CN102403756A - 充放电控制电路以及电池装置 - Google Patents

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樱井敦司
小池智幸
佐野和亮
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Abstract

本发明提供一种充放电控制电路以及电池装置，在用一个双向导通型场效应晶体管控制二次电池的充放电的充放电保护电路中，减小布局面积，减少双向导通型场效应晶体管的漏电流，从而稳定动作。该充放电控制电路具有：开关电路，其通过控制二次电池的充放电的控制电路的输出来控制双向导通型场效应晶体管的栅极；以及两个肖特基势垒二极管，它们防止充电电流和放电电流的逆流。并且具有如下结构：将第一个肖特基势垒二极管的阴极连接到双向导通型场效应晶体管的漏极，将第二个肖特基势垒二极管的阴极连接到双向导通型场效应晶体管的源极。

Description

充放电控制电路以及电池装置
技术领域
本发明涉及检测二次电池的电压和异常的充放电控制电路以及电池装置，尤其涉及能够用一个充放电控制MOSFET进行控制的充放电控制电路以及电池装置。
背景技术
图3示出现有的具有充放电控制电路的电池装置的电路图。现有的具有充放电控制电路的电池装置在二次电池101的负极侧，串联连接可双向导通截止的增强型N沟道MOSFET 306。在端子120、121上连接有充电电路或负载，充放电电流通过该端子被提供或放出到二次电池101。控制电路102对二次电池101和增强型N沟道MOSFET 306的电压进行检测，并根据该电压值控制开关301、304、305的接通、断开。增强型N沟道MOSFET 306可在栅极端子的电位为正的阈值电压以上时，使漏极端子和源极端子之间双向导通，在栅极端子的电位小于阈值电压时，漏极端子和源极端子之间成为截止状态。
说明充电禁止状态。在端子120、121之间连接充电器时，增强型N沟道MOSFET306的漏极端子-源极端子之间的电压Vds为正值。控制电路102检测Vds为正的情况，接通开关301，断开开关305、304。由此，增强型N沟道MOSFET 306的栅极端子成为比源极端子大二次电池101的电压量的高电位，增强型N沟道MOSFET 306成为导通状态。
当二次电池101被充电从而电池电压达到设定上限值时，控制电路102断开开关301，接通开关305、304。于是，增强型N沟道MOSFET 306的栅极端子成为与源极端子相同的电位，增强型N沟道MOSFET 306成为截止状态。结果，充电电流被截断，防止二次电池101被过充电。此外，此时，二极管302为反向偏置，防止通过开关304和开关305流过电流。
当截断充电电流时，内部电阻造成的电压降低得到消除，因此二次电池101的电压降低。为了防止由于该电压降低而再次开始充电，可以在成为充电禁止后，二次电池101在被一定程度放电从而电压变为设定值以下之前，保持充电禁止状态。在充电禁止状态下在端子120、121之间连接负载时，Vds从正切换为负。控制电路102只要以在Vds为负的情况下放电，在为正的情况下截断充电电流的方式控制开关301、304、305即可。
在上述说明中，在充电停止时开关304、305均设为接通。但是，即使开关304断开也同样能够停止充电。这是因为与开关304的接通、断开无关，开关305一直接通，因此栅极端子成为与源极端子相同的电位，增强型N沟道MOSFET 306成为截止状态。此外，由于二极管302，通过开关304、305而流过的电流也被截断。
但是，在以上说明的充电时和在后叙述的放电时，开关304、305均断开。因此，只要在充电停止时开关304、305均接通，如在后说明的那样在放电停止时开关304、305均接通，则两个开关始终同时接通或断开。因此，能够使控制电路的结构简单而不需要独立控制开关304、305。
接着说明放电禁止状态。在端子120、121之间连接负载时，增强型N沟道MOSFET 306的漏极端子-源极端子之间的电压Vds为负值。控制电路102检测Vds为负的情况，接通开关301，断开开关304、305。由此，增强型N沟道MOSFET 306的栅极端子成为比漏极端子大二次电池101的电压量的高电位，增强型N沟道MOSFET 306成为导通状态。
当二次电池101进行放电从而电池电压达到设定下限值时，控制电路102断开开关301，接通开关304、305。于是，增强型N沟道MOSFET 306的栅极端子成为与漏极端子相同的电位，增强型N沟道MOSFET 306成为截止状态。结果，放电电流被截断，防止二次电池101被过放电。此外，此时，二极管303为反向偏置，防止通过开关304和开关305流过电流。
当截断放电电流时，内部电阻造成的电压降低得到消除，因此二次电池101的电压上升。为了防止由于该电压上升而再次开始放电，可以在成为放电禁止后，二次电池101在被一定程度充电从而电压变为设定值以上之前，保持放电禁止状态。在放电禁止状态下在端子120、121之间连接充电电路时，Vds从负切换为正。控制电路102只要以在Vds为正的情况下充电，在为负的情况下截断放电电流的方式控制开关301、304、305即可。
在上述说明中，在放电停止时开关304、305均设为接通。但是，即使开关305断开也同样能够停止放电。这是因为与开关305的接通、断开无关，开关304一直接通，因此栅极端子成为与漏极端子相同的电位，增强型N沟道MOSFET 306成为截止状态。此外，由于二极管303，通过开关305、304而流过的电流也被截断。
但是，只要在放电停止时开关304、305均设为接通，则如在前说明的那样，两个开关始终同时接通或断开。因此，能够使控制电路102的结构简单而不需要独立控制开关304、305。
在增强型N沟道MOSFET 306中形成有内置的二极管321、322。但是，这些二极管反向串联连接而不导通，不会对以上说明的保护动作产生影响。
增强型N沟道MOSFET 306可以是横向结构，也可以是纵向结构。如果是横向结构，则容易用一个IC构成增强型N沟道MOSFET 306和控制电路102。因此，能够用一个IC构成以往用一个IC和两个开关构成的过充电/过放电保护电路，因此能够实现小型化、低成本化。另一方面，如果是纵向结构，则与横向结构相比能够实现低损失化(例如，参照专利文献1)。
【专利文献1】日本特开2000-102182号公报(图9)
但是，在现有技术中，存在元件数多且布局面积大的课题。并且存在如下课题：增强型N沟道MOSFET 306的栅极电压仅下降至源极或漏极电压+VF(大约0.6V)，在增强型N沟道MOSFET 306截止时漏电流大。
发明内容
本发明正是为了解决上述课题而研究的，提供一种能够减小布局面积，充放电控制电路能够减少截止时的漏电流的充放电控制电路以及电池装置。
为了解决现有课题，本发明的具有充放电控制电路的电池装置具有如下结构。
一种充放电控制电路，其通过一个双向导通型场效应晶体管来控制二次电池的充放电，其特征在于，该充放电控制电路具有：控制电路，其与所述二次电池的两端连接，监视所述二次电池的电压；开关电路，其具有第一端子和第二端子，通过所述控制电路的输出来控制所述双向导通型场效应晶体管的栅极；第一PN结元件，其与所述开关电路的第一端子和所述双向导通型场效应晶体管的漏极连接；以及第二PN结元件，其与所述开关电路的第一端子和所述双向导通型场效应晶体管的源极连接。
根据本发明的具有充放电控制电路的电池装置，具有如下的效果：能够通过减少使用的元件缩小布局面积。此外，能够通过在二极管中使用肖特基势垒二极管而减少漏电流。
附图说明
图1是第一实施方式的具有充放电控制电路的电池装置的电路图。
图2是第二实施方式的具有充放电控制电路的电池装置的电路图。
图3是现有的具有充放电控制电路的电池装置的电路图。
标号说明
101：二次电池；102：控制电路；151、251：充放电控制电路；152、252：开关电路；112、113、212、213：肖特基势垒二极管；114、214：双向导通型场效应晶体管；131：负载；132：充电器；302、303：二极管。
具体实施方式
参照附图说明用于实施本发明的方式。
【实施例1】
图1是第一实施方式的具有充放电控制电路151的电池装置的电路图。
本实施方式的具有充放电控制电路151的电池装置具有二次电池101、控制电路102、双向导通型场效应晶体管114、连接有充电器132或负载131的外部端子120和121、肖特基势垒二极管112和113、PMOS晶体管110以及NMOS晶体管111。由PMOS晶体管110、NMOS晶体管111、端子124(第二端子)和端子125(第一端子)构成开关电路152。
二次电池101的两端与正极电源端子122和负极电源端子123连接。控制电路102与正极电源端子122连接作为正极电源，与端子125连接作为负极电源，输出端与PMOS晶体管110的栅极和NMOS晶体管111的栅极连接。PMOS晶体管110的源极经由端子124与正极电源端子122和外部端子120连接，漏极与NMOS晶体管111的漏极连接。NMOS晶体管111的源极经由端子125与肖特基势垒二极管112的阳极和肖特基势垒二极管113的阳极连接，漏极与双向导通型场效应晶体管114的栅极连接，背栅与肖特基势垒二极管112的阳极和肖特基势垒二极管113的阳极连接。肖特基势垒二极管112的阴极与负极电源端子123连接，肖特基势垒二极管113的阴极与外部端子121连接。双向导通型场效应晶体管114的漏极与负极电源端子123连接，源极与外部端子121连接，背栅与端子125连接。
接着，对本实施方式的具有充放电控制电路151的电池装置的动作进行说明。
在外部端子120、121上连接有充电器132，通过控制电路102检测到二次电池101为可充放电状态时，控制电路102输出低电平，使PMOS晶体管110导通，使NMOS晶体管111截止。于是，双向导通型场效应晶体管114的栅电极与正极电源端子122连接从而成为导通状态。由此进行充放电。控制电路102的负极电源与端子125连接，因此能够输出负极电源端子123和外部端子121中较低一方的电压作为低电平。
在外部端子120、121上连接有充电器132，通过控制电路102检测到二次电池变为充电禁止状态时，控制电路102输出高电平，使PMOS晶体管110截止，使NMOS晶体管111导通。于是，双向导通型场效应晶体管114的栅电极经由肖特基势垒二极管113、端子115、NMOS晶体管111被下拉至外部端子121，从而成为截止状态。由此，充电电流被截断，防止二次电池101被过充电。此外，肖特基势垒二极管112为反向偏置，防止电流从负极电源端子123流向外部端子121。在此，在本发明中采用VF电压较小(大约0.3V)的肖特基势垒二极管，因此能够减小双向导通型场效应晶体管114的栅极-源极间电压，能够减少截止漏电流。此外，双向导通型场效应晶体管114的背栅端子也不会浮动，因此能够使充放电控制电路151更稳定地动作。
在外部端子120、121上连接有负载131，通过控制电路102检测到二次电池变为放电禁止状态时，控制电路102输出高电平，使PMOS晶体管110截止，使NMOS晶体管111导通。于是，双向导通型场效应晶体管114的栅电极经由肖特基势垒二极管112、端子115、NMOS晶体管111被下拉至负极电源端子123，从而成为截止状态。由此，放电电流被截断，防止二次电池101被过放电。此外，肖特基势垒二极管113为反向偏置，防止电流从外部端子121流向负极电源端子123。在此，在本发明中采用VF电压较小(大约0.3V)的肖特基势垒二极管，因此能够减小双向导通型场效应晶体管114的栅极-源极间电压，能够减少截止漏电流。此外，双向导通型场效应晶体管114的背栅端子也不会浮动，因此能够使充放电控制电路151更稳定地动作。
如以上说明的那样，根据本实施方式的具有充放电控制电路151的电池装置，无论二次电池101变为充电禁止状态还是放电禁止状态，都能够减少流过双向导通型场效应晶体管114的漏电流。并且，能够通过控制双向导通型场效应晶体管114的背栅，使充放电控制电路151稳定地动作。
另外，双向导通型场效应晶体管114也可以外装连接到充放电控制电路151。此外，虽然未图示，但是即使双向导通型场效应晶体管114的背栅端子不与端子125连接，也能够减少流过双向导通型场效应晶体管114的漏电流。
【实施例2】
图2是第二实施方式的具有充放电控制电路251的电池装置的电路图。
第二实施方式的具有充放电控制电路251的电池装置具有二次电池101、控制电路102、双向导通型场效应晶体管214、连接有充电器132或负载131的外部端子120和121、肖特基势垒二极管212和213、PMOS晶体管210以及NMOS晶体管211。由PMOS晶体管210、NMOS晶体管211、端子124(第二端子)以及端子125(第一端子)构成开关电路252。
二次电池101的两端与正极电源端子122和负极电源端子123连接。控制电路102与端子125连接作为正极电源，与负极电源端子123连接作为负极电源，输出端与PMOS晶体管210的栅极和NMOS晶体管211的栅极连接。PMOS晶体管210的源极和背栅经由端子125与肖特基势垒二极管212的阴极和肖特基势垒二极管213的阴极连接，漏极与NMOS晶体管211的漏极连接。NMOS晶体管211的源极经由端子124与负极电源端子123和外部端子121连接，漏极与双向导通型场效应晶体管114的栅极连接。肖特基势垒二极管212的阳极与正极电源端子122连接，肖特基势垒二极管213的阳极与外部端子120连接。双向导通型场效应晶体管214的漏极与正极电源端子122连接，源极与外部端子120连接，背栅与端子125连接。
接着，对第二实施方式的具有充放电控制电路251的电池装置的动作进行说明。
在外部端子120、121上连接有充电器132，通过控制电路102检测到二次电池101为可充放电状态时，控制电路102输出高电平，使PMOS晶体管210截止，使NMOS晶体管211导通。于是，双向导通型场效应晶体管214的栅电极与负极电源端子123连接从而成为导通状态。由此进行充放电。控制电路102的正极电源与端子125连接，因此能够输出正极电源端子122和外部端子120中较高一方的电压作为高电平。
在外部端子120、121上连接有充电器132，通过控制电路102检测到二次电池101变为充电禁止状态时，控制电路102输出低电平，使PMOS晶体管210导通，使NMOS晶体管211截止。于是，双向导通型场效应晶体管214的栅电极经由肖特基势垒二极管213、端子115、PMOS晶体管210被上拉至外部端子120，从而成为截止状态。由此，充电电流被截断，防止二次电池101被过充电。此外，肖特基势垒二极管212为反向偏置，防止电流从外部端子120流向正极电源端子122。在此，在本发明中采用VF电压较小(大约0.3V)的肖特基势垒二极管，因此能够减小双向导通型场效应晶体管214的栅极-源极间电压，能够减少截止漏电流。此外，双向导通型场效应晶体管214的背栅端子也不会浮动，因此能够使充放电控制电路251更稳定地动作。
在外部端子120、121上连接有负载131，通过控制电路102检测到二次电池变为放电禁止状态时，控制电路102输出低电平，使PMOS晶体管210导通，使NMOS晶体管211截止。于是，双向导通型场效应晶体管214的栅电极和背栅经由肖特基势垒二极管212、端子125、PMOS晶体管210被上拉至正极电源端子122，从而成为截止状态。由此，放电电流被截断，防止二次电池101被过放电。此外，肖特基势垒二极管213为反向偏置，防止电流从正极电源端子122流向外部端子120。在此，在本发明中采用VF电压较小(大约0.3V)的肖特基势垒二极管，因此能够减小双向导通型场效应晶体管214的栅极-源极间电压，能够减少截止漏电流。此外，双向导通型场效应晶体管214的背栅端子也不会浮动，因此能够使充放电控制电路251更稳定地动作。
如以上说明的那样，根据第二实施方式的具有充放电控制电路251的电池装置，无论二次电池101变为充电禁止状态还是放电禁止状态，都能够减少流过双向导通型场效应晶体管214的漏电流。并且，能够通过控制双向导通型场效应晶体管214的背栅，使充放电控制电路251稳定地动作。
另外，双向导通型场效应晶体管214也可以外装连接到充放电控制电路251。此外，虽然未图示，但是即使双向导通型场效应晶体管214的背栅端子不与端子125连接，也能够减少流过双向导通型场效应晶体管214的漏电流。

Claims (8)

1.一种充放电控制电路，其通过一个双向导通型场效应晶体管来控制二次电池的充放电，其特征在于，该充放电控制电路具有：
控制电路，其与所述二次电池的两端连接，监视所述二次电池的电压；
开关电路，其具有第一端子和第二端子，通过所述控制电路的输出来控制所述双向导通型场效应晶体管的栅极；
第一PN结元件，其与所述开关电路的第一端子和所述双向导通型场效应晶体管的漏极连接；以及
第二PN结元件，其与所述开关电路的第一端子和所述双向导通型场效应晶体管的源极连接。
2.根据权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于，所述第一PN结元件和所述第二PN结元件由肖特基势垒二极管构成。
3.根据权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于，所述双向导通型场效应晶体管的背栅与所述开关电路的第一端子连接。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的充放电控制电路，其特征在于，所述开关电路由如下元件构成：
P沟道MOS晶体管，其栅极与所述控制电路的输出端连接，漏极与所述双向导通型场效应晶体管的栅极连接，源极与所述第二端子连接；以及
N沟道MOS晶体管，其栅极与所述控制电路的输出端连接，漏极与所述双向导通型场效应晶体管的栅极连接，源极与所述第一端子连接。
5.根据权利要求4所述的充放电控制电路，其特征在于，所述控制电路的负极电源端子与所述开关电路的第一端子连接。
6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的充放电控制电路，其特征在于，所述开关电路由如下元件构成：
P沟道MOS晶体管，其栅极与所述控制电路的输出端连接，漏极与所述双向导通型场效应晶体管的栅极连接，源极与所述第一端子连接；以及
N沟道MOS晶体管，其栅极与所述控制电路的输出端连接，漏极与所述双向导通型场效应晶体管的栅极连接，源极与所述第二端子连接。
7.根据权利要求6所述的充放电控制电路，其特征在于，所述控制电路的正极电源端子与所述开关电路的第一端子连接。
8.一种电池装置，该电池装置具有：
可充放电的二次电池；
一个双向导通型场效应晶体管，其是设置在所述二次电池的充放电路径上的充放电控制开关；以及
权利要求1所述的充放电控制电路，其监视所述二次电池的电压，对所述充放电控制开关进行开闭，由此控制所述二次电池的充放电。
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