Switching 및 Linear 방식의 장점을 이용한 하이브리드 리튬 이온 배터리 충전 IC :Hybrid Lithium-ion battery charger IC using the advantage of Switching and Linear regulator

진기웅

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자료유형: 학위논문

저자정보: 진기웅 (단국대학교, 단국대학교 대학원)

지도교수: 박시홍

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

Switching 및 Linear 방식의 장점을 이용한 하이브리드 리튬 이온 배터리 충전 IC

진기웅 전자전기공학과 2015.01 학위논문

2014

리튬이온 배터리 충전 성능 향상을 위한 하이브리드 충전 IC

진기웅 , 김준식 , 박시홍 대한전자공학회 학술대회 2014.06 학술대회자료

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리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도, 비 메모리효과, 긴 수명, 관리의 편리성 등 많은 장점을 가지고 있기 때문에 휴대폰, 테블릿 PC, 노트북과 같은 휴대용 IT기기에 널리 사용된다. 휴대용 IT기기들은 소형화 및 경량화 되고 있으나 화면의 대형화, 기능의 다양화, 빠른 처리 속도는 더 많은 전력을 필요로 하여 배터리 사용시간과 셀 용량 증가가 요구된다. 그러나 리튬이온 배터리가 과전압 충전되면 셀 용량이 치명적으로 줄어들어 수명 감소되기 때문에 리튬이온 배터리 충전회로 설계 시 정확한 만충전압으로 충전 및 관리가 이루어지도록 설계해야 한다.
또한 리튬이온 배터리 충전 알고리즘은 Pre-charge mode, CC(Constant current) mode, CV(Constant Voltage) mode, End of charge mode 이며 각각의 상태에 따라 자동으로 전환된다. 기존에는 만충전압 부근인 End of charge mode에서 작은 부하 구동 시 PFM control Switching 충전 방식을 사용한다. PFM control Switching 충전 방식은 충전전류 ripple로 인해 배터리 전압에 ripple 발생한다. Ripple로 인하여 배터리전압은 과충전 되어 충전용량에 악영향 끼쳐 배터리수명이 감소하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 Switching 충전 방식과 Linear 충전 방식의 장점을 이용한 하이브리드 리튬 이온 배터리 충전 IC를 설계하였다. 고 전류로 충전되는 Pre-charge mode, CC mode, CV mode 구간에서 발열을 최소화 하고 효율을 높이기 위해 PWM control Switching 충전방식으로 구동되고, 저 전류로 충전되는 End of charge mode의 작은 부하에서는 기존에 보편적으로 사용하던 PFM control Switching 충전방식이 아닌 Linear regulator 충전방식을 사용하였다. Linear regulator 충전방식은 충전전류 및 전압에 Ripple이 존재하지 않기 때문에 리튬이온 배터리의 만충전압에 정확하게 충전이 이루어진다. 따라서 과충전에 의한 배터리 용량감소 현상이 발생하지 않아 배터리 수명을 보장한다.
제안된 하이브리드 리튬이온 배터리 충전 IC는 상측, 하측 Power MOSFET과 Linear charge mode에 사용되는 sub Power MOSFET을 모두 n-type으로 사용하여 면적에 대한 경쟁력을 높였다. 하이브리드 배터리 충전 IC는 동부하이테크 사의 0.18um BCDMOS 공정을 사용하여 제작하였고 Cadence사의 IC design tool(Spectre/Virtuoso)을 사용하여 설계 및 시뮬레이션하고 레이아웃 하였다. 제작된 IC를 검증하기 위해 PCB 보드를 제작하고 테스트를 통해 검증하였다. 본 논문에서 제안한 배터리 충전 IC를 사용할 경우 배터리 수명 측면에서 큰 효과가 기대된다.

Lithium-ion battery is widely used in portable IT devices such as cell phones, tablet PCs, and laptops because it has a number of advantages such as long life, high energy density, non-memory effect, and convenience of administration. Portable IT devices are becoming smaller and lighter. However, larger screen size, diversification of functions, and faster processing speed of portable IT devices will require more power. So, longer battery life and greater charging capacity is required. When designing lithium-ion battery charging circuits, battery voltage has to be fully charged to the correct voltage because the battery’s charging capacity is critically affected by overvoltage.
Li-ion battery charging algorithm consists of Pre-charge mode, CC (Constant current) mode, CV (Constant Voltage) mode, and End of charge mode. It automatically switches between modes in accordance with each state. When driving a small load near the maximum charge voltage of End of charge mode, conventional methods used the PFM control Switching charging mode. This mode will cause the battery voltage to ripple due to the charging current ripple. Battery voltage is overcharged because of Ripple, thereby reducing battery capacity and life. In this paper, a Hybrid Lithium-ion battery charger IC is designed using the advantages of both the Switching charging scheme and Linear charging scheme to solve this problem. PWM control Switching charging method, which minimizes heat generation and is highly efficient, is used in modes that charge at a high-current: Pre-charge mode, CC mode, and CV mode. Linear regulator charging method ? instead of the conventional PFM control Switching charging method ? is used in low-current charging conditions consisting End of charge mode with a small load. Linear regulator charging system does not experience charge current and voltage ripple, enabling the battery to charge at the accurate full-charge battery voltage. Therefore, longer battery life is guaranteed by preventing capacity reduction due to overcharging.
The proposed hybrid lithium-ion battery charger IC uses an n-type high side Power MOSFET, n-type low side Power MOSFET, n-type sub Power MOSFET used in linear charge mode to reduce chip size. The charger IC was designed in Cadence''s ''Spectre,'' layouted in Cadence''s ''Virtuoso,'' and fabricated through Dongbu HITEC''s 0.18μm BCDMOS process. Its characteristics were tested and verified on a PCB board. Using the proposed battery charging IC, longer battery life is expected.

Ⅰ. 서론 1
1. 연구배경 1
2. 논문구성 2
Ⅱ. Li-ion Battery charger Background 3
1. Li-ion Battery charger 충전방식 종류 3
2. Li-ion Battery charger 충전 프로파일 4
3. Li-ion Battery charger 충전 전압?전류와 수명 관계 6
Ⅲ. Buck converter Background 8
1. Buck converter 개요 8
2. CCM, DCM 이해 12
2.1 CCM 동작이해 12
2.2 DCM 동작이해 17
3. PWM, PFM 이해 22
3.1 PWM control 동작이해 22
3.2 PFM control 동작이해 22
4. Voltage mode control, Current mode control 이해 23
4.1 Switching Mode Power Supply 개요 23
4.2 Voltage mode control buck converter 23
4.3 Current mode control buck converter 25
Ⅳ. 하이브리드 Li-ion Battery charger IC 설계 27
1. 설계목표 27
2. 제안된 하이브리드 Li-ion Battery charger IC 충전방식 28
3. Switching Mode 충전회로 30
4. Linear charger Mode 충전회로 33
5. 제작된 IC Pin map 34
6. Total block diagram 35
7. 내부 Block 주요 기능 36
Ⅴ. 내부 Block 회로 설계 및 Simulation 결과 38
1. Bias & OSC Block 38
2. Drive Block 49
3. Control Block 53
4. Protection Block 68
5. Current level change simulation 결과 73
6. Total simulation 결과 및 분석 75
Ⅵ. 실험 결과 78
1. 제작된 IC 및 평가용 Board 78
2. Simulation 결과와 Test 결과 비교 80
3. Test 측정 결과 81
Ⅶ. 결론 88
참고문헌 90
Abstract 92

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