JP2008136336A

JP2008136336A - 半導体集積回路装置

Info

Publication number: JP2008136336A
Application number: JP2007166110A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sofue; 祖父江　　聡
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2007-06-25
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2027-06-25
Also published as: US7893656B2; US20080100266A1; JP4702331B2

Abstract

【課題】組電池のセル電圧監視回路を備えるものにおいてチップサイズと消費電流を低減する。
【解決手段】絶縁分離工程により製造し、各セルＢＣｉ（ｉ＝１、２、３、４）ごとに、その正側の入力端子Ｔｉと負側の入力端子Ｔｉ−１との間のセル電圧ＶＶｉを分圧により検出するセル電圧検出回路１３と、セル電圧ＶＶｉを入力して基準電圧Ｖｒを生成する基準電圧生成回路１４と、当該セルＢＣｉの正側の入力端子Ｔｉと負側の入力端子Ｔｉ−１とから電源供給を受けて動作し、セル電圧ＶＶｉを分圧して得た検出電圧ｖｖｉと基準電圧Ｖｒとを比較する比較回路１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の二次電池のセルが直列に接続されて構成された組電池のセル電圧を監視する半導体集積回路装置に関する。

電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＶ）のバッテリとして用いられる組電池は、１００Ｖ〜４００Ｖ程度の高い電圧が必要となるため、多数の二次電池（セル）が直列接続された構成を備えている。例えば３００Ｖの組電池の場合、鉛電池（約２Ｖ／セル）では１５０セル、ニッケル水素電池（１．２Ｖ／セル）では２５０セル、リチウムイオン電池（３．６Ｖ／セル）では８０セルが直列接続されている。

二次電池特にリチウムイオン電池は過充電や過放電に弱いので、定められた制限電圧範囲内で使用しないと著しく容量が減少したり発熱する虞がある。そのため、組電池を使用する際には、組電池のセル電圧が上記制限電圧範囲外となったことを検出するセル電圧監視回路が用いられている。

特許文献１には、リチウム電池からなる組電池の各セル電圧の測定回路が開示されている。この測定回路は、セルごとにオペアンプからなる差動増幅回路を備え、この差動増幅回路は、組電池の中点と同電位の仮想グランドを基準電位としてセル電圧を測定するように構成されている。
特開２００３−７０１７１号公報

図１５は、接合分離工程により形成され、直列に接続された４つのセルからなる組電池のセル電圧を監視するセル電圧監視回路を備えたＩＣの構成を示している。このＩＣ１のセル電圧監視回路２は、組電池３の最も低電位側に位置するセルＢＣ１の負側端子を基準電位（ＧＮＤ電位）として各セルＢＣ１〜ＢＣ４の電圧ＶＶ１〜ＶＶ４を測定し、それを基準電圧Ｖｒと比較してセル電圧ＶＶ１〜ＶＶ４を監視するものである。

例えばセルＢＣ２の電圧ＶＶ２の監視回路２ｂは、ボルテージフォロアの接続形態を持つオペアンプ４、セル電圧ＶＶ２を出力する差動増幅回路６、およびセル電圧ＶＶ２と基準電圧生成回路８で生成される基準電圧Ｖｒとを比較するコンパレータ７から構成されている。差動増幅回路６は、オペアンプ５と抵抗Ｒ１〜Ｒ４から構成されており、セルＢＣ２の正側端子の電圧Ｖ２と負側端子の電圧Ｖ１との差電圧ＶＶ２を出力する。セル電圧ＶＶ３、ＶＶ４の監視回路２ｃ、２ｄも同じ構成である。また、セル電圧ＶＶ１の監視回路２ａには差動増幅回路６は不要である。監視信号生成回路９は、監視回路２ａ〜２ｄから出力される信号に基づいて監視信号Ｓｄを出力する。

このセル電圧監視回路２は、ＧＮＤ電位を基準にしてセルＢＣ１〜ＢＣ４の端子電圧Ｖ１〜Ｖ４を入力し、差動増幅回路６によりセル電圧ＶＶ２〜ＶＶ４を得ている。このため、コンパレータ７の他にオペアンプ４、５が必要となり、ＩＣ１のチップサイズが大きくなるとともに消費電流が増大する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、組電池のセル電圧監視回路を備えるものにおいてチップサイズと消費電流を低減した半導体集積回路装置を提供することにある。

請求項１に記載した手段によれば、絶縁分離工程により半導体集積回路装置を形成し各素子を互いに絶縁することにより、セル電圧監視回路を構成する各素子を互いに異なる基準電位の下で動作させることが可能となる。すなわち、複数の二次電池のセルが直列に接続されて構成された組電池のセルごとに設けられるセル電圧検出回路、基準電圧生成回路および比較回路（これらの回路を合わせて監視回路と称す）を、互いに異なる基準電位例えば当該セルの負側端子の電圧を基準電位として動作させることができる。

この構成によれば、各セルについてセル電圧の分圧電圧（検出電圧）と基準電圧とを比較回路により直接比較することができるので、共通の基準電位の下で端子電圧の差からセル電圧を生成する差動増幅回路が不要となり、半導体集積回路装置のチップサイズおよび消費電流を低減することができる。

請求項２に記載した手段によれば、セル電圧検出回路、基準電圧生成回路、および比較回路の電源線に、それぞれ共通の開閉信号に従って同一の開閉動作を行うスイッチ回路が直列に形成されているので、開閉信号に応じてこれらの回路に流れる電流を遮断できる。例えば、組電池を車両駆動用モータへの電力供給に用いる場合、電力供給スイッチをオフ状態とするのに応じて上記開閉信号を開指令とすることにより、車両の非使用時における暗電流を低減することができる。

請求項３に記載した手段によれば、各セルごとに設けられた比較回路は、それぞれ当該セルの正側端子と負側端子とから電源供給を受けるので、必要最小限の電源電圧で比較回路を動作させることができ、消費電力をより低減することができる。また、各セルに対して設けられた監視回路（セル電圧検出回路、基準電圧生成回路、比較回路）の総動作電流は、各セルの監視回路間でほぼ等しいので、組電池のセル同士の各接続点（組電池の中間端子）と半導体集積回路装置の各入力端子との間に流れる電流は、隣り合うセルの監視回路同士で相殺される。その結果、組電池には１監視回路分の動作電流が各セルに共通して流れ、消費電流を低減できるとともにセル相互間での電流の不均一を低減することができる。

請求項４に記載した手段によれば、半導体層において、各セルについて当該セルに対応して設けられたセル電圧検出回路、基準電圧生成回路および比較回路を構成する一群の素子の形成領域は、その他の素子形成領域に対して絶縁されているので、各セルの監視回路相互間等におけるノイズの伝搬（電位変動の伝搬）を低減できる。

請求項５に記載した手段によれば、組電池の最も低電位側に位置するセルに対する比較回路は、当該セルの正側端子と負側端子とから電源供給を受けて動作し、それ以外のセルに対する比較回路は、当該セルの正側端子と当該セルの低電位側に隣接するセルの負側端子とから電源供給を受けて動作する。これにより、セル電圧が極端に低下した場合でも、各比較回路に十分な電源電圧を供給することができる。

この場合、上述した組電池の中間端子と半導体集積回路装置との間に流れる電流の相殺関係が一部崩れ、組電池の最も高電位側に位置するセルの負側端子（その次に高電位側に位置するセルの正側端子）から半導体集積回路装置の入力端子に電流が流れる。そこで、組電池の最も高電位側に位置するセルの正側端子と負側端子との間に、比較回路の動作電流とほぼ等しい電流を流す電流補償回路を接続している。これにより、組電池の各中間端子における上記相殺関係を維持することができる。

請求項６に記載した手段によれば、半導体層において、各セルについて当該セルに対応して設けられたセル電圧検出回路と基準電圧生成回路を構成する一群の素子の形成領域、および、各セルについて当該セルに対応して設けられた比較回路を構成する一群の素子の形成領域は、それぞれ他の素子形成領域に対して絶縁されているので、各セルに対応して設けられた回路相互間等でのノイズの伝搬（電位変動の伝搬）を低減できる。

請求項７に記載した手段によれば、セルごとの電圧監視信号に基づいて、組電池の何れかのセルで電圧異常（過充電、過放電など）が生じたことを示す監視信号が得られるので、当該半導体集積回路装置内の他の回路或いは当該半導体集積回路装置とともに用いられる周辺回路において組電池のダイアグノーシス信号として利用できる。

請求項８に記載した手段によれば、組電池のセル数に応じて半導体集積回路装置を複数備え、当該半導体集積回路装置のクロック信号入力端子および監視信号入力端子を、それぞれ当該半導体集積回路装置よりも高電位側（または低電位側）のセルを監視する半導体集積回路装置のクロック信号出力端子および監視信号出力端子に接続し、当該半導体集積回路装置のクロック信号出力端子および監視信号出力端子を、それぞれ当該半導体集積回路装置よりも低電位側（または高電位側）のセルを監視する半導体集積回路装置のクロック信号入力端子および監視信号入力端子に接続することによりセル電圧監視装置を構成できる。この構成によれば、１つのクロック信号を各半導体集積回路装置に順次伝送できるとともに、最も下位（下流）側に位置する半導体集積回路装置の監視信号出力端子から出力される監視信号により、組電池を構成する何れかのセルで生じた過充電と過放電を総合的に監視できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を組電池の電圧監視用ＩＣ（半導体集積回路装置）に適用した第１の実施形態について図１および図２を参照しながら説明する。
図１は、ＩＣに組電池を接続して使用する場合の回路形態を示している。ＩＣ１１の制御対象である組電池３は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＶ）のバッテリとして用いられる二次電池で、例えばリチウムイオン電池から構成されている。この組電池３は、直列接続された４個のセルＢＣ１〜ＢＣ４から構成されている。ＩＣ１の入力端子Ｔ０〜Ｔ４は組電池３の接続端子であり、端子Ｔｉ−１と端子Ｔｉとの間にセルＢＣｉ（ｉ＝１、２、３、４）が接続されるようになっている。

ＩＣ１１には、セル電圧監視回路１２が形成されている。このセル電圧監視回路１２は、セルＢＣ１〜ＢＣ４の電圧ＶＶ１〜ＶＶ４（以下、セル電圧と称す）の何れかが所定の基準電圧を超えた場合に、端子Ｔ５から所定のレベル例えばＨレベルの監視信号Ｓｄを出力するものである。また、端子Ｔ６に所定のレベル例えばＬレベルの遮断指令信号Ｓａ（開閉信号に相当）が入力された場合に、セル電圧監視回路１２に流れる暗電流を遮断する機能を備えている。遮断指令信号Ｓａは、自動車駆動用モータ（図示せず）への電力供給ラインを開閉する電力供給スイッチ（イグニッションスイッチ、メイン電源スイッチ等）がオフされているときにＬレベルとなり、オンされているときにＨレベルとなる制御信号である。

セル電圧監視回路１２は、各セルＢＣ１〜ＢＣ４に対応して、それぞれセル電圧検出回路１３、基準電圧生成回路１４および比較回路１５を備えている。セルＢＣ１の監視回路を例に説明すると、セル電圧検出回路１３は分圧用の抵抗Ｒ１１とＲ１２の直列回路から構成されており、セルＢＣ１の正側の入力端子Ｔ１と負側の入力端子Ｔ０との間には、当該セル電圧検出回路１３とスイッチ１６が直列に接続されている。基準電圧生成回路１４は、例えばバンドギャップリファレンスから構成されており、入力端子Ｔ１とＴ０との間には、スイッチ１７と基準電圧生成回路１４が直列に接続されている。

比較回路１５は、入力端子Ｔ１とＴ０とから電源の供給を受けて動作する電流出力型のコンパレータから構成されている。比較回路１５の非反転入力端子には、上記セル電圧検出回路１３から出力されるセル電圧ＶＶ１の検出電圧ｖｖ１（分圧電圧に相当）が与えられており、反転入力端子には、上記基準電圧生成回路１４から基準電圧Ｖｒが与えられている。

この基準電圧Ｖｒは、セルＢＣ１〜ＢＣ４を過充電から保護するために設定されたセル電圧ＶＶ１〜ＶＶ４の上限値に対応する電圧で、この上限値にセル電圧検出回路１３の分圧比を乗じて得た電圧値となっている。比較回路１５の電源線と入力端子Ｔ１との間にはスイッチ１８が接続されている。セルＢＣ２〜ＢＣ４に対応する監視回路も、以上説明したセルＢＣ１に対応する監視回路と同様に構成されている。

電源回路１９は、後述する電流電圧変換回路２０および監視信号生成回路２１を動作させるための制御用の電源電圧Ｖcc（例えば５Ｖ）を生成するものである。入力端子Ｔ４とＴ０との間には、スイッチ２２、定電流回路２３、ダイオード２４およびツェナーダイオード２５が直列に接続されている。トランジスタ２６のベース、コレクタ、エミッタは、それぞれダイオード２４のアノード、入力端子Ｔ４、電源線２７に接続されている。

電流電圧変換回路２０は、セルＢＣ１〜ＢＣ４に対して設けられた各比較回路１５から出力される電流（セルごとの電圧監視信号）を電圧に変換して監視信号生成回路２１に対し出力するもので、セルＢＣ１の負側端子の電位（ＧＮＤ電位）の下で動作する。各比較回路１５の出力端子とＧＮＤとの間には抵抗Ｒ１３が接続されており、電源線２７とＧＮＤとの間には抵抗Ｒ１４とトランジスタ２８とが直列に接続されている。トランジスタ２８のベースは比較回路１５の出力端子に接続されており、コレクタは監視信号生成回路２１の入力端子に接続されている。

監視信号生成回路２１は、電流電圧変換回路２０から出力されるセルＢＣ１〜ＢＣ４に対応した４つの電圧信号のＮＡＮＤ信号を監視信号Ｓｄとして出力する。なお、上述したスイッチ１６〜１８、２２はアナログスイッチから構成されており、駆動回路２９を介して与えられる共通の遮断指令信号ＳａがＨレベルのときにオンとなり、Ｌレベルのときにオフとなる。

このＩＣ１１は、図２に示すように、単結晶シリコン基板３０（支持基板に相当）上に、酸化シリコン膜よりなる絶縁分離層３１を介して単結晶シリコン層３２（半導体層に相当）を形成したＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板３３を利用して構成されている。このＳＯＩ基板３３において絶縁分離層３１に達する溝３４を形成し、その溝３４に酸化膜を形成した後ポリシリコン３５を埋め込むことにより素子形成領域３６が形成されている。図２には、周知の製造技術を用いて形成したバイポーラトランジスタが例示されている。なお、ＩＣ１１のうち入力端子Ｔ０〜Ｔ４から電流電圧変換回路２０までの回路部分はバイポーラプロセスにより製造されており、監視信号生成回路２１はＣＭＯＳプロセスにより製造されている。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。
ＩＣ１１は絶縁分離工程により製造されており、接合分離工程により製造されたＩＣとは異なり、基板電位と素子との間に寄生ダイオードが存在しない。このため、各素子を互いに異なる基準電位の下で動作させることができる。すなわち、組電池３を構成するセルＢＣｉ（ｉ＝１、２、３、４）ごとに、当該セルＢＣｉの正側の入力端子Ｔｉと負側の入力端子Ｔｉ−１との間に、当該セルＢＣｉの負側端子の電圧を基準電位として動作するセル電圧検出回路１３、基準電圧生成回路１４および比較回路１５を設けることができる。これにより、比較回路１５は、セル電圧検出回路１３で分圧により得られた検出電圧ｖｖｉと、基準電圧生成回路１４においてセル電圧ＶＶｉから生成した基準電圧Ｖｒとを直接比較することができる。

検出電圧ｖｖｉが基準電圧Ｖｒより低い場合、比較回路１５の終段トランジスタ（図示せず）はオフとなり電流を出力しない。このとき、電流電圧変換回路２０のトランジスタ２８はオフとなり、当該セルＢＣｉの電流電圧変換回路２０は監視信号生成回路２１にＨレベル（電圧Ｖcc）の信号を出力する。

これに対し、検出電圧ｖｖｉが基準電圧Ｖｒ以上の場合、比較回路１５の終段トランジスタはオンとなり電流を出力する。この電流は電流電圧変換回路２０の抵抗Ｒ１３に流れ、トランジスタ２８がオンとなり、当該セルＢＣｉの電流電圧変換回路２０は監視信号生成回路２１に対しＬレベル（ＧＮＤ電位）の信号を出力する。監視信号生成回路２１は、少なくとも１つのセルに対応した電流電圧変換回路２０からＬレベルの信号が入力されると、過充電が生じたとしてＨレベルの監視信号Ｓｄを出力する。

本実施形態のＩＣ１１によれば、セル電圧ＶＶｉ（ｉ＝１、２、３、４）の検出電圧ｖｖｉと基準電圧Ｖｒとを比較回路１５により直接比較することができるので、端子電圧Ｖｉの差からセル電圧ＶＶｉを生成する差動増幅回路（図４参照）が不要となり、ＩＣ１１のチップサイズおよび消費電流を低減することができる。差動増幅回路はオペアンプから構成されているので、差動増幅回路を不要とすることにより、オペアンプのオフセット電圧、付加する抵抗のばらつきなどによる電圧誤差が低減し、電圧監視精度を高めることができる。

各セルＢＣｉごとに設けられた監視回路の動作電流、すなわちセル電圧検出回路１３、基準電圧生成回路１４および比較回路１５の総動作電流は各セルの監視回路間でほぼ等しいので、組電池３のセル同士の各接続点（組電池の中間端子）とＩＣ１１の各入力端子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３との間に流れる電流は、隣り合うセル（ＢＣ１とＢＣ２、ＢＣ２とＢＣ３、ＢＣ３とＢＣ４）の監視回路同士で相殺される。その結果、組電池３には１個分のセル電圧検出回路１３、基準電圧生成回路１４、比較回路１５および電源回路１９の総動作電流が各セルに共通して流れ、従来回路に比べ消費電流を低減できるとともにセル相互間での電流の不均一を低減することができる。

セル電圧検出回路１３、基準電圧生成回路１４、比較回路１５および電源回路１９にスイッチ１６、１７、１８、２２を直列に設け、電力供給スイッチがオフ状態とされたことに合わせてこれらスイッチ１６、１７、１８、２２を開くので、車両の非使用時においてセル電圧監視回路１２に流れる暗電流を低減することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照しながら説明する。
図３は、ＩＣに組電池を接続して使用する場合の回路形態を示しており、図１と同一部分には同一符号を付している。ＩＣ３７のセル電圧監視回路３８は、図１に示すＩＣ１１のセル電圧監視回路１２と比べ、比較回路１５への電源供給形態が異なるとともに、電流補償回路３９を付加した点が異なっている。

すなわち、組電池３の最も低電位側に位置するセルＢＣ１に対して設けられた比較回路１５は、当該セルＢＣ１の正側端子と負側端子とからスイッチ１８を介して電源供給を受けて動作し、それ以外のセルＢＣ２〜ＢＣ４に対して設けられた比較回路１５は、当該セルＢＣｉ（ｉ＝２、３、４）の正側端子と当該セルＢＣｉの低電位側に隣接するセルＢＣｉ−１の負側端子とからスイッチ１８を介して電源供給を受けて動作する。

組電池３の最も高電位側に位置するセルＢＣ４の入力端子Ｔ４とＴ３との間には、比較回路１５の動作電流とほぼ等しい電流を流す電流補償回路３９がスイッチ４０を介して接続されている。スイッチ４０は、駆動回路２９を介して与えられる遮断指令信号ＳａがＨレベルのときにオンとなる。

本実施形態によれば、セル電圧ＶＶｉ（ｉ＝１、２、３、４）が極端に低下した場合でも、組電池３の最も低電位側に位置するセルＢＣ１の比較回路１５を除き、各比較回路１５に十分な電源電圧を供給することができる。

また、比較回路１５に対し上記電源供給形態にすると、電流補償回路３９が付加されていない場合、第１の実施形態で説明した組電池３の中間端子とＩＣ３７との間に流れる電流の相殺関係が一部崩れ、組電池３の最も高電位側に位置するセルＢＣ４の負側端子からＩＣ３７の入力端子Ｔ３に電流が流れる。これに対し、電流補償回路３９を付加すると、入力端子Ｔ３からセルＢＣ３の比較回路１５に流れる電流を電流補償回路３９に流れる電流で相殺することができ、組電池３の全ての中間端子において上記相殺関係を維持することができる。

その結果、組電池３には１個分のセル電圧検出回路１３と基準電圧生成回路１４の動作電流、２個分の比較回路１５の動作電流、および電源回路１９の動作電流が各セルに共通して流れる。第１の実施形態と比較すると、比較回路１５の動作電流分だけ消費電流が増加するものの、第１の実施形態と同様にセル相互間での電流の不均一を低減することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図４を参照しながら説明する。
図１に示した電圧監視用のＩＣ１１では、ＳＯＩ基板３３の単結晶シリコン層３２に素子分離用トレンチを形成することにより各素子が絶縁分離されている。本実施形態では、さらに各セルＢＣ１〜ＢＣ４について個々のセルに対応して設けられたセル電圧検出回路１３、基準電圧生成回路１４および比較回路１５からなる素子形成領域を全体として包囲する素子分離用トレンチが形成されている。また、電源回路１９、電流電圧変換回路２０、監視信号生成回路２１および駆動回路２９からなる素子形成領域を全体として包囲する素子分離用トレンチも形成されている。つまり、各素子単体および基準の電源電位を共通にする回路素子群全体を素子分離用トレンチにより二重に包囲して絶縁分離している。

図４は、素子分離用トレンチにより包囲される回路素子群を示したものである。本実施形態によれば、入力端子Ｔ０〜Ｔ４に繋がる各電源線を通して侵入するノイズ（電位変動等）の各監視回路への伝搬、各セルＢＣ１〜ＢＣ４の監視回路相互間でのノイズの伝搬、ＧＮＤ電位の下で動作する電流電圧変換回路２０や監視信号生成回路２１などへのノイズの伝搬等を低減することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について図５を参照しながら説明する。
図５は、図３に示した電圧監視用のＩＣ３７の回路構成において素子分離用トレンチにより包囲される回路素子群を示したものである。ＩＣ３７のセルＢＣ２〜ＢＣ４については、セル電圧検出回路１３および基準電圧生成回路１４の基準の電源電位と、比較回路１５の基準の電源電位とが異なっている。このため、比較回路１５からなる素子形成領域を全体として包囲する素子分離用トレンチが形成されている。本実施形態によっても、第３の実施形態と同様の作用、効果が得られる。なお、最も低電位側のセルＢＣ１に対応して設けられたセル電圧検出回路１３および基準電圧生成回路１４と比較回路１５との間は絶縁分離しなくてもよい。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について図６ないし図１３を参照しながら説明する。
本実施形態は、複数の電圧監視用ＩＣを用いて組電池３の各セルの過充電と過放電を監視するもので、図６はそのセル電圧監視装置の全体構成を示している。組電池３は、直列接続されたｍ個のセルＢＣ１〜ＢＣｍから構成されており、低電位側から順に４個ずつのセルＢＣ１〜ＢＣ４、…、ＢＣm-7〜ＢＣm-4、ＢＣm-3〜ＢＣｍをそれぞれ１つのＩＣ４１で監視するようになっている。

ＩＣ４１は、組電池３が接続される入力端子Ｔ０〜Ｔ４の他に、クロック信号ＣＬＫＩＮの入力端子Ｔ７、クロック信号ＣＬＫＯＵＴの出力端子Ｔ８、監視信号ＩＮ１の入力端子Ｔ９および監視信号ＯＵＴ１の出力端子Ｔ１０を備えている。セル電圧監視装置において、最も高電位側に配置されたＩＣ４１の入力端子Ｔ７、Ｔ９には、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）からフォトカプラ４２を介してクロックパルスが入力されるようになっている。

また、最も低電位側に配置されたＩＣ４１の出力端子Ｔ１０からは、上記ＥＣＵに対しトランジスタ４３とフォトカプラ４４を介して、全セルＢＣ１〜ＢＣｍの総合的な監視信号が出力されるようになっている。そして、これらの中間に配置されたＩＣ４１の入力端子Ｔ７、Ｔ９は、それぞれ高電位側に隣接して配置されたＩＣ４１の出力端子Ｔ８、Ｔ１０に接続され、出力端子Ｔ８、Ｔ１０は、それぞれ低電位側に隣接して配置されたＩＣ４１の入力端子Ｔ７、Ｔ９に接続されている。

図７はＩＣ４１の回路構成を示しており、図１に示すＩＣ１１と同一部分には同一符号を付している。また、入力端子Ｔ０〜Ｔ４から比較回路１５に至るまでの監視回路４５の構成は、クロック信号ＣＬＫＡ（後述）に応じてセル電圧検出回路１３の分圧比が変更される点を除いて図１に示すＩＣ１１と同一構成であるため、具体的な構成を省略して示している。

入力端子Ｔ７に入力されるクロック信号ＣＬＫＩＮは、ＩＣ４１の動作を開始させるとともに、過充電検出モードと過放電検出モードとを切り替えるための信号である。入力端子Ｔ７はトランジスタ４６のベースに接続されており、そのトランジスタ４６のコレクタは、抵抗４７を介して入力端子Ｔ４にプルアップされている。トランジスタ４６のコレクタから出力される信号はインバータ４８を介してクロック信号ＣＬＫＡ（ＣＬＫＩＮと同論理）とされ、監視回路４５においてセル電圧検出回路１３の分圧比を変更するために用いられる。トランジスタ４６のエミッタとＧＮＤとの間には、クロック信号ＣＬＫＩＮに基づいてＩＣ４１内の電源動作状態を制御するとともに、クロック信号ＣＬＫＩＮと同じ波形のクロック信号ＣＬＫＯＵＴを出力する出力回路４９が設けられている。

一方、電流電圧変換回路２０から出力される充放電状態を示す４つの信号は、それぞれＮＡＮＤゲート５０およびＮＯＲゲート５１を介して第１の合成回路５２に入力されている。合成回路５２には、さらに上記クロック信号ＣＬＫＡも入力されている。この合成回路５２は、図８に示すようにインバータ５３、５４、ＡＮＤゲート５５、５６、５７およびＯＲゲート５８から構成されており、上記各信号を論理合成した監視信号ＯＵＴ１Ａを出力するようになっている。

図７において、監視信号ＩＮ１が入力される入力端子Ｔ９は、エミッタ接地されたトランジスタ５９のベースに接続されており、そのトランジスタ５９のコレクタは抵抗６０を介して電源線２７にプルアップされている。このトランジスタ５９のコレクタから出力される監視信号ＩＮ１Ａ（ＩＮ１の反転信号）は、上記監視信号ＯＵＴ１Ａ、クロック信号ＣＬＫＡとともに第２の合成回路６１に入力されている。

合成回路６１は、図９に示すようにＡＮＤゲート６２、６３、６４およびＯＲゲート６５から構成されており、上記各信号を論理合成した監視信号ＯＵＴ１Ｂをトランジスタ６６のベースに出力するようになっている。トランジスタ６６は、抵抗６７を介して電源線２７と出力端子Ｔ１０との間にオープンコレクタの形態で接続されている。出力端子Ｔ１０からは、監視信号ＯＵＴ１Ｂを反転した監視信号ＯＵＴ１が出力される。以上説明したＮＡＮＤゲート５０、ＮＯＲゲート５１から端子Ｔ９、Ｔ１０に至るまでの回路により監視信号生成回路６８が構成されている。

続いて、本実施形態の作用について図１０ないし図１３も参照しながら説明する。
図１０は、クロック信号ＣＬＫＩＮ、監視信号ＩＮ１、電源電圧Ｖccおよび監視信号ＯＵＴ１の各波形を示している。このうち監視信号ＯＵＴ１は、ＩＣ４１が監視するセルＢＣｎ〜ＢＣn+3について、全セルが正常の場合、何れかのセルで過充電が生じている場合、何れかのセルで過放電が生じている場合、何れかのセルで過充電と過放電が生じている場合を示している。

クロック信号ＣＬＫＩＮのうち最初の１パルスは、セル電圧の監視に関与しないダミーパルスである。ＩＣ４１が低消費電力状態にある状態でクロック信号ＣＬＫＩＮが入力されると、ダミーパルスに同期してＩＣ４１内のスイッチ（図１に示すスイッチ１６〜１８、２２：図７では省略）がオンとなり、電源電圧Ｖccの生成と各回路の動作が開始される。ＥＣＵから出力されたクロック信号ＣＬＫＩＮは、各ＩＣ４１の出力回路４９を介して順に低電位側のＩＣ４１へと送られ、接続された全てのＩＣ４１がクロック信号ＣＬＫＩＮに同期してセル電圧の監視動作を開始する。なお、クロック信号ＣＬＫＩＮが所定時間以上途絶えると、ＩＣ４１内のスイッチがオフとなり電源電圧Ｖccが遮断される。

図１１は、ＮＯＲゲート５１の出力信号ＮＯＲ１、ＮＡＮＤゲート５０の出力信号ＮＡＮＤ１の生成に係る動作論理を示しており、図１２、図１３はそれぞれ合成回路５２、６１の動作論理を示している。上述したダミーパルスを除き、クロック信号ＣＬＫＩＮがＬレベル（第１のレベル）のときは過充電検出モードとなり、Ｈレベル（第２のレベル）のときは過放電検出モードとなる。監視動作（検出モード）中、ＩＣ４１の監視信号生成回路６８は、自身が監視する４つのセルＢＣｎ〜ＢＣn+3の監視信号ＯＵＴ１Ａを合成回路５２で生成する。そして、高電位側に隣接するＩＣ４１（最も高電位側のＩＣ４１はＥＣＵ）から出力される監視信号ＯＵＴ１を監視信号ＩＮ１として入力し、その監視信号ＩＮ１と監視信号ＯＵＴ１Ａとを合成回路６１で論理合成して監視信号ＯＵＴ１を生成し、それを低電位側に隣接するＩＣ４１に出力する。

過充電検出モードでは、セル電圧検出回路１３の分圧比が大きくなる（第１の分圧比）。図１１に示すように、セルが正常（つまり過充電でない）の場合には比較回路１５の出力信号がＬレベル、電流電圧変換回路２０の出力信号がＨレベルになり、監視する４つ全てのセルＢＣｎ〜ＢＣn+3が正常の場合に限り信号ＮＡＮＤ１がＬレベルになる。また、図１２に示すように、クロック信号ＣＬＫＡ（＝ＣＬＫＩＮ）がＬレベル（過充電検出モード）であって且つ監視する４つ全てのセルＢＣｎ〜ＢＣn+3が正常の場合に限り監視信号ＯＵＴ１ＡがＨレベルになる。そして、図１３に示すように、高電位側に位置する各ＩＣ４１が監視する全てのセルが正常（つまり監視信号ＩＮ１がＬレベル）で、且つ、自ら監視する４つのセルＢＣｎ〜ＢＣn+3が正常（監視信号ＯＵＴ１ＡがＨレベル）の場合に限り、過充電でないことを示すＬレベル（第１のレベル）の監視信号ＯＵＴ１を出力する。

一方、過放電検出モードでは、セル電圧検出回路１３の分圧比が小さくなる（第２の分圧比）。図１１に示すように、セルが正常（つまり過放電でない）の場合には比較回路１５の出力信号がＨレベル、電流電圧変換回路２０の出力信号がＬレベルになり、監視する４つ全てのセルＢＣｎ〜ＢＣn+3が正常の場合に限り信号ＮＯＲ１がＨレベルになる。また、図１２に示すように、クロック信号ＣＬＫＡ（＝ＣＬＫＩＮ）がＨレベル（過放電検出モード）であって且つ監視する４つ全てのセルＢＣｎ〜ＢＣn+3が正常の場合に限り監視信号ＯＵＴ１ＡがＬレベルになる。そして、図１３に示すように、高電位側に位置する各ＩＣ４１が監視する全てのセルが正常（つまり監視信号ＩＮ１がＨレベル）で、且つ自ら監視する４つのセルＢＣｎ〜ＢＣn+3が正常（監視信号ＯＵＴ１ＡがＬレベル）の場合に限り、過放電でないことを示すＨレベル（第２のレベル）の監視信号ＯＵＴ１を出力する。

本実施形態によれば、ＥＣＵは、セル電圧監視装置に対しクロック信号を出力し、それに応じてセル電圧監視装置から最終的に出力される監視信号ＯＵＴ１のレベルを判定することにより、組電池３を構成するセルＢＣ１〜ＢＣｍの何れかのセルで生じた過充電または過放電を検出することができる。この場合、ＥＣＵは、複数のＩＣ４１それぞれを制御して監視信号ＯＵＴ１を得るのではなく、１つのクロック信号を出力して全てのセルの充放電状態が反映された１つの総合的な監視信号ＯＵＴ１を得るので、ＥＣＵによる組電池３の監視負担が軽減される。また、上記１つのクロック信号により、全てのＩＣ４１の電源状態を制御できるので、ＥＣＵによる制御負担が一層軽減される。

（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について図１４を参照しながら説明する。
上述した第５の実施形態では、過放電の検出を過充電の検出と同様にして、図１に示すセル電圧検出回路１３、基準電圧生成回路１４および比較回路１５を用いて実施している。これに対し、図１４に示す過放電検出回路６９は、より簡単な構成により過放電を検出可能となっている。

入力端子Ｔ４とＴ３との間には、トランジスタ７０〜７２、トランジスタ７３〜７５、トランジスタ７６〜７８からなる３つのカレントミラー回路７９、８０、８１が、順次電流を伝送するように多段に接続されている。初段のトランジスタ７０と入力端子Ｔ０（ＧＮＤ）との間には定電流回路８２が接続されており、終段のトランジスタ７７とＧＮＤとの間には抵抗８３が接続されている。この抵抗８３の両端電圧は、トランジスタ８４と抵抗８５とにより反転され、さらにインバータ８６で反転されて出力される。入力端子Ｔ３とＴ２との間、入力端子Ｔ２とＴ１との間、入力端子Ｔ１とＴ０との間にも同様の回路が設けられている。

この構成において、例えば入力端子Ｔ４とＴ３との間のセル電圧ＶＶ４が２・Ｖｆ（Ｖｆはｐｎ接合の順方向電圧：約１．４Ｖ）以上の場合には、定電流回路８２の出力電流が順次カレントミラー回路７９、８０、８１に流れ、トランジスタ８４がオンして過放電検出回路６９はＨレベルの信号を出力する。これに対し、セル電圧ＶＶ４が２・Ｖｆよりも低下すると、カレントミラー回路８０、８１に電流が流れないため、トランジスタ８４がオフして過放電検出回路６９はＬレベルの信号を出力する。セル電圧ＶＶ１〜ＶＶ３についても同様となる。本実施形態の過放電検出回路６９によれば、過放電によるセル電圧の低下を簡易な回路構成で検出できる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
セル電圧監視回路１２、３８は、過放電による電圧異常を監視するため、セル電圧ＶＶ１〜ＶＶ４の何れかが所定の基準電圧以下になった場合に、異常を示すＨレベルの監視信号Ｓｄを出力する構成としてもよい。また、各セルＢＣ１〜ＢＣ４について比較回路１５を２つ設けるとともに、セルＢＣ１〜ＢＣ４の過充電の保護レベルと過放電の保護レベルに対応した２つの基準電圧を生成し、過充電と過放電による電圧異常の両者を監視する構成としてもよい。

組電池３の最も高電位側に位置するセルＢＣ４に対する比較回路１５は、当該セルＢＣ４の正側端子と負側端子とから電源供給を受けて動作し、それ以外のセルＢＣ１〜ＢＣ３に対する比較回路１５は、当該セルＢＣｉ（ｉ＝１、２、３）の負側端子と当該セルＢＣｉの高電位側に隣接するセルの正側端子とから電源供給を受けて動作するように構成してもよい。この場合、組電池３の最も低電位側に位置するセルＢＣ１の入力端子Ｔ１とＴ０との間に、比較回路１５の動作電流とほぼ等しい電流を流す電流補償回路３９を接続するとよい。

さらに、各セルＢＣｉ（ｉ＝１、２、３、４）に対して設けられた比較回路１５は、入力端子Ｔ０〜Ｔ４のうち当該セルＢＣｉの正側端子の電圧以上の電圧を持つ何れかの入力端子と当該セルの負側端子の電圧以下の電圧を持つ何れかの入力端子とから電源供給を受けて動作するように構成してもよい。

スイッチ１６、１７、１８、２２、４０および駆動回路２９は、必要に応じて設ければよい。
組電池３のセル構成数は４に限られず、３以下または５以上（例えば８や１０）であってもよい。

基準電圧生成回路１４は、バンドギャップリファレンス以外の方式で基準電圧Ｖｒを生成してもよい。また、基準電圧Ｖｒは、各セルＢＣ１〜ＢＣ４ごとに異なる値としてもよい。
組電池３の監視用の機能を有するＩＣを例に説明したが、その他の機能を有するＩＣであってもよい。

図７に示すＩＣ４１についても、第３の実施形態と同様に、各素子単体および基準の電源電位を共通にする回路素子群全体を素子分離用トレンチにより二重に包囲して絶縁分離してもよい。
第５の実施形態において、セル電圧検出回路１３の分圧比を一定にするとともに、基準電圧生成回路１４は、クロック信号ＣＬＫＩＮがＬレベル、Ｈレベルとなる各期間においてそれぞれ第１の基準電圧、第２の基準電圧を生成するように構成してもよい。

本発明の第１の実施形態を示す組電池の電圧監視用ＩＣの回路構成図ＩＣの模式的な縦断面図本発明の第２の実施形態を示す図１相当図本発明の第３の実施形態であって素子分離用トレンチにより包囲される回路素子群を示す図本発明の第４の実施形態を示す図４相当図本発明の第５の実施形態を示すセル電圧監視装置の全体構成図図１相当図第１の合成回路の構成図第２の合成回路の構成図クロック信号ＣＬＫＩＮ、監視信号ＩＮ１、電源電圧Ｖcc、監視信号ＯＵＴ１の波形図信号ＮＯＲ１、信号ＮＡＮＤ１の生成に係る動作論理を示す図第１の合成回路の動作論理を示す図第２の合成回路の動作論理を示す図本発明の第６の実施形態を示す過放電検出回路の構成図従来技術を示す図１相当図

符号の説明

図面中、３は組電池、１１、３７、４１はＩＣ（半導体集積回路装置）、１３はセル電圧検出回路、１４は基準電圧生成回路、１５は比較回路、１６、１７、１８、２２、４０はスイッチ（スイッチ回路）、２１、６８は監視信号生成回路、３０は単結晶シリコン基板（支持基板）、３２は単結晶シリコン層（半導体層）、３９は電流補償回路、４９は出力回路、ＢＣ１〜ＢＣ４はセル、Ｔ０〜Ｔ４は入力端子、Ｔ７は入力端子（クロック信号入力端子）、Ｔ８は出力端子（クロック信号出力端子）、Ｔ９は入力端子（監視信号入力端子）、Ｔ１０は出力端子（監視信号出力端子）である。

Claims

支持基板上に当該支持基板と絶縁された状態で形成された半導体層を備え、その半導体層に複数の素子が互いに絶縁された状態で形成され、
複数の二次電池のセルが直列に接続されて構成された組電池の各セルの端子が接続される入力端子を備えるとともに、各セルごとに、その正側の入力端子と負側の入力端子との間のセル電圧を分圧により検出するセル電圧検出回路と、前記セル電圧を入力して基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、前記入力端子のうち当該セルの正側端子の電圧以上の電圧を持つ何れかの入力端子と当該セルの負側端子の電圧以下の電圧を持つ何れかの入力端子とから電源供給を受けて動作し、前記セル電圧の分圧電圧と前記基準電圧とを比較して当該セルの電圧監視信号を出力する比較回路とを備えて構成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
前記セル電圧検出回路、前記基準電圧生成回路、および前記比較回路の電源線には、それぞれ共通の開閉信号に従って同一の開閉動作を行うスイッチ回路が直列に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回路装置。
前記各セルごとに設けられた比較回路は、それぞれ当該セルの正側端子と負側端子とから電源供給を受けて動作するように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体集積回路装置。
前記半導体層において、前記各セルについて当該セルに対応して設けられたセル電圧検出回路、基準電圧生成回路および比較回路を構成する素子の形成領域は、その他の素子形成領域に対して絶縁されていることを特徴とする請求項３記載の半導体集積回路装置。
前記組電池の最も低電位側に位置するセルに対する比較回路は、当該セルの正側端子と負側端子とから電源供給を受けて動作し、それ以外のセルに対する比較回路は、当該セルの正側端子と当該セルの低電位側に隣接するセルの負側端子とから電源供給を受けて動作するように形成されており、
前記組電池の最も高電位側に位置するセルの正側端子と負側端子との間には、前記比較回路の動作電流とほぼ等しい電流を流す電流補償回路が接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体集積回路装置。
前記半導体層において、前記各セルについて当該セルに対応して設けられたセル電圧検出回路と基準電圧生成回路を構成する素子の形成領域、および、前記各セルについて当該セルに対応して設けられた比較回路を構成する素子の形成領域は、それぞれ他の素子形成領域に対して絶縁されていることを特徴とする請求項５記載の半導体集積回路装置。
前記各セルごとに設けられた比較回路から出力される電圧監視信号に基づいて、前記組電池の何れかのセルで電圧異常が生じたことを示す監視信号を生成する監視信号生成回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の半導体集積回路装置。
第１および第２のレベルからなるクロック信号を入出力するためのクロック信号入出力端子と、前記監視信号を入出力するための監視信号入出力端子と、前記クロック信号入力端子から入力したクロック信号を前記クロック信号出力端子から出力する出力回路とを備え、
前記セル電圧検出回路は、前記クロック信号が第１のレベル、第２のレベルとなる各期間においてそれぞれ第１の分圧比、第２の分圧比によりセル電圧を検出し、
前記監視信号生成回路は、前記クロック信号が第１のレベルとなる期間において、何れかのセル電圧の分圧電圧が前記基準電圧よりも低く、且つ、前記監視信号入力端子に第１のレベルの監視信号が入力されている場合に前記監視信号出力端子から第１のレベルの監視信号を出力し、その他の場合に前記監視信号出力端子から第２のレベルの監視信号を出力し、前記クロック信号が第２のレベルとなる期間において、何れかのセル電圧の分圧電圧が前記基準電圧よりも高く、且つ、前記監視信号入力端子に第２のレベルの監視信号が入力されている場合に前記監視信号出力端子から第２のレベルの監視信号を出力し、その他の場合に前記監視信号出力端子から第１のレベルの監視信号を出力することを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の半導体集積回路装置。