JP2010142062A - 保護用半導体装置及びその保護用半導体装置を備えたバッテリパック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路構成でしかも瞬時に充電禁止電池の有無を検出することができる保護用半導体装置及びその保護用半導体装置を備えたバッテリパックを得る。
【解決手段】二次電池Ｂ１及びＢ２の各電池電圧が０Ｖに近い所定の電圧未満か否かの判定を行うディプレッション型のＮＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１３、エンハンスメント型のＮＭＯＳトランジスタＭ１２，Ｍ１４及び抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４からなる判定回路を備え、前記判定回路が、二次電池Ｂ１及び／又はＢ２が前記所定の電圧未満であると判定すると、所定の充電禁止信号を出力するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電子機器等に使用する二次電池を、過充電、過放電、放電過電流、充電過電流、短絡電流等から保護する保護用半導体装置と、その保護用半導体装置を備えたバッテリパックに関する。

従来、携帯電子機器では、取り扱いの簡便なバッテリパックが広く使用されている。このようなバッテリパックは、１つ乃至複数個の二次電池を１つのパッケージに格納したもので、二次電池としてはリチウムイオン電池や、リチウムポリマ電池、ニッケル水素電池等の高容量のものが使用されている。このような高容量の二次電池は、内部に保持しているエネルギー量が極めて大きいため、過充電、過放電、過電流が発生した場合は発熱し、不具合を発生する場合があった。
このため、二次電池を過充電、過放電、放電過電流、充電過電流、短絡電流等から保護する保護用半導体装置がバッテリパック内に収められ、二次電池の保護が必要な場合は、二次電池と充電器又は負荷装置との接続を遮断して発熱、発火を防いでいた。

保護用半導体装置は、このような過充電、過放電、放電過電流、充電過電流、短絡電流等を検出するために、それぞれ専用の検出回路を備えている。該検出回路は、保護動作が必要な異常を検出すると、該異常を検出したことを示す検出信号を出力し、二次電池と充電器又は負荷装置との間に設けられているスイッチ手段をオフして、接続を遮断していた。
また、バッテリパックからは、充電時に使用する各種の情報が充電装置に出力され、充電が安全に行えるようにしていた。

更に、保護用半導体装置の役割として、バッテリパック内の二次電池の良否を判定し、不良の二次電池が含まれている場合には二次電池への充放電を禁止する機能を付加することが望ましかった。不良の二次電池とは、電池容量が極端に低下したり、二次電池内部で断線や短絡等が発生して、端子電圧が０Ｖ付近まで低下したもの等である。
そこで、従来の保護機能に加えてタップはずれ等の電池電圧検出の異常やショート等の電池異常を認識し、過充電保護用のスイッチング手段をオフ制御することにより、二次電池の安全性をより高める保護装置があった（例えば、特許文献１参照。）。

図２は、このような二次電池の保護装置の構成例を示した図である。
図２において、複数の素電池、例えばリチウムイオン電池が並列に接続されたセルブロック１１３Ａ、１１３Ｂ及び１１３Ｃが正極端子１１１と負極端子１１２との間に直列に接続され、更にセルブロック１１３Ａ、１１３Ｂ及び１１３Ｃに対して直列に過充電保護用のＦＥＴ１１４Ｃと過放電保護用のＦＥＴ１１４Ｄとが接続されている。また、セルブロック１１３Ａ、１１３Ｂ及び１１３Ｃの各電圧を検出する電圧検出部１１５が設けられ、電圧検出部１１５には電圧検出用コンデンサＣ１０１が接続されている。また、ＦＥＴ１１４Ｃ及び１１４Ｄをオン／オフさせる充放電スイッチ制御部１１６が設けられ、充放電スイッチ制御部１１６は、電圧検出部１１５に対するセレクト信号Ｓ１、Ｓ２及びＩＮＨを出力して、電圧検出用コンデンサＣ１０１に充電された電圧値を読み込み、充放電保護用ＦＥＴ１１４Ｃ及び１１４Ｄを制御する構成になっている。
特許第３８７２１３４号公報

しかし、前記のような構成では、複数のセルブロック１１３Ａ、１１３Ｂ及び１１３Ｃに対して１つのコンデンサを順次切り換えて接続するため、電圧検出部１１５内に、デコーダ回路や、多くの切り換えスイッチが必要であった。また、該スイッチを順次切り換えるためのクロック信号等を充放電スイッチ制御部１１６から出力する必要があり、回路構成が複雑で大規模になっていた。これでも、セルブロックが２，３個と少ない場合はまだよいが、セルブロックが多数ある場合は特に問題であった。更に、セルブロックの電圧が順次出力されるため、すべての電池電圧の検出に時間がかかるという問題もあった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、簡単な回路構成でしかも瞬時に充電禁止電池の有無を検出することができる保護用半導体装置及びその保護用半導体装置を備えたバッテリパックを得ることを目的とする。

この発明に係る保護用半導体装置は、直列に接続した複数の二次電池を備えたバッテリパックに内蔵された保護用半導体装置において、
前記各二次電池のそれぞれの電池電圧の検出を行い、該各電池電圧の少なくとも１つが０Ｖ近傍の所定の電圧未満である否かの判定を行う判定回路部と、
該判定回路部が、前記各電池電圧の少なくとも１つが前記所定の電圧未満であると判定すると、所定の充電禁止信号を生成して出力する保護回路部と、
を備えるものである。

具体的には、前記判定回路部は、
対応する二次電池の電池電圧を分圧して出力する分圧回路と、
該分圧回路からの分圧電圧がゲートに入力され、ソースが該対応する二次電池の一方の電極に接続されたＭＯＳトランジスタと、
該ＭＯＳトランジスタのドレインと、前記対応する二次電池の他方の電極との間に接続された負荷と、
を前記各二次電池ごとに備え、
前記ＭＯＳトランジスタと前記負荷との接続部から前記判定結果を示す信号を出力するようにした。

この場合、前記負荷は、ゲートとソースが接続されたディプレッション型のＭＯＳトランジスタからなる定電流源をなすようにした。

また、前記各分圧回路は、それぞれ設定可能な分圧比で分圧を行うようにしてもよい。

また、この発明に係るバッテリパックは、前記いずれかの保護用半導体装置を備えるものである。

また、前記各二次電池の直列回路に直列に接続され、前記充電禁止信号に応じて遮断状態になるスイッチ手段を備えるようにした。

本発明の保護用半導体装置及びその保護用半導体装置を備えたバッテリパックによれば、簡単な回路で、複数の二次電池を直列に接続したバッテリパック内の、各二次電池の電池電圧をそれぞれ検出するようにしたことから、１つでも不良二次電池が混ざっている場合は、瞬時に充電禁止信号を出力することができる。
また、各二次電池の電池電圧をそれぞれ分圧回路で分圧し、該分圧した各電圧とＭＯＳトランジスタのしきい値電圧と比較し、該ＭＯＳトランジスタの負荷にディプレッション型のＭＯＳトランジスタで構成した定電流源を使用したことから、回路構成を簡単にすることができる。

更に、各分圧回路の分圧比を設定可能にしたことから、二次電池の電圧検出精度を高めることができる。
更に、前記充電禁止信号で、バッテリパックに内蔵された前記スイッチ手段を遮断状態にすることができ、バッテリパックに充電器を接続しても充電が行われなくなるため、バッテリパックの不具合の発生を未然に防ぐことができる。

次に、図面に示す実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
第１の実施の形態．
図１は、本発明の第１の実施の形態における保護用半導体装置を使用したバッテリパックの構成例を示した図である。
図１において、バッテリパック２０は、直列に接続された二次電池Ｂ１及びＢ２と、保護用半導体装置１０と、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１と、放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２とを備えている。また、バッテリパック２０は、正極端子Ｔ＋と負極端子Ｔ−を備えており、正極端子Ｔ＋と負極端子Ｔ−との間には、充電回路又は負荷３０が接続される。

保護用半導体装置１０は、ディプレッション型のＮＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１３、エンハンスメント型のＮＭＯＳトランジスタＭ１２，Ｍ１４、レベルシフト回路１１，１２、保護回路１３及び抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４を備えている。更に、保護用半導体装置１０は、端子Ｔ１〜Ｔ３、Ｄｏｕｔ及びＣｏｕｔを備えている。なお、ＮＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１４及び抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４は判定回路部をなし、レベルシフト回路１１，１２及び保護回路１３が保護回路部をなす。また、抵抗Ｒ１１とＲ１２及び抵抗Ｒ１３とＲ１４はそれぞれ分圧回路をなし、ＮＭＯＳトランジスタＭ１１及びＭ１３はそれぞれ負荷をなしており、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１及び／又は放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２がスイッチ手段をなしている。

二次電池Ｂ１において、正極はバッテリパック２０の正極端子Ｔ＋と保護用半導体装置１０の端子Ｔ１に接続され、負極は保護用半導体装置１０の端子Ｔ２に接続されている。また、二次電池Ｂ２において、正極は保護用半導体装置１０の端子Ｔ２に接続され、負極は保護用半導体装置１０の端子Ｔ３に接続されている。
二次電池Ｂ２の負極とバッテリパック２０の負極端子Ｔ−との間には、放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２と充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１が直列に接続されており、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１のゲートは保護用半導体装置１０の端子Ｃｏｕｔに、放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２のゲートは保護用半導体装置１０の端子Ｄｏｕｔにそれぞれ接続されている。

また、保護用半導体装置１０において、端子Ｔ１と端子Ｔ３との間に、ＮＭＯＳトランジスタＭ１１〜Ｍ１４が直列に接続されると共に、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４が直列に接続されている。更に、端子Ｔ３、抵抗Ｒ１４及びＮＭＯＳトランジスタＭ１４の接続部は接地電圧に接続されている。
ＮＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートは、ＮＭＯＳトランジスタＭ１１とＭ１２との接続部に接続され、該接続部はレベルシフト回路１１に接続されている。同様に、ＮＭＯＳトランジスタＭ１３のゲートは、ＮＭＯＳトランジスタＭ１３とＭ１４との接続部に接続され、該接続部はレベルシフト回路１２に接続されている。
ＮＭＯＳトランジスタＭ１２のゲートは抵抗Ｒ１１とＲ１２との接続部に接続され、ＮＭＯＳトランジスタＭ１４のゲートは抵抗Ｒ１３とＲ１４との接続部に接続されている。また、抵抗Ｒ１２とＲ１３との接続部は、端子Ｔ２に接続されると共にＮＭＯＳトランジスタＭ１２とＭ１３との接続部に接続されている。

レベルシフト回路１１及び１２は、入力されたすべての信号のローレベルとハイレベルの電圧レベルを揃えて、保護回路１３に出力する。保護回路１３は、端子Ｄｏｕｔと端子Ｃｏｕｔにそれぞれ接続され、レベルシフト回路１１及び１２から出力される各信号の少なくとも１つがハイレベルであった場合は、所定の充電禁止信号を端子Ｃｏｕｔに出力して充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１をオフさせる。更に、保護回路１３は、図示しない検出手段によって、過充電、過放電、放電過電流、充電過電流、短絡電流等を検出した場合は、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１と放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２のいずれか一方をオフさせて、二次電池Ｂ１及びＢ２の充放電電流を遮断する。

抵抗Ｒ１１，Ｒ１２及びＮＭＯＳトランジスタＭ１１，Ｍ１２で二次電池Ｂ１の判定回路を構成し、抵抗Ｒ１３，Ｒ１４及びＮＭＯＳトランジスタＭ１３，Ｍ１４で二次電池Ｂ２の判定回路を構成している。
抵抗Ｒ１１とＲ１２との抵抗比は、二次電池Ｂ１の電圧が不良電池と判定される所定の電圧になったときに、抵抗Ｒ１２の両端の電圧がＮＭＯＳトランジスタＭ１２のしきい値電圧に等しくなるように設定されている。抵抗Ｒ１２の両端の電圧を正確にＮＭＯＳトランジスタＭ１２のしきい値電圧に設定するために、抵抗Ｒ１１とＲ１２のいずれか一方、又は両方の抵抗値をトリミングで調整できるようにしている。

同様に、抵抗Ｒ１３とＲ１４との抵抗比も、二次電池Ｂ２の電圧が不良電池と判定される所定の電圧になったときに、抵抗Ｒ１３の両端の電圧がＮＭＯＳトランジスタＭ１４のしきい値電圧に等しくなるように設定されている。抵抗Ｒ１４の両端の電圧を正確にＮＭＯＳトランジスタＭ１４のしきい値電圧に設定するために、抵抗Ｒ１３とＲ１４のいずれか一方、又は両方の抵抗値をトリミングで調整できるようにしている。

また、ディプレッション型のＮＭＯＳトランジスタＭ１１のゲートとソースが接続されているため、ＮＭＯＳトランジスタＭ１１はゲート電圧が０Ｖにバイアスされたときのドレイン電流で決まる定電流を供給する定電流源として動作し、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２の負荷になっている。ディプレッション型のＮＭＯＳトランジスタＭ１３においてもＮＭＯＳトランジスタＭ１１と同様に、ＮＭＯＳトランジスタＭ１４の定電流負荷になっている。

このような構成において、二次電池Ｂ１が正常であり、二次電池Ｂ１の電池電圧が所定の電圧以上である場合は、抵抗Ｒ１２の両端の電圧がＮＭＯＳトランジスタＭ１２のしきい値電圧より大きくなっているため、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２はオンする。ＮＭＯＳトランジスタＭ１２がオンすると、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２のドレイン電圧は、ほぼ端子Ｔ２の電圧まで低下する。レベルシフト回路１１は、入力されたＮＭＯＳトランジスタＭ１２のドレイン電圧が端子Ｔ２の電圧とほぼ等しい場合は、ローレベルの信号を保護回路１３に出力する。

逆に、二次電池Ｂ１が不良である場合は、二次電池Ｂ１の電池電圧が前記所定の電圧未満になり、抵抗Ｒ１２の両端の電圧が、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２のしきい値電圧より小さくなるため、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２はオフする。すると、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２のドレイン電圧は、端子Ｔ１の電圧とほぼ等しい電圧まで上昇する。レベルシフト回路１１は、ＮＭＯＳトランジスタＭ１２のドレイン電圧がほぼ端子Ｔ１の電圧と等しい場合は、ハイレベルの信号を保護回路１３に出力する。

抵抗Ｒ１３，Ｒ１４及びＮＭＯＳトランジスタＭ１３，Ｍ１４の回路においてでも、前記と同様の動作を行う。すなわち、二次電池Ｂ２の電池電圧が所定の電圧以上である場合は、ＮＭＯＳトランジスタＭ１４のドレイン電圧がほぼ端子Ｔ３の電圧に等しくなる。このとき、レベルシフト回路１２は、ローレベルの信号を保護回路１３に出力する。また、二次電池Ｂ２の電圧が所定の電圧未満である場合は、ＮＭＯＳトランジスタＭ１４のドレイン電圧がほぼ端子Ｔ２の電圧に等しくなり、レベルシフト回路１２はハイレベルの信号を保護回路１３に出力する。

保護回路１３は、レベルシフト回路１１及び１２から出力された各信号の少なくとも一方がハイレベルである場合は、ローレベルの充電禁止信号を端子Ｃｏｕｔに出力して、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１をオフさせる。これにより、バッテリパック２０に充電回路３０が接続されても二次電池Ｂ１及びＢ２には充電電流が供給されなくなるため、不良電池の混ざったバッテリパック２０を誤って充電して、不具合が発生することを未然に防ぐことができる。

このように、本第１の実施の形態における保護用半導体装置は、二次電池Ｂ１及びＢ２の各電池電圧が０Ｖに近い所定の電圧未満か否かの判定を行う前記判定回路を備え、前記判定回路が、二次電池Ｂ１及び／又はＢ２の電池電圧が前記所定の電圧未満であると判定すると、所定の充電禁止信号を出力するようにした。このことから、簡単な回路構成でしかも瞬時に充電禁止電池の有無を検出することができる。

なお、二次電池としてリチウムイオン電池を使用した場合は、前記所定の電圧は１.０Ｖ前後の電圧に設定する。
また、本第１の実施の形態では、２つの二次電池を使用した場合について説明したが、これは一例であり、本発明はこれに限定するものではなく、二次電池の数がいくつであっても適用することができる。

また、前記説明では、二次電池Ｂ１及び／又はＢ２の電池電圧が、前記所定の電圧未満であると判定した場合、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１をオフさせるようにしたが、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１及び放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２のいずれか一方又は両方をオフさせるようにしてもよい。
また、ＮＭＯＳトランジスタで構成された前記判定回路をＰＭＯＳトランジスタで構成することも可能である。

本発明の第１の実施の形態における保護用半導体装置を使用したバッテリパックの構成例を示した図である。 二次電池の保護装置の従来例を示した図である。

符号の説明

１０ 保護用半導体装置
１１，１２ レベルシフト回路
１３ 保護回路
２０ バッテリパック
３０ 充電回路又は負荷
Ｍ１ 充電制御用ＮＭＯＳトランジスタ
Ｍ２ 放電制御用ＮＭＯＳトランジスタ
Ｍ１１，Ｍ１３ ディプレッション型のＮＭＯＳトランジスタ
Ｍ１２，Ｍ１４ エンハンスメント型のＮＭＯＳトランジスタ
Ｒ１１〜Ｒ１４ 抵抗
Ｂ１，Ｂ２ 二次電池

Claims (6)

1. 直列に接続した複数の二次電池を備えたバッテリパックに内蔵された保護用半導体装置において、
   前記各二次電池のそれぞれの電池電圧の検出を行い、該各電池電圧の少なくとも１つが０Ｖ近傍の所定の電圧未満である否かの判定を行う判定回路部と、
   該判定回路部が、前記各電池電圧の少なくとも１つが前記所定の電圧未満であると判定すると、所定の充電禁止信号を生成して出力する保護回路部と、
   を備えることを特徴とする保護用半導体装置。
2. 前記判定回路部は、
   対応する二次電池の電池電圧を分圧して出力する分圧回路と、
   該分圧回路からの分圧電圧がゲートに入力され、ソースが該対応する二次電池の一方の電極に接続されたＭＯＳトランジスタと、
   該ＭＯＳトランジスタのドレインと、前記対応する二次電池の他方の電極との間に接続された負荷と、
   を前記各二次電池ごとに備え、
   前記ＭＯＳトランジスタと前記負荷との接続部から前記判定結果を示す信号を出力することを特徴とする請求項１記載の保護用半導体装置。
3. 前記負荷は、ゲートとソースが接続されたディプレッション型のＭＯＳトランジスタからなる定電流源をなすことを特徴とする請求項２記載の保護用半導体装置。
4. 前記各分圧回路は、それぞれ設定可能な分圧比で分圧を行うことを特徴とする請求項２又は３記載の保護用半導体装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の保護用半導体装置を備えることを特徴とするバッテリパック。
6. 前記各二次電池の直列回路に直列に接続され、前記充電禁止信号に応じて遮断状態になるスイッチ手段を備えることを特徴とする請求項５記載のバッテリパック。

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