JP2021148521A

JP2021148521A - 電圧検出回路

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Publication number: JP2021148521A
Application number: JP2020047115A
Authority: JP
Inventors: 仁之田淵; Hitoyuki Tabuchi; 勝平井; Masaru Hirai; 富幸永井; Tomiyuki Nagai; 健也徳田; Takeya Tokuda
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2021-09-27
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: CN113495217A; US11549972B2; JP7410390B2; US20210293859A1

Abstract

【課題】電池の暗電流を増加させることなく外付抵抗によって検出電圧値を調整することができる電圧検出回路を提供する。【解決手段】電圧入力端子と定電圧端子との間に接続された直列抵抗からなる分圧回路と、分圧回路により分圧された電圧と参照電圧とを比較とする電圧比較回路と、電圧比較回路による比較結果を出力するための出力端子とを備え、電圧入力端子に入力された電圧が所定の電圧値を超えたことまたは下回ったことを検出して出力端子より信号を出力する電圧検出回路において、外部抵抗が接続される検出電圧調整端子（ＡＤＪ）と、該検出電圧調整端子と分圧回路との間に設けられた電圧−電流変換回路（１３）と、内部電源電圧端子と検出電圧調整端子との間に接続された定電流源（ＣＳ）とを設け、電圧−電流変換回路により外付抵抗の抵抗値に応じた電流を分圧回路の直列抵抗の接続ノードより引き抜くことによって検出電圧を調整可能にした。【選択図】図１

Description

本発明は、電池等の電圧を監視して所定の電圧値を超えたことまたは下回ったことを検出した場合に検出信号を出力する電圧検出回路に関し、特に外部端子により検出電圧値を調整可能な機能を備えた電圧検出用半導体集積回路に利用して有効な技術に関する。

自動車等の車両に搭載されるバッテリーのような電池は、故障や消耗などにより電圧異常が発生すると、バッテリーの性能が損なわれたり、電源の供給を受ける電子機器が正常に動作しなくなったりするおそれがあるため、電池電圧が規定範囲から外れた場合に検出信号を出力する電圧検出回路が設けられている。また、かかる機能を有する素子ないしは部品として電圧検出用半導体集積回路（電圧検出用ＩＣ）が提供されている。

従来の電圧検出用ＩＣには、図３に示すように、電圧入力端子ＶＳの電圧を分圧する直列抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I2と、Ｒ_I1，Ｒ_I2で分圧された電圧と所定の参照電圧Ｖ_REFとを比較するコンパレータＣＯＭＰと、出力端子ＯＵＴと接地点との間に接続されゲート端子に上記コンパレータＣＯＭＰの出力電圧が印加されたトランジスタＭ１などを備えるものがある。この電圧検出用ＩＣは、構成が簡単で素子数が少ないため安価であるとともに、出力端子ＯＵＴにプルアップ抵抗Ｒ_PULLを接続することで検出信号ＤＳを生成することができるため、使い勝手が良いという利点がある。

特開２００２−３５７６２５号公報特開２００６−２７５９２８号公報

図３に示す電圧検出用ＩＣを電池電圧の検出に使用した場合、抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I2に流れる電流は電池にとって暗電流となるため、この抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I2は通常数１０ＭΩの抵抗値に設定される。一方、電圧検出用ＩＣの検出電圧は抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I2の抵抗比と参照電圧ＶREFとで決まる固定値であるため、電圧検出用ＩＣを使用するシステムの設計や検討段階で、ＩＣ固有の検出電圧とは異なる電圧値を使用したい場合には、図３に示すように、電圧入力端子ＶＳに外付抵抗Ｒ_E1，Ｒ_E2を接続して、Ｒ_E1，Ｒ_E2で分圧された電圧を電圧入力端子ＶＳに入力することで検出電圧値を調整することが行われている。

しかし、この外付抵抗Ｒ_E1，Ｒ_E2の抵抗値がＩＣの内部抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I2の抵抗値（例えば数１０ＭΩ）に比べて高いと、内部抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I2のばらつきによって調整した検出電圧がずれてしまうので、通常は外付抵抗Ｒ_E1，Ｒ_E2の抵抗値を内部抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I2の抵抗値に比べて充分に小さな値（数１００ｋΩ）に設定される。ところが、外付抵抗Ｒ_E1，Ｒ_E2の抵抗値が小さいと、これらの抵抗Ｒ_E1，Ｒ_E2に流れる電流が大きくなり、電池の暗電流を増加させてしまうという課題がある。また、暗電流を増加させることなく検出電圧値を所望の値に設定するには、検出電圧値の異なる複数の電圧検出用ＩＣを予め用意しておく必要があるため、評価工数が多くなるとともに在庫管理が面倒になるという課題があった。

なお、従来、バッテリーの異常電圧を検出する電圧検出回路に関する発明として、例えば特許文献１や２に記載されているものがある。ただし、特許文献１や２に記載されている電圧検出回路には、外付抵抗Ｒ_E1，Ｒ_E2を接続することで検出電圧値を調整可能にすることについては記載されていない。
本発明は上記のような課題に着目してなされたものでその目的とするところは、電池電圧の検出に使用した場合、バッテリー（電池）の暗電流を増加させることなく外付抵抗によって検出電圧値を調整することができる電圧検出回路を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、検出電圧値の精度の高い電圧検出回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、
監視対象の電圧が入力される電圧入力端子と、
前記電圧入力端子と定電圧端子との間に接続された直列抵抗からなる分圧回路と、
前記分圧回路により分圧された電圧と所定の電圧とを比較とする電圧比較回路と、
前記電圧比較回路による比較結果を出力するための出力端子と、
を備え、半導体基板上に半導体集積回路として形成され、前記電圧入力端子に入力された電圧が所定の電圧値を超えたことまたは下回ったことを検出して前記出力端子より信号を出力する電圧検出回路において、
外付抵抗が接続される検出電圧調整端子と、
前記検出電圧調整端子と前記分圧回路との間に設けられた電圧−電流変換回路と、
内部電源電圧端子と前記検出電圧調整端子との間に接続された定電流源と、
を備え、
前記電圧−電流変換回路により、前記検出電圧調整端子に接続された前記外部抵抗の抵抗値に応じた電流を、前記分圧回路の直列抵抗の接続ノードより引き抜くことによって前記電圧入力端子の検出電圧を調整可能に構成したものである。

上記のような構成によれば、検出電圧の調整用外付抵抗に大きな電流を流すことがないので、電池電圧の検出に使用した場合、電池（バッテリー）の暗電流を増加させることなく外付抵抗によって検出電圧値を調整することができる。また、暗電流を減らすことができるため、電池を長持ちさせることができる。さらに、検出電圧に対する内部抵抗のばらつきの影響が抑えられるため、高精度の電圧検出が可能である。

また、望ましくは、前記電圧−電流変換回路は、
前記分圧回路の直列抵抗の接続ノードと接地点との間に接続された直列形態のトランジスタおよび抵抗素子と、
前記検出電圧調整端子の電圧が第１入力端子に入力され、前記トランジスタと前記抵抗素子との接続ノードの電位が第２入力端子に入力された差動増幅回路とを備え、
前記差動増幅回路の出力が前記トランジスタの制御端子に印加されるように構成する。

上記のような構成によれば、比較的規模の小さな簡単な回路で電圧−電流変換回路を構成することができるため、回路の追加に伴う消費電流の増加を抑制することができる。また、電圧調整端子に接地電位が印加されるように配線接続処理をするだけで、簡単に電圧調整機能を無効にすることができるため、使い勝手が良い。

ここで、前記監視対象の電圧は電池の電圧とすることが考えられる。
また、前記電池は、車両に搭載されたバッテリーとすることが考えられる。

本発明の電圧検出回路によれば、電池電圧の検出に使用した場合に、バッテリー（電池）の暗電流を増加させることなく外付抵抗によって検出電圧値を調整することができる。また、それによって検出電圧値の異なる複数の電圧検出用ＩＣを用意しておく必要がなくなる。さらに、本発明によれば、検出電圧値の精度の高い電圧検出回路を提供することができるという効果がある。

本発明の電圧検出回路の一実施形態を示す回路構成図である。実施形態の電圧検出回路の変形例を示す回路構成図である。従来の電圧検出回路の例を示す回路構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電圧検出回路を示す回路図である。なお、図１の電圧検出回路１０においては、特に限定されるものではないが、符号１０が付された実線枠で囲まれた範囲の回路素子は、１個の半導体基板（半導体チップ）上に、半導体集積回路（電池電圧検出用ＩＣ）として形成されている。

本実施形態に係る電圧検出回路１０は、電圧検出対象としてのバッテリー（電池）２０からの電源電圧Ｖ_BATが印加される電圧入力端子ＶＳと、検出信号Ｖｄを外部の制御装置（ＣＰＵ）へ出力するための出力端子ＯＵＴと、検出電圧を外部より調整するための検出電圧調整端子ＡＤＪと、接地電位が印加される定電圧端子としてのグランド端子ＧＮＤとを備えている。電圧検出対象としてのバッテリー２０としては、例えば車載のバッテリーが考えられる。その場合、電圧検出回路１０は、車両に搭載される回路基板等に実装されることとなる。

また、電圧検出回路１０は、電圧入力端子ＶＳと接地点との間に直列に接続された抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I2からなる分圧回路１１と、該分圧回路１１で分圧された電圧と所定の参照電圧Ｖ_REFとを比較する電圧比較回路（コンパレータ：ＣＯＭＰ）１２を備えている。
ここで、上記抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I2は、数μＡ程度の小さな電流が流れるように数１０ＭΩの抵抗値に設定される。また、参照電圧ＶREFは例えば１Ｖのような値に設定される。

さらに、本実施形態の電圧検出回路１０は、出力端子ＯＵＴと接地点（ＧＮＤ）との間に接続されたＭＯＳトランジスタＭ１と、検出電圧調整端子ＡＤＪに接続され該検出電圧調整端子ＡＤＪの電圧を電流に変換する電圧−電流変換回路１３と、ＩＣの内部電源電圧端子Ｖcciと検出電圧調整端子ＡＤＪとの間に接続された検出電圧設定用定電流源ＣＳを備えている。定電流源ＣＳは、例えば１μＡのような電流Ｉ₁を流すように設計される。検出電圧調整端子ＡＤＪと接地点との間に接続された抵抗Ｒ_E1は、外付けの調整用抵抗である。

電圧−電流変換回路１３は、検出電圧調整端子ＡＤＪに非反転入力端子が接続された差動アンプ（差動増幅回路）ＡＭＰと、分圧回路１１を構成する抵抗Ｒ_I1とＲ_I2との接続ノードＮ１と接地点との間に直列に接続されたＭＯＳトランジスタＭ２および抵抗Ｒ_I3とを備え、ＭＯＳトランジスタＭ２と抵抗Ｒ_I3との接続ノードＮ２の電位が差動アンプＡＭＰの反転入力端子に帰還されるように、接続がなされている。上記電圧−電流変換回路１３と定電流源ＣＳと調整用抵抗Ｒ_E1とによって、検出電圧調整回路１４が構成される。

また、本実施形態の電圧検出回路１０においては、出力端子ＯＵＴと外部システムの電源電圧端子Ｖ_PULLとの間には電流−電圧変換用のプルアップ抵抗Ｒ_PULLが接続されている。
上記ＭＯＳトランジスタＭ１のゲート端子に上記電圧比較回路１２の出力電圧が印加されており、分圧回路１１で分圧された電圧が参照電圧Ｖ_REFよりも高くなると電圧比較回路１２の出力電圧がローレベルに変化してＭＯＳトランジスタＭ１がオフされる。すると、プルアップ抵抗Ｒ_PULLに流れる電流が遮断され、出力端子ＯＵＴの電圧がローレベルからハイレベル（Ｖ_PULL）へ変化し、この電圧が検出信号Ｖｄとして図外の制御装置（ＣＰＵ）へ供給される。

これによって、検出信号Ｖｄを受けた制御装置（ＣＰＵ）は、例えばバッテリー２０の充電中にバッテリー電圧ＶBATが所定の電圧値に達したことを認知することができる。
また、バッテリー２０が放電してバッテリー電圧Ｖ_BATが所定の電圧値以下になると、電圧比較回路１２の出力電圧がローレベルに変化してＭＯＳトランジスタＭ１がオフされる。すると、プルアップ抵抗Ｒ_PULLに電流が流れ、出力端子ＯＵＴの電圧がハイレベルからローレベルへ変化する。これによって、図外の制御装置（ＣＰＵ）は、バッテリー２０の電圧Ｖ_BATが所定の電圧値以下に低下したことを認知することができる。

次に、検出電圧調整回路１４の機能と動作について説明する。
検出電圧調整回路１４は、分圧回路１１を構成する抵抗Ｒ_I1とＲ_I2との接続ノードＮ１から電流を引き抜くことで接続ノードＮ１の電位を調整し、それによって電圧比較回路１２による検出電圧を変化させることができる。具体的には、検出電圧調整端子ＡＤＪに接続される外付けの調整用抵抗Ｒ_E1の抵抗値を変えることで、接続ノードＮ１から引き抜く電流を調整して接続ノードＮ１の電位を変化させて、電圧比較回路１２による検出電圧を変化させることができる。

また、本実施例の検出電圧調整回路１４は、検出電圧調整端子ＡＤＪの電位を接地電位（０Ｖ）に落とすことによって、電圧比較回路１２側から見えなくすることができる。具体的には、検出電圧調整端子ＡＤＪの電位が接地電位にされると、差動アンプＡＭＰの出力が接地電位にされてＭＯＳトランジスタＭ２がオフされる。すると、分圧回路１１を構成する抵抗Ｒ_I1とＲ_I2との接続ノードＮ１から引き抜く電流をゼロにすることができ、それによって検出電圧調整回路１４が設けられていない回路（例えば図３）と同様な検出電圧で動作させることができる。
すなわち、この場合、検出電圧Ｖ_DETは、次式（１）
Ｖ_DET＝Ｖ_REF×（Ｒ_I1+Ｒ_I2）／Ｒ_I2 ……（１）
で表わされる電位となる。

一方、検出電圧調整端子ＡＤＪに調整用抵抗Ｒ_E1を接続した場合には、差動アンプＡＭＰのイマジナリーショートの作用によって、ＭＯＳトランジスタＭ２と抵抗Ｒ_I3との接続ノードＮ２の電位を検出電圧調整端子ＡＤＪの電位（Ｒ_E1×Ｉ₁）と一致させるようにＭＯＳトランジスタＭ２を駆動することとなる。
これによって、この場合の検出電圧Ｖ_DET’は、次式（２）
Ｖ_DET’＝Ｖ_DET＋（Ｒ_I1／Ｒ_I3）×Ｒ_E1×Ｉ₁ ……（２）
で表わされる電位となる。上記式（２）より、調整用抵抗Ｒ_E1の抵抗値を変えることによって、検出電圧Ｖ_DET’を調整できることが分かる。

一方、上記式（２）において、抵抗Ｒ_I1，Ｒ_I3の抵抗値がばらつくと検出電圧Ｖ_DET’がずれることが分かる。しかし、抵抗Ｒ_I1とＲ_I3は、電圧検出回路１０がＩＣの場合、オンチップの素子であり製造プロセスにより抵抗値がばらついたとしても同じようにばらつくため、抵抗比であるＲ_I1／Ｒ_I3のばらつきを小さくすることができる。そのため、検出電圧調整端子ＡＤＪに接続する調整用抵抗Ｒ_E1として高精度の素子を使用することによって、検出電圧ＶDET’のばらつきを小さくすることができる。

また、本実施例においては、調整用抵抗Ｒ_E1に流れる電流は定電流源ＣＳによる１μＡのような小さな電流Ｉ₁であるので、調整用抵抗Ｒ_E1を接続することによりバッテリー２０から流れ出す暗電流を、図３の従来回路の暗電流に比べて抑制することができる。
具体的には、図３の従来回路において外付抵抗Ｒ_E1，Ｒ_E2の抵抗値を数１００ｋΩとした場合、抵抗Ｒ_E1，Ｒ_E2に流れる電流は１００μＡのオーダーになる。そのため、本実施例の電圧検出回路１０においては、外付抵抗Ｒ_E1に流れる電流は、定電流源ＣＳからの１μＡのような小さな電流Ｉ₁であるので、従来回路の１／１００程度に抑えることができる。

一方、上記実施例の電圧検出回路１０においては、電圧−電流変換回路１３を追加しているため、その分従来回路よりも電圧検出回路１０で消費する電流が多くなるが、現在の半導体集積回路の製造技術では、電圧−電流変換回路１３を構成する差動アンプＡＭＰの動作電流が１μＡ以下になるように差動アンプＡＭＰを設計することができるので、定電流源ＣＳによる電流Ｉ1（１μＡ）と合せても、２μＡ程度の増加で済む。そのため、トータルでバッテリー２０から流れ出す暗電流を、図３の従来回路の暗電流に比べて大幅に抑制することができる。

上述したように、上記実施例の電圧検出回路１０においては、検出電圧調整回路１４を設けたことにより検出電圧を調整することができる。しかも、検出電圧調整機能を付加しても外付けの検出電圧調整用の抵抗に流れる電流が小さいため、暗電流の増加を抑えることができ、バッテリーが長持ちするという利点がある。また、検出電圧に対する内部抵抗のばらつきの影響が抑えられるため、高精度の電圧検出が可能である。しかも、検出電圧調整端子ＡＤＪに接地電位が印加されるように配線接続処理をするだけで、簡単に電圧調整機能を無効にすることができるため、使い勝手が良いという利点がある。

さらに、図３に示す従来技術では、暗電流の増加なしに検出電圧を調整する場合、ＩＣの設計を変更して電圧検出用ＩＣを製造する必要があり、設計変更、試作にリードタイムが必要であったが、上記実施例の電圧検出用ＩＣによればリードタイムを短縮することができる。また、従来技術では、検出電圧毎にＩＣを用意する必要があり、評価工数が多くなるとともに在庫管理が面倒になるが、上記実施例の電圧検出用ＩＣによればそのような不具合を低減することができる。

（変形例）
次に、上記実施形態の電圧検出回路１０の変形例について、図２を用いて説明する。
図２に示す変形例の電圧検出回路１０’は、上記実施例における電圧−電流変換回路１３を省略して、検出電圧設定用定電流源ＣＳと検出電圧調整端子ＡＤＪに接続された調整用抵抗Ｒ_E1とによって検出電圧調整回路１４を構成し、調整用抵抗Ｒ_E1で電流−電圧変換された電圧を比較電圧Ｖ_THとしてコンパレータ（ＣＯＭＰ）１２の反転入力端子に印加するようにしたものである。

本変形例の電圧検出回路１０’においては、検出電圧Ｖ_DET’は、次式（３）
Ｖ_DET’＝Ｖ_REF＝Ｒ_E1×Ｉ1×（Ｒ_I1＋Ｒ_I2）／Ｒ_I2 ……（３）
で表わされる電位となる。上記式（３）より、外付けの調整用抵抗Ｒ_E1の抵抗値を変えることによって、検出電圧ＶDET’を調整できることが分かる。
また、本変形例の電圧検出回路１０’は、調整用抵抗Ｒ_E1によって広い範囲にわたって検出電圧Ｖ_DET’を調整することができる。ただし、前記実施例の電圧検出回路と異なり、必ず検出電圧調整端子ＡＤＪに抵抗Ｒ_E1を接続する必要がある。

本変形例の電圧検出回路１０’においては、図１の実施例の電圧検出回路１０と同様に、調整用抵抗Ｒ_E1に流れる電流は定電流源ＣＳによる１μＡのような小さな電流Ｉ₁であるので、バッテリー２０から流れ出す暗電流を、図３の従来回路の暗電流に比べて抑制することができる。しかも、検出電圧調整回路１４の構成が簡単であり、回路に追加する素子も少なくて済むため、ＩＣのチップサイズの増大を抑制することができるという利点がある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでない。例えば図１の実施例の電圧検出回路１０においては、電圧−電流変換回路１３の差動アンプＡＭＰの後段にＭＯＳトランジスタＭ２と抵抗Ｒ_I3を設けているが、ＭＯＳトランジスタＭ２と抵抗Ｒ_I3を差動アンプＡＭＰの出力段として使用するように構成しても良い。

また、上記実施形態では、定電流源ＣＳが接続される内部電源電圧端子Ｖcciや電圧比較回路１２と差動アンプＡＭＰの電源電圧については特に言及していないが、これらの回路の電源電圧は電圧入力端子ＶＳに入力されるバッテリー電圧Ｖ_BATをそのまま使用しても良いし、内部にレギュレータを設けてレギュレータにより生成した電圧を内部電源電圧としても良い。
また、図１の実施例の電圧検出回路１０において電圧比較回路１２に入力される参照電圧Ｖ_REFは、チップ内部に基準電圧回路を設けて生成しても良いし、ＩＣに参照電圧Ｖ_REFを入力するための外部端子を設けて、外部で生成した電圧を入力するように構成しても良い。

さらに、ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ２の代わりにバイポーラトランジスタを使用するようにしても良い。また、抵抗Ｒ_E1は内蔵でも良く、図３より外付け部品の構成を変えることなく置き換え可能である。
また、上記実施形態では、本発明を、電池電圧を検出する電池電圧検出回路に適用したものについて説明したが、本発明は電池電圧以外の電圧を検出する電圧検出回路に利用することができる。

１０……電圧検出回路、１１……分圧回路、１２……電圧比較回路（コンパレータ）、１３……電圧−電流変換回路、１４……検出電圧調整回路、２０……バッテリー、Ｒ_E1……調整用抵抗、ＡＤＪ……検出電圧調整端子、ＯＵＴ……検出信号出力端子

Claims

監視対象の電圧が入力される電圧入力端子と、
前記電圧入力端子と定電圧端子との間に接続された直列抵抗からなる分圧回路と、
前記分圧回路により分圧された電圧と所定の電圧とを比較とする電圧比較回路と、
前記電圧比較回路による比較結果を出力するための出力端子と、
を備え、半導体基板上に半導体集積回路として形成され、前記電圧入力端子に入力された電圧が所定の電圧値を超えたことまたは下回ったことを検出して前記出力端子より信号を出力する電圧検出回路であって、
外付抵抗が接続される検出電圧調整端子と、
前記検出電圧調整端子と前記分圧回路との間に設けられた電圧−電流変換回路と、
内部電源電圧端子と前記検出電圧調整端子との間に接続された定電流源と、
を備え、
前記電圧−電流変換回路により、前記検出電圧調整端子に接続された前記外部抵抗の抵抗値に応じた電流を、前記分圧回路の直列抵抗の接続ノードより引き抜くことによって前記電圧入力端子の検出電圧を調整可能に構成されていることを特徴とする電圧検出回路。
前記電圧−電流変換回路は、
前記分圧回路の直列抵抗の接続ノードと接地点との間に接続された直列形態のトランジスタおよび抵抗素子と、
前記検出電圧調整端子の電圧が第１入力端子に入力され、前記トランジスタと前記抵抗素子との接続ノードの電位が第２入力端子に入力された差動増幅回路とを備え、
前記差動増幅回路の出力が前記トランジスタの制御端子に印加されていることを特徴とする請求項１記載の電圧検出回路。
前記監視対象の電圧は電池の電圧であることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧検出回路。
前記電池は、車両に搭載されたバッテリーであることを特徴とする請求項３に記載の電圧検出回路。