JP2010279097A

JP2010279097A - バッテリ充電回路及びバッテリ充電器

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Publication number: JP2010279097A
Application number: JP2009126558A
Authority: JP
Inventors: Masami Aiura; 正巳相浦
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: US8289001B2; US20100301811A1; JP5372602B2

Abstract

【課題】充電のモードの切り替え時においても動作が安定しているバッテリ充電回路及びバッテリ充電器を提供する。
【解決手段】トランジスタ２００に対して、カレントミラー回路を構成するトランジスタ２０１、２０２を設ける。トランジスタ２０１のソース端子には抵抗Ｒ１を接続し、トランジスタ２０２のソース端子には抵抗Ｒ２を接続する。各ソース端子には、スイッチ回路１４が接続される。このスイッチ回路１４は、小電流モードとファーストモードにおいて切り替え制御を行なう。抵抗Ｒ１，Ｒ２に対して、別個独立したトランジスタから電流を供給することにより、ＣＲ時定数による位相遅れの差を小さくし、小電流モード、ファーストモードの各充電モードの動作の安定化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリの充電に用いるバッテリ充電回路及びバッテリ充電器に関するものである。

今日、多くの電子機器にリチウムイオンバッテリ等の二次電池が利用されている。充電装置を用いて電池を充電する場合は、その電池の種類によって規定された電圧の範囲内で充電を行なう必要がある。充電電圧が規定された範囲より低い場合は充電容量が減少し、充電電圧が規定された範囲より高い場合は電圧ストレスによって電池自体の充電可能容量が激減する。また、充電電流にも上限がある。例えば、リチウムイオンバッテリの充電電圧の範囲は狭いため、充電用電源からの入力電流の上限を規制すると共に、電圧を安定化するようにしている。

そこで、設計の自由度を高めた充電装置が検討されている（例えば、特許文献１を参照）。この文献に記載された技術では、充電用電源からの入力電流を第１，第２の電流安定化回路で安定化してそれぞれ大電流，小電流を出力する。切り替え回路は初めに第１の電流安定化回路を動作させて、バッテリパックを大電流で急速に充電する。そして、電池電圧が所定値に達して満充電に近づくと、切り替え回路が第１の電流安定化回路の動作を停止させて第２の電流安定化回路を動作させ、小電流で充電を継続する。

更に、モードの切り替えを考慮した充電装置も検討されている（例えば、特許文献２を参照）。この文献に記載された技術では、切り替え回路は、初めに第１，第２の電流安定化回路を動作させて、バッテリパックを大電流で急速に充電する。そして、電池電圧が所定値に達すると、第２の電流安定化回路の動作を停止させて第１の電流安定化回路のみを動作させて充電を継続する。

また、リチウムイオンのバッテリ充電回路においては、図４に示すように、二つのモード（小電流モード、ファーストモード）により充電が行なわれることもある。充電の開始直後の小電流モードにおいては、一定の比較的小さな電流値Ｉ１の電流を供給しながら充電を行なう。この場合、バッテリの電圧が徐々に上昇する。

そして、電圧が所定の電圧値Ｖ１（モード切替基準電圧）に達した場合、第２段階のファーストモードの充電が開始される。このファーストモードにおいては、一定の比較的大きな電流値Ｉ２の電流を供給しながら充電を行なう。

このファーストモードにおいて、所定の電圧値Ｖ２に達した場合には、この電圧値を維持しながら、充電を継続する（電圧制御モード）。この場合、充電電流は徐々に下がる。そして、充電電流が一定の電流値Ｉ３に達した場合には、充電を終了する。

このような充電を行なう場合の充電回路を、図３を用いて説明する。
バッテリ充電回路１０は、外部端子ＴＭ１に接続されたバッテリ５０に充電電流を供給する。このバッテリ充電回路１０には、外部端子ＴＭ２を介して電圧Ｖ１１が供給される。

外部端子ＴＭ２は、トランジスタ１００のドレイン端子に接続される。このトランジスタ１００は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタにより構成する。トランジスタ１００のソース端子には抵抗１１が接続される。このトランジスタ１００のソース端子から、外部端子ＴＭ１
を介して、バッテリ５０に充電電流を供給する。

トランジスタ１００のゲート端子は、トランジスタ１０１のゲート端子に接続される。このトランジスタ１０１も、Ｎ型ＭＯＳトランジスタにより構成する。このトランジスタ１０１のドレイン端子は、外部端子ＴＭ２に接続されて電圧Ｖ１１が供給される。これにより、トランジスタ１００，１０１は、カレントミラー回路を構成する。

トランジスタ１０１のソース端子は、スイッチ回路１３に接続される。このスイッチ回路１３は、トランジスタ１０１のソース端子を、外部端子ＴＭ３、外部端子ＴＭ４のいずれか一方に接続する。このスイッチ回路１３には、モード切替回路４０に接続されている。このモード切替回路４０は、バッテリ５０の両端電圧を測定して、モード切り替え基準電圧に達した場合、小電流モードからファーストモードへの切り替え信号を供給する。

スイッチ回路１３は、この切り替え信号を取得した場合、外部端子ＴＭ３から外部端子ＴＭ４に接続を変更する。
外部端子ＴＭ３、外部端子ＴＭ４は、スイッチ回路１４にも接続されている。このスイッチ回路１４には、モード切替回路４０から切り替え信号が供給されており、スイッチ回路１３と同期して、接続の切り替えを行なう。すなわち、切り替え信号が供給された場合、スイッチ回路１３，１４は、それぞれ外部端子ＴＭ３から外部端子ＴＭ４に接続が変更される。

外部端子ＴＭ３には抵抗Ｒ１が接続され、外部端子ＴＭ４には抵抗Ｒ２が接続される。この抵抗Ｒ１は、小電流モードにおける電流値を決定するために用いられる。一方、抵抗Ｒ２は、ファーストモードにおける電流値を決定するために用いられる。一般的には、ファーストモードにおける充電電流は、小電流モードにおける充電電流の２０倍程度に設定されることが多い。従って、二つの抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値も２０倍程度に設定される。なお、このような抵抗Ｒ１，Ｒ２に対して、寄生容量Ｃ１，Ｃ２が付加される。

スイッチ回路１４の出力端子は、エラーアンプ１２１の非反転入力端子に接続される。このエラーアンプ１２１の反転入力端子には、電流制限参照電圧としての電圧Ｖ１２が供給される。この電圧Ｖ１２は、電流を制限するための基準として用いられる。このエラーアンプ１２１の出力は、ミキサ１２０に供給される。このミキサ１２０は、エラーアンプ１２１，１２２のいずれかにおいて基準値を超えた場合、トランジスタ１００，１０１に供給するゲート電圧を制限する。

ミキサ１２０には、エラーアンプ１２２の出力も供給される。このエラーアンプ１２２の反転入力端子には、電圧制限参照電圧としての電圧Ｖ１３が供給され、非反転入力端子には抵抗１１による分割電圧が供給される。この電圧Ｖ１３は、電圧を制限するための基準として用いられる。

そして、ミキサ１２０の出力は、トランジスタ１００，１０１のゲート端子に供給される。ここで、ミキサ１２０は、エラーアンプ１２２において、抵抗１１による分割電圧が電圧Ｖ１３より低い場合には、エラーアンプ１２１からの出力に応じて、一定の充電電流を供給するようにトランジスタ１００，１０１のゲート端子電圧を制御する。一方、抵抗１１による分割電圧が電圧Ｖ１３を超えて電圧制御モードになった場合には、一定の充電電圧を維持するようにゲート端子電圧を制御する。

特開平８−２３７８８０号公報（第１頁、図１）特開平９−２３３７０７号公報（第１頁、図１）

上記のバッテリ充電回路１０においては、小電流モードからファーストモードへの切り替えには、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続の変更により行なわれる。この場合、ＣＲ時定数により、位相遅れが生じる。ここで、小電流モードとファーストモードの時定数は、それぞれ〔Ｃ１・Ｒ１〕、〔Ｃ２・Ｒ２〕となる。この場合、二つの抵抗値の違いから位相遅れに大きな差が生じる。この時定数が、スイッチ回路１４、エラーアンプ１２１、ミキサ１２０、トランジスタ１０１、スイッチ回路１３からなるループに取り込まれるため、位相補償が難しいという問題が生じていた。このため、発振する等、動作の安定性が問題なることがある。特に、ファーストモードにおいて発振しないように設計した場合にも、図４に示すように、小電流モードでは位相余裕が小さくなり、大きな発振が生じることがある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、小電流モード、ファーストモードの各充電モードにおいても動作が安定しているバッテリ充電回路及びバッテリ充電器を提供することにある。

上記問題点を解決するために、本発明は、バッテリに充電電流を供給する出力トランジスタと、前記出力トランジスタと、制御端子及び電流入力端子を共通にする第１，第２トランジスタと、前記第１トランジスタの電流出力端子に、小電流モードの充電電流を決めるための第１抵抗を接続するための第１端子と、前記第２トランジスタの電流出力端子に、ファーストモードの充電電流を決めるための第２抵抗を接続するための第２端子と、前記第１端子又は第２端子における電圧を択一的に出力する選択スイッチ回路と、前記スイッチ回路からの出力と電流を制限するための電流制限参照電圧とを比較する第１エラーアンプと、前記エラーアンプからの出力に基づいて前記出力トランジスタのゲート電圧を決定する電流量決定部とを設け、前記第１トランジスタのサイズを、前記第２トランジスタのサイズより大きくしたことを要旨とする。これにより、小電流モードの充電電流を決めるための第１抵抗を小さくすることができる。従って、第１抵抗と寄生容量とにより決まる時定数と、第２抵抗と寄生容量とにより決まる時定数との差を小さくすることができ、位相補償を容易にすることができる。

また、本発明は、バッテリ充電回路において、前記スイッチ回路は、バッテリの電圧を検出し、モード切り替え基準電圧に達した場合に切り替え信号を出力する切り替え回路に接続されており、前記スイッチ回路は、前記切り替え信号により、第１端子から第２端子に接続を変更する。これにより、バッテリ電圧に応じて、バッテリの充電電流を変更することができる。

また、本発明は、バッテリ充電回路において、前記第１トランジスタの電流出力端子と第１端子との間に第１スイッチ回路と前記第２トランジスタの電流出力端子と第２端子との間に第２スイッチ回路とを設け、前記選択スイッチ回路の選択に同期させて、前記第１、第２スイッチ回路を切り換える。これにより、使用していないトランジスタの電流を停止し、省電力化を図ることができる。

また、本発明は、バッテリ充電回路において、前記出力トランジスタの電流出力端子に、他端が接地された抵抗を接続し、前記抵抗の分割電圧と電圧制限参照電圧等を比較する第２エラーアンプを更に設け、前記電流量決定部は、前記第１，第２エラーアンプの記録に基づいてゲート電圧を決定する。これにより、電圧と電流値とを制限しながらバッテリを充電することができる。

本発明によれば、充電のモードの切り替え時においても動作が安定しているバッテリ充電回路及びバッテリ充電器を提供することができる。

本実施形態のバッテリ充電回路の構成の説明図。他の実施形態のバッテリ充電回路の構成の説明図。従来のバッテリ充電回路の構成の説明図。バッテリの充電時の過渡特性の説明図であって、（ａ）は電圧、（ｂ）は電流の説明図。

以下、本発明を具体化したバッテリ充電回路及びバッテリ充電器を図１に従って説明する。本発明のバッテリ充電器は、図１に示すように、バッテリ充電回路２０、モード切替回路４０、抵抗Ｒ１，Ｒ２を含んで構成される。

（回路構成）
バッテリ充電回路２０は、外部端子ＴＭ１に接続されたバッテリ５０に充電電流を供給する。このバッテリ充電回路２０には、外部端子ＴＭ２を介して電圧Ｖ１１が供給される。

外部端子ＴＭ２は、出力トランジスタとしてのトランジスタ２００のドレイン端子（電流入力端子）に接続される。このトランジスタ２００は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタにより構成する。トランジスタ２００のソース端子（電流出力端子）には抵抗１１が接続される。このトランジスタ２００のソース端子から、外部端子ＴＭ１を介して、バッテリ５０に充電電流を供給する。

トランジスタ２００のゲート端子（制御端子）は、第１トランジスタとしてのトランジスタ２０１、第２トランジスタとしてのトランジスタ２０２のゲート端子に接続される。このトランジスタ２０１，２０２は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタにより構成する。このトランジスタ２０１，２０２のドレイン端子は、外部端子ＴＭ２に接続されて電圧Ｖ１１が供給される。これにより、トランジスタ２００，２０１，２０２は、カレントミラー回路を構成する。

ここで、トランジスタ２００，２０１，２０２のサイズを、Ｎ：Ｍ：１（１＜Ｍ＜Ｎ）とした場合、例えば、Ｎ＝４０００、Ｍ＝１０とする。すなわち、トランジスタ２０１のサイズを、トランジスタ２０２のサイズより大きくする。

トランジスタ２０１のソース端子は外部端子ＴＭ３（第１端子）に接続される。この外部端子ＴＭ３を介して、トランジスタ２０１のソース端子は抵抗Ｒ１（小電流モードの充電電流を決めるための第１抵抗）に接続される。一方、トランジスタ２０２のソース端子は外部端子ＴＭ４（第２端子）に接続される。この外部端子ＴＭ４を介して、トランジスタ２０２のソース端子は抵抗Ｒ２（ファーストモードの充電電流を決めるための第２抵抗）に接続される。本実施形態では、抵抗Ｒ１として抵抗Ｒ２の２倍に設定する。この場合、トランジスタ２０１，２０２のサイズ比により、ファーストモードにおける充電電流は、小電流モードにおける充電電流の２０倍になる。なお、このような抵抗Ｒ１，Ｒ２に対して、寄生容量Ｃ１，Ｃ２が付加される。

外部端子ＴＭ３、外部端子ＴＭ４は、スイッチ回路１４（選択スイッチ回路）に接続さ
れている。このスイッチ回路１４には、モード切替回路４０から切り替え信号が供給される。このモード切替回路４０は、バッテリ５０の両端電圧を測定して、モード切り替え基準電圧に達した場合、小電流モードからファーストモードへの切り替え信号を供給する。

スイッチ回路１４の他端には、第１エラーアンプとしてのエラーアンプ１２１の非反転入力端子に接続される。スイッチ回路１４は、切り替え信号を取得した場合、外部端子ＴＭ３から外部端子ＴＭ４に接続を変更する。これにより、スイッチ回路１４の出力は、トランジスタ２０１のソース端子電圧（電流出力端子電圧）から、トランジスタ２０２のソース端子電圧（電流出力端子電圧）に変更される。

このエラーアンプ１２１の反転入力端子には、電流制限参照電圧としての電圧Ｖ１２が供給される。このエラーアンプ１２１の出力は、電流量決定部としてのミキサ１２０に供給される。

ミキサ１２０には、第２エラーアンプとしてのエラーアンプ１２２の出力も供給される。このエラーアンプ１２２の反転入力端子には、電圧制限参照電圧としての電圧Ｖ１３が供給され、非反転入力端子には抵抗１１による分割電圧が供給される。ミキサ１２０の出力は、トランジスタ２００，２０１，２０２のゲート端子に供給される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
・上記実施形態では、小電流モードにおいては、トランジスタ２０１からの電流が抵抗Ｒ１に供給される。一方、ファーストモードにおいては、トランジスタ２０２からの電流が抵抗Ｒ２に供給される。ここで、本発明の回路構成においては、トランジスタ２０１，２０２のサイズは、Ｍ：１（１＜Ｍ）とする。これにより、トランジスタ２０１から供給する電流値を大きくすることにより、抵抗Ｒ１を小さくしても、外部端子ＴＭ３において所望の電圧（ここでは電圧Ｖ１２）を維持することができる。この結果、小電流モードにおける時定数を小さくすることにより、ファーストモードの位相遅れとの差を小さくすることができる。従って、小電流モード、ファーストモードにおける位相補償を容易にすることができ、動作の安定化を図ることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 上記実施形態では、トランジスタ２００，２０１，２０２は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタにより構成したが、トランジスタはこれに限定されるものではなく、Ｐ型ＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタを用いることも可能である。Ｐ型ＭＯＳトランジスタの場合には、ソース端子が電流入力端子として機能し、ドレイン端子が電流出力端子として機能する。また、バイポーラトランジスタの場合には、エミッタ端子、ベース端子、コレクタ端子が、それぞれ電流入力端子、制御端子、電流出力端子として機能する。

○ 上記実施形態では、モード切替回路４０をバッテリ充電回路２０の外部に設けた。これに代えて、モード切替回路４０を、バッテリ充電回路の内部に設けるようにしてもよい。

○ 上記実施形態では、トランジスタ２０１のソース端子は外部端子ＴＭ３に接続され、トランジスタ２０２のソース端子は外部端子ＴＭ４に接続される。これに加えて、トランジスタ２０１，２０２と外部端子ＴＭ３，ＴＭ４の間にスイッチ回路を設けてもよい。この構成を、図２を用いて説明する。このバッテリ充電回路３０においては、トランジスタ２０１，２０２と外部端子ＴＭ３，ＴＭ４の間にスイッチ回路３００を設ける。このスイッチ回路３００は、スイッチ３０１，３０２を含んで構成される。

具体的には、トランジスタ２０１と外部端子ＴＭ３との間にスイッチ３０１（第１スイ
ッチ回路）が接続され、更にトランジスタ２０２と外部端子ＴＭ４との間にスイッチ３０２（第２スイッチ回路）が接続される。このスイッチ３０１は小電流モードにおいて「閉」、ファーストモードにおいて「開」となる。一方、スイッチ３０２は、スイッチ３０１と同期して動作しながら、小電流モードにおいて「開」、ファーストモードにおいて「閉」となる。これにより、充電モードによって、トランジスタ２０１，２０２において使われていないトランジスタの電流を停止することにより、省電力化を図ることができる。

○ 上記実施形態では、外部端子ＴＭ３に抵抗Ｒ１を接続し、外部端子ＴＭ４に抵抗Ｒ２を接続する。電流を制御するための抵抗は、バッテリ充電回路２０の外部に設ける場合に限らず、バッテリ充電回路２０の内部に設けるようにしてもよい。

２０，３０…バッテリ充電回路、ＴＭ１〜ＴＭ４…外部端子、２００，２０１，２０２…トランジスタ、１２１，１２２…エラーアンプ、１２０…ミキサ、１４…スイッチ回路、４０…モード切替回路、２１，Ｒ１，Ｒ２，１１…抵抗、Ｃ１，Ｃ２…寄生容量、５０…バッテリ、３００…スイッチ回路、３０１，３０２…スイッチ。

Claims

バッテリに充電電流を供給する出力トランジスタと、
前記出力トランジスタと、制御端子及び電流入力端子を共通にする第１，第２トランジスタと、
前記第１トランジスタの電流出力端子に、小電流モードの充電電流を決めるための第１抵抗を接続するための第１端子と、
前記第２トランジスタの電流出力端子に、ファーストモードの充電電流を決めるための第２抵抗を接続するための第２端子と、
前記第１端子又は第２端子における電圧を択一的に出力する選択スイッチ回路と、
前記スイッチ回路からの出力と電流を制限するための電流制限参照電圧とを比較する第１エラーアンプと、
前記エラーアンプからの出力に基づいて前記出力トランジスタのゲート電圧を決定する電流量決定部とを設け、
前記第１トランジスタのサイズを、前記第２トランジスタのサイズより大きくしたことを特徴とするバッテリ充電回路。
前記スイッチ回路は、バッテリの電圧を検出し、モード切り替え基準電圧に達した場合に切り替え信号を出力するモード切替回路に接続されており、
前記スイッチ回路は、前記切り替え信号により、第１端子から第２端子に接続を変更することを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電回路。
前記第１トランジスタの電流出力端子と第１端子との間に第１スイッチ回路と
前記第２トランジスタの電流出力端子と第２端子との間に第２スイッチ回路とを設け、
前記選択スイッチ回路の選択に同期させて、前記第１、第２スイッチ回路を切り換えることを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリ充電回路。
前記出力トランジスタの電流出力端子に、他端が接地された抵抗を接続し、
前記抵抗の分割電圧と電圧制限参照電圧とを比較する第２エラーアンプを更に設け、
前記電流量決定部は、前記第１，第２エラーアンプの記録に基づいてゲート電圧を決定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のバッテリ充電回路。
バッテリに充電電流を供給する出力トランジスタと、
前記出力トランジスタと、制御端子及び電流入力端子を共通にする第１、第２トランジスタと、
前記第１トランジスタの電流出力端子に、小電流モードの充電電流を決めるために接続された第１抵抗と、
前記第２トランジスタの電流出力端子に、ファーストモードの充電電流を決めるために接続された第２抵抗と、
バッテリの電圧を検出し、モード切り替え基準電圧に達した場合に切り替え信号を出力するモード切替回路と、
前記切り替え信号により、前記第１トランジスタの電流出力端子電圧又は前記第２トランジスタの電流出力端子電圧を択一的に出力する選択スイッチ回路と、
前記スイッチ回路からの出力と電流を制限するための電流制限参照電圧とを比較する第１エラーアンプと、
前記エラーアンプからの出力に基づいて前記出力トランジスタのゲート電圧を決定する電流量決定部とを設け、
前記第１トランジスタのサイズを、前記第２トランジスタのサイズより大きくしたことを特徴とするバッテリ充電器。