CN103972949B - 充放电控制电路以及电池装置 - Google Patents

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Abstract

充放电控制电路以及电池装置。在电平转换电路中无论采用哪种MOS晶体管，在充电器连接时都不会被破坏并能缩小布局面积。在该充放电控制电路中，对监视二次电池的电压的控制电路输出的充电控制信号的电压进行电平转换的电平转换电路具备：第一导电型的第一晶体管，栅极与电平转换电路的输入端子连接，源极与第一电源端子连接；第一电阻，一个端子与电平转换电路的输入端子连接；第二导电型的第二晶体管，栅极与第一电阻的另一端子连接，漏极与第一晶体管的漏极连接，源极与被输入待电平转换的电压的端子连接；第二导电型的第三晶体管，栅极及漏极与第一电阻的另一端子连接，源极与被输入待电平转换的电压的端子连接。电池装置具备该充放电控制电路。

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或异常的充放电控制电路以及电池装置，尤其涉及内置有将低电压信号转换为正极以及负极的高电压信号的电平转换电路的充放电控制电路以及电池装置。
背景技术
图4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具备：二次电池1、监视二次电池1的电压的控制电路2、PMOS晶体管401、408、409、NMOS晶体管402、410、反相器407、控制二次电池1的充电与放电的开关电路3、与充电器8或负载9连接的外部端子4以及外部端子5、电平转换电路74、下拉电阻411、VDD端子、VSS端子、充电控制端子13、放电控制端子12和过电流检测端子14。
电平转换电路74具备PMOS晶体管403、405和NMOS晶体管404、406。开关电路3具备放电控制开关10和充电控制开关11。
控制电路2监视二次电池1的电压，在连接充电器8而二次电池1的电池电压成为过充电状态时，输出高电平的信号以使放电控制开关10接通，并且输出高电平的信号以使充电控制开关11关断。这样，切断来自充电器8的充电电流，停止向二次电池1的充电。在连接负载9而二次电池1的电压成为过放电状态时，控制电路2输出低电平的信号以使放电控制开关10关断，输出低电平的信号以使充电控制开关11接通。这样，切断向负载9的放电电流，停止二次电池1的放电。
以上，在二次电池1成为过充电或过放电时，能够控制放电控制开关10或充电控制开关11，使充电电流或放电电流停止(例如，专利文献1、参照图1)。
专利文献1：日本特开平10-225007号公报
但是，在现有的技术中存在这样的课题：如果在电平转换电路74中采用栅极耐压低的晶体管来构成，则在充电器连接时晶体管被破坏。另外，还存在这样的课题：为了防止充电器连接时的破坏而采用高耐压构造的MOS晶体管时，MOS晶体管的面积变大，布局面积增加。
发明内容
本发明是为了解决以上这样的课题而完成的，提供无论在电平转换电路中采用哪种MOS晶体管、在充电器连接时都不会被破坏并能够缩小布局面积的充放电控制电路以及电池装置。
为了解决现有的课题，具有本发明的充放电控制电路的电池装置采用以下这样的结构。
在充放电控制电路中，对监视二次电池的电压的控制电路所输出的充电控制信号的电压进行电平转换的电平转换电路具备：第一导电型的第一晶体管，其栅极与电平转换电路的输入端子连接，源极与第一电源端子连接；第一电阻，其一个端子与电平转换电路的输入端子连接；第二导电型的第二晶体管，其栅极与第一电阻的另一端子连接，漏极与第一晶体管的漏极连接，源极与被输入待进行电平转换的电压的端子连接；以及第二导电型的第三晶体管，其栅极以及漏极与第一电阻的另一端子连接，源极与被输入待进行电平转换的电压的端子连接。另外，该电池装置具备该充放电控制电路。
根据本发明的具有充放电控制电路的电池装置，无论在电平转换电路中采用哪种MOS晶体管，都能够防止在充电器连接时被破坏。另外，具有能够使用MOS晶体管的面积小的元件并能够减小布局面积的效果。
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是第三实施方式的具有充放电控制电路的电池装置的电路图。
图4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
1二次电池；2控制电路；3开关电路；8充电器；10放电控制开关；11充电控制开关；20充放电控制电路；71、74电平转换电路；201齐纳二极管；301二极管。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本实施方式。
<实施方式1>
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。第一实施方式的具有充放电控制电路的电池装置具备充放电控制电路20、二次电池1、控制二次电池1的充电与放电的开关电路3、与充电器8或负载9连接的外部端子4以及外部端子5。
充放电控制电路20具备监视二次电池1的电压的控制电路2、PMOS晶体管401、408、409、NMOS晶体管402、410、电平转换电路71、反相器407、下拉电阻411、VDD端子、VSS端子、充电控制端子13、放电控制端子12和过电流检测端子14。
电平转换电路71具备NMOS晶体管102、103、PMOS晶体管101和电阻104。开关电路3具备放电控制开关10和充电控制开关11。
二次电池1的正极与VDD端子以及外部端子4连接，负极与VSS端子以及放电控制开关10的源极以及背栅连接。控制电路2的第一输入端子与VDD端子连接，第二输入端子与VSS端子连接，第一输出端子与PMOS晶体管401的栅极以及NMOS晶体管402的栅极连接，第二输出端子与放电控制端子12连接。PMOS晶体管401的源极与VDD端子连接，漏极与电阻104以及PMOS晶体管101的栅极连接。NMOS晶体管402的源极与VSS端子连接，漏极与PMOS晶体管101的栅极连接。NMOS晶体管103的栅极以及漏极与电阻104的另一个端子连接，源极与过电流检测端子14连接。PMOS晶体管101的源极与VDD端子连接，漏极与反相器407的输入以及NMOS晶体管102的漏极连接。NMOS晶体管102的栅极与NMOS晶体管103的栅极连接，源极与过电流检测端子14连接。PMOS晶体管408的栅极与反相器407的输出以及NMOS晶体管410的栅极连接，漏极与PMOS晶体管409的源极连接，源极与VDD端子连接。PMOS晶体管409的栅极与VSS端子连接，漏极与NMOS晶体管410的漏极以及下拉电阻411以及充电控制端子13连接。NMOS晶体管410的源极与过电流检测端子14连接，下拉电阻411的另一个端子与过电流检测端子14连接。放电控制开关10的栅极与放电控制端子12连接，漏极与充电控制开关11的漏极连接。充电控制开关11的栅极与充电控制端子13连接，源极以及背栅与外部端子5以及过电流检测端子14连接。
控制电路2在二次电池1的电压下进行工作，监视二次电池1的电压。当二次电池1的电压小于过充电电压时，控制电路2向第一输出端子和第二输出端子输出高电平的信号，使PMOS晶体管401截止，使NMOS晶体管402导通，使放电控制开关10接通。从NMOS晶体管402输出低电平的信号，PMOS晶体管101导通，NMOS晶体管102截止，向反相器407输入高电平的信号。接受该信号，反相器407输出低电平的信号，使PMOS晶体管408导通，使NMOS晶体管410截止。因为PMOS晶体管409是导通的状态，所以向充电控制端子13输出高电平的信号，使充电控制开关11接通。这样，控制电路2以允许充电电流从而能够进行充电的方式工作。
当二次电池1的电压增加而成为过充电电压以上时，控制电路2向第一输出端子输出低电平的信号，向第二输出端子输出高电平的信号，使PMOS晶体管401导通，使NMOS晶体管402截止。从NMOS晶体管401输出高电平的信号，PMOS晶体管101截止，NMOS晶体管102导通，向反相器407输入低电平的信号。接受该信号，反相器407输出高电平的信号，使PMOS晶体管408截止，使NMOS晶体管410导通。因为PMOS晶体管409是导通的状态，所以向充电控制端子13输出低电平的信号，使充电控制开关11关断。这样，控制电路2以切断充电电流而禁止充电的方式工作。
在二次电池1的电压减少而成为过放电电压以下时，控制电路2向第一输出端子输出高电平的信号，向第二输出端子输出低电平的信号，使PMOS晶体管401截止，使NMOS晶体管402导通，使放电控制开关10关断。从NMOS晶体管402输出低电平的信号，PMOS晶体管101导通，NMOS晶体管102截止，向反相器407输入高电平的信号。接受该信号，反相器407输出低电平的信号，使PMOS晶体管408导通，使NMOS晶体管410截止。因为PMOS晶体管409是导通的状态，所以向充电控制端子13输出高电平的信号，使充电控制开关11接通。这样，控制电路2以切断放电电流而禁止放电的方式工作。
当二次电池1的电压进一步减少而低于PMOS晶体管409的阈值时，PMOS晶体管409截止，向充电控制端子13输出低电平的信号，使充电控制开关11关断。此时，与控制电路2的输出无关地向充电控制端子13输出低电平的信号，使充电控制开关11关断。这样，控制电路2以切断充电电流而禁止充电的方式工作。
当充电控制开关11关断时，充电器8的开路电压施加在外部端子4与外部端子5之间，需要防止电平转换电路71的NMOS晶体管102、103的栅极被开路电压破坏的情况。充电器8的电流经过PMOS晶体管401、电阻104、NMOS晶体管103、过电流检测端子14而流过外部端子5。因此，充电器8的开路电压由PMOS晶体管401的导通电阻、电阻104、NMOS晶体管103的导通电阻进行分压，通过调节电阻104，能够将NMOS晶体管103的栅源间电压设定为耐压以下。
当设充电器的开路电压为VCHA、设PMOS晶体管401的导通电阻值为RON(401)、设电阻104的电阻值为R104、设NMOS晶体管103的导通电阻值为RON(103)、设NMOS晶体管103与102的栅源间耐压为VGSS时，可通过如下这样地设定NMOS晶体管103与102的栅源间耐压来防止被破坏的情况。
VCHA×RON（103）/（RON（401）＋R104＋RON（103））＜VGSS···（1）
NMOS晶体管103的栅源间电压与NMOS晶体管102的栅源间电压相等，所以可将NMOS晶体管102的栅源间电压也设定为耐压以下。这样，在NMOS晶体管102、103的栅极不再存在开路电压，所以可采用栅源间耐压较低的晶体管来构成电平转换电路71。
以上，通过调节电阻104来防止栅源间耐压以上的电压施加在NMOS晶体管102、103的栅极，无论采用哪种MOS晶体管，栅源间耐压都能够防止在充电器连接时被破坏的情况。另外，能够使用MOS晶体管的面积小的元件，从而能够减小布局面积。
<实施方式2>
图2是第二实施方式的具备充放电控制电路的电池装置的电路图。与第一实施方式的不同点是追加了齐纳二极管201和电阻202。关于连接，PMOS晶体管101的漏极与齐纳二极管201的阳极连接，源极与齐纳二极管201的阴极连接。电阻202的一个端子与PMOS晶体管101的漏极连接，另一个端子与NMOS晶体管102的漏极以及反相器407的输入连接。其它与图1的连接相同。
控制电路2在二次电池1的电压下进行工作，监视二次电池1的电压。当二次电池1的电压小于过充电电压时，控制电路2向第一输出端子和第二输出端子输出高电平的信号，使PMOS晶体管401截止，使NMOS晶体管402导通，使放电控制开关10接通。从NMOS晶体管402输出低电平的信号，PMOS晶体管101导通，NMOS晶体管102截止，向反相器407输入高电平的信号。接受该信号，反相器407输出低电平的信号，使PMOS晶体管408导通，使NMOS晶体管410截止。因为PMOS晶体管409是导通的状态，所以向充电控制端子13输出高电平的信号，使充电控制开关11接通。这样，控制电路2以允许充电电流从而能够进行充电的方式工作。
当二次电池1的电压增加而成为过充电电压以上时，控制电路2向第一输出端子输出低电平，向第二输出端子输出高电平的信号，使PMOS晶体管401导通，使NMOS晶体管402截止。从NMOS晶体管401输出高电平的信号，PMOS晶体管101截止，NMOS晶体管102导通，向反相器407输入低电平的信号。接受该信号，反相器407输出高电平的信号，使PMOS晶体管408截止，使NMOS晶体管410导通。因为PMOS晶体管409是导通的状态，所以向充电控制端子13输出低电平的信号，使充电控制开关11关断。这样，控制电路2以切断充电电流而禁止充电的方式工作。
当二次电池1的电压减少而成为过放电电压以下时，控制电路2向第一输出端子输出高电平的信号，向第二输出端子输出低电平的信号，使PMOS晶体管401截止，使NMOS晶体管402导通，使放电控制开关10关断。从NMOS晶体管402输出低电平的信号，PMOS晶体管101导通，NMOS晶体管102截止，向反相器407输入高电平的信号。接受该信号，反相器407输出低电平的信号，使PMOS晶体管408导通，使NMOS晶体管410截止。因为PMOS晶体管409是导通的状态，所以向充电控制端子13输出高电平的信号，使充电控制开关11接通。这样，控制电路2以切断放电电流而禁止放电的方式工作。
当二次电池1的电压进一步减少而低于PMOS晶体管409的阈值时，PMOS晶体管409截止，向充电控制端子13输出低电平的信号，使充电控制开关11关断。此时，与控制电路2的输出无关地向充电控制端子13输出低电平的信号，使充电控制开关11关断。这样，控制电路2以切断充电电流而禁止充电的方式工作。
当充电控制开关11关断时，充电器8的开路电压施加在外部端子4与外部端子5之间，需要防止电平转换电路71的NMOS晶体管102、103的栅极与NMOS晶体管102、PMOS晶体管101的漏极被开路电压破坏的情况。充电器8的电流经过PMOS晶体管401、电阻104、NMOS晶体管103、过电流检测端子14而流过外部端子5。因此，充电器8的开路电压由PMOS晶体管401的导通电阻、电阻104、NMOS晶体管103的导通电阻进行分压，通过调节电阻104，能够将NMOS晶体管103的栅源间电压设定为耐压以下。
当设充电器的开路电压为VCHA、设PMOS晶体管401的导通电阻值为RON(401)、设电阻104的电阻值为R104、设NMOS晶体管103的导通电阻值为RON(103)、设NMOS晶体管103与102的栅源间耐压为VGSS时，可通过如式1那样地设定NMOS晶体管103与102的栅源间耐压来防止被破坏的情况。
因为NMOS晶体管103的栅源间电压与NMOS晶体管102的栅源间电压相等，所以也可以将NMOS晶体管102的栅源间电压设定为耐压以下。这样，因为在NMOS晶体管102、103的栅极不再存在开路电压，所以能够采用栅源间耐压较低的晶体管来构成。
充电器8的电流经过齐纳二极管201、电阻202、NMOS晶体管102、过电流检测端子14而流过外部端子5。因此，充电器8的开路电压由齐纳二极管201的齐纳电压、电阻202、NMOS晶体管102的导通电阻进行分压，通过调节电阻202，能够将PMOS晶体管101的漏源间电压设定为耐压以下。
设PMOS晶体管101和NMOS晶体管102的漏源间耐压为VDSS，设齐纳二极管201的齐纳电压为Vz，设电阻202的电阻值为R202，设NMOS晶体管102的导通电阻为RON(102)。通过设定为Vz<VDSS，可防止PMOS晶体管101被破坏的情况。当充电控制开关11关断时，可通过如下这样地设定NMOS晶体管102的漏源间电压来防止被破坏的情况。
（VCHA－Vz）×RON（102）/（R202＋RON（102））＜VDSS···（2）
根据式2，通过调节R202，开路电压不再施加在PMOS晶体管101与NMOS晶体管102的漏源极之间，可采用漏极耐压低的晶体管来构成电平转换电路71。
以上，可通过调节电阻104，防止在NMOS晶体管102、103的栅极施加开路电压的情况，无论采用哪种MOS晶体管，都能够防止在充电器连接时被破坏的情况。另外，可通过调节电阻202，防止在PMOS晶体管101与NMOS晶体管102的漏极施加开路电压的情况，无论采用哪种MOS晶体管，都能够防止在充电器连接时被破坏的情况。此外，能够使用MOS晶体管的面积小的元件，能够缩小布局面积。
<实施方式3>
图3是第三实施方式的具备充放电控制电路的电池装置的电路图。与第二实施方式的不同点是将齐纳二极管201变更为二极管301。关于连接，二极管301的阴极与PMOS晶体管101的漏极连接，阳极与VSS端子连接。其它与图2的连接相同。
控制电路2在二次电池1的电压下进行工作，监视二次电池1的电压。在二次电池1的电压小于过充电电压时，控制电路2向第一输出端子和第二输出端子输出高电平的信号，使PMOS晶体管401截止，使NMOS晶体管402导通，使放电控制开关10接通。从NMOS晶体管402输出低电平的信号，PMOS晶体管101导通，NMOS晶体管102截止，向反相器407输入高电平的信号。接受该信号，反相器407输出低电平的信号，使PMOS晶体管408导通，使NMOS晶体管410截止。因为PMOS晶体管409是导通的状态，所以向充电控制端子13输出高电平的信号，使充电控制开关11接通。这样，控制电路2以允许充电电流从而能够进行充电的方式工作。
当二次电池1的电压增加而成为过充电电压以上时，控制电路2向第一输出端子输出低电平的信号，向第二输出端子输出高电平的信号，使PMOS晶体管401导通，使NMOS晶体管402截止。从NMOS晶体管401输出高电平的信号，PMOS晶体管101截止，NMOS晶体管102导通，向反相器407输入低电平的信号。接受该信号，反相器407输出高电平的信号，使PMOS晶体管408截止，使NMOS晶体管410导通。因为PMOS晶体管409是导通的状态，所以向充电控制端子13输出低电平的信号，使充电控制开关11关断。这样，控制电路2以切断充电电流而禁止充电的方式工作。
当二次电池1的电压减少而成为过放电电压以下时，控制电路2向第一输出端子输出高电平，向第二输出端子输出低电平的信号，使PMOS晶体管401截止，使NMOS晶体管402导通，使放电控制开关10关断。从NMOS晶体管402输出低电平的信号，PMOS晶体管101导通，NMOS晶体管102截止，向反相器407输入高电平的信号。接受该信号，反相器407输出低电平的信号，使PMOS晶体管408导通，使NMOS晶体管410截止。因为PMOS晶体管409是导通的状态，所以向充电控制端子13输出高电平的信号，使充电控制开关11接通。这样，控制电路2以切断放电电流而禁止放电的方式工作。
当二次电池1的电压进一步减少而低于PMOS晶体管409的阈值时，PMOS晶体管409截止，向充电控制端子13输出低电平的信号，使充电控制开关11关断。此时，与控制电路2的输出无关地向充电控制端子13输出低电平的信号，使充电控制开关11关断。这样，控制电路2以切断充电电流而禁止充电的方式工作。
当充电控制开关11关断时，充电器8的开路电压施加在外部端子4与外部端子5之间，需要防止电平转换电路71的NMOS晶体管102、103的栅极与NMOS晶体管102、PMOS晶体管101的漏极被开路电压破坏的情况。充电器8的电流经过PMOS晶体管401、电阻104、NMOS晶体管103、过电流检测端子14而流过外部端子5。因此，充电器8的开路电压由PMOS晶体管401的导通电阻、电阻104、NMOS晶体管103的导通电阻进行分压，通过调节电阻104，能够将NMOS晶体管103的栅源间电压设定为耐压以下。
当设充电器的开路电压为VCHA、设PMOS晶体管401的导通电阻值为RON(401)、设电阻104的电阻值为R104、设NMOS晶体管103的导通电阻值为RON(103)、设NMOS晶体管103与102的栅源间耐压为VGSS时，可通过如式1那样地设定NMOS晶体管103与102的栅源间耐压来防止被破坏的情况。
因为NMOS晶体管103的栅源间电压与NMOS晶体管102的栅源间电压相等，所以能够将NMOS晶体管102的栅源间电压也设定为耐压以下。这样，在NMOS晶体管102、103的栅极不再存在开路电压，所以能够采用栅极耐压低的晶体管来构成电平转换电路71。
充电器8的电流经过二次电池1、二极管301、电阻202、NMOS晶体管102、过电流检测端子14而流过外部端子5。因此，充电器8的开路电压由二次电池1的电压、二极管301的正向电压、电阻202、NMOS晶体管102的导通电阻进行分压，通过调节电阻202，能够将PMOS晶体管101的漏源极间电压设定为耐压以下。
设PMOS晶体管101与NMOS晶体管102的漏源极间耐压为VDSS，设二极管301的正向电压为VF，设电阻202的电阻值为R202，设NMOS晶体管102的导通电阻为RON(102)，设二次电池1的电压为VBAT。通过将VF设定为VBAT+VF<VDSS，可防止破坏PMOS晶体管101的情况。在充电控制开关11关断时，可通过以下这样地设定NMOS晶体管102的漏源极间电压来防止被破坏的情况。
（VCHA－（（VBAT＋VF））×RON（102）/（R202＋RON（102））＜VDSS···（3）
根据式3，通过调节R202，开路电压不再施加在PMOS晶体管101与NMOS晶体管102的漏源极之间，可采用漏极耐压低的晶体管来构成电平转换电路71。
以上，通过调节电阻104来防止向NMOS晶体管102、103的栅极施加开路电压的情况，无论采用哪种MOS晶体管，都能够防止在充电器连接时被破坏的情况。另外，通过调节电阻202，防止开路电压施加在PMOS晶体管101与NMOS晶体管102的漏极的情况，无论采用哪种MOS晶体管，都能够防止在充电器连接时被破坏的情况。此外，能够利用MOS晶体管的面积小的元件，能够缩小布局面积。
此外，以通过在VSS端子与外部端子5之间连接的开关电路3来控制二次电池1的充放电的结构说明了本发明的实施方式，但即使是通过在VDD端子与外部端子4之间连接的开关电路3来控制二次电池1的充放电的结构，如果变更构成电平转换电路71的晶体管的导电型并与其对应地变更电路连接，则也可获得同样的效果。

Claims (2)

1.一种充放电控制电路，其控制连接在第一端子与第二端子之间的二次电池的充放电，其特征在于，所述充放电控制电路具备：
控制电路，其连接在所述第一端子与所述第二端子之间，监视所述二次电池的电压；
电平转换电路，其对所述控制电路输出的充电控制信号的电压进行电平转换；以及
第三端子，其被输入待进行电平转换的所述电压，
所述电平转换电路具备：
第一导电型的第一晶体管，其栅极与所述电平转换电路的输入端子连接，源极与所述第一端子连接；
第一电阻，其一个端子与所述电平转换电路的输入端子连接；
第二导电型的第二晶体管，其栅极与所述第一电阻的另一端子连接，漏极与所述第一晶体管的漏极连接，源极与所述第三端子连接；以及
第二导电型的第三晶体管，其栅极以及漏极与所述第一电阻的另一端子连接，源极与所述第三端子连接，
所述电平转换电路还具备：
二极管，其阴极与所述第一晶体管的漏极连接，阳极与所述第二端子连接；以及
第二电阻，其连接在所述第一晶体管的漏极与所述第二晶体管的漏极之间。
2.一种电池装置，其具备：
能够进行充放电的二次电池；
充放电控制开关，其设置在所述二次电池的充放电路径上；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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