JP2009207276A - バッテリ保護回路及びバッテリ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 製造コストを安くできるバッテリ保護回路及びバッテリ装置を提供する。
【解決手段】 バッテリ保護回路30の全ての端子がバッテリBAT1〜BAT4にそれぞれ接続される前において、これらの接続の順番により、Pウェル32a〜32bによる寄生バイポーラトランジスタ32の動作によって論理回路31が誤動作しても、Pウェル32a及びPウェル33bによる寄生バイポーラトランジスタ33の動作によって論理回路31はリセットされるので、これらの接続の順番によってバッテリBAT1〜BAT4の充放電経路が遮断されない。よって、これらの接続の順番に関する制約がなくなる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、直列接続する複数のバッテリを保護するバッテリ保護回路及びバッテリ装置に関する。
ラップトップコンピュータや携帯電話機器等の携帯機器は、直列接続された複数個のバッテリ及び第一〜第二バッテリ保護回路を有するバッテリ装置を有することがある。第一バッテリ保護回路は、バッテリの充放電を制御してバッテリを保護する。第一バッテリ保護回路が動作すべき時に万一動作しない場合、バッテリが過充電状態になり、バッテリが発火などを起こさないように、第二バッテリ保護回路はバッテリ装置の機能を停止する。第二バッテリ保護回路はバッテリの最終保護機能を担うので、第二バッテリ保護回路が動作すると、バッテリ装置は使用不能になる(例えば、特許文献1参照)。
具体的には、図4に示すように、第二バッテリ保護回路10はバッテリBAT1〜BAT4の電圧を監視し、その電圧が所定電圧以上になると、第二バッテリ保護回路10は充放電経路に設けられたヒューズ20を切断し、充放電経路が切断され、バッテリ装置は停止する。
特開2000−295777号公報
ここで、図4に示すように、第二バッテリ保護回路10は、中間端子VC2に接続されるPウェル12aとNサブと間の寄生ダイオードを有する。また、第二バッテリ保護回路10は、ベースをNサブとしてエミッタをPウェル12aとしてコレクタをPウェル12bとする寄生バイポーラトランジスタ12を有する。また、最上段のバッテリBAT1の正極端子は電源端子VDDであるとし、最下段のバッテリBAT4の負極端子が接地端子VSSであるとし、バッテリBAT2〜BAT3の端子が中間端子VC1〜VC3であるとする。
すると、例えば、中間端子VC2及び接地端子VSSのみがバッテリに接続される場合、中間端子VC2から電源端子VDDに寄生ダイオードを介して順方向電流が流れ、この順方向電流(ベース電流)によって寄生バイポーラトランジスタ12が動作することにより、論理回路11が誤動作することがある。その誤作動により、第二バッテリ保護回路10がバッテリ装置を使用不能にする信号を出力することがある。
よって、第二バッテリ保護回路10の各端子と各バッテリとの接続の順番に関する制約が必要になるので、バッテリ装置の製造プロセスが複雑になって歩留まりが低くなり、バッテリ装置の製造コストが高くなる。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、製造コストを安くできるバッテリ保護回路及びバッテリ装置を提供する。
本発明は、上記課題を解決するため、直列接続する複数のバッテリを保護し、最上段の前記バッテリの正極端子がスイッチ群を介して接続される電源端子と最下段の前記バッテリの負極端子が前記スイッチ群を介して接続される接地端子と前記バッテリ間の接続点が前記スイッチ群を介して接続される中間端子とを備えるバッテリ保護回路において、各前記バッテリの電圧を監視する複数の監視回路と、前記バッテリの電圧が所定電圧以上になると、各前記バッテリの充放電経路が遮断されるよう動作する論理回路と、前記中間端子に設けられる第一ウェルと、前記中間端子に設けられず、前記第一ウェルに近接配置される第二ウェルと、前記中間端子に設けられず、前記第一ウェルに近接配置され、前記第一ウェルを囲うよう配置される第三ウェルと、を備えることを特徴とするバッテリ保護回路を提供する。
また、本発明は、上記課題を解決するため、直列接続する複数のバッテリを保護し、最上段の前記バッテリの正極端子がスイッチ群を介して接続される電源端子と最下段の前記バッテリの負極端子が前記スイッチ群を介して接続される接地端子と前記バッテリ間の接続点が前記スイッチ群を介して接続される中間端子とを有するバッテリ保護回路を備えるバッテリ装置において、各前記バッテリの電圧を監視する複数の監視回路と、前記バッテリの電圧が所定電圧以上になると、各前記バッテリの充放電経路が遮断されるよう動作する論理回路と、前記中間端子に設けられる第一ウェルと、前記中間端子に設けられず、前記第一ウェルに近接配置される第二ウェルと、前記中間端子に設けられず、前記第一ウェルに近接配置され、前記第一ウェルを囲うよう配置される第三ウェルと、を有する前記バッテリ保護回路と、さらに、複数の前記バッテリと、前記スイッチ群と、を備えることを特徴とするバッテリ装置を提供する。
本発明では、バッテリ保護回路の全ての端子が各バッテリにそれぞれ接続される前において、これらの接続の順番により、第一ウェル及び第二ウェルによる寄生バイポーラトランジスタの動作によって論理回路が誤動作しても、第一ウェル及び第三ウェルによる寄生バイポーラトランジスタの動作によって論理回路はリセットされるので、これらの接続の順番によってバッテリの充放電経路が遮断されない。よって、これらの接続の順番に関する制約がなくなるので、バッテリ装置の製造プロセスが簡単になって歩留まりが高くなり、バッテリ装置の製造コストが安くなる。
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
[第一実施形態]
まず、バッテリ保護回路の構成について説明する。図1は、バッテリ保護回路を示す図である。図2は、バッテリ保護回路を示すレイアウト図である。
バッテリ装置は、バッテリBAT1〜BAT4、スイッチSW1〜SW5、バッテリ保護回路30及びヒューズ20を有する。バッテリ保護回路30は、電源端子VDD、中間端子VC1〜VC3、接地端子VSS及び出力端子VOUTを備える。また、バッテリ保護回路30は、プルダウン抵抗34、比較回路36〜39、基準電圧回路36a〜39a及び論理回路31を備える。論理回路31は、リセット回路31aを有する。比較回路及び基準電圧回路は、監視回路として機能する。
比較回路38は、Pウェル32a及びPウェル33bを有する。論理回路31は、Pウェル32bを有する。バッテリ保護回路30は、中間端子VC2に接続されるPウェル32aとNサブと間の寄生ダイオードを有する。また、バッテリ保護回路30は、ベースをNサブとしてエミッタをPウェル32aとしてコレクタをPウェル32bとする寄生バイポーラトランジスタ32を有する。また、バッテリ保護回路30は、ベースをNサブとしてエミッタをPウェル32aとしてコレクタをPウェル33bとする寄生バイポーラトランジスタ33を有する。
バッテリBAT1〜BAT4は、順に直列接続される。バッテリBAT1の正極端子は、スイッチSW1を介して電源端子VDDに接続される。バッテリBAT2の正極端子は、スイッチSW2を介して中間端子VC1に接続される。バッテリBAT3の正極端子は、スイッチSW3を介して中間端子VC2に接続される。バッテリBAT4の正極端子は、スイッチSW4を介して中間端子VC3に接続される。バッテリBAT4の負極端子は、スイッチSW5を介して接地端子VSSに接続される。また、バッテリBAT1の正極端子は、ヒューズ20を介して充電器(図示せず)または負荷(図示せず)に接続される。電源端子VDDと中間端子VC1と中間端子VC2と中間端子VC3とは、比較回路36〜39の非反転入力端子にそれぞれ接続される。基準電圧回路36a〜39aの出力端子は、比較回路36〜39の反転入力端子にそれぞれ接続される。比較回路36〜39の出力端子は、論理回路31の各入力端子にそれぞれ接続される。論理回路31の出力端子は、出力端子VOUTに接続される。出力端子VOUTとバッテリBAT1の正極端子との間にヒューズ20が設けられる。プルダウン抵抗34は、一端が接地端子VSSに接続され、他端がPウェル33b及びリセット回路31aの入力端子に接続される。
寄生バイポーラトランジスタ32は、ベースが電源端子VDDに接続され、エミッタがPウェル32aに接続され、コレクタが32bに接続される。寄生バイポーラトランジスタ33は、ベースが電源端子VDDに接続され、エミッタがPウェル32aに接続され、コレクタが33bに接続される。Pウェル32aは、中間端子VC2に接続される。プルダウン抵抗34は、一端が接地端子VSSに接続され、他端がPウェル33b及びリセット回路31aの入力端子に接続される。
なお、電源端子VDDと論理回路31との間には、電源端子VDDの電圧から電源端子VDDの電圧よりも低い一定の電圧を生成するボルテージレギュレータ(図示せず)が設けられる。また、比較回路36〜39と論理回路31との間には、比較回路36〜39の出力電圧のレベルを低くシフトするレベルシフタ回路(図示せず)が設けられる。また、論理回路31と出力端子VOUTとの間には、論理回路31の出力電圧のレベルを高くシフトするレベルシフタ回路(図示せず)が設けられる。
ここで、Pウェル32aは、中間端子VC2に設けられる。Pウェル32bは、中間端子VC2に設けられず、Pウェル32aに近接配置される。Pウェル33bは、中間端子VC2に設けられず、Pウェル32aに近接配置され、Pウェル32aを囲うよう配置される。
また、リセット回路31aは、Pウェル33bの電圧が中間端子VC2の電圧付近になるとリセット回路31aの入力端子の電圧がハイになるよう回路設計される。
また、基準電圧回路36a〜39aは基準電圧を生成する。基準電圧に基づき、基準電圧回路36a〜39a及び比較回路36〜39はバッテリBAT1〜BAT4の電圧をそれぞれ監視する。バッテリBAT1〜BAT4の電圧が基準電圧以上になると、論理回路31はバッテリBAT1〜BAT4の充放電経路が遮断されるよう動作する。
また、比較回路36〜39及び基準電圧回路36a〜39aの電源電圧は、電源端子VDDの電圧である。つまり、比較回路36〜39及び基準電圧回路36a〜39aは、ハイボルテージ領域に位置する。論理回路31の電源電圧は、ボルテージレギュレータによって生成された電源端子VDDの電圧よりも低い一定の電圧である。つまり、論理回路31は、ローボルテージ領域に位置する。
また、バッテリ保護回路30は、Nサブの基板に形成される。
次に、電源端子VDDが接続される前に中間端子VC2が接続され、バッテリ保護回路30がバッテリBAT1〜BAT4に接続中になっていて、スイッチSW3及びスイッチSW5のみがオンし、中間端子VC2がバッテリBAT3の正極端子に接続され、接地端子VSSがバッテリBAT4の負極端子に接続される場合の、バッテリ保護回路30の動作について説明する。
Pウェル32aはバッテリ保護回路30の最高電圧になっているので、中間端子VC2から電源端子VDDに寄生ダイオードを介して順方向電流が流れ、この順方向電流(ベース電流)によって寄生バイポーラトランジスタ32が動作する。よって、エミッタとしてのPウェル32aからコレクタとしてのPウェル32bに電流が流れ、Pウェル32bの電圧が中間端子VC2の電圧になる。
この時、上記と同様に寄生バイポーラトランジスタ33も動作し、エミッタとしてのPウェル32aからコレクタとしてのPウェル33bに電流が流れ、Pウェル33bの電圧も中間端子VC2の電圧になり、リセット回路31aの入力端子の電圧がハイになる。すると、リセット回路31aは論理回路31内部の所定のフリップフロップ(図示せず)などを強制的にリセットするので、論理回路31がリセットされ、論理回路31はバッテリ装置を使用不能にする信号を出力しない。
ここで、中間端子VC2の電圧は、寄生バイポーラトランジスタ32〜33により、電源端子VDDの電圧とほぼ等しくなる。この電源端子VDDの電圧は、論理回路31及びリセット回路31aの電源電圧であるので、中間端子VC2の電圧が、論理回路31及びリセット回路31aの電源電圧になる。よって、Pウェル33bの電圧が中間端子VC2の電圧付近になると、論理回路31及びリセット回路31aはPウェル33bの電圧がハイになると認識する。
次に、バッテリ保護回路30がバッテリBAT1〜BAT4に接続し終わり、スイッチSW1〜SW5がオンし、接地端子VDDがバッテリBAT1の正極端子に接続され、中間端子VC1〜VC3がバッテリBAT2〜BAT4の正極端子に接続され、接地端子VSSがバッテリBAT4の負極端子に接続される場合の、バッテリ保護回路30の動作について説明する。
Nサブはバッテリ保護回路30の最高電圧になっているので、中間端子VC2から電源端子VDDに寄生ダイオードを介して順方向電流が流れず、寄生バイポーラトランジスタ32〜33が動作しない。よって、その分、消費電流が少なくなる。ここで、プルダウン抵抗34がPウェル33bをプルダウンするので、Pウェル33bの電圧が接地電圧付近に確定される。
また、バッテリBAT1〜BAT4が充電され、バッテリBAT1〜BAT4の電圧が高くなり、バッテリBAT1〜BAT4の中のいずれか1個のバッテリ、例えば、バッテリBAT3の電圧が基準電圧回路38aの基準電圧以上になると、比較回路38の出力電圧はハイになる。この時のバッテリBAT3の状態は過充電状態である。このハイ信号は、論理回路31によって遅延処理などを施され、出力端子VOUTから過充電検出信号として出力する。
また、論理回路31による遅延処理中に、バッテリBAT3の電圧が基準電圧回路38aの基準電圧未満になると、比較回路38の出力電圧はローになる。この時のバッテリBAT3の状態は通常状態である。このロー信号は、リセット回路31aの入力端子に過充電検出解除信号として入力する。
このようにすると、バッテリ保護回路30の全ての端子がバッテリBAT1〜BAT4にそれぞれ接続される前において、これらの接続の順番により、Pウェル32a〜32bによる寄生バイポーラトランジスタ32の動作によって論理回路31が誤動作しても、Pウェル32a及びPウェル33bによる寄生バイポーラトランジスタ33の動作によって論理回路31はリセットされるので、これらの接続の順番によってバッテリBAT1〜BAT4の充放電経路が遮断されない。よって、これらの接続の順番に関する制約がなくなるので、バッテリ装置の製造プロセスが簡単になって歩留まりが高くなり、バッテリ装置の製造コストが安くなる。
また、Pウェル33b及びプルダウン抵抗34が設けられることのみによって論理回路31が誤動作しなくなるので、複雑な製造プロセスを用いて論理回路31が誤動作しないよう素子分離する必要がなくなり、複雑な製造プロセスが不必要になる。よって、製造コストが安くなる。
なお、図2には、中間端子VC2に関する寄生ダイオード及び寄生バイポーラトランジスタのみが記載されているが、図示しないが、実際には、中間端子VC1及び中間端子VC3に関する寄生ダイオード及び寄生バイポーラトランジスタも存在している。この時、各中間端子に接続される各Pウェルは、1個のPウェルで囲まれても良いし、別々のPウェルでそれぞれ囲まれても良い。
また、論理回路31がPウェル32bを有しているが、基準電圧回路または比較回路がPウェル32bを有しても良い。
また、図2には、4個のバッテリが使用されているが、4個未満または5個以上のバッテリが使用されても良い。この時、バッテリの数に合わせ、スイッチと中間端子と中間端子に接続されるPウェルを囲うPウェルとが設けられる。
また、過充電検出解除信号がハイ信号と回路設計される場合、過充電検出解除信号のノードがPウェル33bに接続されても良い。この時、過充電検出解除信号が出力されてもPウェル33bの電圧がハイになっても、論理回路31はバッテリ装置を使用不能にする信号を出力しない。
また、他のリセット機能からの出力端子がPウェル33bに接続されても良い。この時、他のリセット機能が動作してもPウェル33bの電圧がハイになっても、論理回路31はバッテリ装置を使用不能にする信号を出力しない。
また、バッテリ保護回路30がNサブの基板に形成され、電源端子VDDと中間端子VC1〜VC3と接地端子VSSとが順番にバッテリBAT1〜BAT4にそれぞれ接続されると、論理回路31はバッテリ装置を使用不能にする信号を出力しない。
また、バッテリ保護回路30がPサブの基板に形成され、接地端子VSSと中間端子VC3〜VC1と電源端子VDDとが順番にバッテリBAT4〜BAT1にそれぞれ接続されると、論理回路31はバッテリ装置を使用不能にする信号を出力しない。
[第二実施形態]
ここで、バッテリ保護回路30がNサブの基板に形成されているが、図3に示すように、バッテリ保護回路40がPサブの基板に形成されてもよい。すると、寄生バイポーラトランジスタは、図2では、PNPパイポーラトランジスタであるが、図3では、NPNパイポーラトランジスタになる。また、ヒューズ20は、図2では、出力端子VOUTとバッテリBAT1の正極端子との間に設けられるが、図3では、出力端子VOUTとバッテリBAT4の負極端子との間に設けられる。
まず、バッテリ保護回路の構成について説明する。図3は、バッテリ保護回路を示すレイアウト図である。
バッテリ装置は、バッテリBAT1〜BAT4、スイッチSW1〜SW5、バッテリ保護回路40及びヒューズ20を有する。バッテリ保護回路40は、電源端子VDD、中間端子VC1〜VC3、接地端子VSS及び出力端子VOUTを備える。また、バッテリ保護回路40は、プルアップ抵抗44、比較回路(図示せず)、基準電圧回路(図示せず)及び論理回路41を備える。論理回路41は、リセット回路41aを有する。比較回路及び基準電圧回路は、監視回路として機能する。
比較回路は、Nウェル42a及びNウェル43bを有する。論理回路41は、Nウェル42bを有する。バッテリ保護回路40は、中間端子VC2に接続されるNウェル42aとPサブと間の寄生ダイオードを有する。また、バッテリ保護回路40は、ベースをPサブとしてエミッタをNウェル42aとしてコレクタをNウェル42bとする寄生バイポーラトランジスタ42を有する。また、バッテリ保護回路40は、ベースをPサブとしてエミッタをNウェル42aとしてコレクタをNウェル43bとする寄生バイポーラトランジスタ43を有する。
ここで、Nウェル42aは、中間端子VC2に設けられる。Nウェル42bは、中間端子VC2に設けられず、Nウェル42aに近接配置される。Nウェル43bは、中間端子VC2に設けられず、Nウェル42aに近接配置され、Nウェル42aを囲うよう配置される。
また、リセット回路41aは、Nウェル43bの電圧が中間端子VC2の電圧付近になるとリセット回路41aの入力端子の電圧がローになるよう回路設計される。
次に、接地端子VSSが接続される前に中間端子VC2が接続され、バッテリ保護回路40がバッテリBAT1〜BAT4に接続中になっていて、スイッチSW1及びスイッチSW3のみがオンし、電源端子VDDがバッテリBAT1の正極端子に接続され、中間端子VC2がバッテリBAT3の正極端子に接続される場合の、バッテリ保護回路40の動作について説明する。
Nウェル42aの電圧は中間端子VC2の電圧になり、Pサブの電圧がNウェル42aの電圧よりも高くなると、接地端子VSSから中間端子VC2に寄生ダイオードを介して順方向電流が流れ、この順方向電流(ベース電流)によって寄生バイポーラトランジスタ42が動作する。よって、コレクタとしてのNウェル42bからエミッタとしてのNウェル42aに電流が流れ、Nウェル42bの電圧が中間端子VC2の電圧になる。
この時、上記と同様に寄生バイポーラトランジスタ43も動作し、コレクタとしてのNウェル43bからエミッタとしてのNウェル42aに電流が流れ、Nウェル43bの電圧も中間端子VC2の電圧になり、リセット回路41aの入力端子の電圧がローになる。すると、リセット回路41aは論理回路41内部の所定のフリップフロップ(図示せず)などを強制的にリセットするので、論理回路41がリセットされ、論理回路41はバッテリ装置を使用不能にする信号を出力しない。
バッテリ保護回路を示す図である。 バッテリ保護回路を示すレイアウト図である。 バッテリ保護回路を示すレイアウト図である。 従来のバッテリ保護回路を示すレイアウト図である。
符号の説明
BAT1〜BAT4……バッテリ SW1〜SW5……スイッチ
VDD……電源端子 VC1〜VC3……中間端子
VSS……接地端子 VOUT……出力端子
20……ヒューズ 30……バッテリ保護回路
31……論理回路 31a……リセット回路
32〜33……寄生バイポーラトランジスタ 32a〜32b、33b……Pウェル
34……プルダウン抵抗 36〜39……比較回路
36a〜39a……基準電圧回路

Claims (2)

  1. 直列接続する複数のバッテリを保護し、最上段の前記バッテリの正極端子がスイッチ群を介して接続される電源端子と最下段の前記バッテリの負極端子が前記スイッチ群を介して接続される接地端子と前記バッテリ間の接続点が前記スイッチ群を介して接続される中間端子とを備えるバッテリ保護回路において、
    各前記バッテリの電圧を監視する複数の監視回路と、
    前記バッテリの電圧が所定電圧以上になると、各前記バッテリの充放電経路が遮断されるよう動作する論理回路と、
    前記中間端子に設けられる第一ウェルと、
    前記中間端子に設けられず、前記第一ウェルに近接配置される第二ウェルと、
    前記中間端子に設けられず、前記第一ウェルに近接配置され、前記第一ウェルを囲うよう配置される第三ウェルと、
    を備えることを特徴とするバッテリ保護回路。
  2. 直列接続する複数のバッテリを保護し、最上段の前記バッテリの正極端子がスイッチ群を介して接続される電源端子と最下段の前記バッテリの負極端子が前記スイッチ群を介して接続される接地端子と前記バッテリ間の接続点が前記スイッチ群を介して接続される中間端子とを有するバッテリ保護回路を備えるバッテリ装置において、
    各前記バッテリの電圧を監視する複数の監視回路と、
    前記バッテリの電圧が所定電圧以上になると、各前記バッテリの充放電経路が遮断されるよう動作する論理回路と、
    前記中間端子に設けられる第一ウェルと、
    前記中間端子に設けられず、前記第一ウェルに近接配置される第二ウェルと、
    前記中間端子に設けられず、前記第一ウェルに近接配置され、前記第一ウェルを囲うよう配置される第三ウェルと、
    を有する前記バッテリ保護回路と、
    さらに、
    複数の前記バッテリと、
    前記スイッチ群と、
    を備えることを特徴とするバッテリ装置。
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