JP3361322B2 - 集積リチウム電池保護回路 - Google Patents
集積リチウム電池保護回路Info
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Description
【０００１】（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、概して電池の充電および放電の管理に関し、
より詳細には、最適な電池の寿命および性能が得られる
ように、適切な充電および放電を提供するリチウム電池
保護回路に関する。
より詳細には、最適な電池の寿命および性能が得られる
ように、適切な充電および放電を提供するリチウム電池
保護回路に関する。
【０００２】（２．関連技術の説明）
近年、携帯用の形で利用可能な電子デバイスの数が増加
し続けている。これらの携帯用のデバイスとして、携帯
電話、ラジオ、ポケットベル、ボイスレコーダ等があ
る。これらの電子デバイスは、携帯可能にするために、
概して充電式電池を用いて動作するように構成される。
多くの異なる電池技術が利用されてきたが、リチウムイ
オン電池は、好適な充電式セルとして用いられ得る特性
を有する。
し続けている。これらの携帯用のデバイスとして、携帯
電話、ラジオ、ポケットベル、ボイスレコーダ等があ
る。これらの電子デバイスは、携帯可能にするために、
概して充電式電池を用いて動作するように構成される。
多くの異なる電池技術が利用されてきたが、リチウムイ
オン電池は、好適な充電式セルとして用いられ得る特性
を有する。
【０００３】リチウムイオン電池の利点には、エネルギ
ー密度が高いこと、重量が軽いこと、および全体のサイ
ズが小さいことが含まれる。しかし、これらの特性は、
携帯用途において、有利であると考えられるが、この技
術を有効に活用するためには、リチウムイオンセルの独
自の動作上の要件に対処しなければならない。特に、最
適な電池寿命および性能を得るためには、リチウムイオ
ン電池の電位が、低い方の閾値電圧および高い方の閾値
電圧によって規定されるような動作範囲内に維持されな
ければならない。この動作範囲が、性能とともに電池寿
命を延ばすことに関して決定的であるため、所望の範囲
内に電池電位が維持されることを確実にするために二重
の保護が用いられてきた。概して、これは、電池充電器
が共に含まれる保護回路および電池の一体的部分として
形成される電池マネージャ（ｍａｎａｇｅｒ）の両方を
用いることによって、達成される。従来技術による電池
マネージャ２０を図１に示す。
ー密度が高いこと、重量が軽いこと、および全体のサイ
ズが小さいことが含まれる。しかし、これらの特性は、
携帯用途において、有利であると考えられるが、この技
術を有効に活用するためには、リチウムイオンセルの独
自の動作上の要件に対処しなければならない。特に、最
適な電池寿命および性能を得るためには、リチウムイオ
ン電池の電位が、低い方の閾値電圧および高い方の閾値
電圧によって規定されるような動作範囲内に維持されな
ければならない。この動作範囲が、性能とともに電池寿
命を延ばすことに関して決定的であるため、所望の範囲
内に電池電位が維持されることを確実にするために二重
の保護が用いられてきた。概して、これは、電池充電器
が共に含まれる保護回路および電池の一体的部分として
形成される電池マネージャ（ｍａｎａｇｅｒ）の両方を
用いることによって、達成される。従来技術による電池
マネージャ２０を図１に示す。
【０００４】図１を参照すると、電池マネージャ２０
が、電池２２の電位を受動的にモニタするコントローラ
２４を有することが分かる。この測定された値に基づい
て、第１のｎ−チャネルエンハンスメント電界効果トラ
ンジスタ（ＦＥＴ）２８の第１のゲート２６および第１
のＦＥＴ２８と直列に配置された第２のｎ−チャネルエ
ンハンスメントＦＥＴ３２の第２のゲート３０によっ
て、電圧が受け取られる。ＦＥＴゲート２６および３０
に与えられた電圧は、充電器３４から電池２２へのフロ
ーおよび電池２２から負荷３６（即ち、携帯電話）への
電流フローが調整されて、電池２２の電圧を高い方の閾
値電圧と低い方の閾値電圧との間で維持するように、Ｆ
ＥＴ２８および３２を構成する。
が、電池２２の電位を受動的にモニタするコントローラ
２４を有することが分かる。この測定された値に基づい
て、第１のｎ−チャネルエンハンスメント電界効果トラ
ンジスタ（ＦＥＴ）２８の第１のゲート２６および第１
のＦＥＴ２８と直列に配置された第２のｎ−チャネルエ
ンハンスメントＦＥＴ３２の第２のゲート３０によっ
て、電圧が受け取られる。ＦＥＴゲート２６および３０
に与えられた電圧は、充電器３４から電池２２へのフロ
ーおよび電池２２から負荷３６（即ち、携帯電話）への
電流フローが調整されて、電池２２の電圧を高い方の閾
値電圧と低い方の閾値電圧との間で維持するように、Ｆ
ＥＴ２８および３２を構成する。
【０００５】動作中、電池２２の電圧が高い方の閾値と
低い方の閾値との間にある場合、電圧が第１のゲート２
６および第２のゲート３０に印加される。従って、第１
のＦＥＴ２８および第２のＦＥＴ３０は活性であり、電
池２２は携帯電話３６および充電器３４に接続される。
この様態で、電池２２が充電器３４を利用し得るか、ま
たは、充電器が利用できない場合、携帯電話が電池２２
を使用し得る。しかし、電池２２が高い方または低い方
の閾値に近付く場合、第１のゲート２６または第２のゲ
ート３０への電圧の印加は中断され、これにより、電流
フローが制限され、電池の充電または放電が終了する。
低い方の閾値との間にある場合、電圧が第１のゲート２
６および第２のゲート３０に印加される。従って、第１
のＦＥＴ２８および第２のＦＥＴ３０は活性であり、電
池２２は携帯電話３６および充電器３４に接続される。
この様態で、電池２２が充電器３４を利用し得るか、ま
たは、充電器が利用できない場合、携帯電話が電池２２
を使用し得る。しかし、電池２２が高い方または低い方
の閾値に近付く場合、第１のゲート２６または第２のゲ
ート３０への電圧の印加は中断され、これにより、電流
フローが制限され、電池の充電または放電が終了する。
【０００６】２つのＦＥＴ２８および３２は、第２のダ
イオード４０に対して極性を逆にした第１のダイオード
３８に関連して、電流フローを制限する。電池２２の電
圧が高い方の閾値に近付く（または、達する）場合、第
２のゲート３０への電圧印加は中断され、任意の電流が
第２のダイオード４０を流れるように強制される。これ
により、充電器３４から電池２２への電流フローは終了
し、電流が、デバイスを動作させるために必要な程度、
電池２２から携帯電話３６へのみ流れることを可能にす
る（即ち、充電は中断され、携帯電話３６は電池を利用
できる）。
イオード４０に対して極性を逆にした第１のダイオード
３８に関連して、電流フローを制限する。電池２２の電
圧が高い方の閾値に近付く（または、達する）場合、第
２のゲート３０への電圧印加は中断され、任意の電流が
第２のダイオード４０を流れるように強制される。これ
により、充電器３４から電池２２への電流フローは終了
し、電流が、デバイスを動作させるために必要な程度、
電池２２から携帯電話３６へのみ流れることを可能にす
る（即ち、充電は中断され、携帯電話３６は電池を利用
できる）。
【０００７】反対に、電池２２が低い方の閾値に近付く
（または、ヒットする）場合、電圧は第１のゲート２６
に印加されず、任意の電流が第１のダイオード３８を流
れるように強制される。従って、電流は電池２２から携
帯電話３６へは流れなくなるが、電池２２は充電器３４
を利用することが可能になる（即ち、携帯電話３６が電
池を電源として用いることができない間、電池の充電が
利用可能である）。この構成は、電池の放電および充電
を適切に制御し、これにより、電池電位を所望の範囲内
に維持するが、重大な問題点が存在する。
（または、ヒットする）場合、電圧は第１のゲート２６
に印加されず、任意の電流が第１のダイオード３８を流
れるように強制される。従って、電流は電池２２から携
帯電話３６へは流れなくなるが、電池２２は充電器３４
を利用することが可能になる（即ち、携帯電話３６が電
池を電源として用いることができない間、電池の充電が
利用可能である）。この構成は、電池の放電および充電
を適切に制御し、これにより、電池電位を所望の範囲内
に維持するが、重大な問題点が存在する。
【０００８】本発明の前には、電池マネージャは、別個
のデバイスで製造された。これは、主に、同じ基板に複
数のＦＥＴが含まれる場合に望ましくない漏れが起こり
得るため、ＦＥＴを絶縁する必要性があるからであっ
た。しかし、別個のデバイスを用いることは、製造コス
トおよびユニットの複雑性を大幅に増加させる。さら
に、電池から負荷へのまたは充電器から電池への電流伝
達における過剰な電力損失を避けるためには、充電器と
負荷との間の小さいパス抵抗が望ましいので、最小のパ
ス抵抗（例えば、５０ミリオーム）が達成され得るよう
に、直列に組み合わせた大面積トランジスタが必要とさ
れる。しかし、大面積を占めるＦＥＴは、製造コストを
増加させ、最小のパッケージサイズを得るための努力を
制限する傾向がある。
のデバイスで製造された。これは、主に、同じ基板に複
数のＦＥＴが含まれる場合に望ましくない漏れが起こり
得るため、ＦＥＴを絶縁する必要性があるからであっ
た。しかし、別個のデバイスを用いることは、製造コス
トおよびユニットの複雑性を大幅に増加させる。さら
に、電池から負荷へのまたは充電器から電池への電流伝
達における過剰な電力損失を避けるためには、充電器と
負荷との間の小さいパス抵抗が望ましいので、最小のパ
ス抵抗（例えば、５０ミリオーム）が達成され得るよう
に、直列に組み合わせた大面積トランジスタが必要とさ
れる。しかし、大面積を占めるＦＥＴは、製造コストを
増加させ、最小のパッケージサイズを得るための努力を
制限する傾向がある。
【０００９】従って、費用効率の高い様態で、電池電圧
を指定された電圧範囲内に効率的に維持し、しかもトラ
ンジスタの漏れ、電力損失、および構成要素のサイズに
関して対処する改良された電池マネージャが必要であ
る。
を指定された電圧範囲内に効率的に維持し、しかもトラ
ンジスタの漏れ、電力損失、および構成要素のサイズに
関して対処する改良された電池マネージャが必要であ
る。
【００１０】（発明の要旨）
電池の電流電位に基づく充電器と電池との関係を管理す
る装置および方法が提供される。その装置は、充電器と
電池との関係を管理し、これにより、電池の電位を動作
範囲内に維持し、過放電および放電不足を避けるよう
に、電池の寿命および性能を最適化する。その装置は第
１のマイクロ電子スイッチを含み、第１のマイクロ電子
スイッチは、電池に接続され、充電器が電池を充電する
ことを可能にし、電池の電流電位が動作範囲内にある場
合、電池が放電することを可能にする。第２のマイクロ
電子スイッチは、第１のマイクロ電子スイッチと並列に
接続され、これにより、電池の電流電位が動作範囲より
大きい場合、充電器による電池の充電を制限する。第３
のマイクロ電子スイッチは、第１および第２のマイクロ
電子スイッチと並列に接続され、これにより、電池の電
流電位が動作範囲より小さい場合、電池の放電を制限す
る。
る装置および方法が提供される。その装置は、充電器と
電池との関係を管理し、これにより、電池の電位を動作
範囲内に維持し、過放電および放電不足を避けるよう
に、電池の寿命および性能を最適化する。その装置は第
１のマイクロ電子スイッチを含み、第１のマイクロ電子
スイッチは、電池に接続され、充電器が電池を充電する
ことを可能にし、電池の電流電位が動作範囲内にある場
合、電池が放電することを可能にする。第２のマイクロ
電子スイッチは、第１のマイクロ電子スイッチと並列に
接続され、これにより、電池の電流電位が動作範囲より
大きい場合、充電器による電池の充電を制限する。第３
のマイクロ電子スイッチは、第１および第２のマイクロ
電子スイッチと並列に接続され、これにより、電池の電
流電位が動作範囲より小さい場合、電池の放電を制限す
る。
【００１１】本発明のさらなる利点および特徴は、添付
の図面と共に以下の説明および請求の範囲から、明らか
になる。
の図面と共に以下の説明および請求の範囲から、明らか
になる。
【００１２】本発明の他の利点は、以下の詳細な説明を
読み、以下の図面を参照することによって、明らかにさ
れる。
読み、以下の図面を参照することによって、明らかにさ
れる。
【００１３】（好適な実施形態の説明）
以下の好適な実施形態の説明は、主として例示的な性質
のものであり、本発明、あるいは、その適用例もしくは
使用を限定するものではない。
のものであり、本発明、あるいは、その適用例もしくは
使用を限定するものではない。
【００１４】図２に、リチウムイオン電池５４と一体的
に形成された電池マネージャ５０を有する携帯用電子デ
バイス７０を示す。充電式電池の過放電または過充電を
防ぐために、電池電圧を検出し、電圧が所与の値より下
に低下する、または所与の値より上に上昇する場合、電
池の充電または放電を中止する方法が用いられてきた。
例えば、「Ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏ Ｐｒｅｖｅｎｔ Ｅ
ｘｃｅｓｓｉｖｅ Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ Ｂａｔ
ｔｅｒｙ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ」という名称の米国特許
第５，４７７，１２４号、「Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ
Ｂａｔｔｅｒｙ Ｏｖｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｒ
ｅｖｅｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ」という名称の米国特許第
５，３９７，９７４号、および「Ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇ
ｅ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ
Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」という
名称の米国特許第５，６３７，４１３号は、本発明の理
解において有用な背景技術を開示している。
に形成された電池マネージャ５０を有する携帯用電子デ
バイス７０を示す。充電式電池の過放電または過充電を
防ぐために、電池電圧を検出し、電圧が所与の値より下
に低下する、または所与の値より上に上昇する場合、電
池の充電または放電を中止する方法が用いられてきた。
例えば、「Ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏ Ｐｒｅｖｅｎｔ Ｅ
ｘｃｅｓｓｉｖｅ Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ Ｂａｔ
ｔｅｒｙ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ」という名称の米国特許
第５，４７７，１２４号、「Ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ
Ｂａｔｔｅｒｙ Ｏｖｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｐｒ
ｅｖｅｎｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ」という名称の米国特許第
５，３９７，９７４号、および「Ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇ
ｅ Ｄｉｓｃｏｎｎｅｃｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ
Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｉｏｎ Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」という
名称の米国特許第５，６３７，４１３号は、本発明の理
解において有用な背景技術を開示している。
【００１５】図３は、保護回路５１を有する電池マネー
ジャ５０のさらなる細部を示す、本発明の実施形態の一
例の模式図である。図３に示すように、電池マネージャ
５０は、電池５４の電圧を受動的にモニタするコントロ
ーラ５２を含む。同時に制御信号が発生され、並列に接
続されていることが図示されている３つのマイクロ電子
スイッチングデバイスに与えられる。
ジャ５０のさらなる細部を示す、本発明の実施形態の一
例の模式図である。図３に示すように、電池マネージャ
５０は、電池５４の電圧を受動的にモニタするコントロ
ーラ５２を含む。同時に制御信号が発生され、並列に接
続されていることが図示されている３つのマイクロ電子
スイッチングデバイスに与えられる。
【００１６】この好適な実施形態において、制御信号
は、第１のＦＥＴ５８の第１のゲート５６、第１のＦＥ
Ｔ５８と並列である第２のＦＥＴ６２の第２のゲート６
０、または第１のＦＥＴ５８および第２のＦＥＴ６２と
並列である第３のＦＥＴ６６の第３のゲート６４のいず
れか１つに印加される電圧である。電圧は、それぞれの
ＦＥＴゲート５６、６０、および６４のうちの１つに印
加され、充電器６８から電池５４への電流フローおよび
電池５４から負荷７０への電流フローが、ＦＥＴ５６、
６０、および６４の構成によって調整され、電池５４の
電位を、最適な電池寿命および性能が得られるように、
特定の動作範囲内に維持する。この結果を得るために、
電池マネージャ５０は、電池電位が高い方の閾値（例え
ば、４．２Ｖのオーダー）より上昇したり、低い方の閾
値（例えば、２．５Ｖのオーダー）より下まで低下した
りしないように、適切に動作しなければならない。高い
方の閾値および低い方の閾値によって規定されるリチウ
ム動作範囲の例として図４を参照されたい。
は、第１のＦＥＴ５８の第１のゲート５６、第１のＦＥ
Ｔ５８と並列である第２のＦＥＴ６２の第２のゲート６
０、または第１のＦＥＴ５８および第２のＦＥＴ６２と
並列である第３のＦＥＴ６６の第３のゲート６４のいず
れか１つに印加される電圧である。電圧は、それぞれの
ＦＥＴゲート５６、６０、および６４のうちの１つに印
加され、充電器６８から電池５４への電流フローおよび
電池５４から負荷７０への電流フローが、ＦＥＴ５６、
６０、および６４の構成によって調整され、電池５４の
電位を、最適な電池寿命および性能が得られるように、
特定の動作範囲内に維持する。この結果を得るために、
電池マネージャ５０は、電池電位が高い方の閾値（例え
ば、４．２Ｖのオーダー）より上昇したり、低い方の閾
値（例えば、２．５Ｖのオーダー）より下まで低下した
りしないように、適切に動作しなければならない。高い
方の閾値および低い方の閾値によって規定されるリチウ
ム動作範囲の例として図４を参照されたい。
【００１７】コスト、サイズ、信頼度、および以下に記
載されるさらなる利点を考慮すると、マイクロ電子スイ
ッチ５８、６２、および６６はｐ−チャネルエンハンス
メントＦＥＴであることが好適である。他のマイクロ電
子スイッチも同等に用いられ得ることが理解されるが、
ＦＥＴは、スイッチデバイスとして幅広く利用され、従
って良く理解される。以前の解決手段は、３つの構成要
素を含むデバイスが２つの構成要素を含むデバイスより
複雑で、よりコストがかかることを示唆し得るが、本発
明の３つの並列スイッチは、電池マネージャの複雑性、
コスト、およびサイズを低減する傾向にあることに留意
することが重要である。
載されるさらなる利点を考慮すると、マイクロ電子スイ
ッチ５８、６２、および６６はｐ−チャネルエンハンス
メントＦＥＴであることが好適である。他のマイクロ電
子スイッチも同等に用いられ得ることが理解されるが、
ＦＥＴは、スイッチデバイスとして幅広く利用され、従
って良く理解される。以前の解決手段は、３つの構成要
素を含むデバイスが２つの構成要素を含むデバイスより
複雑で、よりコストがかかることを示唆し得るが、本発
明の３つの並列スイッチは、電池マネージャの複雑性、
コスト、およびサイズを低減する傾向にあることに留意
することが重要である。
【００１８】例示した実施形態によると、携帯用電子デ
バイス７０または負荷は、適切には、携帯電話である。
しかし、本発明は、携帯電話に限定されず、広く様々な
電子デバイスに対して適用可能であることが容易に理解
されるはずである。さらに、好適な実施形態が、リチウ
ムイオン電池のコンテキストにおいて説明されている
が、本発明は同様の調整を必要とする他の電池タイプに
対し適用可能である。
バイス７０または負荷は、適切には、携帯電話である。
しかし、本発明は、携帯電話に限定されず、広く様々な
電子デバイスに対して適用可能であることが容易に理解
されるはずである。さらに、好適な実施形態が、リチウ
ムイオン電池のコンテキストにおいて説明されている
が、本発明は同様の調整を必要とする他の電池タイプに
対し適用可能である。
【００１９】引き続き図３を参照すると、電池５４の電
圧が、高い方の閾値および低い方の閾値電圧の間にある
場合、電圧は第２のゲート６０に与えられ、電圧は第１
のゲート５６および第３のゲート６４には印加されな
い。これにより、第２のＦＥＴ６０のみが活性で、電池
５４が携帯電話７０および充電器６８に接続される。こ
の状態において、電池５４が充電器６８を利用し得る
か、または充電器が利用できない場合、携帯電話７０が
電池５４を使用し得る。しかし、電池５４が高い方また
は低い方の閾値に近付く場合、第２のゲート６０への電
圧の印加は止まり、第１のＦＥＴ５８または第３のＦＥ
Ｔ６６が、それぞれ、第１のゲート５６または第３のゲ
ート６４への電圧の印加を通じて、活性化される。この
ようにして、電流フローは、活性であるＦＥＴおよびダ
イオードを有する単一の分枝に方向付けられる。
圧が、高い方の閾値および低い方の閾値電圧の間にある
場合、電圧は第２のゲート６０に与えられ、電圧は第１
のゲート５６および第３のゲート６４には印加されな
い。これにより、第２のＦＥＴ６０のみが活性で、電池
５４が携帯電話７０および充電器６８に接続される。こ
の状態において、電池５４が充電器６８を利用し得る
か、または充電器が利用できない場合、携帯電話７０が
電池５４を使用し得る。しかし、電池５４が高い方また
は低い方の閾値に近付く場合、第２のゲート６０への電
圧の印加は止まり、第１のＦＥＴ５８または第３のＦＥ
Ｔ６６が、それぞれ、第１のゲート５６または第３のゲ
ート６４への電圧の印加を通じて、活性化される。この
ようにして、電流フローは、活性であるＦＥＴおよびダ
イオードを有する単一の分枝に方向付けられる。
【００２０】電池５４の電圧が高い方の閾値に近付く場
合、第１のゲート５６に電圧が印加され、任意の電流が
第１のダイオード７２を流れるように強制される。第１
のダイオード７２のアノード７１が第１のＦＥＴに接続
され、カソード７３が充電器６８に接続される（図
示）。あるいは、第１のダイオード７２のカソード７３
が、第１のＦＥＴ５８に接続され得、アノード７１が電
池５４に接続され得る。この構成は、充電器６８から電
池５４への電流フローを大幅に制限し、デバイスを動作
させるのに必要な程度、電池２２から携帯電話３６への
電流フローを可能にする（即ち、充電は中断され、携帯
電話７０は電池を利用できる）。
合、第１のゲート５６に電圧が印加され、任意の電流が
第１のダイオード７２を流れるように強制される。第１
のダイオード７２のアノード７１が第１のＦＥＴに接続
され、カソード７３が充電器６８に接続される（図
示）。あるいは、第１のダイオード７２のカソード７３
が、第１のＦＥＴ５８に接続され得、アノード７１が電
池５４に接続され得る。この構成は、充電器６８から電
池５４への電流フローを大幅に制限し、デバイスを動作
させるのに必要な程度、電池２２から携帯電話３６への
電流フローを可能にする（即ち、充電は中断され、携帯
電話７０は電池を利用できる）。
【００２１】電池５４の電位が低い方の閾値に近付く場
合、電圧が第３のゲート６４に印加されるが、第１およ
び第２のゲート５６および６０には与えられない。この
ようにして、任意の電池が第２のダイオード７４を通じ
て流れるように強制される。第２のダイオード７４のア
ノード７５が充電器６８に接続され、カソード７７が第
３のＦＥＴ６６に接続されるか（図示）、またはアノー
ド７５が第３のＦＥＴ６６に接続され、カソード７７が
電池に接続される。従って、電池５４から携帯電話７０
への電流フローは大幅に制限されるが、電池５４は、充
電器６８を利用し得る（即ち、電池の充電が、利用可能
であり、携帯電話７０は、電池を電源として用いること
ができない）。
合、電圧が第３のゲート６４に印加されるが、第１およ
び第２のゲート５６および６０には与えられない。この
ようにして、任意の電池が第２のダイオード７４を通じ
て流れるように強制される。第２のダイオード７４のア
ノード７５が充電器６８に接続され、カソード７７が第
３のＦＥＴ６６に接続されるか（図示）、またはアノー
ド７５が第３のＦＥＴ６６に接続され、カソード７７が
電池に接続される。従って、電池５４から携帯電話７０
への電流フローは大幅に制限されるが、電池５４は、充
電器６８を利用し得る（即ち、電池の充電が、利用可能
であり、携帯電話７０は、電池を電源として用いること
ができない）。
【００２２】前述の電池電位の調整に加えて、保護回路
が、負荷７０において短絡が起こった場合に得られるマ
イナス効果に対して保護を提供する。このような短絡の
発生は、ＦＥＴ５８、６２、および６６を流れる電流フ
ローをモニタすることによって識別される。短絡状態
は、モニタされる電流が許容度を大幅にはずれた場合
に、識別される。短絡状態が検出された場合、電池５４
と負荷７０との間の全ての接続は、ＦＥＴ５８、６２、
および６６の３つのゲート５６、６０、および６４への
電圧の印加を中断することによってＦＥＴを不活性化
し、負荷７０と電池５４との間に開回路を生成すること
によって切断される。
が、負荷７０において短絡が起こった場合に得られるマ
イナス効果に対して保護を提供する。このような短絡の
発生は、ＦＥＴ５８、６２、および６６を流れる電流フ
ローをモニタすることによって識別される。短絡状態
は、モニタされる電流が許容度を大幅にはずれた場合
に、識別される。短絡状態が検出された場合、電池５４
と負荷７０との間の全ての接続は、ＦＥＴ５８、６２、
および６６の３つのゲート５６、６０、および６４への
電圧の印加を中断することによってＦＥＴを不活性化
し、負荷７０と電池５４との間に開回路を生成すること
によって切断される。
【００２３】前述したように、マイクロ電子スイッチ５
８、６２、および６６は、ｐ−チャネルエンハンスメン
トＦＥＴであることが好適である。図５を参照し、例示
の実施形態によると、３つのＦＥＴ５８、６２、および
６６が、単一のｐ−マイナス基板８０上に、一体的に形
成される。ｐ−チャネルエンハンスメントＦＥＴは、ｐ
−マイナス基板が使用される場合、各トランジスタを絶
縁し、漏れを最小化させることが可能なので、好適であ
る。ｎ型デバイスがｐ−マイナス基板内に形成される場
合、基板は全てのｎ型デバイスに共通である。従って、
ｎ型デバイスの各々を絶縁することは、それぞれのデバ
イスが、接地されたｐ−マイナス基板へのドレインおよ
びソースダイオードを有するので、不可能である。
８、６２、および６６は、ｐ−チャネルエンハンスメン
トＦＥＴであることが好適である。図５を参照し、例示
の実施形態によると、３つのＦＥＴ５８、６２、および
６６が、単一のｐ−マイナス基板８０上に、一体的に形
成される。ｐ−チャネルエンハンスメントＦＥＴは、ｐ
−マイナス基板が使用される場合、各トランジスタを絶
縁し、漏れを最小化させることが可能なので、好適であ
る。ｎ型デバイスがｐ−マイナス基板内に形成される場
合、基板は全てのｎ型デバイスに共通である。従って、
ｎ型デバイスの各々を絶縁することは、それぞれのデバ
イスが、接地されたｐ−マイナス基板へのドレインおよ
びソースダイオードを有するので、不可能である。
【００２４】ＦＥＴ５８、６２、および６６の各々が個
別のｎ型ウェル８２、８４、および８６内にそれぞれあ
るので、図５に示すように、複数のｐ−チャネルＦＥＴ
について絶縁が可能である。これらのウェルの各々は、
異なるレベルを取り得、ダイオードに対してドレインま
たはソースの下では、いずれの電位がより大きいかに依
存して、基本的に浮遊する。単一のｎ基板上に複数のデ
バイスを形成することが望ましい場合、トランジスタ間
の絶縁を提供するためには、ｎ−チャネルＦＥＴが望ま
しい。
別のｎ型ウェル８２、８４、および８６内にそれぞれあ
るので、図５に示すように、複数のｐ−チャネルＦＥＴ
について絶縁が可能である。これらのウェルの各々は、
異なるレベルを取り得、ダイオードに対してドレインま
たはソースの下では、いずれの電位がより大きいかに依
存して、基本的に浮遊する。単一のｎ基板上に複数のデ
バイスを形成することが望ましい場合、トランジスタ間
の絶縁を提供するためには、ｎ−チャネルＦＥＴが望ま
しい。
【００２５】３つのＦＥＴ５８、６２、および６６の並
列パッド構成はまた、サイズを縮小し、従って、コスト
を低下させる。これは、電池５４、携帯用デバイス７０
および充電器６８の間の小さい抵抗パスを与える面積を
有さなければならないＦＥＴは第２のＦＥＴ６２のみで
あることによる、第１のＦＥＴ５８および第３のＦＥＴ
６６のサイズの大幅な低減に起因する。
列パッド構成はまた、サイズを縮小し、従って、コスト
を低下させる。これは、電池５４、携帯用デバイス７０
および充電器６８の間の小さい抵抗パスを与える面積を
有さなければならないＦＥＴは第２のＦＥＴ６２のみで
あることによる、第１のＦＥＴ５８および第３のＦＥＴ
６６のサイズの大幅な低減に起因する。
【００２６】前述したように、電池５４が適切な動作範
囲内にある場合、第２のＦＥＴ６２は活性であり、第１
のＦＥＴ５８および第３のＦＥＴ６６は、不活性であ
る。電池が所望の範囲内にある場合、負荷７０による電
池の使用を最大化し、電池５４の充電を最適化すること
が好適である（即ち、電池５４が充電するか、または携
帯用デバイス７０が電池を利用する間、不必要な電力損
失を避ける）。概して、５０ミリオームより低い全パス
抵抗が求められる。５０ミリオームの抵抗を提供するト
ランジスタは、大きな面積（即ち、７５０，０００ミク
ロン×０．６ミクロンの付近）を必要とするので、これ
らの大きなトランジスタの数を限定することが、有益で
ある。電力損失に関する限り、第２のＦＥＴが唯一の活
性であるデバイスなので、１つのＦＥＴのみがこのよう
な面積を有さなければならない。
囲内にある場合、第２のＦＥＴ６２は活性であり、第１
のＦＥＴ５８および第３のＦＥＴ６６は、不活性であ
る。電池が所望の範囲内にある場合、負荷７０による電
池の使用を最大化し、電池５４の充電を最適化すること
が好適である（即ち、電池５４が充電するか、または携
帯用デバイス７０が電池を利用する間、不必要な電力損
失を避ける）。概して、５０ミリオームより低い全パス
抵抗が求められる。５０ミリオームの抵抗を提供するト
ランジスタは、大きな面積（即ち、７５０，０００ミク
ロン×０．６ミクロンの付近）を必要とするので、これ
らの大きなトランジスタの数を限定することが、有益で
ある。電力損失に関する限り、第２のＦＥＴが唯一の活
性であるデバイスなので、１つのＦＥＴのみがこのよう
な面積を有さなければならない。
【００２７】電池電位が動作範囲の外に外れた場合、低
い抵抗パスは、問題でなくなる。特に、電池電位が高い
方の閾値を越えて上昇した場合、電池電位の低下が望ま
しく、電池５４から見たより大きな負荷が、このような
減少を助ける。第１のＦＥＴ５８についての高い抵抗に
よって、より大きい負荷が電池に与えられ、所望の行動
が追加される。反対に、電池電位が低い方の閾値より下
であり、電池の充電が望まれる場合、相対的に無尽蔵な
電源（即ち、充電器６８）が利用可能であり、第３のＦ
ＥＴ６６についての高い抵抗は、ほとんど取るに足らな
い。従って、第１のＦＥＴ５８および第３のＦＥＴ６６
のデバイス面積は、最小に保たれ得、ユニットの全体の
サイズ、複雑性、およびコストは、大幅に低減する。
い抵抗パスは、問題でなくなる。特に、電池電位が高い
方の閾値を越えて上昇した場合、電池電位の低下が望ま
しく、電池５４から見たより大きな負荷が、このような
減少を助ける。第１のＦＥＴ５８についての高い抵抗に
よって、より大きい負荷が電池に与えられ、所望の行動
が追加される。反対に、電池電位が低い方の閾値より下
であり、電池の充電が望まれる場合、相対的に無尽蔵な
電源（即ち、充電器６８）が利用可能であり、第３のＦ
ＥＴ６６についての高い抵抗は、ほとんど取るに足らな
い。従って、第１のＦＥＴ５８および第３のＦＥＴ６６
のデバイス面積は、最小に保たれ得、ユニットの全体の
サイズ、複雑性、およびコストは、大幅に低減する。
【００２８】以上の記載から、電池電圧を特定の電圧範
囲内に効率的に維持する改良された電池マネージャが提
供されることが理解され得る。電池マネージャは、費用
効率の高い様態で、指定された方法で電池電圧を維持
し、しかもトランジスタの漏れ、電力損失、および構成
要素のサイズに関して対処する。
囲内に効率的に維持する改良された電池マネージャが提
供されることが理解され得る。電池マネージャは、費用
効率の高い様態で、指定された方法で電池電圧を維持
し、しかもトランジスタの漏れ、電力損失、および構成
要素のサイズに関して対処する。
【００２９】
［図面の簡単な説明］
【図１】図１は、従来技術による電池管理システムの模
式図である。
式図である。
【図２】図２は、電池と一体的に形成された電池マネー
ジャを有する携帯用の電子デバイスの図である。
ジャを有する携帯用の電子デバイスの図である。
【図３】図３は、本発明の好適な実施形態による保護回
路を含む、図２の電池管理システムのさらなる細部の模
式図である。
路を含む、図２の電池管理システムのさらなる細部の模
式図である。
【図４】図４は、高い方の閾値および低い方の閾値によ
って規定された、リチウムイオンの動作範囲を示す図で
ある。
って規定された、リチウムイオンの動作範囲を示す図で
ある。
【図５】図５は、単一の基板上に一体的に形成された、
本発明の保護回路の断面図である。
本発明の保護回路の断面図である。
フロントページの続き
(72)発明者 コレス， ジョセフ エイチ.
アメリカ合衆国 カリフォルニア
92003， ボンサール， マウンテン
ウェイ 31510
(72)発明者 バークトールド， ヤン−クリストフ
アメリカ合衆国 カリフォルニア
92014， デル マール， ボキータ
ドライブ 14098
(72)発明者 チャイルド， マックス エイ.
アメリカ合衆国 カリフォルニア
92028， フォールブルック， ビア
モンセレイト 2240
(56)参考文献 特開 平６−276696（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−67263（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−98414（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−196042（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−7641（ＪＰ，Ａ)
独国特許出願公開3829073（ＤＥ，Ａ
１)
米国特許5637413（ＵＳ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 10/42 - 10/48
H02H 7/18
H02J 7/00 - 7/12
H02J 7/34 - 7/36
Claims (34)
- 【請求項１】 高い方の閾値および低い方の閾値を有す
る動作範囲に基づいて電池の電圧電位を調整し、該電池
を充電する場合、および負荷が該電池を利用する場合、
電力損失を低減させる、電池管理保護回路であって、 基板と、 該基板上に一体的に形成される第１のマイクロ電子スイ
ッチであって、該電池の電圧電位が該高い方の閾値より
高い場合、該電池の充電を制限するように構成された第
１のマイクロ電子スイッチと、 該基板上に一体的に形成され、該第１のマイクロ電子ス
イッチと並列に接続された第２のマイクロ電子スイッチ
であって、該電池の電圧電位が該低い方の閾値より低い
場合、該電池の放電を制限するように構成された第２の
マイクロ電子スイッチと、 該基板上に一体的に形成され、該第１のマイクロ電子ス
イッチおよび該第２のマイクロ電子スイッチと並列に接
続された第３のマイクロ電子スイッチであって、該第１
および第２のマイクロ電子スイッチに関連付けられた抵
抗パスに対して、該第３のマイクロ電子スイッチによっ
て実質的に低減された抵抗パスが提供されるように、該
第１のマイクロ電子スイッチおよび該第２のマイクロ電
子スイッチの各々と比較して、実質的により大きい該基
板上の面積を占め、該低減された抵抗パスは、該電池が
充電する間、かつ、該動作範囲内において該負荷が該電
池を利用する場合に、低減された電力損失を提供する、
第３のマイクロ電子スイッチと を備える、電池管理保護回路。 - 【請求項２】 前記第１のマイクロ電子スイッチとイン
ライン接続された非線形デバイスであって、前記電池の
電圧電位が前記高い方の閾値より高い場合、逆バイアス
モードで動作する非線形デバイスをさらに備える、請求
項１に記載の電池管理保護回路。 - 【請求項３】 前記第１のマイクロ電子スイッチに接続
されたアノードと、充電器を受けるように構成された接
続を有するカソードとを有するｐｎ接合をさらに備え
る、請求項１に記載の電池管理保護回路。 - 【請求項４】 前記電池を受けるように構成された接続
を有するアノードと、前記第１のマイクロ電子スイッチ
に接続されたカソードとを有するｐｎ接合をさらに備え
る、請求項１に記載の電池管理保護回路。 - 【請求項５】 前記第２のマイクロ電子スイッチとイン
ライン接続された非線形デバイスであって、前記電池の
電圧電位が前記低い方の閾値より低い場合、逆バイアス
モードで動作する非線形デバイスをさらに備える、請求
項１に記載の電池管理保護回路。 - 【請求項６】 前記第２のマイクロ電子スイッチに接続
されたカソードと、充電器を受けるように構成された接
続を有するアノードとを有するｐｎ接合をさらに備え
る、請求項１に記載の電池管理保護回路。 - 【請求項７】 前記電池を受けるように構成された接続
を有するカソードと、前記第２のマイクロ電子スイッチ
に接続されたアノードとを有するｐｎ接合をさらに備え
る、請求項１に記載の電池管理保護回路。 - 【請求項８】 前記第３のマイクロ電子スイッチが電界
効果トランジスタである、請求項１に記載の電池管理保
護回路。 - 【請求項９】 前記第３のマイクロ電子スイッチがｐ−
チャネルエンハンスメント電界効果トランジスタであ
る、請求項１に記載の電池管理保護回路。 - 【請求項１０】 前記第３のマイクロ電子スイッチによ
って提供される前記低減された抵抗パスは、約５０ミリ
オームより小さい全パス抵抗を有する、請求項１に記載
の電池管理保護回路。 - 【請求項１１】 前記基板がｐ−マイナス基板である、
請求項１に記載の電池管理保護回路。 - 【請求項１２】 前記第３のマイクロ電子スイッチがｐ
−チャネルエンハンスメントＦＥＴである、請求項１に
記載の電池管理保護回路。 - 【請求項１３】 前記第３のマイクロ電子スイッチが占
める、前記実質的により大きな面積は、約７５０，００
０ミクロン×０．６ミクロンである、請求項１に記載の
電池管理保護回路。 - 【請求項１４】 前記第１のマイクロ電子スイッチ、前
記第２のマイクロ電子スイッチ、および前記第３のマイ
クロ電子スイッチがｐ−チャネルエンハンスメントＦＥ
Ｔである、請求項１に記載の電池管理保護回路。 - 【請求項１５】 高い方の閾値および低い方の閾値を有
する動作範囲に基づいて電池の電圧電位を調整し、該電
池を充電する場合、および負荷が該電池を利用する場
合、電力損失を低減させる、方法であって、 基板を形成する工程と、 該基板上に第１のマイクロ電子スイッチを形成する工程
と、 該電池の電圧電位が該高い方の閾値より高い場合、該電
池の充電を制限するように該第１のマイクロ電子スイッ
チを構成する工程と、 該基板上に第２のマイクロ電子スイッチを形成する工程
と、 該第２のマイクロ電子スイッチを該第１のマイクロ電子
スイッチと並列に接続する工程と、 該電池の電圧電位が該低い方の閾値より低い場合、該電
池の放電を制限するように該第２のマイクロ電子スイッ
チを構成する工程と、 該基板上に第３のマイクロ電子スイッチを形成する工程
と、 該第１のマイクロ電子スイッチおよび該第２のマイクロ
電子スイッチの各々に関連付けられた抵抗パスに対し
て、該第３のマイクロ電子スイッチによって実質的に低
減された抵抗パスが提供されるように、該第１のマイク
ロ電子スイッチおよび該第２のマイクロ電子スイッチの
各々と比較して、該第３のマイクロ電子スイッチが実質
的により大きい該基板上の面積を占めるようにする工程
と、 該低減された抵抗パスが、該電池が充電する間、かつ、
該動作範囲内において該負荷が該電池を利用する場合
に、低減された電力損失を提供するように、該第３のマ
イクロ電子スイッチを該第１のマイクロ電子スイッチお
よび該第２のマイクロ電子スイッチと並列に接続する工
程と を包含する、方法。 - 【請求項１６】 非線形デバイスを前記第１のマイクロ
電子スイッチとインライン接続し、前記電池の電圧電位
が前記高い方の閾値より高い場合、逆バイアスモードで
動作するように該非線形デバイスを構成する工程をさら
に包含する、請求項１５に記載の方法。 - 【請求項１７】 ｐｎ接合のアノードを前記第１のマイ
クロ電子スイッチに接続し、該ｐｎ接合のカソードを充
電器を受けるように構成する工程をさらに包含する、請
求項１５に記載の方法。 - 【請求項１８】 ｐｎ接合のアノードを電池に接続し、
該ｐｎ接合のカソードを前記第１のマイクロ電子スイッ
チに接続する工程をさらに包含する、請求項１５に記載
の方法。 - 【請求項１９】 非線形デバイスを前記第２のマイクロ
電子スイッチとインライン接続し、前記電池の電圧電位
が前記低い方の閾値より低い場合、該非線形デバイスを
逆バイアスモードで動作させる工程をさらに包含する、
請求項１５に記載の方法。 - 【請求項２０】 ｐｎ接合のカソードを前記第２のマイ
クロ電子スイッチに、該ｐｎ接合のアノードを充電器に
接続する工程をさらに包含する、請求項１５に記載の方
法。 - 【請求項２１】 ｐｎ接合のカソードを電池に、該ｐｎ
接合のアノードを前記第２のマイクロ電子スイッチに接
続する工程をさらに包含する、請求項１５に記載の方
法。 - 【請求項２２】 前記第１のマイクロ電子スイッチが電
界効果トランジスタである、請求項１５に記載の方法。 - 【請求項２３】 前記第３のマイクロ電子スイッチによ
って提供される前記低減された抵抗パスは、約５０ミリ
オームより小さい全パス抵抗を有する、請求項１５に記
載の方法。 - 【請求項２４】 前記基板を形成する工程がｐ−マイナ
ス基板を形成する、請求項１５に記載の方法。 - 【請求項２５】 前記基板上に前記第３のマイクロ電子
スイッチを形成する工程がｐ−チャネルエンハンスメン
トＦＥＴを形成する、請求項１５に記載の方法。 - 【請求項２６】 前記第１のマイクロ電子スイッチおよ
び前記第２のマイクロ電子スイッチの各々と比較して、
前記第３のマイクロ電子スイッチが実質的により大きい
前記基板上の面積を占めるようにする工程は、約７５
０，０００ミクロン×０．６ミクロンの面積を占める、
請求項１５に記載の方法。 - 【請求項２７】 前記第１のマイクロ電子スイッチ、前
記第２のマイクロ電子スイッチ、および前記第３のマイ
クロ電子スイッチがｐ−チャネルエンハンスメントＦＥ
Ｔである、請求項１５に記載の方法。 - 【請求項２８】 電池の過充電および充電不足に対し
て、該電池の電圧電位を動作範囲内に維持することによ
って保護し、該電池が充電する場合、および負荷が電池
を利用する場合、電力損失を低減させる、電池マネージ
ャであって、 該電池の電圧電位を測定するコントローラであって、該
電圧電位を示す制御信号を発生するコントローラと、 該コントローラから該制御信号を受信し、該電池への電
流フローおよび該電池からの電流フローを調整する保護
回路と を備える電池マネージャであって、該保護回路は、 基板と、 該基板上に一体的に形成される第１のマイクロ電子スイ
ッチであって、該電池の電圧電位が該動作範囲より高い
場合、該電池の充電を制限するように構成された第１の
マイクロ電子スイッチと、 該基板上に一体的に形成され、該第１のマイクロ電子ス
イッチと並列に接続された第２のマイクロ電子スイッチ
であって、該電池の電圧電位が該動作範囲より低い場
合、該電池の放電を制限するように構成された第２のマ
イクロ電子スイッチと、 該基板上に一体的に形成され、該第１のマイクロ電子ス
イッチおよび該第２のマイクロ電子スイッチと並列に接
続された第３のマイクロ電子スイッチであって、該第１
および第２のマイクロ電子スイッチに関連付けられた抵
抗パスに対して、該第３のマイクロ電子スイッチによっ
て実質的に低減された抵抗パスが提供されるように、該
第１のマイクロ電子スイッチおよび該第２のマイクロ電
子スイッチの各々と比較して、実質的により大きい該基
板上の面積を占め、該低減された抵抗パスは、該電池が
充電する間、かつ、該動作範囲内において該負荷が該電
池を利用する場合に、低減された電力損失を提供する、
第３のマイクロ電子スイッチと を含む、電池マネージャ。 - 【請求項２９】 前記第３のマイクロ電子スイッチによ
って提供される前記低減された抵抗パスは、約５０ミリ
オームより小さい全パス抵抗を有する、請求項２８に記
載の電池マネージャ。 - 【請求項３０】 前記基板がｐ−マイナス基板である、
請求項２８に記載の電池マネージャ。 - 【請求項３１】 前記第３のマイクロ電子スイッチがｐ
−チャネルエンハンスメントＦＥＴである、請求項２８
に記載の電池マネージャ。 - 【請求項３２】 前記第３のマイクロ電子スイッチが占
める、前記実質的により大きな面積は、約７５０，００
０ミクロン×０．６ミクロンである、請求項２８に記載
の電池マネージャ。 - 【請求項３３】 前記第１のマイクロ電子スイッチ、前
記第２のマイクロ電子スイッチ、および前記第３のマイ
クロ電子スイッチがｐ−チャネルエンハンスメントＦＥ
Ｔである、請求項２８に記載の電池マネージャ。 - 【請求項３４】 前記負荷が携帯電話である、請求項２
８に記載の電池マネージャ。
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|---|---|---|---|
| US09/045,276 US5949218A (en) | 1998-03-20 | 1998-03-20 | Methods and apparatus for managing the charging and discharging of a lithium battery |
| US09/045,276 | 1998-03-20 | ||
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|---|---|---|---|
| JP2000538414A Expired - Fee Related JP3361322B2 (ja) | 1998-03-20 | 1999-03-12 | 集積リチウム電池保護回路 |
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