JP2010279177A - バッテリ充電回路 - Google Patents

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を提供する。
【解決手段】バッテリ充電回路２０は、トランジスタ２００，２０１を備える。トランジスタ２０１のソース端子は、スイッチ回路２３に接続される。このスイッチ回路２３は、トランジスタ２０１を、外部端子ＴＭ３、外部端子ＴＭ４のいずれか一方に接続する。モード切替回路４０は、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。この場合、モード切替回路４０は、比較回路２１に対して切り替え信号を供給し、所定の遅れ時間の経過後に、スイッチ回路２３，２４に対して切り替え信号を供給する。比較回路２１は、充電電流値を決定する電流制限参照電圧を下げ、切り替え後に電流制限参照電圧を元に戻す。
【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６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、図６（ｂ）に示すように、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、図６（ａ）に示すように、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４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Ｖ１０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Ｒ０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Ｖ１０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３０に接続されている。このモード切替回路３０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３０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。そして、スイッチ回路１４の出力電圧Ｖ１４として、外部端子ＴＭ３、外部端子ＴＭ４の電圧をエラーアンプ１２１に供給する。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Ｒ０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から出力される電圧Ｖ１１は、トランジスタ１００，１０１のゲート端子に供給される。

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。この切り替え時においては、抵抗Ｒ２の初期電流は「０」であるため、抵抗Ｒ１から抵抗Ｒ２への切替直後は、図５（ａ）に示すように、一旦、スイッチ回路１４の出力電圧Ｖ１４が下がる。そして、出力電圧Ｖ１４を戻すために、図５（ｂ）に示すように、充電電流においてオーバーシュートが生じる。図５（ａ）のスイッチ回路１４の出力電圧の変化、図５（ｂ）の電流の変化の時間軸を拡大したグラフを、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示す。このようなオーバーシュートが生じた場合、バッテリ５０に対して、ファーストモードにおける本来の電流値を超える充電電流が供給されるため、バッテリ５０にとって好ましいものではない。

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制御トランジスタと、前記制御トランジスタの電流出力端子に対して、小電流モードの充電電流を決めるための第１抵抗が接続される第１端子と、ファーストモードの充電電流を決めるための第２抵抗が接続される第２端子との接続を切り替える第１スイッチ回路と、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第２スイッチ回路と、小電流モードからファーストモードへの切り替え前に電流制限参照電圧を降下させるとともに、切り替え後に電流制限参照電圧を元の値に戻す第３スイッチ回路と、前記第２スイッチ回路からの出力と前記第３スイッチ回路からの出力とを比較する第１エラーアンプと、前記第１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たことを要旨とする。これにより、小電流モードからファーストモードへの切り替え時の過大な充電電流の供給を抑制することができる。

また、本発明は、前記電流制限参照電圧の降下値は、小電流モードからファーストモードへの切り替え時のオーバーシュート値に対応して決定したことを要旨とする。これにより、小電流モードからファーストモードへの切り替え時のオーバーシュートにおいて、過大な充電電流の供給を抑制することができる。

また、本発明は、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要旨とする。これにより、第１端子、第２端子に接続された抵抗素子を用いて、充電電流を制御することができる。

また、本発明は、前記第３スイッチ回路は、電圧変化速度を制限するスロープリミット回路に接続されており、前記第３スイッチ回路の出力は、前記スロープリミット回路を介して第１エラーアンプに供給されるようにしたことを要旨とする。これにより、円滑にモードの切り替えを行なうことができる。

また、本発明は、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要旨とする。これにより、バッテリの電圧に応じて、充電電流を制御することができる。

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。 本実施形態のバッテリ充電回路における比較回路の構成の説明図。 モード切り替え時の過渡特性の説明図であって、（ａ）はスイッチ回路の出力電圧、（ｂ）は充電電流の説明図。 従来のバッテリ充電回路の構成の説明図。 従来のモード切り替え時の過渡特性の説明図であって、（ａ）はスイッチ回路の出力電圧、（ｂ）は電流の説明図、（ｃ）はスイッチ回路の出力電圧、（ｄ）は電流の時間軸を拡大した説明図。 バッテリの充電時の過渡特性の説明図であって、（ａ）は充電電圧、（ｂ）は充電電流の説明図。

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Ｖ１０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Ｒ０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、制御トランジスタとしてのトランジスタ２０１のゲート端子に接続される。このトランジスタ２０１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のドレイン端子は、外部端子ＴＭ２に接続されて電圧Ｖ１０が供給される。これにより、トランジスタ２００，２０１は、カレントミラー回路を構成する。

トランジスタ２０１のソース端子は、第１スイッチ回路としてのスイッチ回路２３に接続される。このスイッチ回路２３は、トランジスタ２０１のソース端子を、外部端子ＴＭ３（第１端子）、外部端子ＴＭ４（第２端子）のいずれか一方に接続する。このスイッチ回路２３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。この場合、モード切替回路４０は、比較回路２１に対して切り替え信号を供給する。そして、所定の遅れ時間の経過後に、スイッチ回路２３，２４に対して切り替え信号を供給する。

スイッチ回路２３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、第２スイッチ回路としてのスイッチ回路２４にも接続されている。このスイッチ回路２４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２３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２３，２４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（第１抵抗）が接続され、外部端子ＴＭ４には抵抗Ｒ２（第２抵抗）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。本実施形態においても、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２４の出力端子は、比較回路２１に接続される。そして、スイッチ回路２４の出力電圧Ｖ１４として、外部端子ＴＭ３、外部端子ＴＭ４の電圧を比較回路２１に供給する。この比較回路２１の構成を、図２を用いて説明する。

比較回路２１は、第３スイッチ回路としてのスイッチ回路２１６、スロープリミット回路２１５、第１エラーアンプとしてのエラーアンプ２１３、第２エラーアンプとしてのエラーアンプ２１４、電流量決定部としてのミキサ２１０を含んで構成される。

スイッチ回路２１６は、モード切替回路４０からの切り替え信号に基いて、電圧Ｖ１２１と電圧Ｖ１２２とを切り替える。この電圧Ｖ１２１、Ｖ１２２は、電流を制限するための基準である電流制限参照電圧として用いられる。ここで、電圧Ｖ１２１は充電電流値を決定するための基準電圧であり、電圧Ｖ１２２は、電圧Ｖ１２１より小さい値を用いる。本実施形態では、例えば、電流制限参照電圧の降下値である電圧Ｖ１２２として電圧Ｖ１２１の７５％値を用いる。この電圧Ｖ１２２は、切り替え時においてオーバーシュートが生じた場合においても、ファーストモードにおける本来の充電電流値を超えない値を設定する。具体的には、〔電圧Ｖ１２２〕／〔電圧Ｖ１２１〕が、〔ファーストモードにおける充電電流値〕／〔オーバーシュート値〕より小さくなるように、電圧Ｖ１２２を設定する。ここで、オーバーシュート値はオーバーシュート時の充電電流値を意味する。

スイッチ回路２１６からの出力はスロープリミット回路２１５に供給される。
このスロープリミット回路２１５は、電圧変化速度を制限し、電圧変化が一定の速度以下になるように調整する。このスロープリミット回路２１５の出力は、エラーアンプ２１３の反転入力端子に供給される。このエラーアンプ２１３の非反転入力端子には、スイッチ回路２４の出力電圧が供給される。

また、エラーアンプ２１４の反転入力端子には電圧Ｖ１３が供給され、非反転入力端子には抵抗Ｒ０による電圧が供給される。
このエラーアンプ２１３，２１４の出力は、ミキサ２１０に供給される。このミキサ２１０は、エラーアンプ２１４の出力が「Ｈｉｇｈ」になるまで、エラーアンプ２１３の出力に応じて、トランジスタ２００，２０１に供給するゲート電圧を制限する。

（動作）
比較回路２１は、モード切替回路４０から切り替え信号を取得した場合、スイッチ回路２１６において、電圧Ｖ１２１から電圧Ｖ１２２に切り替える。この場合、スロープリミット回路２１５は、所定の変化速度で電圧Ｖ１２１から電圧Ｖ１２２に切り替えた電圧をエラーアンプ２１３に供給する。この場合、図３（ａ）に示すように、スイッチ回路２４の出力電圧Ｖ１４が降下する（時刻ｔ１）。

そして、電圧Ｖ１２１から電圧Ｖ１２２に切り替えることにより出力電圧Ｖ１４の降下から遅れ時間の経過後（時刻ｔ２）に、モード切替回路４０は、スイッチ回路２３，２４に対して切り替え信号を供給する。この場合、図３（ａ）に示すように、スイッチ回路２４の出力電圧Ｖ１４の低下、オーバーシュートが生じる（時刻ｔ２）。エラーアンプ２１３の出力電圧に応じて充電電流値も下がっているため、切り替え時のオーバーシュートが生じた場合にも、図３（ｂ）に示すように、本来の充電電流値を超えることはない。そして、スイッチ回路２１６は、モードの切り替えから所定の時間経過後（時刻ｔ３）に、電圧Ｖ１２２から電圧Ｖ１２１に戻す。この場合にも、スロープリミット回路２１５が、電圧をなだらかに変化させる。これにより、図３（ａ）に示すように、スイッチ回路２４の出力電圧Ｖ１４はなだらかに回復し、図３（ｂ）に示すように、ファーストモードにおいて、目的の充電電流値に回復する。

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、比較回路２１が、モードの切り替え前に電流制限参照電圧を下げることにより、充電電流値を降下させておく。これにより、モードの切り替えにおいてオーバーシュートが生じた場合にも、本来の充電電流値を超えないように制御することができる。そして、オーバーシュートの終了後に、参照電流値を戻すことにより、ファーストモードにおける本来の電流値を用いて充電を行なうことができる。

・ 上記実施形態では、スロープリミット回路２１５においては、電圧変化が一定の速度以下になるように調整される。これにより、電流制限参照電圧の切り替え時のオーバーシュートを抑制することができる。

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、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。

○ 上記実施形態では、スロープリミット回路２１５、スイッチ回路２１６は電圧変化が一定になるものであればどのような構成を用いてもよい。例えば、ＣＲ充放電を利用したり、電流源と容量により構成するようにしてもよい。スロープの条件を満たせばＤＡコンバータにより、電圧を上げ下げしてもよい。

２０…バッテリ充電回路、ＴＭ１〜ＴＭ４…外部端子、２００，２０１…トランジスタ、２１…スイッチ回路、２１０…ミキサ、２１３，２１４…エラーアンプ、２１５…スロープリミット回路、２１６…スイッチ回路、２３，２４…スイッチ回路、４０…モード切替回路、Ｒ０〜Ｒ２…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 (5)

1. 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制御トランジスタと、
   前記制御トランジスタの電流出力端子に対して、小電流モードの充電電流を決めるための第１抵抗が接続される第１端子と、ファーストモードの充電電流を決めるための第２抵抗が接続される第２端子との接続を切り替える第１スイッチ回路と、
   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第２スイッチ回路と、
   小電流モードからファーストモードへの切り替え前に電流制限参照電圧を降下させるとともに、切り替え後に電流制限参照電圧を元の値に戻す第３スイッチ回路と、
   前記第２スイッチ回路からの出力と前記第３スイッチ回路からの出力とを比較する第１エラーアンプと、
   前記第１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たことを特徴とするバッテリ充電回路。
2. 前記電流制限参照電圧の降下値は、小電流モードからファーストモードへの切り替え時のオーバーシュート値に対応して決定したことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ充電回路。
3. 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又は２に記載のバッテリ充電回路。
4. 前記第３スイッチ回路は、電圧変化速度を制限するスロープリミット回路に接続されており、前記第３スイッチ回路の出力は、前記スロープリミット回路を介して第１エラーアンプに供給されるようにした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。
5. 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１〜４のいずれか一つに記載のバッテリ充電回路。

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