JP2013514050A - パルス幅変調によるバッテリ充電 - Google Patents

Abstract

充電器（２０６）によってバッテリ（２０２）を充電するためのバッテリ管理システム（２０４）が、トランジスタ（２０８、２１０）と、充電ポンプ（２２０、２２２）またはプッシュプル出力ドライバ（２９０、２９２）のいずれかとを含む。トランジスタ（２０８、２１０）は、バッテリ（２０２）と充電器（２０６）からの電圧との間の電気的接続を増減させ、充電ポンプ（２２０、２２２）またはプッシュプル出力ドライバ（２９０、２９２）が生成するパルス幅変調駆動信号に応答してオンおよびオフすることによって充電器からバッテリに充電電流を送出する。充電ポンプまたはプッシュプル出力ドライバは、充電器からの電圧が予備充電閾値電圧より大きいとき駆動信号を増加させ、充電器からの電圧が予備充電閾値電圧より小さいとき駆動信号を減少させる。

Description

充電可能なバッテリ１０２と共に動作する電子デバイス１００の中には、図１の簡略化した先行技術の概略図に示すように、バッテリ１０２の充電を制御し、ときにはその放電も制御するバッテリ管理システム１０４を、充電器１０６とバッテリ１０２の間に有するものがある。バッテリ管理システム１０４は、通常、様々な内部集積回路構成要素を備えるバッテリ管理システムチップ１０８を、バッテリ管理システムチップ１０８の外部にある放電ＦＥＴ１１０、充電ＦＥＴ１１２、およびセンス抵抗器１１４とともに含む。

不適切な充電技術に起因して過熱または損傷し得るバッテリにとって、バッテリ管理システム１０４によってイネーブルにされる制御が不可欠なことがある。例えば、リチウムイオンバッテリが完全にまたはほぼ完全に放電した場合、再充電時にバッテリに印加する充電電流は、バッテリの充電がまだ高いレベルのときに印加し得る充電電流よりもかなり小さくなければならない。もし、放電しきったリチウムイオンバッテリに比較的大きい充電電流を印加すると、バッテリが過熱し損傷するか、またはバッテリ近傍の他の構成要素を損傷させるか、あるいはその両方が起こりえる。

そのため、このようなバッテリは、典型的には、少なくとも２段階または２モードで、すなわち、予備充電モードおよび急速充電モードで充電される。予備充電モードでは、通常、比較的小さな予備充電電流がバッテリ１０２に印加される。急速充電モードでは、通常、より大きな急速充電電流、ときには予備充電電流の１０倍ほど大きな電流、がバッテリ１０２に印加される。予備充電モードと急速充電モードの間のカットオフ点を通例「急速充電閾値電圧」と呼ぶ。急速充電閾値電圧は、バッテリ１０２の（ＢＡＴノードでの）電圧、または充電器１０６がＦＥＴ１１０および１１２によりバッテリ１０２に電気的に接続されるときバッテリ１０２によってプルダウンされる、充電器１０６からの（ＰＡＣＫＰノードでの）電圧のいずれかの電圧レベルによって決まる。

充電器１０６は、典型的には、その（ＰＡＣＫＰノードでの）出力電圧が、予備充電モードを使用しなければならないことを示す程度に低くバッテリ１０２によって（バッテリの充電レベルが低いために）プルダウンされる時点を感知するように設計される。そのため、ＰＡＣＫＰでの電圧が急速充電閾値電圧より小さいことが検出されると、充電器１０６は、小さな予備充電電流が生成されるように充電器１０６自体を制限する。また、ＰＡＣＫＰでの電圧が急速充電閾値電圧より大きいことが検出されると、充電器１０６は、より大きな急速充電電流を生成する。（或る種の単純なＤＣ／ＤＣコンバータなどの他の充電器は、その出力電流を予備充電モードに適するように調整せず、単に単一電流を出力するので、そのような状況で用いられるバッテリ管理システム１０４は、必要な場合に予備充電電流まで電流を制限しなければならない。）これに加えて、バッテリ管理システムチップ１０８は、典型的には、ＰＡＣＫＰでの電圧またはＢＡＴでの電圧が予備充電モードまたは急速充電モードのいずれを使用しなければならないかを示す時点を感知するように設計される。

予備充電モードおよび急速充電モードならびにこれら２つのモード間の切替えを制御するのに様々な異なる技術が用いられてきた。このような技術の中には、予備充電トランジスタ（図示せず）および外部抵抗器（図示せず）を用いて充電ＦＥＴ１１２をバイパスし、バッテリ１０２に予備充電電流を印加するものがある。こういった技術の欠点には、予備充電トランジスタ、抵抗器、およびこの予備充電トランジスタを制御するために必要な他の構成要素の、コストおよびスペースを要することがある。

他の技術の中には、放電ＦＥＴ１１０および充電ＦＥＴ１１２を用い、バッテリ管理システムチップ１０８の外部には構成要素を追加せずに、予備充電モードを制御するものもある。例えば、予備充電モードの間バッテリ管理システムチップ１０８のＶＣＣノードおよびＣＨＧノードを（それぞれ充電ＦＥＴ１１２のソースおよびゲートに）つなぐことにより、充電ＦＥＴ１１２をオンにし、放電ＦＥＴ１１０の寄生ダイオードに順方向バイアスをかけることができるので、バッテリ１０２の（ＢＡＴノードでの）電圧が極めて小さいときに充電器１０６からの予備充電電流がバッテリ１０２を充電することができる。この例の欠点は、バッテリ１０２の電圧が小さすぎる場合、例えばほぼゼロの場合、ＶＣＣがバッテリ管理システムチップ１０８の最小動作電圧よりも小さくプルダウンされる可能性が極めて高く、そのため、バッテリ１０２の状態を更新することができず、バッテリ保護機能が動作しないことである。

図１のバッテリ管理システムチップ１０８には、放電ＦＥＴ１１０および充電ＦＥＴ１１２を用い、バッテリ管理システムチップ１０８の外部には構成要素を追加せずに予備充電モードを制御する先行技術の付加的な細部が示されている。この技術は通例、パルス幅変調（ＰＷＭ）予備充電と呼ばれる。というのは、ＰＷＭ予備充電では、予備充電モードの間、放電ＦＥＴ１１０をオンのままにしながら、充電ポンプ１１６および２つのスイッチ１１８および１２０によって生成される電圧を用いて充電ＦＥＴ１１２をオンおよびオフするからである。それぞれ下側閾値電圧Ｖ＿１および上側閾値電圧Ｖ＿２と比較される充電器１０６からの（ＰＡＣＫＰノードでの）電圧に基づいて、２つのコンパレータ１２２および１２４の出力がそれぞれスイッチ１１８および１２０を動作させる。

上側閾値電圧Ｖ＿２は、図２に示すように、下側閾値電圧Ｖ＿１より大きくなるように選択される。これに加えて、閾値電圧Ｖ＿１およびＶ＿２はいずれも、急速充電閾値電圧Ｖ＿ｆｃより小さく、かつ、バッテリ管理システムチップ１０８の最小動作電圧Ｖ＿ｍｉｎより大きくなるように選択される。

ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐ）が上側閾値電圧Ｖ＿２より大きいとき、コンパレータ１２２および１２４およびスイッチ１１８および１２０の機能により、充電ポンプ１１６の出力がＣＨＧ（図１）に接続されてＣＨＧでの電圧（Ｖ＿ｃｈｇ、図２）が増加し、充電ＦＥＴ１１２がオンになる。一方、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐ）が下側閾値電圧Ｖ＿１より小さいとき、コンパレータ１２２および１２４およびスイッチ１１８および１２０の機能により、接地１２６がＣＨＧに接続されてＣＨＧでの電圧（Ｖ＿ｃｈｇ）が減少し、充電ＦＥＴ１１２がオフになる。充電ＦＥＴ１１２がオンおよびオフされることにより、それぞれ、充電器からのＰＡＣＫＰでの電圧が電池バッテリ１０２にＢＡＴで電気的に接続され、またバッテリ１０２からＢＡＴで電気的に切断され、そのため、それぞれバッテリ１０２および充電器１０６によりＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐ）がプルダウンおよびプルアップされる。このサイクルは、図２の簡略化した電圧および電流のグラフで示すように、ＰＡＣＫＰでの電圧が下側閾値電圧Ｖ＿１より下にプルダウンされる程度にバッテリ１０２の電圧（Ｖ＿ｂａｔｔ）が充分に小さい限り繰り返される。

より大きな急速充電電流は小さな予備充電電流より早くリチウムイオンバッテリを充電し得るので、できる限り速やかに（時間Ｔ５で）バッテリ充電プロセスが急速充電モードに入るようにすることが望ましい。この理由で、バッテリおよびバッテリ管理システムのメーカーは、急速充電閾値電圧をできる限り小さくするように努めてきた。この傾向のため、Ｖ＿１およびＶ＿２が事実上「押しつぶされ」てＶ＿ｆｃ〜Ｖ＿ｍｉｎの範囲がますます狭くなっている。しかし、コンパレータ１２２および１２４、スイッチ１１８および１２０（ならびにスイッチ１１８および１２０をオンおよびオフするのに用いる高電圧レベルシフタ（図示せず））、ならびに充電ＦＥＴ１１２に応答遅れ時間があり、充電ポンプ１１６の駆動能力は有限である。このような応答遅れ時間や、Ｖ＿１〜Ｖ＿２の範囲がますます狭くなることで、これらの構成要素をできる限り速やかに駆動してＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐ）がＶ＿１およびＶ＿２をオーバーシュートする量が大きくなり過ぎないようにするためのこれらの構成要素の電力消費要件および製造許容差要件がますます厳しくなる。

図２の簡略化した電圧および電流のグラフは、構成要素１１２および１１８〜１２４が充分速やかに駆動されない場合のＰＷＭ予備充電の深刻な弱点を示している。（図２のグラフは、ＰＷＭ予備充電を用いるバッテリ充電手順の現実の時間スケールを表しておらず、この手順の特定の側面をより明確に示すために簡略化していることに留意されたい。例えば、時間Ｔ２とＴ３の間のＶ＿ｐａｃｋｐ、Ｖ＿ｃｈｇ、および充電電流のサイクル間ピッチは誇張されており、時間Ｔ３後のＶ＿ｃｈｇのグラフは平坦にして理想化している。）

構成要素１１２および１１８〜１２４が充分速やかに駆動されない場合、充電ＦＥＴ１１２の各オン／オフサイクルにおいて、図示するように、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐ）はＶ＿２をオーバーシュートするだけでなく、急速充電閾値電圧Ｖ＿ｆｃもオーバーシュートすることがある。そのため、Ｖ＿ｐａｃｋｐは、充電器１０６の最大出力電圧（Ｖ＿ｍａｘ）によってのみ制限されることになる。この反復（cycling）は、予備充電モードの開始（時間Ｔ２）からバッテリ１０２の電圧（Ｖ＿ｂａｔｔ）が下側閾値電圧Ｖ＿１のレベルまで上昇する時間（時間Ｔ３）の間、継続し得る。時間Ｔ３では、バッテリ１０２の電圧がもはやＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐ）をＶ＿１より下にプルダウンさせないので、コンパレータ１２２および１２４の出力の上下への反復が止まる。しかし、Ｖ＿ｐａｃｋｐがＶ＿ｆｃをオーバーシュートするたびにバッテリ充電手順が急速充電モードに入るという不適切な動作が生じ、そのため、充電電流が急速充電レベル（Ｉ＿ｆｃ）まで上昇し、Ｖ＿ｐａｃｋｐが再びＶ＿ｆｃより小さくなると、予備充電レベル（Ｉ＿ｐｃ）に戻る。急速充電電流を繰り返し印加すると、バッテリ１０２に深刻な過熱が生じることがあり、問題である。

ただ、この充電電流の反復では、充電器１０６が急速充電モードに入った後で再び予備充電モードに入ることができると仮定している。しかし、多くの市販の充電器にはそのよう能力はなく、急速充電モードに一度入ると、Ｖ＿ｐａｃｋｐがＶ＿ｆｃより小さくなっても急速充電モードに留まったままであり、そのため、予備充電モードが完全に無効になってしまう。

さらに、構成要素１１２および１１８〜１２４が充分速やかに駆動されない場合、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐ）が充電ＦＥＴ１１２のオン／オフサイクルごとに、（下向きに振れるときに）Ｖ＿１をオーバーシュートするだけでなく、バッテリ管理システムチップ１０８の最小動作電圧Ｖ＿ｍｉｎもオーバーシュートする危険性があり得る。もしこの状況が生じたら、バッテリ管理システムチップ１０８は、バッテリ管理システム１０４の機能を制御することができないであろう。

従って、構成要素１１２および１１８〜１２４を充分速やかに駆動して、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐ）が下側閾値電圧Ｖ＿１および上側閾値電圧Ｖ＿２をオーバーシュートしないようにし、それによって、バッテリ管理システムチップ１０８の最小動作電圧Ｖ＿ｍｉｎまたは急速充電閾値電圧Ｖ＿ｆｃをオーバーシュートする危険性をもなくすことが不可欠である。しかし、設計の制約によりＶ＿ｆｃがますますＶ＿ｍｉｎに近くなると、適切な応答時間または遅れ期間を有するように構成要素を製造するコストが増加する。これに加えて、これらの構成要素の電力消費も増加し続け、そのため、バッテリ充電システムがより高価でより非効率になる。

充電器によってバッテリを充電する先行技術のバッテリ管理システムを有する先行技術の電子デバイスの簡略化した概略図である。

図１に示す簡略化した先行技術概略図の選択されたノードにおける電圧および電流の簡略化したグラフである。

本発明の実施形態に従った、充電器によってバッテリを充電するためのバッテリ管理システムを有する電子デバイスの簡略化した概略図である。

本発明の実施形態に従った、図３に示す簡略化した概略図の選択されたノードにおける電圧および電流の簡略化したグラフである。

本発明の別の実施形態に従った、充電器によってバッテリを充電するための代替のバッテリ管理システムを有する代替の電子デバイスの簡略化した概略図である。

本発明のさらに別の実施形態に従った、充電器によってバッテリを充電するための別の代替のバッテリ管理システムを有する別の代替の電子デバイスの簡略化した概略図である。

図３の簡略化した概略図に、充電可能なバッテリ２０２（リチウムイオンバッテリなど）と共に、充電器２０６とバッテリ２０２の間の（本発明の実施形態が組み込まれた）バッテリ管理システム２０４の制御下で動作する、例示の電子デバイス２００（例えば、携帯電話、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、ノートブックコンピュータなど）を示す。バッテリ管理システム２０４は、概して、放電ＦＥＴ２０８、充電ＦＥＴ２１０、バッテリ管理システムチップ２１２、およびセンス抵抗器２１４を含む。充電器２０６からの（ＰＡＣＫＰでの）電圧は、バッテリ管理システムチップ２１２の制御下で放電ＦＥＴ２０８および充電ＦＥＴ２１０を介してバッテリ２０２に（ＢＡＴで）印加される。ただし、前述の先行技術の場合とは異なり、充電ＦＥＴ２１０は、予備充電モードの間は比較的ゆっくりとオンおよびオフするようにバッテリ管理システムチップ２１２によって制御される。そのため、充電器２０６からの（ＰＡＣＫＰでの）電圧とバッテリ２０２（ＢＡＴ）との間の電気的接続が比較的ゆっくりとそれぞれ増加および減少し、その結果、それぞれバッテリ２０２および充電器２０６に因る（ＰＡＣＫＰでの）電圧が比較的ゆっくりとそれぞれプルダウンおよびプルアップされる。充電器２０６からの（ＰＡＣＫＰでの）電圧がこのように比較的ゆっくりと増減することにより、バッテリ管理システムチップ２１２が（ＰＡＣＫＰでの）電圧変化に応答しかつ充電ＦＥＴ２１０に適切な変更を施す時間的余裕が生じて、（ＰＡＣＫＰでの）電圧の脈動が直流電圧に「近く」なる程度に小さく維持される。このようにして、充電ＦＥＴ２１０を駆動するのに過大な電力を消費することなく、あるいは、本明細書で説明する構成要素のいずれの製造においても過剰な許容差を必要とすることなく、（ＰＡＣＫＰでの）電圧が、バッテリ２０２の急速充電閾値電圧とバッテリ管理システムチップ２１２の最小動作電圧の間の極めて狭い範囲内で比較的一定に保持される。

図３に示す概略図は、電子デバイス２００を簡略化して示している。そのため、本明細書で示し説明する構成要素に加えて、電子デバイス２００には多くの構成要素が追加されることがある。さらに、これら図示しない追加の構成要素の中には、本発明を損ねることなく、図示する構成要素の一部の間に配置し得るものがある。従って、以下の説明は、単に表示のためであり例示を目的としており、このように構成要素を追加すると、本明細書で示し説明する構成要素の一部の実際の機能および特性を微妙に変えることがあることに留意されたい。

図示する実施形態に従って、充電器２０６のソースラインは、概して、ＰＡＣＫＰで放電ＦＥＴ２０８のドレインにおよびバッテリ管理システムチップ２１２に接続される。放電ＦＥＴ２０８のゲートは、バッテリ管理システムチップ２１２の「ＤＳＧ」ノードに接続される。放電ＦＥＴ２０８のソースは、バッテリ管理システムチップ２１２のＶＣＣおよび充電ＦＥＴ２１０のソースに接続される。充電ＦＥＴ２１０のゲートは、バッテリ管理システムチップ２１２の「ＣＨＧ」ノードに接続される。充電ＦＥＴ２１０のドレインは、バッテリ２０２の正端子にＢＡＴで接続され、ＢＡＴはバッテリ管理システムチップ２１２にも接続される。バッテリ２０２の負端子は、センス抵抗器２１４の正端部に接続され、この正端部はバッテリ管理システムチップ２１２の「ＳＲＰ」（センス抵抗器の正の）ノードにも接続される。センス抵抗器２１４の負端部は、バッテリ管理システムチップ２１２の「ＳＲＮ」（センス抵抗器の負の）ノードに、接地２１６に、およびＰＡＣＫＮで充電器２０６のリターンラインに接続される。

バッテリ管理システムチップ２１２がＤＳＧノードおよびＣＨＧノードでゲート駆動電圧信号を生成すると、放電ＦＥＴ２０８および充電ＦＥＴ２１０がそれぞれオンになる。充電器２０６が取り付けられバッテリ２０２がフル充電された電子デバイス２００の通常動作では、放電ＦＥＴ２０８および充電ＦＥＴ２１０はいずれもオンになって、充電器２０６のＰＡＣＫＰからバッテリ２０２のＢＡＴまでの電気的接続が維持される。

充電器２０６がＦＥＴ２０８および２１０を介してバッテリ２０２に接続されると、バッテリ２０２は概して、充電器２０６からの電圧をバッテリ２０２の電圧レベルまでプルダウンする。バッテリ２０２がフル充電されている場合、この電圧プルダウンはごくわずかである。しかし、バッテリ２０２がまったく充電されていないか、または充電が極めて低い場合には、バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧または充電器２０６からのプルダウンされたＰＡＣＫＰ（またはＶＣＣ）での電圧のいずれかによって、電圧が小さいことがバッテリ管理システムチップ２１２により検出される。これに応答して、バッテリ管理システムチップ２１２が、バッテリ管理システム２０４を予備充電モードにしてバッテリ２０２を充電する。これに加えて、充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧がバッテリ２０２の電圧レベルまでプルダウンされるので、（本明細書では「スマート」充電器と称する）ほとんどの充電器２０６は、この電圧レベルを感知し、それに従って予備充電モードまたは急速充電モードに入るように出力電流を調整することができる。

バッテリ２０２がフル充電されておらず、ＢＡＴまたはＰＡＣＫＰでの電圧が（急速充電閾値電圧と称する）或る電圧レベルより大きい場合、バッテリ管理システムチップ２１２は、バッテリ管理システム２０４を急速充電モードにしてバッテリ２０２を急速に充電する。これに加えて、充電器２０６がスマート充電器である場合、充電器２０６は、ＰＡＣＫＰでの電圧を感知し、比較的大きな急速充電電流を出力する。一方、ＢＡＴまたはＰＡＣＫＰでの電圧が急速充電閾値電圧より小さくなる程度にバッテリ２０２が充分に放電されている場合、バッテリ管理システムチップ２１２は、以下で説明するように、バッテリ管理システム２０４を予備充電モードにして、急速充電モードに切り替ることが可能な状態になるまでバッテリ２０２を充電する（そして、バッテリ管理システムチップ２１２の最小動作電圧よりも大きいＶＣＣに電圧を維持する）。また、充電器２０６がスマート充電器である場合、充電器２０６は、ＰＡＣＫＰでの電圧が小さいことを感知し、予備充電モードの間、比較的小さい予備充電電流を出力する。さらに、充電器２０６がスマート充電器である場合には、充電器２０６およびバッテリ管理システム２０４がほぼ同じ急速充電閾値電圧を用いて予備充電モードおよび急速充電モードにおいてともに最良の状態で動作することが好ましい。

急速充電モードでは、バッテリ管理システムチップ２１２が、ＤＳＧノードおよびＣＨＧノード両方でのゲート駆動電圧信号を最大出力に維持することが好ましい。これにより、バッテリ２０２ができ限り急速に充電するように充電器２０６からの利用可能な最大電圧をバッテリ２０２に印加することができる。一方、予備充電モードでは、バッテリ管理システムチップ２１２は、好ましくは、ＤＳＧノードでのゲート駆動電圧信号を最大出力に維持するが、ＣＨＧノードでのゲート駆動電圧信号は、充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧レベルに応じて増減させる。言い換えれば、放電ＦＥＴ２０８が全面的にオンに維持され、そのため、充電器２０６からの電流が最大容量で通過し得る。しかし、充電ＦＥＴ２１０のゲート駆動電圧は、以下で説明するように、増減される。

予備充電モードでは、充電器２０６からの電圧が初めにＰＡＣＫＰで印加されると、ＰＡＣＫＰでの電圧が（本明細書では予備充電閾値電圧と称する）別の或るレベルよりも大きいことがバッテリ管理システムチップ２１２により検出され、バッテリ管理システムチップ２１２は、ＣＨＧノードでゲート駆動電圧信号を印加する。（予備充電閾値電圧は、急速充電閾値電圧より小さく、バッテリ管理システムチップ２１２の最小動作電圧より大きい。）その結果、充電器２０６のＰＡＣＫＰとバッテリ２０２のＢＡＴとの間で電気的接続が充電ＦＥＴ２１０を介して増加する。バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧が予備充電閾値電圧よりも小さい場合、ＰＡＣＫＰとＢＡＴの間で電気的接続が増加すると、ＰＡＣＫＰでの電圧がバッテリ２０２の電圧レベルに向かって、ＰＡＣＫＰでの電圧が予備充電閾値電圧より小さいが、バッテリ管理システムチップ２１２の最小動作電圧より大きい値になるまでバッテリ２０２によってプルダウンされる。次いで、ＰＡＣＫＰでの電圧が予備充電閾値電圧より小さいことをバッテリ管理システムチップ２１２が検出すると、バッテリ管理システムチップ２１２はＣＨＧノードでのゲート駆動電圧信号を減少させる。そのため、充電器２０６のＰＡＣＫＰとバッテリ２０２のＢＡＴの間で電気的接続が充電ＦＥＴ２１０を介して減少し、それにより、バッテリ２０２の電圧のＰＡＣＫＰでの電圧に対する効果が小さくなる。その結果、ＰＡＣＫＰでの（ひいてはＶＣＣでの）電圧がバッテリ管理システムチップ２１２の最小動作電圧よりも小さくなる前に、充電器２０６がＰＡＣＫＰでの電圧を充電器２０６の最大出力電圧レベルに向けてプルアップする。

しかし、ＰＡＣＫＰでの電圧が予備充電閾値電圧よりも再び大きくなることをバッテリ管理システムチップ２１２が検出すると、バッテリ管理システムチップ２１２は、ＣＨＧノードでのゲート駆動電圧信号を再び増加させる。こうして、得られた結果が繰り返される。従って、バッテリ管理システム２０４は、ＣＨＧノードでのゲート駆動電圧信号の増加および減少、充電ＦＥＴ２１０を介する電気的接続の増加および減少、およびそれに対応するＰＡＣＫＰでの電圧の予備充電閾値電圧より下および上への減少および増加を、バッテリ２０２の電圧が予備充電閾値電圧より上に上昇するまで反復する。バッテリ２０２の電圧が予備充電閾値電圧より上に上昇すると、バッテリ管理システムチップ２１２はもはや、ＰＡＣＫＰでの電圧が予備充電閾値電圧より小さくなることを検出しなくなるので、バッテリ管理システムチップ２１２が、ＣＨＧノードでのゲート駆動電圧信号を最大レベルに維持する。

予備充電モード時の正味効果は、バッテリ２０２の電圧が予備充電閾値電圧より小さいときには、急速充電閾値電圧よりも小さい予備充電閾値電圧より上および下への比較的狭い範囲内にＰＡＣＫＰでの電圧を維持することである。この電圧レベルは、上記で説明した先行技術で必要とされるほど速やかに充電ＦＥＴ２１０を駆動することを必要とせずに維持される。これは、以下で説明するバッテリ管理システムチップ２１２の構成要素および動作によるものである。

他の構成要素（図示せず）の中でもとりわけ、バッテリ管理システムチップ２１２は、本発明のいくつかの実施形態に従って、概して、コントローラ２１８、ＤＳＧ（放電）充電ポンプ２２０、ＣＨＧ（充電）充電ポンプ２２２、およびコンパレータ２２４を含む。ＤＳＧ充電ポンプ２２０およびＣＨＧ充電ポンプ２２２の出力は、それぞれＤＳＧノードおよびＣＨＧノードに接続される。充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの入力電圧は、コンパレータ２２４に供給される。これに加えて、いくつかの実施形態に従って、コントローラ２１８が、充電器２０６のＰＡＣＫＰ（またはＶＣＣ）から、ＳＲＰノードおよびＳＲＮノードから、およびバッテリ２０２のＢＡＴから入力電圧信号（または電圧を示す変換されたデジタルデータ）を受け取る。（バッテリ２０２と直列に配置されるセンス抵抗器２１４を用いて、電流が感知され、ＳＲＰ−ＳＲＮ間に電圧が供給される。センス抵抗器２１４は、バッテリ２０２を過剰充電または過剰放電から保護するためにも用いられる。）

コントローラ２１８は、本明細書で説明する機能を行い得る、または本明細書で説明する特徴を有する、任意の適切な特定用途向け集積回路またはプログラマブル汎用マイクロコントローラとし得る。コントローラ２１８は、コントローラ２１８への入力に応答して、バッテリ管理システムチップ２１２を含めてバッテリ管理システム２０４の動作を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ２１８は、イネーブル信号２２６および２２８を生成してＤＳＧ充電ポンプ２２０およびＣＨＧ充電ポンプ２２２をそれぞれ制御する。これに加えて、コントローラ２１８は、パルス幅変調イネーブル（ＰＷＭ＿ＥＮ）信号２３０を生成してコンパレータ２２４およびＣＨＧ充電ポンプ２２２を制御して、予備充電モードの間、パルス幅変調を行う。また、ＰＷＭ＿ＥＮ信号２３０に応答して、コンパレータ２２４が（ＰＡＣＫＰでの電圧および予備充電閾値電圧のレベルに設定される基準電圧２３４に基づく）制御信号２３２を出力する。制御信号２３２は、以下で説明するように、ＣＨＧ充電ポンプ２２２のパルス幅変調も制御する。

ＤＳＧ充電ポンプイネーブル信号２２６は、バッテリ２０２の電圧が電子デバイス２００の動作に充分であるとコントローラ２１８が判断したとき、または、充電器２０６が取り付けられており電子デバイス２００に電力を供給していることをＰＡＣＫＰでの電圧が示すときに、コントローラ２１８によってアサートされる。ＤＳＧ充電ポンプイネーブル信号２２６の受信に応答して、ＤＳＧ充電ポンプ２２０がオンになり、ＤＳＧノードにおいてＤＳＧ駆動電圧を出力して放電ＦＥＴ２０８のゲートを駆動する。一方、バッテリ２０２の電圧が極めて小さい値に減少しているとき（例えば、充電器２０６が取り付けられずに電子デバイス２００が長時間動作している間）、コントローラ２１８は、ＤＳＧ充電ポンプイネーブル信号２２６をデアサートして放電ＦＥＴ２０８をオフにする。放電ＦＥＴ２０８がオフの状態では、バッテリ２０２は、放電し続けることができず、電子デバイス２００に電力を供給することができない。このようにして、バッテリ２０２がその再充電能力を失うほど放電することが防止される。

いくつかの実施形態に従って、コントローラ２１８によるＣＨＧ充電ポンプイネーブル信号２２８およびＰＷＭ＿ＥＮ信号２３０のアサートは、急速充電モードまたは予備充電モードのいずれが用いられているかに依存する。ＣＨＧ充電ポンプイネーブル信号２２８は、例えば、充電器２０６がバッテリ２０２を充電する（ひいては電子デバイス２００に電力を供給する）ために取り付けられ、バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧がバッテリ２０２の充電に急速充電モードを使用すべきことを示しているとコントローラ２１８が判断したとき、コントローラ２１８によってアサートされる。（あるいは、コントローラ２１８は、この判断を、ＦＥＴ２０８および２１０が少なくとも一度オンになり、バッテリ２０２の電圧が充電器２０６からの電圧をプルダウンする機会があった後で、充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧が急速充電モードを使用すべきことを示しているかどうかに基づいて行ってもよい。）ＣＨＧ充電ポンプイネーブル信号２２８の受信に応答して、ＣＨＧ充電ポンプ２２２は、ＣＨＧノードにおいてＣＨＧ駆動電圧を出力して充電ＦＥＴ２１０のゲートをその最大駆動電圧で駆動する。そのため、充電ＦＥＴ２１０は、素早くＰＡＣＫＰとＢＡＴの間の電気的接続を最大にすることができる。

いくつかの実施形態に従って、バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧がバッテリ２０２を充電するのに予備充電モードを使用すべきことを示しているとコントローラ２１８が判断したとき、コントローラ２１８はＰＷＭ＿ＥＮ信号２３０をアサートする。ＰＷＭ＿ＥＮ信号２３０は、コンパレータ２２４およびＣＨＧ充電ポンプ２２２を活動状態にする。ＰＷＭ＿ＥＮ信号２３０に応答して、コンパレータ２２４は、予備充電閾値電圧のレベルに設定される基準電圧２３４よりＰＡＣＫＰでの電圧が大きいとき、制御信号２３２をアサートし（例えば、論理ハイ電圧を出力し）、ＰＡＣＫＰでの電圧が基準電圧２３４より小さいとき、制御信号２３２をデアサートする（例えば、論理ロー電圧を出力する）。制御信号２３２はＣＨＧ充電ポンプ２２２に印加される。

ＰＷＭ＿ＥＮ信号２３０によって活動状態にされると、ＣＨＧ充電ポンプ２２２は、コンパレータ２２４によって制御信号２３２がアサートされるときにのみ、ＣＨＧノードにおいてＣＨＧ駆動電圧を生成する。言い換えれば、予備充電モードでは、コンパレータ２２４によって判断されるように、ＣＨＧ充電ポンプ２２２が、ＰＡＣＫＰでの電圧が予備充電閾値電圧より大きいときＣＨＧ駆動電圧を増加させ、ＰＡＣＫＰでの電圧が予備充電閾値電圧より小さいときＣＨＧ駆動電圧を減少させる。

これに加えて、いくつかの実施形態では、ＣＨＧ充電ポンプ２２２は、好ましくは、ＰＷＭ＿ＥＮ信号２３０および制御信号２３２に応答して、ＣＨＧ充電ポンプイネーブル信号２２８に応答する場合といくらか異なる特性を示す。特に、ＣＨＧ充電ポンプ２２２は、ＣＨＧ駆動電圧をできる限り素早く最大にすることによりＣＨＧ充電ポンプイネーブル信号２２８に応答するが、ＣＨＧ充電ポンプ２２２は、よりゆっくりとＣＨＧ駆動電圧を増加（および減少）させることによってＰＷＭ＿ＥＮ信号２３０および制御信号２３２に（従来の手段により）応答する。言い換えれば、ＣＨＧ充電ポンプ２２２は、ＣＨＧ駆動電圧を比較ゆるやかにプルアップおよびプルダウンさせる「規制された」モードで予備充電の間用いられる。

本実施形態の構造および機能は、スイッチ１１８および１２０がＣＨＧとの接続を接地１２６と充電ポンプ１１６の出力との間で繰り返し速やかに切り替えるように動作される上記（図１）で説明した先行技術と対照的である。先行技術の充電ポンプ１１６は、「規制される」のではなく、常に全面的にオンである。従って、ＣＨＧとの接続を接地１２６と充電ポンプ１１６の出力との間で切り替えると、パルス幅変調時の各サイクルで充電ＦＥＴ２１０のゲートを全面的にオンにおよび全面的にオフに駆動しようとする先行技術のバッテリ管理システムチップ１０８になる。

しかし、これまで説明した本発明の実施形態では、ＣＨＧ駆動信号が上述した先行技術と比べて比較的ゆっくりと変化するように規制されているので、それに応答して、充電ＦＥＴ２１０がＰＡＣＫＰとＢＡＴの間の電気的接続を比較的ゆっくりと増加及び低減させる。上述した先行技術と比べて、ＰＡＣＫＰとＢＡＴの間の電気的接続が比較的ゆっくりと変化するので、充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧も比較的ゆっくりとプルダウンおよびプルアップされる。これに加えて、上述した先行技術と比べて、充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧は比較的ゆっくりと変化するので、ＰＡＣＫＰでの電圧が上または下方向に極めて大きく遷移し得る前に、コンパレータ２２４がＰＡＣＫＰでの電圧変化に応答することができる（かつ、ＰＡＣＫＰでの電圧変化によって生じる信号変化がバッテリ管理システム２０４を伝播し得る）。その結果、図４を参照して以下で説明するように、ＰＡＣＫＰでの電圧は、図２に示す先行技術のＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐ）と比べて比較的安定になり、ほとんど直流電圧のように見える。

図４の電圧および電流のグラフは、典型的な予備充電手順または方法を含む例を用いて、本発明の実施形態の或る態様をより明確かつ簡単に図示するために、或る面で簡略化され理想化されている。例えば、これらのグラフは必ずしも一定の縮尺で描かれておらず、これらのグラフの中でもいくつかのグラフ間の或る関係を強調するためにグラフのいくつかの部分が圧縮または拡大あるいは誇張されていることを理解されたい。それに加えて、これらのグラフの一部の直線に見えるいくつかの部分は、必ずしもそれほど直線ではないことがある。その他にも現実に起こり得る変動がグラフに含まれることもある。

図４では、Ｖ＿ｂａｔｔと標示するグラフは、本発明の実施形態に従った、バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧の応答特性を簡略化して示している。Ｖ＿ｐａｃｋｐと標示するグラフは、本発明の実施形態に従った、充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧の応答特性を簡略化して示している。Ｖ＿ｃｈｇと標示するグラフは、本発明の実施形態に従った、充電ＦＥＴ２１０のゲートに印加されるＣＨＧ駆動電圧の応答特性を簡略化して示している。Ｖ＿ｃｈｇ’と標示するグラフ部分は、本発明の実施形態に従った、充電ＦＥＴ２１０のゲートに印加されるＣＨＧ駆動電圧の代替の応答特性を示している。充電電流と標示するグラフは、本発明の実施形態に従った、バッテリ２０２を充電するために充電器２０６（この例では上記で定義したような「スマート」充電器）によって生成される電流の応答特性を簡略化して示している。

また、Ｖ＿ｍｉｎと標示する電圧レベルは、バッテリ管理システムチップ２１２の最小動作電圧のレベルの例を表す。Ｖ＿ｐｃと標示する電圧レベルは、予備充電閾値電圧のレベルの例を表す。Ｖ＿ｆｃと標示する電圧レベルは、急速充電閾値電圧のレベルの例を表す。Ｖ＿ｍａｘと標示する電圧レベルは、充電器２０６の最大出力電圧のレベルの例を表す。Ｉ＿ｐｃと標示する電流レベルは、充電器２０６による予備充電電流出力のレベルの例を表す。Ｉ＿ｆｃと標示する電流レベルは、充電器２０６による急速充電電流出力のレベルの例を表す。

時間Ｔ１は、充電器２０６を電子デバイス２００に接続してバッテリ２０２の充電を開始する典型的な時間を示す。時間Ｔ１と時間Ｔ２の間にバッテリ管理システム２０４が起動し、電圧が安定になる。充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）は、Ｔ１−Ｔ２期間に高く（最大でＶ＿ｍａｘまで）なり、電子デバイス２００を始動させることができる。充電ＦＥＴ２１０のゲートに印加されるＣＨＧ駆動電圧（Ｖ＿ｃｈｇのグラフ）は初めは小さい（ほぼゼロ）ままであり、そのため、充電ＦＥＴ２１０がオフのまま保たれ、予備充電モードを用いなければならないかどうか判断し得る前に、充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧がバッテリ２０２に印加されないようにする。Ｖ＿ｃｈｇのグラフは、充電ＦＥＴ２１０を最初にオンにするためにＣＨＧ充電ポンプ２２２がＣＨＧ駆動電圧を生成し始めると、Ｔ１−Ｔ２期間の終わり近くで上昇する。（放電ＦＥＴ２０８のゲートに印加されるＤＳＧ駆動電圧は示していないが、ＣＨＧ駆動電圧が生成される直前に高くなる。）バッテリ２０２は、この例ではほぼ完全に放電され、そのため、バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）はＴ１−Ｔ２期間は極めて小さい。バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）は、バッテリ管理システム２０４がバッテリ２０２を完全に空にさせないと仮定しているので、ゼロにならない。そうではあるが、この例では、バッテリ２０２の電圧は予備充電閾値電圧Ｖ＿ｐｃより小さい。それに加えて、充電器２０６からの電流（充電電流のグラフ）は、好ましくは、より小さな予備充電電流レベルＩ＿ｐｃで開始される。これは、充電器２０６が急速充電モードに入ることができるかどうかまだ判断されていないからであり、この判断がなされる前に、より大きな急速充電電流Ｉ＿ｆｃをバッテリ管理システム２０４またはバッテリ２０２に印加するのは望ましくないからである。

Ｔ２−Ｔ３期間が始まるころ、ＣＨＧ駆動電圧（Ｖ＿ｃｈｇのグラフ）は充電ＦＥＴ２１０をオンにするのに充分に立ち上がっており、ＰＡＣＫＰとＢＡＴの間で充分な電気的接続が確立されてバッテリ２０２がＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）をプルダウンすることができる。バッテリ２０２の初期電圧（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）はこの例ではかなり小さいので、充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧は急速充電閾値電圧Ｖ＿ｆｃより下にプルダウンされ、そのため、バッテリ管理システム２０４は、上記で説明したように予備充電モードに入る。その結果、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）が予備充電閾値電圧Ｖ＿ｐｃより下にさらにプルダウンされると、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）は、振動、または「循環」または「脈動」し始める。この脈動は、上記で説明したように、予備充電閾値電圧Ｖ＿ｐｃ辺りの比較的小さな量であり、Ｔ２−Ｔ３期間の間続く。ここで充電器２０６からのＰＡＣＫＰでの電圧はバッテリ２０２に接続されているので、バッテリ２０２が再充電され始めると、バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）が上昇し始める。充電ＦＥＴ２１０のゲートに印加されるＣＨＧ駆動電圧（Ｖ＿ｃｈｇのグラフ）も、Ｖ＿ｂａｔｔのグラフと比較的平行に上昇するが、上記で説明したＣＨＧ充電ポンプ２２２の反復作用のためにいくらか振動を伴っている。この充電電流のグラフは、Ｔ２−Ｔ３期間の間は、典型的にはいくらかの振動（図示せず）を伴うが、予備充電電流レベルＩ＿ｐｃで比較的一定のままである。

ほぼ時間Ｔ３において、バッテリ２０２は、バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）が予備充電閾値電圧Ｖ＿ｐｃに達するほど充分に再充電されている。そのため、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）はもはや予備充電閾値電圧Ｖ＿ｐｃより下にプルダウンされない。その結果、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）はもはや予備充電閾値電圧Ｖ＿ｐｃより上および下に脈動しない。これは、コンパレータ２２４およびＣＨＧ充電ポンプ２２２がもはやそれらの出力を変えないからである。従って、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）は、Ｔ３−Ｔ４の期間中、ほぼバッテリ２０２のＢＡＴでの電圧（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）のレベル（またはこれより大きくても無視し得る程度）までプルダウンされたままである。バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）は、バッテリ２０２が継続して再充電されるにつれ継続して上昇する。また、充電ＦＥＴ２１０のゲートに印加されるＣＨＧ駆動電圧（Ｖ＿ｃｈｇのグラフ）もほぼＴ３で概して振動が止まる。これは、ＣＨＧ充電ポンプ２２２がもはやその出力を変えないからである。その代わりに、充電ＦＥＴ２１０のゲートに印加されるＣＨＧ駆動電圧（Ｖ＿ｃｈｇのグラフ）は徐々に上昇し始め、最終的にその最大値で平坦となる。さらに、充電電流のグラフは、予備充電電流レベルＩ＿ｐｃで継続して比較的一定である。これは、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）がまだ急速充電閾値電圧Ｖ＿ｆｃよりも上に上昇していないからである。そのため、バッテリ管理システム２０４および充電器２０６は引き続き予備充電モードのままである。

ほぼ時間Ｔ４で、バッテリ２０２は、バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）は急速充電閾値電圧Ｖ＿ｆｃに達するほど充分に再充電されている。そのため、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）はもはや急速充電閾値電圧Ｖ＿ｆｃより下にプルダウンされない。その結果、急速充電モードを使用し得ることが充電器２０６およびバッテリ管理システムチップ２１２により検出される。そこで、充電器２０６は急速充電電流を生成し始め、そのため、充電電流のグラフが時間Ｔ４の直後に予備充電電流レベルＩ＿ｐｃから急速充電電流レベルＩ＿ｆｃまで上昇する。この例では、充電ＦＥＴ２１０のゲートに印加されるＣＨＧ駆動電圧（Ｖ＿ｃｈｇのグラフ）がＴ３−Ｔ４期間ですでに最大値で平坦になっており、そのため、Ｖ＿ｃｈｇのグラフに際だった変化はない。しかし、典型的な別の状況を示すＶ＿ｃｈｇ’のグラフでは、ＣＨＧ充電ポンプ２２２の駆動出力が時間Ｔ４までに最大出力電圧になっていない。このような状況では、充電器２０６およびバッテリ管理システムチップ２１２が急速充電モードに切り替わるので、充電ＦＥＴ２１０のゲートに印加されるＣＨＧ駆動電圧（Ｖ＿ｃｈｇ’のグラフ）の増加率も急激に増加し、すなわち、Ｖ＿ｃｈｇ’のグラフの傾きが時間Ｔ４で増加し、最終的に、充電ＦＥＴ２１０のゲートに印加されるＣＨＧ駆動電圧（Ｖ＿ｃｈｇ’のグラフ）は、その最大値で平坦となる。これに加えて、充電器２０６からの電流が増加するので、ＰＡＣＫＰでの電圧（Ｖ＿ｐａｃｋｐのグラフ）は、バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧レベル（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）より極めてわずかに増加するが、時間Ｔ４後は、Ｖ＿ｂａｔｔのグラフに概して平行のままである。バッテリ２０２のＢＡＴでの電圧（Ｖ＿ｂａｔｔのグラフ）は、時間Ｔ５のバッテリ充電手順の終了まで上昇し続ける。

図２および図４のグラフは必ずしも一定の縮尺で描かれていないが、これまでになされた試験およびシミュレーションに従って、両方の図のＴ２−Ｔ３期間のＶ＿ｐａｃｋｐおよびＶ＿ｃｈｇのグラフ部分の振動の振幅は、これら２つの技術の相対的な差を正当に表している。例えば、いずれの場合でも、Ｖ＿ｍａｘの値は約４．２Ｖであり、Ｖ＿ｍｉｎの値は約２．０Ｖであった。しかし、先行技術の場合（図２）には、Ｖ＿ｆｃの値は約２．８Ｖであり、図４の例のＶ＿ｆｃの値は約２．５Ｖでより厳しい値であった。これに加えて、図２のＶ＿１およびＶ＿２の値はそれぞれ約２．２Ｖおよび２．４Ｖであり、Ｖ＿ｍｉｎの値より大きい方向に約２００ｍＶの余裕があった。一方、図４のＶ＿ｐｃの値は約２．１Ｖであり、Ｖ＿ｍｉｎの値より大きい方向に約１００ｍＶしか余裕が生じず、はるかに厳しく拘束されている。このより厳しい拘束を用いると、本発明の実施形態は急速充電閾値電圧Ｖ＿ｆｃをできる限り小さくするという製造業者の傾向とよりよく連動し、Ｖ＿ｆｃおよびＶ＿ｍｉｎを事実上さらに狭い範囲内に「押しつぶし」得ることがわかる。

図２の先行技術のＶ＿ｃｈｇのグラフ部分は、約１．９Ｖまでの振幅の振れを示している。これに加えて、先行技術のＶ＿ｐａｃｋｐのグラフ部分は、約２．０Ｖまでの振幅の振れを示している。上記の設定の例でこれらの振幅の振れを伴う先行技術のＶ＿ｐａｃｋｐおよびＶ＿ｃｈｇのグラフ部分を得るには、図１および図２の先行技術の例は、その構成要素の性能に対して約２マイクロ秒の応答時間を実現するのに充分な電力で駆動される必要がある。

一方、図４のＶ＿ｃｈｇのグラフ部分は、約０．２５Ｖ〜０．４Ｖまでの振幅の振れしか示さず、これは、先行技術の例に対してほぼ５〜８倍の改善になっている。これに加えて、図４のＶ＿ｐａｃｋｐのグラフ部分は、約２００ｍＶ（２．２Ｖ−２．０Ｖ）までの振幅の振れしか示さず、これは、先行技術の例に対して一桁すなわち１０倍の改善である。さらに、上記の設定でこれらの振幅の振れを伴う典型的なＶ＿ｐａｃｋｐおよびＶ＿ｃｈｇのグラフ部分を得るには、図３および図４の実施形態は、その構成要素（例えばＣＨＧ充電ポンプ２２２）の性能に対して約１０〜１００マイクロ秒（または約２０マイクロ秒）の応答時間を実現するのに充分な電力で駆動されればよく、これは、先行技術の例に対して極めて大きな改善であり、そのため、より安価な（すなわち、応答時間がより遅く、消費電力がより小さい）構成要素を用いることができる。言い換えれば、図２の先行技術のグラフを得るために図１および図２の先行技術の例で用いた設定はより緩かったにもかかわらず、図３および図４の典型的な実施形態では、より優れた結果を得るのにより少ない電力と、より少なく、安価な構成要素しか必要としなかった。

上記の先行技術の例（図１および図２）ならびに本発明の実施形態（図３および図４）で用いた値は単に表示のためであり、単に例示を目的として提示されていることを理解されたい。本発明は、特許請求の範囲で求められる場合を除き、これらの値に必ずしも限定されない。

図５は、代替の電子デバイス２３６を示す。電子デバイス２３６はいくつかの典型的な代替の設計を含む。この実施形態では、例えば、代替実施形態のバッテリ管理システム２３８が、充電器２４２によるバッテリ２４０の充電を制御する。代替例のいくつかにおいて、充電器２４２は、上記で説明したような、その出力の電圧レベルを感知することができ、それに従って出力電流を調整して予備充電モードまたは急速充電モードに入るようにすることができる「スマート」充電器ではない。そうではなく、充電器２４２は、いくつかの単純なＤＣ／ＤＣコンバータなどであり、単一の電流レベルを出力する。従って、この代替例に対するバッテリ管理システム２３８は、予備充電モードのために必要なときに電流を制限するように適応されている。

バッテリ管理システム２３８は、概して、放電ＦＥＴ２４４、充電ＦＥＴ２４６、バッテリ管理システムチップ２４８、センス抵抗器２５０、および電流制限器回路２５２を含む。放電ＦＥＴ２４４および充電ＦＥＴ２４６はそれぞれ、図３に示す実施形態の放電ＦＥＴ２０８および充電ＦＥＴ２１０と同様のものとし得る。これに加えて、放電ＦＥＴ２４４および充電ＦＥＴ２４６は、放電ＦＥＴ２０８および充電ＦＥＴ２１０と同様に、ＶＣＣ、ＢＡＴ、ＤＳＧ、およびＣＨＧに接続され得る。ただし、放電ＦＥＴ２４４は、充電器２４２の出力にＰＡＣＫＰで直接接続される代わりに、電流制限器回路２５２の出力にＰＡＣＫＰ’で接続されることが好ましい。一方、電流制限器回路２５２は、充電器２４２の出力にＰＡＣＫＰで接続されて、予備充電モードのために必要なときに充電器２４２からの電流を制限する。また、バッテリ２４０は、好ましくは、図３に示すバッテリ２０２と同様に、放電ＦＥＴ２４６およびセンス抵抗器２５０に接続される。センス抵抗器２５０は、好ましくは、図３に示すセンス抵抗器２１４と同様に、バッテリ管理システムチップ２４８のＳＲＰノードおよびＳＲＮノードに、接地２５４に、および充電器２４２のリターンラインのＰＡＣＫＮに接続される。

バッテリ管理システムチップ２４８は、概して、コントローラ２５６、ＤＳＧ（放電）充電ポンプ２５８、ＣＨＧ（充電）充電ポンプ２６０、コンパレータ２６２、および基準電圧２６４を有する。これらは、本明細書で説明するものを除き、図３に示すコントローラ２１８、ＤＳＧ充電ポンプ２２０、ＣＨＧ充電ポンプ２２２、コンパレータ２２４、および基準電圧２３４とそれぞれ同様とし得る。コントローラ２５６は、コントローラ２１８に関して先に説明したように、予備充電モードまたは急速充電モードのいずれを用いるかを判断するために、ＰＡＣＫＰ’（図示の場合）またはＰＡＣＫＰおよび／またはＢＡＴのいずれかでの電圧を受け取る。コントローラ２５６は、予備充電モードを使用すべきと判断したときに、電流制限器回路２５２に制限電流信号２６６をアサートする。制限電流信号２６６のアサートに応答して、電流制限器回路２５２は、充電器２４２からの電流をより小さい予備充電電流に制限するが、好ましくは、ＰＡＣＫＰ’での電圧をＰＡＣＫＰでの電圧とほぼ同じレベルに維持する。

ＣＨＧ充電ポンプ２６０およびコンパレータ２６２がそれぞれ（図３の）ＣＨＧ充電ポンプ２２２およびコンパレータ２２４と本質的に同じであり、上記で説明したように、コントローラ２５６がＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０およびＣＨＧ充電ポンプイネーブル信号２２８を生成してＣＨＧ充電ポンプ２６０およびコンパレータ２６２を制御する代替の実施形態では、制限電流信号２６６は、ＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０（図３）とし得る。言い換えれば、このような実施形態では、ＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０は、バッテリ管理システム２３８を予備充電モードにするようにＣＨＧ充電ポンプ２６０、コンパレータ２６２、および電流制限器回路２５２を制御することになる。

ただし、図５に示す代替の実施形態では、コントローラ２５６はＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０を生成しない。従って、コントローラ２５６が制限電流信号２６６を（ＰＡＣＫＰ’、ＰＡＣＫＰ、またはＢＡＴでの電圧に応じて）別途生成して、電流制限器回路２５２に充電電流をより小さな予備充電電流に制限させる。これに加えて、別の代替例に従って、ＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０およびＣＨＧ充電ポンプイネーブル信号（例えば、上記の２２８）を用いてＣＨＧ充電ポンプ２６０を制御する代わりに、単一のイネーブル信号２６８を用いてＣＨＧ充電ポンプ２６０を制御する。さらに、ＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０を用いてコンパレータ２６２を制御する代わりに、コンパレータ２６２は単純に常にオンのままとする。従ってこの代替例では、コンパレータ２６２は、その出力を、ＰＡＣＫＰ’（またはＰＡＣＫＰ）での電圧が予備充電閾値電圧（すなわち基準電圧２６４）より上に上昇およびそれより下に下降するときに切り替えるが、ＰＡＣＫＰ’（またはＰＡＣＫＰ）での電圧がもはや予備充電閾値電圧より下に下降しない程度にバッテリ２４０のＢＡＴでの電圧が充分に上昇した後は、一定出力を維持する。それに加えて、ＣＨＧ充電ポンプ２６０は、コンパレータ２６２の出力に応答して、上記で説明したように、その出力を増減させる。そして、コンパレータ２６２がその出力の変化を停止した後、バッテリ管理システム２３８が予備充電モードまたは急速充電モードのいずれにあっても、ＣＨＧ充電ポンプ２６０はその応答特性を維持する。従って、この代替例は、例えば、ＣＨＧ充電ポンプ２６０の動作が急速充電モード時も予備充電モード時と同じまま維持されれば充分な実施形態で用いられることがあり、コンパレータ２６２がその出力を変化させる必要がないときでもコンパレータ２６２が消費する電力は取るに足らないものである。

スマート充電器とともに機能する実施形態（図３）は、ＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０を含む代替例（図３）またはＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０を含まない代替例（図５）のいずれを組み込んでもよい。また、スマート充電器を用いない実施形態（図５）も、ＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０を含む代替例（図３）またはＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０を含まない代替例（図５）のいずれを組み込んでもよい。

図６は、別の代替の電子デバイス２７０を示す。電子デバイス２７０の一部にはいくつかの代替の設計が追加して施されている。この実施形態では、例えば、別の代替のバッテリ管理システム２７２が、充電器２７６によるバッテリ２７４の充電を制御する。この代替のバッテリ管理システム２７２は、概して、放電ＦＥＴ２７８、充電ＦＥＴ２８０、バッテリ管理システムチップ２８２、およびセンス抵抗器２８４を含む。

図３および図５に示す実施形態では、放電ＦＥＴ２０８および２４４ならびに充電ＦＥＴ２１０および２４６がＮＭＯＳ ＦＥＴとして示されている。しかし、図６に示す実施形態では、放電ＦＥＴ２７８および充電ＦＥＴ２８０はＰＭＯＳ ＦＥＴとして示されている。

放電ＦＥＴ２７８および充電ＦＥＴ２８０は、図６に示すように、ＰＡＣＫＰ、ＶＣＣ、ＢＡＴ、ＤＳＧ、およびＣＨＧノードに接続され得る。これに加えて、バッテリ２７４が、好ましくは、図３および図５に示すバッテリ２０２および２４０と同様に、充電ＦＥＴ２８０およびセンス抵抗器２８４に接続される。センス抵抗器２８４は、好ましくは、図３および図５に示すセンス抵抗器２１４および２５０と同様に、バッテリ管理システムチップ２８２のＳＲＰノードおよびＳＲＮノードに、接地２８６に、および充電器２７６のリターンラインのＰＡＣＫＮに接続される。

この実施形態では、バッテリ管理システム２７２が予備充電モードのために必要なときに電流を制限するように適応されていないので、充電器２７６は、上記で説明したようなスマート充電器であると仮定する。従って、電流制限器回路（例えば図５の２５２）は示されていない。しかし、図６に示す実施形態は、スマート充電器ではない充電器とともに動作するためにこのような電流制限器２５２を含むように適応し得ることを理解されたい。

バッテリ管理システムチップ２８２は、概して、コントローラ２８８、ＤＳＧ（放電）プッシュプル出力ドライバ２９０、ＣＨＧ（充電）プッシュプル出力ドライバ２９２、コンパレータ２９４、および基準電圧２９６を含む。コントローラ２８８、コンパレータ２９４、および基準電圧２９６は、図３を参照して上記で説明したコントローラ２１８、コンパレータ２２４、および基準電圧２３４と同様である。それに加えて、図６のＰＡＣＫＰ、ＶＣＣ、ＢＡＴ、ＳＲＰ、およびＳＲＮからコントローラ２８８への入力信号は、図３のＰＡＣＫＰ、ＶＣＣ、ＢＡＴ、ＳＲＰ、およびＳＲＮからコントローラ２１８への入力信号と同様である。さらに、図６のＤＳＧプッシュプル出力ドライバイネーブル信号２９８、ＣＨＧプッシュプル出力ドライバイネーブル信号３００、ＰＷＭ＿ＥＭ信号３０２、および制御信号３０４はそれぞれ、図３の制御およびイネーブル信号２２６、２２８、２３０、および２３２と同様である。

放電ＦＥＴ２７８および充電ＦＥＴ２８０はＮＭＯＳ ＦＥＴではなくＰＭＯＳ ＦＥＴなので、充電ポンプの代わりにＤＳＧおよびＣＨＧプッシュプル出力ドライバ２９０および２９２を用いて、それぞれＤＳＧおよびＣＨＧにおいてゲート駆動信号を生成して、それぞれ放電ＦＥＴ２７８および充電ＦＥＴ２８０を駆動するのが好ましい。ＤＳＧプッシュプル出力ドライバイネーブル信号２９８に応答して、ＤＳＧプッシュプル出力ドライバ２９０が放電ＦＥＴ２７８のゲートを駆動し、放電ＦＥＴ２７８の機能は、上記で説明したような放電ＦＥＴ２０８または２４４（図３または図５）の機能と全体的に同様となる。これに加えて、ＣＨＧプッシュプル出力ドライバイネーブル信号３００、ＰＷＭ＿ＥＭ信号２３０、および制御信号３０４に応答して、ＣＨＧプッシュプル出力ドライバ２９２が充電ＦＥＴ２８０のゲートを駆動し、充電ＦＥＴ２８０の機能は、上記で説明したような充電ＦＥＴ２１０または２４６（図３または図５）の機能と全体的に同様となる。従って、ＣＨＧプッシュプル出力ドライバ２９２は、ＣＨＧプッシュプル出力ドライバイネーブル信号３００に応答してできる限り素早く充電ＦＥＴ２８０をオンにするが、ＣＨＧプッシュプル出力ドライバ２９２は、ＰＷＭ＿ＥＭ信号３０２および制御信号３０４に（従来の手段により）応答して充電ＦＥＴ２８０をよりゆっくりとオンおよびオフする。言い換えれば、ＣＨＧプッシュプル出力ドライバ２９２は、充電ＦＥＴ２８０を比較的徐々にオンおよびオフする「規制された」モードでの予備充電時に用いられる。このようにして、バッテリ管理システム２７２により、ＮＭＯＳ ＦＥＴの代わりにＰＭＯＳ ＦＥＴを用いて、図４のＶ＿ｐａｃｋｐのグラフと同様に、ＰＡＣＫＰでの電圧が比較的安定でほぼ直流電圧になる。

Claims (20)

1. 充電器によってバッテリを充電するためのバッテリ管理システムであって、
   コントローラと、コンパレータと、充電ポンプおよびプッシュプル出力ドライバの一方とを有する管理チップであって、前記管理チップが前記充電器からの電圧におよび前記バッテリに接続するためのものであり、急速充電閾値電圧より小さい前記バッテリの電圧に応答して前記コントローラがイネーブル信号をオンにし、オンである前記イネーブル信号におよび予備充電閾値電圧より大きい前記充電器からの前記電圧に応答して前記コンパレータが制御信号をオンにし、オンである前記イネーブル信号におよび前記予備充電閾値電圧より小さい前記充電器からの前記電圧に応答して前記コンパレータが前記制御信号をオフにし、オンである前記イネーブルおよび制御信号に応答して前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方が駆動信号を増加させ、オンである前記イネーブル信号におよびオフである前記制御信号に応答して前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方が前記駆動信号を減少させる、前記管理チップ、及び、
   前記管理チップの外部に接続されてゲートで前記駆動信号を受け取るトランジスタであって、前記トランジスタも前記充電器からの前記電圧におよび前記バッテリに接続するためのものであり、前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方が前記駆動信号を増加させると、前記トランジスタが前記バッテリと前記充電器からの前記電圧との間の電気的接続を増加させ、それによって、前記バッテリの電圧が前記急速充電閾値電圧より小さい限り、前記充電器からの前記電圧が前記バッテリの前記電圧に向かってプルダウンされ、予備充電電流で前記バッテリが充電され、前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方が前記駆動信号を減少させると、前記トランジスタが前記バッテリと前記充電器からの前記電圧との間の前記電気的接続を減少させ、それによって、前記充電器が前記充電器からの前記電圧を充電器出力電圧に向かってプルアップする、前記トランジスタ、
   を含む、バッテリ管理システム。
2. 請求項１に記載のバッテリ管理システムであって、
   前記システムが、前記バッテリの前記電圧を前記予備充電閾値電圧より小さく保ったまま、前記充電器からの前記電圧を最小電圧より下にプルダウンすることなくまたは前記急速充電閾値電圧より上にプルアップすることなく、前記トランジスタをオンおよびオフすること、および前記充電器からの前記電圧を交互に前記予備充電閾値電圧より下におよび上にプルアップすることを反復し、
   前記システムが、前記バッテリの前記電圧が前記予備充電閾値電圧と前記急速充電閾値電圧の間にある間、１００％のデューティサイクルで前記トランジスタをオンし、前記予備充電電流で前記バッテリを充電し、さらに、
   前記システムが、前記バッテリの前記電圧が前記急速充電閾値電圧より大きい間、１００％のデューティサイクルで前記トランジスタをオンし、前記充電器からの急速充電電流で前記バッテリを充電する、
   バッテリ管理システム。
3. 請求項１に記載のバッテリ管理システムであって、
   前記バッテリの前記電圧が前記予備充電閾値電圧より小さい間、前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方が約１０〜１００マイクロ秒の応答時間を有する、
   バッテリ管理システム。
4. 請求項１に記載のバッテリ管理システムであって、
   前記バッテリの前記電圧が前記予備充電閾値電圧より小さい間、前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方が約２０マイクロ秒の応答時間を有する、
   バッテリ管理システム。
5. 請求項１に記載のバッテリ管理システムであって、
   前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方からの前記駆動信号が、前記充電器からの前記電圧が前記予備充電閾値電圧より上および下に循環的に変化する時間期間の間、約４００ｍＶ未満だけ変動する、
   バッテリ管理システム。
6. 請求項１に記載のバッテリ管理システムであって、
   前記バッテリの前記電圧が前記予備充電閾値電圧より小さい間、前記充電器からの前記電圧が約±１００ｍＶ以下だけ変動する、
   バッテリ管理システム。
7. 請求項６に記載のバッテリ管理システムであって、
   前記バッテリの前記電圧が前記予備充電閾値電圧より小さい間、前記充電器からの前記電圧が前記予備充電閾値電圧から約±１００ｍＶ以下だけ変動する、
   バッテリ管理システム。
8. 請求項７に記載のバッテリ管理システムであって、前記予備充電閾値電圧が約２．１Ｖである、バッテリ管理システム。
9. 充電器によってバッテリを充電するためのバッテリ管理システムであって、
   パルス幅変調駆動信号に応答してオンおよびオフすることによって前記充電器からの充電電流を前記バッテリに送出するトランジスタ、及び、
   前記駆動信号を生成する充電ポンプおよびプッシュプル出力ドライバの一方であって、前記充電器からの電圧が予備充電閾値電圧より大きいとき前記駆動信号を増加させ、前記充電器からの前記電圧が前記予備充電閾値電圧より小さいとき前記駆動信号を減少させる、前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方、
   を含む、バッテリ管理システム。
10. 請求項９に記載のバッテリ管理システムであって、
    予備充電手順の間、前記充電器からの前記電圧および前記予備充電閾値電圧に基づいて制御信号を生成するコンパレータをさらに含み、
    前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方が、前記制御信号に基づいて前記駆動信号を増加および減少させる、
    バッテリ管理システム。
11. 請求項９に記載のバッテリ管理システムであって、
    規制されたモードにおいて、前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方が約２０マイクロ秒の応答時間を有する、
    バッテリ管理システム。
12. 請求項９に記載のバッテリ管理システムであって、
    前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方によって生成される前記駆動信号が、前記充電器からの前記電圧が前記予備充電閾値電圧より上および下に循環的に変化する時間期間の間、約２５０〜４００ｍＶ変動する、
    バッテリ管理システム。
13. 請求項９に記載のバッテリ管理システムであって、
    前記充電器からの前記電圧が、前記バッテリの電圧が前記予備充電閾値電圧より小さい期間の間、前記予備充電閾値電圧より上および下に約１００ｍＶ以下だけ変動する、
    バッテリ管理システム。
14. 請求項９に記載のバッテリ管理システムであって、前記充電器からの前記電圧が、前記バッテリの電圧が前記予備充電閾値電圧より小さい時間期間の間、約２．２Ｖと約２．０Ｖの間で変動する、
    バッテリ管理システム。
15. バッテリを充電するための方法であって、
    充電器からの電圧が閾値電圧より大きいか小さいかに依存するコンパレータ出力信号を生成すること、
    充電ポンプおよびプッシュプル出力ドライバの一方が、パルス幅変調（ＰＷＭ）出力電圧を生成することであって、前記充電ポンプおよび前記プッシュプル出力ドライバの前記一方が、前記コンパレータ出力信号に応答して前記ＰＷＭ出力電圧を増加および減少させること、
    前記ＰＷＭ出力電圧でトランジスタを駆動して、前記バッテリと前記充電器からの前記電圧との間の電気的接続を増加および減少させること、
    前記バッテリと前記充電器からの前記電圧との間の前記電気的接続が増加するように前記トランジスタを駆動することによって、前記充電器からの前記電圧を前記閾値電圧より下に減少させること、および、
    前記バッテリと前記充電器からの前記電圧との間の前記電気的接続が減少するように前記トランジスタを駆動することによって、前記充電器からの前記電圧を前記閾値電圧より上に増加させること、
    を含む、方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、
    前記充電器からの前記電圧を増加および減少させることによって、予備充電モードにおいて予備充電電流が前記バッテリを充電する範囲内に前記充電器からの前記電圧を維持する、方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    前記バッテリの電圧が前記閾値電圧より小さい時間期間の間、前記充電器からの前記電圧を維持する前記範囲が、前記閾値電圧の約±１００ｍＶである、方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、前記閾値電圧が約２．１Ｖである、方法。
19. 請求項１５に記載の方法であって、前記ＰＷＭ出力電圧の増加および減少が約２０マイクロ秒の応答時間で成される、方法。
20. 請求項１５に記載の方法であって、前記ＰＷＭ出力電圧が、前記充電器からの前記電圧が前記閾値電圧より上および下に循環的に変化する時間期間の間、約２５０〜４００ｍＶだけ変動する、方法。

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