JP2011232161A

JP2011232161A - 半導体装置及び電池電圧の監視方法

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Abstract

【課題】電池電圧の測定時間を短くすることができる半導体装置及び電池電圧の監視方法を提供する。
【解決手段】セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５により選択された電池セルの正極側の電圧が入力インピーダンスが高いバッファアンプ３０の非反転端子に入力され、バッファアンプ３０から出力された電圧Ｖｘ１がアナログレベルシフタ２２のアンプ３６の非反転端子に入力される。また、選択された電池の負極側の電圧が入力インピーダンスが高いバッファアンプ３２の非反転端子に入力され、バッファアンプ３２から出力された電圧Ｖｙ１がアンプ３６の反転端子に入力される。アナログレベルシフタ２２からは、電圧Ｖｘ１と電圧Ｖｙ１の電圧値の差がＶｏｕｔとして出力される。従って、電池電圧の両端電圧の差がアナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔとして出力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置及び電池電圧の監視方法、特に電池監視用の半導体装置及び当該半導体装置による電池電圧の監視方法に関するものである。

一般に、直列に接続された複数の電池の監視・制御を行うための半導体装置がある。このような半導体装置として、例えば車両等に搭載される電池を監視・制御するための電池監視ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｌＣｉｒｃｕｉｔ）が知られている。例えば、特許文献１には、電気自動車、あるいはハイブリッド電気自動車用の蓄電池等として用いられる高エネルギーの蓄電器を複数個直列に接続したものを制御する蓄電装置及びその制御方法が記載されている。

特開２００３−７０１７９号公報

従来の電池監視ＩＣの概略構成の一例を図９に示す。図９に示した電池１１４を監視・制御するための従来の電池監視ＩＣ１００は、セル選択ＳＷ１１８及びアナログレベルシフタ１２２を含んで構成されている。

電池１１４は、直列に接続された５個の電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５を含んでおり、電池セルＶｃ１の負極は、ＧＮＤ（グランド）に接続されている。また、電池セルＶｃ５の正極は、電池監視ＩＣ１００の電源ＶＣＣに接続されている。電池１１４の両端電圧Ｖ０〜Ｖ５は、各々のＬＰＦ（ローパスフィルタ）１１６を介して、電池監視ＩＣ１００のセル選択ＳＷ１１８の入力に接続されている。セル選択ＳＷ１１８の出力はアナログレベルシフタ１２２に接続されている。また、アナログレベルシフタ１２２は、検出抵抗Ｒ１〜Ｒ４、アンプ１３６、ダミースイッチＳＷＡ、ＳＷＢを備えて構成されている。ダミースイッチＳＷＡ、ＳＷＢは、セル選択ＳＷ１１８に含まれる各スイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５と同じオン抵抗を持ったダミースイッチング素子であり、常時オン状態になっている。また、本実施の形態のアナログレベルシフタ１２２には、ダミー抵抗ＲＤ１、ＲＤ２が接続されている。ダミー抵抗ＲＤ１、ＲＤ２は、ＬＰＦ１１６の抵抗Ｒｆ０１〜Ｒｆ５１で発生する誤差をキャンセルするためのダミー抵抗素子であり、ＬＰＦ１１６の抵抗Ｒｆ０１〜Ｒｆ５１と抵抗値が同じ抵抗素子である。

従来の電池監視ＩＣ１００による電池１１４の電池電圧の測定について図１０、１１を参照して説明する。電池セルＶｃ５の電圧値を測定する場合、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ４＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になる。検出抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値が同一（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）、スイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ４＿１、ＳＷＡ、ＳＷＢのオン抵抗をＲＳＷとすると、電池セルＶｃ５の電圧Ｖｃ５＝Ｖ５−Ｖ４はアナログレベルシフタ１２２によって電圧変換され、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ５になり、ＧＮＤ基準の電圧に変換される。

同様に、電池セルＶｃ４の電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ４＿２、ＳＷ３＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ１２２よって電圧変換されて、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ４になる。電池セルＶｃ３の電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ３＿２、ＳＷ２＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ１２２よって電圧変換されて、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ３になる。電池セルＶｃ２の電圧を測定する場合、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ２＿２、ＳＷ１＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ１２２よって電圧変換されて、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ２になる。電池セルＶｃ１の電圧を測定する場合、セル選択ＳＷ１１８のスイッチング素子ＳＷ１＿２、ＳＷ０がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ１２２よって電圧変換されて、Ｖｏｕｔ＝Ｖｃ１になる。

セル選択ＳＷ１１８の各スイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５は、ＭＯＳ（モス）トランジスタで構成されているため、各々のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５−ＧＮＤ間に寄生容量Ｃ０〜Ｃ５が発生している。そのため、図１１に示すように、電池セルＶｃ５の電圧値の測定時にスイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ４＿１をオン状態にした直後、ＬＰＦ１１６のコンデンサＣｆ５の電荷が寄生容量Ｃ４１、Ｃ５に移動するため、移動量に応じて、電圧Ｖ４１、Ｖ５１、Ｖｏｕｔが落ち込む。セル選択ＳＷ１１８の寄生容量が大きいと、移動する電荷の量が増加するため、電圧の落ち込みが大きくなる。

また、電池セルＶｃ５の電圧値の測定時にスイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ４＿１をオン状態にした直後は、アナログレベルシフタ１２２の検出抵抗Ｒ１〜Ｒ４に流れる電流は、ＬＰＦ１１６の抵抗Ｒｆ０〜Ｒｆ５、及びコンデンサＣｆ０〜Ｃｆ５を介して電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５から供給される（図１０、太線参照）ため、さらに、電圧が落ち込む。特にＬＰＦ１１６の抵抗Ｒｆ０〜Ｒｆ５の抵抗値が大きいと電圧の落ち込みは大きい。

このように落ち込んだ電圧は、ＬＰＦ１１６の時定数で復帰するため、出力電圧Ｖｏｕｔが安定するまでに時間がかかる。ＬＰＦ１１６の時定数が大きいほど、安定するまでの時間が長くなる。

このように、従来の電池監視ＩＣ１００による電池電圧の測定では、アナログレベルシフタ１２２の出力が安定するまでに時間がかかるため、測定時間が長くなるという問題があった。

本発明は、上述した問題を解決するために提案されたものであり、電池電圧の測定時間を短くすることができる半導体装置及び電池電圧の監視方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の半導体装置は、各々がローパスフィルタを介して直列に接続された複数の電池の各々に接続され、前記直列に接続された複数の電池のいずれか１つを選択する複数のスイッチング素子と、前記スイッチング素子により選択された電池の一端の電圧が入力されると共に、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第１バッファアンプと、前記スイッチング素子により選択された電池の他端の電圧が入力されると共に、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第２バッファアンプと、前記第１バッファアンプから出力された電圧と前記第２バッファアンプから出力された電圧との差を出力するレベルシフタと、を備える。

請求項２に記載の半導体装置は、請求項１に記載の半導体装置において、前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプを駆動するための電源電圧及び前記レベルシフタを駆動するための電源電圧は、前記直列に接続された複数の電池から供給される。

請求項３に記載の半導体装置は、請求項２に記載の半導体装置において、前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプは、トランジスタにより構成されており、前記直列に接続された複数の電池から供給される電源電圧が前記トランジスタを飽和領域で動作させるための電圧値よりも低い場合は、前記電源電圧を前記飽和領域で動作させるための電圧値に昇圧する昇圧手段を備え、前記昇圧手段により昇圧した電源電圧を前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプに供給する。

請求項４に記載の半導体装置は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記スイッチング素子が前記直列に接続された複数の電池のうち、一端がグランドに接続された電池を選択した場合に、外部に出力する電圧を、前記レベルシフタから出力された電圧から前記スイッチング素子が選択した電池の他端の電圧に切り替える切替素子を備えた。

請求項５に記載の半導体装置は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置において、前記第１バッファアンプを介さずに電流を流すために、前記第１バッファアンプの入力端子と出力端子とを接続するための第１接続素子と、前記第２バッファアンプを介さずに電流を流すために、前記第２バッファアンプの入力端子と出力端子とを接続するための第２接続素子と、を備えた。

請求項６に記載の電池電圧の監視方法は、各々がローパスフィルタを介して直列に接続された複数の電池の各々に接続された複数のスイッチング素子により、前記直列に接続された複数の電池のいずれか１つを選択し、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第１バッファアンプに前記スイッチング素子により選択された電池の一端の電圧が入力され、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第２バッファアンプに前記スイッチング素子により選択された電池の他端の電圧が入力され、レベルシフタにより、前記第１バッファアンプから出力された電圧と前記第２バッファアンプから出力された電圧との差を外部に出力するものである。

本発明によれば、電池電圧の測定時間を短くすることができる、という効果を奏する。

第１の実施の形態に係る半導体装置の概略構成の一例を示す回路図である。セル選択スイッチの概略構成の具体的一例を示す回路図である。バッファアンプの概略構成の具体的一例を示す回路図である。第１の実施の形態に係る半導体装置により電池セルＶｃ５の電圧を測定する場合の電流経路を説明するための説明図である。第１の実施の形態に係る半導体装置により電池セルＶｃ５の電圧を測定する場合の電圧測定波形の一例を示す波形図である。第２の実施の形態に係る半導体装置の概略構成の一例を示す回路図である。第３の実施の形態に係る半導体装置の概略構成の一例を示す回路図である。第４の実施の形態に係る半導体装置の概略構成の一例を示す回路図である。従来の半導体装置の概略構成の一例を示す回路図である。従来の半導体装置により電池セルＶｃ５の電圧を測定する場合の電流経路を説明するための説明図である。従来の半導体装置により電池セルＶｃ５の電圧を測定する場合の電圧測定波形の一例を示す波形図である。

［第１の実施の形態］

以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態の電池監視用の半導体装置について詳細に説明する。

図１に、本実施の形態の半導体装置（電池監視ＩＣ）の概略構成の一例の回路図を示す。本実施の形態の電池監視ＩＣ１０は、セル選択ＳＷ１８、バッファアンプ２０、及びアナログレベルシフタ２２を備えて構成されている。バッファアンプ２０は、バッファアンプ３０及びバッファアンプ３２を含んで構成されており、アナログレベルシフタ２２は、検出抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４及びアンプ３６により差動増幅回路を構成している。

電池１４は、直列に接続された５個の電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５を含んでおり、電池セルＶｃ１の負極は、ＧＮＤに接続されている。また、電池セルＶｃ５の正極は、電池監視ＩＣ１０の電源に接続されている。電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５各々の両端は、両端電圧Ｖ０〜Ｖ５が入力されるようにコンデンサＣｆ１〜Ｃｆ５、及び抵抗Ｒｆ０〜Ｒｆ５により構成されるＬＰＦ１６を介して、電池監視ＩＣ１０のセル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５に接続されている。

セル選択ＳＷ１８は、各電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５を選択するためのスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５を含んで構成されている。本実施の形態では、スイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５は、全て同様の構造をしており、高耐圧のＭＯＳトランジスタにより構成されている。本実施の形態のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５の具体的一例の回路図を図２に示す。本実施の形態のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５は、ＮＭＯＳトランジスタ７０、ＰＭＯＳトランジスタ７２、及び論理否定回路７４を含んで構成されている。論理否定回路７４に入力される制御信号がハイレベルの場合は、ＮＭＯＳトランジスタ７０及びＰＭＯＳトランジスタ７２がオン状態になり、ＬＰＦ１６からバッファアンプ２０に電圧が出力される。一方、論理否定回路７４に入力される制御信号がローレベルの場合は、ＮＭＯＳトランジスタ７０及びＰＭＯＳトランジスタ７２がオフ状態になり、ＬＰＦ１６からバッファアンプ２０に電圧が出力されない。なおスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５は、高耐圧トランジスタにより構成されるものであればこれに限定されず、その他の構成であってもよい。

セル選択ＳＷ１８の出力は、バッファアンプ２０の非反転端子に接続されている。本実施の形態では、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０、ＳＷ１＿１、ＳＷ２＿１、ＳＷ３＿１、ＳＷ４＿１がバッファアンプ３２の非反転入力端子に接続されており、スイッチング素子ＳＷ１＿２、ＳＷ２＿２、ＳＷ３＿２、ＳＷ４＿２、ＳＷ５がバッファアンプ３０の非反転入力端子に接続されている。なお、バッファアンプ３０、３２の反転端子には、各々出力が接続（負帰還）されている。

本実施の形態では、バッファアンプ３０、３２は、同様の構造をしており、高耐圧のＭＯＳトランジスタにより構成されている。本実施の形態のバッファアンプ３０、３２の具体的一例の回路図を図３に示す。本実施の形態のバッファアンプ３０、３２は、ＰＭＯＳトランジスタ８０、８２、８４、８６、コンデンサ８８、及びＮＭＯＳトランジスタ９０、９２、９４を含んで構成されている。本実施の形態では、非反転端子から入力された電圧Ｖｘ、Ｖｙと電圧値が同じ電圧Ｖｘ１、Ｖｙ１（Ｖｘ＝Ｖｘ１、Ｖｙ＝Ｖｙ１）が出力端子から出力される。なおバッファアンプ３０、３２は、高耐圧トランジスタにより構成されるものであればこれに限定されず、その他の構成であってもよい。

バッファアンプ２０の出力は、アナログレベルシフタ２２に接続されている。本実施の形態では、バッファアンプ３０の出力（Ｖｘ１）は、検出抵抗Ｒ１を介してアンプ３６の非反転端子に接続されており、バッファアンプ３２の出力（Ｖｙ１）は、アンプ３６の反転端子に接続されている。

アナログレベルシフタ２２は、セル選択ＳＷ１８により選択された電池セルの両端電圧の電圧値の差をＶｏｕｔとして電池監視ＩＣ１０の外部に出力する。本実施の形態のアナログレベルシフタ２２の具体的一例としては、バッファアンプ３０、３２と同様の構造（図３参照）を有したアンプ３６、及び抵抗値が同一の検出抵抗Ｒ１〜Ｒ４（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４）を備えた構成が挙げられる。

本実施の形態の電池監視ＩＣ１０による電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の電池電圧の測定について図４、５を参照して説明する。電池セルＶｃ５の電圧値（Ｖ５−Ｖ４＝Ｖｃ５）を測定する場合、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ５、ＳＷ４＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になる。バッファアンプ３０、３２の入力インピーダンスが高いため、電流による抵抗Ｒｆ４、Ｒｆ５、セル選択ＳＷ１８（スイッチング素子ＳＷ４＿１、ＳＷ５）による電圧降下がないため、電圧Ｖｘ＝Ｖ５、電圧Ｖｙ＝Ｖ４になる。従って、アナログレベルシフタ２２の出力Ｖｏｕｔは、Ｖ５−Ｖ４＝Ｖｃ５となり、グランド基準の電圧に変換されて外部に出力される。

なお同様に、電池セルＶｃ４の電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ４＿２、ＳＷ３＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔ＝Ｖｃ４が出力される。電池セルＶｃ３の電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ３＿２、ＳＷ２＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔ＝Ｖｃ３が出力される。電池セルＶｃ２の電圧を測定する場合、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ２＿２、ＳＷ１＿１がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔ＝Ｖｃ２が出力される。電池セルＶｃ１の電圧を測定する場合、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ１＿２、ＳＷ０がオン状態になり、その他のスイッチング素子がオフ状態になり、アナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔ＝Ｖｃ１が出力される。

上述のようにして電池監視ＩＣ１０から出力された出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を測定することにより、電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の電池電圧の測定が行われる。例えば、車等に搭載される電池（電気自動車やハイブリッド電気自動車用の蓄電池等）の測定に用いられる。

本実施の形態では、入力インピーダンスが高いバッファアンプ３０、３２がセル選択ＳＷ１８の出力に接続されているため、電池セルＶｃ５の電池電圧を測定する場合、図４に太線で示すように電流が流れる。このように本実施の形態では、従来の電池監視ＩＣ１００による電池電圧の測定の際の電流の流れを示す図１０と比較するとわかるように、電池セルＶｃ１〜Ｖｃ４からＬＰＦ１６の抵抗Ｒｆ０〜Ｒｆ３及びコンデンサＣｆ１〜Ｃｆ４を介して電流が流れるのを抑制する。従って、本実施の形態では、従来に比べて、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ４＿１、ＳＷ５に流れる電流量が減少する。そのため、スイッチング素子ＳＷ４＿１、ＳＷ５を構成するＭＯＳトランジスタを小型化することができる。本実施の形態では、具体的一例として、ＭＯＳトランジスタのゲート幅やゲート長を小さくすることにより、小型化する。ＭＯＳトランジスタが物理的に小型化されるため、スイッチング素子ＳＷ４＿１、ＳＷ５の寄生容量Ｃ４１、Ｃ５が小さくなる。

寄生容量が小さくなると、セル選択ＳＷ１８をオンした直後のコンデンサＣｆ５から寄生容量へ移動する電荷の移動量が少なくなる。また図４に示すように検出抵抗Ｒ１〜Ｒ４に流れる電流は、バッファアンプ３０、３２から供給される。すなわち、従来と異なり、ＬＰＦ１６の抵抗Ｒｆ０〜Ｒｆ５、及びコンデンサＣｆ０〜Ｃｆ５を介して電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５から供給されない。従って、図５に示すように、電池セル電圧測定時の電圧の落ち込みが少ないので、出力電圧Ｖｏｕｔが安定していない状態で測定しても精度よく（規格を満足できる精度）測定できる。

具体的一例としては、スイッチング素子ＳＷ４＿１、ＳＷ５のオン電圧が６０Ｖ、オフ電圧が０Ｖの場合に、電圧Ｖ５１、Ｖ４１の落ち込みは３ｍＶ、出力電圧Ｖｏｕｔの落ち込みは６ｍＶになり、規格内で測定できるセル電圧測定時間は５００μｓになる。

なお、ここでは、電池セルＶｃ５の電池電圧を測定する場合について詳細に説明したが、その他の電池セルＶｃ１〜Ｖｃ４の電池電圧を測定する場合についても上記と同様の理由により、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ４＿２を小さくすることができるため、寄生容量を小さくすることができ、従って、電池セル電圧測定時の電圧の落ち込みが少ないので、出力電圧Ｖｏｕｔを規格内で測定できる時間まで短くすることができる。

以上説明したように、本実施の形態の電池監視ＩＣ１０によれば、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５により選択された電池セルの正極側の電圧がバッファアンプ２０のバッファアンプ３０の非反転端子に入力され、バッファアンプ３０から出力された電圧Ｖｘ１がアナログレベルシフタ２２のアンプ３６の非反転端子に入力される。また、選択された電池の負極側の電圧がバッファアンプ３２の非反転端子に入力され、バッファアンプ３２から出力された電圧Ｖｙ１がアンプ３６の反転端子に入力される。アナログレベルシフタ２２からは、電圧Ｖｘ１と電圧Ｖｙ１の電圧値の差がＶｏｕｔとして出力される。従って、電池電圧の両端電圧の差がアナログレベルシフタ２２からＶｏｕｔとして出力される。

このように本実施の形態では、入力インピーダンスが高いバッファアンプ３０、３２を介してセル選択ＳＷ１８からアナログレベルシフタ２２に電圧が入力されるため、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５に流れる電流を抑制し、電流量を従来よりも少なくすることができるため、スイッチング素子ＳＷ０〜ＳＷ５を構成するＭＯＳトランジスタの物理的大きさを小さくすることができる。これにより、セル選択ＳＷ１８の寄生容量Ｃ０〜Ｃ５を小さくすることができる。

従って、電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の電池電圧の測定時にアナログレベルシフタ２２から出力される電圧Ｖｏｕｔの落ち込みを少なくすることができるため、出力電圧Ｖｏｕｔを規格内で測定できる時間まで短くすることができる。

また、本実施の形態では、バッファアンプ２０のバッファアンプ３０、３２、及びアナログレベルシフタ２２のアンプ３６の駆動電源として、電池１４の電池セルＶｃ５の正極から電源電圧ＶＣＣを供給している。これにより、バッファアンプ３０、３２を駆動するための新たな電源を備える構成としなくてよいため、電池監視ＩＣ１０のチップ面積の増大を抑制することができる。

［第２の実施の形態］

以下、図面を参照して本発明の第２の実施の形態の半導体装置である電池監視ＩＣについて詳細に説明する。図６に、本実施の形態の半導体装置（電池監視ＩＣ）の概略構成の一例の回路図を示す。本実施の形態の電池監視ＩＣ４０は第１の実施の形態の電池監視ＩＣ１０と略同一の構成であるため、同一部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施の形態の電池監視ＩＣ４０は、昇圧回路４２を備えている。昇圧回路４２は、電池１４の電池セルＶｃ５の正極から供給される電源電圧ＶＣＣを所定の電圧ＶＣＣ１（ＶＣＣ＜ＶＣＣ１）に昇圧し、昇圧した電圧ＶＣＣ１をバッファアンプ２０のバッファアンプ３０、３２の駆動電源電圧として供給する。

第１の実施の形態の電池監視ＩＣ１０では、電池セルＶｃ５の電池電圧を測定する場合、電池セルＶｃ５の正極側に接続されているバッファアンプ３０の入力電圧ＶｘがＶｘ＝Ｖ５＝ＶＣＣとなる。このようにバッファアンプ３０の入力電圧の電圧値とバッファアンプ３０の電源電圧の電圧値とが同じく電圧ＶＣＣになるため、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタが非飽和領域で動作し、バッファアンプ３０の出力のオフセット電圧が大きくなる。オフセット電圧の影響により、出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が低下する場合がある。

本実施の形態では、電圧ＶＣＣを昇圧回路４２により、バッファアンプ３０内のＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作させられる電圧ＶＣＣ１に昇圧し、昇圧シタＶＣＣ１をバッファアンプ３０、３２の駆動電源電圧として供給する。これにより、バッファアンプ３０、３２を構成するＭＯＳトランジスタが飽和領域で動作するため、バッファアンプ３０、３２の出力電圧にオフセット電圧がなくなり、アナログレベルシフタ２２から出力される出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が向上する。

以上説明したように、本実施の形態の電池監視ＩＣ４０によれば、昇圧回路４２により電圧ＶＣＣをバッファアンプ３０、３２を構成するＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作させられる電圧ＶＣＣ１に昇圧し、昇圧した電圧ＶＣＣ１によりバッファアンプ３０、３２が駆動するため、アナログレベルシフタ２２から出力される出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度を向上させることができる。

なお、昇圧回路４２による電圧ＶＣＣの昇圧は、バッファアンプ３０、３２を構成するＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作させることができる電圧ＶＣＣ１に昇圧すればよく、具体的な一例として、電圧ＶＣＣ＝６０Ｖであり、当該電圧値がＭＯＳトランジスタの飽和領域外である場合に飽和領域で動作させられる電圧ＶＣＣ１＝６５Ｖに昇圧すればよい。なお、具体的な電圧値は、ＭＯＳトランジスタの仕様に応じて定めればよい。

また、電圧ＶＣＣがバッファアンプ３０、３２のＭＯＳトランジスタを飽和領域で動作させられる電圧値である場合は、昇圧せずにそのまま電圧ＶＣＣを電源電圧として用いてもよい。

また本実施の形態では、昇圧回路４２により電圧ＶＣＣを電圧ＶＣＣ１に昇圧して、バッファアンプ３０、３２に供給しているが、ＶＣＣ＜ＶＣＣ１となる電圧ＶＣＣ１を外部電源から供給するように構成してもよい。また、必要に応じて、バッファアンプ３０、３２に供給される電源電圧を、電圧ＶＣＣと電圧ＶＣＣ１とで切り替えるように構成してもよい。

［第３の実施の形態］

以下、図面を参照して本発明の第３の実施の形態の半導体装置である電池監視ＩＣについて詳細に説明する。図７に、本実施の形態の半導体装置（電池監視ＩＣ）の概略構成の一例の回路図を示す。本実施の形態の電池監視ＩＣ５０は第１の実施の形態の電池監視ＩＣ１０、第２の実施の形態の電池監視ＩＣ４０と略同一の構成であるため、同一部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施の形態の電池監視ＩＣ５０は、スイッチング素子ＳＷＫを備えている。スイッチング素子ＳＷＫは、電池監視ＩＣ５０から出力する出力電圧Ｖｏｕｔをアナログレベルシフタ２２から出力された電圧にするか電圧Ｖｘにするか切り替える機能を有するものである。

第１の実施の形態の電池監視ＩＣ１０、及び第２の実施の形態の電池監視ＩＣ４０では、電池セルＶｃ１の電池電圧を測定する場合、電池セルＶｃ１の負極側に接続されているバッファアンプ３２の入力電圧Ｖｙは、電池セルＶｃ１の負極側がＧＮＤに接続されているため、入力電圧Ｖｙ＝ＧＮＤとなる。このようにバッファアンプ３２の入力電圧の電圧値（ＧＮＤ）とバッファアンプ３２のＧＮＤとが同じであるため、バッファアンプ３２内のＭＯＳトランジスタが非飽和領域で動作し、バッファアンプ３２の出力オフセット電圧が大きくなる。オフセット電圧の影響により、出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が低下する場合がある。

本実施の形態では、電池セルＶｃ１の電池電圧を測定する場合は、セル選択ＳＷ１８のスイッチング素子ＳＷ０、ＳＷ１−２をオン状態にすると共に、スイッチング素子ＳＷＫにより、電池監視ＩＣ５０外部に出力する出力電圧Ｖｏｕｔを、バッファアンプ３２を介してアナログレベルシフタ２２から出力された電圧から、電圧Ｖｘに切り替える。これにより、非飽和領域で動作してしまうバッファアンプ３２を用いずに、直接電池セルＶｃ１の正極側を出力電圧Ｖｏｕｔが出力される出力端子に接続するため、出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度が向上する。

以上説明したように、本実施の形態の電池監視ＩＣ５０によれば、電池セルＶｃ１の電池電圧を測定する場合は、スイッチング素子ＳＷＫにより、電池セルＶｃ１の正極側を直接、出力電圧Ｖｏｕｔを出力する出力端子に接続するため、出力電圧Ｖｏｕｔによる電池電圧の測定精度を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、電池セルＶｃ１を測定する場合、バッファアンプ２０及びアナログレベルシフタ２２を介さずに出力電圧Ｖｏｕｔを出力しているが、電池セルＶｃ１の正極側の電圧Ｖ１は、ＧＮＤに対しての電圧であるため、アナログレベルシフタ２２によりＧＮＤ基準の電圧に変換する必要がないため、問題は生じない。また、電池監視ＩＣ５０の後段（外部）にはハイインピーダンスな回路が接続されるため、ＬＰＦ１６の抵抗Ｒｆによる電圧降下は生じないため、ＬＰＦ１６による誤差は生じない。

［第４の実施の形態］

以下、図面を参照して本発明の第４の実施の形態の半導体装置である電池監視ＩＣについて詳細に説明する。図８に、本実施の形態の半導体装置（電池監視ＩＣ）の概略構成の一例の回路図を示す。本実施の形態の電池監視ＩＣ６０は第１の実施の形態の電池監視ＩＣ１０、第２の実施の形態の電池監視ＩＣ４０、及び第３の実施の形態の電池監視ＩＣ５０と略同一の構成であるため、同一部分には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

本実施の形態の電池監視ＩＣ６０は、バッファアンプ３０、３２の出力端子と入力端子とを接続するためのショートＳＷ６２、６４を備えている。ショートＳＷ６２、６４はそれぞれバッファアンプ３０、３２をショートさせ、バッファアンプ３０、３２をオフ状態にする機能を有するものである。

セル選択ＳＷ１８の出力がバッファアンプ３０、３２を介してアナログレベルシフタ２２に接続されているため、バッファアンプ３０、３２が正常に動作していない（異常である）場合は、出力電圧Ｖｏｕｔが適正な電圧値とならず、電池電圧の測定精度が低下する場合がある。

本実施の形態では、ショートＳＷ６２、６４のスイッチング素子ＳＷＰ、ＳＷＮをオフ状態にし、バッファアンプ３０、３２を介した通常の電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の電池電圧の測定を行う。また、ショートＳＷ６２、６４のスイッチング素子ＳＷＰ、ＳＷＮをオン状態にし、バッファアンプ３０、３２を介さずに電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の電池電圧の測定を行う。両測定結果を比較し、測定値が一致した場合（予め定めた許容誤差範囲内である場合を含む）は、バッファアンプ３０、バッファアンプ３２は正常に動作しているとみなせる。一方、一致しない場合は、異常であるとみなせる。このように、バッファアンプ３０、３２の動作の自己判断が可能となる。

以上説明したように、本実施の形態の電池監視ＩＣ６０によれば、ショートＳＷ６２、６４のスイッチング素子ＳＷＰ、ＳＷＫをオン状態にすることにより、バッファアンプ３０、３２を介さないアナログレベルシフタ２２の出力電圧Ｖｏｕｔと、バッファアンプ３０、３２を介したアナログレベルシフタ２２の出力電圧Ｖｏｕｔを比較することにより、バッファアンプ３０、３２が正常であるか否か自己判断ができるため、電池電圧の測定精度が低下するのを防止することができる。

なお、上記第１の実施の形態〜第４の実施の形態では、従来の電池監視ＩＣ１００（図９参照）に備えられていたダミースイッチＳＷＡ、ＳＷＢ、及びタミー抵抗ＲＤ１、ＲＤ２を備えずに構成しているが、上記第１の実施の形態〜第４の実施の形態では、入力インピーダンスが高いバッファアンプ３０、３２を介することにより、ＬＰＦ１６の抵抗Ｒｆ０〜Ｒｆ５、及びセル選択ＳＷ１８のオン抵抗による電圧降下による誤差をキャンセルすることができる。すなわち、バッファアンプ３０、３２が、従来のダミースイッチＳＷＡ、ＳＷＢ、及びタミー抵抗ＲＤ１、ＲＤ２と同様の機能を有しているため、これらを備えずに構成することができる。

また、上記第１の実施の形態〜第４の実施の形態では、電池１４が５個の電池セル（電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５）を備える場合について説明したがこれに限らず、複数の電池セルが直列に接続されていれば、その個数は特に限定されない。

また、上記第１の実施の形態〜第４の実施の形態では、ＬＰＦ１６の構成をコンデンサＣｆ１〜Ｃｆ５を電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５間に接続するπ型で構成した場合について説明したが、これに限らず、例えば、コンデンサＣｆ１〜Ｃｆ５を電池セルＶｃ１〜Ｖｃ５の正極側とＧＮＤとの間に接続する対地型で構成してもよい。

１０、４０、５０、６０電池監視ＩＣ
１４電池
１６ＬＰＦ
１８セル選択ＳＷ
２０バッファアンプ
２２アナログレベルシフタ
３０、３２バッファアンプ
３６アンプ
４２昇圧回路
６２、６４ショートＳＷ
Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３、Ｖｃ４、Ｖｃ５電池セル
ＳＷＫスイッチング素子

Claims

各々がローパスフィルタを介して直列に接続された複数の電池の各々に接続され、前記直列に接続された複数の電池のいずれか１つを選択する複数のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子により選択された電池の一端の電圧が入力されると共に、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第１バッファアンプと、
前記スイッチング素子により選択された電池の他端の電圧が入力されると共に、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第２バッファアンプと、
前記第１バッファアンプから出力された電圧と前記第２バッファアンプから出力された電圧との差を出力するレベルシフタと、
を備えた半導体装置。
前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプを駆動するための電源電圧及び前記レベルシフタを駆動するための電源電圧は、前記直列に接続された複数の電池から供給される、請求項１に記載の半導体装置。
前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプは、トランジスタにより構成されており、前記直列に接続された複数の電池から供給される電源電圧が前記トランジスタを飽和領域で動作させるための電圧値よりも低い場合は、前記電源電圧を前記飽和領域で動作させるための電圧値に昇圧する昇圧手段を備え、前記昇圧手段により昇圧した電源電圧を前記第１バッファアンプ及び前記第２バッファアンプに供給する、請求項２に記載の半導体装置。
前記スイッチング素子が前記直列に接続された複数の電池のうち、一端がグランドに接続された電池を選択した場合に、外部に出力する電圧を、前記レベルシフタから出力された電圧から前記スイッチング素子が選択した電池の他端の電圧に切り替える切替素子を備えた、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
前記第１バッファアンプを介さずに電流を流すために、前記第１バッファアンプの入力端子と出力端子とを接続するための第１接続素子と、前記第２バッファアンプを介さずに電流を流すために、前記第２バッファアンプの入力端子と出力端子とを接続するための第２接続素子と、を備えた、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体装置。
各々がローパスフィルタを介して直列に接続された複数の電池の各々に接続された複数のスイッチング素子により、前記直列に接続された複数の電池のいずれか１つを選択し、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第１バッファアンプに前記スイッチング素子により選択された電池の一端の電圧が入力され、前記ローパスフィルタから前記スイッチング素子に流れる電流を制限する大きさの入力インピーダンスを有する第２バッファアンプに前記スイッチング素子により選択された電池の他端の電圧が入力され、レベルシフタにより、前記第１バッファアンプから出力された電圧と前記第２バッファアンプから出力された電圧との差を外部に出力する、電池電圧の監視方法。