JP2013051757A - 半導体集積回路、保護回路及び電池パック - Google Patents

半導体集積回路、保護回路及び電池パック Download PDF

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Abstract

【課題】リーク電流が発生した場合でもレギュレータの出力電圧を安定に保つことが可能な半導体集積回路、保護回路及び電池パックを提供することを目的としている。
【解決手段】半導体集積回路内におけるリーク電流の発生を検出し、検出結果を出力するリーク検出手段と、前記リーク検出手段の出力により、オン/オフが制御されるスイッチと、前記リーク検出手段により前記リーク電流が検出されたとき、前記スイッチを介して前記レギュレータの出力端子と接続されて前記レギュレータの出力電圧を降下させるプルダウン抵抗と、を有する。
【選択図】図4

Description

本発明は、レギュレータを有する半導体集積回路、保護回路及び電池パックに関する。
近年では、充放電可能な二次電池等により駆動する携帯機器が普及している。二次電池は、保護回路を有する電池パックとして搭載される場合がある。この保護回路には、二次電池を過充電や過放電等から保護する機能や、電池残量の管理等を行う電池監視機能等を有するものがある。
図1は、従来の保護回路の例を示す図である。図1に示す保護回路10は、保護IC11と、電池監視IC12と、スイッチトランジスタM1と、スイッチトランジスタM2とを有する。また保護回路10は、端子B+、端子B−、端子P+、端子P−を有し、端子B+と端子B−との間に二次電池B1が接続され、端子P+と端子P−との間に充電器又は負荷(図示せず)が接続される。保護IC11と電池監視IC12とは、通信可能に接続されている。
保護IC11は、二次電池B1から供給される電圧VDDにより駆動される。また保護IC11の基板はN型基板である。保護IC11は、VDD−VSS端子間電圧から二次電池B1の過充電を検出すると、端子COUTからトランジスタM1をオフさせる制御信号を出力して充電を停止させる。また保護IC11は、VDD−VSS端子間電圧から二次電池B1の過放電を検出すると、端子DOUTからトランジスタM2をオフさせる制御信号を出力して放電を停止させる。
電池監視IC12は、保護IC11の有するレギュレータにより電圧VDDから生成される電圧を電源としており、二次電池B1の状態を監視する。二次電池B1の状態とは、例えば電池残量や二次電池B1に発生した異常の履歴等である。
図2は、従来の保護ICの例を示す図である。保護IC11は、基準電圧生成回路13、コンパレータ14、ロジック回路15、レギュレータ16、抵抗R1、抵抗R2を有する。
抵抗R1と抵抗R2は、VSS−VDD間電圧を分圧する。コンパレータ14は、分圧されたVSS−VDD間電圧と、基準電圧生成回路13により生成される基準電圧とを比較し、その結果をロジック回路15へ出力する。ロジック回路15は、コンパレータ14の出力に従って過充電や過放電を検出し、端子COUT及び端子DOUTから制御信号を出力する。
また基準電圧生成回路13で生成される基準電圧は、レギュレータ16に供給される。レギュレータ16は、アンプ17、抵抗R3、抵抗R4を有する。基準電圧生成回路13から出力された基準電圧は、アンプ17の一方の入力に供給される。アンプ17の他方の入力には、アンプ17の出力が供給される。アンプ17の出力は、抵抗R3と抵抗R4により分圧されて、レギュレータ16の出力電圧とされる。
ところで、二次電池B1を充電する場合には、端子P+と端子P−との間に充電器が接続される。二次電池B1の充電時には、充電器が二次電池B1と極性が逆になるように接続される可能性がある。この状態を以下では充電器逆接状態と呼ぶ。充電器逆接状態となると、二次電池B1の負極側に過大に電圧が印加され、二次電池B1の異常状態となる。そこで従来では充電器逆接状態の発生を防止する工夫が成されている。
例えば特許文献1には、充電器逆接状態を検出すると二次電池への充電を停止させることが記載されている。
特開2009−247100号公報
例えば図1に示す保護回路において充電器逆接状態が生じた場合、端子P−の電圧が持ち上がるため、保護IC11は放電過電流や短絡を検出し、トランジスタM2をオフさせる。しかしながら保護IC11は基板電圧がVDDのN型基板であるため、充電器逆接状態により各端子の電圧がVDDより高くなると、寄生トランジスタが動作して内部回路にリーク電流が生じる。このリーク電流により、レギュレータ16の出力電圧が高くなり、レギュレータ16の出力電圧の供給先である電池監視IC12を破損する虞が生じる。
本発明は、上記事情を鑑みてこれを解決すべく成されたものであり、リーク電流が発生した場合でもレギュレータの出力電圧を安定に保つことが可能な半導体集積回路、保護回路及び電池パックを提供することを目的としている。
本発明は、上記目的を達成するために、以下の如き構成を採用した。
本発明は、レギュレータ(115)を有する半導体集積回路(110)であって、
当該半導体集積回路(110)内におけるリーク電流の発生を検出し、検出結果を出力するリーク検出手段(130)と、
前記リーク検出手段(130)の出力により、オン/オフが制御されるスイッチ(S1)と、
前記リーク検出手段(130)により前記リーク電流が検出されたとき、前記スイッチ(S1)を介して前記レギュレータ(115)の出力端子(VREGOUT)と接続されて前記レギュレータ(115)の出力電圧を降下させるプルダウン抵抗(R50)と、
を有する。
本発明は、二次電池(B10)の保護を行う半導体集積回路(110)であって、
放電制御用スイッチ(M20)及び充電制御用スイッチ(M10)のオン/オフを制御する信号を出力する制御手段と、
他の半導体集積回路(120)に供給する電圧を生成するレギュレータ(115)と、
当該半導体集積回路内(110)におけるリーク電流の発生を検出し、検出結果を出力するリーク検出手段(130)と、
前記リーク検出手段(130)の出力により、オン/オフが制御されるスイッチ(S1)と、
前記リーク検出手段(130)により前記リーク電流が検出されたとき、前記スイッチ(S1)を介して前記レギュレータ(115)の出力端子(VREGOUT)と接続されて前記レギュレータ(115)の出力電圧を降下させるプルダウン抵抗(R50)と、を有する。
本発明は、二次電池(B10)の保護を行う保護回路(100)であって、
放電制御用スイッチ(M20)及び充電制御用スイッチ(M10)と、
前記放電制御用スイッチ(M20)及び前記充電制御用スイッチ(M10)のオン/オフを制御する信号を出力する第一の半導体集積回路(110)と、
前記第一の半導体集積回路(110)から供給される電圧を電源とする第二の半導体集積回路(120)とを有し、
前記第一の半導体集積回路(110)は、
前記第二の半導体集積回路(120)に供給する電圧を生成するレギュレータ(115)と、
前記第一の半導体集積回路(110)内におけるリーク電流の発生を検出し、検出結果を出力するリーク検出手段(130)と、
前記リーク検出手段(130)の出力により、オン/オフが制御されるスイッチ(S1)と、
前記リーク検出手段(130)により前記リーク電流が検出されたとき、前記スイッチ(S1)を介して前記レギュレータ(115)の出力端子(VREGOUT)と接続されて前記レギュレータ(115)の出力電圧を降下させるプルダウン抵抗(R50)と、
を有する。
また本発明の保護回路において、前記第二の半導体集積回路(120)は、
前記二次電池(B10)の残容量の算出する機能と、前記二次電池の状態の履歴とを管理する機能とを含む。
また本発明の保護回路は、前記第一の半導体集積回路(110)において、
前記リーク検出手段(130)は、
前記二次電池(B10)の負極と接続される端子(V−)の電圧が所定電圧以上となったとき、一端が寄生素子(132)を介して前記端子(V−)に接続される定電流源(131)を有し、
前記定電流源(131)の出力が所定値以上となったとき、前記リーク電流を検出したことを出力する。
また本発明の保護回路において、前記第一の半導体集積回路(110)と前記第二の半導体集積回路(120)とは、通信可能に接続されており、
前記第一の半導体集積回路(110)は、前記リーク電流を検出したとき前記第二の半導体集積回路(120)に前記検出を通知する。
本発明は、二次電池(B10)と、
放電制御用スイッチ(M20)及び充電制御用スイッチ(M10)と、
前記放電制御用スイッチ(M20)及び前記充電制御用スイッチ(M10)のオン/オフを制御する信号を出力する第一の半導体集積回路(110)と、
前記第一の半導体集積回路(110)から供給される電圧を電源とする第二の半導体集積回路(120)とを有する電池パック(200)であって、
前記第一の半導体集積回路(110)は、
前記第二の半導体集積回路(120)に供給する電圧を生成するレギュレータ(115)と、
前記第一の半導体集積回路(110)内におけるリーク電流の発生を検出し、検出結果を出力するリーク検出手段(130)と、
前記リーク検出手段(130)の出力により、オン/オフが制御されるスイッチ(S1)と、
前記リーク検出手段(130)により前記リーク電流が検出されたとき、前記スイッチ(S1)を介して前記レギュレータ(115)の出力端子(VREGOUT)と接続されて前記レギュレータ(115)の出力電圧を降下させるプルダウン抵抗(R50)と、
を有する。
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
本発明によれば、リーク電流が発生した場合でもレギュレータの出力電圧を一定に保つことができる。
従来の保護回路の例を示す図である。 従来の保護ICの例を示す図である。 本発明の保護回路を説明する図である。 本実施形態の保護ICを説明する図である。 本実施形態のリーク検出回路を説明する図である。
以下に図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図3は、本発明の保護回路を説明する図である。
図3において、本実施形態の保護回路100は、充放電可能な二次電池B10と接続されて電池パック200を構成している。電池パック200は、図示しない携帯機器等に実装され、二次電池B10の電池電圧により携帯機器を駆動する。
保護回路100において、端子B+、B−間にはリチウムイオン電池等の二次電池B10が接続される。端子B+は端子P+に接続され、端子B−は抵抗R5及びMOSトランジスタM20及びM10を介して端子P−に接続されており、端子P+、P−間に図示しない負荷や充電器が接続される。尚充電器が接続される際は、端子P+に充電器の正極側が接続され、端子P−に充電器の負極側が接続された状態が通常の接続状態となる。
また本実施形態の保護回路100は、保護IC(Integrated Circuit:集積回路)110と電池監視IC120とを有する。電池監視IC120は、抵抗R5の両端の電圧を端子VRSMと端子VRSFに供給され、端子VRSMと端子VRSFの電位差から二次電池B10の充放電電流を検出する。また、二次電池B10の電池電圧が保護IC110を介して端子VBATに供給され、電池監視IC120は端子VBATの電圧を二次電池B10の電圧として検出する。
また、電池監視IC120は端子VDDに保護IC110で安定化された電源を供給されている。電池監視IC120はマイクロコンピュータを内蔵し、二次電池B10の充放電電流を積算して二次電池B10の残容量を算出すると共に、二次電池B10の過電圧検出及び充放電の過電流検出等を行い、その検出結果に基づいて保護IC110の制御を行う。また本実施形態の電池監視IC120は、二次電池B10に発生した異常状態の履歴等を保持する。
本実施形態の保護IC110は、後述するレギュレータにより、二次電池B10から抵抗R6を介して端子VDDに供給される電圧を安定化し、端子VREGOUTから電池監視IC120に供給する。また、端子VSENSEには抵抗R7を介して二次電池B10の電池電圧が供給され、この電池電圧を分圧して端子VBATから電池監視IC120に供給する。
また本実施形態の保護IC110は、端子VSENSEの電圧を過充電閾値及び過放電閾値と比較して、端子VSENSE電圧が過充電閾値を超えると、異常状態であるとしてMOSトランジスタM10をオフし、過放電閾値を下回ると、異常状態であるとしてMOSトランジスタM20をオフする。これと共に保護IC110は、電池監視IC120からの制御に従ってMOSトランジスタM10、M20のオン/オフを切り換えることで、二次電池B10の充放電制御を行う。
本実施形態の保護回路100において、電池監視IC120の端子ICOMと保護IC110の端子ICOMは、信号線13で接続されており、電池監視IC120と保護IC110との間で双方向の3値シリアル通信が行われる。
また本実施形態の保護IC110は、電池パック200に二次電池B10と極性が逆の状態で充電器が接続された充電器逆接状態となったことを検出する。すなわち充電器逆接状態とは、充電器の正極側が端子P−に接続され、充電器の負極側が端子P+に接続された状態である。
本実施形態の保護IC110は、充電器逆接状態が検出されると、保護IC110の有するレギュレータの出力電圧をプルダウンする。尚本実施形態の保護IC110は、充電器逆接状態になると、トランジスタM20をオフして二次電池B10の充放電を停止させる。
以下に図4を参照して本実施形態の保護IC110について説明する。図4は、本実施形態の保護ICを説明する図である。尚図4では、保護IC110による充電器逆接状態の検出と、レギュレータの出力電圧のプルダウンについて説明するために必要な端子のみを示し、その他の端子の図示を省略している。
本実施形態の保護IC110は、基準電圧生成回路112、コンパレータ113、ロジック回路114、レギュレータ115、リーク検出回路130、抵抗R10、抵抗R20、抵抗R50、スイッチSW1を有する。
本実施形態の保護IC110において、抵抗R10と抵抗R20は、端子VSS−端子VDD間の電圧を分圧する。コンパレータ113は、分圧された端子VSS−端子VDD間電圧と、基準電圧生成回路112により生成される基準電圧とを比較し、その結果をロジック回路114へ出力する。ロジック回路114は、コンパレータ113の出力に従って過充電や過放電を検出し、端子COUT及び端子DOUTから制御信号を出力する。また基準電圧生成回路112で生成される基準電圧は、レギュレータ115に供給される。
本実施形態のレギュレータ115は、アンプ116、抵抗R30、抵抗R40を有する。基準電圧生成回路112から出力された基準電圧は、アンプ116の一方の入力に供給される。アンプ116の他方の入力には、アンプ116の出力が供給される。アンプ116の出力は、抵抗R30と抵抗R40により分圧されて、レギュレータ115の出力電圧とされる。
本実施形態のリーク検出回路130は、保護IC110内でリーク電流が発生したか否かを検出する。スイッチSW1は、一端が抵抗R50を介してレギュレータ115の出力と接続されており、他端がVSS端子と接続されている。スイッチSW1は、リーク検出回路130から出力される信号に基づき、オン/オフが制御される。本実施形態では、充電器逆接状態となった場合でも、スイッチSW1及び抵抗R50によりレギュレータ115の出力電圧を所定範囲内に保つ。
具体的には本実施形態では、リーク検出回路130は、充電器逆接状態を検出するとハイレベル(以下、Hレベル)の信号を出力し、充電器逆接状態を検出しない通常の接続状態ではローレベル(以下、Lレベル)の信号を出力する。本実施形態のスイッチSW1は、リーク検出回路130の出力がHレベルのときオンとなり、リーク検出回路130の出力がLレベルのときオフとなる。
リーク検出回路130により充電器逆接状態が検出されると、スイッチSW1がオンとなり、レギュレータ115の出力電圧と電圧VSSとの間に抵抗R50が接続される。抵抗R50が接続されることで、レギュレータ115の出力である端子VREGOUTの電圧が抵抗R50によりプルダウンされる。
よって本実施形態では、充電器逆接状態が検出された際もレギュレータ115の出力電圧を所定範囲内に保つことができる。尚本実施形態の抵抗R50の抵抗値は、充電器逆接状態となった場合の端子V−の電圧や、通常時のレギュレータ115の出力電圧等に基づき設定される。また抵抗R50の値は、充電器逆接状態となった場合にも、端子VREGOUTから電圧が供給される電池監視IC120が破損しない程度の電圧となるように設定されることが好ましい。さら抵抗R50の値は、充電器逆接状態となった場合にも、端子VREGOUTから出力される電圧が通常時と同じ値となるように設定されることが好ましい。
以下に図5を参照して本実施形態のリーク検出回路130について説明する。図5は、本実施形態のリーク検出回路を説明する図である。
本実施形態の保護IC110において、リーク検出回路130は、定電流源131を有する。また本実施形態の保護IC110の基板はN型基板であり、基板上に回路群や端子等が実装される領域はP型ウェルであるため、N型基板とP型ウェルとの間には寄生素子132が存在する。本実施形態では、例えばリーク検出回路130内のP型ウェル133と、端子V−に接続されたP型ウェル134との間に寄生トランジスタ132が存在する。本実施形態のリーク検出回路130は、定電流源131とP型ウェル133との接続点の電圧のレベルを出力としている。
ここで、本実施形態の電池パック200において充電器逆接状態が発生すると、端子P−の電圧がもちあがり、保護IC110の端子V−の電圧がVDDより高くなる。そして端子V−の電圧が、電圧VDDに寄生トランジスタ132の動作閾値電圧を加算した値よりも高くなると、寄生トランジスタ132が動作する。寄生トランジスタ132が動作すると、端子V−に接続されたP型ウェル134とリーク検出回路130内のP型ウェル133とが、寄生トランジスタ132を介して端子V−と接続され、リーク検出回路130内に端子V−からリーク電流が流れ込む。
リーク検出回路130では、リーク電流が流れ込むと、P型ウェル132と定電流源131との接続点Aの電圧が上昇する。そして接続点Aの電圧が所定値以上になると、リーク検出回路130の出力がHレベルとなり、スイッチSW1がオンされる。スイッチSW1がオンされると、抵抗R50により端子VREGOUTの電圧がプルダウンされる。
以上に説明したように、本実施形態によれば、充電器逆接状態となり、保護IC110内にリーク電流が発生した場合でも、レギュレータ115の出力を所定範囲内に維持することができる。
尚本実施形態では、保護IC110の有するレギュレータ115から電池監視IC120に電源電圧が供給される例を説明したが、これに限定されない。本実施形態は、レギュレータを有する半導体集積回路に適応することができる。
また本実施形態では、保護IC110と電池監視IC120とが、端子ICOMにより通信可能に接続されている。このため本実施形態では、保護IC110において充電器逆接状態を検出した際に、二次電池B10の状態を示す情報として、検出結果を電池監視IC120へ通知することができる。
このため本実施形態では、放電制御を行うトランジスタM20がオフされた状態において、充電器逆接状態を検出したことを区別することができる。
以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
100 保護回路
110 保護IC
112 基準電圧生成回路
115 レギュレータ
120 電池監視IC
130 リーク検出回路
200 電池パック

Claims (7)

  1. レギュレータを有する半導体集積回路であって、
    当該半導体集積回路内におけるリーク電流の発生を検出し、検出結果を出力するリーク検出手段と、
    前記リーク検出手段の出力により、オン/オフが制御されるスイッチと、
    前記リーク検出手段により前記リーク電流が検出されたとき、前記スイッチを介して前記レギュレータの出力端子と接続されて前記レギュレータの出力電圧を降下させるプルダウン抵抗と、を有する半導体集積回路。
  2. 二次電池の保護を行う半導体集積回路であって、
    放電制御用スイッチ及び充電制御用スイッチのオン/オフを制御する信号を出力する制御手段と、
    他の半導体集積回路に供給する電圧を生成するレギュレータと、
    当該半導体集積回路内におけるリーク電流の発生を検出し、検出結果を出力するリーク検出手段と、
    前記リーク検出手段の出力により、オン/オフが制御されるスイッチと、
    前記リーク検出手段により前記リーク電流が検出されたとき、前記スイッチを介して前記レギュレータの出力端子と接続されて前記レギュレータの出力電圧を降下させるプルダウン抵抗と、を有する半導体集積回路。
  3. 二次電池の保護を行う保護回路であって、
    放電制御用スイッチ及び充電制御用スイッチと、
    前記放電制御用スイッチ及び前記充電制御用スイッチのオン/オフを制御する信号を出力する第一の半導体集積回路と、
    前記第一の半導体集積回路から供給される電圧を電源とする第二の半導体集積回路とを有し、
    前記第一の半導体集積回路は、
    前記第二の半導体集積回路に供給する電圧を生成するレギュレータと、
    前記第一の半導体集積回路内におけるリーク電流の発生を検出し、検出結果を出力するリーク検出手段と、
    前記リーク検出手段の出力により、オン/オフが制御されるスイッチと、
    前記リーク検出手段により前記リーク電流が検出されたとき、前記スイッチを介して前記レギュレータの出力端子と接続されて前記レギュレータの出力電圧を降下させるプルダウン抵抗と、を有する保護回路。
  4. 前記第二の半導体集積回路は、
    前記二次電池の残容量の算出する機能と、前記二次電池の状態の履歴とを管理する機能とを含む請求項3記載の保護回路。
  5. 前記第一の半導体集積回路において、
    前記リーク検出手段は、
    前記二次電池の負極と接続される端子の電圧が所定電圧以上となったとき、一端が寄生素子を介して前記端子に接続される定電流源を有し、
    前記定電流源の出力が所定値以上となったとき、前記リーク電流を検出したことを出力する請求項3又は4記載の保護回路
  6. 前記第一の半導体集積回路と前記第二の半導体集積回路とは、通信可能に接続されており、
    前記第一の半導体集積回路は、前記リーク電流を検出したとき前記第二の半導体集積回路に前記検出を通知する請求項3ないし5の何れか一項に記載の保護回路。
  7. 二次電池と、
    放電制御用スイッチ及び充電制御用スイッチと、
    前記放電制御用スイッチ及び前記充電制御用スイッチのオン/オフを制御する信号を出力する第一の半導体集積回路と、
    前記第一の半導体集積回路から供給される電圧を電源とする第二の半導体集積回路とを有する電池パックであって、
    前記第一の半導体集積回路は、
    前記第二の半導体集積回路に供給する電圧を生成するレギュレータと、
    前記第一の半導体集積回路内におけるリーク電流の発生を検出し、検出結果を出力するリーク検出手段と、
    前記リーク検出手段の出力により、オン/オフが制御されるスイッチと、
    前記リーク検出手段により前記リーク電流が検出されたとき、前記スイッチを介して前記レギュレータの出力端子と接続されて前記レギュレータの出力電圧を降下させるプルダウン抵抗と、を有する電池パック。


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