JP2005241463A - 電流検出回路及び保護回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】 入力電流を電流−電圧変換素子により電圧に変換し、変換された電圧を基準電圧と比較し、その大小関係に応じた出力信号を出力する電流検出回路及び保護回路に関し、温度特性を考慮した電流検出が行える電流検出回路及び保護回路を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、入力電流に応じた電圧を発生する電流−電圧変換素子(Rs)と、基準電圧(Vref)を生成する基準電圧生成回路(41)と、電流−電圧変換素子(Rs)で変換された電圧(Vs)と、基準電圧生成回路(41)で生成された基準電圧(Vref)との大小関係に応じた出力信号を出力する比較器(42)とを有する電流検出回路(11)において、基準電圧生成回路(41)は、基準電圧(Vref)に予め設定された温度特性を与える素子構造に設定されたことを特徴とする。
【選択図】 図2

Description

本発明は電流検出回路に係り、特に、入力電流を電流−電圧変換素子により電圧に変換し、変換された電圧を基準電圧と比較し、その大小関係に応じた出力信号を出力する電流検出回路及び保護回路に関する。
例えば、リチウムイオン電池などの充電可能な蓄電池は、過充電、過放電により特性が劣化する。このため、蓄電池を用いた電池パックには、過充電、過放電から蓄電池を保護するための保護回路が設けられている。
保護回路は、蓄電池と負荷又は充電器との間に流れる電流を検出し、その検出結果に基づいて過充電又は過放電状態を検出し、過充電又は過放電状態が検出されると、蓄電池と負荷又は充電器との間に設けられたスイッチング素子をオフする。スイッチング素子が保護回路によりオフされることにより、蓄電池が負荷又は充電器から切り離されて保護される。このとき、保護回路には、過放電、過充電を検出するための電流検出回路が搭載されている。
図8は電流検出回路のブロック構成図を示す。
電流検出回路100は、センス抵抗Rs及び比較回路101から構成される。センス抵抗Rsは、検出電流が流れる端子Tin1と端子Tin2との間に直列に接続されている。また、センス抵抗Rsの一端と端子Tin1との接続点は、比較回路101の入力端子Tin11に接続され、センス抵抗Rsの他端と端子Tin2との接続点は、比較回路101の入力端子Tin12に接続されている。
比較回路101は、基準電圧生成回路111及びコンパレータ112から構成される。 基準電圧生成回路111は、基準電圧Vrefを生成する。基準電圧生成回路111で生成された基準電圧Vrefは、コンパレータ112の反転入力端子に印加される。
また、基準電圧生成回路111の基底電位側には、入力端子Tin12が接続されており、センス抵抗Rsの他端の電位が印加される。さららに、コンパレータ112の非反転入力端子には、入力端子Tin11が接続されており、センス抵抗Rsの一端が接続される。
コンパレータ112は、センス抵抗Rsに検出電流に応じて発生した検出電圧と基準電圧生成回路111で生成された基準電圧Vrefとを比較し、検出電圧が基準電圧Vrefより大きければ、出力をハイレベルとし、検出電圧が基準電圧Vrefより小さいければ、出力をローレベルとする。コンパレータ112の出力は、出力端子Tsoutに接続されている。出力端子Tsoutは、保護回路の制御回路に供給される。制御回路は、電流検出回路100の出力端子Tsoutがハイレベル、すなわち、過電流状態になると、蓄電池に直列に挿入されたスイッチ素子をオフして、過電流状態を解消する(特許文献1)。
特開平6−188641号公報
しかるに、従来の電流検出回路では、センス抵抗Rsにより変換される電圧の温度特性を考慮せず、一定の基準電圧Vrefで電流検出を行っているため、温度により検出電流が異なるなどの問題点があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、温度特性を考慮した電流検出が行える電流検出回路及び保護回路を提供することを目的とする。
本発明は、入力電流に応じた電圧を発生する電流−電圧変換素子(Rs)と、基準電圧(Vref)を生成する基準電圧生成回路(41)と、電流−電圧変換素子(Rs)で変換された電圧(Vs)と、基準電圧生成回路(41)で生成された基準電圧(Vref)との大小関係に応じた出力信号を出力する比較器(42)とを有する電流検出回路(11)において、基準電圧生成回路(41)は、基準電圧(Vref)に予め設定された温度特性を与える素子構造に設定されたことを特徴とする。
また、基準電圧生成回路(41)は、基準電圧(Vref)が電流−電圧変換素子(Rs)の温度特性と同一の温度特性となるように素子構造が設定されたことを特徴とする。
さらに、基準電圧生成回路(41)は、基準電圧(Vref)が電流−電圧変換素子(Rs)の温度特性と異なる温度特性となるように素子構造が設定されたことを特徴とする。
また、基準電圧生成回路(41)は、基準電圧(Vref)が所定電圧(Vref10)となったときに、基準電圧(Vref)が所定電圧(Vref10)より小さくなるように基準電圧(Vref)を制御する制御手段(71、72、73)を有することを特徴とする。
さらに、入力電流に応じた電圧を発生する電流−電圧変換素子(Rs)と、基準電圧(Vref)を生成する基準電圧生成回路(41)と、電流−電圧変換素子(Rs)で変換された電圧(Vs)と、基準電圧生成回路(41)で生成された基準電圧(Vref)との大小関係に応じた出力信号を出力する比較器(42)と、比較器(42)の出力に応じて入力電流の流入を制限するように制御する制御手段(22)とを有する保護回路(12)において、基準電圧生成回路(41)は、基準電圧(Vref)に予め設定された温度特性を与えることができる素子構造を有することを特徴とする。
上述の如く、本発明によれば、基準電圧(Vref)に予め設定された温度特性、例えば、基準電圧(Vref)が電流−電圧変換素子(Rs)の温度特性と同一の温度特性となるように基準電圧生成回路(41)の素子構造を設定することにより、温度特性を考慮した電流検出が行える等の特長とを有する。
図1は本発明の一実施例のブロック構成図を示す。
本実施例の電池パック1は、蓄電池11、保護IC12、スイッチングトランジスタM1、センス抵抗Rsから構成される。
蓄電池11は、正極がスイッチングトランジスタM1、センス抵抗Rsを通して出力端子Tout0に接続され、負極が接地端子Tgndに接続されている。スイッチングトランジスタM1及びセンス抵抗Rsは、保護IC12に接続されている。
保護IC12は、電流検出回路21及び制御回路22から構成される。電流検出回路21は、センス抵抗Rsの両端の電圧から蓄電池11に流れる電流を検出し、流れる電流が基準電圧Vrefを超えた場合には、その出力をハイレベルとする。制御回路22は、電流検出回路21の出力がハイレベルになると、スイッチングトランジスタM1をオフする。スイッチングトランジスタM1がオフすることにより、蓄電池11と出力端子Tout0とが切断され、蓄電池11に流れる電流が遮断され、蓄電池11が保護される。
ここで、電流検出回路21について詳細に説明する。
図2は電流検出回路21のブロック構成図を示す。
本実施例の電流検出回路21は、基準電圧生成回路41及びコンパレータ42から構成される。
センス抵抗Rsは、検出電流Isが流れる端子Tin1と端子Tin2との間に直列に接続されており、その両端に検出電流Isに応じた検出電圧Vs、
Vs=Rs×Is
を発生する。センス抵抗Rsの一端は電流検出回路21の入力端子Tin11に接続され、他端は電流検出回路21の入力端子Tin12に接続されている。
図3は基準電圧生成回路41の回路構成図を示す。
基準電圧生成回路41は、MOS電界効果トランジスタQ1〜Q3、及び、分圧回路51から構成される。トランジスタQ1は、ディプリーション形NチャネルMOS電界効果トランジスタから構成されており、ドレインに駆動電圧Vccが印加され、ソースがトランジスタQ3のドレインに接続され、ゲートがトランジスタQ1のソース及びトランジスタQ2のゲートに接続されている。
トランジスタQ2は、ディプリーション形NチャネルMOS電界効果トランジスタから構成されており、ドレインに駆動電圧Vccが印加され、ソースが抵抗R11と抵抗R12とを直列接続した分圧回路51に接続され、ゲートがトランジスタQ1のゲート及びソースに接続されている。
トランジスタQ3は、エンハンスメント形NチャネルMOS電界効果トランジスタから構成され、ドレインがトランジスタQ1のソース及びゲートに接続さ、ソースには基準電圧生成回路21の基底電圧V0が印加され、ゲートはトランジスタQ2と分圧回路51との接続点に接続されている。
分圧回路51は、抵抗R11と抵抗R12とを直列に接続した構成とされている。分圧回路51は、トランジスタQ2のソースとトランジスタQ3のゲートとの接続点と基底電圧V0との間に接続される。分圧回路51は、トランジスタQ2のソースとトランジスタQ3のゲートとの接続点に発生する定電圧を抵抗R11と抵抗R12とで分圧して、抵抗R11と抵抗R12との接続点から基準電圧Vrefとして出力する。
抵抗R11と抵抗R12との接続点は、基準電圧出力端子Tvrefに接続され、基準電圧Vrefは、基準電圧出力端子Tvrefから出力される。基準電圧出力端子Tvrefはコンパレータ42の反転入力端子に接続されている。
コンパレータ42は、非反転入力端子が入力端子Tin11に接続されている。なお、基準電圧生成回路41には、入力端子Tin12からセンス抵抗Rsの他端の電圧が基底電圧V0として供給されている。
コンパレータ42は、センス抵抗Rsに発生する検出電圧Vsと基準電圧生成回路41で生成された基準電圧Vrefとを比較し、検出電圧Vsが基準電圧Vrefより大きければ、その出力をハイレベルとし、小さければその出力をローレベルとする。
このとき、基準電圧生成回路41で生成された基準電圧Vrefは、センス抵抗Rsの温度特性の影響を低減するようにその温度特性が設定されている。例えば、センス抵抗Rsの温度特性が正の温度特性を有する場合には、基準電圧Vrefは正の温度特性を有するように設定されている。
次に、基準電圧Vrefの温度特性の設定方法について説明する。
基準電圧Vrefは、基準電圧生成回路41を構成するトランジスタQ1のチャネルの面積とトランジスタQ3のチャネルの面積との比に応じて決定される。
図4はトランジスタQ1の半導体チップ上での平面図を示す。
図4において、AはトランジスタQ1の構成領域を示しており、構成領域A0は幅W1で形成されている。構成領域A0上には、絶縁層を介してゲート電極GLが配線されている。ゲート電極GLは幅L1で形成されている。このとき、トランジスタQ1を構成するチャネルの辺の比は、(W1/L1)で表せる。なお、トランジスタQ3についても同様であり、構成領域A0は幅W3、ゲート電極GLの幅をL3とすると、トランジスタQ3のチャネルの辺比は(W3/L3)で表される。
このとき、トランジスタQ1を構成するチャネルの辺の比(W1/L1)をA、トランジスタQ3を構成するチャネルの辺の比(W3/L3)をBとすると、一般に、その比(A/B)により、基準電圧Vrefの各種特性が決定される。
図5は(A/B)に対する温度係数の変化の特性を示す図である。
温度係数は、図4に示すように比(A/B)が大きくなるほど大きくなる特性を有する。また、所定の比(A0/B0)で温度係数1となり、温度に基準電圧Vrefが影響されなくなる。
したがって、トランジスタQ1とトランジスタQ3の比(A/B)の設定により基準電圧Vrefの温度特性を所望の特性に設定できる。したがって、トランジスタQ1とトランジスタQ3の比(A/B)をセンス抵抗Rsの温度特性が基準電圧Vrefの温度特性により相殺されるように設定することにより、コンパレータ42の出力が温度の影響を受けなくなる。
センス抵抗Rsの検出電圧Vsが温度に応じて大きくなる傾向を示す場合、基準電圧Vrefも温度に応じて大きくなるように設定することにより、コンパレータ42の出力が温度による影響を受けないようにできる。これによって、温度によって、異なる電流でコンパレータ42の出力が反転してしまうようなことがなくなる。
なお、本実施例では、過電流に適用したが、電流の低減を検出する場合、すなわち、過充電の検出に適用してもよい。
また、本実施例では、トランジスタQ1、Q2とトランジスタQ3のチャネルの形状に応じて温度特性を設定しているが、抵抗R11、R12の幅、長さ、厚さなどの設定により温度特性を設定するようにしてもよい。
なお、本実施例では、センス抵抗Rsの温度特性を相殺するように基準電圧生成回路41を構成するトランジスタQ1、Q2、Q3のチャネルの形状を設定したが、本実施例では、基準電圧生成回路41のトランジスタQ1、Q2、Q3のチャネル形状の設定により、温度特性を任意に設定することが可能であるため、温度特性を相殺するだけでなく、必要に応じて任意の温度特性を持たせるようにすることもできる。
また、基準電圧Vrefにセンス抵抗Rsの温度特性を相殺するような温度特性を持たせるとともに、所定の温度で基準電圧Vrefを急降下させるように制御してもよい。
図6は基準電圧生成回路41の変形例のブロック構成図を示す。同図中、図3と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
本変形例の基準電圧生成回路61は、基準電圧源71、コンパレータ72、スイッチ素子73を付加した構成とされている。基準電圧源71は、温度特性を持たない基準電圧Vref10を生成し、コンパレータ72の反転入力端子に供給する。コンパレータ72の非反転入力端子には、分圧回路51から基準電圧Vrefが供給される。コンパレータ72は、基準電圧Vrefと基準電圧Vref10とを比較して、基準電圧Vrefが基準電圧Vref10より大きくなると、ハイレベルを出力し、基準電圧Vrefが基準電圧Vref10より小さいときには、ローレベルを出力する。
コンパレータ72の出力は、スイッチ素子73に供給されている。スイッチ素子73は、分圧回路51からの基準電圧Vrefと基底電圧V0とが供給されており、コンパレータ72の出力がローレベルのときには、分圧回路51からの基準電圧Vrefをコンパレータ42の反転入力端子に供給し、コンパレータ72の出力がハイレベルのときには、基底電圧V0をコンパレータ42の反転入力端子に供給する。
図7は基準電圧生成回路61の温度に対する基準電圧Vrefの変化を示す図である。
図7に示すように所定の温度T0に達し、基準電圧Vrefが一定電圧Vref10に達すると、スイッチ素子73が切り換わり、基底電圧V0がコンパレータ42の反転入力端子に供給される。
本変形例によれば、基準電圧Vrefが所定電圧になったとき、すなわち、所定温度に達したときに、コンパレータ42の反転入力端子に印加する電圧を基底電圧V0にすることにより、コンパレータ22の出力を確実にハイレベルにし、スイッチングトランジスタM1をオフにし、蓄電池11に流れる電流を切断できる。これによって過熱などから蓄電池11を保護することが可能となる。
なお、本変形例では、基準電圧Vrefが所定電圧、すなわち、温度が所定温度T0より高くなると、基準電圧Vrefとして基底電圧V0をコンパレータ22の反転入力端子に印加するようにしたが、基準電圧Vrefをキャパシタなどにより所定電圧に保持し、所定電圧をコンパレータ22の反転入力端子に印加するようにしてもよい。
本発明の一実施例のブロック構成図である。 電流検出回路21のブロック構成図である。 基準電圧生成回路41の回路構成図である。 トランジスタQ1の半導体チップ上での平面図である。 (A/B)に対する温度係数の変化の特性を示す図である。 基準電圧生成回路41の変形例のブロック構成図である。 基準電圧生成回路61の動作説明図である。 電流検出回路のブロック構成図を示す。
符号の説明
1 電池パック
11 蓄電池、12 保護IC、
21 電流検出回路、22 制御回路
41、61 基準電圧生成回路、51 分圧回路
71 基準電圧源、42、72 コンパレータ、73 スイッチ素子
Rs センス抵抗、R1、R2 抵抗
M1 スイッチングトランジスタ、Q1〜Q3 トランジスタ

Claims (5)

  1. 入力電流に応じた電圧を発生する電流−電圧変換素子と、基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、前記電流−電圧変換素子で変換された電圧と、前記基準電圧生成回路で生成された前記基準電圧との大小関係に応じた出力信号を出力する比較器とを有する電流検出回路において、
    前記基準電圧生成回路は、前記基準電圧に予め設定された温度特性を与える素子構造に設定されたことを特徴とする電流検出回路。
  2. 前記基準電圧生成回路は、前記基準電圧が前記電流−電圧変換素子の温度特性と同一の温度特性となるように前記素子構造が設定されたことを特徴とする請求項1記載の電流検出回路。
  3. 前記基準電圧生成回路は、前記基準電圧が前記電流−電圧変換素子の温度特性と異なる温度特性となるように前記素子構造が設定されたことを特徴とする請求項1記載の電流検出回路。
  4. 前記基準電圧生成回路は、前記基準電圧が所定電圧となったときに、前記基準電圧が前記所定電圧より小さくなるように前記基準電圧を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項記載の電流検出回路。
  5. 入力電流に応じた電圧を発生する電流−電圧変換素子と、基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、前記電流−電圧変換素子で変換された電圧と、前記基準電圧生成回路で生成された前記基準電圧との大小関係に応じた出力信号を出力する比較器と、前記比較器の出力に応じて前記入力電流の流入を制限するように制御する制御手段とを有する保護回路において、
    前記基準電圧生成回路は、前記基準電圧に予め設定された温度特性を与えることができる素子構造を有することを特徴とする保護回路。
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