JP2008145180A - 電池電圧検出回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コストで高精度に電池の電圧を検出する。
【解決手段】電池電圧検出回路は、一方の入力端子に第1基準電圧が印加されるオペアンプと、一端がオペアンプの他方の入力端子と接続される第1キャパシタと、一端がオペアンプの出力端子と接続され、他端がオペアンプの他方の入力端子と接続される第2キャパシタと、電池の一方の端子の電圧及び他方の端子の電圧を順に第1キャパシタの他端に印加可能なスイッチ回路と、電池の他方の端子の電圧が第1キャパシタの他端に印加される前に第2キャパシタを放電させる放電回路と、を備え、電池の他方の端子の電圧が第1キャパシタの他端に印加された後のオペアンプの出力端子の電圧に基づいて電池の電圧を検出することとする。
【選択図】図1

Description

本発明は、電池電圧検出回路に関する。
充電式電池を用いるノートPC等の機器においては、直列に接続された電池の充電/放電を管理するために、各電池の電圧を精度良く検出する必要がある。図11は、電池電圧検出回路の一般的な構成を示す図である(特許文献1参照)。電池電圧検出回路100は、直列に接続された4つの電池BV1〜BV4の電圧を検出するためのものであり、オペアンプ110、抵抗R1〜R4、スイッチSW0M〜SW4M,SW0P〜SW3P、及び基準電圧VREFを出力する電源115を含んで構成されている。このような電池電圧検出回路100において、電池BV4の電圧VBV4を検出する場合、スイッチSW4M,SW3Pがオンとされ、その他のスイッチはオフとされる。これにより、電池BV4のプラス側の端子の電圧V4とマイナス側の端子の電圧V3との差に応じた電圧VOUTがオペアンプ110からADコンバータ(ADC)120に出力される。そして、ADC120で電圧VOUTをデジタル値に変化することにより、電池BV4の電圧VBV4を検出することができる。同様に、スイッチSW3M,SW2Pがオンとされ、その他のスイッチがオフとされることにより、電池BV3の電圧VBV3を検出することができる。また、スイッチSW2M,SW1Pがオンとされ、その他のスイッチがオフとされることにより、電池BV2の電圧VBV2を検出することができる。さらに、スイッチSW1M,SW0Pがオンとされ、その他のスイッチがオフとされることにより、電池BV1の電圧VBV1を検出することができる。
特開2002−243771号公報
電池BV1〜BV4にリチウムイオン電池を用いる場合、満充電時における各電池BV1〜BV4の両端の電圧VBV1〜VBV4は4.5V近くに達する。設計上の余裕を考慮して各電池BV1〜BV4の電圧VBV1〜VBV4を5Vとすると、直列に接続された電池BV1〜BV4全体では20Vの電圧を発生することとなり、電池電圧検出回路100は高耐圧とする必要がある。一方、ADC120を含む制御系の回路は3.3V程度の電源電圧を用いることが一般的であり、電池電圧検出回路100から出力される電圧VOUTを3.3V以下とする必要がある。
ここで、抵抗R3,R4の抵抗値をそれぞれR3,R4とすると、オペアンプ110のゲインGAMPはR4/R3となる。したがって、電池BV4の電圧VBV4を検出する際に出力される電圧VOUTは、VOUT=VBV4/GAMP+VREF=(V4−V3)R3/R4+VREFとなる。そして、VBV4を5V、VREFを0.2Vとすると、VOUT≦3.3Vとするためのオペアンプ110のゲインGAMPの条件は、GAMP≦(VOUT−VREF)/VBV4=(3.3−0.2)/5≒0.6となる。これより、オペアンプ110のゲインGAMPが0.6程度となるように抵抗R3,R4の抵抗値を選択することにより、ADC120に出力される電圧VOUTの電圧を3.3V以下とすることができる。ただし、この場合、オペアンプ110を高耐圧とする必要があり、電池電圧検出回路100のコスト上昇を招くこととなる。
そこで、オペアンプ110を高耐圧不要とするためには、オペアンプ110に印加される電圧を3.3V以下とする必要がある。つまり、オペアンプ110の+入力端子に印加される電圧Vを3.3V以下とするためには、(V3−VREF)R4/(R3+R4)+VREF≦3.3を満たす必要がある。これより、R4/(R3+R4)≦(3.3−VREF)/(V3−VREF)=(3.3−0.2)/(15−0.2)=3.1/14.8≒0.21となる。したがって、オペアンプ110のゲインGAMPは、GAMP=R4/R3≦0.21/(1−0.21)≒0.26となる。したがって、オペアンプ110のゲインGAMPが0.26程度となるように抵抗R3,R4の抵抗値を選択することにより、オペアンプ110を高耐圧不要とすることができる。ただし、この場合、オペアンプ110のゲインGAMPが小さいため、ADC120に入力される電圧VOUTが低くなる。そのため、電池電圧を精度良く検出するためには、ADC120を高精度にする必要が生じ、コスト上昇を招くこととなる。
また、電池電圧検出回路100では、電池BV1〜BV4の電圧を検出する際にオペアンプの入力端子に接続された抵抗R1,R3に電流が流れる。したがって、この電流による電池BV1〜BV4の放電を抑制するためには、抵抗R1,R3の抵抗は数メガオーム程度の大きなものを用いる必要がある。また、電池BV1〜BV4の電圧を精度良く検出するためには、抵抗R1〜R4を、抵抗値の電圧依存性が少ないものとする必要がある。このように抵抗値が大きく電圧依存性が少ない抵抗を用いた集積回路を製造する場合、特別な工程を設ける必要が生じ、コスト上昇を招くこととなる。
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、低コストで高精度に電池の電圧を検出可能な電池電圧検出回路を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の電池電圧検出回路は、一方の入力端子に第1基準電圧が印加されるオペアンプと、一端が前記オペアンプの他方の入力端子と接続される第1キャパシタと、一端が前記オペアンプの出力端子と接続され、他端が前記オペアンプの他方の入力端子と接続される第2キャパシタと、電池の一方の端子の電圧及び他方の端子の電圧を順に前記第1キャパシタの他端に印加可能なスイッチ回路と、前記電池の他方の端子の電圧が前記第1キャパシタの他端に印加される前に前記第2キャパシタを放電させる放電回路と、を備え、前記電池の他方の端子の電圧が前記第1キャパシタの他端に印加された後の前記オペアンプの出力端子の電圧に基づいて前記電池の電圧を検出することとする。
また、前記電池電圧検出回路は、一端が前記オペアンプの他方の入力端子と接続され、他端が接地される第3キャパシタを更に備えることとすることもできる。
また、前記電池電圧検出回路は、入力される放電開始信号に応じて、前記第2キャパシタに蓄積された電荷を所定速度で放電する定電流を出力する定電流回路と、前記オペアンプの出力端子の電圧と第2基準電圧との比較結果を出力する比較回路と、前記放電開始信号に応じてカウントを開始し、前記比較回路から出力される前記比較結果に基づいて、前記オペアンプの出力端子の電圧が前記第2基準電圧に達するとカウントを停止するカウント回路と、を更に備えることとすることもできる。
さらに、前記スイッチ回路は、前記第1キャパシタの他端に第3基準電圧を印加可能であることとすることもできる。
また、前記電池電圧検出回路が集積回路であり、前記第1キャパシタは、前記集積回路における配線により構成される配線容量であることとすることもできる。
また、前記電池電圧検出回路が集積回路であり、前記第1及び第2キャパシタは、前記集積回路における配線により構成される配線容量であり、前記第3キャパシタは、前記第1及び第2キャパシタの容量精度を向上させるダミー配線により形成されることとすることもできる。
また、前記スイッチ回路は、直列に接続された第1及び第2電池の何れかの端子の電圧を前記第1キャパシタの他端に印加可能であり、前記電池電圧検出回路は、前記第2キャパシタの放電、前記第1電池の一方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加、及び前記第2電池の一方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加を順に実行させた後、前記第2キャパシタの放電及び前記第2電池の他方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加を順に実行させるべく前記放電回路及び前記スイッチ回路を制御するスイッチ制御回路を更に備えることとすることもできる。
さらに、前記スイッチ制御回路は、前記第2電池の他方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加の後に、前記第2電池の一方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加を実行させるべく前記スイッチ回路を制御することとすることもできる。
低コストで高精度に電池の電圧を検出可能な電池電圧検出回路を提供することができる。
<<第1実施形態>>
==回路構成==
図1は、本発明の第1実施形態である電池電圧検出回路の構成を示す図である。電池電圧検出回路10Aは、直列に接続された4つの電池BV1〜BV4の電圧を検出するためのものであり、オペアンプ20、キャパシタ25〜27、スイッチSW0〜SW5、電源30、及びスイッチ制御回路35を含んで構成される集積回路である。
オペアンプ20は、+入力端子に電源30から出力される基準電圧VREF1(第1基準電圧)が印加され、−入力端子はキャパシタ25の一端と接続されている。そして、オペアンプ20の出力端子から出力される電圧VOUTがADコンバータ(ADC)40への入力電圧となっている。なお、オペアンプ20の−入力端子にはキャパシタ25が接続されており直流電圧が印加されないため、オペアンプ20を高耐圧とする必要がない。
キャパシタ25(第1キャパシタ)は、一端がオペアンプ20の−入力端子と接続され、他端がスイッチSW0〜SW4の一端と接続されている。キャパシタ26(第2キャパシタ)は、一端がオペアンプ20の出力端子と接続され、他端がオペアンプ20の−入力端子と接続されている。キャパシタ27(第3キャパシタ)は、一端がオペアンプ20の−入力端子と接続され、他端が接地されている。
スイッチSW0は、一端がキャパシタ25の他端と接続され、他端が端子VSSを介して電池BV1のマイナス端子と接続されている。スイッチSW1は、一端がキャパシタ25の他端と接続され、他端が端子V1を介して電池BV1のプラス端子及び電池BV2のマイナス端子と接続されている。スイッチSW2は、一端がキャパシタ25の他端と接続され、他端が端子V2を介して電池BV2のプラス端子及び電池BV3のマイナス端子と接続されている。スイッチSW3は、一端がキャパシタ25の他端と接続され、他端が端子V3を介して電池BV3のプラス端子及び電池BV4のマイナス端子と接続されている。スイッチSW4は、一端がキャパシタ25の他端と接続され、他端が端子V4を介して電池BV4のプラス端子と接続されている。スイッチSW5は、一端がオペアンプ20の出力端子と接続され、他端がオペアンプ20の−入力端子と接続されている。なお、スイッチSW0〜SW4が本発明のスイッチ回路に相当し、スイッチSW5が本発明の放電回路に相当する。
電源30は、基準電圧VREF1を出力する電源回路である。なお、本実施形態では、VREF1=0.8Vであることとする。
スイッチ制御回路35は、端子SWを介してマイコン45から入力される信号に基づいて、スイッチSW0〜SW5のオンオフを制御する。なお、スイッチ制御回路35と同等の機能をソフトウェアにより実現することも可能である。
ここで、電池BV1〜BV4にリチウムイオン電池を用いる場合を想定すると、満充電時における各電池BV1〜BV4の両端の電圧VBV1〜VBV4は4.5V近くに達する。設計上の余裕を考慮して各電池BV1〜BV4の電圧VBV1〜VBV4を5Vとすると、直列に接続された電池BV1〜BV4全体では20Vの電圧を発生することとなり、キャパシタ25は高耐圧とする必要がある。そこで、本実施形態では、一般的に電圧依存性の少ない配線容量によりキャパシタ25〜27を構成している。
図2は、配線容量によりキャパシタ25〜27を構成する際のメタル配線の配置例を示す図である。ここで、キャパシタ25の容量を2pF、キャパシタ26の容量を10pFとすると、図2に示すように、キャパシタ25を構成するメタル配線25aとキャパシタ26を構成するメタル配線26a〜26eとの面積比を1:5とすればよい。ところで、配線容量の場合、メタル配線の四方の状況を同一にしないと容量の精度を高くすることができない。例えば、図2に示すメタル配線27aが無い場合、メタル配線25aは右側及び下側に他のメタル配線が存在するが、上側及び左側には他のメタル配線が存在しない。一方、メタル配線26aは上側以外には他のメタル配線が存在している。そこで、メタル配線の四方の状況を同一とするため、メタル配線25a,26a〜26eの周囲にメタル配線27aが配置されている。このメタル配線27aは、キャパシタ25,26の容量の精度を高めるためのダミーメタル(ダミー配線)であるとともに、キャパシタ27を構成している。
このように、メタル配線25a,26a〜26eの四方の状況を同一にするためのダミーメタルであるメタル配線27aを配置することにより、キャパシタ25,26の容量の精度を向上させることができる。一方、キャパシタ27については、キャパシタ25,26の容量の精度を向上させるためのダミーメタルとしてのメタル配線27aを用いて実現されており、ダミーメタルを有効活用することができる。換言すると、キャパシタ27を構成するための配線容量等を別途設ける必要がなく、電池電圧検出回路10Aのチップサイズを小さくすることができる。
図3は、ADC40の構成例を示す図である。ADC40は、コンパレータ50、電流源51、キャパシタ52、NチャネルMOSFET53、インバータ54、及びカウンタ55を含んで構成されている。
コンパレータ50は、+入力端子に電池電圧検出回路10Aから出力される電圧VOUTが印加され、−入力端子がキャパシタ52の一端と接続され、出力信号CMPがカウンタ55に入力されている。したがって、電圧VOUTがキャパシタ52の電圧より高い場合は出力信号CMPがHレベルとなり、キャパシタ52の電圧が電圧VOUTより高い場合は出力信号CMPがLレベルとなる。
電流源51は、一端に電源電圧VDDが印加され、他端がキャパシタ52の一端と接続されており、キャパシタ52に対して定電流を供給する。
NチャネルMOSFET53は、ドレインがキャパシタ52の一端と接続され、ソースが接地され、ゲートに信号CHGがインバータ54を介して入力されている。信号CHGは例えばマイコン45から入力されるものであり、信号CHGがLレベルになるとNチャネルMOSFET53がオンとなり、キャパシタ52は放電される。
カウンタ55には、マイコン45から出力される信号CHG、コンパレータ50から出力される信号CMP、及び例えばRC発振回路等により生成される所定周波数のクロック信号CLKが入力されている。そして、カウンタ55は、信号CHGがLレベルからHレベルに変化するとクロック信号CLKのカウントを開始し、信号CMPがHレベルからLレベルに変化するとカウントを停止する。
アナログ値である出力電圧VOUTをデジタル値に変換する場合、まず、マイコン45は、信号CHGをLレベルにしてキャパシタ52を放電する。その後、マイコン45が信号CHGをHレベルにすると、カウンタ55でのカウント動作が開始されるとともに、キャパシタ52の充電が開始される。そして、キャパシタ52が充電されてキャパシタ52の電圧が出力電圧VOUTに到達すると、信号CMPがLレベルに変化し、カウンタ55でのカウント動作が停止する。これにより、カウンタ55からは、出力電圧VOUTに応じたカウント値(デジタル値)が出力される。
==動作==
次に、電池電圧検出回路10Aの動作について説明する。図4は、電池電圧検出回路10Aの動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、端子V1〜V4に印加される電圧を、それぞれV1〜V4と表すこととする。また、電池BV1〜BV4の電圧を、それぞれVBV1〜VBV4と表すこととする。
まず、初期状態(時刻T0)として、スイッチSW4,SW5がオン、スイッチSW0〜SW3がオフであるとする。このとき、スイッチSW5がオンとなっているため、オペアンプ20はゲインが1のアンプとなり、+入力端子に印加される基準電圧VREF1=0.8Vが出力電圧VOUTとして出力される。また、スイッチSW4がオンとなっているため、キャパシタ25の電圧VC1は、VC1=V4−VREF1となる。そのため、キャパシタ25に蓄積された電荷QC1は、キャパシタ25の容量をC1とすると、QC1=VC1・C1=(V4−VREF1)・C1となる。なお、スイッチSW5がオンとなっているため、キャパシタ26の電圧VC2は0Vであり、キャパシタ26に蓄積された電荷QC2も0である。
その後、時刻T1にスイッチSW4,SW5がオフとなり、続いて時刻T2にスイッチSW3がオンとなる。これにより、キャパシタ25の一端に電圧V4より低い電圧V3が印加され、オペアンプ20の出力端子からキャパシタ26、キャパシタ25、スイッチSW3、端子V3に向かって電流I1が流れる。
そして、時刻T3にキャパシタ25の電荷が安定すると、電圧VC1=V3−VREF1、電荷QC1=VC1・C1=(V3−VREF1)・C1となる。したがって、電流I1による電荷QC1の変化量ΔQC1は、ΔQC1=(V4−VREF1)・C1−(V3−VREF1)・C1=(V4−V3)・C1となる。そして、電流I1によって、ΔQC1と同量の電荷がキャパシタ26に蓄積されるため、キャパシタ26の電荷QC2=(V4−V3)・C1となる。そのため、キャパシタ26の両端の電圧VC2は、VC2=(V4−V3)・C1/C2=VBV4・C1/C2となる。そして、オペアンプ20の出力電圧VOUTは、VOUT=VREF1+VC2=VREF1+VBV4・C1/C2となる。
ここで、C1,C2は既知の定数であるため、マイコン45は、時刻T0の時の出力電圧VOUT(=VREF1)のデジタル値と、時刻T3の時の出力電圧VOUT2=VREF1+VBV4・C1/C2)のデジタル値との差を取ることにより、電池BV4の電圧VBV4を得ることができる。
その後、時刻T4にスイッチSW5がオンになると、キャパシタ26が放電され、VC2が0Vとなり、出力電圧VOUT=VREF1+VC2=VREF1となる。そして、時刻T5に、スイッチSW3,SW5がオフとなり、続いて時刻T6にスイッチSW2がオンとなる。これにより、キャパシタ25の一端に電圧V3より低い電圧V2が印加され、オペアンプ20の出力端子からキャパシタ26、キャパシタ25、スイッチSW2、端子V2に向かって電流I1が流れる。これにより、電池BV3の電圧VBV3に応じた電荷がキャパシタ26に蓄積され、電圧VBV4の場合と同様に電圧VBV3を得ることができる。
その後も同様に、スイッチSW5をオン、スイッチSW2,SW5をオフ、スイッチSW1をオンとすることにより、電池BV2の電圧VBV2を得ることができる。さらに、スイッチSW5をオン、スイッチSW1,SW5をオフ、スイッチSW0をオンとすることにより、電池BV1の電圧VBV1を得ることができる。
このように、スイッチSW4,SW3,SW2,SW1,SW1,SW0の順にオンとされることにより、電池BV1〜BV4の電圧VBV1〜VBV4の検出が行われる。図5は、スイッチSW1〜SW3がオンとされた際に流れる電流を示す図である。前述したように、スイッチSW3,SW2,SW1の順にオンとされたときには、キャパシタ25からスイッチSW3,SW2,SW1に向かって電流I1が流れることとなる。そして、電池BV1〜BV4の電圧VBV1〜VBV4が検出された後、スイッチ制御回路35は、スイッチSW1,SW2,SW3の順にオンとしていく。まず、スイッチSW0がオフ、スイッチSW1がオンになると、電池BV1の電圧VBV1に応じた電流I2が端子V1からスイッチSW1、キャパシタ25に向かって流れる。そして、スイッチSW1がオフ、スイッチSW2がオンになると、電池BV2の電圧VBV2に応じた電流I2が端子V2からスイッチSW2、キャパシタ25に向かって流れる。続いて、スイッチSW2がオフ、スイッチSW3がオンになると、電池BV3の電圧VBV3に応じた電流I2が端子V3からスイッチSW3、キャパシタ25に向かって流れることとなる。
つまり、図5のA〜C点においては、電流I1による電荷の流入が、電流I2による電荷の流出により相殺されることとなる。電池電圧検出回路10Aでは、例えば数秒置きに繰り返し電池電圧の検出動作が行われるため、このように電荷の出入りが相殺されることにより、電池電圧の検出動作による電池電圧の変動を抑制することができる。
次に、電池電圧検出回路10Aにおけるキャパシタ27の役割について説明する。図6は、キャパシタ25の一端に印加される電圧VIN、オペアンプ20の出力電圧VOUT、及びオペアンプ20の−入力端子の電圧Vの変化の一例を示す図である。なお、電池BV1〜BV4の電圧VBV1〜VBV4が5Vであり、キャパシタ25の容量が2pF、キャパシタ26の容量が10pF、キャパシタ27の容量が20pFとして説明する。
スイッチSW4がオフとなってスイッチSW3がオンになると、キャパシタ25の一端に印加される電圧VINが20Vから15Vに変化する。オペアンプ20の応答時間が遅いと、キャパシタ26がキャパシタとして機能せず、キャパシタ26の他端の電圧、すなわち電圧Vが低下する。ここで、仮に、キャパシタ27が設けられていないとすると、キャパシタ25,26の容量比が1:5であるため、電圧Vの降下量は(20−15)×1/(1+5)≒0.83となる。したがって、電圧Vは基準電圧VREF1と同じ0.8Vから約0.83V降下して負の電圧となってしまう。また、基準電圧VREF1の電圧値やキャパシタ25,26の容量比によっては、電圧Vはさらに低い電圧となる。
そして、電圧Vが負の電圧になると、図7に示すように、寄生ダイオード60からキャパシタ25に向かって電流I3が流れることとなる。このように電流I3が流れると、キャパシタ26に蓄積される電荷量が減少し、電池電圧の検出精度が低下してしまうこととなる。
そこで、本実施形態に示すようにキャパシタ27を設けた場合、キャパシタ25の容量(2pF)とキャパシタ26,27の合計容量(30pF)の比率が1:15であるため、電圧Vの降下量は(20−15)×1/(1+15)≒0.31となる。すなわち、キャパシタ27が設けられていることにより電圧Vの降下量が小さくなっている。したがって、電圧Vが負の電圧となることによる電流I3の発生が抑制され、電池電圧の検出精度低下を防ぐことができる。
<<第2実施形態>>
==回路構成==
図8は、本発明の第2実施形態である電池電圧検出回路の構成を示す図である。なお、第1実施形態の電池電圧検出回路10Aと同様の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。
電池電圧検出回路10Bは、オペアンプ20、キャパシタ25〜27、スイッチSW0〜SW5、電源30、及びスイッチ制御回路35に加え、PチャネルMOSFET71〜75、電流源77、コンパレータ80、電源81、カウンタ82、電源83、及びスイッチSW6を備えている。なお、スイッチSW0〜SW4,SW6が本発明のスイッチ回路に相当する。
PチャネルMOSFET71は、ソースに電源電圧VDDが印加され、ドレインがPチャネルMOSFET73のソースと接続され、ゲートとドレインとが接続されている。PチャネルMOSFET72は、ソースに電源電圧VDDが印加され、ドレインがPチャネルMOSFET74のソースと接続され、ゲートがPチャネルMOSFET71のゲートと接続されている。PチャネルMOSFET73は、ソースがPチャネルMOFSET71のドレインと接続され、ドレインが電流源77と接続され、ゲートとドレインとが接続されている。PチャネルMOSFET74は、ソースがPチャネルMOSFET72のドレインと接続され、ドレインがキャパシタ26の他端(オペアンプ20の−入力端子側)と接続され、ゲートがPチャネルMOSFET73のゲートと接続されている。PチャネルMOSFET75は、ソースに電源電圧VDDが印加され、ドレインが電流源77と接続され、ゲートに信号CHGが入力されている。つまり、PチャネルMOSFET71〜74は電流ミラー回路を構成しており、信号CHGがHレベルの場合にPチャネルMOSFET75がオフとなり、電流源77から出力される定電流に応じた定電流がキャパシタ26に向かって流れることとなる。
コンパレータ80(比較回路)は、+入力端子がオペアンプ20の出力端子と接続され、−入力端子に電源81から出力される基準電圧VREF2(第2基準電圧)が印加されている。なお、本実施形態では、VREF2=0.7Vであることとする。したがって、コンパレータ80の出力信号CMPは、オペアンプ20の出力電圧VOUTが0.7Vより高い場合はHレベル、出力電圧VOUTが0.7Vより低い場合はLレベルとなる。
カウンタ82には、スイッチ制御回路35から出力される信号CHG、コンパレータ80から出力される信号CMP、例えばRC発振回路等により生成される所定周波数のクロック信号CLKが入力されている。そして、カウンタ82は、信号CHGがLレベルからHレベルに変化するとクロック信号CLKのカウントを開始し、信号CMPがHレベルからLレベルに変化するとカウントを停止する。
スイッチSW6は、一端がキャパシタ25の他端と接続され、他端に電源83から出力される基準電圧VREF3(第3基準電圧)が印加されている。なお、本実施形態では、VREF3=2.4Vであることとする。
==動作==
次に、電池電圧検出回路10Bの動作について説明する。図9は、電池電圧検出回路10Bの動作の一例を示すタイミングチャートである。
まず、初期状態(時刻T7)として、スイッチSW5,SW6がオン、スイッチSW0〜SW4がオフであるとする。このとき、スイッチSW5がオンとなっているため、オペアンプ20はゲインが1のアンプとなり、+入力端子に印加される基準電圧VREF1=0.8Vが出力電圧VOUTとして出力される。そのため、コンパレータ80の出力信号CMPはHレベルとなっている。また、スイッチSW6がオンとなっているため、キャパシタ25の一端には電源83から出力される基準電圧VREF3が印加されている。
その後、時刻T8にスイッチSW5,SW6がオフとなり、続いて時刻T9にスイッチSW0がオンとなる。これにより、キャパシタ25の一端に接地電圧が印加され、オペアンプ20の出力端子からキャパシタ26、キャパシタ25、スイッチSW0、端子VSSに向かって電流I1が流れ、キャパシタ26に電荷が蓄積されて出力電圧VOUTが上昇する。
時刻T10にキャパシタ25の電荷が安定すると、スイッチ制御回路35はスイッチSW0をオフとする。このとき、出力電圧VOUTはVOUT=VREF1+VREF3・C1/C2となっている。さらに、時刻T10にスイッチ制御回路35が信号CHGをHレベルにすると、PチャネルMOSFET75がオフとなり、定電流I4がPチャネルMOSFET74からキャパシタ26、オペアンプ20の出力端子に向かって流れることとなる。この定電流I4によってキャパシタ26に蓄積された電荷が定速度で放電され、出力電圧VOUTが定速度で降下していく。また、信号CHGがHレベルになることにより、カウンタ82はクロック信号CLKのカウントを開始する。
その後、時刻T11に出力電圧VOUTがコンパレータ80の−入力端子に印加される基準電圧VREF2の0.7Vまで低くなると、コンパレータ80の出力信号CMPがLレベルに変化し、カウンタ82がカウントを停止する。そして、カウンタ82によってカウントされた時刻T10からT11までの時間TREF3が、基準電圧VREF3(=2.4V)に応じた時間となる。つまり、T10からT11までの間における出力電圧VOUTの傾きを−1/Kとすると、TREF3=K・(VREF1+VREF3・C1/C2−VREF2)=K・(VREF3・C1/C2+0.1)となる。そして、時刻T12に、スイッチ制御回路35が信号CHGをLレベルに変化させると、PチャネルMOSFET75がオンとなり、定電流I4によるキャパシタ26の放電が停止される。さらに、スイッチ制御回路35は、時刻T12にスイッチSW4,SW5をオンにする。そして、スイッチSW5がオンとなることにより、出力電圧VOUTが基準電圧VREF1=0.8Vとなるとともに、コンパレータ80の出力信号CMPがHレベルとなる。また、スイッチSW4がオンとなることにより、キャパシタ25の一端には電圧V4が印加される。
その後、時刻T13にスイッチSW4,SW5がオフとなり、続いて時刻T14にスイッチSW3がオンとなる。これにより、キャパシタ25の一端に電圧V4より低い電圧V3が印加され、オペアンプ20の出力端子からキャパシタ26、キャパシタ25、スイッチSW3、端子V3に向かって電流I1が流れ、キャパシタ26に電荷が蓄積されて出力電圧VOUTが上昇する。
時刻T15にキャパシタ25の電荷が安定すると、スイッチ制御回路35はスイッチSW3をオフとする。このとき、出力電圧VOUTはVOUT=VREF1+VBV4・C1/C2となっている。さらに、スイッチ制御回路35が時刻T15に信号CHGをHレベルにすると、PチャネルMOSFET75がオフとなり、定電流I4がPチャネルMOSFET74からキャパシタ26、オペアンプ20の出力端子に向かって流れることとなる。この定電流I4によってキャパシタ26に蓄積された電荷が定速度で放電され、出力電圧VOUTが定速度で降下していく。また、信号CHGがHレベルになることにより、カウンタ82はクロック信号CLKのカウントを開始する。
その後、時刻T16に出力電圧VOUTがコンパレータ80の−入力端子に印加される基準電圧VREF2の0.7Vまで低くなると、コンパレータ80の出力信号CMPがLレベルに変化し、カウンタ82がカウントを停止する。そして、カウンタ82によってカウントされた時刻T15からT16までの時間TBV4が、基準電圧VBV4に応じた時間となる。つまり、T15からT16までの間における出力電圧VOUTの傾きを−1/Kとすると、TBV4=K・(VREF1+VBV4・C1/C2−VREF2)=K・(VBV4・C1/C2+0.1)となる。
そして、マイコン45は、カウンタ82により計測されたTREF3,TBV4に基づいて、電池BV4の電圧VBV4を求めることができる。具体的には、VBV4=(C2/C1)・(TBV4−TREF3)/K+VREF3となる。このように、基準電圧VREF3の場合のカウント値TREF3と電池BV4の電圧VBV4の場合のカウント値TBV4との対比により電圧VBV4を求めることにより、電池電圧の検出精度を高めることができる。例えば、クロック信号CLKがRC発振回路等の精度の低い回路により生成される場合、カウンタ82で計測されたTBV4のみに基づいて電池BV4の電圧VBV4を求めることとすると、温度変化等によるクロック周波数の変化の影響により電圧VBV4の検出精度が低下してしまう。そこで、本実施形態に示すように、所定の基準電圧VREF3の場合のカウント値TREF3と対比させることにより、クロック周波数の変化による影響を打ち消し、電池BV4の電圧VBV4を高精度に検出することが可能となる。
なお、時刻T16以降、第1実施形態と同様にスイッチSW0〜SW5を制御しつつ、前述同様に電流I4による定速度の放電を行うことにより、電池BV1〜BV3の電圧VBV1〜VBV3を検出することができる。
以上、本発明の実施形態について説明した。前述したように電池電圧検出回路10A,10Bでは、オペアンプ20を用いて差動増幅するために抵抗ではなくキャパシタ25,26を用いている。したがって、オペアンプ20に電池BV1〜BV4の直流電圧が印加されず、オペアンプ20を高耐圧とする必要がない。そして、キャパシタ25,26の容量比を調整することで出力電圧VOUTの電圧レベルを高くすることもできるため、高精度のADコンバータを用いる必要もない。したがって、低コストで高精度に電池電圧を検出することが可能となる。
さらに、抵抗を用いて差動増幅する場合と比較して、電池から流出する電荷量を少なくすることができる。例えば、図11の電池電圧検出回路100において、抵抗R1,R3の抵抗値を5MΩ、電池BV4の電圧VBV4を5V、ADC120での変換時間を30msとすると、電圧VBV4の検出に伴って流出する電荷量は、Q=IT=5V/10MΩ×30ms=15μCとなる。一方、電池電圧検出回路10A,10Bにおいて、キャパシタ25の容量を2pF、電池BV1〜BV4の電圧VBV1〜VBV4を5Vとすると、スイッチSW4をオンとしたときに流出する電荷量は、Q=CV=2pF×20V=40pC=0.000040μCとなり、電池電圧検出回路100の場合と比較して圧倒的に少ない。また、電池電圧検出回路100ではADC120での変換時間経過後もスイッチSW4M,SW3Pがオンとなっている限り、さらに電荷が流出し続けることとなるが、電池電圧検出回路10A,10Bでは、キャパシタ25が充電された後は電荷が流出しない。したがって、電池電圧検出回路10A,10Bでは、電池電圧の検出動作による電池の消耗を抑制することができる。
また、電池電圧検出回路10A,10Bでは、キャパシタ27を設けることにより、オペアンプ20の−入力端子の電圧Vの降下量が小さくなって寄生ダイオード60からの電流発生が抑制され、電池電圧の検出精度低下を防ぐことができる。そして、電圧Vの降下量はオペアンプ20のアンプゲインC1/C2に応じて大きくなるが、キャパシタ27の容量を大きくすることにより電圧Vの降下量を小さくすることが可能であるため、アンプゲインC1/C2を大きくすることが可能となる。すなわち、アンプゲインC1/C2を大きくして出力電圧VOUTを高い電圧とすることが可能となり、電池電圧の検出精度を高めることが可能となる。
また、電池電圧検出回路10Bでは、キャパシタ26に蓄積された電荷を定電流I4により放電することにより、電池電圧を検出している。すなわち、電池電圧検出回路10Bでは、キャパシタ26がADコンバータの一部として流用されている。これにより、例えば、図3に示したADC40で必要となるキャパシタ52を別途設ける必要がなく、コストの削減が可能となる。さらに、ADC40の場合、キャパシタ52が充電されて電圧が上昇すると、電流源51の両端電圧の変化により、電流源51から出力される定電流に誤差が生じる場合がある。一方、電池電圧検出回路10Bの場合は、キャパシタ26の他端(オペアンプ20の−入力端子)の電圧は変化しないため、放電時間の経過に伴って定電流I4に誤差が生じることがなく、電池電圧を高精度に検出することが可能となる。
また、電池電圧検出回路10Bでは、電池BV1〜BV4の電圧VBV1〜VBV4に応じた計測時間と、基準電圧VREF3に応じた計測時間とを比較することにより、電圧VBV1〜VBV4を検出している。これにより、温度変化等によりクロック周波数が変化したとしても、電圧VBV1〜VBV4を高精度に検出することができる。したがって、RC発振回路等の低コストの発振回路を用いることが可能となり、低コストで高精度に電池電圧を検出することができる。
また、電池電圧検出回路10A,10Bでは、配線容量によりキャパシタ25を構成することができる。配線容量は他の容量と比較して一般的に電圧依存性が少ないため、電池電圧を高精度に検出することが可能となる。また、抵抗値が大きく、電圧依存性の少ない抵抗を配設する場合と異なり、既存の工程を流用可能であり、コスト増加を抑制することができる。
また、電池電圧検出回路10A,10Bでは、配線容量によりキャパシタ25,26を構成し、キャパシタ25,26の容量精度を向上させるためのダミーメタルを用いてキャパシタ27を構成している。キャパシタ27はオペアンプ20の−入力端子の電圧Vの降下を抑制するためのものであり、容量の精度が電池電圧の検出精度に影響するものではない。したがって、ダミーメタルを用いてキャパシタ27を構成することにより、ダミーメタルを有効に活用することができ、キャパシタ27を別途構成する場合と比較してチップサイズを小さくすることが可能となる。
また、電池電圧検出回路10A,10Bでは、直列に接続された電池BV1〜BV4の高電位側から低電位側へと順にスイッチSW0〜SW4をオンとすることにより、電池BV1〜BV4の電圧VBV1〜VBV4を効率良く検出している。同様に、高電位側から低電位側へと順にスイッチSW0〜SW4をオンとすることにより、電池BV1〜BV4の電圧VBV1〜VBV4を効率良く検出することも可能である。
また、電池電圧検出回路10A,10Bでは、高電位側から低電位側へと順にスイッチSW0〜SW4をオンとした後に、低電位側から高電位側へと順にスイッチSW1〜SW3をオンとしている。そのため、図5に示したように電流I1による電荷の流入を電流I2による電荷の流出により相殺することが可能となり、電池電圧の検出を繰り返し行う場合における電池電圧の変動を抑制することができる。
なお、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
例えば、電池電圧検出回路10A,10Bでは、直列に接続された複数の電池BV1〜BV4の電圧を検出することとしたが、検出対象の電池の数は複数であることに限られず、図10に例示するように1つの電池BV1の電圧を検出可能な電池電圧検出回路10Cを構成することも可能である。
本発明の第1実施形態である電池電圧検出回路の構成を示す図である。 配線容量によりキャパシタを構成する際のメタル配線の配置例を示す図である。 ADCの構成例を示す図である。 電池電圧検出回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。 スイッチがオンとされた際に流れる電流を示す図である。 電圧VIN、出力電圧VOUT、及び電圧Vの変化の一例を示す図である。 寄生ダイオードから流れる電流の様子を示す図である。 本発明の第2実施形態である電池電圧検出回路の構成を示す図である。 電池電圧検出回路の動作の一例を示すタイミングチャートである。 電池電圧検出回路の他の構成例を示す図である。 電池電圧検出回路の一般的な構成を示す図である。
符号の説明
10A,10B,10C 電池電圧検出回路
20 オペアンプ
25〜27,52 キャパシタ
30,81,83 電源
35 スイッチ制御回路
40 ADコンバータ
45 マイコン
50,80 コンパレータ
51,77 電流源
53 NチャネルMOSFET
54 インバータ
55,82 カウンタ
60 寄生ダイオード
71〜75 PチャネルMOSFET
SW0〜SW6 スイッチ

Claims (8)

  1. 一方の入力端子に第1基準電圧が印加されるオペアンプと、
    一端が前記オペアンプの他方の入力端子と接続される第1キャパシタと、
    一端が前記オペアンプの出力端子と接続され、他端が前記オペアンプの他方の入力端子と接続される第2キャパシタと、
    電池の一方の端子の電圧及び他方の端子の電圧を順に前記第1キャパシタの他端に印加可能なスイッチ回路と、
    前記電池の他方の端子の電圧が前記第1キャパシタの他端に印加される前に前記第2キャパシタを放電させる放電回路と、
    を備え、
    前記電池の他方の端子の電圧が前記第1キャパシタの他端に印加された後の前記オペアンプの出力端子の電圧に基づいて前記電池の電圧を検出すること、
    を特徴とする電池電圧検出回路。
  2. 請求項1に記載の電池電圧検出回路であって、
    一端が前記オペアンプの他方の入力端子と接続され、他端が接地される第3キャパシタを更に備えること、
    を特徴とする電池電圧検出回路。
  3. 請求項1又は2に記載の電池電圧検出回路であって、
    入力される放電開始信号に応じて、前記第2キャパシタに蓄積された電荷を所定速度で放電する定電流を出力する定電流回路と、
    前記オペアンプの出力端子の電圧と第2基準電圧との比較結果を出力する比較回路と、
    前記放電開始信号に応じてカウントを開始し、前記比較回路から出力される前記比較結果に基づいて、前記オペアンプの出力端子の電圧が前記第2基準電圧に達するとカウントを停止するカウント回路と、
    を更に備えることを特徴とする電池電圧検出回路。
  4. 請求項3に記載の電池電圧検出回路であって、
    前記スイッチ回路は、前記第1キャパシタの他端に第3基準電圧を印加可能であること、
    を特徴とする電池電圧検出回路。
  5. 請求項1〜4の何れか一項に記載の電池電圧検出回路が集積回路であり、
    前記第1キャパシタは、前記集積回路における配線により構成される配線容量であること、
    を特徴とする電池電圧検出回路。
  6. 請求項2〜4の何れか一項に記載の電池電圧検出回路が集積回路であり、
    前記第1及び第2キャパシタは、前記集積回路における配線により構成される配線容量であり、前記第3キャパシタは、前記第1及び第2キャパシタの容量精度を向上させるダミー配線により形成されること、
    を特徴とする電池電圧検出回路。
  7. 請求項1〜6の何れか一項に記載の電池電圧検出回路であって、
    前記スイッチ回路は、直列に接続された第1及び第2電池の何れかの端子の電圧を前記第1キャパシタの他端に印加可能であり、
    前記第2キャパシタの放電、前記第1電池の一方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加、及び前記第2電池の一方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加を順に実行させた後、前記第2キャパシタの放電及び前記第2電池の他方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加を順に実行させるべく前記放電回路及び前記スイッチ回路を制御するスイッチ制御回路を更に備えること、
    を特徴とする電池電圧検出回路。
  8. 請求項7に記載の電池電圧検出回路であって、
    前記スイッチ制御回路は、
    前記第2電池の他方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加の後に、前記第2電池の一方の端子の電圧の前記第1キャパシタへの印加を実行させるべく前記スイッチ回路を制御すること、
    を特徴とする電池電圧検出回路。
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