JP2000510676A - バッテリ充電器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 入力トランス（１４）の二次側（１８）の主巻き線（２２）とバイアス巻き線（２４）によって付勢される電源（２６）とともにバッテリ充電器（１０）を提供する。充電器は主電圧出力（２８）で提供される主電圧レベルをパルス幅変調形式にしたがって切り替え、スイッチされた電圧をろ波するための出力部を有する。電源スイッチ（３８）は出力部と制御端子との間に結合され、制御端子（５０）とバイアス電圧出力（３０）との間に結合されるバイアス・スイッチ（４８）によって駆動され、主電圧より高いバイアス電圧レベルを最小変化量まで提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 バッテリ充電器 発明の分野 本発明は、一般にバッテリ充電器に関し、特に電源切替えに利用されるバッテ リ充電器に関する。 発明の背景 バッテリ充電器は、携帯用電気システムに充電のため、また時にはこれらのシ ステムの二次電池として使用される。近年、これらのシステムの充電器の設計は 大きさおよびコストの削減が強調されている。バッテリ充電器の大きさを削減す ることは、特に挑戦的なことである、と言うのは、電池の容量すなわち容積当た りのエネルギの蓄積量が増大しているからである。結果的に、高速に、一般的に は１時間以内に、電池を再充電するため、バッテリへの電力伝達が増大する。し たがって、充電器の電力出力が増大することになる。これは、充電器の電力設計 が、電力変換（conversion）および調整（regulation）のモード切替えに移行す ることを意味する。モード切換電力調整は線形調整型（linear type regulation ）のものより、ほとん どの場合より効果的であり、これにより線形調整に必要とされるヒート・シンク のほとんどを除去することができ、それにより要領の削減が可能となる。 モード切換調整を実行する場合、一般的には、フォワード・モード・トポロジ （forward mode topology）が利用される。このトポロジは、直列の誘電体素子 とフリーホイール・ダイオード（freewheel diode）とによって構成される出力 と電源の間の高側スイッチ（high side switch）を採用する。バッテリ充電器に は、単一の共通電源を参照し、リターン線としてたいていは負（マイナス）を使 用するいくつもの回路がある。このような回路は、例えば、温度検知のためのサ ーミスタを含む。高側スイッチは、これらの補助回路の継続的な検知をするのに 好適である。低側スイッチ（low side switch）共通ノードとの接続を分断する ために必要であり、これによりこれらの回路を検知を困難にする。電源出力は、 一般に電圧の高レベルを使用するため、また、スイッチ・デバイスは高側にあり ＰＮＰバイポーラ・トランジスタかＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜電界効 果トランジスタ）のいずれかが使用される。スイッチの制御端子を低側スイッチ を閉じるために接続することによって、電流はトランジスタを介して電源から出 力部へと流れる。制御端子は、バイポーラ・デバイスのベースおよびＭＯＳＦＥ Ｔのゲートである。 バイポーラ・トランジスタを駆動するには、大容量の電 流を必要とするので、充電器の過剰電力使用を削減するためにバイポーラ・トラ ンジスタよりＭＯＳＦＥＴを好ましくは使用する。しかしながら、ＰチャネルＭ ＯＳＦＥＴは、Ｎチャネルのカウンタ・パートよりも多くのシリコンを必要とす るので、高価であるという固有の問題がある。Ｎチャネル・デバイスを高側に使 用することは可能であるが、これは、常にチャージ・ポンプ又はそれに似たＭＯ ＳＦＥＴを駆動する主電源より高い電圧を導出する回路が必要となる。しかしな がら、チャージ・ポンプをバッテリ充電器に使用することはコストと領域を付加 するので、避けなければならない。 これらにより、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴの高側スイッチを駆動するほどの十分 な電圧を導出し、余分な回路を追加することなくコストに見合うようなバッテリ 充電器の必要性が生ずる。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明によるバッテリ充電器のブロック図を示す。 第２図は、本発明によるバッテリ充電器の詳細な回路図を示す。 好適な実施例の説明 明細書は、本願発明の新規である点について開示し、以下の説明により本願発 明のより良い理解がされるものと考える。なお、同じ部材を示すものとして同様 の参照番号を使用する。 第１図を参照して、本発明によるバッテリ充電器１０のブロック図を示す。充 電器は、電源１２および主側１６（primary side）と二次側１８（secondary si de）を有するトランス１４を有する。主側は主巻き線２０によって構成される。 入力電源は、交流線電圧（120-240ＶＡＣ、50-60Ｈｚ）又は、モード切換電源か のいずれかであり、例えばフライバック電源トランス（flyback power converte r）などである。入力電源は主巻き線２２で駆動されるが、一般に二次巻き線と 充電器回路に供給する電源２６のトランスの二次側のバイアス巻き線２４を参照 する。電源は、主電圧レベルＶｍを主電圧出力２８に提供し、バイアス電圧レベ ルをバイアス電圧出力３０に供給する。このバイアス電圧レベルは、主電圧レベ ルより高く、予め決められたΔＶｄによりリターン線３２より測定することがで きる。 充電器は、出力部３６を介して、バッテリ３４に接続する。出力部フィルタは 、出力部と主電圧出力との間に接続される電源スイッチ３８により提供されるス イッチ電圧をろ波する。出力部は、標準的なフォワード・モード変換器 出力部であり、電源スイッチとリターン線との間に接続される直列の誘電体素子 ４０，電源スイッチ３８と電源のリターン線３２との間に結合されるフリーホイ ール・キャパシタ４２、および、バッテリに並列に結合される出力フィルタ・キ ャパシタ４４を付加的に加えることによって構成される。主電圧出力２８からの 電圧は、制御回路４６によって制御されるパルス幅変調形式にしたがって出力部 に切り替えられる。 制御回路４６は、電源スイッチ３８の制御端子５０とバイアス電圧出力３０と を接続する切り替え可能に使用されるバイアス・スイッチ４８によって構成され る。バイアス・スイッチは、所望のパルス幅変調を達成するためにどのような標 準的な従来技術によっても駆動することができる。しかしながら、バイアス・ス イッチは、バイアス電圧を電源スイッチの制御端子に供給するためだけに動作す る。制御ネットワーク５２は、電源スイッチを非バイアス（unbias）するために 、プル・ダウン抵抗が必要となり、電源スイッチを切断する。プル・ダウン抵抗 は、制御端子５０と接続され、好ましくは、制御端子とリターン線３２との間に 結合される。プル・ダウン抵抗の抵抗値は、バイアス・スイッチが切断されたあ と（しかし、バイアス・スイッチが接続された場合の重大な電流のドレインでは ない）、ほんの短い間制御端子を放電するするように選択される。 制御端子は、通常低状態で接続される。すなわち、バイ アス・スイッチが伝導していない場合、制御端子は低電圧である。バイアス・ス イッチおよび制御ネットワーク、例えば、プルダウン抵抗などを並記することが できることを考慮されたい。バイアス・スイッチは、制御ネットワークが高電圧 を供給している間に制御端子を低電圧に接続するために使用される。このような 通常のパルス幅変調信号は、バイアス・スイッチに供給され変換され、充電がな い状態の場合は電源スイッチ３８は“開”し続ける。 第２図を参照して、本発明による好適な実施例によるバッテリ充電器１０の詳 細な回路図を示す。電源２６は、バイアス巻き線２４および主巻き線２２を直列 に配列し、バイアス点５４で１つの巻き線として接続される。主電圧出力２８で 主電圧レベルを提供するために、主整流器５６（rectifier）は、主巻き線２２ と主電圧出力との間を結合し、主出力キャパシタ５８は主電圧出力２８とリター ン線３２との間を結合する。 バイアス整流器６０は、バイアス巻き線２４とバイアス電圧出力３０との間を 結合し主電源と同様に使用され、主電圧レベルより高いバイアス電圧レベルを提 供する。バイアス出力キャパシタ６２は、バイアス電圧出力３０と主電圧出力２ ８との間を結合するために使用され、バイアス整流器の出力をろ波する。その他 の巻き線，整流器およびフィルタ・キャパシタ配列は同等に使用されるが、バイ アス電圧レベルは常に主電圧レベルより高い必要がある。電源ス イッチが、好ましくはＮチャネルＭＯＳＦＥＴである場合、バイアス電圧レベル は少なくともＭＯＳＦＥＴのゲート−ソース閾値電圧の間で主電圧より高い。 電源スイッチ３８は、前述のとおり好ましくは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであ るが、どのような電気的または電子的スイッチで要求される電圧より高い電圧で 使用可能なスイッチである。制御端子５０は、ＭＯＳＦＥＴのゲートで制御ネッ トワーク５２を介して、制御回路の出力とバイアス・スイッチ４８とに接続され る。制御回路はバイアス・スイッチを制御端子と接続し、パルス幅変調形式にし たがってスイッチされた電圧を出力部３６に提供するように動作する。ゲート端 子は、金属酸化層によってＭＯＳＦＥＴチャネルに静電容量結合されるので、Ｍ ＯＳＦＥＴのゲート−ソースキャパシタによって格納されたチャージがにじみ出 るので、ある手段が必要となる。制御ネットワーク５２を使用し、好ましくはＭ ＯＳＦＥＴのゲートとリターン線との間に結合され、必要なゲートの放電経路を 成すが、同様にＭＯＳＦＥＴのゲートと主電圧出力との間を結合しても良いこと を理解されたい。 本願の好適な実施例による制御ネットワークは、効率と速度のために能動素子 によって構成される。特に、バイアス・スイッチ４８は、電源スイッチの制御端 子にダイオード５４と電流制限抵抗５６を介し提供される。バイアス・スイッチ が切断され、電源スイッチのゲート−ソースキャ パシタが充電される場合、充電はＰＮＰバイポーラ・トランジスタ５８を構成す るエミッタ・フオロアによって除去される。バイアス・スイッチ４８がオープン の場合、バイアス電圧レベルは、実質的に制御ノード６３である。ベース抵抗は 、ノード６２とリターン線３２との間に接続され、バイポーラ・トランジスタの 動作を制御し、制御ノード６３とリターン線３２との間を接続しノード６２とも 結合するを有するベース６４と接続される。この配列は、第１図に示すように単 なるプル・ダウン抵抗より、ベース抵抗により高い抵抗を有するようにする。バ イアス・スイッチ４８が“オン”で、ノードがバイアス電圧レベルに近い電圧レ ベルである場合、ＰＮＰバイポーラ・トランジスタはカットオフの状態である、 すなわち伝導しない状態である。バイアス・スイッチ４８がオープンである場合 、それによって制御ネットワーク５２からのバイアス電圧レベルが開放され、ダ イオード５４は制御回路５２からの入力充電およびベース抵抗はＰＮＰバイポー ラ・トランジスタのベースの負荷となり、ＰＮＰバイポーラ・トランジスタは伝 導し、電流制限抵抗５６を介して電源スイッチのゲートを放電する。効果的には 、ＰＮＰバイポーラ・トランジスタは、ＰＮＰバイポーラ・トランジスタのベー タと等しくなるまでベース・トランジスタの電流度レイン・キャパシタを増幅す る。 本願を実施するにおいて、主電圧レベルの頂上にバイア ス電圧レベルを引き上げるように、巻き線とそれに関連する整流器を配列するこ とは重要である。すなわち、好適な実施例のゲート制御閾値電圧の最小変化量ま で、バイアス電圧レベルは、主電圧レベルより常に高い。 好適な実施例による本発明を説明し、図示したが、本発明はそれに限定される ものではないことは明白である。幾多の変更等を本発明の思想を逸脱することな く達成できることは当業者においては可能であろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．バッテリを充電するバッテリ充電器において： リターン線を有する電源であって、主電圧出力において主電圧レベルを提供し 、バイアスレベル出力においてバイアス電圧レベルを提供し、全機種電圧レベル より前記バイアス電圧レベルが高い、電源； スイッチされた電圧をろ波し、前記バッテリに整流された電流を提供する出力 部； 電源スイッチであって、制御端子を有し、前記主電圧出力と前記出力部に結合 し、前記主電圧レベルを切り替え前記スイッチされた電圧を提供する、電源スイ ッチ； 制御回路であって、前記電源スイッチの前記制御端子と前記バイアス・レベル 出力とを切り替え可能に接続するバイアス・スイッチを有する、制御回路；およ び 前記電源スイッチの前記制御端子と結合する制御ネットワーク； によって構成されることを特徴とするバッテリ充電器。 ２．前記電源スイッチがＮチャネルＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求 項１記載のバッテリ充電器。 ３．前記出力部において： 前記バッテリと前記電源スイッチとの間に直列に結合された誘電体素子； 前記電源スイッチと前記電源の前記リターン線との間を 結合するフリーホイール・ダイオード；および、 前記バッテリと並列に結合される出力フィルタ・キャパシタ； によって構成されることを特徴とする請求項１記載のバッテリ充電器。 ４．前記電源が主側と二次側とを有するトランスによって構成され、前記二次 側は前記主電圧出力に電圧を提供する主巻き線と、前記バイアス・レベル出力に 電圧を提供するバイアス巻き線とを有することを特徴とする請求項１記載のバッ テリ充電器。 ５．前記バイアス巻き線が前記主巻き線に直列に結合することを特徴とする請 求項４記載のバッテリ充電器。 ６．バッテリを充電するバッテリ充電器において： 主巻き線とバイアス巻き線を有する二次側を有するトランスにおいて、前記主 巻き線は主電圧出力のための電圧を提供し、前記バイアス巻き線はバイアス・レ ベル出力を提供するための電圧を提供し、前記バイアス・レベル出力は前記主レ ベル出力において主電圧レベルより高いバイアス電圧を有する、トランス； 出力部であって、直列の誘電体素子とフリーホイール・ダイオードを有し、ス イッチされた電圧と前記バッテリに整流された電流を提供する、出力部； 電源スイッチであって、制御端子を有し、前記出力部と前記主電圧出力との間 に結合し前記スイッチされた電圧を 前記出力部に提供する、電源スイッチ；および 制御回路であって、前記電源スイッチの前記制御端子と前記バイアス電圧出力 との間に結合されるバイアススイッチを有する、制御回路； によって構成されることを特徴とするバッテリ充電器。