KR102629773B1

KR102629773B1 - 배터리 충전장치 및 그 충전 제어방법

Info

Publication number: KR102629773B1
Application number: KR1020150184526A
Authority: KR
Inventors: 제이슨 배틀; 김기영; 칸델왈 아쇠시
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2024-01-26
Anticipated expiration: 2035-12-23
Also published as: US11205914B2; WO2017111238A1; KR20170075187A; US20210175736A1

Abstract

본 발명은 배터리 충전장치 및 그 충전 제어방법에 관한 것으로서, 배터리 충전장치는, 배터리를 충전하기 위한 충전 전압을 제공하는 충전부와; 충전부를 제어하는 적어도 하나의 프로세서와; 충전 경로 상에 위치하여 충전부로부터 배터리로 제공되는 충전 용량이 조정되도록 하며, 프로세서로부터 수신된 디지털 코드에 대응하여 저항값이 결정되는 가변저항부를 포함하고, 프로세서는, 배터리의 충전 사이클 동안 모니터링되는 배터리의 충전 특성에 따라 가변저항부로 출력되는 디지털 코드를 보정할 수 있다. 이에 의하여, 충전장치에 적어도 하나의 디지털 가변저항을 마련하여 유연하고 적응적인 충전 제어가 가능하며, 충전 과정에서 모니터링을 통해 디지털 코드를 보정하여 오류 상황을 실시간으로 개선할 수 있는 장점이 있다.

Description

배터리 충전장치 및 그 충전 제어방법{APPARATUS FOR CHARGING BATTERY AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

본 발명은 배터리 충전장치 및 그 충전 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디지털 가변저항을 이용한 배터리 충전장치 및 그 충전 제어방법을 제공한다.

전자 기술의 발달에 힘입어 다양한 유형의 전자 제품들이 개발 및 보급되고 있다. 예를 들어, 스마트 폰, 스마트 패드(태블릿), PDA 등과 같은 다양한 모바일 단말장치들의 사용이 점차 확대되고 있으며, 그에 따라 이러한 단말장치 내에 구비된 배터리를 충전하기 위한 충전장치도 많이 사용된다.

배터리 충전장치에는 충전량을 조절하는 제어부가 마련될 수 있다. 제어부는 디지털 또는 아날로그 방식으로 제어 가능하며, 예를 들어, 충전장치 내부에 구비된 저항에 흐르는 전류에 의해 발생되는 전압을 통해 배터리 특성을 모니터링하여 충전 설정을 업데이트하거나, 기준 전압을 변경하는 방식 등을 이용하여 배터리 충전을 제어하도록 마련될 수 있다.

이러한 배터리 충전의 제어 과정에서는 허용 오차(component tolerance), 온도 드리프트(temperature drift), 노이즈, 회로 기생성분(circuit parasitics) 등 다양한 원인에 의한 에러가 발생할 수 있다.

이렇게 발생되는 에러는 예를 들어, 배터리 충전 시간의 연장(prolonged battery charging time), 사용 가능한 배터리 용량/충전 시간의 손실(loss of usable battery capacity/runtimes), 안전 문제(triggering of safety faults), 심각한 배터리 손상(progressive battery damage) 등의 문제점을 야기할 수 있으므로, 그에 따라 배터리 충전의 제어 시에 발생되는 에러를 보정할 수 있는 수단이 마련될 필요가 있다.

본 발명 일실시예에 따른 배터리 충전장치는, 배터리를 충전하기 위한 충전 전압을 제공하는 충전부와; 충전부를 제어하는 적어도 하나의 프로세서와; 충전 경로 상에 위치하여 충전부로부터 배터리로 제공되는 충전 용량이 조정되도록 하며, 프로세서로부터 수신된 디지털 코드에 대응하여 저항값이 결정되는 가변저항부를 포함하고, 프로세서는, 배터리의 충전 사이클 동안 모니터링되는 배터리의 충전 특성에 따라 가변저항부로 출력되는 디지털 코드를 보정할 수 있다. 이에 따라, 간단한 제어에 의해 가변저항의 저항값을 보정할 수 있으므로, 충전 특성에 따른 실시간 충전 제어가 가능하게 된다.

가변저항부는, 충전 전류에 대한 정전류 제어가 이루어지도록 하는 제1저항부와; 충전 전압에 대한 정전압 제어가 이루어지도록 하는 제2저항부를 포함할 수 있다. 이에, 정확한 CC-CV 충전 제어가 이루어질 수 있다.

프로세서는, 선형 스케일링 계수를 이용하여 제1저장부로 출력되는 제1디지털 코드와 제2저장부로 출력되는 제2디지털 코드를 업데이트할 수 있다. 이에, 수식을 이용한 간단한 방식의 디지털 코드 보정이 지원된다.

제1디지털 코드는 수학식 에 의해 결정되며, RHEOSOL_RESOL는 충전 전류 세팅을 위해 설정된 소정 비트값을 가지며, TOP_RES는 제1저항부의 상부에 위치된 저항의 저항값이고, RGEO _ FS _RES는 제1저항부의 양쪽 끝단의 저항값이고, VREF는 기준 전압의 설정값이고, ICHG는 타깃 충전 전류이고, RSNS는 전류 감지 저항값이고, CURR _GAIN은 전류 감지 증폭 이득을 나타낼 수 있다. 이에, 정전류 제어를 위한 가변 저항의 코드에 따른 레지스턴스 세팅이 이루어진다.

결정된 제1디지털 코드는 수학식 및 중 어느 하나에 의해 업데이트되며, I _CTL _{_} _RHEO _{_OLD} 는 보정 전 제1디지털 코드, I _CTL _{_} _RHEO _{_NEW} 는 보정 후 제1디지털 코드, VREF _ MEAS는 기준 전압의 측정값, VICHG _ MEAS는 충전 전압의 측정값, VREF는 기준 전압의 설정값, VICHGSET는 충전 전압의 설정값을 나타낼 수 있다. 이에, 실시간 모니터링을 이용한 디지털 코드의 보정이 이루어질 수 있다.

제2디지털 코드는 수학식 에 의해 결정되며, RHEOSOL _ RESOL는 충전 전압 세팅을 위해 설정된 소정 비트값을 가지며, TOP_RES는 제2저항부의 상부에 위치된 저항의 저항값이고, RGEO _ FS _RES는 제2저항부의 양쪽 끝단의 저항값이고, VFB는 피드백 전압이고, VCHG는 타깃 충전 전압을 나타낼 수 있다. 이에, 정전압 제어를 위한 가변 저항의 코드에 따른 레지스턴스 세팅이 이루어진다.

결정된 제2디지털 코드는 수학식 및 중 어느 하나에 의해 업데이트되며, V _CTL _{_} _RHEO _{_OLD} 는 보정 전 제2디지털 코드, V _{CTL_RHEO_NEW} 는 보정 후 제2디지털 코드, VCHG _ MEAS는 충전 전압의 측정값, VFB _ MEAS는 피드백 전압의 측정값, VCHG는 충전 전압의 설정값, VFB는 피드백 전압의 설정값을 나타낼 수 있다. 이에, 실시간 모니터링을 이용한 디지털 코드의 보정이 이루어질 수 있다.

제1저항부와 제2저항부 중 적어도 하나는 디지털 코드에 대응하여 레지스턴스 세팅이 변경되는 디지털 가변저항일 수 있다. 이에, 정전압과 정전류 중 적어도 하나에 따른 충전 제어가 가능하다.

제1저항부와 제2저항부 중 어느 하나는 디지털 코드에 대응하여 레지스턴스 세팅이 변경되는 디지털 가변저항이고, 다른 하나는 고정된 저항값을 가질 수 있다. 이에, 하나의 디지털 가변저항으로도 실시간 충전 제어를 수행할 수 있다.

프로세서는, 모니터링 결과에 기초하여, 배터리로 제공되는 충전 용량의 비정상적인 상승 또는 하강에 대응하는 편차가 보정되도록 디지털 코드를 업데이트하며, 디지털 코드의 업데이트에 응답하여 가변저항부의 레지스턴스 세팅이 변경될 수 있다. 이에, 언더 프로그래밍과 오버 프로그래밍 상황을 모두 개선할 수 있게 된다.

한편, 본 발명 다른 실시예에 따른 배터리 충전장치는, 배터리를 충전하기 위한 충전 전압을 제공하는 충전부와; 충전부를 제어하는 적어도 하나의 프로세서와; 충전 경로 상에 위치하여 충전부로부터 배터리로 제공되는 충전 용량이 조정되도록 하는 제1저항부와 제2저항부를 포함하고, 제1저항부와 제2저항부 중 적어도 하나는 프로세서로부터 수신된 디지털 코드에 기초하여 저항값이 결정되는 디지털 가변저항이며, 프로세서는, 배터리의 충전 사이클 동안 모니터링되는 배터리의 충전 특성에 따라 제1저항부와 제2저항부 중 적어도 하나로 출력되는 디지털 코드를 보정할 수 있다. 이에 따라, 정전류와 정전압 충전 제어를 수행하는 가변저항의 저항값을 보정하는 방식으로, 충전 특성에 따른 실시간 충전 제어가 가능하게 된다.

한편, 본 발명 일실시예에 따른 배터리 충전장치의 충전 제어방법은, 배터리 충전장치에서 충전 경로 상에 위치하여 배터리로 제공되는 충전 용량이 조정되도록 하는 가변저항부에 대하여, 적어도 하나의 프로세서로부터 수신된 디지털 코드에 대응하여 저항값을 결정하는 단계와; 배터리의 충전 사이클 동안 모니터링되는 배터리의 충전 특성에 따라 가변저항부로 출력되는 디지털 코드를 보정하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 간단한 제어에 의해 가변저항의 저항값을 보정할 수 있으므로, 충전 특성에 따른 실시간 충전 제어가 가능하게 된다.

가변저항부는 제1저항부와 제2저항부를 포함하며, 디지털 코드를 보정하는 단계는, 제1저항부에 의해 충전 전류에 대한 정전류 제어가 이루어지도록 하고, 제2저항부에 의해 충전 전압에 대한 정전압 제어가 이루어지도록 할 수 있다. 이에, 정확한 CC-CV 충전 제어가 이루어질 수 있다.

디지털 코드를 보정하는 단계는, 선형 스케일링 계수를 이용하여 제1저장부로 출력되는 제1디지털 코드와 제2저장부로 출력되는 제2디지털 코드를 업데이트할 수 있다. 이에, 수식을 이용한 간단한 방식의 디지털 코드 보정이 지원된다.

저항값을 결정하는 단계에서, 제1디지털 코드는 수학식 에 의해 결정되며, RHEOSOL_RESOL는 충전 전류 세팅을 위해 설정된 소정 비트값을 가지며, TOP_RES는 제1저항부의 상부에 위치된 저항의 저항값이고, RGEO _ FS _RES는 제1저항부의 양쪽 끝단의 저항값이고, VREF는 기준 전압의 설정값이고, ICHG는 타깃 충전 전류이고, RSNS는 전류 감지 저항값이고, CURR _GAIN은 전류 감지 증폭 이득을 나타낼 수 있다. 이에, 정전류 제어를 위한 가변 저항의 코드에 따른 레지스턴스 세팅이 이루어진다.

디지털 코드를 보정하는 단계에서, 결정된 제1디지털 코드는 수학식 및 중 어느 하나에 의해 업데이트되며, I _CTL _{_} _RHEO _{_OLD} 는 보정 전 제1디지털 코드, I _CTL _{_} _RHEO _{_NEW} 는 보정 후 제1디지털 코드, VREF _ MEAS는 기준 전압의 측정값, VICHG _ MEAS는 충전 전압의 측정값, VREF는 기준 전압의 설정값, VICHGSET는 충전 전압의 설정값을 나타낼 수 있다. 이에, 실시간 모니터링을 이용한 디지털 코드의 보정이 이루어질 수 있다.

저항값을 결정하는 단계에서, 제2디지털 코드는 수학식 에 의해 결정되며, RHEOSOL_RESOL는 충전 전압 세팅을 위해 설정된 소정 비트값을 가지며, TOP_RES는 제2저항부의 상부에 위치된 저항의 저항값이고, RGEO _ FS _RES는 제2저항부의 양쪽 끝단의 저항값이고, VFB는 피드백 전압이고, VCHG는 타깃 충전 전압을 나타낼 수 있다. 이에, 정전압 제어를 위한 가변 저항의 코드에 따른 레지스턴스 세팅이 이루어진다.

디지털 코드를 보정하는 단계에서, 결정된 제2디지털 코드는 수학식 및 중 어느 하나에 의해 업데이트되며, V _CTL _{_} _RHEO _{_OLD} 는 보정 전 제2디지털 코드, V _CTL _{_} _RHEO _{_NEW} 는 보정 후 제2디지털 코드, VCHG _ MEAS는 충전 전압의 측정값, VFB _ MEAS는 피드백 전압의 측정값, VCHG는 충전 전압의 설정값, VFB는 피드백 전압의 설정값을 나타낼 수 있다. 이에, 실시간 모니터링을 이용한 디지털 코드의 보정이 이루어질 수 있다.

디지털 코드를 보정하는 단계는, 모니터링 결과에 기초하여, 배터리로 제공되는 충전 용량의 비정상적인 상승 또는 하강에 대응하는 편차가 보정되도록 디지털 코드를 업데이트하며, 디지털 코드의 업데이트에 응답하여 가변저항부의 레지스턴스 세팅이 변경되는 단계를 더 포함할 수 있다. 이에, 언더 프로그래밍과 오버 프로그래밍 상황을 모두 개선할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 시스템을 도시한 블록도이며,
도 2는 가변저항부를 더 포함하는 배터리 충전 시스템의 구성을 도시한 블록도이며,
도 3 내지 도 6은 본 발명 일실시예에서 디지털 가변저항부가 언더 프로그래밍된 경우를 정상적인 경우와 비교하여 도시한 도면들이며,
도 7 내지 도 10은 본 발명 일실시예에서 디지털 가변저항부가 오버 프로그래밍된 경우를 정상적인 경우와 비교하여 도시한 도면이며,
도 11은 본 발명 일실시예에 따른 배터리 충전장치의 구성을 보다 상세하게 도시한 회로도이며,
도 12는 본 발명 일실시예에 의한 배터리 충전 제어방법을 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다.

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.

또한, 실시예에서 “포함하다” 또는 “가지다”와 같은 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들의 조합이 존재함을 지정하기 위한 것이며, 하나 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가되는 가능성을 배제하는 것은 아니다.

명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱 할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.

이하에서는 도면과 관련하여 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 본 발명의 구성과 직접적으로 관련되지 않은 부분은 설명을 생략할 수 있으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 충전 시스템(1)을 도시한 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명 일 실시예의 배터리 충전 시스템(1)은 배터리 충전장치(apparatus for charging battery)(10)와 충전 대상인 배터리(battery)(20)를 포함한다.

배터리 충전장치(이하, 충전장치 라고도 한다)(10)는 배터리를 충전하기 위한 충전 전압을 제공하는 충전부(charger)(100)와 충전부(100)를 제어하는 충전 제어부(이하, 제어부 라고도 한다)(controller)(100)를 포함한다.

배터리(20)는 충전장치(10)로부터 충전 전압을 제공받아 충전되며, 다양한 장치에서 동작을 위한 전원을 공급한다. 배터리(20)는 충전하여 사용 가능한 2차전지로서, 예를 들어 리튬 이온 배터리(Li-ion battery), 리튬 폴리머(Li-polymer battery) 등을 포함한다. 본 발명에서 배터리(20)의 종류는 한정되지 않는다.

일실시예에서 충전장치(10)에 의해 충전된 배터리(20)는 모바일 단말장치를 포함하는 다양한 전자장치(도시되지 아니함)에 장착되어 동작을 위한 전원을 공급할 수 있다. 본 발명에서 배터리(20)가 장착되는 전자장치의 종류는 한정되지 않는다.

본 발명 일실시예에 따른 배터리 충전장치(10)는 외부로부터 전원을 공급받아 전자장치에 장착된 상태의 배터리 및/또는 분리된 상태의 배터리를 충전하는 휴대용 충전장치로 구현될 수 있으며, 이를 위해 배터리 및/또는 배터리가 장착된 전자장치와 신호의 송수신이 가능한 인터페이스(도시되지 아니함)가 마련된다. 또한, 다른 실시예에 따른 배터리 충전장치(10)는 데스크탑 컴퓨터(desktop), 랩탑 컴퓨터(laptop), 스마트 TV(smart TV) 등으로 구현되어, 예를 들어 USB 인터페이스를 통해 전자장치에 장착된 상태의 배터리 및/또는 분리된 상태의 배터리를 충전할 수 있다.

일실시예에서, 충전부(100)는 예를 들어 10A 이상의 고전압 충전 전류를 출력하는 charger IC로 구현될 수 있다.

제어부(200)는 배터리로부터 전압(voltage), 전류(current) 또는 온도(temperature)를 감지 즉, 센싱(sensing)하여 배터리(20)로의 충전량이 조절되도록 충전부(100)를 제어할 수 있다.

본 발명 일실시예에서, 배터리 충전장치(10)는 가변저항부(300)를 더 포함할 수 있다.

도 2는 가변저항부(300)를 더 포함하는 배터리 충전 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 가변저항부(300)는 충전 경로상에 위치하여 충전 제어부(200)의 제어에 따른 소정 저항값을 갖게 된다.

본 발명 일실시예에서 가변저항부(300)는 디지털 방식으로 동작하는 디지털 가변저항(digital variable resistance)으로서, 예를 들어 digital rheostat 또는 digital potentiometer 로 구현될 수 있다. 여기서, 디지털 가변저항은 일종의 조절 가능한 전압 분배기(voltage divider)의 기능을 할 수 있다.

가변저항부(300)는 예를 들어, 제어부(200)로부터 수신된 디지털 코드(digital code)에 기초하여 레지스턴스 세팅(resistance setting)(이하, 세팅 이라고도 한다)을 조정(adjust)할 수 있으며, 이를 위해, 제어부(200)에는 가변저항부(300)로 제어 신호를 출력하는 I2C(Inter-Integrated Circuit), SMBus(System Management Bus)와 같은 인터페이스가 마련될 수 있다.

배터리의 고속 충전(fast charging of batteries)을 위해서는 증가된 충전 전류(increased charging current)가 배터리에 인가될 필요가 있다. 통상적으로, 전반적인 충전 시간의 감소와 배터리 사용 주기(cycle life)의 해로운 영향(deleterious impact) 사이에는 트레이드 오프(tradeoffs)가 성립한다.

하이 레이트 충전(high-rate charging)의 데미지 효과(damaging effects)를 낮추기 위해, 시간, 전압, 온도, 충전상태(state-of-charge, SOC), 용량(capacity) 등에 따라 인가되는 충전 전류 및/또는 전압을 다양하게 하는 다양한 다이나믹 충전 프로파일(dynamic charging profiles)이 사용될 수 있다.

이러한 다이나믹 충전 프로파일의 구현은 I2C, SMBus, 등의 디지털 인터페이스를 통해 프로그램되는 배터리 충전기 IC와 호스트마이크로 컨트롤러(host microcontroller) 또는 모니터링된 배터리 특성(characteristics)에 기초하여 충전 세팅을 업데이트되는 연료 게이지(fuel gauge)를 필요로 한다.

또는, 아날로그 프로그램되는 충전기는 기준 전압(reference voltage)(충전 전류 컨트롤의 경우) 또는 감지된 피드백 전압(sensed feedback voltage)(충전 전압 컨트롤의 경우)을 수정(modify)하는 외부 하드웨어 즉, 외부 회로(external circuitry)를 이용하여 다이나믹하게 업데이트될 수 있다.

충전 가변(charge variation)을 수행하기 위한 외부 회로는 저항(resistor) 또는 캐패시터(capacitor)를 통해 로-패스 필터링된(low-pass filtered) PWM(pulse width modulation) 신호를 전류 감지 에러 증폭기(current sense error amplifier)를 위한 기준 전압으로 제공한다. PWM의 듀티 사이클이 증가됨에 따라 기준 전압 핀(reference voltage pin)에 영향받는 유효한 전압을 증가시키고, 충전기 IC는 증가된 에러 전압에 높은 충전 전압으로 응답하며, 반대로 충전 전류는 감소된다. 동일한 방식이 충전 전압을 변경(alter)하기 위한 전압 피드백 핀(voltage feedback pin)에도 적용될 수 있다.

여기서, 피드백 핀 전압이 배터리 전압과 피드백 전압 간에 타깃 이득 관계(target gain relationship)를 유지하기 위해 지속적으로 업데이트되고, 이득이 타깃 충전 전압에 의존적이기 때문에, 충전 전압이 쉽게 업데이트되는 것이 손실을 줄 수 있다. 그러므로, PWM 신호의 소스(예를 들어, 마이크로 컨트롤러)가 낮은 전압 상태(lower power states)를 유지하기(reside) 위해 사용할 수 있는 시간이 적고(less time), 평균 전력 소비가 증가한다.

또한, AC 파형(waveform)을 근접한 DC 전압(approximate a DC voltage)로 사용하면서 발생되는 노이즈와 리플 성분(noise and ripple contribution)이 있다. 높은 PWM 주파수의 채용(employing)은 인쇄회로기판(PCB, printed circuit board) 레이아웃(layout) 단계(phase)에서 리플 성분을 감소시키지만, 라우팅 및 실딩 필요성(routing and shielding requirements)의 복잡함을 추가할 수 있다. 반대로, 낮은 PWM 주파수는 노이즈 우려를 개선시키지만, 비용(cost) 및 사이즈에 영향을 줄 수 있는 높은 값을 가지는 저항 및/또는 캐패시터를 필요로 하는 RC 필터 설계(design)와 관련하여 영향을 준다.

다른 실시예로서, 레귤레이션 루프(regulation loops)에 높거나 낮은 충전 전압 또는 전류(higher or lower charging currents or voltages)가 적용되어(enforced) 전압 이득 특성을 변경하기 위한 피드백 전압 분배기 구조(feedback voltage divider structure)에서 스위칭되는 저항(switched resistors)을 채용할 수 있다.

병렬 저항들(parallel resistors)은 전압 분배기의 측으로 또는 으로부터(into or out) 전적으로 다중화(multiplexed)되어, 스트링 디지털 아날로그 컨버터(string DAC)와 같은 디지털 아날로그 컨버터 토폴로지(digital to analog converter topology)와 유사하게, 고정된 스텝 사이즈에 기초하여 기본 레지스턴스(base resistance)에 누적 레지스턴스(cumulative resistance)가 추가(added)될 수 있다. 이러한 기술은 플라이백 컨버터(flyback converter)의 피드백 회로에서 저항비(resistor ratio)를 변경(changing)하는 것과, 그 타깃 출력 전압을 변경(altering)하는 것에 의해 응답하는(answered) 출력 전압을 증가시키도록 요구하는 다이나믹 출력 전압 어플리케이션에서 사용된다.

이러한 방식은, 가능한 파라미터 값들(possible charge parameter values)이 엄격하게 설계된 어레이(tightly constrained array)에 대해 간단하고 비용적으로 효과적이지만, 별도의(separate) FET 스위치 및 저항이 전압 피드백 회로를 필요로 하기 때문에 수많은 세팅(numerous settings)에 적응하기 위해 사용되도록 스케일링할 때 모든 이득(benefit)이 빠르게 손실된다.

한편, 상기와 같은 충전 제어 방식들에서는, 허용 오차(component tolerance), 온도 드리프트(temperature drift), 노이즈, 회로 기생성분(circuit parasitics)등에 의해 발생되는 문제점들인, 프로그래밍된 전압에서 발생 가능한 에러를 보정할 필요가 있다.

이렇게 발생되는 에러는 예를 들어, 배터리 충전 시간의 연장(prolonged battery charging time), 사용 가능한 배터리 용량/충전 시간의 손실(loss of usable battery capacity/runtimes), 안전 문제(triggering of safety faults), 심각한 배터리 손상(progressive battery damage) 등의 문제점을 야기하게 된다.

도 3 내지 도 6은 본 발명 일실시예에서 디지털 가변저항부(300)가 언더 프로그래밍(under-programming)된 경우를 정상적인 경우와 비교하여 도시한 도면들이다.

도 3 내지 도 6를 참조하면, 가변저항부(300)가, 예를 들어 2C 또는 2x 배터리 용량의 고속 충전(high rate charging)을 요구할 수 있으며, 그에 따라 저항의 언더 프로그래밍(rheostat under-programming)에 따른 이슈를 발생시킨다.

여기서, 에러의 보정 없는 경우, 배터리는 충전 사이클(주기)이 끝나는 시점(t2)에서(at the end of the charging cycle) 충전이 불충분하게 되며(undercharged), 예를 들어 약 11% 의 충전 시간 증가(t2) 및 약 5% 의 사용 가능 용량의 손실을 발생(suffering)시킬 수 있다.

구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 정상적인 경우(normal case)의 충방전률(C Rate)(401)과 비교하여, 가변저항부(300)가 언더 프로그래밍된 상태(under programmed)의 충방전률(402)이 예를 들어, 약 5% 정도의 전류 감소를 초래하게 되므로, 결과적으로 충전 시간의 추가(t2-t1)가 필요할 수 있음을 확인할 수 있다.

같은 취지에 의해 도 4를 참조하면, 가변저항부(300)가 언더 프로래밍된 상태(412)에서는 정상적인 경우(411)와 비교하여 배터리의 온도(T)가 낮다.

도 5에 도시된 바와 같이, 가변저항부(300)가 언더 프로래밍된 상태(422)에서는, 정상적인 경우(421)와 비교하여, 충전 사이클이 끝나는 시점(t1)에서 전압(voltage)의 레벨이 타깃 전압(예를 들어, target constant voltage 4.35V)보다 낮아질 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 가변저항부(300)가 언더 프로래밍된 상태(432)에서는, 정상적인 경우(431)와 비교하여, 배터리의 충전 용량(capacity)이 낮아지게 됨을 확인할 수 있다.

상기와 같이, 가변저항부(300)가 언더 프로그래밍된 경우에는, 사용 가능한 배터리의 용량을 다 채우지 못한 채로 충전이 완료되거나, 사용자가 임의로 소정 시간 더 충전해야 하는 수고를 필요로 할 수 있게 된다.

도 7 내지 도 10은 본 발명 일실시예에서 디지털 가변저항부(300)가 오버 프로그래밍(under-programming)된 경우를 정상적인 경우와 비교하여 도시한 도면들이다.

여기서, 에러의 보정 없는 경우, 배터리는 충전 사이클(주기)이 끝나는 시점(t4)에서(at the end of the charging cycle) 과충전 되어(overcharged), 예를 들어 약 38% 의 배터리 온도의 증가(T1) 및 최종적으로 전압값이 약 100mV 증가되어 제어가 어렵게 될 수 있으며(uncontrolled), 그에 따라 이후 상태가 과전압 보호 하드웨어(overvoltage protection hardware)의 트리거(triger)를 발생시킬 우려(risk)가 있다.

구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 정상적인 경우(normal case)의 충방전률(C Rate)(501)과 비교하여, 가변저항부(300)가 오버 프로그래밍된 상태(over programmed)의 충방전률(502)이 높아지므로, 결과적으로 충전 전류의 증가(current increase)를 초래하게 됨을 확인할 수 있다.

같은 취지에 의해 도 8를 참조하면, 가변저항부(300)가 오버 프로래밍된 상태(512)에서는 정상적인 경우(511)와 비교하여 배터리의 온도(T)가 상당히 높아지는 것을 확인할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 가변저항부(300)가 오버 프로래밍된 상태(522)에서는, 정상적인 경우(521)와 비교하여, 충전 사이클이 끝나는 시점(t4)에서 전압(voltage)의 레벨이 타깃 전압(예를 들어, target constant voltage 4.35V)보다 높아질 수 있다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 가변저항부(300)가 오버 프로래밍된 상태(532)에서는, 정상적인 경우(531)와 비교하여, 배터리의 충전 용량(capacity)이 높아지게 됨을 확인할 수 있다.

이러한 가변저항부(300)가 오버 프로그래밍된 경우에는, 충전 프로세스의 안전 하드웨어의 개입(safety hardware interruption)으로 인한 전체 충전 시간의 증가를 초래할 뿐 아니라, 배터리가 그 성능(performance) 및 수명(life)에 영향(appreciable impact)을 미치는 누적 효과를 갖는 스트레스가 많은 환경(overly stressful conditions)에 반복적으로 노출(expose)되도록 하는 것이 된다.

이러한 점을 고려하여, 본 발명 실시예에 따른 배터리 충전장치(10)는 충전 정확도 및 성능(charging accuracy and performance)에 에러의 영향을 최소화하도록 구현될 수 있다.

도 11은 본 발명 일실시예에 따른 배터리 충전장치(10)의 구성을 보다 상세하게 도시한 회로도이다.

도 11에 도시된 일실시예의 배터리 충전장치(10)는, 도 1 및 도 2의 실시예와 마찬가지로 충전부(100)와 제어부(200)를 포함하며, 가변저항부(300)로서 제1저항부(310)와 제2저항부(310)를 포함한다.

도 11에 도시된 바와 같이, 충전부(100)의 충전량을 제어하는 제어부(200)에는 아날로그 값으로서 전압 또는 전류를 수신하는 다중화부(multiplexer, MUX)(210), 다중화부(210)를 통해 수신된 값을 디지털로 변환하는 디지털 아날로그 컨버터(ADC)(220), 제1저항부(310) 및 제2가변저항부(320)와 통신하는 인터페이스(230)가 마련될 수 있다.

제어부(200)는 충전장치(10)의 전반적인 동작 및 충전장치(10)의 내부 구성요소들 간의 신호 흐름을 제어하고, 데이터를 처리하는 기능을 수행할 수 있다. 일실시예에서 제어부(200)는 충전장치(10)를 전반적으로 제어하는 호스트 컨트롤러(host controller)로 구현된다.

제어부(200)는 적어도 하나의 프로세서(도시되지 아니함)를 포함할 수 있다. 일실시예에서 프로세서는 CPU(Central Processing Unit), AP(Application Processor), 마이컴(Micro Computer, MICOM)과 같은 적어도 하나의 범용 프로세서를 포함하며, 싱글 코어, 듀얼 코어, 트리플 코어, 쿼드 코어 및 그 배수의 코어를 포함할 수 있다.

다른 실시예에서 제어부(200)는 충전부(100)의 충전량 조절을 위한 프로그램을 실행하는 전용 프로세서로서 마련되는 칩(chip) 예를 들어, IC(integrated circuit) 칩을 포함하도록 구현될 수 있다.

또 다른 실시예로서, 예를 들어 충전장치(10)가 데스크탑 또는 랩탑 컴퓨터나, 스마트 TV인 경우, 제어부(200)는 충전장치(10)의 제어를 위한 제어 프로그램이 저장된 롬(ROM) 및 충전장치(10)의 외부로부터 입력되는 신호 또는 데이터를 저장하거나, 충전장치(10)에서 수행되는 다양한 작업에 대한 저장 영역으로 사용되는 램(RAM)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 프로세서는 예를 들어, 롬에 저장된 소정 알고리즘에 따라 대응하는 프로그램을 램에 로드하여 실행함으로써 충전장치(10)의 다양한 동작들을 수행하도록 구현 가능하다.

여기서, 프로세서는 복수의 프로세서, 예를 들어, 메인 프로세서(main processor) 및 서브 프로세서(sub processor)를 포함할 수 있다. 서브 프로세서는 대기전원만 공급되고 일반적인 기능을 수행하기 위해 동작하지 않는 대기모드(standby mode, 이하, 슬립모드(sleep mode) 라고도 한다)에서 동작하도록 마련된다. 상기와 같은 프로세서, 롬 및 램은 내부 버스(bus)를 통해 상호 연결될 수 있다.

상기의 또 다른 실시예에서 프로세서는 그래픽 처리를 위한 GPU(Graphic Processing Unit)의 기능을 더 수행할 수 있다. 예를 들어, 충전장치(10)가 스마트 TV인 경우, 프로세서는 코어 및 GPU가 결합된 SoC(System On Chip)의 형태로 구현될 수 있다. 여기서, 충전장치(10)가 데스크탑 컴퓨터 또는 랩탑 컴퓨터인 경우, 제어부(200)는 그래픽 처리를 위한 별도의 GPU를 더 포함할 수 있다.

다중화부(210)로는, 도 11과 같이, 기준 전압(VREF), 충전 전류(ICHG), 배터리 전압(VBAT), 피드백 전압(FB)이 입력된다.

다중화부(210)로부터 입력된 아날로그 값들은 ADC(220)에 의해 디지털로 변환된다.

인터페이스(230)는 직렬(serial) 또는 병렬(parallel) 인터페이스로 구현되며, 예를 들어, 도 11과 같이 I2C 일 수 있다. 본 발명에서, 인터페이스는 제1저항부(310) 및/또는 제2저항부(320)와 통신 가능한 디지털 인터페이스로서, 그 종류는 한정되지 않는다.

제1저항부(310)와 제2저항부(320)는 인터페이스(230)를 통해 수신되는 디지털 코드에 기초하여 서로 다른 저항 세팅값(resistance settings)을 가지도록 설정될 수 있다.

일실시예에서 제1저항부(310)와 제2저항부(320)는 몇 백 이상의 폴리실리콘(polysilicon) 또는 박막 레지스터(thin film resistors)를 롱 레지스터 래더(long resistor "ladder") 내의 관련된 스위치들과 통합하여, 최소한의 구성 및 우수한 단위(excellent granularity)로 전압의 다양한 설정에 있어서의 높은 유연성(superior flexibility)을 가질 수 있다.

그러므로, 다수의 분리된 스위칭 레지스터(multiple discretely switched resistances) 별로 구비되는 과도한 외부 회로나, 노이즈 PWM 신호를 위한 특별한 조작(handling)의 필요성이 현저하게 감소한다.

일실시예에서 2개의 멀티 비트 디지털 포텐셔미터(two multi-bit digital potentiometers)가 제1저항부(310)와 제2저항부(320)로서 제어부(200)에 접속될 수 있으며, 2개의 멀티 비트 디지털 저항은 세팅값에 의해 각각 충전 전류와 충전 전압을 조절하도록 마련된다.

다른 실시예에서, 제1저항부(310)와 제2저항부(320) 중 하나는 예를 들어 1% 고정된 값을 가지는 저항(1% fixed value resistors)으로 대체될 수 있다. 즉, 본 발명에서 가변저항부(300)에서는 제1저항부(310)와 제2저항부(320) 중 적어도 하나가 디지털 가변저항 즉, 디지털 포텐셔미터로 구현된다.

도 11은 제1저항부(310)와 제2저항부(320)가 모두 디지털 가변 저항으로 구현된 경우를 도시한 것이다.

도 11에 도시된 본 발명 일실시예에서, 제1저항부(310)는 다이나믹 충전 전류의 제어를 위한 디지털 가변저항(Digital Potentiometer for Dynamic I_CHG Control)로서, Rheostat Configuration의 역할을 하게 된다. 또한, 제2저항부(320)는 다이나믹 충전 전압의 제어를 위한 디지털 가변저항(Digital Potentiometer for Dynamic V_CHG Control)로서, Rheostat Configuration의 역할을 하게 된다.

상기와 같은 본 발명 일실시예에 따른 충전장치(10)는 제1저항부(310)와 제2저항부(320)를 이용하여 CC-CV 충전 제어가 이루어지도록 한다. 즉, 일실시예에서 제1저항부(310)는 충전 전류에 대한 정전류(constant current) 제어가 이루어지도록 하며, 제2저항부(320)는 충전 전압에 대한 정전압(constant voltage) 제어가 이루어지도록 한다.

정밀 저항기(precision resistors)를 대체하는 것으로서 디지털 포텐셔미터의 사용은, 35-50 ppm(parts per million) 이상의 온도 유발된 드리프트 에러(temperature-induced drift error) 뿐만 아니라 20% 이상에 도달하는 레지스턴스 변동이 가능한 통합 회로 제조 프로세스 변동(integrated circuit manufacturing process variations) 때마다, 규칙적인 및/또는 랜덤한 미스매치(systematic and/or random mismatch)로 인한 레지스턴스 에러(resistance error)의 보정(correcting)을 수반한다.

이러한 에러들을 보정하기 위해, 저항 분배기(resistor dividers)의 입력 및 출력 전압 노드들(input and output voltage nodes)은 사용 가능한 아날로그 디지털 변환 채널들(analog to digital conversion (ADC) channels)로 샘플링되고(sampled), 측정된 레지스턴스 에러(observed resistance error)를 보상(compensate)하기 위해 조정된 포텐셔미터 코드(adjusted potentiometer codes)가 제어부(200)에 의해 연산될 수 있다.

에러 보정 방식은 다양하게 구현 가능하며, 일실시예로서 예상되는 충전 특성으로부터의 편차(deviations)를 수정(address) 하기 위하여 간단한 선형 스케일링 계수(linear scaling factor)를 적용하거나, 다른 실시예로서 보다 다양한 용도의 다항식 곡선 접합(polynomial curve fitting)의 적용을 고려할 수 있다. 또한, 또 다른 실시예로서 좀더 다양한 방식인 제품 출시(production release) 이전에 동작 상태(operating conditions)와 이를 검사(factory-calibrate) 하는 것을 통해 충전 프로그래밍 회로 응답(charge programming circuitry response)을 특징 지을 수도 있다.

이하, 도 11을 참조하여, 제1저항부(310)와 제2저항부(320)를 제어하기 위해 제어부(200)로부터 출력되는 n-bit code 로서 디지털 코드(digital code)가 연산되는 과정에 대하여 예를 들어 설명하기로 한다.

도 11에 도시된 실시예에 따른 배터리 충전장치(10)의 제어부(200)는 인터페이스(230)를 통해 제1저항부(310)와 제2저항부(320)로 각각 제1디지털 코드(I _{CTL_RHEOSTAT_CODE} )와 제2디지털 코드(V _CTL _{_RHEOSTAT_CODE} )를 포함하는 제어신호를 출력할 수 있다. 이렇게 출력된 제1디지털 코드는 제1저항부(310)에서 충전전류 세팅을 조정하며, 제2디지털 코드는 제2저항부(320)에서 충전전압 세팅을 조정하게 된다.

일실시예에서 제1디지털 코드(I _CTL _{_RHEOSTAT_CODE} )를 연산하는 수학식 5를 순차적으로 도출하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 제1디지털 코드(I _CTL _{_RHEOSTAT_CODE} )의 값은 제1저항부(310)에서 다음의 수학식 1을 만족하도록 주어진다.

[수학식 1]

여기서, RHEO _RES 는 다음의 수학식 2로 구할 수 있다.

[수학식 2]

상기 수학식 2를 수학식 1에 대입하면 다음의 수학식 3을 얻을 수 있다.

[수학식 3]

여기서, VIGHGSET는 다음의 수학식 4를 만족한다.

[수학식 4]

그리고, 상기 수학식 4를 수학식 3에 대입하여 다음의 수학식 5가 도출된다.

[수학식 5]

여기서, RHEOSOL _ RESOL는 충전 전류 세팅을 위해 설정된 소정 비트값(n-bit resolution)을 가지며, TOP_RES는 제1저항부(310)의 상부에 위치된 저항 R1(311)의 저항값(resistance per upper static resistor)이고, RGEO _ FS _RES는 제1저항부(310)의 양쪽 끝단의 저항값(end to end resistance)이고, VREF는 충전부(100)의 기준 전압이고, ICHG는 타깃 충전 전류(target charging current)이고, RSNS는 전류 감지 저항값(current sense resistance)이고, CURR _GAIN은 전류 감지 증폭 이득(current sense amplifier gain)이다.

기준 전압(VREF)은 충전부(100)의 VREF 단자를 통해 인가될 수 있다(312). 타깃 충전 전류(ICHG)는 제어부(200)의 제어에 따라 충전부(100)로부터 배터리(20)로 출력되며(313), 그 타깃 값은 제1저항부(310)의 세팅에 응답하여 조정될 수 있다.

전류 감지 저항값(RSNS)는 저항 R3(314)의 저항값에 대응된다. 전류 감지 증폭 이득(CURR _GAIN)은 충전부(100)의 SENSE+ 단자와 SENSE- 단자를 통해 적용된다(315).

상기의 설정된 각 파라미터 값들의 일례는 아래 표 1과 같다.

파라미터(Parameter)	값(Value)	단위(Unit)
RHEO_RESOL	1024	bits
TOP_RES	3300	ohms
RHEO_FS_RES	20000	ohms
VREF	2	V
ICHG	10	A
RSNS	0.005	ohms
CURR_GAIN	30	V/V
ICTL_RHEOSTAT_CODE	507	decimal code
RHEO_RES	9900	ohms

결과적으로, 상기의 일실시예에 따라 수학식 5를 이용하여 연산된 제1디지털 코드(I _{CTL_RHEOSTAT_CODE} )는 507로 세팅 되고, 그에 따른 제1저항부(310)의 저항값은 9900옴(ohm)이 될 수 있다.

또한, 제2디지털 코드(V _CTL _{_RHEOSTAT_CODE} )를 연산하는 수학식 8을 도출하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 제2디지털 코드(V _CTL _{_RHEOSTAT_CODE} )의 값은 제2저항부(320)에서 다음의 수학식 6을 만족하도록 주어진다.

[수학식 6]

여기서, RHEO _RES 는 다음의 수학식 7로 구할 수 있다.

[수학식 7]

그리고, 상기의 수학식 7을 수학식 6에 대입하여 다음의 수학식 8이 도출된다.

[수학식 8]

여기서, RHEOSOL _ RESOL는 충전 전압 세팅을 위해 설정된 소정 비트값(n-bit resolution)을 가지며, TOP_RES는 제2저항부(320)의 상부에 위치된 저항 R2(321)의 저항값(resistance per upper static resistor)이고, RGEO _ FS _RES는 제2저항부(320)의 양쪽 끝단의 저항값(end to end resistance)이고, VFB는 충전부(100)의 피드백 전압이고, VCHG는 타깃 충전 전압(target charging voltage)이다.

피드백 전압(VFB)은 충전부(100)의 VFB 단자를 통해 인가될 수 있다(322). 타깃 충전 전압(VCHG)은 제어부(200)의 제어에 따라 충전부(100)로부터 배터리(20)로 인가되며(323), 그 타깃 값은 제2저항부(320)의 세팅에 응답하여 조정될 수 있다.

상기의 설정된 각 파라미터 값들의 일례는 아래 표 2과 같다.

파라미터(Parameter)	값(Value)	단위(Unit)
RHEO_RESOL	1024	bits
TOP_RES	32000	ohms
RHEO_FS_RES	20000	ohms
VCHG	4.4	V
VFB	1.21	V
VCTL_RHEOSTAT_CODE	621	decimal code
RHEO_RES	12138	ohms

결과적으로, 상기의 일실시예에 따라 수학식 8을 이용하여 연산된 제2디지털 코드(V _{CTL_RHEOSTAT_CODE} )는 621로 세팅 되고, 그에 따른 제2저항부(320)의 저항값은 12138옴(ohm)이 된다.

한편, 상기 수학식 5 및 수학식 8에 의해 연산되는 제1디지털 코드(I _{CTL_RHEOSTAT_CODE} )와 제2디지털 코드(V _CTL _{_RHEOSTAT_CODE} )는 전술한 도 3 내지 도 6 및 도 7 내지 도 10에서 설명된 에러의 보정(error correction)을 위하여 제어부(100)에 의해 업데이트될 수 있다.

일실시예에서 제1디지털 코드를 업데이트하는 수학식 14와 수학식 15를 순차적으로 도출하는 과정은 다음과 같다.

이하에서, I _CTL _{_} _RHEO _{_OLD} 는 보정 전 원래의(original or initial) 제1디지털 코드로, I _CTL _{_} _RHEO _{_NEW} 는 보정 후 업데이트된(updated) 제1디지털 코드로 정의된다.

먼저, 제1디지털 코드(I _CTL _{_RHEOSTAT_CODE} )의 값은 제1저항부(310)에서 다음의 수학식 9를 만족하도록 주어진다.

[수학식 9]

여기서, RHEO _RES 는 다음의 수학식 10로 구할 수 있다.

[수학식 10]

상기 수학식 10을 수학식 9에 대입하면 다음의 수학식 11을 얻을 수 있다.

[수학식 11]

여기서, VIGHGSET는 다음의 수학식 12를 만족한다.

[수학식 12]

그리고, 상기 수학식 12를 수학식 11에 대입하여 다음의 수학식 13을 구할 수 있다.

[수학식 13]

여기까지의 과정은 수학식 5를 이용하여 제1디지털 코드를 도출하는 과정에 대응한다.

그리고, 다음의 수학식 14 및 수학식 15를 이용하여 제1디지털 코드가 보정 즉, 업데이트된다.

[수학식 14]

여기서, VREF _ MEAS는 기준 전압의 측정값, VICHG _ MEAS는 충전 전압의 측정값, VREF는 기준 전압의 설정값, VICHGSET는 충전 전압의 설정값이 된다. 즉, 수학식 14는 측정된 기준 전압과 충전 전압의 비(Meas_Gain)와 설정된 기준 전압과 충전 전압의 비(Ideal_Gain)를 비교하여, Ideal_Gain 이 크면 제1저항부(310)의 저항값을 증가시키는 경우에 해당하는 것이다.

수학식 14는 도 3 내지 도 6와 관련하여 설명된 under programmed 케이스에 적용될 수 있다.

[수학식 15]

여기서, VREF _ MEAS는 기준 전압의 측정값, VICHG _ MEAS는 충전 전압의 측정값, VREF는 기준 전압의 설정값, VICHGSET는 충전 전압의 설정값이 된다. 즉, 수학식 15는 측정된 기준 전압과 충전 전압의 비(Meas_Gain)와 설정된 기준 전압과 충전 전압의 비(Ideal_Gain)를 비교하여, Meas_Gain 이 크면 제1저항부(310)의 저항값을 감소시키는 경우에 해당하는 것이다.

수학식 15는 도 7 내지 도 10과 관련하여 설명된 over programmed 케이스에 적용될 수 있다.

상기의 수학식 14는 포지티브 보정(positive correction)에, 수학식 15는 네거티브 보정(negative correction)에 각각 대응한다.

표 1과 같이 설정된 제1저항부(310)의 각 파라미터 값들은 상기의 수학식 14 및 수학식 15에 따라 각각 표 3 및 표 4와 같이 보정될 수 있다.

파라미터(Parameter)	값(Value)	단위(Unit)
VREF_MEAS	2	V
VICHGMEAS	1	V
VICHG_MEAS / VREF_MEAS	0.5
VICHG_SET / VREF	0.75
ICTL_RHEOSTAT_NEW	1268	decimal code
RHEO_RES_NEW	24769.53	ohms

결과적으로, 상기의 일실시예에서 포지티브 보정에 따라 제1디지털 코드는 1268로 업데이트 되고, 그에 따른 제1저항부(310)의 저항값은 9900옴(ohm)에서 24769.53옴(ohm)으로 변경(증가)될 수 있다.

파라미터(Parameter)	값(Value)	단위(Unit)
VREF_MEAS	2	V
VICHGMEAS	2	V
VICHG_MEAS / VREF_MEAS	1
VICHG_SET / VREF	0.75
ICTL_RHEOSTAT_NEW	128	decimal code
RHEO_RES_NEW	2494.531	ohms

결과적으로, 상기의 일실시예에서 네커티브 보정에 따라 제1디지털 코드는 128로 업데이트 되고, 그에 따른 제1저항부(310)의 저항값은 9900옴(ohm)에서 2494.531옴(ohm)으로 변경(감소)될 수 있다.

일실시예에서 제2디지털 코드를 업데이트하는 수학식 19와 수학식 20을 순차적으로 도출하는 과정은 다음과 같다.

이하에서, V _CTL _{_} _RHEO _{_OLD} 는 보정 전 제2디지털 코드로, V _CTL _{_} _RHEO _{_NEW} 는 보정 후 제2디지털 코드로 정의된다.

먼저, 제2디지털 코드(V _CTL _{_RHEOSTAT_CODE} )의 값은 제2저항부(320)에서 다음의 수학식 16을 만족하도록 주어진다.

[수학식 16]

여기서, RHEO _RES 는 다음의 수학식 17로 구할 수 있다.

[수학식 17]

그리고, 상기의 수학식 17을 수학식 16에 대입하여 다음의 수학식 18이 도출된다.

[수학식 18]

피드백 전압(VFB)은 충전부(100)의 VFB 단자를 통해 인가될 수 있다(322). 타깃 충전 전압(VCHG)는 제어부(200)의 제어에 따라 충전부(100)로부터 배터리(20)로 인가되며(323), 그 타깃 값은 제2저항부(320)의 세팅에 응답하여 조정될 수 있다.

여기까지의 과정은 제2디지털 코드를 결정하는 수학식 8을 도출하는 과정에 대응한다.

그리고, 다음의 수학식 19 및 수학식 20을 이용하여 제2디지털 코드가 보정 즉, 업데이트된다.

[수학식 19]

여기서, VCHG _ MEAS는 충전 전압의 측정값, VFB _ MEAS는 피드백 전압의 측정값, VCHG는 충전 전압의 설정값, VFB는 피드백 전압의 설정값이 된다. 즉, 수학식 19는 측정된 충전 전압과 피드백 전압의 비(Meas_Gain)와 설정된 충전 전압과 피드백 전압의 비(Ideal_Gain)를 비교하여, Ideal_Gain 이 크면 제2저항부(320)의 저항값을 증가시키는 경우에 해당하는 것이다.

수학식 19는 도 3 내지 도 6와 관련하여 설명된 under programmed 케이스에 적용될 수 있다.

[수학식 20]

여기서, VCHG _ MEAS는 충전 전압의 측정값, VFB _ MEAS는 피드백 전압의 측정값, VCHG는 충전 전압의 설정값, VFB는 피드백 전압의 설정값이 된다. 즉, 수학식 20은 측정된 충전 전압과 피드백 전압의 비(Meas_Gain)와 설정된 충전 전압과 피드백 전압의 비(Ideal_Gain)를 비교하여, Meas_Gain 이 크면 제2저항부(320)의 저항값을 감소시키는 경우에 해당하는 것이다.

수학식 20은 도 7 내지 도 10과 관련하여 설명된 over programmed 케이스에 적용될 수 있다.

상기의 수학식 19는 포지티브 보정(positive correction)에, 수학식 20은 네거티브 보정(negative correction)에 각각 대응한다.

표 2와 같이 설정된 제2저항부(320)의 각 파라미터 값들은 상기의 수학식 19 및 수학식 20에 따라 각각 표 5 및 표 6과 같이 보정될 수 있다.

파라미터(Parameter)	값(Value)	단위(Unit)
VCHG_MEAS	4.4	V
VFB_MEAS	1.1	V
VFB_MEAS / VCHG_MEAS	0.25
VFB / VCHG	0.275
ICTL_RHEOSTAT_NEW	1306	decimal code
RHEO_RES_NEW	25509	ohms

결과적으로, 상기의 일실시예에서 포지티브 보정에 따라 제2디지털 코드는 1306로 업데이트 되고, 그에 따른 제2저항부(320)의 저항값은 12138옴(ohm)에서 25509옴(ohm)으로 변경(증가)될 수 있다.

파라미터(Parameter)	값(Value)	단위(Unit)
VCHG_MEAS	4.4	V
VFB_MEAS	2.2	V
VFB_MEAS / VCHG_MEAS	0.5
VFB / VCHG	0.275
ICTL_RHEOSTAT_NEW	589	decimal code
RHEO_RES_NEW	11499	ohms

결과적으로, 상기의 일실시예에서 네커티브 보정에 따라 제2디지털 코드는 589로 업데이트 되고, 그에 따른 제2저항부(320)의 저항값은 12138옴(ohm)에서 11499옴(ohm)으로 변경(감소)될 수 있다.

상기의 수학식 14와 수학식 15, 및 수학식 19와 수학식 20은 선형 보상에 사용되는 수식 y = mx + b를 이용한 것이다. 여기서, y가 업데이트된 디지털 코드에 대응하며, x와 b가 오리지널 디지털 코드에 대응할 수 있다. m은 스케일링 계수(scaling factor)에 대응한다.

그에 따라, New Code = Old Code * (1 +- Scaling Factor) + 1 의 형태를 가지게 되며, 마지막의 "+1" term은 디지털 디바이스가 통상적으로 1 대신에 0을 첫번째 코드(first code)로서 참조하기 때문에 추가된다.

상기와 같은 수학식 13과 수학식 14 및 수학식 19와 수학식 20을 이용하여 제1디지털 코드 및 제2디지털 코드를 보정하는 방식은, 다음 에러 보정(subsequent error correction)을 위한 연속적인 실시간 모니터링(continuous real-time monitoring)과 결합하여 충전 정확도의 유지(further maintenance of charging accuracy)가 이루어지도록 할 수 있다.

구체적으로, 제어부(200)는 배터리(20)의 충전 사이클 동안 배터리의 충전 특성을 모니터링할 수 있다. 여기서, 제어부(200)는 소정 시간 간격으로 배터리의 충전 특성을 모니터링할 수 있으며, 그 모니터링 결과로서 예를 들어, 기준 전압, 충전 전압, 피드백 전압 등의 측정값을 획득할 수 있다. 그리고, 모니터링된 배터리의 충전 특성에 따라 제1저항부(310)로 출력되는 제1디지털 코드와 제2저항부(320)로 출력되는 제2디지털 코드를 보정하게 된다.

그에 따라 실시간으로 부여된 충전 정확도의 보존은, 충전 구성을 모니터링하고 교정적 피드백(corrective feedback)을 계속해서 적용하기 위한 시스템 ADC 채널들의 사용을 가능하게 할 수 있다.

상기와 같은 본 발명 일 실시예에서는 선형 스케일링 계수를 이용하여 디지털 코드를 업데이트는 것을 예로 들어서 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명에는 수학식 13과 수학식 14 및 수학식 19와 수학식 20 외에도 배터리의 충전 특성을 감지하여 그 에러를 보정하도록 디지털 코드를 업데이트할 수 있는 다양한 수식이 적용될 수 있을 것이다.

위와 같은 본 발명 실시예에 따른 가변저항부(300)에 대한 디지털 프로그래밍 기술(digital programmability techniques)은 아날로그 제어되는 배터리 충전과 비교하여 낮은 비용(low cost), 정확성(accurate), 높은 유연성(high flexible)을 제공한다. 또한, 포텐셔미터와 같은 고집적(highly integrated)의 디지털 제어되는 가변 저항(digitally-controlled variable resistors)을 사용함으로써, PWM 기반, RC 필터링된 프로그래밍 펄스(RC-filtered programming pulse), 기타 유연성을 제약하는 구성이 구비될 필요가 없으므로 노이즈 문제가 개선될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 배터리 충전장치(10)의 충전 제어방법에 관해 도면을 참조하여 설명한다.

도 12는 본 발명 일실시예에 의한 충전 제어방법을 도시한 흐름도이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 제어부(200)는 제1저항부(310)과 제2저항부(320)에 각각 출력되는 제1디지털 코드와 제2 디지털 코드를 세팅할 수 있다(S602). 여기서, 제1디지털 코드는 수학식 5를 이용하여 세팅되며, 제2디지털 코드는 수학식 8을 이용하여 세팅될 수 있다.

단계 S602에서 설정된 제1디지털 코드와 제2디지털 코드에 각각 대응하여 제1저항부(310)와 제2저항부(320)의 저항값이 결정된다(S604). 제어부(200)는 충전부(100)로부터 전원을 공급받아 배터리(20)가 충전되도록 제어하며, 여기서 단계 S604에서 결정된 제1저항부(310)와 제2저항부(320)의 저항값에 의해 배터리(20)로의 충전 용량이 조정될 수 있다.

제어부(200)는 단계 S604에서 배터리(20) 충전을 제어하면서, 기준 전압(VREF), 충전 전압(VCHG) 및 피드백 전압(VFB)을 모니터링한다(S606).

단계 S606의 모니터링 결과, 언더 프로그래밍과 오버 프로그래밍 중 하나가 감지될 수 있다(S608). 여기서, 언더 프로그래밍은 도 3 내지 도 6과 같이 충전 전압/용량이 정상적인 경우와 비교하여 낮아 충전 시간이 연장되는 문제가 발생될 수 있으며, 오버 프로그래밍은 도 9 내지 도 10과 같이 충전 전압/용량이 정상적인 경우와 비교하여 높아 충전장치(10)의 고장을 발생시킬 우려가 있다.

단계 S608에서 언더 프로그래밍과 오버 프로그래밍 중 하나가 감지되면, 제어부(200)는 제1디지털 코드와 제2디지털 코드를 보정 즉, 업데이트하여, 그를 포함하는 제어신호 제1저항부(310)와 제2저항부(320)에 각각 출력한다(S610). 여기서, 업데이트된 제1디지털 코드는 수학식 13와 수학식 14 중 대응하는 어느 하나를 이용하여 결정될 수 있으며, 업데이트된 제2디지털 코드는 수학식 19와 수학식 20 중 대응하는 어느 하나를 이용하여 결정될 수 있다.

도 12에서는 제1저항부(310)와 제2저항부(320)가 모두 디지털 가변저항으로 구현되어, 제어부(200)가 제1디지털 코드와 제2디지털 코드를 모두 세팅 및 보정하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이는 본 발명의 일 실시예에 해당하는 것이다.

즉, 본 발명 다른 실시예에서 제1저항부(310)와 제2저항부(320) 중 어느 하나가 디지털 가변저항이고, 다른 하나는 저항값의 가변이 불가능한 고정저항일 수 있다. 그에 따라, 제어부(200)는 단계 S602, S604, S610에서 제1디지털 코드와 제2디지털 코드 중 가변저항에 대응하는 어느 하나를 세팅, 결정 및 업데이트하도록 구성될 수 있다. 또한, 단계 S606에서 기준 전압과 충전 전압을 모니터링하거나(제1저항부가 가변저항), 충전 전압과 피드백 전압을 모니터링하도록(제2저항부가 가변저항) 구성될 수 있을 것이다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 배터리(20)를 충전하는 충전장치(10)에 충전량을 조정할 수 있는 적어도 하나의 디지털 가변저항(310, 320)을 마련하여, 유연하고 적응적인 충전 제어가 가능한 배터리 충전장치(10)를 제공할 수 있다.

또한, 충전 과정에서 실제 충전에 대한 모니터링을 통해 디지털 가변저항(310, 320)으로 출력된 디지털 코드를 보정하여 충전 시간 및 충전 용량을 변경 제어함으로써, 언더 프로그래밍과 오버 프로그래밍 상황을 실시간으로 개선할 수 있다.

그에 따라, 불필요하게 충전 시간이 길어지거나, 고전압의 반복적인 인가로 인해 충전장치(100)의 고장이 발생하는 불편을 사전에 예방할 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 본 발명 실시예에 따른 충전 제어는 휴대용 충전기, USB 연결에 의한 충전이 가능한 컴퓨터 등 충전을 제어하는 프로세서 및 디지털 가변저항이 마련되는 다양한 충전장치에 활용 가능하다.

한편, 상기와 같은 본 발명의 다양한 실시예들은 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체로 실시될 수 있다. 컴퓨터가 판독 가능한 기록매체는 전송매체 및 컴퓨터 시스템에 의해 판독 가능한 데이터를 저장하는 저장매체를 포함한다. 전송매체는 컴퓨터 시스템이 상호 결합된 유무선 네트워크를 통해 구현 가능하다.

본 발명의 다양한 실시예들은 하드웨어와 하드웨어 및 소프트웨어의 결합에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어로서, 프로세서(200)는 소프트웨어인 컴퓨터프로그램이 저장되는 비휘발성메모리와, 비휘발성메모리에 저장된 컴퓨터프로그램이 로딩되는 RAM과, RAM에 로딩된 컴퓨터프로그램을 실행하는 CPU를 포함할 수 있다. 비휘발성메모리는 하드디스크드라이브, 플래쉬메모리, ROM, CD-ROMs, 자기테이프(magnetic tapes), 플로피 디스크, 광기억 장치(optical storage), 인터넷을 이용한 데이터 전송장치 등을 포함하며, 이에 한정되지 않는다. 비휘발성메모리는 본 발명의 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램이 기록된 기록매체(computer-readable recording medium)의 일례이다.

컴퓨터프로그램은 CPU가 읽고 실행할 수 있는 코드로서, 도 12에 도시된 단계 S602 내지 S610과 같은 프로세서(300)의 동작을 수행하도록 하는 코드를 포함한다.

컴퓨터프로그램은 충전장치(10)에 구비된 운영체제(operating system) 또는 어플리케이션을 포함하는 소프트웨어 및/또는 외부장치와 인터페이스하는 소프트웨어에 포함되어 구현될 수 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

1 : 배터리 충전 시스템
10 : 배터리 충전장치
20 : 배터리
100 : 충전부
200 : 충전 제어부
300 : 가변저항부
310 : 제1저항부
320 : 제2저항부

Claims

전자장치에 있어서,
충전부와;
배터리와;
가변저항부와;
디지털코드에 대응하는 저항값을 식별하고,
상기 식별된 저항값에 기초하여, 상기 배터리를 충전하기 위한 충전 전류를 조절하도록 상기 가변저항부를 제어하고,
상기 배터리에 상기 조절된 충전 전류를 제공하도록 상기 충전부를 제어하고,
상기 충전 전류가 비정상으로 식별되는 데 기초하여, 측정된 충전 전압과 기준 충전 전압을 비교하는 것에 의해 상기 저항값을 조정하는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자장치.
제1항에 있어서,
상기 가변저항부는,
충전 전류에 대한 정전류 제어가 이루어지도록 하는 제1저항부와;
충전 전압에 대한 정전압 제어가 이루어지도록 하는 제2저항부를 포함하며,
상기 프로세서는,
상기 배터리의 충전 사이클 동안 모니터링된 배터리 충전 특성에 따라 상기 제1저항부로 출력되는 제1디지털 코드와 상기 제2저항부로 출력되는 제2디지털 코드를 보정하고,
선형 스케일링 계수를 이용하여 상기 제1디지털 코드와 상기 제2디지털 코드를 업데이트하는 것을 특징으로 하는 전자장치.
삭제
제2항에 있어서,
상기 제1디지털 코드는 수학식 에 의해 식별되는 것을 특징으로 하는 전자장치.
여기서, RHEOSOL_RESOL는 충전 전류 세팅을 위해 설정된 소정 비트값을 가지며, TOP_RES는 제1저항부의 상부에 위치된 저항의 저항값이고, RGEO_FS_RES는 제1저항부의 양쪽 끝단의 저항값이고, VREF는 기준 전압의 설정값이고, ICHG는 타깃 충전 전류이고, RSNS는 전류 감지 저항값이고, CURR_GAIN은 전류 감지 증폭 이득을 나타냄
제4항에 있어서,
상기 식별된 제1디지털 코드는 수학식 또는 중 어느 하나에 의해 업데이트되는 것을 특징으로 하는 전자장치.
여기서, ICTL_RHEO_OLD는 보정 전 제1디지털 코드, ICTL_RHEO_NEW는 보정 후 제1디지털 코드, VREF_MEAS는 기준 전압의 측정값, VICHG_MEAS는 충전 전압의 측정값, VREF는 기준 전압의 설정값, VICHGSET는 충전 전압의 설정값을 나타냄
제2항에 있어서,
상기 제2디지털 코드는 수학식 에 의해 식별되는 것을 특징으로 하는 전자장치.
여기서, RHEOSOL_RESOL는 충전 전압 세팅을 위해 설정된 소정 비트값을 가지며, TOP_RES는 제2저항부의 상부에 위치된 저항의 저항값이고, RGEO_FS_RES는 제2저항부의 양쪽 끝단의 저항값이고, VFB는 피드백 전압이고, VCHG는 타깃 충전 전압을 나타냄
제6항에 있어서,
상기 식별된 제2디지털 코드는 수학식 또는 중 어느 하나에 의해 업데이트되는 것을 특징으로 하는 전자장치.
여기서, VCTL_RHEO_OLD는 보정 전 제2디지털 코드, VCTL_RHEO_NEW는 보정 후 제2디지털 코드, VCHG_MEAS는 충전 전압의 측정값, VFB_MEAS는 피드백 전압의 측정값, VCHG는 충전 전압의 설정값, VFB는 피드백 전압의 설정값을 나타냄
제2항에 있어서,
상기 제1저항부 또는 상기 제2저항부 중 적어도 하나는 상기 디지털 코드에 대응하여 레지스턴스 세팅이 변경되는 디지털 가변저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자장치.
제2항과, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1저항부와 상기 제2저항부 중 어느 하나는 상기 디지털 코드에 대응하여 레지스턴스 세팅이 변경되는 디지털 가변저항이고, 다른 하나는 고정된 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 전자장치.
제2항에 있어서,
상기 가변저항부는 충전 경로 상에 위치하여, 상기 충전부에서 상기 배터리로 제공되는 충전 용량을 조정하고 상기 프로세서로부터 수신된 디지털 코드에 대응하여 식별된 저항값을 가지도록 구성되며,
상기 프로세서는, 상기 모니터링 결과에 기초하여, 상기 배터리로 제공되는 충전 용량의 비정상적인 상승 또는 하강에 대응하는 편차가 보정되도록 상기 디지털 코드를 업데이트하며,
상기 디지털 코드의 업데이트에 응답하여 상기 가변저항부의 레지스턴스 세팅이 변경되는 것을 특징으로 하는 전자장치.
삭제
충전부와, 배터리와, 가변저항부와, 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 전자장치의 충전 제어방법에 있어서,
디지털코드에 대응하는 저항값을 식별하는 단계와;
상기 식별된 저항값에 기초하여, 상기 배터리를 충전하기 위한 충전 전류를 조절하도록 상기 가변저항부를 제어하는 단계와;
상기 배터리에 상기 조절된 충전 전류를 제공하도록 상기 충전부를 제어하는 단계와;
상기 충전 전류가 비정상으로 식별되는 데 기초하여, 측정된 충전 전압과 기준 충전 전압을 비교하는 것에 의해 상기 저항값을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 충전 제어방법.
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