JP2005287141A

JP2005287141A - 電池の過電流保護回路

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Publication number: JP2005287141A
Application number: JP2004095284A
Authority: JP
Inventors: Nagatoshi Niima; 永敏新間
Original assignee: NEC Saitama Ltd
Current assignee: NEC Saitama Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP3886501B2

Abstract

【課題】電池電圧の変動範囲に対して、放電過電流や充電過電流の検出に用いるＦＥＴのドレイン・ソース間抵抗の変動範囲を小さくして、その検出精度を向上させる。
【解決手段】制御回路３は、電池１とこれに直列の第１のＦＥＴＱ１及び第２のＦＥＴＱ２の間の電圧を動作電圧とする。制御回路３は、電池電圧ＶＢが所定値以上のときにＦＥＴＱ２をＯＦＦに制御し、放電電流ＩｏをＦＥＴＱ２の順方向の寄生ダイオードＤ２に通電させ、ＦＥＴＱ２の降下電圧ＶＤＳＳを本体部の通電時より大きくする。このとき、ＦＥＴＱ１をＯＮにする制御信号ＤＯＵＴの値は制御回路３の動作電圧であるＶＢ−ＶＤＳＳとなるので変動範囲が小さくなり、これがＦＥＴＱ１のゲート・ソース間電圧ＶＧＳとなるのでＦＥＴＱ１のドレイン・ソース間抵抗ＲＤＳの変動範囲が小さくなる。従って、放電過電流検出の為のＦＥＴＱ１の電圧の変動範囲が小さくなり、検出精度が向上する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電池の過電流を防止するための電池の過電流保護回路に係り、詳しくは、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等の半導体スイッチング素子を用いて電池の放電過電流や充電過電流を高精度に防止するための電池の過電流保護回路に関する。

電子機器に用いられているリチウムイオン二次電池等の各種電池は、過充電や過放電が発生すると電池の寿命を劣化させる虞があるため、特許文献１，２に記載されているように、ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を用いた充放電保護回路によって電池の過充電や過放電を防止する技術が広く知られている。また、これとは別に、充電時や放電時に過電流が発生すると、電池や回路素子に発熱による故障や破壊を生じさせる虞があるため、特許文献１，２に記載されているように、充電過電流や放電過電流を防止する技術も広く知られている。

図９は、従来から一般に用いられている電池の充放電保護回路の一例を示す回路図である。この例では、電池１１に負荷１２が接続される放電回路において、放電制御用ＦＥＴ１３と充電制御用ＦＥＴ１４とがこの回路に直列に接続され、制御回路１５により放電時における過放電と放電過電流に対する保護が為されている。放電制御用ＦＥＴ１３には並列の寄生ダイオード１３Ａが放電電流に対し逆方向となるように形成され、充電制御用ＦＥＴ１４には並列の寄生ダイオード１４Ａが充電電流に対し逆方向となるように形成されている。以下、この例での過放電と放電過電流に対して電池を保護する場合の動作を説明する。制御回路１４は電池１１に電源電圧ＶＤＤ及びグランドＧＮＤを接続して電池電圧ＶＢにより動作する。直列接続のＦＥＴ１３，ＦＥＴ１４の一端は制御回路１５のＧＮＤに、他端は制御回路１５のＶＳＳに接続されている。通常の状態では、放電制御用ＦＥＴ１３のゲート・ソース間電圧ＶＧＳとなるＤＯＵＴ信号（この例では、放電制御信号）及び充電制御用ＦＥＴ１４のゲート・ソース間電圧ＶＧＳとなるＣＯＵＴ信号（この例では、充電制御信号）に対し電池電圧ＶＢがハイレベルとして出力され、ＦＥＴ１３，１４はＯＮ状態に制御されている。

まず、過放電に対する保護動作は、電源電圧ＶＤＤ及びグランドＧＮＤに供給される電池電圧ＶＢが過放電となっていると判断される所定の電圧値以下になったことを検出して、放電制御用ＦＥＴ１３のゲート・ソース間電圧ＶＧＳに対しローレベルのＤＯＵＴ信号を出力し、ＦＥＴ１３をＯＦＦに制御して放電回路の遮断制御を行い、過放電を防止する。このとき、充電制御用ＦＥＴ１４はＯＮ状態を継続している。次に、放電過電流に対する保護動作は、ＦＥＴ１３，１４間（ＶＳＳ・ＧＮＤ間）の降下電圧が放電過電流が流れていると判断される所定の電圧値以上になったことを検出して、放電制御用ＦＥＴ１３のゲート・ソース間電圧ＶＧＳに対しローレベルのＤＯＵＴ信号を出力し、ＦＥＴ１３をＯＦＦに制御して放電回路の遮断制御を行い、放電過電流を防止する。このとき、充電制御用ＦＥＴ１４はＯＮ状態を継続している。

次に、電池１１の過充電及び充電過電流に対する保護動作について説明する。この場合図９中の負荷１２に代えて充電回路が接続され、電流の方向は放電の場合とは逆方向になる。過充電に対する保護動作は、制御回路１５が電源電圧としてＶＤＤ・ＧＮＤ間に供給される電池電圧ＶＢを測定し、その電圧値が過充電と判断される所定値以上になったことを検出して、充電制御用ＦＥＴ１４のゲート・ソース間電圧ＶＧＳに対しローレベルのＣＯＵＴ信号（ここでは、充電制御信号）を出力し、ＦＥＴ１４をＯＦＦに制御して充電回路の遮断制御を行い、過充電を防止する。このとき、放電制御用ＦＥＴ１３はＯＮ状態を継続している。次に、放電過電流に対する保護動作は、ＦＥＴ１３，１４間（ＧＮＤ・ＶＳＳ間）の降下電圧が充電過電流が流れていると判断される所定の電圧値以上になったことを検出して、充電制御用ＦＥＴ１４のゲート・ソース間電圧ＶＧＳに対しローレベルのＣＯＵＴ信号を出力し、ＦＥＴ１４をＯＦＦに制御して充電回路の遮断制御を行い、充電過電流を防止する。このとき、放電制御用ＦＥＴ１３はＯＮ状態を継続している。
特開２００２−１９９５９４号公報特開平１１−１２７５４３号公報

しかしながら、図９に示すような従来の充放電保護回路においては、放電制御用ＦＥＴ１３及び充電制御用ＦＥＴ１４をＯＮに制御するために、これらの各ゲート・ソース間に制御回路１５の各ＦＥＴ制御回路（図示省略）からハイレベルとして出力されるＤＯＵＴ信号及びＣＯＵＴ信号は、制御回路１５の動作電圧である電池１１の電池電圧ＶＢの電圧値であるため、電池電圧ＶＢの変動に伴いＦＥＴ１３，１４のゲート・ソース間電圧ＶＧＳも変化することになる。このとき、ＦＥＴ等のゲート・ソース間電圧ＶＧＳとドレイン・ソース間抵抗ＲＤＳの特性は、図４に示す通り反比例の関係を持つため、ＶＧＳが変動する範囲が大きければ、ＲＤＳが変動する範囲も大きくなる。ここで、放電過電流や充電過電流の検出は、ＦＥＴ１３，１４間の降下電圧が所定値以上のときに行われるため、ＲＤＳの変動範囲が大きい分だけ放電過電流又は充電過電流として検出する電流Ｉｏの変動範囲が大きくなることになる。これは、ＲＤＳの変動範囲が大きいと、放電過電流又は充電過電流を検出するためのＦＥＴ１３，１４間の降下電圧＝２×ＲＤＳ×Ｉｏ（ただし、ＦＥＴ１３，１４は同じＲＤＳ・ＶＧＳ特性を持つとする）の変動範囲も大きくなるためである。従って、従来の充放電保護回路では、電池電圧の大きさによるＦＥＴ等の出力抵抗の変動により、放電過電流や充電過電流を高精度に検出して防止することができないという問題があった。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子を用いて電池の放電過電流や充電過電流を高精度に防止ことができる電池の過電流保護回路を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電池の過電流を防止するための電池の過電流保護回路であって、制御信号の大きさによってＯＮ状態の抵抗値が変化する第１の半導体スイッチング素子と、前記電池の電流に対して所定の電圧降下を生じる順方向ダイオードを並列に有しＯＮ状態の電圧が前記電圧降下より小さい第２の半導体スイッチング素子とが、前記電池の回路に直列に接続され、前記電池に前記第１及び第２の半導体スイッチング素子を加えた両端の電圧を電源電圧とし、前記電源電圧を前記制御信号として用いて前記第１の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が所定値未満の場合には前記第２の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合には前記第２の半導体スイッチング素子の本体部と前記ダイオードへの通電の切り替えを制御して前記制御信号の大きさの増加を抑えて前記ＯＮ状態の抵抗値変化を抑制し、これらの制御結果によって前記制御信号により生じる前記電池の電流に対する前記第１の半導体スイッチング素子の降下電圧の大きさにより該電池の過電流を検出し該第１の半導体スイッチング素子をＯＮからＯＦＦに制御して過電流を防止する制御回路を備えることを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電池の過電流保護回路に係り、前記制御回路は、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合に、前記第２の半導体スイッチング素子をＯＦＦに制御して前記通電の切り替えを制御することを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電池の過電流保護回路に係り、前記制御回路は、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合に、前記第２の半導体スイッチング素子を高速一定周期でＯＮとＯＦＦに制御して前記通電の切り替えを制御することを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電池の過電流保護回路に係り、前記制御回路は、前記第２の半導体スイッチング素子を高速一定周期でＯＮとＯＦＦに制御するに際し、ＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を変化させることにより、前記制御信号を細かく制御することを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電池の過電流保護回路に係り、前記ＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を前記電池の電圧に応じて変化させることにより、前記制御信号を略一定値に制御することを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１に記載の電池の過電流保護回路に係り、前記電池の回路が負荷回路であり、前記第１の半導体スイッチング素子は放電過電流を防止することを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１に記載の電池の過電流保護回路に係り、前記電池の回路が充電回路であり、前記第１の半導体スイッチング素子は充電過電流を防止することを特徴としている。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１に記載の電池の過電流保護回路に係り、前記第１の半導体スイッチング素子が第１のＦＥＴであり、前記第２の半導体スイッチング素子が第２のＦＥＴであり、前記制御信号が該第１のＦＥＴのゲート・ソース間電圧であり、前記ＯＮ状態の抵抗値が該第１のＦＥＴのドレイン・ソース間抵抗値であり、前記順方向ダイオードが該第２のＦＥＴの寄生ダイオードであることを特徴としている。

また、請求項９に記載の発明は、電池の放電過電流及び充電過電流を防止するための電池の過電流保護回路であって、制御信号の大きさによってＯＮ状態の抵抗値が変化すると共に前記電池の電流に対して所定の電圧降下を生じるダイオードを並列に有しＯＮ状態の電圧が前記ダイオードの電圧降下より小さい２つの半導体スイッチング素子が、一方は前記ダイオードが充電電流に対して順方向になるように、他方は前記ダイオードが放電電流に対して順方向になるように、前記電池に直列に接続され、前記電池に前記２つの半導体スイッチング素子を加えた両端の電圧を電源電圧とし、放電時と充電時とで動作を切り替える手段を有し、放電時には、前記電源電圧を前記制御信号として用いて前記一方の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が所定値未満の場合には前記他方の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合には前記他方の半導体スイッチング素子の本体部と前記ダイオードへの通電の切り替えを制御して前記制御信号の変化を抑えて前記ＯＮ状態の抵抗値変化を抑制し、この制御結果によって前記制御信号により生じる前記電池の電流に対する前記一方の半導体スイッチング素子の降下電圧の大きさにより該電池の放電過電流を検出し該一方の半導体スイッチング素子をＯＮからＯＦＦに制御して過電流を防止すると共に、充電時には、前記電源電圧を前記制御信号として用いて前記他方の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が所定値未満の場合には前記一方の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合には前記一方の半導体スイッチング素子の本体部と前記ダイオードへの通電の切り替えを制御して前記制御信号の変化を抑えて前記ＯＮ状態の抵抗値変化を抑制し、この制御結果によって前記制御信号により生じる前記電池の電流に対する前記他方の半導体スイッチング素子の降下電圧の大きさにより該電池の放電過電流を検出し該他方の半導体スイッチング素子をＯＮからＯＦＦに制御して充電過電流を防止する制御回路を備えることを特徴としている。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の電池の過電流保護回路に係り、前記２つの半導体スイッチング素子がＦＥＴであり、前記制御信号が該ＦＥＴのゲート・ソース間電圧であり、前記ＯＮ状態の抵抗値が該ＦＥＴのドレイン・ソース間抵抗値であり、前記ダイオードが該ＦＥＴの寄生ダイオードであることを特徴としている。

以上説明したように、この発明の構成によれば、以下に記載するような効果を奏する。第１の効果としては、第１の半導体スイッチング素子への制御信号の値の変動範囲を電池電圧の変動範囲と比較して狭い範囲に抑えるので、第１の半導体スイッチング素子のＯＮ状態の抵抗値の変動範囲が、従来のように第２の半導体スイッチング素子を制御しない場合と比較して狭くなり、放電過電流や充電過電流の検出範囲を狭くして過電流の検出精度を向上できることである。第２の効果としては、半導体スイッチング素子にＦＥＴを用いた場合には、第２のＦＥＴの寄生ダイオードを第２の半導体スイッチング素子に並列な順方向ダイオードとして利用できるため、新規の素子追加が必要なく、部品実装面積の増大やコストの増大をせずに過電流の検出範囲を狭くして、過電流の検出精度を向上できることである。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。説明は，実施例を用いて具体的に行う。下記の実施例の過電流保護回路は、例えば、リチウムイオン電池１セル型の電池パックに適用して好適なものである。過電流保護回路は、放電過電流について保護する場合と充電過電流について保護する場合があるが、以下の実施例ではそれぞれについて分けて説明を行う。

始めに、この発明の理解を容易にするため、この発明の原理を説明する。この発明は、制御回路の動作電源を電池電圧に第１、第２の半導体スイッチング素子の降下電圧を加えたものとすることを特徴とする。ここで、第１の半導体スイッチング素子の降下電圧は十分に小さく降下電圧≒０Ｖと考えられるので、制御回路の動作電圧は「電池電圧」−「第２の半導体スイッチング素子の降下電圧」と考えることができる。これにより、電池電圧の変化に伴い、所定の電池電圧にて第２のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、この第２の半導体スイッチング素子に発生する降下電圧をコントロールし、第１の半導体スイッチング素子に加わる制御信号の値をコントロールする。

つまり、第２の半導体スイッチング素子がＯＮ状態の場合は、電池電流は第２の半導体スイッチング素子の本体部を通電することとなり、そのＯＮ状態の抵抗値が十分小さいため、降下電圧≒０Ｖとなる。第２のスイッチング素子がＯＦＦ状態では、電池電流は第２の半導体スイッチング素子に並列な順方向ダイオードを通電し、このダイオードの順方向の電圧降下が第２のスイッチング素子の降下電圧の値となる。このとき、第１の半導体スイッチング素子の制御信号のハイレベルの値は、上述の制御回路の動作電圧である「電池電圧」−「第２の半導体スイッチング素子の降下電圧」である為、電池電圧が大きく所定値以上である場合には第２のスイッチング素子をＯＦＦに制御して「第２の半導体スイッチング素子の降下電圧」を値の大きいダイオードの降下電圧とし、電池電圧が小さく所定値未満である場合には第２のスイッチング素子をＯＮに制御して「第２の半導体スイッチング素子の降下電圧」を値が十分小さい本体部の降下電圧とすることで、第１の半導体スイッチング素子に印加される電圧の範囲を小さく抑える。これにより、第１の半導体スイッチング素子のＯＮ状態の抵抗値の変動範囲を小さくして過電流検出値の変動範囲を小さくし、その検出精度を向上させる。

図１は、この発明の実施例１である電池の過電流保護回路の電気的構成を示す回路図である。この例では、放電過電流を防止する場合について説明する。この例の過電流保護回路は、電池１の正極側が電子機器等の負荷２の電源側に接続され、電池１の負極側と負荷２のグランド側の間に第１のＦＥＴであるＱ１と第２のＦＥＴであるＱ２が直列に接続され、これらのＦＥＴＱ１，Ｑ２のＯＮ／ＯＦＦを制御して放電過電流を防止する制御回路３を有してなる。ＦＥＴＱ１，Ｑ２はｎチャネル形であって、ドレインＤ同士が接続され、第１のＦＥＴＱ１のソースＳは電池１の負極側に、第２のＦＥＴＱ２のソースＳは負荷２のグランド側に接続されている。第１のＦＥＴＱ１には放電電流Ｉｏを阻止する逆方向の極性で寄生ダイオードＤ１が並列に形成され、第２のＦＥＴＱ２には放電電流Ｉｏに対し順方向の極性で寄生ダイオードＤ２が並列に形成されている。

制御回路３は、ＶＤＤ端子（以下、端子を省略する）が電池１の正極に接続され、ＧＮＤが電池１の負極と第１のＦＥＴＱ１のソースＳとの接続点に接続され、制御信号ＤＯＵＴが第１のＦＥＴＱ１のゲートＧに接続され、ＶＳＳ２がＦＥＴＱ１，Ｑ２のドレインＤ同士の接続点に接続され、制御信号ＣＯＵＴが第２のＦＥＴＱ２のゲートＧに接続され、ＶＳＳが第２のＦＥＴＱ２のソースＳと負荷３のグランド側との接続点に接続されてなる。この制御回路３が図９の従来例と大きく異なる点は、図９の制御回路では、ＶＤＤ・ＧＮＤ間に印加される電池電圧ＶＢを回路の動作電圧としていたが、この例の制御回路３では、ＶＤＤ・ＶＳＳ間に印加される電圧を回路の動作電圧としている点である。ここで、ＦＥＴがＯＮ状態では「第１のＦＥＴＱ１の降下電圧」≒０なので、これを無視すると、制御回路３の動作電圧は「電池電圧ＶＢ」−「第２のＦＥＴＱ２の降下電圧ＶＤＳＳ（Ｑ２）」となる。従って、第１のＦＥＴＱ１をＯＮ状態に制御するハイレベルの制御信号ＤＯＵＴは、対応するＦＥＴ制御回路の動作電圧である「電池電圧ＶＢ」−「第２のＦＥＴＱ２の降下電圧ＶＤＳＳ（Ｑ２）」となる。

次に、制御回路３の放電過電流に対する保護機能について説明する。制御回路３は、ＧＮＤ・ＶＳＳ間に加わる第１のＦＥＴＱ１の降下電圧ＶＤＳＳ（＝ＲＤＳ×Ｉｏ）を測定して過電流であると判断される基準電圧値と比較し、それ以上になったことで放電過電流の検出を行い、制御信号ＤＯＵＴをローレベルとして第１のＦＥＴＱ１をＯＦＦに制御し、放電過電流を防止する。この第１のＦＥＴＱ１の降下電圧ＶＤＳＳ（Ｑ１）を測定する際、制御回路３は、ＶＤＤ・ＧＮＤに加わる電池電圧ＶＢを測定し、所定電圧値（この例では３．５Ｖ）と比較し、それ以上となったときには制御信号ＣＯＵＴをローレベルとして第２のＦＥＴＱ２を通常のＯＮ状態からＯＦＦに制御し、放電電流を第２のＦＥＴＱ２の本体部から寄生ダイオードＤ２に通電させる。この寄生ダイオードＤ２の電圧降下によって第２のＦＥＴＱ２に発生する降下電圧ＶＤＳＳ（Ｑ２）を大きくする。これにより、制御信号ＤＯＵＴのハイレベルの値が小さくなり、第１のＦＥＴＱ１のドレイン・ソース間抵抗ＲＤＳ（Ｑ１）の変化が小さくなる。この第２のＦＥＴＱ２による制御の結果、電池電圧ＶＢの変動範囲に対する第１のＦＥＴのＲＤＳ（Ｑ１）の変動範囲が小さくなり、その降下電圧ＶＤＳＳ（Ｑ１）の変動範囲も小さくなって、この降下電圧ＶＤＳＳ（Ｑ１）をもとに精度良く放電過電流の検出を行うことが可能となる。

次に、この実施例の動作の一例について説明する。制御回路３は、第１のＦＥＴＱ１のゲート・ソース間電圧ＶＧＳ（Ｑ１）を制御する為に、電池放電時に電池電圧ＶＢの大小に合わせて第２のＦＥＴＱ２をＯＮ／ＯＦＦ制御する。ここでの説明では、その制御値を以下の通りの値とする。この値は、リチウムイオン１セル型電池パックでの値を想定して説明しているが、この発明はリチウムイオン１セル型電池パックに限定されるものでは無い。
ＶＢ≧３．５Ｖのとき、第２のＦＥＴＱ２はＯＦＦに制御する。
ＶＢ＜３．５Ｖのとき、第２のＦＥＴＱ２はＯＮに制御する。
上述において、電池電圧ＶＢ＝３．５Ｖで第２のＦＥＴＱ２の制御を切り替えているのは、リチウムイオン１セル型電池パックで許容される電圧範囲が２．８〜４．２Ｖであり、第２のＦＥＴＱ２の寄生ダイオードＤ２の順電圧ＶＦ（Ｑ２）＝０．７Ｖとすると、その最大電圧である４．２Ｖから、このＶＦ（Ｑ２）の０．７Ｖを減じた値である３．５Ｖを採用していることによる。

電池電圧ＶＢは、放電が進行することにより段々と低下していく。この際、ハイレベルの制御信号ＤＯＵＴとして第１のＦＥＴＱ１に印加されるゲート・ソース間電圧ＶＧＳ（Ｑ１）も電池電圧ＶＢに同期して低下していくことになるが、上述のように第２ＦＥＴＱ２を制御すると、電池電圧ＶＢと第１のＦＥＴＱ１のＶＧＳ（Ｑ１）との関係は図２に示す様な関係を示し、従来のような比例関係とはならない。電池電圧ＶＢとＶＧＳ（Ｑ１）の関係が図２に示すような関係を示す理由は、以下の通りである。

これは、ＶＢ≧３．５Ｖでは、第２のＦＥＴＱ２をＯＦＦにすることで、放電電流Ｉｏを第２のＦＥＴＱ２の寄生ダイオードＤ２に通電させ、寄生ダイオードＤ２の順方向電圧ＶＦに依存して電圧降下を発生させることによる。つまり、第２のＦＥＴＱ２の降下電圧ＶＤＳＳ（Ｑ２）＝０．７Ｖとなるため、制御回路３のＶＤＤ・ＶＳＳ間に印加される動作電圧は，上述の通りＶＢ−ＶＤＳＳ（Ｑ２）＝ＶＢ−０．７となり、その結果、制御回路３内のＦＥＴ制御回路から第１のＦＥＴＱ１をＯＮに制御するためのハイレベルの制御信号ＤＯＵＴの値もＶＢ−０．７となる。従って、第１のＦＥＴＱ１に印加されるゲート・ソース間電圧ＶＧＳ（Ｑ１）は、ＶＧＳ（Ｑ１）＝ＶＢ−０．７となる。ＶＢ＜３．５Ｖでは、第２のＦＥＴＱ２をＯＮに制御することで放電電流Ｉｏを第２のＦＥＴＱ２の本体部に通電させることになり、ＦＥＴＱ２のドレイン・ソース間抵抗ＲＤＳ（Ｑ２）に依存して電圧降下が発生し、ＶＤＳＳ（Ｑ２）≒０Ｖとなり、ＶＧＳ（Ｑ１）の値が略下式の通りとなる為である。
ＶＢ＝２．８〜４．２ＶときのＶＧＳ（Ｑ１）の等価式は、
ＶＢ≧３．５ＶときにはＶＧＳ（Ｑ１）＝ＶＢ−０．７、
ＶＢ＜３．５ＶときにはＶＧＳ（Ｑ１）≒ＶＢである。

図３（ａ）に、ＦＥＴの特性例としてゲート・ソース間電圧ＶＧＳが２．８〜４．２Ｖの範囲で変動した場合の、ドレイン・ソース間抵抗ＲＤＳの変動範囲を示す。また、図３（ｂ）に、この例において電池電圧ＶＢが２．８〜４．２Ｖに変化した場合のＶＢ／ＶＧＳ（Ｑ１）／ＲＤＳ特性と、従来回路でのＶＢ／ＶＧＳ（Ｑ１）／ＲＤＳ特性とを示す。図３（ｂ）のＲＤＳ値の変化範囲が示す通り、放電により電池電圧が２．８Ｖ〜４．２Ｖまで変化した際に、ＶＧＳ（Ｑ１）を制御しない従来でのＲＤＳ値とＶＧＳ（Ｑ１）を制御するこの発明の実施例における値では、ＲＤＳ値の最大時と最小時の比率で比較すると約１０％の差があり、この実施例では約１０％精度が向上していることとなる。最小時のＲＤＳ＝１００％とした場合、従来のＲＤＳ値は１８．５〜１４．３ｍΩ（１２９〜１００％）まで変化する。これに対し、この実施例によるＲＤＳ値は１８．５〜１５．６ｍΩ（１１９〜１００％）の変化にとどまっている。このＶＧＳ（Ｑ１）とＲＤＳの関係を図４の特性図で示す。この特性の例はＮＥＣ社製のＦＥＴ（ｕＰＡ２４５０（登録商標））の特性を参考に説明しているが、ＦＥＴがこれに限定されるわけではない。

なお、電池の放電回路において第１のＦＥＴＱ１を過放電制御用ＦＥＴとし、電池電圧ＶＢが過放電電圧以下になった場合にはＯＦＦに制御して過放電を保護したり、電池の充電回路において第２のＦＥＴＱ２を過充電制御用ＦＥＴとし、電池電圧ＶＢが過充電電圧以上になった場合にはＯＦＦに制御して過充電を保護したりするように、上記放電過電流の保護の制御とＯＲをとる形で、これらの第１、第２のＦＥＴを制御できることは言うまでもない。

この発明の実施例２である電池の過電流保護回路について説明する。この例の基本的な電気的構成は上述の実施例１と同様なので、異なる点のみを説明する。この例が上述の実施例１と異なる点は、実施例１において電池電池ＶＢが３．５Ｖ以上のときに第２のＦＥＴＱ２をＯＦＦに制御することに代えて、このときに第２のＦＥＴＱ２をＯＮとＯＦＦに高速一定周期で制御することである。この制御を実現する回路の一例を図５に示す。この回路はコンパレータ４からなり、その反転入力端子（−）には電池電圧ＶＢが入力され、非反転入力端子（＋）には３．５〜４．２Ｖ間で変化する鋸歯状電圧ＶＳＷが入力され、出力端子からはこの例での第２のＦＥＴＱ２への制御信号ＣＯＵＴが出力される。電池電圧ＶＢが３．５Ｖ未満であれば制御信号ＣＯＵＴはハイレベルとなり、第２のＦＥＴＱ２はＯＮに制御される。電池電圧ＶＢが３．５Ｖ以上で４．２Ｖ未満であれば鋸歯状電圧ＶＳＷが電池電圧ＶＢ以下になる期間だけ制御信号ＣＯＵＴがローレベルとなり、第２のＦＥＴＱ２はこの期間だけＯＦＦに制御される。電池電圧ＶＢが４．２Ｖ以上になると制御信号ＣＯＵＴは常時ローレベルとなり、第２のＦＥＴＱ２はＯＦＦに制御される。従って、電池電圧ＶＢが３．５Ｖを超えて大きくなるに従い、一定周期に対するＯＦＦのデューティ比が大きくなるように第２のＦＥＴＱ２を制御することができる。

このように第２のＦＥＴＱ２を制御すると、第１のＦＥＴＱ１に制御信号ＤＯＵＴとして印加される第１のＦＥＴＱ１のゲート・ソース間電圧ＶＧＳ（Ｑ１）が急激に変化しないようにすることが可能となる。その動作概略を図６を用いて説明する。この図において、第２のＦＥＴＱ２のＯＮ／ＯＦＦ（一定周期に対するＯＦＦ時間のデューティ比をＤＵＴＹとする）を十分に短い時間にて実施すると、ＶＧＳ（Ｑ１）の見かけ上の電圧はＶＢ−ＶＤＳＳ（Ｑ２）×ＤＵＴＹとなる。つまり、第２のＦＥＴＱ２をＯＮ／ＯＦＦさせるＤＵＴＹを変化させることにより、ＶＧＳ（Ｑ１）の電圧制御を細かく制御することが可能となる。ここでＶＧＳ（Ｑ１）≒Ｖｏ（出力電圧＝負荷３の電圧）である為、第２のＦＥＴＱ２のＯＮ／ＯＦＦ変化点（上述の説明中ではＶＢ＝３．５Ｖ）での急激な低下が抑えられると言う効果が得られる。つまり、電池電圧ＶＢの低下を監視することにより、電池容量の低下を検出している方式に影響を与えずに、この発明を適用できると言う効果が得られる。図７にこの実施例でのＶｏ−ＶＢの特性の一例を示す。

この発明の実施例３である電気的な回路構成を図８に示す。上述の実施例は放電過電流を防止するための過電流保護回路であったが、この例は充電過電流を防止するための過電流保護回路の構成例である。原理的には上述の実施例１，２と変わりはないので、異なる点のみを説明する。まず、構成上では、実施例１，２の負荷３に代えて充電回路５を接続し、実施例１，２の第２のＦＥＴＱ２をこの例では第１のＦＥＴとし、実施例１，２の第１のＦＥＴＱ１をこの例では第２のＦＥＴとする。この理由は、充電電流Ｉｃが放電電流とは逆方向に流れるので、この充電電流Ｉｃに順方向の極性を持つ寄生ダイオードＤ１を有する第２のＦＥＴがＦＥＴＱ１であり、逆方向の極性を持つ寄生ダイオードＤ２を有する第１のＦＥＴがＦＥＴＱ２であることによる。

この実施例における充電過電流に対する保護動作は、前述の実施例１，２の第２のＦＥＴＱ２に対する制御を、そのままこの例の第２のＦＥＴＱ１の制御動作に当てはめ、実施例１，２の第１のＦＥＴＱ１に対する制御動作を、そのままこの例の第１のＦＥＴＱ２に当てはめれば良い。従って、この例では、電池電圧ＶＢに応じてＦＥＴＱ２をＯＦＦに制御又はＯＮ／ＯＦＦに高速一定周期で制御するのではなく、電池電圧ＶＢに応じて第２のＦＥＴであるＦＥＴＱ１をＯＦＦに制御又はＯＮ／ＯＦＦに高速一定周期で制御することにより、第１のＦＥＴであるＦＥＴＱ２の降下電圧の測定による充電過電流の検出範囲を狭くする。これにより、充電過電流を防止するための過電流の検出精度を向上させることができる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、各実施例において、第１のＦＥＴと第２のＦＥＴとは電流の向きを変えずに入れ替えても、同様に機能し、同様の効果が得られる。また、実施例１もしくは実施例２と実施例３とを同じ回路に適用して制御回路が充電時と放電時の動作を切り替える手段を持たせれば何ら問題な実施できる。また、上記の実施例では半導体素子としてＦＥＴを用いて説明したが、これに限ることはなく、バイポーラトランジスタ、サイリスタなど、スイッチング制御を行うことができる半導体素子であれば、この発明が実現できることは言うまでもない。

この発明による電池の過電流保護回路は、二次電池の充電過電流や放電過電流を精度良く防止することができるので、例えば、リチウムイオン電池のバッテリパックに組み込めば、携帯電話、デジタルカメラ、携帯型音響機器、あるいはモバイル端末等のハンディタイプの安全な電源として好適に利用することができる。

この発明の実施例１である電池の過電流保護回路の電気的構成を示す回路図である。同電池の過電流保護回路の放電時における電池電圧ＶＢと放電制御用ＦＥＴ１のゲート・ソース間電圧ＶＧＳの関係を示す特性図である。同実施例１を説明するためのＦＥＴの特性表の一例を示す図であって、（ａ）はＦＥＴのゲート・ソース間電圧ＶＧＳとドレイン・ソース間抵抗ＲＤＳの関係を示す特性表、（ｂ）は従来とこの例における電池電圧ＶＢの変動範囲とドレイン・ソース間抵抗ＲＤＳの変動幅の比較を示す特性表を示す図である。同実施例１を説明するためのＦＥＴのゲート・ソース間電圧ＶＧＳとドレイン・ソース間抵抗ＲＤＳの関係を示す特性図である。この発明の実施例２である電池の過電流保護回路における実施例１とは異なる部分の電気的構成を示す回路図である。同実施例２を説明するための図であって、第２のＦＥＴをＯＮ／ＯＦＦ制御したときの制御信号とそのＦＥＴの動作波形を示す図である。ＦＥＴを図６のようにＯＮ／ＯＦＦ制御したときに実現される電池電圧ＶＢと出力電圧Ｖｏの関係を示す特性図である。この発明の実施例３である電池の過電流保護回路の電気的構成を示す回路図である。従来から一般に用いられている電池の過電流保護回路の一例を示す回路図である。

符号の説明

１電池
２負荷
３制御回路
Ｑ１第１のＦＥＴ（第１の半導体スイッチング素子）
Ｑ２第２のＦＥＴ（第２の半導体スイッチング素子）
Ｄ１，Ｄ２寄生ダイオード（ダイオード）

Claims

電池の過電流を防止するための電池の過電流保護回路であって、
制御信号の大きさによってＯＮ状態の抵抗値が変化する第１の半導体スイッチング素子と、前記電池の電流に対して所定の電圧降下を生じる順方向ダイオードを並列に有しＯＮ状態の電圧が前記電圧降下より小さい第２の半導体スイッチング素子とが、前記電池の回路に直列に接続され、
前記電池に前記第１及び第２の半導体スイッチング素子を加えた両端の電圧を電源電圧とし、前記電源電圧を前記制御信号として用いて前記第１の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が所定値未満の場合には前記第２の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合には前記第２の半導体スイッチング素子の本体部と前記ダイオードへの通電の切り替えを制御して前記制御信号の変化を抑えて前記ＯＮ状態の抵抗値変化を抑制し、この制御結果によって前記制御信号により生じる前記電池の電流に対する前記第１の半導体スイッチング素子の降下電圧の大きさにより該電池の過電流を検出し該第１の半導体スイッチング素子をＯＮからＯＦＦに制御して過電流を防止する制御回路を備えることを特徴とする電池の過電流保護回路。
前記制御回路は、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合に、前記第２の半導体スイッチング素子をＯＦＦに制御して前記通電の切り替えを制御することを特徴とする請求項１に記載の電池の過電流保護回路。
前記制御回路は、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合に、前記第２の半導体スイッチング素子を高速一定周期でＯＮとＯＦＦに制御して前記通電の切り替えを制御することを特徴とする請求項１に記載の電池の過電流保護回路。
前記制御回路は、前記第２の半導体スイッチング素子を高速一定周期でＯＮとＯＦＦに制御するに際し、ＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を変化させることにより、前記制御信号を細かく制御することを特徴とする請求項３に記載の電池の過電流保護回路。
前記ＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を前記電池の電圧に応じて変化させることにより、前記制御信号を略一定値に制御することを特徴とする請求項４に記載の電池の過電流保護回路。
前記電池の回路が負荷回路であり、前記第１の半導体スイッチング素子は放電過電流を防止することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の電池の過電流保護回路。
前記電池の回路が充電回路であり、前記第１の半導体スイッチング素子は充電過電流を防止することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の電池の過電流保護回路。
前記第１の半導体スイッチング素子が第１のＦＥＴであり、前記第２の半導体スイッチング素子が第２のＦＥＴであり、前記制御信号が該第１のＦＥＴのゲート・ソース間電圧であり、前記ＯＮ状態の抵抗値が該第１のＦＥＴのドレイン・ソース間抵抗値であり、前記順方向ダイオードが該第２のＦＥＴの寄生ダイオードであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１に記載の電池の過電流保護回路。
電池の放電過電流及び充電過電流を防止するための電池の過電流保護回路であって、
制御信号の大きさによってＯＮ状態の抵抗値が変化すると共に前記電池の電流に対して所定の電圧降下を生じるダイオードを並列に有しＯＮ状態の電圧が前記ダイオードの電圧降下より小さい２つの半導体スイッチング素子が、一方は前記ダイオードが充電電流に対して順方向になるように、他方は前記ダイオードが放電電流に対して順方向になるように、前記電池に直列に接続され、
前記電池に前記２つの半導体スイッチング素子を加えた両端の電圧を電源電圧とし、放電時と充電時とで動作を切り替える手段を有し、放電時には、前記電源電圧を前記制御信号として用いて前記一方の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が所定値未満の場合には前記他方の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合には前記他方の半導体スイッチング素子の本体部と前記ダイオードへの通電の切り替えを制御して前記制御信号の変化を抑えて前記ＯＮ状態の抵抗値変化を抑制し、この制御結果によって前記制御信号により生じる前記電池の電流に対する前記一方の半導体スイッチング素子の降下電圧の大きさにより該電池の放電過電流を検出し該一方の半導体スイッチング素子をＯＮからＯＦＦに制御して過電流を防止すると共に、充電時には、前記電源電圧を前記制御信号として用いて前記他方の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が所定値未満の場合には前記一方の半導体スイッチング素子をＯＮに制御し、前記電池の電圧が前記所定値以上の場合には前記一方の半導体スイッチング素子の本体部と前記ダイオードへの通電の切り替えを制御して前記制御信号の変化を抑えて前記ＯＮ状態の抵抗値変化を抑制し、この制御結果によって前記制御信号により生じる前記電池の電流に対する前記他方の半導体スイッチング素子の降下電圧の大きさにより該電池の放電過電流を検出し該他方の半導体スイッチング素子をＯＮからＯＦＦに制御して充電過電流を防止する制御回路を備えることを特徴とする電池の過電流保護回路。
前記２つの半導体スイッチング素子がＦＥＴであり、前記制御信号が該ＦＥＴのゲート・ソース間電圧であり、前記ＯＮ状態の抵抗値が該ＦＥＴのドレイン・ソース間抵抗値であり、前記ダイオードが該ＦＥＴの寄生ダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載の電池の過電流保護回路。