JP2010130742A - 逆流防止回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電池を逆接続した場合の電流の逆流を防止するにあたって、ＭＯＳＦＥＴを用いた場合に、昇圧回路を用いずともＭＯＳＦＥＴのスイッチをＯＮして、電源を所望の回路に供給する。
【解決手段】ＭＯＳＦＥＴ１３０のソースと電池を装着するホルダーとの間に負荷回路を設け、ＭＯＳＦＥＴ１３０のゲートを負荷回路が接続されている同じ電極に接続する。これにより、電池を正しく接続した場合には、電池１１４の起電力がＭＯＳＦＥＴ１３０に印加される。また、ＭＯＳＦＥＴ１３０のソースにも負荷回路１２０を通過した後の電圧が印加されるが、負荷回路１２０で電圧降下が生じるため、結果、ゲート−ソース間電圧が大きくなるので、昇圧回路を用いずとも、ＭＯＳＦＥＴ１３０のスイッチをＯＮして、負荷回路１２０に電源を供給することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は電流の逆流を防止する回路構成に関する。

回路に電池を逆に接続した場合に電流が逆流することにより回路部品が破損してしまうことがあるため、電流の逆流を防ぐ必要があるが、その手法には、様々な手法がある。
単純なところでは、図６（ａ）に示すように、ショットキーバリアダイオード６０１を使用する方法や、図６（ｂ）に示すように、トランジスタ６０２を使用する方法がある。ただ、ショットキーバリアダイオード６０１や、トランジスタ６０２を使用する場合には、それぞれの素子において、電圧降下を生じるため、電池の起電圧全てを電池からの電源が供給される回路で使用できないという問題がある。

そこで、特許文献１（図７）に示すように、素子での電圧降下が生じないＭＯＳＦＥＴを使用して二次電池ＢＴから充電回路側への電流の逆流を防ぐことがある。ＭＯＳＦＥＴ７０２では、ボディダイオードが形成され、これにより逆流が防止される。なお、ＭＯＳＦＥＴ７０１とＭＯＳＦＥＴ７０２とでスイッチング素子が形成され、当該スイッチング素子を経由して充電回路７０３から二次電池７０４に電源が供給される。

スイッチング素子として作用する必要がない場合には、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ１つで事足り、特許文献２（図８）に示すような回路構成にすることで、図８に示す電池８１０の接続方向とは逆の接続をした場合に、電流が逆流することを防止できる。
特開平９−４６９１１号公報 特開平７−１８４３１８号公報

しかし、上記特許文献２の場合にはＭＯＳＦＥＴ８３０を駆動して、電池８１０から負荷回路８２０に電源を供給するには、ゲート−ソース間電圧を所定値以上にするために、ゲート端子に電池の起電圧以上の電圧を印加しないといけない。そのためには、昇圧回路等を組み込む必要があり、回路規模の増大や、昇圧回路の設置によるコストの増大を招くこととなる。

そこで、本発明においては、昇圧回路などを組み込まずとも、電池を順接続した場合には、所望の回路に電源を供給でき、電池を逆接続した場合には、電流の逆流を防止できる逆流防止回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る逆流防止回路は、電池が逆接続された場合の電流の逆流を防止する逆流防止回路であって、電池が装着される第１電極と第２電極とを備えた電池ホルダーと、前記電池ホルダーに装着された電池からの電源の供給を受けて動作する負荷回路と、ＭＯＳＦＥＴとを備え、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートは前記電池ホルダーの第１電極に接続され、前記ＭＯＳＦＥＴのドレインは前記電池ホルダーの第２電極に接続され、前記ＭＯＳＦＥＴのソースは前記負荷回路を介して前記電池ホルダーの第１電極に接続されていることを特徴としている。

上述のような構成によって、ソース側に負荷回路を接続することになるので、ソース側の電位を下げることができ、結果、ゲートに印加される電圧は、電池の起電圧と同等であっても、ゲート−ソース間電圧を所望の値以上にすることができる。つまり、電池を正しく接続（以下、「順接続」という）した場合には、昇圧回路の存在なしに、ＭＯＳＦＥＴのスイッチをＯＮして、負荷回路に電源を供給することができる。また、電池を逆接続した場合には、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードにより電流の逆流が防がれることになる。

＜実施の形態＞
以下、本発明の一実施形態である逆流防止回路について図面を用いて説明する。
＜構成＞
図１は、逆流防止回路１００の構成を示した回路図である。図１（ａ）は、電池を順接続した場合、図１（ｂ）は、電池を逆接続した場合を示している。

図１（ａ）に示すように、逆流防止回路１００は、電池ホルダー１１０と、負荷回路１２０と、ＭＯＳＦＥＴ１３０とを含んで構成される。
電池ホルダー１１０は、第１電極１１１と第２電極１１２とを含んで構成される電池１１４を装着するためのホルダーである。電池１１４が電池ホルダー１１０に装着されることで回路上に電源が供給される。なお、電池ホルダー１１０は、電池１１４を順接続、逆接続のいずれの形態ででも装着が可能であるが、回路が正常に動作するのは順接続した場合のみである。電池１１４が順接続された場合には、電池の正極は第１電極１１１に、負極は第２電極１１２に接続される。また、逆接続された場合には、電池の正極は第２電極１１２に、負極は第１電極１１１に接続される。

電池１１４は、例えば、アルカリ電池あるいはリチウムイオン電池など回路への脱着が可能な電池である。ここでは、電池１１４の起電力は、３Ｖであるとする。
負荷回路１２０は、電池ホルダー１１０を介して電池１１４から電源の供給を受けて動作する回路であり、例えば携帯電話機の場合には、通信回路などが該当する。図１では、負荷回路１２０は単体として示しているが、負荷回路１２０は、電力を消費し、電圧降下が生じる回路、部品の集合である。ここでは、負荷回路１２０の抵抗値は、３０Ω程度とする。

ＭＯＳＦＥＴ１３０は、エンハンスメント型のＮチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、保護ダイオード１３２を含んで構成される。なお、ここではＭＯＳＦＥＴ１３０をエンハンスメント型としているが、本発明の趣旨を逸脱しない限りエンハンスメント型以外のＭＯＳＦＥＴを利用してもよい。ここでは、ＭＯＳＦＥＴとしてＮＥＣ社製のＭＯＳＦＥＴ、「２ＳＫ２０５３」を使用する。

図１（ａ）に示すように、順接続されている場合には、電池１１４の正極は電池ホルダー１１０を介して、負荷回路１２０と、ＭＯＳＦＥＴ１３０のゲートに接続される。負荷回路１２０の電池１１４と接続されていない方の端は、ＭＯＳＦＥＴ１３０のソースに接続される。
また、電池１１４の負極ならびに、ＭＯＳＦＥＴのドレインは共に接地されている。なお、ここでは、図１に示すように接地させてあるが、実際には、ＭＯＳＦＥＴ１３０のドレインは、電池ホルダー１１０を介して電池１１４の負極に接続されている。

なお、図１（ｂ）に示すように、電池１１４を逆接続した場合には、当然、正極と負極が逆転することになる。
＜データ＞
ここで、ＭＯＳＦＥＴ１３０の特性について説明しておく。
図２は、ＭＯＳＦＥＴ１３０のゲート−ソース間電圧と、ドレイン−ソース間電圧の関係を示したグラフである。図２中、曲線２０１は、ドレイン電流が１Ａ、２．５Ａの場合の特性であり、曲線２０２は、ドレイン電流が５Ａの場合の特性を示している。

図２を見れば分かるように、曲線２０１の場合は、ゲート−ソース間電圧が１．５Ｖを越えた辺りから、ドレイン−ソース間抵抗が急に下がり始め、２．３Ｖを越えた辺りで、０．１Ωになり、ＭＯＳＦＥＴ１３０のスイッチがＯＮされて、電池１１４の起電圧とほぼ同等の電圧が印加されて経路上を電流が流れる。
つまり、ゲート−ソース間に所定以上の電圧をかけることで、ドレイン−ソース間の抵抗を下げ、殆どロスなく、回路上を電流が流れることになる。なお、ゲートの電位がソースの電位よりも高くなることが前提である。

また、図３は、ゲート−ソース間電圧とドレイン電流の関係を示したグラフである。図３中、曲線３０１、３０２、３０３は、それぞれ外気温が７５℃、２５℃、−２５℃の場合の特性を示している。
図３に示すグラフを見れば分かるように、ゲート−ソース間電圧が高ければ高いほど、ドレイン電流は高くなるが、ゲート−ソース間電圧が低ければ低いほど、ドレイン電流も低くなる。

当然、電池１１４を逆接続した場合には、ドレイン電流はマイナスになり、図３に示すグラフからも推察できるように、ゲート−ソース間電圧が０．７Ｖ以下では、ドレイン−ソース間抵抗は３ｋΩ以上となる。電池１１４を逆接続した場合には、ゲート−ソース間電圧は、０Ｖになるので、ドレイン−ソース間抵抗値は更に高くなるので、電池が逆接続されたとしても、ドレイン−ソース間を電流が逆流することはない。
＜動作＞
次に、本実施の形態の動作を図４に示すタイミングチャートを用いて本発明に係る逆流防止回路について、順方向に電池を接続した場合の動作について説明する。

電池１１４が電池ホルダー１１０に順接続で装着されると、ＭＯＳＦＥＴ１３０のゲート端子には、電池１１４の起電圧３Ｖが印加される（Ｔ０）。一方、ＭＯＳＦＥＴ１３０のソース端子には、最初はボディダイオード１３１経由で電流が流れるので、ボディダイオード１３１に基づく電圧が印加されることになる。
そして、ソース電圧の電圧値が０．７Ｖになると（Ｔ１）、ゲート−ソース間電圧が２．３Ｖになるので、ＭＯＳＦＥＴ１３０のスイッチがＯＮし、ボディダイオード１３１側ではなく、スイッチ側を電流が流れる。ＭＯＳＦＥＴ１３０のスイッチがＯＮしている状態での抵抗は、約０．１５Ωになるので、ＭＯＳＦＥＴ１３０では、殆ど電圧降下を生じることなく、電池１１４の起電力３Ｖのほぼ全てを負荷回路１２０に印加させることができる。ＭＯＳＦＥＴ１３０のスイッチがＯＮすると、ソース端子には、１４．９ｍＶが印加されている状態になる。

なお、電池が逆接続された場合には、前述の通り、スイッチがＯＮされて経路上接続が発生することもなく、また、ボディダイオード１３１を通って電流が通過することもないので、電流の逆流が防止される。
＜変形例＞
上記実施の形態において、本発明の実施の手法について説明してきたが、本発明の実施形態がこれに限られないことは勿論である。以下、上記実施形態以外に本発明として含まれる各種の変形例について説明する。

上記実施の形態では、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ１３０を用いて、逆流防止回路を説明したが、これは、Ｎチャンネルでなく、Ｐチャンネルであってもよい。
但し、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いる場合には、図５に示す回路図となる。図５（ａ）は、電池１１４を電池ホルダー１１０に順接続した場合を示す回路図であり、図５（ｂ）は、電池１１４を電池ホルダー１１０に逆接続した場合を示す回路図である。

図５（ａ）に示すように逆流防止回路５００は、電池１１４が装着される電池ホルダー１１０と、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ１４０と、負荷回路１２０とを含んで構成される。なお、当該図５においても電池１１４の一端と、負荷回路の一端と、ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ１４０のゲートは接地させているが、実際には、電池の一端と、負荷回路１２０及びＭＯＳＦＥＴ１４０のゲートとは互いに接続されている。

電池ホルダー１１０は、第１電極１１１と第２電極１１２とを含んで構成される電池１１４を装着するためのホルダーである。電池１１４が電池ホルダー１１０に装着されることで回路上に電源が供給される。なお、電池ホルダー１１０は、電池１１４を順接続、逆接続のいずれの形態ででも装着が可能であるが、回路が正常に動作するのは順接続した場合のみである。電池１１４が順接続された場合には、電池の正極は第１電極１１１に、負極は第２電極１１２に接続される。また、逆接続された場合には、電池の正極は第２電極１１２に、負極は第１電極１１１に接続される。

当該構成にすることにより、ＭＯＳＦＥＴ１４０のソース側の電位が、負荷回路１２０があることにより、下がり、電池１１４が図５（ａ）に示されるように順接続されている場合には、ゲート−ソース間電圧が２．３Ｖを越えるとＭＯＳＦＥＴ１４０のスイッチがＯＮして、回路上を電池１１４の起電圧に基づく電流が流れることになる。
また、図５（ｂ）に示すように、電池１１４を逆接続したとしても、ＭＯＳＦＥＴ１４０のボディダイオード１３１の存在により、電流が逆流することはない。

本発明に係る逆流防止回路は、電池の脱着がいずれの方向ででも可能な装置において、本来の用途とは逆の方向に接続してしまった場合の電流の逆流を防止する部品点数の少ない防止回路として、例えば携帯電話機などに利用することができる。

本発明に係るＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを使用した逆流防止回路の回路図であり、（ａ）は、順接続した場合の回路図であり、（ｂ）は逆接続した場合の回路図である。 ＭＯＳＦＥＴ１３０の転送特性を示したグラフである。 ＭＯＳＦＥＴ１３０のゲート−ソース間電圧と、ドレイン電流との関係を示したグラフである。 電池を順接続した場合の電圧や、抵抗値の変化を示したタイミングチャートである。 本発明に係るＰチャンネルＭＯＳＦＥＴを使用した逆流防止回路の回路図であり、（ａ）は、順接続した場合の回路図であり、（ｂ）は逆接続した場合の回路図である。 従来の逆流防止回路を示した図であり、（ａ）はショットキーバリアダイオードを使用した場合、（ｂ）は、トランジスタを使用した場合の回路図である。 ＭＯＳＦＥＴを使用した特許文献１に係る逆流防止回路を示した回路図である。 ＭＯＳＦＥＴを使用した特許文献２に係る逆流防止回路を示した回路図である。

符号の説明

１００、５００ 逆流防止回路
１１０ 電池ホルダー
１１１ 第１電極
１１２ 第２電極
１１４、８１０ 電池
１２０、８２０ 負荷回路
１３０、８３０ ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴ
１３１ ボディダイオード
１３２ 保護ダイオード
１４０ ＰチャンネルＭＯＳＦＥＴ
６０１ ショットキーバリアダイオード
６０２ トランジスタ
７０１、７０２ ＭＯＳＦＥＴ
７０３ 充電回路
７０４ 二次電池

Claims (3)

1. 電池が逆接続された場合の電流の逆流を防止する逆流防止回路であって、
   電池が装着される第１電極と第２電極とを備えた電池ホルダーと、
   前記電池ホルダーに装着された電池からの電源の供給を受けて動作する負荷回路と、
   ＭＯＳＦＥＴとを備え、
   前記ＭＯＳＦＥＴのゲートは前記電池ホルダーの第１電極に接続され、
   前記ＭＯＳＦＥＴのドレインは前記電池ホルダーの第２電極に接続され、
   前記ＭＯＳＦＥＴのソースは前記負荷回路を介して前記電池ホルダーの第１電極に接続されている
   ことを特徴とする逆流防止回路。
2. 前記ＭＯＳＦＥＴは、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴであり、
   電池を前記電池ホルダーに順接続で装着した場合に、前記第１電極は前記電池の正極と接続され、前記第２電極は前記電池の負極と接続される
   ことを特徴とする請求項１記載の逆流防止回路。
3. 前記ＭＯＳＦＥＴは、Ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴであり、
   電池を前記電池ホルダーに順接続で装着した場合に、前記第１電極は前記電池の負極と接続され、前記第２電極は前記電池の正極と接続される
   ことを特徴とする請求項１記載の逆流防止回路。

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