JP2005341769A - 充電器および充電制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部電源の電流制限機能を利用し、高効率で温度上昇が抑制され、充電時間も短い充電器の提供を目的とする。
【解決手段】電流制限機能を有する外部電源１より直流電力が供給され、充電器２は、逆流防止用スイッチ４と、スイッチ５と整流器６とインダクタ７とコンデンサ８とからなるスイッチング式の降圧コンバータ１５と、定電流制御用検出抵抗９と、制御回路１０を有し、外部電源１による定電流充電と降圧コンバータ１５による定電流充電と降圧コンバータ１５による定電圧充電を、バッテリー３の電圧に応じて制御回路１０によって切り換える。
【選択図】 図１

Description

本発明はバッテリー駆動の各種電子機器内などに設けられ、電流制限機能を有する外部電源から電力を供給され、前記バッテリーの充電を行う充電器に関する。

近年、バッテリーを有する携帯機器等の電子機器に設けられる充電器には、急速かつ高率な充電機能が要求されている。
従来、充電器としては、図３に示すような回路構成の装置が用いられていた。図３において、充電器１２は外部電源１より電力が供給されており、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなる逆流防止用スイッチ４、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなる制御素子１３、定電流制御用検出抵抗９及び制御回路１４が設けられている。

外部電源１から供給された直流電流は、スイッチ４、制御素子１３、抵抗９を介してバッテリー３を充電する。逆流防止用スイッチ４は制御回路１４によって制御され、外部電源１から電力供給されることによるバッテリー３への充電動作中はオン状態となり、外部電源１からの電力供給がない場合にはバッテリー３からの放電電流が逆流しないようにオフ状態となる。以下の充電器１２の充電動作の説明においては、逆流防止用スイッチ４はオン状態である。

図４は、外部電源１の出力特性と充電器１２の出力特性を示したものである。この図４に示すように、外部電源１は所定の電圧Ｖａを出力する定電圧出力機能と、出力電流を所定値Ｉａに制限をかける電流制限機能を有している。また、制御素子１３は制御回路１４からのゲート電圧によってソース−ドレイン間のインピーダンスを制御され、次の３つの状態をとる。

制御素子１３の第１の状態はオン状態である。第２の状態は、バッテリー３へ充電電流Ｉｂによる定電流制御用検出抵抗９での電圧降下が、一定値となるように制御される定電流化状態である。この場合の定電流値をＩｃとする。第３の状態は、バッテリー３の電圧Ｖｂを所定値Ｖｃに安定化するように制御される定電圧化状態である。図４では、充電器の定電流化状態と定電圧化状態を示している。

図５は、充電器の充電動作によってバッテリー３の電圧Ｖｂとバッテリー３への充電電流Ｉｂの時間変化を表す動作波形図である。以下に、図３に示す従来の充電器の動作を、図５の充電動作波形図を用いて簡単に説明する。

まず、「充電１」はバッテリー３を急速に充電する期間であり、外部電源１の電源制限機能を利用して、バッテリー３は定電流Ｉａで充電される。この時、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなる制御素子１３は第１の状態、即ちオン状態となっている。

次に、「充電２」は制御素子１３が第２の状態にあり、定電流Ｉｃでバッテリー３は充電される期間である。バッテリー３の過電圧保護のために、「充電１」での外部電源１からの定電流値Ｉａよりも小さく設定された電流Ｉｃで、バッテリー３は定電流充電される。

最後に、「充電３」は制御素子１３が第３の状態にある期間である。この期間では、バッテリー３が満充電状態に近づいたため、バッテリー３の電圧Ｖｂを一定電圧Ｖｃに保持している。そして充電電流が徐々に少なくなる。即ち、「充電２」及び「充電３」の期間では、充電器１２はシリーズレギュレータとして動作する。

また、特許文献１では、スイッチング式のＤＣ−ＤＣコンバータを用いての充電装置が開示されており、このＤＣ−ＤＣコンバータを定電流制御することで高効率な充電を実現している。
特開平９−２３８４３２号公報

上記のような従来の充電器においては、シリーズレギュレータによる電力損失が発生して、変換効率が悪いという問題がある。特に、「充電２」の期間において、外部電源１の所定の出力電圧値Ｖａとバッテリー電圧Ｖｂとの差電圧（Ｖａ−Ｖｂ）が制御素子１３に印加されており、同時に制御素子１３には制御回路１４によって設定された定電流Ｉｃが流れている。この差電圧と定電流値との積（Ｖａ−Ｖｂ）・Ｉｃが電力損失となり、変換効率を悪化させている。このため、充電中における発熱量が増加し、電子機器の表面温度が上昇するので、定電流値Ｉｃを大きく設定できず、結果としてバッテリーの充電時間が長くなるという問題がある。

また、特許文献１のようなスイッチング式のＤＣ−ＤＣコンバータを利用した充電器は、外部電源を利用した構成のものではない。このため、充電時間はＤＣ−ＤＣコンバータの定電流特性にのみ依存するため、急速な充電が困難であるという問題がある。

本発明は、電流制限機能を有する外部電源を最大限に利用し、高効率で温度上昇がなく、充電時間も短い充電器を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の充電器は、供給電流を第１の電流値に制限する機能を有する外部電源から電力を供給され、制御回路によって制御される降圧コンバータを介して前記バッテリーを充電する充電器であって、前記制御回路を、前記バッテリーへの充電電流と前記バッテリーの電圧を検出して前記バッテリーの電圧を第１の電圧値に制限する時間比で前記降圧コンバータをオンオフ動作させ、前記バッテリーの電圧が前記第１の電圧値より低くかつ第２の電圧値以上の場合には、前記充電電流を第２の電流値に制限する時間比で前記降圧コンバータをオンオフ動作させ、前記バッテリーの電圧が前記第２の電圧値未満の場合には前記降圧コンバータのオンオフ動作の繰り返しを停止し外部電源から前記バッテリーを充電するよう構成したことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の充電器は、請求項１において、前記第２の電流値は、前記第１の電流値よりも小さく設定したことを特徴とする。
本発明の請求項３記載の充電器は、請求項１において、前記降圧コンバータは、前記制御回路によって前記降圧コンバータの入出力間を短絡するスルースイッチを有し、前記制御回路は、前記バッテリーの電圧が前記第２の電圧値未満の場合には前記スルースイッチをオン状態にするよう構成したことを特徴とする。

本発明の請求項４記載の充電器は、請求項３において、少なくとも前記スルースイッチと前記制御回路を、集積回路内に実装したことを特徴とする。
本発明の請求項５記載の充電制御方法は、供給電流を第１の電流値に制限する機能を有する外部電源からバッテリーへ降圧コンバータを介して充電するに際し、前記バッテリーへの充電電流と前記バッテリーの電圧を検出して前記バッテリーの電圧を第１の電圧値に制限する時間比で前記降圧コンバータをオンオフ動作させ、前記バッテリーの電圧が前記第１の電圧値より低くかつ第２の電圧値以上の場合には、前記充電電流を第２の電流値に制限する時間比で前記降圧コンバータをオンオフ動作させ、前記バッテリーの電圧が前記第２の電圧値未満の場合には前記降圧コンバータのオンオフ動作の繰り返しを停止し前記外部電源から前記バッテリーを充電することを特徴とする。

本発明の請求項６記載の充電制御方法は請求項５において、前記バッテリーの電圧が前記第２の電圧値未満の場合には、前記降圧コンバータの入出力間を短絡するスルースイッチオン状態にすることを特徴とする。

本発明の充電器は、充電制御にスイッチング式の降圧コンバータを用いることにより、高効率で発熱量が少ないという優れた効果を有する。また、外部電源の電流制限機能を利用することにより、電子機器本体の発熱量を低減し、かつ充電時間が短いという優れた効果を有する。

以下、本発明の充電制御方法を具体的な各実施の形態に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る第１の実施形態の充電器を示す。

図１において、充電器２は外部電源１より電力が供給されており、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなる逆流防止用スイッチ４と、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ５と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴからなる同期整流器６と、インダクタ７と、コンデンサ８と、定電流制御用検出抵抗９と、制御回路１０が設けられている。

充電器２は、逆流防止用スイッチ４とスイッチ５とインダクタ７と定電流制御用検出抵抗９との直列回路が、前記外部電源１と前記バッテリー３との間に介装されており、インダクタ７と定電流制御用検出抵抗９との接続点と基準電源の間にコンデンサ８が接続されている。同期整流器６は、スイッチ５とインダクタ７との接続点と基準電源の間に接続されている。

逆流防止用スイッチ４は制御回路１０によって制御され、外部電源１から電力供給されることによるバッテリー３への充電動作中はオン状態となり、外部電源１からの電力供給がない場合にはバッテリー３からの放電電流が逆流しないようにオフ状態となる。以下の充電器２の充電動作の説明においては、逆流防止用スイッチ４はオン状態にある。

ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ５とＮチャネルＭＯＳＦＥＴからなる同期整流器６と、インダクタ７とコンデンサ８は、スイッチング式の降圧コンバータ１５を構成している。降圧コンバータ１５は、制御回路１０によってスイッチ５と整流器６が交互にオンオフ動作されることにより、インダクタ７を介してコンデンサ８から直流電力を出力する。スイッチ５と同期整流器６のオンオフ動作が周期的に繰り返されている時、その１周期に占めるスイッチ５のオン時間の割合（以下、この割合をデューティ比と記述する。）を調整することにより、降圧コンバータ１５が出力する直流電力を制御することができる。

図４は、外部電源１の出力特性と充電器２の出力特性を示したものである。図４に示すように、外部電源１は所定の電圧Ｖａを出力する定電圧出力機能と、出力電流を第１の電流値Ｉａで制限をかける電流制限機能を有している。また、スイッチ５は制御回路１０によって同期整流器６と交互にオンオフ動作され、次の３つの状態をとる。

第１の状態はスイッチ５が定常的にオン状態で、整流器６が定常的にオフ状態となる。即ち、前述のデューティ比は１である。なお、この状態では降圧コンバータ１５のオンオフ動作の繰り返しが停止していると言える。

第２の状態は、バッテリー３への充電電流Ｉｂによる定電流制御用検出抵抗９での電圧降下が一定値となるように、スイッチ５のデューティ比が調整される定電流化状態である。この場合の定電流値を第２の電流値Ｉｃとする。第２の電流値Ｉｃは外部電源１の第１の電流値Ｉａより小さく設定されている。

第３の状態は、バッテリー３の電圧Ｖｂを第１の電圧値Ｖｃに安定化するように、スイッチ５のデューティ比が調整される定電圧化状態である。図４では、充電器の定電流化状態と定電圧化状態を示している。

図５は、充電器の充電動作によってバッテリー３の電圧Ｖｂとバッテリー３への充電電流Ｉｂの時間変化を表す動作波形図である。
以下に、この第１の実施形態による充電器２の充電動作を、図５に示す動作波形図を用いて説明する。

図５の「充電１」は、スイッチ５は第１の状態、即ちオン状態にある期間である。この時、外部電源１より、逆流防止用スイッチ４とスイッチ５とインダクタ７と定電流制御用検出抵抗９を介して、第１の電流値Ｉａでバッテリー３が定電流充電される。すなわち、発熱源を外部電源１とすることで電子機器の温度上昇を防止し、かつ大きな電流値Ｉａによって充電時間を短縮する。この「充電１」の期間は、充電が進んでバッテリー３の電圧Ｖｂが第２の電圧値Ｖａに至るまでであり、バッテリー電圧Ｖｂが第２の電圧値Ｖａに至ると「充電２」へ移行する。

図５の「充電２」は、スイッチ５は前述の第２の状態、即ち充電器２は定電流化状態にあり、第２の電流値Ｉｃでバッテリー３を定電流充電する期間である。降圧コンバータ１５を用いて充電することにより、高効率な電力変換が可能となり発熱を抑制することができる。「充電１」に対し、「充電２」の期間が設けられているのは、あまりに急速に充電を行うとバッテリー３の過電圧特性を超えた電圧を印加するおそれがあるためである。このため、第２の電流値Ｉｃは外部電源１の第１の電流値Ｉａより小さく設定されている。

反面、充電時間短縮のためには、充電器２の熱的負担の許容される範囲内で、第２の電流値Ｉｃは大きく設定することが望ましい。高効率な電力変換特性を有する降圧コンバータ１５を用いることにより、第２の電流値Ｉｃを大きく設定し、充電時間を短くすることが可能となる。この「充電２」の期間は、充電が進んでバッテリー３の電圧Ｖｂが第１の電圧値Ｖｃに至るまでであり、バッテリー電圧Ｖｂが第１の電圧値Ｖｃに至ると「充電３」へ移行する。

図５の「充電３」は、スイッチ５は前述の第３の状態、即ち充電器２は定電圧化状態にあり、バッテリー電圧Ｖｂは第１の電圧値Ｖｃに制限されながら充電される。第１の電圧値Ｖｃはバッテリー３の満充電電圧に近い値に設定されており、充電電流Ｉｂは、充電が進むとともに減少していく。やがて完全に満充電電圧に達した時点で充電を終了する。

（第２の実施形態）
図２は本発明に係る第２の実施形態の充電器を示す。
図２において、充電器２には、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスルースイッチ１１が追加されたことと、制御回路１０がスルースイッチ１１を駆動する機能を有している点が、図１に示した第１の実施形態の充電器２と異なる。

図２において、スルースイッチ１１は、逆流防止用スイッチ４の出力とバッテリー３の間に挿入されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ５とＮチャネルＭＯＳＦＥＴからなる同期整流器６と、インダクタ７とコンデンサ８が、降圧コンバータ１５を構成するが、その構成及び動作は第１の実施形態の充電器２の降圧コンバータ１５と同様である。

充電動作は、第１の実施形態と同様に図５に示す充電動作波形図に示すように行われる。充電動作において、本発明の第２の実施形態の充電器２が第１の実施形態の充電器２と異なる動作をするのは、「充電１」の期間である。「充電２」及び「充電３」の期間は、スルースイッチ１１はオフ状態にされており、第１の実施形態と同様である。

「充電１」において、スイッチ５はオン状態にされ、外部電源１から逆流防止用スイッチ４とスイッチ５とインダクタ７と定電流制御用検出抵抗９を介して、バッテリー３に充電電流が流れる。同時に、スルースイッチ１１もオン状態にあり、スルースイッチ１１を介してもバッテリー３を充電する。この両経路を流れる充電電流の和が、外部電源１から供給されてバッテリー３を充電する第１の電流値Ｉａである。スルースイッチ１１の充電電流のバイパスにより、スイッチ５とインダクタ７と定電流制御用検出抵抗９を流れる充電電流が低減される。従って充電電流による電力損失を低減できる。

なお、スルースイッチ１１は、スイッチ５や同期整流器６のように高周波のスイッチング動作をすることはなく、逆流防止用スイッチ４のように全充電電流が流れることもなく、他の構成部品に比べて電力負担が少ない。このため、熱容量が比較的小さく設計できるので、制御回路１０とともに集積回路化することにより、充電器の小型化が可能である。

本発明に係る充電器は、外部電源の電流制限機能とスイッチング式の降圧コンバータを用いた定電流出力機能をバッテリー電圧に応じて使い分け、高効率で充電時間の短い充電器として有用である。

本発明に係る第１の実施形態の充電器を示す回路構成図 本発明に係る第２の実施形態の充電器を示す回路構成図 従来の充電器を示す回路構成図 外部電源と充電器の出力特性を示す特性図 充電器の動作を示す充電電流と充電電圧の動作波形図

符号の説明

１ 外部電源
２ 充電器
３ バッテリー
４ 逆流防止用スイッチ
５ スイッチ
６ 同期整流器
７ インダクタ
８ コンデンサ
９ 定電流制御用検出抵抗
１０ 制御回路
１５ 降圧コンバータ

Claims (6)

1. 供給電流を第１の電流値に制限する機能を有する外部電源から電力を供給され、制御回路によって制御される降圧コンバータを介して前記バッテリーを充電する充電器であって、
   前記制御回路を、
   前記バッテリーへの充電電流と前記バッテリーの電圧を検出して前記バッテリーの電圧を第１の電圧値に制限する時間比で前記降圧コンバータをオンオフ動作させ、前記バッテリーの電圧が前記第１の電圧値より低くかつ第２の電圧値以上の場合には、前記充電電流を第２の電流値に制限する時間比で前記降圧コンバータをオンオフ動作させ、前記バッテリーの電圧が前記第２の電圧値未満の場合には前記降圧コンバータのオンオフ動作の繰り返しを停止し外部電源から前記バッテリーを充電するよう構成した
   充電器。
2. 前記第２の電流値は、前記第１の電流値よりも小さく設定したことを特徴とする請求項１記載の充電器。
3. 前記降圧コンバータは、前記制御回路によって前記降圧コンバータの入出力間を短絡するスルースイッチを有し、
   前記制御回路は、前記バッテリーの電圧が前記第２の電圧値未満の場合には前記スルースイッチをオン状態にするよう構成した
   請求項１に記載の充電器。
4. 少なくとも前記スルースイッチと前記制御回路を、集積回路内に実装した
   請求項３記載の充電器。
5. 供給電流を第１の電流値に制限する機能を有する外部電源からバッテリーへ降圧コンバータを介して充電するに際し、
   前記バッテリーへの充電電流と前記バッテリーの電圧を検出して前記バッテリーの電圧を第１の電圧値に制限する時間比で前記降圧コンバータをオンオフ動作させ、前記バッテリーの電圧が前記第１の電圧値より低くかつ第２の電圧値以上の場合には、前記充電電流を第２の電流値に制限する時間比で前記降圧コンバータをオンオフ動作させ、前記バッテリーの電圧が前記第２の電圧値未満の場合には前記降圧コンバータのオンオフ動作の繰り返しを停止し前記外部電源から前記バッテリーを充電する
   充電制御方法。
6. 前記バッテリーの電圧が前記第２の電圧値未満の場合には、前記降圧コンバータの入出力間を短絡するスルースイッチをオン状態にする
   請求項５に記載の充電制御方法。

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