JP2001513318A - 複数蓄電池切替回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 そのシステムのその他の蓄電池との分離を維持しながら、複数の蓄電池のいずれか１つを負荷または充電器と選択的に相互接続するための複数蓄電池切替回路である。本発明は、蓄電池１個あたり従来技術では４個必要であったのに対して３個しかＭＯＳＦＥＴを使用せずに、必要な分離および相互接続能力を保持する。切替回路中のいずれか１つの蓄電池用の３個のＭＯＳＦＥＴは、１つの共通の通電接続と接続され、それらのＭＯＳＦＥＴのその他の通電接続は、充電器、負荷、および各蓄電池にそれぞれ結合される。ＭＯＳＦＥＴを適切に接続すると、３個のＭＯＳＦＥＴのうちの２個を通る考えられるどのような導電性パスについても、１個のＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードに逆バイアスがかかることが保証される。代替実施形態も開示する。

Description

【発明の詳細な説明】 複数蓄電池切替回路 発明の背景 １．発明の分野 本発明は、充電可能蓄電池式デバイスに関し、さらに詳細には、複数の充電可 能蓄電池のいずれか１つから動作することができる充電可能蓄電池式デバイスに 関する。 ２．従来の技術 複数の蓄電池パックの間で充電電流を方向付け、どの蓄電池パックが負荷に給 電するかを選択することは、ノートブック・コンピュータなどの携帯用機器で一 般的に行われている。蓄電池パックはそれらの化学的性質、セルの数、および充 電状態によって大きく異なる出力電圧を有する可能性があるので、現在の個別の パワーＭＯＳＦＥＴでは寄生ボディ・ダイオードが発見されていることから、単 一のＭＯＳＦＥＴを充電または放電のスイッチとして使用することは実用的でな い。単一のＭＯＳＦＥＴを使用した場合には、蓄電池は最終的に互いにダイオー ドでＯＲをとられる（ｄｉｏｄｅ−ＯＲ’ｅｄ）ことになり、ほとんどのシステ ムでは充電および放電中に各蓄電池をその他の蓄電池から分離する必要があるの で、これは一般に容認できない。単一のＭＯＳＦＥＴと直列に、逆バイアスの別 のダイオードを接続することは、小型の携帯用システムでは望ましくない過剰な 熱を発生させる。 通常は、２つのＭＯＳＦＥＴを背中合わせに配置し、ボディ・ダイオードの一 方が常に逆バイアスをかけられるようにすることにより、分離が実現される。こ の方式を第１図に示すが、これは通常は、２つを充電用、２つを放電（負荷への 給電）用として、蓄電池あたり４つのＭＯＳＦＥＴを必要とする。このようにし て、ボディ・ダイオードを通る望ましくない導電性通路を形成させずに、一方の 蓄電池の電圧をもう一方より高くする、または低くすることができる。ＭＯＳＦ ＥＴは制御信号Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４によって制御され、高信号はＭＯ ＳＦＥＴＱ１からＱ８の各対をオフにし、低信号はＭＯＳＦＥＴＱ１からＱ８の 各対をオンにする。この図では、充電器がオフであるかプラグを抜かれて、全て の（ｐチャネル）ＭＯＳＦＥＴがオフであると、蓄電池の充電状態に関わらず負 荷は給電されない。充電器がオフである状態では、ＭＯＳＦＥＴＱ５およびＱ６ をオンにする（Ｃ３低）ことによって蓄電池Ａから、またはＭＯＳＦＥＴＱ７お よびＱ８をオンにする（Ｃ４低）ことによって蓄電池Ｂから、負荷に給電するこ とができる。その際、ダイオードＤ１は逆バイアスとなり、いずれの蓄電池も充 電器を負荷状態としない。真理値表の適用可能な部分は以下の通りである。 部分真理値表 論理はｐチャネルＭＯＳＦＥＴの場合、低＝オン 上記内容は３個以上の蓄電池に拡大することができるが、全ての状況下で望ま しい蓄電池の分離を達成するには、蓄電池あたり４個のパワーＭＯＳＦＥＴが必 要である。 発明の概要 そのシステム内のその他の蓄電池との分離を維持しながら、複数の蓄電池のい ずれか１個を負荷または充電器と選択的に相互接続するための複数蓄電池切替回 路である。本発明は、蓄電池１個あたり従来技術では４個必要であったのに対し て３個しかＭＯＳＦＥＴを使用せずに、必要な分離および相互接続能力を保持す る。切替回路中のいずれか１つの蓄電池用の３個のＭＯＳＦＥＴは、１つの通電 端子が共通に接続され、それらのＭＯＳＦＥＴのその他の通電端子は、充電器、 負荷、又は対応する蓄電池にそれぞれ結合される。ＭＯＳＦＥＴを適切に接続す ると、３個のＭＯＳＦＥＴのうちの２個を通るどのような導電経路においても、 １個のＭＯＳＦＥＴは、その寄生ダイオードが逆バイアスとなることが保証され る。ｎチャネルＭＯＳＦＥＴおよびｐチャネルＭＯＳＦＥＴを使用する実施態様 を含めて、代替実施態様も開示する。 図面の簡単な説明 第１図は、２つのＭＯＳＦＥＴを背中合わせに配置してボディ・ダイオードの 一方に常に逆バイアスがかかるようにすることによって分離を実現する、従来技 術の複数蓄電池切替回路の回路図である。 第２ａ図は、第１図および第４図の回路で使用するｐチャネルＭＯＳＦＥＴの 記号を表す図である。 第２ｂ図は、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴの構造を示す概略図である。 第３ａ図は、第５図の回路で使用するｎチャネルＭＯＳＦＥＴの記号を表す図 である。 第３ｂ図は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴの構造を示す概略図である。 第４図は、必要な分離が維持されるようにｐチャネルＭＯＳＦＥＴを使用する が、蓄電池１個あたりＭＯＳＦＥＴが従来技術では４個必要であったのに対して ３個しか備えない、本発明の複数蓄電池切替回路の回路図である。 第５図は、必要な分離を実現するためにｎチャネルＭＯＳＦＥＴを使用する、 第４図の複数蓄電池切替回路と同様の回路である。 発明の詳細な説明 以下の記述（および従来技術についての前記の記述）では、第２ａ図のｐチャ ネルＭＯＳＦＥＴおよび第３ａ図のｎチャネルＭＯＳＦＥＴの記号を使用する。 ｐチャネルＭＯＳＦＥＴの実際の構造は、第２ｂ図に概略的に表す。このデバイ スは、ソースおよびドレインを形成するｐ型領域を有するｎ型基板を有する。基 板とドレインの間に形成された寄生ボディ・ダイオードは、第２ｂ図に示す導通 方向を有する。ソースと基板の間に形成されたボディ・ダイオード（図示せず） は、図示の寄生ボディ・ダイオードと直列であり、第２ｂ図に示す方向とは反対 の導通方向を有する。したがって、この基板は、１つのｐｎダイオードの電圧降 下の範囲内で最高の電圧に、あるいはソース（またはドレイン）が受ける電圧よ り高い電圧に保持されなければならない。この基板は異なる供給電圧に接続され て４端子デバイスを形成することができるが、一般的には、この基板は、ｐチャ ネル・デバイスのソースに接続されて３端子デバイスを形成する。これは、第２ ｂ図に示す、また概略的に第２ａ図ならびに第１図および第４図の回路に示す接 続である。 ｎチャネルＭＯＳＦＥＴの場合には、第３ｂ図に概略的に示すように、このデ バイスは、ソースおよびドレインを形成するｎ型領域を有するｐ型基板を備えて いる。ドレインと基板の間に形成された寄生ボディ・ダイオードは、第３ｂ図に 示す導通方向を有する。基板とソースの間に形成されたボディ・ダイオード（図 示せず）は、図示の寄生ボディ・ダイオードと直列であり、第２ｂ図に示す方向 とは反対の導通方向を有する。したがって、この基板は、１つのｐｎダイオード の電圧降下の範囲内で最低の電圧に、あるいはソース（またはドレイン）が受け る電圧より低い電圧に保持されなければならない。この場合も、この基板は様々 な供給電圧に接続されて４端子デバイスを形成することができるが、一般にこの 基板は、ｎチャネル・デバイスのソースに接続されて３チャネル・デバイスを形 成する。これは、第３ｂ図に示す、また概略的に第３ａ図および第５図の回路に 示す接続である。 本明細書に記載の複数蓄電池切替回路は、必要な分離が維持されるようにパワ ーＭＯＳＦＥＴを相互接続する１つの方法である。ただし、蓄電池１個あたりＭ ＯＳＦＥＴが従来技術（第１図）では４個必要であったのに対して３個しかない （第４図）。制御論理をさらに複雑にする必要があるが、この複雑さは、蓄電池 あたりＭＯＳＦＥＴが１個なくなることによるコスト削減によって十二分に相殺 される。この追加論理は、複数蓄電池切替制御装置ＩＣ中に容易に組み込むこと ができる。その複数蓄電池切替制御装置ＩＣは、複数の３ＭＯＳＦＥＴセルの外 部の個別パワーＭＯＳＦＥＴを駆動するのに必要な論理を提供する。２蓄電池シ ステムを第４図に示すが、本発明は、基本となる３ＭＯＳＦＥＴセルを単純に複 製することによって任意数の蓄電池を含むように容易に拡大することができる。 通常は、パワーがオンであるときには、充電器が第２の電力源となり、負荷はダ イオードＤ１１を介して給電される。ダイオードＤ１１に供給される電力は通常 は充電器への入力からとられるが、完全に独立した電源からこれをとることもで きる。 第４図では、３個の各ＭＯＳＦＥＴのうちの２個がオンになり、各蓄電池を充 電器または負荷に接続する。例えば、ＭＯＳＦＥＴＱ₁₂およびＱ₁₃をオンにする と、充電器は蓄電池Ａを充電し、ＭＯＳＦＥＴＱ₁₅およびＱ₁₆をオンにすると、 充電器は蓄電池Ｂを充電することになる。ＭＯＳＦＥＴＱ₁₁およびＱ₁₃をオンに すると、蓄電池Ａが負荷に給電し、ＭＯＳＦＥＴＱ₁₄およびQ₁₆をオンにすると 、蓄電池Ｂが負荷に給電することになる。第１図のダイオードＤ１と同様に、第 ４図のダイオードＤ１１は、充電器がオンのときには充電器が負荷に給電するよ うにするが、充電器がオフのときには負荷を動作させる蓄電池にいかなる負荷も かけないようにする。５つの制御信号および蓄電池接続の部分真理値表は以下の ように与えられる。 部分真理値表 論理はｐチャネルＭＯＳＦＥＴの場合、低＝オン 第４図から、各蓄電池ごとに４個ではなく３個のＭＯＳＦＥＴが使用されてい ることに気付くであろう。３個のＭＯＳＦＥＴはスイッチとして使用され、それ らの寄生ボディ・ダイオードが３個のＭＯＳＦＥＴを接続するノードに関して同 じ方向を指すように配列される。これにより、３つのスイッチ全てがオフである ときに電流が流れないように、３個のＭＯＳＦＥＴのうち任意の２個の寄生ボデ ィ・ダイオードの導電方向が反対であることが保証される。さらに、充電開始時 にいずれかの蓄電池が一時的に特に低い端子電圧を有することがあるので、各蓄 電池を負荷に結合するための第４図の上側のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ₁₁およびＱ₁₄）は 、充電器がＤ１１を介して負荷を駆動し（充電器がオンであるときは常にそのよ うになる）、かつ特に低い蓄電池を充電しているときに、それらの寄生ボディ・ ダイオードに逆バイアスがかからなければならない。これにより、充電器は、各 蓄電池が特に低い電圧端子から充電されている場合でも、各ボディ・ダイオード に順方向バイアスをかけずに所望の電圧で負荷を駆動することができる。 ｐチャネルＭＯＳＦＥＴを示すが、本発明の蓄電池切替回路は、ｎチャネルＭ ＯＳＦＥＴでも作動する。このような回路を第５図に示す。ｎチャネルＭＯＳＦ ＥＴを使用する実施形態の場合には、制御信号Ｃ１１からＣ１６は、第４図に適 用可能な前記の表で与えたものと論理が逆となる。さらに、ｎチャネル・デバイ スおよびｐチャネル・デバイスの任意の混合を使用する実施形態も、好ましくは ないが使用することができる。ただし、ＭＯＳＦＥＴの寄生ボディ・ダイオード が、第４図および第５図に示すように、すなわち３つのＭＯＳＦＥＴの共通ノー ドに向かう方向が非導電となり、共通ノードから離れる方向が導電となるように 向けられていることを条件とする。 開示の実施形態では、バック・トポロジ（buck-topology）充電器を典型的な 充電器として示した。しかし、本発明は、例えばその出力電流を蓄電池と負荷の 間で分ける電流源タイプのアダプタや、任意タイプの電圧制限電流源充電器（cu rrent source,voltage limited chargers）、電流制限電圧源充電器（voltage s ource,current limited chargers）など、その他のタイプの充電器にも適して いる。また、第４図および第５図の切替回路は２個の蓄電池用のものであり、実 際に２個の蓄電池をこれらの回路に接続して示してあるが、これらの蓄電池は、 コネクタＣＮ１およびＣＮ２によって容易に脱着および交換することができるも のとして概略的に示してあり、したがって本発明の切替回路は複数の蓄電池を含 むことができるが、回路を動作させるためにそれだけの数の蓄電池が常に存在す る必要はないことに留意されたい。１つの特定の例として、ラップトップ・コン ピュータは、複数の蓄電池で使用できるようにするために本発明の複数蓄電池切 替回路をその中に備えることができるが、蓄電池は１個しか付けずに販売され、 第２の蓄電池は別料金のオプションまたはアクセサリとされ、複数蓄電池の能力 を永続的に犠牲にすることなく、そのコンピュータにできる限り安い宣伝価格を 付けることができるようになっていることにも留意されたい。 以上、特定の好ましい実施形態に関連して本発明を開示および記述したが、本 発明の趣旨および範囲を逸脱することなく本発明を変更することができることを 当業者なら理解されたい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数蓄電池切替回路であって、 第１の電源と、 第２の電源と、 負荷とを含み、かつ 制御ゲート、ソース電極、およびドレイン電極をそれぞれ有する第１、第２ 、および第３の電界効果トランジスタであって、各電界効果トランジスタの基板 がそれぞれの電界効果トランジスタの電極の１つと電気的に結合され、各電界効 果トランジスタの基板およびもう１つの電極がそれぞれの電界効果トランジスタ の２つの電極間に電気的に結合された寄生ボディ・ダイオードを形成し、この寄 生ボディ・ダイオードが、２つの電極のうちの第１の電極の電圧が２つの電極の うちの第２の電極より高いときに導電性になり、２つの電極のうちの第１の電極 の電圧が２つの電極のうちの第２の電極より低いときにほぼ非導電性になる、第 １、第２、および第３の電界効果トランジスタを複数含み、 第１、第２、および第３の電界効果トランジスタの第１の電極が互いに結合 され、 第１の電界効果トランジスタの第２の電極が負荷および第１の電源に結合さ れ、 第２の電界効果トランジスタの第２の電極が第２の電源に結合され、 第３の電界効果トランジスタの第２の電極がそれぞれの蓄電池に結合される 、 複数蓄電池切替回路。 ２．電界効果トランジスタがｐチャネルＭＯＳＦＥＴである請求項１に記載の複 数蓄電池切替回路。 ３．電界効果トランジスタがｎチャネルＭＯＳＦＥＴである請求項１に記載の複 数蓄電池切替回路。 ４．第２の電源がバック・トポロジ充電器である請求項１に記載の複数蓄電池切 替回路。 ５．この複数蓄電池切替回路に結合することができる蓄電池の数が２である請求 項１に記載の複数蓄電池切替回路。 ６．複数蓄電池切替回路であって、 第１の電源と、 第２の電源と、 負荷とを含み、かつ 制御ゲート、ソース電極、およびドレイン電極をそれぞれ有する第１、第２ 、および第３のｐチャネルＭＯＳＦＥＴであって、各電界効果トランジスタの基 板がそれぞれの電界効果トランジスタのソース電極と電気的に結合され、各電界 効果トランジスタの基板およびドレイン電極がそれぞれの電界効果トランジスタ の２つの電極間に電気的に結合された寄生ボディ・ダイオードを形成し、この寄 生ボディ・ダイオードが、ドレイン電極の電圧がソース電極より高いときに導電 性になり、ドレイン電極の電圧がソース電極より低いときに非導電性になる、第 １、第２、および第３のｐチャネルＭＯＳＦＥＴを複数個含み、 第１、第２、および第３の電界効果トランジスタのドレイン電極が互いに結 合され、 第１の電界効果トランジスタのソース電極が負荷および第１の電源に結合さ れ、 第２の電界効果トランジスタのソース電極が第２の電源に結合され、 第３の電界効果トランジスタのソース電極が蓄電池に結合されるようになっ ている、 複数蓄電池切替回路。 ７．第２の電源がバック・トポロジ充電器である請求項６に記載の複数蓄電池切 替回路。 ８．この複数蓄電池切替回路が２蓄電池切替回路である請求項６に記載の複数蓄 電池切替回路。 ９．複数蓄電池切替回路であって、 第１の電源と、 第２の電源と、 負荷とを含み、かつ 制御ゲート、ソース電極、およびドレイン電極をそれぞれ有する第１、第２ 、および第３のｎチャネルＭＯＳＦＥＴであって、各電界効果トランジスタの基 板がそれぞれの電界効果トランジスタのドレイン電極と電気的に結合され、各電 界効果トランジスタの基板およびソース電極がそれぞれの電界効果トランジスタ の２つの電極間に電気的に結合された寄生ボディ・ダイオードを形成し、この寄 生ボディ・ダイオードが、ソース電極の電圧がドレイン電極より高いときに導電 性になり、ソース電極の電圧がドレイン電極より低いときに非導電性になる、第 １、第２、および第３のｎチャネルＭＯＳＦＥＴを複数含み、 第１、第２、および第３の電界効果トランジスタのソース電極が互いに結合 され、 第１の電界効果トランジスタのドレイン電極が負荷および第１の電源に結合 され、 第２の電界効果トランジスタのドレイン電極が第２の電源に結合され、 第３の電界効果トランジスタのドレイン電極が蓄電池に結合されるようにな っている、 複数蓄電池切替回路。 １０．第２の電源がバック・トポロジ充電器である請求項９に記載の複数蓄電池 切替回路。 １１．この複数蓄電池切替回路が２蓄電池切替回路である請求項９に記載の複数 蓄電池切替回路。