JP2000194429A - バッテリ―充電器における発振を防止するための方法と回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バッテリー充電器において遅延を解消し発振
傾向を防止する方法と回路を提供する。 【解決手段】 バッテリー充電回路において例えば動作
状態の電圧ループ増幅器の出力に応じて非動作状態の電
流ループ増幅器の出力をクランプすることによって、非
動作状態のループ増幅器の飽和が防止される。これによ
ってループ増幅器が制御ループとして動作する際、最小
の遅延で制御動作を開始できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】本出願は、1998年12月23日に出願したプ
ロビジョナル出願第60/113642号の優先権を主張するも
ので、その開示内容がここに組み込まれる。本発明は一
般にバッテリー充電器回路に関わり、特に回路の複雑さ
を軽減し望ましくない発振を防止する、バッテリー充電
器制御用の改良された方法および回路に関する。消費者
向け携帯用バッテリーを充電する代表的な方法は、バッ
テリーがある電圧に達するまでバッテリーに一定の充電
電流を供給することである。そして電圧を電圧制御ルー
プによって一定レベルに制御することにより電流を徐々
に時間の経過と共に減少させる。これは普通、図１Ａに
示すように電流帰還増幅器と電圧帰還増幅器の組合わせ
によってバッテリー充電器回路を制御することによって
達成される。バッテリーを最短時間で再充電するために
は、使用可能な最大充電電流を使うことが一般におこな
われる。しかしながら電圧制御への切替が起こる点にバ
ッテリーが近づくと、望ましくない副作用が起きること
がある。バッテリーは普通、過電圧保護スイッチ１００
を組み込んでいる。バッテリーはインピーダンスがゼロ
ではないので、高い充電電流を供給すると端子電圧はバ
ッテリーが開路されている場合よりも見かけ上高い電圧
になる。これによって過電圧保護スイッチが開くことが
ある(図１Ｂ)。その場合、大きな充電電流が開路に流れ
るので電圧は急速に上昇する。これによって電圧制御ル
ープが動作し充電電流を大幅に低減させる(図１Ｃ)。充
電電流が低減すると、バッテリー端子電圧は減少し、過
電圧保護スイッチは閉じる(図１Ｄ)。この時点で、バッ
テリーに流れる電流は非常に少ないので電圧は降下し始
める。電圧レベルが低下すると、電流ループが制御をお
こなう(図１Ｅ)。電流制御ループの大信号帯域によって
は、バッテリーへの充電電流は大幅にオーバーシュート
することがある。これは電流ループ増幅器はそれが制御
していないときはそのレール（ｒａｉｌ）電圧で飽和
し、飽和が解消されるまでおよびその適切な出力レベル
に落ち着くまで時間がかかるからである。オーバーシュ
ートが発生するかしないかに関わらず、このサイクルは
継続して繰り返し、実質的に発振システムとなる。この
問題の一つの解決法として、システムコントローラにい
わゆるソフトスタートを使用している。過電圧状態が検
出された場合、ソフトスタートをリセットする。したが
って、電流ループが再び制御動作に入るとき、ソフトス
タートは、非常に高い電流を必要とするものではある
が、デューティサイクルを制限することによって過電圧
を防止する。そしてデューティサイクルを緩やかに増大
させることによって電流を徐々に増大させる。これによ
って電流オーバーシュートを避け、また発振を防ぐこと
ができる。この方法の欠点は、電流制御ループの実際の
大信号帯域を大幅に制限することである。さらに、これ
は非線形要素を線形システムに導入するので、ある状況
下でそれ自身が発振することがある。最後に、二つの機
能（ソフトスタートと発振の抑止）を一つに組合わせる
ことで、回路がより複雑になり、コンポーネントの選択
が難しくなり、設計者にとってわずらわしいものとな
る。

【０００２】

【発明の概要】本発明は２つ以上のエラー増幅器を組合
わせて使用して新しい回路を構成し、上記欠点を生じる
ことなしにバッテリー充電制御信号を発生させる。さら
に広く言えば、本発明による回路によれば、エラー増幅
器の出力をクランプすることによって、エラー増幅器が
飽和する条件を解消し、それによって電流のオーバーシ
ュートの可能性を解消する。好ましい実施例において、
これらエラー増幅器の出力が動作（アクティブ）状態の
エラー増幅器の出力の信号と同じかわずかに高くクラン
プされるようにエラー増幅器の出力がクロスクランプさ
れる。したがって、非動作（イン・アクティブ）状態の
エラー増幅器が飽和することが阻止され、一つのループ
から他のループへの切り替わりが最小の遅延でおこなわ
れる。したがって、一実施例において、本発明はバッテ
リーに接続された電荷供給回路と、バッテリー電圧を表
す信号を受けるための入力と電荷供給回路に接続された
出力とを有する電圧ループ増幅器と、バッテリー電流を
表す信号を受けるための入力と電荷供給回路に接続され
た出力とを有する電流ループ増幅器と、前記電圧ループ
増幅器の出力を電流ループ増幅器の出力に接続するクラ
ンプ回路とを有し、前記クランプ回路は前記電流ループ
増幅器が飽和するのを阻止するように動作することを特
徴とするバッテリー充電回路を提供する。代替用実施例
においてクランプ回路は電流ループ増幅器出力と電圧ル
ープ増幅器出力との間でクロスクランプをおこなうよう
に構成される。別の実施例において本発明は、電圧ルー
プ増幅器によってバッテリー電圧を検出するステップ
と、電流ループ増幅器によってバッテリー電流を検出す
るステップと、前記電圧ループ増幅器の出力または前記
電流ループ増幅器の出力に応じて前記バッテリーに供給
される電流量を制御するステップと、前記電流ループ増
幅器の出力を前記電圧ループ増幅器の出力でクランプす
ることにより、前記電流ループ増幅器が飽和するのを阻
止するステップと、から成るバッテリー充電方法を提供
する。改良されたバッテリー充電方法および回路の特徴
および利点は、以下の詳細な説明と添付図面を参照する
ことにより、より良く理解できる。

【０００３】

【実施例の説明】図２Ａには、本発明の一実施例による
改良されたバッテリー充電器回路の単純化された回路図
が示される。図２に示した例において、バッテリー充電
回路は電圧エラー増幅器２００と電流エラー増幅器２０
２を含み、電圧エラー増幅器２００は一方の入力にバッ
テリー電圧信号ＢＶを、他方の入力に基準信号Ｖｒｅｆ
２を受け取り、電流エラー増幅器２０２は一方の入力に
バッテリー電流信号BIを、他方の入力に基準信号Ｖｒｅ
ｆ１を受け取る。エラー増幅器２００と２０２の出力は
回路２０４によって論理的に組合わせられる。組合わせ
回路２０４はエラー増幅器出力信号に対して論理和をお
こないその出力信号を、例えばパルス幅変調（ＰＷ
Ｍ）、ヒステリシス制御または他の既知のバッテリー充
電方法を用いる電荷供給回路に送る。電圧エラー増幅器
２００と電流エラー増幅器２０２はそれぞれバッテリー
充電回路の電圧ループと電流ループの一部を構成する。
このバッテリー充電回路には、例えば電力エラー増幅器
等バッテリー充電機能に関わるより多くのエラー増幅器
を含むこともできる。Ｓ．Ｂｒｙｓｏｎによる共同譲渡
された米国特許出願第０９／３５２，４３７号（代理人
整理番号１８８６５−２５−１／１７７３２−９０２
１）「適応バッテリー充電器用電力測定」にはバッテリ
ー充電回路のより完全な回路図が、またその動作がより
詳しく説明されている。この米国特許出願を引用するこ
とによりその開示内容全体を本明細書に組み込む。図２
Ａを再び参照すると、このバッテリー充電回路にはさら
に２つのエラー増幅器２００、２０２の出力を結合する
クロスクランプ回路２０６が含まれる。回路２０６の機
能は２つのエラー増幅器の出力をクロスクランプするこ
とである。一実施例において、本発明は動作エラー増幅
器の出力を使って他の増幅器を少し高い電圧でクランプ
する。図２に示すクロスクランプ回路２０６の一例のブ
ロック図にはダイオード２１２が含まれており、このダ
イオード２１２は電流エラー増幅器２０２の出力(ノー
ド２１０)をユニティ利得バッファ増幅器２１４を介し
て電圧エラー増幅器２００の出力(ノード２０８)に接続
する。同様に、電圧エラー増幅器２００の出力(ノード
２０８)はダイオード２１６とユニティ利得バッファ増
幅器２１８を介して電流エラー増幅器２０２の出力(ノ
ード２１０)に接続される。したがって、本実施例にお
いて、非動作（イン・アクティブ）状態の増幅器の出力
は動作（アクティブ）状態の増幅器の出力よりも１ダイ
オード分電圧が高く設定される。非動作状態の増幅器の
出力をこのレベルに維持した状態で、増幅器の補償コン
ポーネントをそれらの正しい値にプリチャージすること
によって増幅器を飽和しないようにしている。これによ
って制御ループが切り替わったときに直ちに非動作状態
の増幅器が制御を開始できるようにしている。したがっ
て、本発明はループ間の時間遅れを解消しソフトスター
トの使用を不要にしている。本システムはエラー増幅器
に関して線形であり、したがって発振する傾向はない。
さらに、充電回路の各種機能は別々になっているので設
計の複雑さが低減する。

【０００４】図２Ａに示した実施例では両方の出力をク
ロスクランプしたが、上記回路の発振傾向を除去するに
は電圧ループ増幅器の出力によって電流ループ増幅器を
クランプすればよい。すなわち、本発明の代替用の実施
例としてダイオード２１２とバッファ２１４のみで構成
することもできる。さらに図２Ａに示す例において、高
い方の電圧は１ダイオード分高く設定されるが、非動作
状態の増幅器の出力は動作状態の増幅器の出力と同じ値
かあるいはそれよりも高い値にクランプすることができ
る。図２Ｂはダイオード２１２と２１６が増幅器２１４
と２１８の帰還ループ内にそれぞれ接続されている変形
例を示す。この実施例において、非動作状態の増幅器の
出力は動作状態の増幅器の出力と同じ値にクランプされ
る。クランプレベルに関してより柔軟性をもった本発明
の別の実施例を図３に示す。非動作状態の増幅器の電圧
を強制的に動作状態の増幅器よりもわずか１ダイオード
分高くする代わりに、本実施例では所望の値に調整でき
る出力に基準電圧を加えることによって電圧を設定す
る。図３の単純化した回路には、エラー増幅器の出力
(例えば図２のノード２０８)を抵抗Ｒ１を介して受ける
増幅器３００が示される。基準電圧Ｖｒｅｆが別の抵抗
Ｒ２を介して増幅器３００の同じ入力に接続される。バ
イポーラトランジスタ３０２が図示のように増幅器３０
０の周りの帰還ループに接続される。トランジスタ３０
２のコレクターは抵抗３０４により引き上げられ（プル
・アップ）、他のエラー増幅器の出力(例えば図２のノ
ード２１０)に接続されるクランプ回路の出力を与え
る。この回路構成において、バイポーラトランジスタ３
０２は本質的に、電流を供給（ソース）するのではな
く、順バイアス電圧降下なしで電流を低減（シンク）さ
せることができる理想的なダイオードとして動作する。
基準電圧はクランプ回路の出力にオフセット値を導入す
る。したがって動作増幅器の出力(ノード２０８)と他の
増幅器の出力との間の電圧差は、基準電圧レベルを調整
するかあるいは抵抗の値を調整するかによって設定され
る。

【０００５】図４は本発明のバッテリー充電回路に使用
するクランプ回路の一実施例を示す。クランプ回路４０
０は、電圧エラー増幅器２００の出力に基づいて電流エ
ラー増幅器２０２の出力をクランプするように動作す
る。この回路には、それぞれのゲート端子で増幅器出力
ノード２１０と２０８を受け取る一対のトランジスタＱ
１とＱ２が含まれる。トランジスタＱ１とＱ２はノード
２１０と２０８における出力電圧の差を検知し本質的に
比較器として動作する。ノード２１０における電流ルー
プ出力電圧がノード２０８における電圧ループ出力電圧
よりも高くなろうとするとき、ｐチャネルトランジスタ
Ｑ２はＯＮとなり電流をトランジスタＱ３を介して流
す。トランジスタＱ３を流れる電流はトランジスタＱ４
にも送られ（ミラー動作）、さらに多くの電流が増幅器
２０２の出力から引き出され、電流ループ出力電圧を引
き下げる。したがってこの回路は電流ループ増幅器出力
ノード２１０をノード２０８の電圧と同じレベルにクラ
ンプする。図５は本発明の他の実施例の単純化したブロ
ック図であり、バッテリー充電回路は電圧および電流制
御ループ５０２、５０４のほかに電力制御ループ５００
を含む。電力制御ループ５００を実施するための好まし
い実施例は、Ｂｒｙｓｏｎに共同譲渡された上記米国特
許出願第０９／３５２，４３７号に詳細に述べられてい
る。３つのエラー増幅器により、増幅器出力用のクロス
クランプ回路または独立したクランプ回路の各種組合わ
せを使用要求に応じて実現できる。要するに、本発明は
ループ増幅器の出力をクランプすることによってバッテ
リー充電回路での発振状態を除去するための方法および
回路を提供する。本発明によれば、ループ増幅器出力を
クロスクランプすることにより、ループ増幅器は飽和せ
ず、したがってループが制御動作に入ったとき増幅器は
遅延なしに制御をおこなえるようになる。上記説明は本
発明の特定の実施例を全部説明したものであるが、各種
変更や同等回路を使用することができる。例えばクラン
プは各種の回路技術によって達成でき、そのうちいくつ
かはここに例えとして記述した。また、充電回路は選択
的にクロスクランプされた3つ以上の増幅器を含むこと
もできる。したがって、本発明の範囲は上記の説明によ
ってではなく、添付請求項および広範な同等物を考慮し
て決めなければならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】潜在的な発振問題を説明するための各種動作モ
ードにおけるバッテリー充電回路を示す。

【図２】本発明による単純化したバッテリー充電器回路
の別の実施例を示す。

【図３】本発明によるバッテリー充電器回路の別の実施
例を示す単純化した回路図である。

【図４】本発明によるバッテリー充電器回路の実施例の
より詳細な回路図である。

【図５】電流ループと電圧ループ以外に電力制御ループ
を含む、本発明の一実施例によるバッテリー充電器回路
を示すブロック図である。

【符号の説明】

２００ 電圧エラー増幅器 ２０２ 電流エラー増幅器 ２０４ 組合わせ回路 ２０６ クロスクランプ回路 ２１２，２１６ ダイオード ２１４，２１８，３００ 増幅 ３０２ バイポーラトランジスタ ３０４ 抵抗 ４００ クランプ回路 ５００ 電力制御ループ ５０２ 電圧制御 ５０４ 電流制御ループ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スチーブン ダブリュ、ブライソン アメリカ合衆国 カリフォルニア、クパー チノ、リバーサイド ドライブ 22394

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バッテリーを駆動するように構成された
   電荷供給回路と、 バッテリー電圧を表す信号を受けるための入力と電荷供
   給回路に接続された出力とを有する電圧ループ増幅器
   と、 バッテリー電流を表す信号を受けるための入力と電荷供
   給回路に接続された出力とを有する電流ループ増幅器
   と、 前記電圧ループ増幅器の出力および電流ループ増幅器の
   出力に接続されたクランプ回路と、を有し前記電圧ルー
   プ増幅器または前記電流ループ増幅器の内の非動作状態
   の増幅器が飽和するのを阻止するように前記クランプ回
   路が動作することを特徴とするバッテリー充電回路。
2. 【請求項２】 前記電圧ループ増幅器が動作状態で前記
   電流ループ増幅器が非動作状態のときに、前記クランプ
   回路は前記電流ループ増幅器の出力を前記電圧ループ増
   幅器の出力にほぼ等しいレベルにクランプする回路を有
   する請求項１のバッテリー充電回路。
3. 【請求項３】 前記クランプ回路は、前記電圧ループ増
   幅器が制御動作可能状態で前記電流ループ増幅器が制御
   動作不可能状態のときに、前記電流ループ増幅器の出力
   を前記電圧ループ増幅器の出力よりも高いあらかじめ定
   められたレベルにクランプする回路を有する、請求項１
   のバッテリー充電回路。
4. 【請求項４】 前記クランプ回路は：前記電圧ループ増
   幅器の出力に接続された第一端子と、第二端子とを有す
   るダイオードと；前記電流ループ増幅器の出力に接続さ
   れた入力端子と、前記ダイオードの第二端子に接続され
   た出力端子とを有するバッファとを前記クランプ回路が
   有する請求項３のバッテリー充電回路。
5. 【請求項５】 前記ダイオードの第一端子はカソードか
   ら成り、また第二端子はアノードから成り、前記バッフ
   ァはユニティ利得結合増幅器を有する、請求項４のバッ
   テリー充電回路。
6. 【請求項６】 前記クランプ回路は：第一入力、第二入
   力および出力を有するバッファ増幅器と；前記電圧ルー
   プ増幅器の出力と前記バッファ増幅器の第一入力との間
   に接続された第一抵抗要素と；電源電圧と前記バッファ
   増幅器の第一入力との間に接続された第二抵抗要素と；
   前記バッファ増幅器の出力と前記バッファ増幅器の第二
   入力との間に接続されたトランジスタと、を有する、請
   求項３のバッテリー充電回路。
7. 【請求項７】 前記クランプ回路は：前記電圧ループ増
   幅器の出力に接続された第一入力、前記電流ループ増幅
   器の出力に接続された第二入力、および出力を有する増
   幅回路と；前記増幅回路の出力と前記電流ループ増幅器
   の出力との間に接続されたクランプトランジスタとを有
   する請求項２のバッテリー充電回路。
8. 【請求項８】 前記増幅回路は、共通接続のソース端子
   と、前記電圧ループ増幅器および前記電流ループ増幅器
   の出力にそれぞれ接続されたゲート端子とを有する一対
   の電界効果トランジスタを有し、 前記クランプトランジスタは前記増幅回路の出力に接続
   されたゲート端子と、前記電流ループ増幅器の出力に接
   続された第一通電端子と、接地された第二通電端子とを
   有する電界効果トランジスタである、請求項７のバッテ
   リー充電回路。
9. 【請求項９】 前記クランプ回路は、前記電流ループ増
   幅器出力と前記電圧ループ増幅器出力との間でクロスク
   ランプできるようにさらに構成されている、請求項１の
   バッテリー充電回路。
10. 【請求項１０】 前記クランプ回路は：前記電流ループ
    増幅器の出力と前記電圧ループ増幅器の出力との間に接
    続され、かつ非動作状態の電圧ループ増幅器の出力を動
    作状態の電流ループ増幅器の出力に応じて所定のレベル
    にクランプするように構成された電圧ループクランプ回
    路と；前記電圧ループ増幅器の出力と前記電流ループ増
    幅器の出力との間に接続され、かつ非動作状態の電流ル
    ープ増幅器の出力を動作状態の電圧ループ増幅器の出力
    に応じて所定のレベルにクランプするように構成された
    電流ループクランプ回路と、を有する請求項９のバッテ
    リー充電回路。
11. 【請求項１１】 前記電圧ループクランプ回路と前記電
    流ループクランプ回路はそれぞれ、一方の出力を他方の
    出力にバッファを介して接続したダイオードを有する、
    請求項１０のバッテリー充電回路。
12. 【請求項１２】 前記電圧ループクランプ回路と前記電
    流ループクランプ回路はそれぞれ、前記増幅器の出力信
    号をその入力で受け取り、クランプトランジスタの制御
    端子を駆動する増幅器を有する請求項１０のバッテリー
    充電回路。
13. 【請求項１３】 電圧ループ増幅器によってバッテリー
    電圧を検出するステップと、 電流ループ増幅器によってバッテリー電流を検出するス
    テップと、 前記電圧ループ増幅器の出力または前記電流ループ増幅
    器の出力に応じて前記バッテリーに供給される電荷量を
    制御するステップと、 前記電圧ループ増幅器と前記電流ループ増幅器の内の非
    動作状態のループ増幅器の出力をクランプすることによ
    り、非動作状態のループ増幅器が飽和するのを阻止する
    ステップと、から成るバッテリー充電方法。
14. 【請求項１４】 前記クランプステップが、前記電流ル
    ープ増幅器の出力を前記電圧ループ増幅器の出力よりも
    １ダイオード分高い電圧とほぼ等しい電圧にクランプす
    る、請求項１３のバッテリー充電方法。
15. 【請求項１５】 前記クランプステップが、前記電流ル
    ープ増幅器の出力を前記電圧ループ増幅器の出力にほぼ
    等しい電圧にクランプする、請求項１３のバッテリー充
    電方法。
16. 【請求項１６】 前記クランプステップが：前記電圧ル
    ープ増幅器の出力を前記電流ループ増幅器の出力と比較
    するステップと；前記比較ステップに応じてクランプト
    ランジスタを制御するステップとから成る請求項１３の
    バッテリー充電方法。
17. 【請求項１７】 前記電圧ループ増幅器の出力を前記電
    流ループ増幅器の出力でクランプすることにより前記電
    圧ループ増幅器が非動作状態のときに飽和するのを阻止
    するステップをさらに有する、請求項１３のバッテリー
    充電方法。
18. 【請求項１８】 電力ループ増幅器によってバッテリー
    電力レベルを検出するステップをさらに有し、前記クラ
    ンプステップはさらに前記電力ループが非動作状態のと
    きに前記電力ループ増幅器の出力をクランプして、前記
    電力ループ増幅器が飽和するのを阻止する請求項１３の
    バッテリー充電方法。
19. 【請求項１９】 バッテリー電力レベルを表す信号を受
    ける入力と、前記クランプ回路に接続された出力とを有
    する電力ループ増幅器を有し、 前記クランプ回路は前記電力ループが非動作状態のとき
    に前記電力ループ増幅器が飽和するのを阻止するように
    動作する、請求項１のバッテリー充電回路。