JP2008141907A - 温度保護機能付充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度保護機能付充電装置で充電制御トランジスタの発熱を防ぎ、かつ充電し続ける。
【解決手段】外部電源２１の充電開始で制御回路３４のトランジスタ２５制御により、トランジスタ２６を介し電池２２に充電電流が流れてトランジスタ２５，２６は発熱する。この発熱が温度検出回路２３，２４で検出され、温度が上昇していないときは第１の基準電圧源３３の電圧値が高いために演算増幅器３２の出力はハイレベルでトランジスタ２５の駆動トランジスタ３０はオンする。温度が上昇し温度検出回路２３出力が第１の基準電圧源３３の電圧値に達すると、演算増幅器３２の出力低下でトランジスタ３０のオン抵抗が大きく、トランジスタ２５のゲート電圧も上昇しオン抵抗も大きくなり充電電流が減少する。トランジスタ２５の発熱量も減少し温度検出回路２３の出力も上昇しなくなり、温度検出回路２３と第１の基準電圧源３３の出力電圧値が等しくなり充電を続ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池への充電電流を制御する充電装置に係り、特に異常な温度上昇から構成部品を保護する温度保護機能付充電装置に関するものである。

電池を充電するための充電装置では、ＡＣアダプタなどの入力電源と電池との間に充電制御トランジスタを直列に接続し、充電制御トランジスタを制御することにより電池への充電を制御している。電池への充電時には、入力電源の電圧と電池電圧の差電圧が充電制御トランジスタに印加され、この差電圧と充電電流との積が充電制御トランジスタの消費電力となる。この消費電力により充電制御トランジスタは発熱する。充電制御トランジスタが規定値以上に発熱すると破損の恐れがあるため、従来では、例えば特許文献１のように充放電制御トランジスタの温度が所定の温度以上となったときに充放電トランジスタをオフし、電源電圧が切断されるまでオフ状態を保持するように充放電制御トランジスタの制御信号を制御していた。

図５は特許文献１で開示されている温度保護機能付充電装置の構成を示すブロック図である。図５に示すように、リチウムイオン電池ユニット１は、主に、リチウムイオン電池２、リチウムイオン電池２への充電を制御する充電制御ＩＣ３、充放電を制御する充放電制御トランジスタＱ１，Ｑ２、温度ヒューズ４、温度検出回路５，６から構成される。

リチウムイオン電池ユニット１には、電源電圧が印加される電源端子Ｔ＋，Ｔ−が設けられている。電源端子Ｔ＋には、電源から電圧＋Ｂが印加され、電源端子Ｔ−には、電源から電圧−Ｂが印加される。電源端子Ｔ＋は、リチウムイオン電池２の正電極が接続される。また、電源端子Ｔ＋は、フィルタ７，８を介して充電制御ＩＣ３の入力端子ｔ７，ｔ８に接続される。また、電源端子Ｔ−は、温度ヒューズ４、制御トランジスタＱ１，Ｑ２を介してリチウムイオン電池２の負電極、及び、充電制御ＩＣ３のグランド端子ｔ１に接続される。

制御トランジスタＱ１は、放電制御を行い、ソースがリチウムイオン電池２の負電極に接続され、ドレインが制御トランジスタＱ２のドレインに接続され、ゲートが充電制御ＩＣ３の放電制御端子ｔ２に接続される。また、制御トランジスタＱ２は、充電制御を行い、ソースが温度ヒューズ４を介して電源端子Ｔ−に接続され、ドレインが制御トランジスタＱ１のドレインに接続され、ゲートが駆動回路９を充電制御ＩＣ３の充電制御端子ｔ４に接続される。

充電制御ＩＣ３は、主に、過放電検出回路１０、放電不感応時間設定回路１１、過電流検出回路１２、ヒステリシス設定回路１３、過充電検出回路１４、充電不感応時間設定回路１５から構成される。充電制御ＩＣ３の電源端子ｔ７，ｔ８には、電源端子Ｔ＋から駆動電源が供給される。過放電検出回路１０は、電圧検出端子ｔ８の電圧が所定の電圧以上であると、放電不感応時間設定回路１１に起動信号を供給する。放電不感応時間設定回路１１は、過放電検出回路１０から起動信号が供給されると、過電流検出回路１２により不感応時間が設定される。放電不感応時間設定回路１１は、設定された不感応時間だけ遅延した後、放電制御端子ｔ２をハイレベルとする。放電制御端子ｔ２がハイレベルになると、放電制御トランジスタＱ１がオンになり、放電が可能とされる。

また、電圧検出端子ｔ８の電圧が所定の電圧以下になると、不感応時間だけ遅延した後、放電制御端子ｔ２をローレベルとする。放電制御端子ｔ２がローレベルになると、放電制御トランジスタＱ１がオフして、放電が停止される。過電流検出端子ｔ３は、抵抗Ｒ２を介して、放電制御トランジスタＱ１のドレインに接続される。また、充電制御ＩＣ３の充電制御端子ｔ４は、駆動回路９を介して充電制御トランジスタＱ２のゲートに接続される。充電制御ＩＣ３の充電制御端子ｔ４から出力された充電制御信号は、抵抗Ｒ４，Ｒ５により分圧されて、トランジスタＱＤ２のベースに供給される。トランジスタＱＤ２は、充電制御端子ｔ４から出力された充電制御信号がハイレベルのときにオンして、充電制御トランジスタＱ２のゲートから充電制御信号を接地に引き込む。

また、トランジスタＱＤ２は、充電制御端子ｔ４から出力された充電制御信号がローレベルのときにオフする。トランジスタＱＤ２がオフすることにより、電源端子Ｔ＋から抵抗Ｒ３を介して電流が供給され、充電制御トランジスタＱ２のゲートは、ハイレベルになり、充電制御トランジスタＱ２はオンする。温度検出回路５は、駆動回路１６を介して放電制御トランジスタＱＤ１のゲートに接続される。

駆動回路１６は、温度検出回路５の出力信号がローレベルのときは、トランジスタＱＤ１はオフするので、放電制御トランジスタＱ１のゲートには充電制御ＩＣ３の放電制御端子ｔ２から放電制御信号が供給され、放電制御トランジスタＱ１は、放電制御信号に応じてスイッチングされる。また、駆動回路１６は、温度検出回路５の出力信号がハイレベルのときは、トランジスタＱＤ１がオンするので、充電制御ＩＣ３の放電制御端子ｔ２から出力された放電制御信号はトランジスタＱＤ１を介して放電制御トランジスタＱ１のソース側に供給されてしまうので、放電制御トランジスタＱ１のゲートは、放電制御信号によらず、ローレベルとされ、放電制御トランジスタＱ１はオフされる。

温度検出回路６は、駆動回路９を介して充電制御トランジスタＱ２のゲートに接続される。駆動回路９は、温度検出回路６の出力信号がローレベルのときは、放電制御トランジスタＱ１のゲートには充電制御ＩＣ３の放電制御端子ｔ２から放電制御信号が供給され、放電制御トランジスタＱ１は、放電制御信号に応じてスイッチングされる。また、駆動回路９は、温度検出回路６の出力信号がハイレベルのときは、トランジスタＱＤ２が充電制御ＩＣ３の充電制御端子ｔ４から出力された放電制御信号によらずオンするため、放電制御トランジスタＱ２のゲートは、ローレベルとされ、放電制御トランジスタＱ２はオフする。
特開平１１−２８９６５６号公報

しかしながら、特許文献１記載の温度保護機能付充電装置は、充電制御トランジスタが規定値以上に発熱し、充放電制御トランジスタの温度が所定の温度以上となったときに充放電トランジスタをオフし、電源電圧が切断されるまでオフ状態を保持するように充放電制御トランジスタの制御信号を制御している。このため、一旦充電制御トランジスタがオフになると、充電制御トランジスタの温度が低下しても充電を再開することができない。故障や破損による異常発熱でない場合、結果的に充電に時間がかかり、充電装置の使用環境によっては充電不可になってしまうという問題がある。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、充電制御トランジスタが規定以上に発熱するのを防ぎ、かつ充電し続ける充電装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した温度保護機能付充電装置は、入力電源と電池間に設けた制御トランジスタと、電池への充電電流を検出して制御する制御トランジスタを駆動する制御回路を有する充電装置において、制御トランジスタの温度を検出して温度検出信号を生成する温度検出手段と、温度検出信号が所定値を超えると充電電流を低減するように制御トランジスタを駆動する負帰還回路とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２〜４に記載した温度保護機能付充電装置は、請求項１の温度保護機能付充電装置であって、負帰還回路は、第１の基準電圧を出力する第１の基準電圧源と、第１の基準電圧と検出温度に応じた電圧である温度検出信号とを入力する演算増幅器を備えたこと、さらに、第１の基準電圧より低い第２の基準電圧を出力する第２の基準電圧源と、第２の基準電圧と温度検出信号を入力し、比較結果を制御回路に出力する比較器を備え、制御回路は、温度検出信号が第２の基準電圧を超えたことを比較器の出力で検知すると、充電電流を所定の制限値に減少させるように制御トランジスタを駆動すること、さらに、比較器はヒステリシス特性を有することを特徴とする。

前記構成によれば、制御トランジスタが発熱するのを防ぎ、かつ充電し続けることができ、温度の揺らぎがあっても温度補償を行うことができる。

本発明によれば、充電制御トランジスタが規定以上に発熱するのを防ぎ、かつ充電し続けるので、高温環境下においても停止することなく電池を充電できるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る温度保護機能付充電装置の構成を示すブロック図である。図１において、２１は充電電流を供給する能力を有する外部電源、２２は電池、２３，２４は後述するそれぞれのトランジスタ２５，２６の温度を検出する温度検出回路である。２５は外部電源２１から電池２２への充電電流を制御するためのトランジスタで、温度検出回路２３が近接している。２６は電池２２から外部電源２１への逆流電流を阻止するためのトランジスタで、温度検出回路２４が近接している。２７，２８はそれぞれトランジスタ２５，２６のゲートとソースの間に接続されたプルアップ抵抗である。

３０，３１は直列に接続されたトランジスタ２５をドライブするトランジスタ、３２は入力が温度検出回路２３，２４の出力、第１の基準電圧源３３の出力に接続され、出力がトランジスタ３０のゲートに接続される演算増幅器であり、第１の基準電圧源３３から出力される電圧と温度検出回路２３，２４から出力される電圧とが等しくなるように負帰還をかける。３４は電池２２への充電電流を検出して制御するようにトランジスタ３１を駆動する制御回路である。３７は電流検出手段であり、抵抗３７１の両端の電位差を演算回路３７２にて減算して求めることにより、充電電流を検出できる。

２９は電流検出手段３７の出力信号が入力され、この信号によりトランジスタ２６を制御するための逆流検出回路であり、入力信号が所定の値を下回った場合、ハイレベルを出力することによりトランジスタ２６をオフさせる。

以下に、前述したように構成された温度保護機能付充電装置の動作について説明する。まず、外部電源２１が挿入され、充電が開始されると、制御回路３４がトランジスタ２５を制御し、外部電源２１からトランジスタ２５，２６を介して電池２２へ充電電流が流れる。トランジスタ２５，２６に充電電流が流れると、トランジスタ２５，２６は発熱する。その発熱量は、トランジスタのオン抵抗と、トランジスタに流れる電流の２乗に比例する。

トランジスタ２５の発熱は温度検出回路２３で、トランジスタ２６の発熱は温度検出回路２４により検出される。演算増幅器３２は、トランジスタ２５，２６の発熱量が少なく、温度上昇していない場合、第１の基準電圧源３３の電圧値が高いため、演算増幅器３２の出力はハイレベルとなり、トランジスタ２５をドライブするためのトランジスタ３０はオンしている。トランジスタ２５，２６どちらかの温度、仮にトランジスタ２５の温度が上昇し、温度検出回路２３より出力される電圧値が第１の基準電圧源３３から出力される電圧値に達すると、演算増幅器３２の出力は低下し、トランジスタ３０のオン抵抗が大きくなる。このため、トランジスタ２５のゲート電圧も上昇してオン抵抗が大きくなり、充電電流が減少する。充電電流が減少すると、トランジスタ２５発熱量が減少するため、温度検出回路２３の出力も上昇しなくなり、最終的には温度検出回路２３から出力される電圧値と、第１の基準電圧源３３より出力される電圧値が等しくなる。

図２（ａ），（ｂ）は本実施の形態１に係る温度保護機能付充電装置の動作波形を示す図である。図２（ａ）は時間による温度の挙動、（ｂ）は時間による充電電流の挙動を示す。

充電が開始されると、図２（ｂ）に示すように、電流値Ｉ１の充電電流がトランジスタ２５，２６を介して電池２２へ流れると同時に、トランジスタ２５，２６の発熱量が増加するため、図２（ａ）に示すように、温度は時間とともに上昇する。ここで、トランジスタ２５，２６の温度がＴ１となったときの温度検出回路２３，２４の出力電圧値が第１の基準電圧源３３の出力電圧値と同一の電圧値であるとすると、トランジスタ２５，２６の温度がＴ１に達すると、演算増幅器３２の出力が低下し、トランジスタ２５を駆動するトランジスタ３０のオン抵抗が大きくなるため、トランジスタ２５のオン抵抗も大きくなって充電電流が減少する。このため、トランジスタ２５，２６の発熱量が減少し、最終的にはトランジスタの温度はＴ１で落ち着き、充電電流値はＩ２で落ち着く。そしてトランジスタが破損しない温度にて充電し続けることが可能となる。

ただし、この実施の形態１ではトランジスタの温度は急速に変化しないため、この回路構成の場合、温度はＴ１より多少のオーバーシュートが発生する。このため、このオーバーシュート量を見越してＴ１をトランジスタの破損温度より低めに設定するとよい。

また、本実施の形態１では、充電制御のトランジスタ５，６、温度検出回路３，４等を別体で構成しているが、ＩＣ内に内蔵する構成としてもよい。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２に係る温度保護機能付充電装置の構成を示すブロック図である。図３において、図１に示した実施の形態１の温度保護機能付充電装置において説明した構成要件に対応し同等の機能を有するものについては同一の番号を付して示し、その重複する説明は省略する。

図３に示す温度保護機能付充電装置が図１と異なるのは、第１の基準電圧源３３の出力する電圧より低い電圧を出力する第２の基準電圧源３５と、温度検出回路２３，２４の各出力電圧を第２の基準電圧源３５の出力する電圧と比較する比較器３６を設けた点である。この比較器３６の出力は、充電電流値を減少させる方向に変化させるために制御回路３４に入力される。

以下に、前述したように構成された温度保護機能付充電装置の動作について説明する。外部電源２１が挿入され、充電が開始されると、制御回路３４がトランジスタ２５を制御し、外部電源２１からトランジスタ２５，２６を介して電池２２へ充電電流が流れる。トランジスタ２５，２６に充電電流が流れると、トランジスタ２５，２６は発熱する。その発熱量は、トランジスタのオン抵抗と、トランジスタに流れる電流の２乗に比例する。

トランジスタ２５の発熱は温度検出回路２３で、トランジスタ２６の発熱は温度検出回路２４により検出される。演算増幅器３２は、トランジスタ２５，２６の発熱量が少なく、温度上昇していない場合、第１の基準電圧源３３の電圧値が高いため、演算増幅器３２の出力はハイレベルとなり、トランジスタ２５をドライブするためのトランジスタ３０はオンしている。トランジスタ２５，２６どちらかの温度、仮にトランジスタ２５の温度が上昇し、温度検出回路２３より出力される電圧値が第２の基準電圧源３５から出力される電圧値に達すると、比較器３６の出力が反転し、その信号は制御回路３４へ入力されることにより充電電流が所定の値に減少する。

すると、トランジスタ２５，２６の発熱量が抑制される。さらにトランジスタ２５の温度が上昇し、第１の基準電圧源３３から出力される電圧値に達すると、演算増幅器３２の出力は低下し、トランジスタ３０のオン抵抗が大きくなる。このため、トランジスタ２５のゲート電圧も上昇してオン抵抗が大きくなり、充電電流が減少する。充電電流が減少すると、トランジスタ２５発熱量が減少するため、温度検出回路２３の出力も上昇しなくなり、最終的には温度検出回路２３から出力される電圧値と、第１の基準電圧源３３より出力される電圧値が等しくなる。

図４（ａ），（ｂ）は本実施の形態２に係る温度保護機能付充電装置の動作波形を示す図である。図４（ａ）は時間による温度の挙動、（ｂ）は時間による充電電流の挙動を示す。

充電が開始されると、図４（ｂ）に示すように、電流値Ｉ１の充電電流がトランジスタ２５，２６を介して電池２２へ流れると同時に、トランジスタ２５，２６の発熱量が増加するため、図４（ａ）に示すように、温度は時間とともに上昇する。ここで、トランジスタ２５，２６の温度がＴ１となったときの温度検出回路２３，２４の出力電圧値が第１の基準電圧源３３の出力電圧値と同一の電圧値であり、トランジスタ２５，２６の温度がＴ１より低い温度であるＴ２となったときの温度検出回路２３，２４の出力電圧値が第２の基準電圧源３５の出力電圧値と同一の電圧値であるとすると、トランジスタ２５，２６の温度がＴ２に達すると、比較器３６の出力が反転する。この反転信号が制御回路３４に入力されることにより充電電流が電流値Ｉ１から電流値Ｉ３に減少する。充電電流が減少すると、発熱量も減少するため、充電電流値がＩ３である領域では、充電電流値がＩ１であった領域より図４（ａ）の時間に対する温度の傾きが小さくなる。

さらに発熱し、トランジスタ２５，２６の温度がＴ１に達すると、演算増幅器３２の出力が低下し、トランジスタ２５を駆動するトランジスタ３０のオン抵抗が大きくなるため、トランジスタ２５のオン抵抗も大きくなって充電電流が減少する。このため、トランジスタ２５，２６の発熱量が減少し、最終的にはトランジスタの温度はＴ１で落ち着き、充電電流値はＩ２で落ち着く。トランジスタが破損しない温度にて充電し続けることが可能となる。

また、本実施の形態２の回路構成では、温度Ｔ２からＴ１の区間で時間に対する温度の傾きを小さくしているため、温度のオーバーシュートは発生せず、確実にトランジスタの破損を防ぐことが可能となる。

さらに、本実施の形態２では、充電制御のトランジスタ２５，２６、温度検出回路２３，２４等を別体で構成しているが、ＩＣ内に内蔵する構成としてもよい。

なお、トランジスタ２５，２６の温度の上昇度合いは一定ではなく揺らいでいる可能性がある。温度Ｔ２付近で温度が揺らいでいると、実施の形態２のようなヒステリシスを持たない比較器３６では出力がチャタリングしてしまう可能性がある。そこで比較器３６にヒステリシスを持たせることにより、温度の揺らぎがある場合においてもチャタリングせずにスムーズな温度補償を行うことが可能となる。

本発明に係る温度保護機能付充電装置は、充電制御トランジスタが規定以上に発熱するのを防ぎ、かつ充電し続けるので、高温環境下においても停止することなく電池を充電でき、異常な温度上昇から構成部品を保護する充電装置として有用である。

本発明の実施の形態１に係る温度保護機能付充電装置の構成を示すブロック図 本実施の形態１に係る温度保護機能付充電装置の動作波形で（ａ）は時間による温度の挙動、（ｂ）は時間による充電電流の挙動を示す図 本発明の実施の形態２に係る温度保護機能付充電装置の構成を示すブロック図 本実施の形態２に係る温度保護機能付充電装置の動作波形で（ａ）は時間による温度の挙動、（ｂ）は時間による充電電流の挙動を示す図 従来の温度保護機能付充電装置の構成を示すブロック図

符号の説明

２１ 外部電源
２２ 電池
２３，２４ 温度検出回路
２５，２６，３０，３１ トランジスタ
２７，２８ プルアップ抵抗
２９ 逆流検出回路
３２ 演算増幅器
３３ 第１の基準電圧源
３４ 制御回路
３５ 第２の基準電圧源
３６ 比較器
３７ 電流検出手段
３７１ 抵抗
３７２ 演算回路

Claims (4)

1. 入力電源と電池間に設けた制御トランジスタと、前記電池への充電電流を検出して制御する前記制御トランジスタを駆動する制御回路を有する充電装置において、
   前記制御トランジスタの温度を検出して温度検出信号を生成する温度検出手段と、前記温度検出信号が所定値を超えると前記充電電流を低減するように前記制御トランジスタを駆動する負帰還回路とを備えたことを特徴とする温度保護機能付充電装置。
2. 前記負帰還回路は、第１の基準電圧を出力する第１の基準電圧源と、前記第１の基準電圧と検出温度に応じた電圧である前記温度検出信号とを入力する演算増幅器を備えたことを特徴とする請求項１記載の温度保護機能付充電装置。
3. 前記第１の基準電圧より低い第２の基準電圧を出力する第２の基準電圧源と、前記第２の基準電圧と前記温度検出信号を入力し、比較結果を制御回路に出力する比較器を備え、
   前記制御回路は、前記温度検出信号が前記第２の基準電圧を超えたことを前記比較器の出力で検知すると、充電電流を所定の制限値に減少させるように制御トランジスタを駆動することを特徴とする請求項２記載の温度保護機能付充電装置。
4. 前記比較器はヒステリシス特性を有することを特徴とする請求項３記載の温度保護機能付充電装置。

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