 인덕터 L에 의해 유도기전력이 발생하지 않는다. 센싱부(400)에 인가된 입력전압 VIN은 2차 전지 C에 인가되고, 2차 전지 C에서는 정전압 모드의 충전동작이 수행된다.
또한, 낮은 레벨의 궤환부(103)의 궤환 전압으로 인해 PWM 동작부(200)는 동작을 중지하거나 비활성화된다.
정전압 모드에서의 충전동작이 진행됨에 따라 2차 전지 C로 흐르는 전류량은 증가한다. 또한, 2차 전지 C의 전극에서 나타나는 전압도 증가한다. 따라서, 선형 레귤레이터부(100)의 궤환부(103)에서 감지된 궤환 전압도 증가한다. 특히, 궤환부(103)에 의해 감지된 궤환 전압이 기준전압 VREF 이상인 경우, 에러 엠프(101)는 로우 레벨을 출력하고, 파워 트랜지스터 QP는 턴온되며, 제3 스위치(303)는 제3 모드 선택부(320)와 PWM 신호발생기 사이에서 턴온된다.
동시에, 궤환부(103)에서 감지된 궤환 전압은 PWM 동작부(200)를 활성화시킨다. 상기 PWM 동작부(200)에는 특정의 기준 레벨이 기 설정된 상태이며, 설정된 기준 레벨을 상회하는 전압이 궤환부(103)에서 발생되면 활성화되어 PWM 신호를 형성한다. 따라서, 제3 모드 선택부(320)의 트랜지스터 QNM은 온/오프 동작을 반복한다. 따라서, 정전류 모드의 구동이 개시된다.
정전류 모드에서의 충전동작이 진행됨에 따라 상기 트랜지스터 QNM의 주기적 신호가 인덕터 L에 유도기전력을 발생시키고, 센싱 저항 Rs에 높은 레벨의 전류가 인가된다. 따라서, 센싱 저항 Rs의 전압차 Vs는 높은 값을 유지하며, 상기 높은 레벨의 전류로 인해 2차 전지 C는 충전이 된다. 동시에, 2차 전지 C의 단자 전압은 상승한다.
2차 전지 C에 대한 충전 동작이 완료되는 경우, 충전 회로는 다시 정전압 모드에서 동작한다. 즉, 2차 전지 C의 단자 전압은 매우 높은 값으로 유지되면서, 2차 전지 C에 공급되는 전류는 감소한다. 따라서, 선형 레귤레이터부(100)의 궤환부(103)의 궤환 전압은 낮아지며, 에러 엠프(101)의 양의 입력단자에 인가되는 기준전압 VREF 미만이 된다. 따라서, 에러 엠프(101)는 하이 레벨의 신호를 출력하고, 파워 트랜지스터 QP는 오프된다. 따라서, 선형 레귤레이터는 충전전압 VCHG를 제3 모드 선택부(320)의 트랜지스터 QNM의 게이트 단자에 인가한다.
QNM의 게이트 단자에 인가되는 특정 레벨의 충전전압에 의해 트랜지스터 QNM는 턴온되고, 일정한 레벨을 가지는 입력전압 VIN은 턴온된 트랜지스터 QNM에 의해 인덕터 L에 인가된다. 또한, 일정한 레벨을 가지는 입력전압 VIN에 의해 전류 또한 일정한 레벨을 가지므로, 인덕터 L에 의해 유도기전력이 발생하지 않는다. 센싱부(400)에 인가된 입력전압 VIN은 2차 전지 C에 인가되고, 2차 전지 C에서는 정전압 모드의 충전동작이 수행된다.
또한, 낮은 레벨의 궤환부(103)의 감지 전압으로 인해 PWM 동작부(200)는 동작을 중지하거나 비활성화된다.
도 4는 센싱부의 전압 감지부의 일예를 도시한 회로도이다.
상기 도 4의 전압 감지부(401)는 제1 실시예 내지 제3 실시예에 개시된 전압 감지부(401)로서 동작한다.
도 4를 참조하면, 전압 감지부(401)는 OP 엠프(402)를 이용한 감산기의 구성을 가진다.
제1 입력전압 VIN1 및 제2 입력전압 VIN2는 센싱 저항 Rs의 양단의 전압을 나타낸다. 따라서, 센싱 저항 Rs 양단의 전압차 Vs는 VIN1-VIN2가 된다. 입력전압이 낮은 레벨의 값인 경우, 선형 레귤레이터의 궤환부(103)에 입력되는 신호 또한 낮은 레벨의 값을 가지므로, 충전 방식은 정전압 모드가 된다. 반면, 입력전압이 높은 레벨의 값인 경우, 선형 레귤레이터의 궤환부(103)에 입력되는 신호 또한 높은 레벨의 값을 가지므로, 충전 방식은 정전류 모드가 된다.
참조전압 VREF2는 OP 엠프(402)의 양의 입력단자에 인가되는 특정 기준전압이다, 상기 입력전압이 참조전압 VREF2 미만인 경우, OP 엠프(402) 연산을 통해 센싱부(400)에서 출력되는 출력전압은 높은 레벨의 값을 가진다. 반면, 상기 입력전압이 참조전압 VREF2 이상인 경우, 출력전압은 낮은 레벨의 값을 가진다. 따라서, 전압 감지부(401)의 출력전압의 값을 통해 PWM 동작부(200) 및 스위치에 인가되는 신호 제어를 할 수 있다.
따라서, 상기 전압 감지부(401)의 출력 Vout은 하기의 수학식 1로 표시될 수 있다.
Figure pat00001
도 5는 기존의 PFM방식과 본 발명의 선형 레귤레이터를 이용한 방식의 충전 전류 및 전압의 파형을 비교하여 도시한 이미지이다.
도 5를 참조하면, PFM방식에서는 충전 전류의 레벨이 가변될 때, 출력 전압에 리플이 발생하지만, 본 발명에서는 충전 전류의 레벨이 가변되어도, 출력 전압의 리플이 대폭 감소한다. 이는 PFM 방식에서의 저전류 상태에서 고전류 상태의 전환시, 모드의 변환이 수행되지 않으므로 충전 회로에서의 급준한 전류량의 변동은 충전 전압의 리플을 야기하기 때문이다.
반면, 본 발명에서는 저전류로 충전되는 상태에서는 정전압 모드로 동작하므로 전압의 리플이 원천적으로 차단될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 충전전류량의 변화에 기인한 충전전압의 리플이 현저히 감소된다. 또한, 선형 레귤레이터부(100)의 구동시 2차 전지 C에 충전되는 전압을 일정하게 유지하여 과충전이 되는 것을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100 : 선형 레귤레이터부
101 : 에러 엠프
102 : 전류원
103 : 궤환부
200 : PWM 동작부
300 : 제1 모드 선택부
301 : 제1 스위치
302 : 제2 스위치
303 : 제3 스위치
310 : 제2 모드 선택부
320 : 제3 모드 선택부
400 : 센싱부
401 : 전압 감지부
402 : OP 엠프

Claims (14)

  1. 정전압 모드로 동작하기 위한 선형 레귤레이터부;
    정전류 모드로 동작하기 위한 PWM 동작부; 및
    상기 선형 레귤레이터부 및 상기 PWM 동작부의 출력신호를 선택적으로 수신
    하여 상기 정전압 모드 또는 상기 정전류 모드로 충전 동작을 수행하기 위한 모드 선택부를 포함하는 2차 전지 충전회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선형 레귤레이터부는,
    셀을 충전하는 전압을 감지하고, 저항 분배 비율에 따른 궤환전압을 형성하기 위한 궤환부; 및
    상기 궤환부의 궤환전압과 기준전압을 수신하고, 상기 궤환전압과 상기 기준전압의 차이를 증폭하기 위한 에러 엠프; 및
    상기 에러 엠프의 출력을 수신하고, 온/오프 동작을 수행하기 위한 파워 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 정전압 모드에서 상기 파워 트랜지스터는 오프되어, 상기 선형 레귤레이터부는 충전전압을 출력하고, 상기 정전류 모드에서 상기 파워 트랜지스터는 온되어, 상기 선형레귤에이터는 로우 레벨을 출력하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  4. 제3항에 있어서, 상기 모드 선택부는,
    상기 PWM 동작부의 출력신호를 수신하기 위한 제1 트랜지스터; 및
    상기 선형 레귤레이터부의 출력을 수신하기 위한 제2 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 정전압 모드에서 상기 제2 트랜지스터는 턴온되어, 입력전압을 셀에 전달하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  6. 제4항에 있어서, 상기 정전류 모드에서 상기 제1 트랜지스터는 반복적으로 턴온되어 입력전압을 셀에 전달하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  7. 제3항에 있어서, 상기 모드 선택부는,
    상기 선형 레귤레이터부의 출력 또는 상기 PWM 동작부의 출력을 선택하기 위한 제1 스위치; 및
    상기 제1 스위치를 통해 전달되는 신호에 따른 온/오프 동작을 수행하기 위한 제3 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 스위치는 상기 정전압 모드에서는 상기 선형 레귤레이터부의 출력을 상기 제3 트랜지스터에 전달하고, 상기 정전류 모드에서는 상기 PWM 동작부의 출력을 상기 제3 트랜지스터에 전달하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  9. 제7항에 있어서, 상기 모드 선택부는 상기 제3 트랜지스터를 통해 전달되는 입력전압을 선택적으로 수신하고, 상기 제3 트랜지스터에 연결된 인덕터를 바이패스 하기 위한 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  10. 제1항에 있어서, 상기 2차 전지 충전회로는 상기 모드 선택부에 의해 셀을 충전하는 전류를 감지하기 위한 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  11. 충전 동작의 시점에서 낮은 전류가 공급되는 정전압 모드로 동작하기 위한 선형 레귤레이터부;
    상기 정전압 모드에 따른 셀의 단자전압의 상승에 따라 PWM 제어를 통한 정전류 모드로 동작하기 위한 PWM 동작부;
    상기 선형 레귤레이터부 및 상기 PWM 동작부의 출력신호를 선택적으로 수신하여 상기 정전압 모드 또는 상기 정전류 모드로 충전 동작을 수행하기 위한 모드 선택부; 및
    상기 모드 선택부의 출력을 감지하고 상기 PWM 동작부의 동작을 제어하기 위한 센싱부를 포함하는 2차 전지 충전회로.
  12. 제11항에 있어서, 상기 모드 선택부는,
    상기 PWM 동작부의 출력신호를 수신하기 위한 제1 트랜지스터; 및
    상기 선형 레귤레이터부의 출력을 수신하기 위한 제2 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  13. 제11항에 있어서, 상기 모드 선택부는,
    상기 선형 레귤레이터부의 출력 또는 상기 PWM 동작부의 출력을 선택하기 위한 제1 스위치; 및
    상기 제1 스위치를 통해 전달되는 신호에 따른 온/오프 동작을 수행하기 위한 제3 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 스위치는 상기 정전압 모드에서는 상기 선형 레귤레이터부의 출력을 상기 제3 트랜지스터에 전달하고, 상기 정전류 모드에서는 상기 PWM 동작부의 출력을 상기 제3 트랜지스터에 전달하는 것을 특징으로 하는 2차 전지 충전회로.
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