JP2001078370A - 充電器および充電制御回路 - Google Patents

充電器および充電制御回路

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JP2001078370A
JP2001078370A JP25303699A JP25303699A JP2001078370A JP 2001078370 A JP2001078370 A JP 2001078370A JP 25303699 A JP25303699 A JP 25303699A JP 25303699 A JP25303699 A JP 25303699A JP 2001078370 A JP2001078370 A JP 2001078370A
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voltage
offset
charger
coil
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Takashi Aoyama
孝志 青山
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Toyoda Automatic Loom Works Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 充電状態に依らず一定周期で制御される充電
器および充電制御回路を提供する。 【解決手段】 スイッチＭ１は、充電制御部１０３によ
り制御される。スイッチＭ１と２次電池２００との間に
コイルＬが設けられている。オフセット生成部２は、抵
抗Ｒの両端電圧Ｖ1 にオフセットＶosを加えることによ
り電圧Ｖ2 を生成する。電流検出部１は、この電圧Ｖ2
に基づいてコイル電流を検出する。電圧検出部１０１
は、出力電圧Ｖout を検出する。充電制御部１０３は、
電流検出部１により検出されたコイル電流および電圧検
出部１０１により検出された出力電圧Ｖout に基づいて
スイッチＭ１を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２次電池を充電す
るための充電器および充電動作を制御する充電制御回路
に係わる。
【０００２】
【従来の技術】２次電池（バッテリ）は、ノート型パー
ソナルコンピュータ、通信機器、ビデオカメラ等、様々
な機器に使用されている。したがって、必然的に、これ
らの２次電池を充電するための充電器も広く普及してき
ている。
【０００３】２次電池を充電する際には、通常、充電動
作を制御するためのパラメータとして、２次電池に印加
すべき電圧や２次電池に供給すべき電流が使用される。
既存の技術として、例えば、充電動作を２工程に分割
し、第１工程において供給電流を一定に保ちながら２次
電池を満充電近くまで充電した後、第２工程において電
圧を一定に保ちながらその２次電池を満充電状態にする
方法が知られている。
【０００４】図４は、既存の充電器の一例を示す図であ
る。この充電器は、一般に、「非同期整流型」と呼ばれ
ている。電圧検出部１０１は、出力電圧（２次電池２０
０に印加される電圧）を検出する。電流検出部１０２
は、コイルＬに直列に接続されている抵抗Ｒの両端電圧
をモニタすることにより、コイル電流またはその平均値
（２次電池２００に供給される電流）を検出する。そし
て、充電制御部１０３は、これらにより検出される出力
電圧およびコイル電流に基づいてスイッチ（ＭＯＳトラ
ンジスタ）Ｍ１を制御する。ここで、スイッチＭ１がＰ
ＷＭ制御で駆動されるものとすると、スイッチＭ１に与
えられる制御信号は、一定の周期のパルス信号である。
そして、充電制御部１０３は、出力電圧およびコイル電
流に基づいて、そのパルス信号のデューティを調整す
る。
【０００５】スイッチＭ１には、ＡＣアダプタ（ＡＣ／
ＤＣコンバータ）により生成される所定のＤＣ電圧が与
えられている。従って、スイッチＭ１がオン状態（閉状
態）の期間は、図５に示すように、コイル電流は時間の
経過と共に増加してゆく。このとき、コイル電流はスイ
ッチＭ１を介して供給される。一方、スイッチＭ１がオ
フ状態（開状態）の期間は、コイル電流は時間の経過と
共に減少してゆく。この場合、スイッチＭ１がオフ状態
なので、コイル電流はダイオードＤ１を介して供給され
る。
【０００６】上記構成において、充電制御部１０３は、
出力電圧が一定の値に保持されるように、或いはコイル
電流の平均値が一定の値に保持されるようにスイッチＭ
１を制御する。この結果、２次電池２００は、一定の電
圧により或いは一定の電流により充電される。
【０００７】図６は、既存の充電器の他の形態の例を示
す図である。この充電器は、一般に「同期整流型」と呼
ばれている。図６に示す同期整流型の充電器は、基本的
に、図４に示す充電器においてダイオードＤ１をスイッ
チＭ２に置き換えることにより実現される。ここで、ス
イッチＭ１およびＭ２は、これらが同時にオン状態にな
ることがないように同期的に駆動される。また、図６に
おいては、コイル電流が逆方向に流れると、負のコイル
電流を検出する機能を持たない電流検出部１０２がコイ
ル電流を正しく検出できないため、それを防止するため
にダイオードＤ２が設けられている。
【０００８】この同期整流型の充電器の動作は、基本的
に、図４に示した非同期整流型のそれと同じである。即
ち、スイッチＭ１がオン状態でありスイッチＭ２がオフ
状態の期間は、コイル電流は時間の経過と共に増加して
ゆく。このとき、コイル電流はスイッチＭ１を介して供
給される。一方、スイッチＭ１がオフ状態でありスイッ
チＭ２がオン状態の期間は、コイル電流は時間の経過と
共に減少してゆく。この場合、コイル電流はスイッチＭ
２を介して供給される。
【０００９】上記構成において、充電制御部１０３は、
出力電圧が一定の値に保持されるように、或いはコイル
電流の平均値が一定の値に保持されるようにスイッチＭ
１およびＭ２を同期的に制御する。この結果、２次電池
２００は、一定の電圧により或いは一定の電流により充
電される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】図４に示した非同期整
流型の充電器においては、上述したように、スイッチＭ
１がオフ状態の期間は、コイル電流はダイオードＤ１を
介して供給される。ところが、一般に、ダイオードのオ
ン抵抗はＭＯＳトランジスタ等のそれと比べてかなり大
きい。このため、ダイオードを介して電流が流れると
き、そこで生じる電圧降下は比較的大きく、それに伴う
発熱量も大きくなってしまう。
【００１１】図６に示した同期整流型の充電器では、回
生用ダイオードＤ１をＭＯＳトランジスタに置き換える
ことによりダイオードＤ１での発熱の問題は解決される
が、ダイオードＤ２が挿入されるため、そこでの発熱お
よび充電経路に余分な電圧降下が発生するという新たな
問題が生じてしまう。また、従来の非同期型および同期
整流型の充電器では、コイル電流の逆流を防止している
ために以下の問題がある。
【００１２】２次電池２００が満充電状態に近くなる
と、出力電圧が目標値を越えて上昇してしまうことを回
避するために、電圧検出部１０１により充電電流を減ら
すように制御され、満充電状態になるとコイル電流の平
均値はほぼ０に近づく。このとき、従来の非同期型およ
び同期整流型の充電器のようなコイル電流の逆流防止機
能がなければ、コイル電流の波形は図７(a) に示すよう
に連続的となる。ところが、コイル電流の逆流防止機能
が設けられている場合、出力電圧が目標値を越えて上昇
しないようにコイル電流の平均値をほぼ０に近づけるた
めには、必要に応じて充電を停止する期間を設けなけれ
ばならず、図７(b) に示すように充電サイクルが非連続
的に実行されることになる。このため、コイル電流の波
形は、図７(b) に示すように不連続となってしまう。
【００１３】つまり、コイル電流の逆流防止機能が設け
られていなければ、２次電池２００の充電状態に依ら
ず、常に一定の周期で充電制御されるが、従来のように
コイル電流の逆流防止機能が設けられていると、充電状
態に依って充電制御の周期が変化してしまう。
【００１４】また、一般に、コイル電流の平均値の検出
精度は、検出すべきコイル電流波形が不連続であるとき
よりも連続的であるときの方が平均化が容易なので、高
くなる。ゆえに、充電電流の目標値がコイル電流のリッ
プル幅より低い値に設定された場合、コイル電流の逆流
防止機能が設けられていると、コイル電流波形が不連続
となるため、コイル電流の平均値の検出精度が落ち、目
標値に対する充電電流のずれが大きくなる可能性があ
る。
【００１５】本発明の課題は、２次電池がいかなる充電
状態であっても、一定の周期で制御する充電器および充
電制御回路を提供することである。また、本発明の他の
課題は、いかなる充電電流の目標値に対しても充電電流
精度を下げない充電器および充電制御回路を提供するこ
とである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の充電制御回路
は、ＤＣ電圧が印加されるスイッチおよびそのスイッチ
に接続されコイルを含む充電器の動作を制御する。この
充電制御回路は、以下の手段を備える。オフセット手段
は、コイル電流に対応する信号にオフセットを与える。
変換手段は、オフセットが与えられた信号に対応する電
流を生成する。補正手段は、変換手段により生成された
電流から上記オフセットによる影響を除去する。制御手
段は、補正手段により補正された電流に基づいて上記ス
イッチを制御する。
【００１７】上記構成において、オフセットとして適切
な値を選ぶことにより、変換手段に入力される信号を所
望のレベルに調整できる。したがって、変換手段にはそ
の変換手段にとって適切なレベルの信号が入力されるの
で、常に入力信号に対応する電流が生成される。また、
変換手段の出力は上記オフセットの影響を含んでいる
が、この影響は補正手段により除去される。したがっ
て、補正手段により補正された電流は、コイル電流を表
す。
【００１８】このように、本発明の充電制御回路におい
ては、オフセット手段を設けたことにより、変換手段に
はその変換手段にとって適切なレベルの信号が入力され
るので、コイル電流の逆流を防止する必要がない。よっ
て、コイル電流の逆流を防止することに起因して発生し
ていた従来の問題は回避される。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施
形態の充電器の構成を示す図である。図１において使用
する符号のうち図６において使用した符号は同じものを
表す。すなわち、電圧検出部１０１、充電制御部１０
３、スイッチＭ１およびＭ２、コイルＬ、抵抗Ｒは、基
本的に、図６に示した既存の回路または部品を流用する
ことができる。また、この充電器の基本動作は、図６に
示した充電器と同じなので、ここでは重複する説明は省
略する。
【００２０】本実施形態の充電器は、発熱を抑えるため
に同期整流方式を採用している。また、この充電器は、
図７を参照しながら説明した従来技術の問題点を回避す
るために、逆流防止用のダイオード（図６におけるダイ
オードＤ２）を使用しない構成である。
【００２１】電流検出部１は、抵抗Ｒの両端電圧をモニ
タすることにより、コイル電流またはその平均電流を検
出する。なお、この電流検出部１は、図４または図６に
示した電流検出部１０２と異なり、オフセット生成部２
により生成されるオフセットの影響を除去するための補
正機能を備える。この補正機能については、後述詳しく
説明する。
【００２２】オフセット生成部２は、電流検出部１に入
力される抵抗Ｒの両端電圧に対してオフセットを与え
る。すなわち、オフセット生成部２は、抵抗Ｒの両端電
圧Ｖ1に対してオフセットＶosを与えることにより電圧
Ｖ2 を生成する。このオフセットＶosは、コイル電流が
逆流した場合であっても電流検出部１に入力される電圧
Ｖ2 が「負」にならないようにする電圧である。オフセ
ット生成部２の構成は後述する。
【００２３】コンパレータ１１は、ＡＣアダプタ（ＡＣ
／ＤＣコンバータ）から与えられる入力電圧とこの充電
器の出力電圧とを比較する。シャットダウン回路１２
は、この充電器の出力電圧Ｖout がＡＣアダプタから与
えられる入力電圧Ｖinよりも高くなったときに、充電制
御部１０３の動作を停止する。なお、充電制御部１０３
が停止すると、スイッチＭ１およびＭ２は共にオフ状態
になる。
【００２４】上記構成において、電圧検出部１０１は、
出力電圧Ｖout を検出する。また、電流検出部１は、電
圧Ｖ2 に基づいてコイル電流またはその平均値を検出す
る。そして、充電制御部１０３は、これらの出力電圧お
よびコイル電流に基づいてスイッチＭ１およびＭ２を制
御する。
【００２５】図２は、電流検出部１およびオフセット生
成部２の回路図である。電流検出部１は、アンプ２１、
トランジスタ２２、電流源２３、カレントミラー回路２
４を備え、オフセット生成部２は、電流源３１を備え
る。
【００２６】アンプ２１の＋端子は、抵抗Ｒ1 を介して
抵抗Ｒの一方の端子（ノードＡ）に接続されている。一
方、アンプ２１の−端子は、抵抗Ｒ2 を介して抵抗Ｒの
他方の端子（ノードＢ）に接続されている。また、アン
プ２１の出力は、トランジスタ２２を制御する。さら
に、このトランジスタ２２の出力がアンプ２１にフィー
ドバックされる。したがって、トランジスタ２２には、
アンプ２１に入力される電圧Ｖ2 に対応する電流が流れ
る。
【００２７】なお、アンプ２１の−端子に印加される電
位がノードＢに印加される電位よりも低い場合、すなわ
ち、電圧Ｖ2 が負になる場合は、その電圧Ｖ2 に対応す
る電流を生成することができない。このため、本実施形
態の充電器では、オフセット生成部２を設けることによ
り、ノードＡの電位よりもノードＢの電位の方が高い場
合、すなわち、コイル電流が逆流した場合でも、電圧Ｖ
2 が負にならないようにしている。
【００２８】オフセット生成部２は、アンプ２１の＋端
子にオフセットＶosを加える。ここで、オフセット電圧
Ｖosは、抵抗Ｒ1 に電流Ｉa が流れたときの電圧降下に
より得られる。従って、オフセット電圧Ｖosは、下記
(1) 式により表される。また、アンプ２１は、その＋端
子および−端子を同電位にしようとトランジスタ２２に
流れる電流Ｉb を制御するため、抵抗Ｒ2 の両端電圧Ｖ
2 および電流Ｉb は、それぞれ下記(2) および(3) 式の
ように表される。
【００２９】 Ｖos＝Ｉa ・Ｒ1 ・・・(1) Ｖ2 ＝Ｖ1 ＋Ｖos ＝Ｖ1 ＋Ｉa ・Ｒ1 ・・・(2) Ｉb ＝Ｖ2 ／Ｒ2 ＝（Ｖ1 ＋Ｉa ・Ｒ1 ）／Ｒ2 ・・・(3) 電流源２３は、トランジスタ２２に対して電流Ｉc を供
給する。従って、カレントミラー回路２４の入力側のト
ランジスタを介して流れる電流は、下記(4) 式により表
される。また、カレントミラー回路２４の電流比を１：
１とすれば、カレントミラー回路２４の出力側のトラン
ジスタを介して流れる電流は、下記(5)式により表され
る。
【００３０】 Ｉc ＋Ｉd ＝Ｉb ・・・(4) Ｉe ＝Ｉd ＝Ｉb −Ｉc ・・・(5) ここで、抵抗Ｒ1 および抵抗Ｒ2 の抵抗値が互いに同じ
になるように設計されている。即ち、Ｒ1 ＝Ｒ2 であ
る。また、電流源２３および電流源３１により生成され
る電流も互いに同じになるように設計されている。即
ち、Ｉa ＝Ｉc である。この場合、カレントミラー回路
２４の出力側のトランジスタを介して流れる電流は、下
記(6) 式により表される。
【００３１】 Ｉe ＝（Ｖ1 ＋Ｉa ・Ｒ1 ）／Ｒ2 −Ｉc ＝Ｖ1 ／Ｒ2 ・・・(6) さらに、コイルＬに実際に流れている電流をＩcoilとす
ると、抵抗Ｒの両端電圧Ｖ1 は下記(7) 式により表され
る。よって、カレントミラー回路２４の出力側のトラン
ジスタを介して流れる電流は、下記(8) 式で表すことが
できる。
【００３２】 Ｖ1 ＝Ｒ・Ｉcoil ・・・(7) Ｉe ＝Ｉcoil・（Ｒ／Ｒ2 ） ・・・(8) このように、カレントミラー回路２４の出力側のトラン
ジスタを介して流れる電流Ｉe は、コイルＬを介して流
れる電流Ｉcoilに比例する。すなわち、この充電器にお
いては、コイル電流に直接的に対応する抵抗Ｒの両端電
圧Ｖ1 にオフセットＶosが加えられているが、電流源２
３により生成される電流Ｉc によりそのオフセットＶos
の影響が除去されるので、電流検出部１は、コイルＬを
介して流れる電流を正しく検出できる。
【００３３】カレントミラー回路２４の出力電流は、平
均化部２５に与えられる。平均化部２５は、抵抗および
コンデンサを含む一般的な構成であり、そのコンデンサ
の電圧を出力する。尚、平均化部２５は、電流検出部１
に設けられていてもよいし、充電制御部１０３に設けら
れていてもよい。
【００３４】平均化部２５の出力は、充電制御部１０３
に設けられているアンプ４１に与えられる。このアンプ
４１は、参照電圧Ｖref が与えられており、平均化部２
５の出力に応じた信号を生成する。すなわち、アンプ４
１は、コイル電流の平均値に応じた信号を生成する。そ
して、このアンプ４１の出力は、スイッチＭ１およびＭ
２を制御するための信号を生成するために使用される。
具体的には、例えば、アンプ４１の出力によりスイッチ
Ｍ１およびＭ２を制御するためのパルス信号のデューテ
ィが決定される。
【００３５】このように、本実施形態の充電器では、抵
抗Ｒの両端電圧Ｖ1 にオフセット電圧Ｖosを加えること
により、負のコイル電流を検出できない電流検出部で
も、オフセット電圧で換算される以上の負のコイル電流
を検出できるようになる。また、オフセットの影響を除
去する機能を設けたので、電流検出部１の出力は、オフ
セットを印加しないときと同じになるので、充電制御部
１０３は、既存のものをそのまま使用できる。
【００３６】次に、本実施形態の充電器においてコイル
電流を検出する動作を説明する。この充電器は、図１に
示すように、逆流を防止するためのダイオードを備えて
いない。従って、２次電池２００が満充電状態に近づい
たときに、コイル電流の平均値が０に近づくと、コイル
電流は、図７(a) に示したように、断続的に逆流するよ
うになる。ただし、ＡＣアダプタからの入力電圧Ｖinが
２次電圧に印加される電圧Ｖout よりも高い期間は、コ
イル電流の平均値が０よりも小さくなることはない。
【００３７】コイル電流は抵抗Ｒを用いてモニタされ
る。ここで、抵抗Ｒの両端電圧Ｖ1 はコイル電流に直接
的に対応する電圧である。したがって、コイル電流が逆
流すると、図３(a) に示すように、電圧Ｖ1 の値は
「負」になる。
【００３８】オフセット生成部２は、図３(b) に示すよ
うに、電圧Ｖ1 に対してオフセットＶosを加えることに
より電圧Ｖ2 を生成する。このオフセットＶosは、電圧
Ｖ1のリップル幅よりも大きな値とする。これにより、
コイル電流が逆流した場合であっても、電圧Ｖ2 が負の
電圧になることはない。即ち、アンプ２１に「負」の電
圧が入力されることはない。尚、電圧Ｖ1 は、コイル電
流に直接的に対応し、また、コイル電流のリップル幅
は、ＡＣアダプタからの入力電圧、この充電器の出力電
圧、スイッチＭ１およびＭ２のスイッチング周波数、お
よびコイルＬのインダクタンスに基づいて決まる。した
がって、電圧Ｖ1 のリップル幅は、この充電器の設計に
基づいて容易に算出され、そのリップル幅に基づいてオ
フセットＶosが決定される。
【００３９】アンプ２１に電圧Ｖ2 が与えられると、ト
ランジスタ２２を介して電流Ｉb が流れる。このとき、
電流検出部１は、図３(c) に示すように、この電流Ｉb
を電流源２３により生成される電流Ｉc を用いて補正す
る。そして、この補正により電流検出部１の出力からオ
フセットＶosの影響が除去される。なお、オフセットＶ
osの影響が除去される理由については、図２を参照しな
がら説明した通りである。
【００４０】このように、本実施形態の充電器では、逆
流防止用のダイオードが設けられていないので、充電電
流が小さくなると、コイル電流が瞬間的に逆流すること
がある。しかしながら、コイル電流を直接的に表す電圧
にオフセットが与えられるので、電流検出部１は常にコ
イル電流を正確に検出できる。
【００４１】また、逆流防止用のダイオードが設けられ
ていないので、充電サイクルが非連続に実行されること
がなく、２次電池２００がどんな状態であっても、一定
の周期で充電制御される。
【００４２】さらに、逆流防止用のダイオードが設けら
れていないと、もし出力電圧Ｖoutよりも入力電圧Ｖin
の方が高くなると、２次電池２００からコイルＬおよび
スイッチＭ１の寄生ダイオードを介して電流が流れる恐
れがある。しかしながら、この充電器においては、出力
電圧Ｖout よりも入力電圧Ｖinの方が高くなった場合に
は、シャットダウン回路１２が充電制御部１０３の動作
を停止する。ここで、充電制御部１０３が停止すると、
スイッチＭ１およびＭ２がオフ状態になる。したがっ
て、上述の電流は流れない。
【００４３】
【発明の効果】充電器においてコイル電流の逆流を防止
する必要がないので、スイッチング周波数が安定する。
また、コイル電流の逆流を防止するための回路または部
品が不要となり、低コスト化に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の充電器の構成を示す図で
ある。
【図２】電流検出部およびオフセット生成部の回路図で
ある。
【図３】コイル電流を検出する動作を説明する図であ
る。
【図４】既存の充電器の一例を示す図である。
【図５】コイル電流の変化を示す図である。
【図６】既存の充電器の他の形態の例を示す図である。
【図７】既存の技術の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１ 電流検出部 ２ オフセット生成部 １２ シャットダウン回路 ２１ アンプ ２２ トランジスタ ２３、３１ 電流源 ２４ カレントミラー回路 ２５ 平均化部 １０１ 電圧検出部 １０３ 充電制御部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＤＣ電圧が印加されるスイッチおよびそ
    のスイッチに接続されコイルを含む充電器の動作を制御
    する充電制御回路であって、 コイル電流に対応する信号にオフセットを与えるオフセ
    ット手段と、 上記オフセットが与えられた信号に対応する電流を生成
    する変換手段と、 上記変換手段により生成された電流から上記オフセット
    による影響を除去する補正手段と、 上記補正手段により補正された電流に基づいて上記スイ
    ッチを制御する制御手段と、 を有する充電制御回路。
  2. 【請求項２】 上記オフセットは、コイル電流の流れる
    方向に係わらず上記変換手段に入力される電圧の極性が
    変化しないようにする値である請求項１に記載の充電制
    御回路。
  3. 【請求項３】 ＤＣ電圧が印加されるスイッチおよびそ
    のスイッチに接続されコイルを含む充電器であって、 コイル電流に対応する信号にオフセットを与えるオフセ
    ット手段と、 上記オフセットが与えられた信号に対応する電流を生成
    する変換手段と、 上記変換手段により生成された電流から上記オフセット
    による影響を除去する補正手段と、 上記補正手段により補正された電流に基づいて上記スイ
    ッチを制御する制御手段と、 を有する充電器。
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