JP2006296118A - Charger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はバッテリ駆動の各種電子機器内に設けられ、外部電源から電力が供給され、バッテリの充電を行う充電器に関するものである。 The present invention relates to a charger that is provided in various battery-driven electronic devices and that is supplied with electric power from an external power source and charges the battery.
近年、バッテリ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、急速かつ高効率な充電機能が要求されている。 In recent years, a charger provided in an electronic device such as a portable device having a battery is required to have a rapid and highly efficient charging function.
従来、充電器としては、図2に示すような回路構成の装置が用いられていた。図2において、充電器19は、電流制限機能を有する外部電源17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素子4と、PチャネルMOSFETからなる充電制御素子8と、定電流制御用検出抵抗9と、制御回路18とから構成されている。制御回路18は、外部電源検出回路11と、充電制御素子制御回路13と、充電電流とバッテリ電圧とを検出する充電検出回路14とで構成される。
Conventionally, as a charger, an apparatus having a circuit configuration as shown in FIG. 2 has been used. In FIG. 2, a
外部電源17から供給された直流電流は、逆流防止用スイッチ素子4、充電制御素子8および定電流制御用検出抵抗9を介してバッテリ10を充電する。逆流防止用スイッチ素子4は外部電源検出回路11によって制御される。具体的には、逆流防止用スイッチ素子4は外部電源17から電力供給されることによるバッテリ10への充電動作中はオン状態となる。また、外部電源17からの電力供給がない場合にはバッテリ10からの放電電流が逆流しないようにオフ状態となる。したがって、以下に示す充電器19の充電動作説明においては、逆流防止用スイッチ素子4はオン状態である。
The direct current supplied from the
図4は、外部電源17の出力特性Xと充電器19の出力特性Yを示したものである。図4に示すように、外部電源17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とを有している。
FIG. 4 shows the output characteristic X of the
また、充電制御素子8は、充電制御素子制御回路13から与えられるゲート電圧が変化することによってソース−ドレイン間のインピーダンスが制御され、次の3つの状態をとる。第1の状態はオン状態である。また、第2の状態は、バッテリ10への充電電流が定電流制御用検出抵抗9に流れることによってその両端に生じる電圧を充電検出回路14によって検出し、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。このときに流れる定電流制御された充電電流がIcである。さらに、第3の状態は、バッテリ10の電圧を充電検出回路14で検出し、バッテリ10の電圧を所定値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、斜線部が充電器による電力損失Zを意味する。
Further, the
図5は、充電器の充電動作によるバッテリ10の電圧Vbおよびバッテリ10への充電電流Ibの時間変化と、充電制御素子8の両端電圧Vyの時間変化とを表す動作波形図である。以下に、図2に示す先行技術の充電器の動作を図5の充電動作波形図を用いて説明する。
FIG. 5 is an operation waveform diagram showing the time change of the voltage Vb of the
まず、期間T11はバッテリ10を急速に充電する期間である。この期間T11では、外部電源17の電流制限機能を利用して、バッテリ10が定電流Iaで充電される。このとき、PチャネルMOSFETからなる充電制御素子8はオン状態となっている。またこのとき、バッテリ電圧Vbは時間の経過とともに上昇していく。このとき充電制御素子8のソース・ドレイン間の電圧は、バッテリ10に流れる定電流IaとMOSのON抵抗で決定される。
First, the period T11 is a period in which the
次に、期間T12は充電制御素子8が定電流制御用検出抵抗9での電圧降下に基づき充電制御素子制御回路13によって制御され、充電制御素子8が定電流制御素子として動作する定電流化状態にあり、バッテリ10が定電流Icで充電される期間である。この期間T12はバッテリ電圧がVd以上Vc未満となる区間である。この期間T12では、バッテリ10の過電圧保護のために、期間T11での定電流Iaの値よりも小さく設定された電流Icで定電流充電される。バッテリ電圧Vbはさらに上昇する。このとき充電制御素子8のソース・ドレイン間の電圧は、外部電源17とバッテリ電圧10の電位差で決定される。
Next, in the period T12, the
最後に、期間T13はバッテリ10の電圧を充電検出回路14で検出し、充電制御素子制御回路13に伝達することによって、充電制御素子8が定電圧制御素子として動作する定電圧化状態にある期間である。この期間T13では、バッテリ10電圧VbがVcと等しくなったことを検出し、バッテリの電圧Vbを一定電圧Vcに保持している。そして充電電流Ibが徐々に少なくなる。すなわち、期間T12および期間T13では、充電器19はシリーズレギュレータとして動作する。
上記のような先行技術の充電器において、図5に示すように充電制御素子8が充電電流を制御する際に、充電制御素子8の両端電圧すなわち、ソース・ドレイン間の電圧が駆動可能な約0.2〜0.3Vより十分大きいことから、大きな電力損失が発生し、充電中の発熱量増加に伴う表面温度上昇による周辺機器への悪影響を与えるおそれがある。これを抑えるためには、充電電流値を大きく設定できず、充電時間が長くなるという問題があった。
In the prior art charger as described above, when the
そこで、充電時間短縮のために、充電初期には、充電制御素子8をオン状態にして充電電流制御を行わず、外部電源17の電流制限機能を利用して大きな電流で充電を行うことにより、充電時間の短縮を図っていた。そのため、特定の外部電源以外の外部電源を利用することができないという問題があった。
Therefore, in order to shorten the charging time, at the initial stage of charging, the
本発明の目的は、充電制御素子の発熱を少なくして周辺機器への悪影響を抑えつつ、充電電流を大きくして充電時間を短縮することができる充電器を提供することである。 An object of the present invention is to provide a charger capable of reducing a charging time by increasing a charging current while suppressing adverse effects on peripheral devices by reducing heat generation of a charging control element.
また、本発明の他の目的は、電流制限機能を有する外部電源を使用する必要がなく、充電時間を短縮することができる充電器を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a charger that can shorten the charging time without using an external power source having a current limiting function.
また、本発明のさらに他の目的は、高効率な充電器を提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a highly efficient charger.
上記課題を解決するために、本発明の充電器は、外部電源から電力が供給される直流電圧変換器と、直流電圧変換器を電源としてバッテリに充電電流を供給する充電制御素子と、充電制御素子の両端電圧を検出する電圧検出回路によって、充電制御素子の両端電圧が駆動可能な最小の電圧となるように直流電圧変換器の出力電圧を制御するとともに、バッテリに所定の充電電流が流れるように充電制御素子を駆動する機能を備えている。 In order to solve the above problems, a charger according to the present invention includes a DC voltage converter to which power is supplied from an external power source, a charge control element that supplies a charging current to a battery using the DC voltage converter as a power source, and charge control. The voltage detection circuit that detects the voltage across the element controls the output voltage of the DC voltage converter so that the voltage across the charge control element is the minimum voltage that can be driven, and a predetermined charging current flows through the battery. Has a function of driving the charge control element.
この構成によれば、電圧検出回路の検出する充電制御素子の両端電圧が充電制御素子を駆動可能な最小の電圧となるように直流電圧変換器の出力電圧を制御するので、充電制御素子の電力損失を最小にし、その発熱を最小限に抑えることができる。したがって、充電制御素子によって制御される充電電流を増加させることが可能となる。その結果、比較的大きな充電電流も充電制御素子によって制御された状態でバッテリに流すことができ、充電時間を短縮することができる。また、大きな充電電流の制御を充電制御素子で行うので、電流制限機能を有する外部電源を使用する必要がなくなる。 According to this configuration, the output voltage of the DC voltage converter is controlled so that the voltage across the charge control element detected by the voltage detection circuit becomes the minimum voltage that can drive the charge control element. Loss can be minimized and heat generation can be minimized. Therefore, the charging current controlled by the charging control element can be increased. As a result, a relatively large charging current can be passed through the battery in a state controlled by the charging control element, and the charging time can be shortened. In addition, since a large charge current is controlled by the charge control element, it is not necessary to use an external power supply having a current limiting function.
上記の充電器においては、直流電圧変換器は、例えば、外部電源に一端が接続されたスイッチ素子と、スイッチ素子の他端に一端が接続され他端が接地された整流器と、スイッチ素子の他端に一端が接続され他端が直流電圧変換器の出力端となるインダクタとからなる降圧コンバータからなる。この降圧コンバータは、スイッチング制御回路でスイッチ素子のオンオフ動作のデューティ比を変化させ出力電圧の制御を行う。 In the above charger, the DC voltage converter includes, for example, a switch element having one end connected to an external power source, a rectifier having one end connected to the other end of the switch element and the other end grounded, and other switch elements. The step-down converter comprises an inductor connected to one end and the other end serving as an output end of the DC voltage converter. This step-down converter controls the output voltage by changing the duty ratio of the on / off operation of the switch element by the switching control circuit.
ここで、電圧検出回路において充電制御素子の両端電圧を検出し、充電制御素子が駆動可能な電位差である場合には、スイッチング制御回路でスイッチ素子及び、同期整流器を交互にオンオフ動作させることによって充電制御素子が駆動可能な最小の電圧となるように、直流電圧変換器の出力電圧を制限する。 Here, the voltage detection circuit detects the voltage across the charge control element, and if the charge control element has a potential difference that can be driven, the switch control circuit and the synchronous rectifier are alternately turned on and off by the switching control circuit. The output voltage of the DC voltage converter is limited so that the control element can be driven to the minimum voltage.
この構成によれば、スイッチング式の降圧コンバータを使用し、前記充電制御素子での電力損失を最小限にするため高効率である。 According to this configuration, a switching step-down converter is used, and the power loss in the charge control element is minimized, so that the efficiency is high.
本発明の充電器は、充電制御に直流電圧変換手段、例えばスイッチング式の降圧コンバータを充電素子の両端電圧を制御することに用いることで、高効率で発熱量が少ないという優れた効果を有する。また制御回路内に充電電流制御素子の両端電圧を制御し、充電電流の制御を行うシステムを有するため、電圧・電流制限機能を有さない外部電源の利用が可能となり、様々な外部電源からの充電が可能となる効果を有する。 The charger of the present invention has an excellent effect of high efficiency and a small amount of heat generation by using a DC voltage conversion means, for example, a switching step-down converter, for controlling the voltage across the charging element for charge control. In addition, since the control circuit has a system that controls the voltage across the charging current control element and controls the charging current, it is possible to use an external power supply that does not have a voltage / current limiting function. It has the effect that charging is possible.
以下、本発明の充電器に係る好適な実施の形態について添付の図面を参照しつつ説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a charger according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明に係る実施の形態1の充電器の構成を示す回路図である。図1において、充電器2は、特に電流制限機能が必要とされない外部電源1より電力が供給されている。この充電器2は、PチャネルMOSFETからなる逆流防止用スイッチ素子4と、PチャネルMOSFETからなるスイッチ素子5と、NチャネルMOSFETからなる同期整流器3と、インダクタ6と、コンデンサ7と、充電制御素子8と、定電流制御用検出抵抗9と、制御回路16とから構成されている。制御回路16は、外部電源検出回路11と、電圧検出回路12と、充電制御素子制御回路13と、充電電流およびバッテリ電圧を検出する充電検出回路14と、スイッチング制御回路15とで構成される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of the charger according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the
逆流防止用スイッチ素子4は、外部電源検出回路11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10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10からの放電電流が逆流しないようにオフ状態となる。したがって、以下に示す充電器2の充電動作説明においては、逆流防止用スイッチ素子4は常にオン状態にある。
The backflow prevention switch element 4 is controlled by the external power
PチャネルMOSFETからなるスイッチ素子5と、NチャネルMOSFETからなる同期整流器3と、インダクタ6と、コンデンサ7とは、スイッチング式の降圧コンバータを構成している。降圧コンバータは、スイッチ素子5と同期整流器3とが交互にオンオフ動作することにより、インダクタ6を介してコンデンサ7から直流電力を出力する。同期整流器3とスイッチ素子5と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素子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、降圧コンバータの出力電圧を制御することができる。 The switch element 5 made of a P-channel MOSFET, the synchronous rectifier 3 made of an N-channel MOSFET, the inductor 6 and the capacitor 7 constitute a switching step-down converter. The step-down converter outputs DC power from the capacitor 7 via the inductor 6 when the switch element 5 and the synchronous rectifier 3 are alternately turned on and off. When the ON / OFF operation of the synchronous rectifier 3 and the switch element 5 is repeated periodically, the ratio of the ON time of the switch element 5 to one cycle (hereinafter, this ratio is described as a duty ratio) is adjusted. Thus, the output voltage of the step-down converter can be controlled.
図3は、充電器の充電動作によってバッテリ10の電圧Vbおよびバッテリ10への充電電流Ibの時間変化と、充電制御素子の両端電圧Vxの時間変化を表す動作波形図である。以下に、本発明の実施の形態1による充電器2の充電動作を、図3に示す動作波形図を用いて説明する。
FIG. 3 is an operation waveform diagram showing the time change of the voltage Vb of the
図3の期間T1は、充電器2は定電流化状態にあり、電流値Iaでバッテリ10を定電流充電する期間である。このとき、充電制御素子8は、充電検出回路14により検出された充電電流の値に基づき、充電制御素子制御回路13によって制御され、定電流動作する。バッテリ電圧Vbは徐々に上昇していく。また制御回路16における電圧検出回路12で充電制御素子8の両端電圧Vxを検出し、充電制御素子8の両端電圧Vx、すなわちソース・ドレイン間電圧を駆動可能な最小の電圧(一定値)となるようにスイッチング制御回路15を制御する。これによって、充電制御素子8で損失する電力を最小限にし、充電制御素子8の発熱を最小限にすることができる。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、期間T1の電流値Iaは大きく設定することが望ましい。また高効率な電力変換特性を有する降圧コンバータを用い、充電制御素子8での電力損失を最小とすることにより、電流値Iaを大きく設定でき、充電時間を短くすることが可能となる。この期間T1は、充電が進んでバッテリ10の電圧Vbが電圧値Vdに至るまでの期間であり、バッテリ電圧Vbが電圧値Vdに至ると期間T2へ移行する。
A period T1 in FIG. 3 is a period in which the
期間T2では、充電器2が定電圧化状態にあり、充電制御素子8は、充電検出回路14によって検出されたバッテリ電圧の値に基づき、充電制御素子制御回路13によって制御され、定電圧動作することでバッテリ電圧Vbは電圧値Vcに制限されながら充電される。このとき、充電電流Ibは徐々に減少していく。またスイッチング制御回路15は、前述のT1の期間と同様に充電制御素子8の両端電圧、すなわちソース・ドレイン間の電圧が駆動可能な最小の電圧(一定値)となるようにデューティ比を制御する。やがてバッテリ10の電圧が満充電電圧に近い値になり、完全に満充電電圧に達した時点で充電を終了する。
In the period T2, the
本発明に係る充電器は、スイッチング式の降圧コンバータを用い、充電制御素子の両端電圧、すなわちソース・ドレイン間の電圧が駆動可能な最小電圧となるように制御することによって、高効率で充電時間が短く、電流制限機能を有さない外部電源が使用可能な充電器として有用である。 The charger according to the present invention uses a switching step-down converter, and controls the voltage across the charge control element, that is, the voltage between the source and the drain to be the minimum driveable voltage, so that the charging time is high efficiency. Is useful as a charger that can use an external power source that is short and does not have a current limiting function.
1 外部電源(電流制限機能なし)
2 充電器(本発明の充電器)
3 同期整流器
4 逆流防止用スイッチ素子
5 スイッチ素子
6 インダクタ
7 コンデンサ
8 充電制御素子
9 定電流制御用検出抵抗
10 バッテリ
11 外部電源検出回路
12 電圧検出回路
13 充電制御素子制御回路
14 充電検出回路
15 スイッチング制御回路
16 制御回路(本発明の制御回路)
17 外部電源(電流制限機能あり)
18 制御回路(先行技術の制御回路)
19 充電器(先行技術の充電器)
1 External power supply (no current limiting function)
2 Charger (charger of the present invention)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Synchronous rectifier 4 Switch element for backflow prevention 5 Switch element 6 Inductor 7
17 External power supply (with current limiting function)
18 Control circuit (prior art control circuit)
19 Charger (prior art charger)
Claims (2)
前記直流電圧変換器を電源としてバッテリに充電電流を供給する充電制御素子と、
前記充電制御素子の両端電圧が前記充電制御素子を駆動可能な最小の電圧となるように前記直流電圧変換器の出力電圧を制御するとともに、前記バッテリに所定の充電電流が流れるように前記充電制御素子を駆動する制御回路とを備えた充電器。 A DC voltage converter to which power is supplied from an external power source;
A charge control element for supplying a charging current to the battery using the DC voltage converter as a power source;
The output control of the DC voltage converter is controlled so that the voltage across the charge control element is a minimum voltage that can drive the charge control element, and the charge control is performed so that a predetermined charge current flows through the battery. A charger comprising a control circuit for driving the element.
前記制御回路は前記スイッチ素子のオンオフ動作のデューティ比を変化させることにより、前記直流電圧変換器の出力電圧を制御する請求項1記載の充電器。 The DC voltage converter includes a switch element having one end connected to the external power source, a rectifier having one end connected to the other end of the switch element and the other end grounded, and one end connected to the other end of the switch element. And the other end is composed of a step-down converter composed of an inductor serving as an output terminal of the DC voltage converter,
The charger according to claim 1, wherein the control circuit controls an output voltage of the DC voltage converter by changing a duty ratio of an on / off operation of the switch element.
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