JP2006133120A - 電流積算回路 - Google Patents

Abstract

【課題】積分回路の積分誤差に基づく回路全体の利得誤差を、比較的容易かつ正確に調整できる電流積算回路の提供。
【解決手段】この発明は、所定の入力電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路１と、
電流−電圧変換回路の出力電圧を増幅するインストルメンテーションアンプ３と、アンプ３の出力電圧に基づいて生成される電流を時間積分する積分回路４と、積分回路４の出力電圧を所定の基準値と比較するコンパレータ５と、積分回路４の出力電圧を所定の基準値と比較するコンパレータ６と、コンパレータ５、６の各出力を計数するカウンタ１０、１１と、コンパレータ５、６からの出力に基づいて積分回路４の動作を初期化する初期化回路と、を少なくとも備えている。そして、インストルメンテーションアンプ３は、電流積算回路全体の利得の微調整を行う、利得調整用可変抵抗器３４を含んでいる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リチウムイオン電池などの２次電池の充電電流および放電電流を積算する電流積算回路に関するものである。

携帯電話や携帯型のコンピュータなどの携帯用電子機器に使用される２次電池は、充電時には充電回路により充電され、その電子機器の使用時には電子機器に対して電力を供給するようになっている。
このため、２次電池は充放電を繰り返し、その充放電の状態をモニタするために、その充電電流と放電電流とを積算するための電流積算回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この電流積算回路は、例えば特許文献１の図６に示すように、電流値検出回路と、電流−電圧変換回路と、折れ線関数発生器と、積分回路と、２つのコンパレータと、アップダウンカウンタとを含んでいる。
このような構成からなる従来の電流積算回路では、折れ線関数発生器を含んでいるので、ダイナミックレンジが大きく採れ、直線性が良いという特長がある。

ところで、この種の電流積算回路に使用される積分回路は、演算増幅器、積分用の抵抗素子、積分用の容量素子などからなり、抵抗素子や容量素子などは回路の仕上がり時にそれぞれ誤差を持つのが一般的である。このため、積分回路は、その誤差に起因して積分誤差が発生するという不具合がある。
そして、その積分回路の積分誤差は、電流積算回路全体の利得誤差に影響するので、その利得誤差を容易かつ正確に調整できることが望まれる。
特開２００２−１０７４２８号公報

本発明の目的は、上記の点に鑑み、積分回路の積分誤差などに基づく回路全体の利得誤差を、比較的容易かつ正確に調整できる電流積算回路を提供することにある。

上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のような構成からなる。
すなわち、第１の発明は、所定の入力電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路と、前記電流−電圧変換回路の出力電圧を増幅するインストルメンテーションアンプと、前記インストルメンテーションアンプの出力電圧に基づいて生成される電流を時間積分する積分回路と、前記積分回路の出力電圧を所定の基準値と比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力を計数するカウンタと、前記コンパレータの出力に基づいて前記積分回路の動作を初期化する初期化回路と、を備え、前記インストルメンテーションアンプは、電流積算回路全体の利得の微調整を行う利得調整手段を含んでいる。

第２の発明は、第１の発明において、前記コンパレータは、前記積分回路の出力電圧を所定の第１基準値と比較する充電検出用コンパレータと、前記積分回路の出力電圧を所定の第２基準値と比較する放電検出用コンパレータと、からなり、前記カウンタは、前記充電検出用コンパレータの出力を計数する充電カウンタと、前記放電検出用コンパレータの出力を計数する放電カウンタと、からなり、前記初期化回路は、前記充電検出用コンパレータまたは前記放電検出用コンパレータの出力に基づいて前記積分回路の動作を初期化するようになっている。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記利得調整手段は、利得調整用可変抵抗器からなる。
第４の発明は、第３の発明において、前記利得調整用可変抵抗器は、所定の抵抗値からなる抵抗と電子スイッチとを直列に接続した直列回路を複数個有し、前記複数個の直列回路を並列に接続させたものからなり、かつ、前記複数の直列回路を構成する各電子スイッチは、所定の制御信号に従って選択的にオンできるようになっている。

第５の発明は、第１〜第４のうちのいずれかの発明において、前記所定の入力電流は、２次電池の充放電電流である。
以上のように、本発明では、入力部にインストルメンテーションアンプを設け、そのインストルメンテーションアンプは電流積算回路全体の利得の微調整を行う利得調整手段を含むようにした。

このため、本発明によれば、積分回路の積分誤差などに起因する回路全体の利得誤差を、入力部において比較的容易かつ正確に調整できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の電流積算回路の実施形態の構成について、図１を参照して説明する。
この実施形態に係る電流積算回路は、図１に示すように、電流−電圧変換回路１と、レベルシフト回路２と、インストルメンテーションアンプ３と、積分回路４と、充電検出用のコンパレータ５と、放電検出用のコンパレータ６と、オア回路７と、立ち上がりエッジ回路８と、スイッチ９と、充電カウンタ１０と、放電カウンタ１１と、スイッチ１２、１３と、ラッチ１４、１５と、を備えている。

電流−電圧変換回路１は、２次電池１６と直列に接続される電流検出抵抗Ｒ１からなり、この電流検出抵抗Ｒ１に流れる充電電流Ｉ１または放電電流Ｉ２に基づき、電流検出抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧を取り出すようになっている。
レベルシフト回路２は、電流−電圧変換回路１１からの出力電圧をレベルシフトさせる回路であり、その出力電圧を例えば１．６５〔Ｖ〕レベルシフトするように構成されている。

インストルメンテーションアンプ３は、レベルシフト回路２の出力電圧を増幅する差動アンプである。この具体的な構成については後述する。
積分回路４は、インストルメンテーションアンプ３の出力電圧に基づいて生成される電流を時間積分する回路であり、その出力電圧は図５に示すようなランプ波（三角波）からなる。

このために、積分回路４は、オペアンプ（演算増幅器）４１と、積分用の抵抗Ｒ２と、積分用のコンデンサＣ１とからなり、スイッチ９をオンすることにコンデンサＣ１の電荷を放電して、その動作をリセット（初期化）できるようになっている。
さらに詳述すると、抵抗Ｒ１は、その一端側がインストルメンテーションアンプ３の出力端子に接続され、その他端側がオペアンプ４１の反転入力端子（−入力端子）に接続されている。コンデンサＣ１は、オペアンプ４１の反転入力端子と出力端子との間に接続されている。また、コンデンサＣ１の両端には、スイッチ９が接続されている。オペアンプ４１の反転入力端子（＋入力端子）は、アナロググランドに接続されている。アナロググランドの電位は、この例では１．６５〔Ｖ〕である。

充電検出用のコンパレータ５は、積分回路４の積分出力を所定の基準電圧＋Ｖｔｈと比較し、その積分出力が基準電圧＋Ｖｔｈを上回ると、出力がＨレベルとなるものである。基準電圧＋Ｖｔｈは、この例では１．６５〔Ｖ〕＋０．８〔Ｖ〕とする。
放電検出用のコンパレータ６は、積分回路４の積分出力を所定の基準電圧−Ｖｔｈと比較し、その積分出力が基準電圧−Ｖｔｈを下回ると、出力がＨレベルとなるものである。基準電圧−Ｖｔｈは、この例では１．６５〔Ｖ〕−０．８〔Ｖ〕とする。

オア回路７は、コンパレータ５の出力とコンパレータ６の出力との論理和演算を行い、その結果を立ち上がりエッジ検出回路８に出力する回路である。
立ち上がりエッジ検出回路８は、オア回路７の出力がＬレベルからＨレベルに立ち上がるときに、その立ち上がりエッジを検出して所定期間、スイッチ９をオンさせるオン信号をスイッチ９に出力する回路である。

ここで、オア回路７、立ち上がりエッジ検出回路８、およびスイッチ９は、積分回路４の積分動作を初期化させる初期化回路を構成する。
充電カウンタ１０は、コンパレータ５から出力信号があるたびに、その出力信号を計数するカウンタである。また、放電カウンタ１１は、コンパレータ６から出力信号があるたびに、その出力信号を計数するカウンタである。これらの両カウンタ１０、１１は、リセット信号Ｓ１により一定周期毎または必要に応じてリセットされるようになっている。

スイッチ１２は、充電カウンタ１０の計数値をラッチ１４に記憶させるときにオンさせるものである。また、スイッチ１３は、放電カウンタ１１の計数値をラッチ１５に記憶させるときにオンさせるものである。これらの両スイッチ１２、１３は、制御信号Ｓ２により必要に応じてオンするようになっている。
ラッチ１４は、充電カウンタ１０の計数値を一時的に記憶するものである。また、ラッチ１５は、放電カウンタ１１の計数値を一時的に記憶するものである。

次に、図１に示すインストルメンテーションアンプ３の具体的な構成について、図２を参照して説明する。
このインストルメンテーションアンプ３は、図２に示すように、オペアンプ３１〜３３および抵抗Ｒ３〜Ｒ７から構成され、さらに、積分回路４の利得誤差などを含む回路全体の利得誤差を微調整する利得調整用可変抵抗器３４を含んでいる。

さらに詳述すると、オペアンプ３１、３２の各非反転入力端子は、レベルシフト回路２の出力端子に接続されている。オペアンプ３１は、反転入力端子と出力端子との間に抵抗Ｒ３が接続されている。オペアンプ３２は、反転入力端子と出力端子との間に抵抗Ｒ４が接続されている。
また、オペアンプ３１の出力端子とオペアンプ３３の反転入力端子との間に、抵抗Ｒ５が接続されている。オペアンプ３２の出力端子とオペアンプ３３の非反転入力端子との間に、抵抗Ｒ６が接続されている。オペアンプ３３は、非反転入力端子と出力端子との間に抵抗Ｒ７が接続されている。

さらに、利得調整用可変抵抗器３４は、オペアンプ３１の非反転入力端子とオペアンプ３２の非反転入力端子との間に接続されている。
次に、図２に示す利得調整用可変抵抗器３４の具体的な構成について、図３を参照して説明する。
利得調整用可変抵抗器３４は、図３に示すように、所定の抵抗値からなる抵抗Ｒ８〜Ｒ１０とトランジスタからなる電子スイッチ３４１〜３４３とを直列に接続した直列回路を、複数個（この例では３個）有している。そして、その３つの直列回路は、並列に接続して並列回路を形成している。さらに、その各電子スイッチ３４１〜３４３は、所定の制御信号Ｓ３〜５に従って選択的にオンでき、そのうちの１つをオンして抵抗Ｒ８〜Ｒ１０のうちの１つを選択できるようになっている。

次に、このような構成からなる実施形態において、積分回路４の積分誤差などによる回路全体の利得誤差の補正（調整）方法の一例について、図４および図５を参照して説明する。
この場合には、２次電池１６と電流検出抵抗Ｒ１とを切り離した状態とし、電流検出抵抗Ｒ１に、例えば充電電流Ｉ１として所定の基準電流を供給するものとする。これにより、電流検出抵抗Ｒ１の両端にその基準電流に応じた基準電圧が生成される。

この生成された基準入力電圧は、レベルシフト回路２でレベルシフトされてインストルメンテーションアンプ３に印加されて増幅される（ステップＳＴ１）。インストルメンテーションアンプ３の出力電圧に基づいて、この実施形態は以下のようなＡ／Ｄ変換動作を行う（ステップＳＴ２）。
すなわち、積分回路４は、インストルメンテーションアンプ３の出力電圧に基づいて積分動作を行う。このとき、積分回路４の積分出力は例えば図５に示すようになる。このため、充電検出用のコンパレータ５は、積分回路４の積分出力を基準電圧＋Ｖｔｈと比較し、その積分出力が基準電圧＋Ｖｔｈを上回ると、出力がＨレベルとなる。

充電カウンタ１０は、コンパレータ５の出力信号がＨレベルになるたびに、その出力信号を計数する。また、コンパレータ５の出力信号がＨベルになると、立ち上がりエッジ検出回路８はその立ち上がりを検出し、スイッチ９をオンする信号を出力する。これにより、スイッチ９がオンしてコンデンサＣ１の充電電荷が急激に放電され、積分回路４の積分出力は急激に所定のレベルまで低下する（図５参照）。

そして、積分回路４は、再び積分動作を行い、その積分出力がコンパレータ５で比較される。コンパレータ５の出力信号がＨレベルになると、充電カウンタ１０はその旨を計数し、その計数値を＋１だけ増加させる。
ここで、図５において、積分回路４の積分出力は、インストルメンテーションアンプ３の利得を含めた積分回路４の利得が目標値（標準値）の場合には同図（ａ）に示すようになる。

また、その積分出力は、積分回路４の利得を含めた回路全体の利得が目標値よりも高めの場合には同図（ｂ）に示すようになり、その傾斜が急になる。このように回路全体の利得が目標値よりも高めとなる原因は、インストルメンテーションアンプ３の利得が高め、積分抵抗Ｒ２の値が低め、積分回路４の利得が高め、または積分容量Ｃ１の値が小さめの場合である。

一方、その積分出力は、積分回路４の利得を含めた回路全体の利得が目標値よりも目標値よりも低めの場合には同図（ｃ）に示すようになり、その傾斜が緩やかになる。このように回路全体の利得が目標値よりも低めとなる原因は、インストルメンテーションアンプ３の利得が低め、積分抵抗Ｒ２の値が高め、積分回路４の利得が低め、または積分容量Ｃ１の値が大きめの場合である。

この実施形態は、上記のようなＡ／Ｄ変換動作を繰り返し、補正の開始から所定時間を経過すると、制御信号Ｓ２によりスイッチ１２がオンする。これにより、充電カウンタ１０の計数値（カウント値）がラッチ１４に記憶され、その記憶されたカウント値を取得する（ステップＳＴ３）。
次に、その取得したカウント値を、目標値である所定のカウント値「♯３ＦＦＦ」と比較する（ステップＳＴ４）。

その比較の結果、その取得したカウント値が、目標のカウント値「♯３ＦＦＦ」と同じ場合には、可変抵抗器３４による調整が不要であるので、その調整を終了する。このときには、例えば電子スイッチ３４２が制御信号Ｓ４によりオンされた状態にあり、抵抗Ｒ９が選択されている。
また、その取得したカウント値が、目標のカウント値「♯３ＦＦＦ」よりも大きな場合には、可変抵抗器３４によるインストルメーションアンプ３の利得を「−α」下げるために、可変抵抗器３４の調整を行う（ステップＳＴ５）。このときには、例えば制御信号Ｓ４により電子スイッチ３４２がオフになるとともに、制御信号Ｓ３により電子スイッチ３４１がオンされて抵抗Ｒ８が選択される。

一方、その取得したカウント値が、目標のカウント値「♯３ＦＦＦ」よりも小さな場合には、可変抵抗器３４によるインストルメーションアンプ３の利得を「＋α」上げるために、可変抵抗器３４の調整を行う（ステップＳＴ６）。このときには、例えば制御信号Ｓ４により電子スイッチ３４２がオフになるとともに、制御信号Ｓ５により電子スイッチ３４３がオンされて抵抗Ｒ１０が選択される。

以上の説明は、可変抵抗器３４に基準電流として充電電流Ｉ１に相当する電流を流した場合について、インストルメーションアンプ３の利得を調整する場合について説明した。しかし、可変抵抗器３４に基準電流として放電電流Ｉ２に相当する電流を流すことにより、補正を行うようにしても良い。
この場合には、積分回路４の積分出力は、図５に示すようにその出力が徐々に増加する上向きの三角波とは異なり、その出力が徐々に減少する下向きの三角波となる。そして、放電検出用のコンパレータ６は、積分回路４の積分出力を基準電圧−Ｖｔｈと比較し、その積分出力が基準電圧−Ｖｔｈを下回ると、出力がＨレベルとなる。

放電カウンタ１１は、コンパレータ６の出力信号がＨレベルになるたびに、その出力信号を計数する。また、コンパレータ６の出力信号がＨベルになると、立ち上がりエッジ検出回路８はその立ち上がりを検出し、スイッチ９をオンする信号を出力する。これにより、スイッチ９がオンしてコンデンサＣ１の充電電荷が急激に放電され、積分回路４の積分出力は急激に所定のレベルまで上昇する。

補正の開始から所定時間を経過すると、制御信号Ｓ２によりスイッチ１３がオンする。これにより、放電カウンタ１１の計数値（カウント値）がラッチ１５に記憶され、その記憶されたカウント値を取得する。この取得されたカウント値に基づき、上記と同様の手順により、インストルメーションアンプ３のゲインを調整する（図４のステップＳＴ４〜ＳＴ６参照）。

以上のように、この実施形態では、入力部にインストルメンテーションアンプ３を設け、そのインストルメンテーションアンプ３は電流積算回路全体の利得の微調整を行うために、利得調整用可変抵抗器３４を含むようにした。
このため、この実施形態によれば、積分回路４の積分誤差などに起因する回路全体の利得誤差を、入力部において比較的容易かつ正確に調整できる。

なお、上記の補正方法では、電流検出抵抗Ｒ１に基準電流を流すようにしたが、これに代えて基準電圧をレベルシフト回路２の入力側に直接印加するようにしても良い。

本発明の実施形態の構成を示す回路図を含むブロック図である。 インストルメンテーションアンプの具体的な構成を示す回路図である。 利得調整用の可変抵抗器の具体的な構成を示す回路図である。 実施形態の積分回路の積分誤差による回路全体の利得誤差の補正方法の一例を示すフローチャートである。 積分回路の積分出力の波形例を示す波形図である。

符号の説明

１・・・電流−電圧変換回路、２・・・レベルシフト回路、３・・・インストルメンテーションアンプ、４・・・積分回路、５・・・充電検出用のコンパレータ、６・・・放電検出用のコンパレータ、７・・・オア回路、８・・・立ち上がりエッジ検出回路、９・・・スイッチ、１０・・・充電カウンタ、１１・・・放電カウンタ、１２、１３・・・スイッチ、１４、１５・・・ラッチ

Claims (5)

1. 所定の入力電流を電圧に変換する電流−電圧変換回路と、
   前記電流−電圧変換回路の出力電圧を増幅するインストルメンテーションアンプと、
   前記インストルメンテーションアンプの出力電圧に基づいて生成される電流を時間積分する積分回路と、
   前記積分回路の出力電圧を所定の基準値と比較するコンパレータと、
   前記コンパレータの出力を計数するカウンタと、
   前記コンパレータの出力に基づいて前記積分回路の動作を初期化する初期化回路と、を備え、
   前記インストルメンテーションアンプは、電流積算回路全体の利得の微調整を行う利得調整手段を含むことを特徴とする電流積算回路。
2. 前記コンパレータは、
   前記積分回路の出力電圧を所定の第１基準値と比較する充電検出用コンパレータと、
   前記積分回路の出力電圧を所定の第２基準値と比較する放電検出用コンパレータと、からなり、
   前記カウンタは、
   前記充電検出用コンパレータの出力を計数する充電カウンタと、
   前記放電検出用コンパレータの出力を計数する放電カウンタと、からなり、
   前記初期化回路は、前記充電検出用コンパレータまたは前記放電検出用コンパレータの出力に基づいて前記積分回路の動作を初期化するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の電流積算回路。
3. 前記利得調整手段は、利得調整用可変抵抗器からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流積算回路。
4. 前記利得調整用可変抵抗器は、
   所定の抵抗値からなる抵抗と電子スイッチとを直列に接続した直列回路を複数個有し、前記複数個の直列回路を並列に接続させたものからなり、
   かつ、前記複数の直列回路を構成する各電子スイッチは、所定の制御信号に従って選択的にオンできるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の電流積算回路。
5. 前記所定の入力電流は、２次電池の充放電電流であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれか１の請求項に記載の電流積算回路。

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