JP2008079354A - バックゲート電圧生成回路、4端子バックゲート切り替えfet、該fetを用いた充放電保護回路、該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパックおよび該バッテリーパックを用いた電子機器 - Google Patents

バックゲート電圧生成回路、4端子バックゲート切り替えfet、該fetを用いた充放電保護回路、該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパックおよび該バッテリーパックを用いた電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】1個の4端子充放電制御用バックゲート切り替えFETを外部接続して二次電池の過充電、過放電、放電過電流、充電過電流を制御する保護回路を実現するための保護回路内部のバックゲート電位切り替え技術を提供すること。
【解決手段】2個のN型MOSFET M10,M20のソース電極を共通接続してバックゲート電圧BGとするとともに、FET M10,M20のゲート電圧をBGをグラウンド基準としたインバータINV1,2の出力で制御する。過充電と充電過電流検出時は制御信号をローレベルにしてFET M10をON、FET M20をOFFにし、BGをV−と同じにし、過放電と放電過電流検出時は制御信号をハイレベルにしてFET M10をOFF、FET M20をONにし、BGとVssを同じにする。これにより4端子充放電制御用バックゲート切り替えFETの寄生ダイオードの向きを制御して充放電保護できる。
【選択図】図2

Description

本発明は、Liイオン二次電池などの充放電保護回路技術に係り、特に1個の4端子のバックゲート切り替えFETを充放電経路に設けるだけで2次電池の過充電、過放電、放電過電流、充電過電流から保護することを可能にするための技術に関し、具体的にはバックゲート電圧生成回路、該バックゲート電圧生成回路によって制御される4端子のバックゲート切り替えFET、該4端子のバックゲート切り替えFETを用いた二次電池の充放電保護回路、該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック、該バッテリーパックを用いた携帯電話などの電子機器に関する。
近年普及している携帯電話、ディジタルカメラ、小型軽量の携帯用ミニディスク装置などの音響機器、またはゲーム機など各種携帯型の電子機器には、Liイオン二次電池が使用されていることが多い。Liイオン二次電池は、過充電すると金属Liが析出して事故を起こす危険性があり、また過放電すると繰り返し充放電使用回数が悪くなるなどの問題点を有している。
そのため、従来技術では、二次電池と機器本体の間の充放電経路に過放電保護用と過充電保護用の2つの保護スイッチを設け、所定の電圧以上に過充電された場合や所定の電圧以下に過放電された場合に、それを検出し、それぞれ対応する保護スイッチをオフにし、それ以上の過充電,過放電を抑止するようにしている。
このように、従来技術における二次電池の充放電保護回路では、保護スイッチとして、充電制御のための充電制御用MOSFETと放電制御のための放電制御用MOSFETが必要であり、それら充放電制御用MOSFETのゲート電圧を制御することでバッテリーパックの充放電保護を実現している。また従来技術では、充電制御用MOSFETと放電制御用MOSFETは両方とも3端子ICであり、バックゲート電位はソース電位と共通で、バックゲート電位を制御する必要がなかった。
そして、充電制御用MOSFETのソース電極はバッテリーパックマイナス端子に接続され、放電制御用MOSFETのソース電極はバッテリーセルマイナス端子に接続されており、各充放電制御用のMOSFETの持つ寄生ダイオードの向きは一定であった。
特開2006−121900号公報(特許文献1)に開示されている発明は、上記に示す充電制御のための充電制御用MOSFET Q2と放電制御のための放電制御用MOSFET Q1の2つのMOSFETを用いて構成されたバッテリーパックの例である。
図5は、同号公報に開示されているバッテリーパック110の構成図である。
同図に示すように、バッテリーパック110は、充放電保護回路120、放電制御用FET Q1、充電制御用FET Q2、電池セル112、コンデンサC1,C2、抵抗r1、r2などから構成されている。
また、充放電保護回路120は、過充電検出回路122、過放電検出回路127、過電流検出回路125、遅延回路126a,126b、レベルシフト123、異常充電器検出回路128、短絡検出回路124、N型FET Q3,Q4などで構成され、またバッテリーセルプラス端子が抵抗r2を介して接続されるVDD端子と、バッテリーセルのマイナス端子が接続されるVSS端子と、放電過電流および充電過電流を検出するV−端子と、充電電流を制御する充電制御用MOSFET Q2をON/OFFするCout端子と、放電電流を制御する放電制御用MOSFET Q1をON/OFFするDout端子、テスト短縮のためのCT端子を有している。
Cout端子とDout端子は放電制御用MOSFET Q1と充電制御用MOSFET Q2を同時にOFFさせることはなく、過充電状態および充電過電流状態では、Cout端子はローレベルを出力して充電制御用MOSFET Q2をOFFし充電を禁止し、一方、Dout端子はハイレベルを出力して放電制御MOSFET Q1をONし、充電制御MOSFET Q2の寄生ダイオードを通して放電可能状態となる。
また、過放電状態、放電過電流状態、および短絡状態では、Dout端子はローレベルを出力して放電制御用MOSFET Q1をOFFし放電を禁止し、一方、Cout端子はハイレベルを出力して充電制御用MOSFET Q2をONし放電制御用MOSFET Q1の寄生ダイオードを通して充電可能状態となる。
特開2006−121900号公報
上記の従来技術は充電制御と放電制御を分けて制御することができ、充放電制御用MOSFETの寄生ダイオードの向きも固定されており、比較的簡単に保護を行うことができる。
しかしながら、現在市場で求められているのは低コスト省スペースの製品で、従来の制御用MOSFETを2個使用するよりも、充放電の両方を制御できるMOSFET1個でバッテリーパックを構成した方が低コスト省スペースの製品を開発することができる。
そこで、本発明は、上記事情に鑑み、1個の4端子バックゲート切り替えFETにより充放電保護回路の充放電路を過充電、過放電、過電流等の検出状態に応じてON/OFFと寄生ダイオードの向きを制御するためのバックゲート電圧を生成するバックゲート電圧生成回路、該バックゲート電圧生成回路によって制御される4端子のバックゲート切り替えFET、該4端子のバックゲート切り替えFETを用いた二次電池の充放電保護回路、該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック、該バッテリーパックを用いた携帯電話などの電子機器を提供することを目的としている。
本発明は、上記目的を達成するために、次の如き構成を採用した。以下、請求項毎の構成を述べる。
a)請求項1記載の発明は、4端子の充放電制御用バックゲート切り替えMOSFETのバックゲート電圧を生成するバックゲート電圧生成回路であって、2個のN型MOSFETを、ソース電極を共通にして直列接続し、該直列接続されたN型MOSFETの共通にしたソース電極の電圧を前記バックゲート電圧とするとともに、該バックゲート電圧を前記2個のN型MOSFETを制御するための信号を生成する基準電圧のひとつとして用いたバックゲート電圧生成回路である。
b)請求項2記載の発明は、請求項1記載のバックゲート電圧生成回路において、2次電池の過充電、過放電、放電過電流、充電過電流の検出信号から生成された制御信号が入力される第1のインバータと、該第1のインバータの出力を入力する第2のインバータを備え、前記第1のインバータの出力を前記2個のN型MOSFETの一方のゲートに入力し、前記第2のインバータの出力を前記2個のN型MOSFETの他方のゲートに入力するとともに、前記バックゲート電圧を前記第1のインバータおよび第2のインバータのグランド側の基準電位として用いるようにしたものである。
c)請求項3記載の発明は、請求項1または2記載のバックゲート電圧生成回路によって制御される4端子充放電制御用バックゲート切り替えMOSFETである。
d)請求項4記載の発明は、請求項3の充放電制御用バックゲート電圧生成回路によって制御される充放電制御用FETとして、請求項3記載の4端子充放電制御用バックゲート切り替えMOSFETを用いた充放電保護回路である。
e)請求項5は請求項4記載の充放電保護回路を組み込んだバッテリーパックであり、請求項6〜10はこのようなバッテリーパックを具体的な応用製品に用いたものである。
本発明によれば、1個の4端子バックゲート切り替えFETにより充放電保護回路の充放電路を過充電、過放電、過電流等の検出状態に応じてON/OFFと寄生ダイオードの向きを制御するためのバックゲート電圧を生成するバックゲート電圧生成回路(請求項1,2)、該バックゲート電圧生成回路によって制御される4端子のバックゲート切り替えFET(請求項3)、該4端子のバックゲート切り替えFETを用いた二次電池の充放電保護回路(請求項4)、該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック(請求項5)、該バッテリーパックを用いた携帯電話などの電子機器(請求項6〜10)を実現できる。
また、前記N型MOSトランジスタの寄生ダイオードによる不必要な電流を流すことなくバックゲート制御用の出力を生成できる(請求項2)。
図1は、本発明を用いた充放電保護回路と4端子バックゲート切り替えFETで構成されたバッテリーパックを示す図である。
同図に示すように、本発明に係る充放電保護回路は、バッテリーセルプラス端子が抵抗R1を介して接続されるVDD端子と、バッテリーセルのマイナス端子が接続されるVSS端子と、放電過電流および充電過電流を検出するためのV−端子と、4端子バックゲート切り替えFETのバックゲート端子に接続されバックゲート電圧を制御するためのBG端子と、4端子バックゲート切り替えFETのゲート端子に接続され該4端子バックゲート切り替えFETのON/OFFを制御するためのOUT端子を有する。また、充放電保護回路によっては遅延時間短縮等のためのテスト端子を持つ場合がある。
図1に示すバッテリーパックの動作は次のようになる(後述する図4に各動作時の状態をまとめてあるので参照されたい)。
a)通常状態(すなわち正常状態)では、OUT端子はハイレベルを出力し、BG端子は充放電保護回路のV−電圧を出力し、4端子バックゲート切り替えFETはON状態となる。この状態では充電および放電の両方が可能である。
b)過充電状態では、OUT端子はローレベルを出力し、BG端子は充放電保護回路のV−電圧を出力し、4端子バックゲート切り替えFETはOFF状態となり充電を停止させる。このとき4端子バックゲート切り替えFETの寄生ダイオードの向きは充電器マイナスからバッテリーセルマイナスに電流が流れる方向であり放電可能である。
c)過放電状態では、OUT端子はローレベルを出力し、BG端子は充放電保護回路のVSS電圧を出力し、4端子バックゲート切り替えFETはOFF状態となり放電を停止する。このとき4端子バックゲート切り替えFETの寄生ダイオードの向きはバッテリーセルマイナスから充電器マイナスに電流が流れる方向であり充電可能である。
d)放電過電流状態では、OUT端子はローレベルを出力し、BG端子は充放電保護回路のVSS電圧を出力し、4端子バックゲート切り替えFETはOFF状態となり放電を停止する。このとき4端子バックゲート切り替えFETの寄生ダイオードの向きはバッテリーセルマイナスから充電器マイナスに電流が流れる方向であり充電可能である。
e)充電過電流状態では、OUT端子はローレベルを出力し、BG端子は充放電保護回路のV−電圧を出力し、4端子バックゲート切り替えFETはOFF状態となり充電を停止させる。このとき4端子バックゲート切り替えFETの寄生ダイオードの向きは充電器マイナスからバッテリーセルマイナスに電流が流れる方向であり放電可能である。
図2は、4端子バックゲート切り替えFETのバックゲート端子を制御するバックゲート電圧を生成するための、充放電保護回路に内蔵されるバックゲート電圧生成回路の構成図である。
本バックゲート電圧生成回路の特徴は、バックゲート電圧を選択するN型MOSFET M10とN型MOSFET M20のゲート電圧をバックゲート基準で入力するところである。通常状態(正常状態)では、制御信号にはローレベルが入力されるとINV1を介して反転され、N型MOSFET M10ゲート端子にはハイレベル、INV2を介してさらに反転され、N型MOSFET M20ゲート端子にはローレベルが入力される。
このとき、N型MOSFET M10はON状態、N型MOSFET M20はOFF状態である。このとき、4端子バックゲート切り替えFETはON状態のため、図1のバッテリーセルマイナスと充電器マイナス、抵抗R2を介したV−はほぼ同等の電圧となり、N型MOSFET M20の寄生ダイオードを介して電流が流れることはない。
過充電状態では、制御信号にはローレベルが入力され、N型MOSFET M10ゲート端子にはハイレベル、N型MOSFET M20ゲート端子にはローレベルが入力される。このとき、N型MOSFET M10はON状態、N型MOSFET M20はOFF状態である。このとき、4端子バックゲート切り替えFETはOFF状態である。
過充電が検出する直前の状態は充電器電圧がバッテリーセルよりも大きな電圧で充電されていたので充電禁止になったと同時にVSS電圧とV−電圧の関係は“VSS>V−”となる。このため、逆方向となりM2の寄生ダイオードを介して電流が流れることはない。
過放電状態では、制御信号にはハイレベルが入力され、N型MOSFET M10ゲート端子にはローレベル、N型MOSFET M20ゲート端子にはハイレベルが入力される。このとき、N型MOSFET M10はOFF状態、N型MOSFET M20はON状態である。このとき、4端子バックゲート切り替えFETはOFF状態である。
過放電が検出する直前の状態は、バッテリーパックの負荷接続によって放電されていた状態で、放電禁止になったと同時に充放電保護回路の内部でV−電位がVDDレベルにプルアップされ、VSS電圧とV−電圧の関係は“VSS<V−”となる。このため逆方向となりM1の寄生ダイオードを介して電流が流れることはない。
放電過電流状態では、制御信号にはハイレベルが入力され、N型MOSFET M10ゲート端子にはローレベル、N型MOSFET M20ゲート端子にはハイレベルが入力される。このとき、N型MOSFET M10はOFF状態、N型MOSFET M20はON状態である。このとき、4端子バックゲート切り替えFETはOFF状態である。
放電過電流が検出する直前の状態は、バッテリーパックの負荷接続によって放電されていた状態で、放電禁止になったと同時に、放電パスを失い、VSS電圧とV−電圧の関係は“VSS<V−”となる。このため逆方向となりN型MOSFET M10の寄生ダイオードを介して電流が流れることはない。
充電過電流状態では、制御信号にはローレベルが入力され、N型MOSFET M10ゲート端子にはハイレベル、N型MOSFET M20ゲート端子にはローレベルが入力される。このとき、N型MOSFET M10はON状態、N型MOSFET M20はOFF状態である。このとき、4端子バックゲート切り替えFETはOFF状態である。
充電過電流が検出する直前の状態は、充電器電圧がバッテリーセルよりも大きな電圧で充電されていたので充電禁止になったと同時にVSS電圧とV−電圧の関係は“VSS>V−”となる。このため逆方向となりN型MOSFET M2の寄生ダイオードを介して電流が流れることはない。
図3は、本発明に係るバックゲート電圧生成回路を用いた二次電池保護ICを内蔵したバッテリーパックの回路図である。
同図に示すように、バッテリーパック20は、充放電保護回路(IC構成を有する保護用IC)1、4端子N型MOSFET M1、二次電池21、コンデンサC21、抵抗R21,R22、プラス側端子22、マイナス側端子23などの端子で構成されている。30は、充電器(充電時)あるいは負荷装置(放電時)である。
また保護用IC1は、過充電検出回路2、過放電検出回路3、充電過電流検出回路4、第1放電過電流検出回路5、第2放電過電流検出回路6、発振回路13とカウンタ12からなる遅延時間生成回路7、短縮回路8、レベルシフト9、異常充電器検出回路10、ロジック回路11、図2で詳細に説明したバックゲート電圧生成回路14、および4端子N型MOSFET M1などで構成され、4端子N型MOSFET M1のゲート電圧を制御するための充放電制御端子Out、4端子N型MOSFET M1のバックゲート電圧を制御するためのバッグゲート制御端子BG、充放電電流を電圧に変換して検出するための電流検出端子V−を備えている。なお、図3では省略しているが、図5に示した従来技術と同様の短絡検出回路を設け、短絡検出時に検出信号を遅延時間生成回路7に入力するようにして短絡検出時にも保護制御を行えるようにしてもよいことはいうまでもない。
レベルシフト9は、充放電制御用N型MOSFET M1のゲートへ印加するゲート信号と、通常状態時,過充電検出時,および充電過電流検出時はローレベル、過放電検出時,放電過電流検出時はハイレベルの制御信号を出力するものであり、バックゲート電圧生成回路14は、図2で詳細に説明した構成を有する回路である。
過充電検出回路2、過放電検出回路3、充電過電流検出回路4、第1放電過電流検出回路5、第2放電過電流検出回路6の出力は、遅延時間生成回路7に入力されており、これらの出力信号は、遅延時間生成回路7により所定の遅延時間だけ遅延されてロジック回路11に出力された後、レベルシフト9で基準電圧変換され、レベルシフト9からの信号を直接充放電制御用の4端子N型MOSFET M1のゲートへ印加するとともに、レベルシフト9からの制御信号をバックゲート電圧生成回路14に入力してバックゲート信号(BG)を生成して充放電制御用の4端子N型MOSFET M1のバックゲートへ印加することによって、該充放電制御用の4端子N型MOSFET M1を上記の如くON/OFFや寄生ダイオードの向きなどを制御する。
なお、上記所定の遅延時間は全てが一律ではなく、検出内容によって予め決められている値を有する。遅延時間に関する詳細は数多くの特許文献に記載されていてよく知られており、また本発明には直接関わりないので説明を省略する。
図4は、本発明の上述した動作を示すもので、通常(正常時)、過充電検出時、過放電検出時、放電過電流検出時、充電過電流検出時の動作シーケンスにおける制御信号、BG出力、端子電圧、寄生ダイオードの向き、充電/放電の可否、4端子の充放電制御用バックゲート切り替えN型MOSFET M1のゲート信号とそのON/OFFなどの各状態を一覧表として簡潔にまとめたものである。
上記で述べた構成を有するバックゲート電圧生成回路14を充放電保護回路1に組み込むことで、4端子バックゲート切り替えMOSFETを用いたバッテリーパックを実現することができる。
また、このようにして実現したバッテリーパックは、各種電子機器、例えば近年普及している携帯電話、ディジタルカメラ、小型軽量の携帯用ミニディスク装置などの音響機器、またはゲーム機など各種電子機器に広く利用可能であることはいうまでもない。
本発明を用いた充放電保護回路を用いたバッテリーパックの構成例を示す図である。 本発明の充放電保護回路内部にある4端子バックゲート切り替えFETのバックゲート端子を制御するためのバックゲート電圧生成回路の一例を示す図である。 本発明に係るバックゲート電圧生成回路を用いた二次電池保護ICを内蔵したバッテリーパックの回路図である。 本発明の動作を説明するための動作シーケンス毎の状態を示す図である。 従来技術におけるバッテリーパックの構成図である。
符号の説明
1:充放電保護回路(IC構成を有する保護用IC)
2:過充電検出回路
3:過放電検出回路
4:充電過電流検出回路
5:第1放電過電流検出回路
6:第2放電過電流検出回路
7:遅延時間生成回路
8:短縮回路
9:レベルシフト
10:異常充電器検出回路
11:ロジック回路
12:カウンタ
13:発振回路
14:バックゲート電圧生成回路
20:バッテリーパック
21:二次電池21
22:プラス側端子
23:マイナス側端子
110:バッテリーパック
112:電池セル
120:充放電保護回路
122:過充電検出回路
123:レベルシフト
124:短絡検出回路
125:過電流検出回路
126a,b:遅延回路
127:過放電検出回路
128:異常充電器検出回路
M1:4端子N型MOSFET
M2,M3,M10,M20:N型MOSFET
C1,C2,C21,C22:コンデンサ
R21,R22,r1〜r4:抵抗
Out:充放電制御端子
BG:バッグゲート制御端子(またはバックゲート信号)
V−:電流検出端子
Q1:放電制御用FET
Q2:充電制御用FET
Q3,Q4:N型FET
Cout:充電制御用MOSFETの制御用端子
Dout:放電制御用MOSFETの制御用端子
CT:テスト短縮のための端子

Claims (10)

  1. 4端子の充放電制御用バックゲート切り替えMOSFETのバックゲート電圧を生成するバックゲート電圧生成回路であって、
    2個のN型MOSFETを、ソース電極を共通にして直列接続し、該直列接続されたN型MOSFETの共通にしたソース電極の電圧を前記バックゲート電圧とするとともに、該バックゲート電圧を前記2個のN型MOSFETを制御するための信号を生成する基準電圧のひとつとして用いることを特徴とするバックゲート電圧生成回路。
  2. 請求項1記載のバックゲート電圧生成回路において、
    2次電池の過充電、過放電、放電過電流、充電過電流の検出信号から生成された制御信号が入力される第1のインバータと、該第1のインバータの出力を入力する第2のインバータを備え、前記第1のインバータの出力を前記2個のN型MOSFETの一方のゲートに入力し、前記第2のインバータの出力を前記2個のN型MOSFETの他方のゲートに入力するとともに、前記バックゲート電圧を前記第1のインバータおよび第2のインバータのグランド側の基準電位として用いることを特徴とするバックゲート電圧生成回路。
  3. 請求項1または2記載のバックゲート電圧生成回路によって制御されることを特徴とする4端子の充放電制御用バックゲート切り替えMOSFET。
  4. 2次電池の過充電、過放電、放電過電流、充電過電流を検出して、2次電池を過充電、過放電、放電過電流、充電過電流から保護する充放電保護回路であって、
    充放電経路に設けられる充放電制御用FETとして、請求項3記載の4端子の充放電制御用バックゲート切り替えMOSFETを用いたことを特徴とする充放電保護回路。
  5. 請求項4に記載された充放電保護回路を組込んだことを特徴とするバッテリーパック。
  6. 請求項5記載のバッテリーパックを用いた電子機器。
  7. 請求項5記載のバッテリーパックを用いたことを特徴とする携帯電話
  8. 請求項5記載のバッテリーパックを用いたことを特徴とするディジタルカメラ
  9. 請求項5記載のバッテリーパックを用いたことを特徴とする音響機器。
  10. 請求項5記載のバッテリーパックを用いたことを特徴とするゲーム機。
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