JP2006101566A

JP2006101566A - 充電装置及び集積回路

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Publication number: JP2006101566A
Application number: JP2004280845A
Authority: JP
Inventors: Manabu Okamoto; 学岡本; Atsushi Mori; 淳森
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2024-09-28
Also published as: US7554298B2; CN1756023A; CN100423399C; JP4271113B2; US20060076928A1

Abstract

【課題】
充電電流を増大させた場合であっても発熱を抑えることができる充電装置及び集積回路を提供する。
【解決手段】
充電装置１は、二次電池１１に直列に接続され二次電池１１に充電電流Ｉ１を供給する充電用トランジスタ１２と、充電用トランジスタ１２より放熱性が高いパッケージに搭載される充電用集積回路２０とを備える。充電用集積回路２０は、充電用トランジスタ１２を制御すると共に二次電池１１に充電電流Ｉ２を供給するものであり、充電電流Ｉ２を供給する電流源５０を有する。この電流源５０からの充電電流Ｉ２を、充電用トランジスタ１２からの充電電流Ｉ１と共に二次電池１１に供給し、二次電池１１を充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば携帯電話等の二次電池を充電する充電装置及び二次電池への充電を制御することができる集積回路に関する。

一般に、携帯電話等では、電源として二次電池（蓄電池）が使用されている。従来の携帯電話等の電池を充電する充電装置について、図２を参照して説明する。図２に示すように、従来の充電装置１０１は、二次電池１１１に充電電流を供給する充電電流供給部１１０と、充電電流供給部１１０を制御する充電制御装置１２０とを有する。充電電流供給部１１０は、アダプタ電圧に接続される充電用トランジスタ１１２、ダイオード１１４、検出抵抗１１３、及び二次電池１１１が直列に接続されて構成される。充電用トランジスタ１１２に流れる充電電流Ｉが二次電池１１１に供給され、二次電池１１１が充電される。

充電制御回路１２０は、充電用トランジスタ１１２から二次電池１１１に供給される充電電流Ｉに応じて検出抵抗１１３の両端に現れる電圧を検出し、この検出結果に応じて充電用トランジスタ１１２を制御する。すなわち、充電制御回路１２０は、検出抵抗１１３の両端に現れる電圧を検出する検出回路１３０と、この検出結果に応じた制御信号Ｓ１を出力する制御回路１４０と、制御信号Ｓ１に応じて充電用トランジスタ１１２を制御するオペアンプ１４１とを有する。検出回路１３０は、その−端子（反転入力端子）が検出抵抗１１３の一端と外部接続端子１１７及び抵抗１３３を介して接続され、＋端子（非反転入力端子）が検出抵抗１１３の他端と外部接続端子１１８及び抵抗１３４を介して接続されたオペアンプ１３１を有する。更に、オペアンプ１３１の−端子には、その出力との間に帰還抵抗１３２が接続され、また＋端子には接地に接続された抵抗１３４が接続されている。この充電制御回路１２０は、検出抵抗１１３の両端に現れる電圧が一定になるように充電用トランジスタ１１２を制御している。

また、このような二次電池の充電を制御する回路として、特許文献１には、充電初期に二次電池を短時間で急速充電するために充電用トランジスタをオンし、満充電後は、二次電池が急速充電に伴う過充電を行わないように微小電流で充電動作を継続させるために充電用トランジスタをオフし、充電用トランジスタよりも小さいトランジスタをオンさせる方法が開示されている。

ところで、近時、携帯電話に様々な機能が追加されるに伴い、電池容量も増大させる必要が生じている。これに伴い、その充電時間を短縮するために充電電流を増大させる傾向にある。
特開平９−８４２７６号公報

しかしながら、上述の図２に示す従来の充電制御回路及び特許文献１に記載された充電装置においては、充電容量を増大させつつ充電時間を短縮しようとするためには、急速充電用の充電用トランジスタに対し、充電時には大きな充電電流を流すことが必要になってしまう。かかる大電流は、充電用トランジスタの発熱量を増大させてしまうという問題点がある。

本発明にかかる充電装置は、二次電池に直列に接続され前記二次電池に第１の充電電流を供給する充電用トランジスタと、前記充電用トランジスタを制御する充電用集積回路とを備え、前記充電用集積回路は、前記二次電池に第２の充電電流を供給する電流供給部を有し、前記電流供給部は、前記第２の充電電流を前記第１の充電電流と共に前記二次電池に供給することを特徴とする。

本発明においては、充電用集積回路内に第２の充電電流を供給する電流供給部を有すため、充電用トランジスタから供給される第１の充電電流と同時に第２の充電電流により二次電池の充電を実行することができる。

本発明にかかる他の充電装置は、二次電池に第１の充電電流を供給する第１の充電電流供給部と、前記二次電池に前記第１の充電電流と共に第２の充電電流を供給する第２の充電電流供給部と、前記第１及び第２の充電電流供給部を制御する充電制御回路とを有し、前記第２の充電電流供給部及び前記充電制御回路は、１つのパッケージに搭載されることを特徴とする。

本発明においては、二次電池に同時に充電を行う２つの電流供給部を具備し、これらのうち１つを充電制御回路と共に１つのパッケージに搭載することで、第１の電流供給部による第１の充電電流を全充電電流の一部として小さくし、かつ充電制御回路と共にパッケージ化されることにより部品点数を増加させることがない。

本発明にかかる集積回路は、二次電池に直列に接続され前記二次電池に第１の充電電流を供給する充電用トランジスタを制御する集積回路であって、前記二次電池に第２の充電電流を供給する充電電流供給部を有し、前記第２の充電電流を前記第１の充電電流と共に前記二次電池に供給することを特徴とする。

本発明においては、二次電池の充電をする充電用トランジスタを制御する充電制御回路に、充電用トランジスタと共に二次電池を充電する電流源を設けることで、充電機能をもたせ、二次電池を充電用トランジスタと共に充電することができ、充電用トランジスタに流れる充電電流を小さくして発熱を低減することができる。

本発明に係る充電装置及び充電制御回路によれば、充電電流を増大させた場合であっても発熱を抑えることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この実施の形態は、本発明を、例えば携帯電話等に使用される二次電池を充電する充電装置であって、特に、充電時の発熱を分散させることができる充電用集積回路及びこれを使用した充電装置に適用したものである。

図１は、本発明の実施の形態にかかる充電装置を示す図である。充電装置１は、二次電池１１を充電する第１の充電電流供給部１０と、充電電流供給部１０を制御すると共に二次電池１１を充電可能な充電用集積回路２０とを有する。

充電電流供給部１０は、二次電池１１に直列に接続されたＰチャンネルＦＥＴ（field effect transistor）などからなる充電用トランジスタ（充電電流供給部）１２を有する。充電用トランジスタ１２は、アダプタ電圧Ｖａｄに接続され、二次電池１１に第１の充電電流として充電電流Ｉ１を供給する。充電電流供給部１０には、後述するように、充電用集積回路２０から第２の充電電流Ｉ２が供給される。そして、この充電電流Ｉ１と充電電流Ｉ２とが充電電流Ｉとして二次電池１１に供給され、二次電池１１は、この充電電流Ｉにより充電される。

充電電流供給部１０は、更に、充電電流Ｉを検出するための検出抵抗１３、及びアダプタ電圧から二次電池１１方向へのみ電流を流すためのダイオード１４を有する。

充電用集積回路２０は、検出抵抗１３の両端に現れる電圧に応じて充電電流Ｉを検出する検出回路３０を有する。また、検出回路３０の検出結果に基づき充電電流Ｉ１を制御するための制御信号Ｓ１を出力する制御回路４０を有する。さらに、本実施の形態における充電用集積回路２０は、二次電池１１に充電電流Ｉ２を供給する第２の充電電流供給部としての電流源５０を有する。そこで、制御回路４０は、上記制御信号Ｓ１を出力すると共に充電電流Ｉ２を制御するための制御信号Ｓ２を出力する。すなわち、本実施の形態における充電用集積回路２０は、充電電流供給部１０の充電用トランジスタ１２を制御する充電制御回路としての機能と、二次電池１１を充電する充電電流供給部としての機能とを有し、充電電流Ｉ１を制御すると共に充電電流Ｉ２により二次電池１１の充電を行うものである。このように、充電電流Ｉを充電電流Ｉ１、Ｉ２に分流することで、充電用トランジスタ１２の発熱を低減することができる。

検出回路３０は、検出抵抗１３の両端に現れる電位差に応じた出力をするオペアンプ３１を有する。このオペアンプ３１の−端子（反転入力端子）には、その出力と接続された帰還抵抗３２が接続される。更にオペアンプ３１の−端子には、検出抵抗１３の一端と外部接続端子１７を介して接続された抵抗３３が接続される。また、オペアンプ３１の＋端子（非反転入力端子）には、接地された抵抗３５が接続されると共に、検出抵抗１３の他端の外部接続端子１８を介して接続された抵抗３４が接続される。検出回路３０は、検出抵抗１３に流れる充電電流Ｉ＝第１の充電電流Ｉ１＋第２の充電電流Ｉ２に応じて検出抵抗１３の両端に現れる電位差を検出し、この電位差に応じた検出結果を制御回路４０へ出力する。

また、充電用集積回路２０は、充電用トランジスタ１２を制御するために、制御回路４０の制御信号Ｓ１に基づき制御信号Ｓ３を出力するオペアンプ４１を有する。オペアンプ４１の−端子には、制御回路４０からの制御信号Ｓ１が供給され、＋端子は、接地に接続された電源４２に接続される。充電用集積回路２０は、上述の検出回路３０による検出結果に基づき制御回路４０が制御信号Ｓ１を生成し、オペアンプ４１が電源４２の電位と制御信号Ｓ１とに応じた電圧（制御信号Ｓ３）を出力し、この出力を外部接続端子１５を介して充電用トランジスタ１２のゲートに供給することで、検出抵抗１３の両端に現れる電位差に基づき充電用トランジスタ１２に流れる電流Ｉ１を制御する。

更に、充電用集積回路２０は、アダプタ電圧に接続された際に、アダプタ電圧が供給される電源端子２１を有する。制御回路４０の内部又は外部に図示しないアダプタ検出回路を有し、このアダプタ検出回路により充電用集積回路２０がアダプタ電圧に接続されたことが検出されると、充電用集積回路２０は、後述するように二次電池１１の充電動作を開始する。

電流源５０は、制御回路４０からの制御信号Ｓ２が＋端子に供給されるオペアンプ５１を有する。また、オペアンプ５１の出力にベースが接続されたトランジスタ５２を有する。このトランジスタ５２のコレクタには、トランジスタ５３、５４からなり、一端がアダプタ電圧に接続されたカレントミラー回路５５が接続され、トランジスタ５２のエミッタには、接地に接続された抵抗５６が接続される。この電流源５０は、制御回路４０からの制御信号Ｓ２に応じてトランジスタ５２がオンし、カレントミラー回路５５から充電電流Ｉ２を、外部接続端子１６を介して充電電流供給部１０に出力する。外部接続端子１６は、充電用トランジスタ１２とダイオード１４との接点に接続されている。したがって、充電電流Ｉ２は、充電電流供給部１０に出力されると充電用トランジスタ１２から供給される充電電流Ｉ１と合流し、充電電流Ｉ１と共にダイオード１４及び検出抵抗１３を経て二次電池１１に供給される。

これらの構成により、二次電池１１に充電電流Ｉとして、充電電流Ｉ１及び充電電流Ｉ２が供給されると共に、充電電流Ｉ、Ｉ１が一定値になるよう制御される。

一般に、二次電池１１の充電は、定電流で充電される定電流充電期間と、定電圧で充電される定電圧充電期間とを有する。なお、定電流充電期間においては、例えば１０〜１５０ｍＡ程度の小さい電流値で、例えば３〜３．４Ｖ程度の所定の電圧まで充電を行う予備充電期間と、所定の電圧値から例えば４．２Ｖ等の目的の電圧まで大きい電流値で充電を行う本充電期間とを有するものがある。ここで、急速充電において発熱が問題となるのは、定電流期間であり、上述のように予備充電期間及び本充電期間を有する場合は、大きな充電電流を要する本充電期間は充電電流が大きく、特に発熱量が大きくなる。本実施の形態においては、少なくとも本充電期間を含む定電流充電期間において、充電用トランジスタ１２による充電電流Ｉ１のみならず、電流源５０による充電電流Ｉ２を使用して二次電池１１を充電することで、充電電流Ｉを分流して、充電用トランジスタ１２に流れる充電電流Ｉ１を小さくし、発熱を分散させるものである。

なお、本実施の形態においては、予備充電後の本充電期間において、充電電流Ｉ１、Ｉ２により充電する例をとって説明するが、アダプタ等によって、必ずしも予備充電期間を必要とするものではない。また、このような充電期間によるものにかぎらず、大きな充電電流を要する場合、特に充電用トランジスタ１２のパッケージが小さくて発熱量が大きい場合には本発明を適用することで充電用トランジスタ１２に流れる充電電流を小さくし、発熱を低減することができることは言うまでもない。また、本実施の形態においては、充電電流Ｉ２を供給する電流源５０を充電用集積回路２０内に配置するものとしているが、放熱性が高い、大きなパッケージであって、制御回路４０による制御が可能であれば、電流源５０を他のパッケージ等に搭載して充電時の発熱を低減することも可能である。

また、本実施の形態においては、制御回路４０の制御信号Ｓ１に基づきオペアンプ４１により充電用トランジスタ１２を制御し、制御信号Ｓ２に基づき電流源５０を制御するものとして説明するが、例えばオペアンプ３１の出力をオペアンプ４１に入力して充電電流Ｉ１を制御するように構成してもよい。この場合、二次電池１１の充電電圧を検出し、上述の定電流期間を示す所定電圧になるまでの間、電流源５０から充電電流Ｉ２を出力する構成としてもよい。

次に、このように構成された充電装置１の動作について説明する。先ず、図示しないアダプタ電圧検出回路によりアダプタ電圧Ｖａｄが検出されるとアダプタ検出信号が制御回路４０に供給される。制御回路４０は、アダプタ電圧検出信号に応じてオペアンプ４１、５１にそれぞれ制御信号Ｓ１、Ｓ２を供給する。オペアンプ４１は、制御信号Ｓ１に応じた制御信号Ｓ３を出力し、この制御信号Ｓ３が充電用トランジスタ１２のゲート電極に供給される。充電用トランジスタ１２には、この制御信号Ｓ３に応じた充電電流Ｉ１が流れる。

制御回路４０は、二次電池１１の充電電圧が所定の値、例えば４．２Ｖになるまで、充電用トランジスタ１２及び電流源５０により定電流充電を行う。このため、充電用集積回路２０は、二次電池１１の充電電圧を監視し測定する電圧測定回路を有し、アダプタ電圧Ｖａｄが検出されると二次電池１１の現在の充電電圧を測定し、これを制御回路４０に供給する。制御回路４０は、充電電圧が所定の値になるまで制御信号Ｓ１、Ｓ２によりそれぞれ充電用トランジスタ１２及び電流源５０を制御して二次電池１１の充電を実行する。

すなわち、オペアンプ３１には検出抵抗１３の両端に現れる電圧が−端子、＋端子にそれぞれ供給され、オペアンプ３１は、この電圧に応じた検出結果を制御回路４０に出力する。制御回路４０は、二次電池１１が上記所定の充電電圧になるまで、制御信号Ｓ２により電流源５０から充電電流Ｉ２を出力させると共に、制御信号Ｓ１により、充電用トランジスタ１２に流れる充電電流Ｉ１が一定になるよう制御する。

オペアンプ５１は、制御回路４０からの制御信号Ｓ２に応じ、抵抗５６の一端、すなわちトランジスタ５２のエミッタと抵抗５６との接点における電圧を決定する。トランジスタ５３、５４からなるカレントミラー回路５５は、抵抗５６に流れる電流に応じた電流Ｉ２を出力する。電流Ｉ２は、外部接続端子１６から出力され、電流Ｉ１と合流し、充電電流Ｉとして二次電池１１に供給される。

ここで、制御信号Ｓ２は、一定の電圧値であり、電流Ｉ２の電流値が固定である。したがって、制御回路４０は、検出抵抗１３の両端に現れる電圧が一定となるよう、制御信号Ｓ１により充電用トランジスタ１２のゲート電圧を制御する。

このように構成された本実施の形態における充電装置１においては、二次電池１１を充電するために必要な充電電流Ｉを、充電電流Ｉ１と充電電流Ｉ２とに分け、一方の充電電流Ｉ１については従来通り充電用トランジスタ１２により二次電池１１に供給するものとし、残りの充電電流Ｉ２については、充電用集積回路２０の内部に設けた電流源５０により二次電池１１に供給するものとしている。このように、充電電流Ｉを供給するにあたって、その一部を充電電流Ｉ２として充電用集積回路２０により供給することで、充電用トランジスタ１２に流れる充電電流Ｉ１を小さくし、充電用トランジスタ１２における発熱を抑えることができる。

そして、充電電流Ｉ２を供給する電流源５０は、充電用集積回路２０内に設けられる。充電用集積回路２０を構成するＩＣのパッケージは、充電用トランジスタ１２を有するパッケージに比べて面積が大きいため、熱抵抗が低く、充電のために大きな充電電流を流しても放熱性に優れているため発熱量を低く抑えることができる。すなわち、例えば充電用トランジスタ１２の発熱を抑えるために、充電用トランジスタ１２を複数備えたとしても、各充電用トランジスタの発熱量は小さくできるものの同じ大きさのパッケージであれば全体としての発熱量を低減することができないが、本実施の形態のように、放熱性に優れた充電用集積回路２０内に電流源５０を設けることで、充電電流Ｉ２による発熱も低く抑えることができ、装置全体としての発熱を低減することができる。

このように、充電用トランジスタ１２が二次電池１１の充電を行うとき、充電用集積回路２０の内部に設けられた電流源５０も同時に充電電流Ｉ２を供給して二次電池１１に対して充電を行うことで、充電電流Ｉの供給源を分散させ、かつ、分散させる一方の供給源である電流源５０を充電用集積回路２０という放熱性が高いパッケージに搭載することで、合計の発熱量を抑えることができる。例えば、充電用トランジスタ１２を６ｐｉｎニミモールドとし、充電用集積回路２０を８ｐｉｎＳＯＰ（Small Outline package）とした場合、前者の基板実装時の熱抵抗は例えば１４７℃／Ｗであるのに対し、後者の熱抵抗は例えば８５℃/Ｗである。従って、充電用集積回路２０を構成する大きなパッケージの回路により充電電流Ｉ２を供給することで、充電用トランジスタ１２には、二次電池１１の充電に必要な充電電流Ｉよりも小さい充電電流Ｉ１を流すのみでよく、従って発熱量を小さく抑えることができると共に、放熱性が高い充電用集積回路２０により充電電流Ｉ２を供給することで、充電電流Ｉ２を流すことによる発熱量を小さく抑えることができる。

ここで、充電電流Ｉ１、Ｉ２は、例えば単純に充電電流Ｉの１／２ずつとすることも可能であるが、熱抵抗の大きさに応じた比に分流すようにしてもよい。すなわち、充電用トランジスタ１２の熱抵抗が充電用集積回路２０の熱抵抗の倍であれば、充電用集積回路２０から供給する充電電流Ｉ２を充電用トランジスタ１２から供給する充電電流Ｉ１の倍などにすることで、充電用トランジスタ１２における発熱量と充電用集積回路２０における発熱量を同程度に低くすることができる。

以上の構成により、充電電流Ｉを増大させた場合であっても発熱量を抑えることができる。また、充電用集積回路２０の内部に電流源５０を設けることで、発熱を抑えるための新たな部品を追加する必要がないため、部品点数を増加させることがない。また、充電用集積回路２０は、充電用トランジスタ１２より放熱性が優れているため、必要に応じて充電電流Ｉを更に増大することも可能である。

また、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。例えば、携帯電話には、搭載されている様々なＩＣに必要に応じて電源を供給する機能をもち、二次電池１１を電源として動作するバッテリマネジメント回路が搭載されている。そこで、バッテリマネジメント回路と上述の充電用集積回路とを１チップで構成することにより、チップ面積を更に大きくすることができ、放熱性を更に高めることができる。この場合、バッテリマネジメント回路及び充電用集積回路を例えば１４４ＴＦＰＢＧＡ（Tape Fine Pitch Ball Grid Array）とすると、基板実装時の熱抵抗は例えば４６．６℃／Ｗとなり、更に放熱性が高くなり、発熱量を飛躍的に低減することができる。

本発明の実施の形態にかかる充電制御回路及び充電ユニットからなる充電装置を示す図である。従来の充電制御回路及び充電ユニットからなる充電装置を示す図である。

符号の説明

１０充電電流供給部、１１二次電池
１２充電用トランジスタ
１３検出抵抗、１４ダイオード
１５，１６，１７，１８外部接続端子
２０充電用集積回路、２１電源端子
３０検出回路、３１，４１，５１オペアンプ
３２帰還抵抗、３３，３４，３５，５５抵抗
４０制御回路、４２電源
５０電流源、５２，５３トランジスタ

Claims

二次電池に直列に接続され前記二次電池に第１の充電電流を供給する充電用トランジスタと、
前記充電用トランジスタを制御する充電用集積回路とを備え、
前記充電用集積回路は、前記二次電池に第２の充電電流を供給する電流供給部を有し、
前記電流供給部は、前記第２の充電電流を前記第１の充電電流と共に前記二次電池に供給する
ことを特徴とする充電装置。
前記充電用集積回路は、前記充電用トランジスタよりも熱抵抗が小さい
ことを特徴とする請求項１記載の充電装置。
前記充電用集積回路は、前記第１及び第２の充電電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路の検出結果に基づき前記充電用トランジスタを制御する制御回路とを有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の充電装置。
前記充電用集積回路は、前記第１及び第２の充電電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路の検出結果に基づき前記充電用トランジスタ及び前記電流供給部を制御する制御回路とを有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の充電装置。
前記電流供給部は、前記制御回路の制御に応じて定電流を出力する定電流源である
ことを特徴とする請求項４記載の充電装置。
前記二次電池は、定電流で充電される定電流充電期間と定電圧で充電される定電圧充電期間とを有し、
前記制御回路は、少なくとも前記定電流期間は、前記充電用トランジスタ及び前記電流供給部を制御する
ことを特徴とする請求項４記載の充電装置。
前記二次電池の充電電圧の検出結果に基づき前記電流供給部を制御する制御回路を有する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の充電装置。
二次電池に第１の充電電流を供給する第１の充電電流供給部と、
前記二次電池に前記第１の充電電流と共に第２の充電電流を供給する第２の充電電流供給部と、
前記第１及び第２の充電電流供給部を制御する充電制御回路とを有し、
前記第２の充電電流供給部及び前記充電制御回路は、１つのパッケージに搭載される
ことを特徴とする充電装置。
前記第２の充電電流供給部及び前記充電制御回路が搭載されるパッケージは、前記第１の充電電流供給部が搭載されるパッケージより熱抵抗が小さい
ことを特徴とする請求項６記載の充電装置。
二次電池に直列に接続され前記二次電池に第１の充電電流を供給する充電用トランジスタを制御する集積回路であって、
前記二次電池に第２の充電電流を供給する充電電流供給部を有し、前記第２の充電電流を前記第１の充電電流と共に前記二次電池に供給する
ことを特徴とする集積回路。
前記二次電池に供給される前記第１及び第２の充電電流を検出する検出回路と、前記検出回路の検出結果に基づき前記充電用トランジスタ及び前記充電電流供給部を制御する制御回路を有する
ことを特徴とする請求項１０記載の集積回路。
前記二次電池の充電状態を監視する監視回路を有する
ことを特徴とする請求項１０又は１１記載の集積回路。