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[국내논문] 충전식 전원 모듈의 성능 개선에 대한 연구
A Study on Performance Improvement of Rechargeable Power Modules 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.2 = no.471, 2017년, pp.141 - 145  

안태원 (동양미래대학교 전기전자통신공학부) ,  이강윤 (성균관대학교 전자전기공학부)

초록
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본 논문에서는 휴대용 전자기기에 널리 사용되고 있는 리튬-이온 충전용 전원 모듈에서 발열을 줄이면서 배터리의 충전 시간을 단축하기 위한 기법을 연구하였다. 제안하는 기법은 마스터 충전 모듈과 슬레이브 충전 모듈로 구성된 다중 충전 모듈을 이용하여 병렬적인 전류 경로를 구성하면서 단일 선로 통신 방식을 적용함으로써 추가적인 하드웨어를 최소화하여 충전 회로를 매우 간단하게 구성할 수 있도록 하였다. 마스터 충전 모듈과 슬레이브 충전 모듈 간의 단일 선로 통신 방식은 필요 부품의 핀 개수를 최소화하고 디지털 통신 방식을 사용하지 않고 전압 레벨을 이용한 통신 방식을 적용하였기 때문에 구현 면적이 줄어들고 비용적인 측면에서도 유리한 장점이 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 충전 기법은 고속의 충전을 필요로 하는 충전식 전원 모듈의 구현에 실용적으로 적용 가능할 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a method to improve Li-ion battery charging speed for portable electronic devices maintaining stable operating temperature. The proposed method uses multiple chargers which consist of a master module and slave modules designed with single wire communication signal for parallel cu...

Keyword

#Li-ion battery   #charging speed   #multiple chargers   #single wire communication  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 또한 리튬-이온 충전용 배터리는 항상 온도의 급상승에 대한 주의가 필요하며, 특히 충전 속도를 높이기 위한 고속의 정전류 모드에서 발열 문제의 개선이 필수적이다. 이러한 관점에서 본 논문에서는 회로의 복잡도를 줄이고 급속 충전 동작에 의한 온도 상승효과를 최소화함으로써 충전모듈의 안정성을 유지하면서 저비용으로 충전식 전원 모듈의 충전 속도를 개선하기 위한 기법에 대하여 소개한다.
  • 본 논문에서는 리튬-이온 충전용 전원 모듈에서 발열을 줄이면서 배터리의 충전 시간을 단축하기 위한 기법을 연구하였다. 제안하는 기법은 마스터 충전 모듈과 슬레이브 충전 모듈로 구성된 다중 충전 모듈을 이용하여 병렬적인 전류 경로를 구성하면서 단일 선로 통신 방식을 적용함으로써 추가적인 하드웨어를 최소화하여 충전 회로를 매우 간단하게 구성할 수 있도록 하였다.

가설 설정

  • 그림 8과 그림 9는 본 논문에서 제안한 기법에 대한 설계와 동작 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 외부 전원 공급 VBUS는 5V로 가정하고 전류 한계를 1.2A로 설정 하고, 마스터 충전 모듈 1개와 슬레이브 충전 모듈 2개 구성하여 시뮬레이션을 수행하였다. 초기 시작 단계에서 VSC 전압은 마스터 충전 모듈에 의해 로직 High 레벨이 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
리튬-이온 충전 배터리의 장단점은? 현재 리튬-이온 충전용 배터리 모듈은 휴대용 전자 기기 등에 널리 사용되고 있으며, 특히 최근의 스마트 폰, PDA 단말기, 랩탑 등에는 없으면 안 될 아주 주요한 기능 블록으로 자리하고 있다. 충전 모듈의 성능은 충전 효율, 충전 속도, 안정성, 가격 등에 의해 사용자의 선택을 받게 되는데 리튬-이온 충전 배터리는 에너지 밀도가 높아서 고용량화에 유리한 장점이 있는 반면에 과도 충전시 안정성이 떨어지는 특성이 있고, 반대로 완전 방전시 충전 수명이 크게 감소하는 단점을 가지고 있다[1～2]. 특히 과도한 충전이 지속될 경우 물리적인 손상 위험이 있으며, 충전 레벨이 낮은 상태가 지속되는 경우에는 충전지의 에너지 용량이 감소하게 된다.
일반 적인 기존 배터리 충전 방식의 한계점은? 충전 시간을 단축하기 위해서는 배터리 충전 전류를 증가시켜서 출력 전력을 높여야 하는데 충전 전류가 증가 되면, BATTERY CHARGER의 발열이 증가되기 때문에 충전 전류를 계속 늘릴 수 없다. 따라서 이와 같은 일반 적인 기존 배터리 충전 방식은 충전 시간을 단축하는데 한계가 있다.
대부분의 경우 리튬-이온 충전기가 충전될 때 전류는 어떻게 변화하는가? 물론 최근에는 USB에서 나오는 DC 출력 전압을 이용해서 충전을 하는 경우도 많다. 대부분의 경우에는 빠르고 안정적인 충전을 진행하기 위하여 처음에 일정한 전류를 충전기에 공급하여 일정 전압 이상으로 충전한 후 모드를 전환하여 충전 전류의 양을 줄이면서 일정 전압을 유지하여 공급함으로써 충전을 완료하게 된다. 이러한 방식의 충전에서는 정전류 모드와 정전압 모드의 적절한 전환에 의해 충전 모듈의 안전성과 속도, 그리고 전원 효율이 결정되게 된다[1～2].
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참고문헌 (6)

  1. Do Valle B, et al., "An Area and Power- Efficient Analog Li-Ion Battery Charger Circuit," IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, vol. 5, no. 2, pp. 131-137, April 2011. 

    상세보기 crossref

  2. Min Chen, et al., "Accurate, Compact, and Power-Efficient Li-Ion Battery Charger Circuit," IEEE Transactions on Circuits and Systems II, vol. 53, no. 11, pp. 11801-1184, November 2006. 

  3. Seok-Ho Song, et al., "A Study on The Enhanced Charging Algorithm of Lithium-Ion Secondary Battery," Journal of the IEEK, vol. 38-IE, no. 4호, pp. 112-121, December 2001. 

  4. Ki-Woong Jin, et al., "A hybrid charging IC for a lithium ion battery with improved charging performance," in Proceedings of the IEEK Conference, pp. 123-126, June 2014. 

  5. Len Sherman, "The Basics of USB Battery Charging : A Survival Guide," Maxim Integrated Products, Inc., December 2010. 

  6. MASTER-SLAVE MULTI-PHASE CHARGING, Qualcomm, Inc., Patent US 2014/0347001 A1. 

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