JP3848239B2 - 電池充電方法、電池充電回路、及び電池を有する携帯電子機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム電池などの再充電可能な二次電池を、充電する方法、充電回路、及びその電池や充電回路を備えた携帯電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機、ＰＨＳ（Personal Handy Phone）端末、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、パソコンなどの携帯電子機器には、放電特性が優れており、再充電可能なリチウム電池などの二次電池がよく用いられている。
【０００３】
従来から、二次電池としてリチウム電池を用いる携帯電子機器において、充電初期においては定電流制御による充電を行い、その後期においては定電圧制御による充電を行うことが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この従来の携帯電子機器では、ＡＣアダプタからの直流電圧が供給され、定電流制御する定電流制御回路と定電圧制御する定電圧制御回路とを備えている。充電の初期の状態では、まず定電流制御回路の定電流制御トランジスタを制御して定電流で電池を充電する。この定電流充電により電池電圧が所定値まで上昇すると、定電流制御から定電圧制御回路による定電圧制御に切り替えて、定電圧制御トランジスタを制御して一定の電圧で電池を充電し、定格電圧まで充電がなされると充電制御を終了する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１０６９２６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の充電制御の方法では、定電流制御での定電流値を電池の初期充電電流の特性に合わせて低く抑えると充電に長時間を必要とする。また、定電流充電から定電圧充電への切換を速く行うと充電時間は短くすることはできるが、その切り替えの時点から電池の充電電圧との差により、その時点で許容される値より大きな電流が流れてしまう。
【０００７】
また、定電流、定電圧制御トランジスタは、シリーズレギュレータとして機能するから、アダプタからの直流電圧と電池電圧との差電圧と充電電流の積による大きな熱損失が発生してしまう。この熱損失に耐えるために、制御トランジスタをより大きな許容損失のものを使用しなければならない。
【０００８】
そこで、本発明は、アダプタを電流制限機能付き定電圧直流電源とし、電流制限値を変更可能な定電圧回路を用いて電池を充電し、電流制限値の変更を適時に行うことにより、電池の充電時間を短縮するとともに、定電圧回路の制御トランジスタで消費される電力を確実に低減し、その制御トランジスタに要求される許容損失を小さくすることができる、電池充電方法、電池充電回路、及びその電池や充電回路を備えた携帯電子機器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の電池充電方法は、電源制限電流値Ｉｌｉｍで電流制限し、第１電圧Ｖ１で定電圧制御する直流電源から、差動比較回路を有しており電流制限値が変更可能であり前記電源制限電流値Ｉｌｉｍより大きな第１電流値Ｉｃｌ３で電流制限し、前記第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２で定電圧制御する定電圧制御部を介して、前記電源制限電流値Ｉｌｉｍの充電電流で電池を充電し、
前記電池の充電電圧Ｖｂａｔを前記第２電圧Ｖ２に対応する参照電圧Ｖｒｅｆ１と前記差動比較回路で差動比較し、
前記充電電圧Ｖｂａｔが、前記参照電圧Ｖｒｅｆ１より低い状態から上昇し、前記差動比較回路が線形動作を行う状態になったときに、前記差動比較回路から定電圧制御信号Ｓｃｖとは別の差動比較出力Ｓｍｏｄを発生し、
前記差動比較出力Ｓｍｏｄにより、前記電流制限値を前記第１電流値Ｉｃｌ３から、前記電源制限電流値Ｉｌｉｍより小さい第２電流値Ｉｃｌ４に変更する、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の電池充電方法は、請求項１記載の電池充電方法において、前記差動比較出力Ｓｍｏｄは、前記差動比較回路に用いる電流源４１の電流値Ｉ０に関連した電流値と前記差動比較による一方の電流Ｉ１との比較により出力されることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の電池充電回路は、電源制限電流値Ｉｌｉｍで電流制限し、第１電圧Ｖ１で定電圧制御する直流電源から電力を供給される電池充電回路であって、
電池への充電経路に設けられ、定電圧制御信号Ｓｃｖにより制御される制御トランジスタ２２と、前記電池の充電電圧Ｖｂａｔに比例する電圧と参照電圧Ｖｒｅｆ１とを電流源４１を用いた差動比較回路により差動比較し、前記充電電圧Ｖｂａｔが前記第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２になるように前記定電圧制御信号Ｓｃｖを出力するとともに、差動比較の一方の電流Ｉ１に基づいて差動比較出力Ｓｍｏｄを発生する定電圧制御回路４０と、前記電池の充電電流と、電流制限値が設定変更可能であり、前記電源制限電流値Ｉｌｉｍよりも大きな第１電流値Ｉｃｌ３に設定されている電流制限値とを比較し、前記充電電流が前記電流制限値を越えるときに、前記定電圧制御信号Ｓｃｖを抑圧する電流制限信号発生回路５０とを備え、前記定電圧制御回路４０から差動比較信号Ｓｍｏｄが発生されると、前記電流制限値を前記第１電流値Ｉｃｌ３から、前記電源制限電流値Ｉｌｉｍよりも小さい第２電流値Ｉｃｌ４に設定変更することを特徴とする。
【００１２】
請求項４の電池充電回路は、請求項３の電池充電回路において、前記定電圧制御回路４０は、前記電流源４１の電流に比例した信号と、前記差動比較による電流Ｉ１に比例した信号とを比較して、前記差動差動比較出力Ｓｍｏｄを発生することを特徴とする。
【００１３】
請求項５の電池充電回路は、請求項４の電池充電回路において、前記電流源４１の電流に比例した信号あるいは前記差動比較による電流Ｉ２に比例した信号のいずれか少なくとも一方にオフセットを持たせたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６の携帯電子機器は、充電できる電池と、請求項３〜５のいずれかに記載された電池充電回路を備えていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の電池充電方法、電池充電回路、及び電池を有する携帯電子機器の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係る電池及び電池充電回路を備えた携帯電子機器２０及びＡＣアダプタ１０からなる全体構成図であり、図２は、本発明の定電圧制御回路４０及び電流制限信号発生回路５０の具体回路を示す図である。図３は、電池の充電状態を、充電時間に対する入力電圧、電池電圧（即ち、充電電圧）、充電電流について示す図である。図４は、電池の充電状態の変化を、アダプタ制限電流値Ｉｌｉｍで電流制限し、第１電圧Ｖ１で定電圧制御する直流電源（即ち、ＡＣアダプタ）の特性と、変更可能な電流制限値で電流制限し、第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２で定電圧制御する定電圧制御部の特性とを用いて説明する図である。また、図５は、各状態時における制御トランジスタの損失を模式的に示す図である。
【００１７】
図１において、ＡＣアダプタ１０は、商用交流電源１１からの交流電力を変換して所定のアダプタ出力直流電圧Ｖａｄを第１電圧Ｖ１（例えば、５．５ｖ）として出力するものであり、その出力電流にアダプタ制限電流値Ｉｌｉｍ（例えば、６００ｍＡ）で電流制限を掛けるようになっている。
【００１８】
携帯電話機などの携帯電子機器２０は、ＡＣアダプタ１０からの直流電圧Ｖａｄが供給される。この直流電圧Ｖａｄが、リチウム電池２１に、制御トランジスタであるＰＭＯＳトランジスタ２２を介して供給される。直列に挿入されているダイオード２７は、逆流防止用に設けられるものであり、その順方向降下電圧が小さいショットキバリア・ダイオードが好適である。また、直列に挿入されている抵抗２６は、充電電流検出用の低抵抗である。電池２１の端子電圧が充電電圧Ｖｂａｔとして、電流検出抵抗２６の電圧降下分が降下電圧ΔＶとして、充電制御ＩＣチップ３０に供給される。また、抵抗２３、２４及びＮＰＮトランジスタ２５は定電圧制御信号Ｓｃｖを受けて制御トランジスタ２２の導通度を制御するためのものである。
【００１９】
充電制御ＩＣチップ３０には、定電圧制御回路４０と電流制限信号発生回路５０と制限電流値指令回路６０とが含まれている。定電圧制御回路４０は、電池電圧Ｖｂａｔを内部の第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と差動比較し、電池電圧Ｖｂａｔを所定の第２電圧Ｖ２（例えば、４．２ｖ）に充電するように定電圧制御信号Ｓｃｖを発生する。また、電池電圧Ｖｂａｔが低い電圧から徐々に上昇し、第２電圧Ｖ２より若干低い第３電圧（例えば、約４．０ｖ）になったときに差動比較出力Ｓｍｏｄを発生し、制限電流値指令回路６０に供給する。
【００２０】
制限電流値指令回路６０は、ロジック回路により構成されており、差動比較出力Ｓｍｏｄの他に、電池電圧Ｖｂａｔが入力され、それらの入力に応じて、第１予備充電電流値Ｉｃｌ１（例えば、５０ｍＡ）、第２予備充電電流値Ｉｃｌ２（例えば、１５０ｍＡ）、第１電流値Ｉｃｌ３（例えば、７００ｍＡ）、第２電流値Ｉｃｌ４（例えば、３００ｍＡ）などのための第１〜第４制限電流指令値ＣＬ１〜ＣＬ４を発生し、電流制限信号発生回路５０に供給する。なお、第１電流値Ｉｃｌ３は、アダプタ制限電流値Ｉｌｉｍより大きければ良く、極端に言えば無限大でも良い。
【００２１】
電流制限信号発生回路５０は、降下電圧ΔＶとその時点での制限電流指令値ＣＬ１〜ＣＬ４とを比較し、降下電圧ΔＶが制限電流指令値ＣＬ１〜ＣＬ４に達した時には、電流制限信号Ｓｌｉｍを発生し、定電圧制御回路４０に供給して定電圧制御信号Ｓｃｖを抑圧する。これにより、充電電流Ｉｃｈｇを、制限電流指令値ＣＬ１〜ＣＬ４に応じた値に制限する。
【００２２】
なお、これら定電圧制御回路４０，電流制限信号発生回路５０，及び電流制限値指令回路６０は、直流電圧Ｖａｄを動作電源としている。ショットキバリア・ダイオード２７は、アダプタ６０が携帯電子機器２０から外された時に、各回路に電源が供給されることを阻止するものである。
【００２３】
図２において、定電圧制御回路４０は、定電流値Ｉ０の第１定電流源４１と、ベースに第１基準電圧Ｖｒｅｆ１（例えば、１．２ｖ）が印加されるＰＮＰトランジスタである第１差動トランジスタ４２とベースに電池電圧Ｖｂａｔを分圧した検出電圧が印加されるＰＮＰトランジスタである第２差動トランジスタ４３のトランジスタ差動対とで差動比較回路が形成されている。このトランジスタ差動対の第２差動トランジスタ４３のベースには、電池２１の電池電圧Ｖｂａｔがある所定の第２電圧Ｖ２（例えば、４．２ｖ）の時に第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と等しい検出電圧が印加される。分圧抵抗４４，４５の抵抗値がそのように設定されている。
【００２４】
第２差動トランジスタ４３の出力が定電圧制御信号Ｓｃｖとなる。一方、第１差動トランジスタ４２の出力は、カレントミラー回路の入力側である、コレクタとベースが接続されたＮＰＮトランジスタ４６に供給される。また、定電流値Ｉ０／２の定電流源４７と、カレントミラー回路の出力側であり、ベースがＮＰＮトランジスタ４６のベースに接続されたＮＰＮトランジスタ４８とが直列に接続されており、その接続点から差動比較出力Ｓｍｏｄが出力される。
【００２５】
この定電圧制御回路４０においては、トランジスタ差動対は、両差動トランジスタ４２，４３のベース電圧が等しいとき（Ｖｂａｔ＝Ｖ２）には、それぞれの電流Ｉ１、Ｉ２は等しくなる（Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ０／２）。しかし、電池電圧Ｖｂａｔが低く、第２差動トランジスタ４３のベース電圧が第１差動トランジスタ４２のベース電圧より低いときには、第２差動トランジスタ４３は完全導通し、その電流Ｉ２は大きい（Ｉ２＝ＩＯ）。このとき、第１差動トランジスタ４２及びカレントミラー回路の入出力側トランジスタ４６，４８は完全不導通（Ｉ１＝０）であり、差動比較出力Ｓｍｏｄは高（Ｈ）レベルにある。
【００２６】
電池電圧Ｖｂａｔが徐々に高くなって、第２電圧Ｖ２に近い第３電圧Ｖ３（例えば、４．０ｖ）程度になってくると、トランジスタ差動対の両トランジスタ４２，４３は線形動作領域に入る。ここで、線形動作は、第１，第２差動トランジスタ４２、４３の一方が完全導通、他方が不導通の状態から脱し、電流源４１の電流Ｉ０が両差動トランジスタ４２、４３に分流する動作状態を言う。
【００２７】
この線形動作領域に入ることにより、電流源４１の定電流Ｉ０はその動作状態に応じて両トランジスタ４２，４３に電流Ｉ１，Ｉ２で配分される。第１差動トランジスタ４２の電流Ｉ１が流れはじめて、ミラー回路の出力側トランジスタ４８が導通されると、差動比較出力Ｓｍｏｄは低（Ｌ）レベルになる。
【００２８】
また、カレントミラー回路の入・出力側トランジスタ４６，４８のサイズなどに所定の比率（１：ｎ）を設けることにより、動作値にオフセットを与えることができる。なお、このオフセットは、第２定電流源４７の電流値を異ならせることによっても与えることができる。
【００２９】
このトランジスタ差動対の両トランジスタ４２，４３が線形動作領域に入る第３電圧Ｖ３は、ＡＣアダプタ１０での電流制限動作状態から定電圧制御回路４０での定電圧動作状態に移る時点あるいはその直前の時点での電池電圧Ｖｂａｔに対応するように設定されている。
【００３０】
図２において、電流制限信号発生回路５０では、演算増幅器５１の非反転入力端子（＋）に降下電圧ΔＶの下側電位が入力され、降下電圧ΔＶの上側電位が抵抗５２、ＰＮＰトランジスタ５３及び抵抗５４を通してグランドに接続される。そして、抵抗５２とＰＮＰトランジスタ５３との接続点の電位が演算増幅器５１の反転入力端子（−）に入力される。これにより、抵抗５４に、降下電圧ΔＶに比例した所定の電圧ｋ・ΔＶ（ｋは係数）が得られる。抵抗５２と抵抗５４の抵抗値を等しくすれば、係数ｋは１である。
【００３１】
一方、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２とグランド間に、制限電流値指令回路６０からの第１〜第４電流値指令ＣＬ１〜ＣＬ４により抵抗値がその指令値ＣＬ１〜ＣＬ４にしたがって変更される可変抵抗５５と、抵抗５６とが直列に接続される。これにより、抵抗５６に指令値ＣＬ１〜ＣＬ４に応じた電圧が得られる。
【００３２】
比較器５７で、抵抗５４の電圧（即ち、降下電圧ΔＶ）と抵抗５６の電圧（即ち、指令値ＣＬ１〜ＣＬ４）とが比較され、降下電圧ΔＶがそのときの指令値を越えると、その出力がＨレベルに反転する。この比較器５７の出力がゲートに印加されるＮＭＯＳトランジスタ５８が、第２差動トランジスタ４３のコレクタとグランド間に接続されている。これにより、比較器５７の出力が出力がＨレベルになると、定電圧制御信号Ｓｃｖが抑圧されて、電流制限が行われる。
【００３３】
以上のように構成される本発明の充電動作を、図３〜図５も参照して説明する。本発明では、電池の充電動作が、アダプタ制限電流値Ｉｌｉｍ（６００ｍＡ）で電流制限し、第１電圧Ｖ１（５．５ｖ）で定電圧制御するＡＣアダプタ１０と、第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２（４．２ｖ）で定電圧制御し、種々な電流値で電流制限する、携帯電子機器内部の定電圧制御部との、両方の特性にしたがって、行われる。
【００３４】
電池の充電に際し、電池電圧Ｖｂａｔが低い値である場合には、制限電流値指令回路６０は電池電圧Ｖｂａｔが第５電圧（＝２．５ｖ）以下であることにより、第１指令値ＣＬ１（＝５０ｍＡ）を出力している。この第１予備充電期間▲１▼では、充電電流Ｉｃｈｇによる降下電圧ΔＶが指令値ＣＬ１と比較され、その比較結果の電流制限信号Ｓｌｉｍが定電圧制御回路４０に供給されて定電圧制御信号Ｓｃｖを抑圧する。これにより、定電圧制御回路４０は、充電電流Ｉｃｈｇが第１予備充電電流値Ｉｃｌ１に制限されるように、制御トランジスタ２２を制御する。第１予備充電期間▲１▼では、第１予備充電電流値Ｉｃｌ１が流れて、電池電圧Ｖｂａｔが第５電圧Ｖ５（＝２．５ｖ）に向けて徐々に上昇していく。
【００３５】
この充電期間▲１▼の間は、ＡＣアダプタ１０には電流制限は掛からないので携帯電子機器２０には第１電圧Ｖ１が供給されている。第１電圧Ｖ１と電池電圧Ｖｂａｔとの差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）は、制御トランジスタ２２、ショットキバリア・ダイオード２７、電流検出抵抗２６に分散して印加されている。ショットキバリア・ダイオード２７、電流検出抵抗２６の印加電圧は小さいので簡単化するために無視すると、制御トランジスタ２２で消費される電力は、差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）と第１予備充電電流値Ｉｃｌ１の積となり、最も大きいときでも、図５（ａ）のようにショットキバリア・ダイオード２７５ｍＷとなる。
【００３６】
電池電圧Ｖｂａｔが第５電圧Ｖ５に達すると、制限電流値指令回路６０は第２指令値ＣＬ２（＝１５０ｍＡ）を出力する。この第２予備充電期間▲２▼では、定電圧制御回路４０は、充電電流Ｉｃｈｇが第２予備充電電流値Ｉｃｌ２に制限されるように、制御トランジスタ２２を制御する。電池２１には、第２予備充電電流値Ｉｃｌ２が流れて、電池電圧Ｖｂａｔが第４電圧Ｖ４（＝３．３ｖ）に向けて徐々に上昇していく。
【００３７】
この充電期間▲２▼の間は、ＡＣアダプタ１０にはやはり電流制限は掛からないので携帯電子機器２０には第１電圧Ｖ１が供給されている。充電期間▲１▼と同様に計算すると、制御トランジスタ２２で消費される電力は、差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）と第２予備充電電流値Ｉｃｌ２の積となり、最も大きいときで、図５（ｂ）のように４５０ｍＷとなる。
【００３８】
電池電圧Ｖｂａｔが第４電圧Ｖ４に達すると、電池２１の予備充電期間▲１▼▲２▼は終了し、引き続いてより大きな電流値で充電を行う、第１定電流充電期間▲３▼に入る。この第１定電流充電期間▲３▼への移行は、電池電圧Ｖｂａｔが第４電圧Ｖ４に達したことを制限電流値指令回路６０が検出し、第３指令値ＣＬ３（＝７００ｍＡ）を出力することにより行われる。
【００３９】
なお、電池の充電開始時に、電池電圧Ｖｂａｔがそれほど低下してなくて、第５電圧Ｖ５以上、あるいは第４電圧Ｖ４以上である場合には、当然ながら、第１予備充電、あるいは第１，第２予備充電は行われない。
【００４０】
第１定電流充電期間▲３▼では、第３指令値ＣＬ３はＡＣアダプタ１０の電流制限値であるアダプタ制限電流値Ｉｌｉｍよりも大きく設定されていること、及び電池電圧Ｖｂａｔは定電圧制御回路４０が定電圧動作する第２電圧Ｖ２に達していないことから、ＡＣアダプタ１０でアダプタ制限電流値Ｉｌｉｍでの電流制限動作が機能する。また、制御トランジスタ２２は、完全導通の状態にある。
【００４１】
ＡＣアダプタ１０で電流制限動作が行われることにより、その直流電圧Ｖａｄは、電池電圧Ｖｂａｔに、制御トランジスタ２２のオン抵抗による電圧降下分、ショットキバリア・ダイオード２７の電圧降下分、電流検出抵抗２６の電圧降下分を合計した電圧αを加算した電圧になる。したがって、直流電圧Ｖａｄは、アダプタ制限電流値Ｉｌｉｍでの充電による電池電圧Ｖｂａｔの上昇とともに上昇していく。
【００４２】
第１定電流充電期間▲３▼では、電圧αを０．２ｖとし、例えこれが全て制御トランジスタ２２に印加されたと仮定しても、制御トランジスタ２２で消費される電力は、電圧αとアダプタ制限電流値Ｉｌｉｍの積となり、図５（ｃ）のように１２０ｍＷに過ぎない。
【００４３】
さて、第１定電流充電期間▲３▼で充電が進行し、電池電圧Ｖｂａｔが第２電圧Ｖ２より少し低い第３電圧Ｖ３（約、４．０ｖ）に近づいてくると、差動対の第１、第２差動トランジスタ４２，４３が線形動作領域に入ってくる。線形動作領域に入る以前の電池電圧Ｖｂａｔが低い間は、第１差動トランジスタ４２は遮断状態にあり、逆に第２差動トランジスタ４３が完全導通状態にあり、電流源４１の定電流Ｉ０は全て第２差動トランジスタ４３に流れている（Ｉ２＝Ｉ０）。
【００４４】
第１、第２差動トランジスタ４２，４３が線形動作領域に入ってくると、電流源４１の定電流Ｉ０は、両差動トランジスタそれぞれのベース電位に応じて、両差動トランジスタ４２，４３に電流Ｉ１，Ｉ２として配分される。第１差動トランジスタ４２の電流Ｉ１は、カレントミラー回路の入力側トランジスタ４６に流れ、そのカレントミラー比（ｎ：１）に応じた電流をその出力側トランジスタ４８に流すように動作する。
【００４５】
出力側トランジスタ４８に流れる電流が、零の間は、定電流源４７との接続点の電位、即ち差動比較出力Ｓｍｏｄは常にＨレベルにある。出力側トランジスタ４８に電流が流れると、差動比較出力ＳｍｏｄはＬレベルに反転する。
【００４６】
制限電流値指令回路６０は、差動比較出力ＳｍｏｄがＬレベルになったことを検知して、指令値を第３指令値ＣＬ３（７００ｍＡ）から、第４指令値ＣＬ４（３００ｍＡ）に変更する。この指令値ＣＬ４への変更により、電流制限信号発生回路５０から電流制限信号Ｓｌｉｍが定電圧制御回路４０に与えられて、制御トランジスタ２２にて、第２電流値Ｉｃｌ４（３００ｍＡ）で電流制限動作が行われる。これにより、第２定電流充電期間▲４▼が開始される。このとき、ＡＣアダプタ１０は、電流制限動作が解除され、その直流電圧Ｖａｄは再び第１電圧Ｖ１に復帰する。
【００４７】
本発明では、第１定電流充電期間▲３▼から、第２定電流充電期間▲４▼への切替時点の検出を、定電圧制御を行うための差動比較回路の動作状態の変化に基づいて行う。したがって、定電圧制御回路４０での定電圧制御が行われる時点あるいはその直前の時点を正確に検出できる。
【００４８】
この充電期間▲４▼の間は、ＡＣアダプタ１０には電流制限は掛からないので携帯電子機器２０には第１電圧Ｖ１が供給されている。充電期間▲１▼▲２▼と同様に計算すると、制御トランジスタ２２で消費される電力は、差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）と第２電流値Ｉｃｌ４の積となり、最も大きいときで、図５（ｄ）のように４５０ｍＷとなる。これは充電期間▲２▼の時の消費電力と同じである。
【００４９】
なお、充電期間▲４▼で第２定電流充電を行っているときに、さらに充電が進行して、充電電流Ｉｃｈｇが第２電流値Ｉｃｌ４より少なくなったときには、自動的に定電圧充電制御が行われるようになる。
【００５０】
ところで、電池２１自体の充電制御としては、第１予備充電、第２予備充電及び第１定電流充電が順次行われていることで、本発明のように、充電電流Ｉｃｈｇを小さくした第２定電流充電期間▲４▼を設ける必要性はない。
【００５１】
しかし、この第２定電流充電を行わない場合（期間▲４▼′とする）を考えると、第１定電流充電期間▲３▼が終了し、定電圧制御回路４０による定電圧制御に移行したときに、充電電流Ｉｃｈｇはそれまでの値とほぼ同じ電流（約６００ｍＡ）が流れるとともに、ＡＣアダプタ１０の直流電圧Ｖａｄは電流制限が掛からないから第１電圧Ｖ１となる（図３の破線で表示した特性を参照）。したがって、期間▲４▼′では、制御トランジスタ２２には、図５（ｅ）のように、第１電圧Ｖ１と電池電圧Ｖｂａｔとの差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）と電流（約６００ｍＡ）との積の消費電力（約９００ｍＷ）が損失として発生してしまう。
【００５２】
この期間▲４▼′での損失は他の期間▲１▼▲２▼の損失に比して大きいものであり、制御トランジスタ２２を破壊してしまう恐れもある。この破壊を避けるために、制御トランジスタ２２としてより大きな許容損失のものを使用しなければならない。本発明では、このような問題が解決されており、特に例示したような大きい充電電流を用いる高容量バッテリの充電において、特に効果が大きい。
【００５３】
また、第３充電期間▲３▼から第４充電期間▲４▼への切換は、ＡＣアダプタ１０での定電流充電が終了し、定電圧制御回路４０での定電圧制御に移行する時点あるいはその直前に行われることが、充電時間の短縮と制御トランジスタ２２の破壊防止の点から要求される。
【００５４】
単に、電池電圧Ｖｂａｔや充電電流Ｉｃｈｇを検出してこの切り替え点を正確に検出することは困難である。本発明では、定電圧制御を行うための電流差動回路の動作状態の変化状況を利用することにより、定電流充電から定電圧制御への移行時点あるいはその直前の時点を、正確にかつ少しの付加回路の使用で実現することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、電流制限機能付き定電圧直流電源と、電流制限値を変更可能な定電圧回路を直列に用いて電池を充電するようにし、電池の充電状態に応じて、電流制限機能付き定電圧直流電源による電流制限値の電流で充電する期間に引き続いて、その電流制限値よりも小さくした定電圧回路の電流制限値で充電する期間を設けることにより、電池の充電時間を短縮するとともに、定電圧回路の制御トランジスタに要求される許容損失を小さくすることができる。
【００５６】
また、定電圧回路の電流制限値を定電圧直流電源の電流制限値よりも小さくするための電池の充電状態の検出を、差動比較回路の電流源の電流値とその差動比較回路の差動出力との比較により検出することにより、充電時間の短縮効果を少なくすることなく、かつ定電圧回路の制御トランジスタで消費される電力を確実に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る全体構成図。
【図２】図１中の定電圧制御回路及び電流制限信号発生回路の構成図。
【図３】電池の入力電圧、充電電圧、充電電流の時間経過を示す図。
【図４】電池の充電状態の変化を、制御特性上で示す図。
【図５】各状態時における制御トランジスタの損失を模式的に示す図。
【符号の説明】
１０ ＡＣアダプタ
１１ 交流電源
２０ 携帯電子機器
２１ リチウム電池
２２ 制御トランジスタ
２３，２４ 抵抗
２５ ＮＰＮトランジスタ
２６ 電流検出抵抗
２７ ショットキバリア・ダイオード
３０ 充電制御ＩＣチップ
４０ 定電圧制御回路
４１、４７ 定電流源
４２、４３ 差動トランジスタ
４６、４８ カレントミラー回路の入出力側トランジスタ
５０ 電流制限信号発生回路
５１ 演算増幅器
５２、５４、５６ 抵抗
５５ 可変抵抗
５７ 比較器
５８ ＮＭＯＳトランジスタ
６０ 制限電流値指令回路
Ｖａｄ アダプタ出力直流電圧
Ｉｌｉｍ アダプタ制限電流値
Ｉｃｈｇ 充電電流
Ｖｂａｔ 電池電圧
Ｓｃｖ 定電圧制御信号
Ｓｌｉｍ 電流制限信号
Ｓｍｏｄ 差動比較出力
ＣＬ１〜ＣＬ４ 第１〜第４制限電流指令値
Ｉｃｌ１、Ｉｃｌ２ 第１、第２予備充電電流値
Ｉｃｌ３、Ｉｃｌ４ 第１，第２電流値
Ｖ１〜Ｖ５ 第１〜第５電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム電池などの再充電可能な二次電池を、充電する方法、充電回路、及びその電池や充電回路を備えた携帯電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話機、ＰＨＳ（Personal Handy Phone）端末、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、パソコンなどの携帯電子機器には、放電特性が優れており、再充電可能なリチウム電池などの二次電池がよく用いられている。
【０００３】
従来から、二次電池としてリチウム電池を用いる携帯電子機器において、充電初期においては定電流制御による充電を行い、その後期においては定電圧制御による充電を行うことが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この従来の携帯電子機器では、ＡＣアダプタからの直流電圧が供給され、定電流制御する定電流制御回路と定電圧制御する定電圧制御回路とを備えている。充電の初期の状態では、まず定電流制御回路の定電流制御トランジスタを制御して定電流で電池を充電する。この定電流充電により電池電圧が所定値まで上昇すると、定電流制御から定電圧制御回路による定電圧制御に切り替えて、定電圧制御トランジスタを制御して一定の電圧で電池を充電し、定格電圧まで充電がなされると充電制御を終了する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１０６９２６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の充電制御の方法では、定電流制御での定電流値を電池の初期充電電流の特性に合わせて低く抑えると充電に長時間を必要とする。また、定電流充電から定電圧充電への切換を速く行うと充電時間は短くすることはできるが、その切り替えの時点から電池の充電電圧との差により、その時点で許容される値より大きな電流が流れてしまう。
【０００７】
また、定電流、定電圧制御トランジスタは、シリーズレギュレータとして機能するから、アダプタからの直流電圧と電池電圧との差電圧と充電電流の積による大きな熱損失が発生してしまう。この熱損失に耐えるために、制御トランジスタをより大きな許容損失のものを使用しなければならない。
【０００８】
そこで、本発明は、アダプタを電流制限機能付き定電圧直流電源とし、電流制限値を変更可能な定電圧回路を用いて電池を充電し、電流制限値の変更を適時に行うことにより、電池の充電時間を短縮するとともに、定電圧回路の制御トランジスタで消費される電力を確実に低減し、その制御トランジスタに要求される許容損失を小さくすることができる、電池充電方法、電池充電回路、及びその電池や充電回路を備えた携帯電子機器を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の電池充電方法は、電源制限電流値Ｉｌｉｍで電流制限し、第１電圧Ｖ１で定電圧制御する直流電源から、差動比較回路を有しており電流制限値が変更可能であり前記電源制限電流値Ｉｌｉｍより大きな第１電流値Ｉｃｌ３で電流制限し、前記第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２で定電圧制御する定電圧制御部を介して、前記電源制限電流値Ｉｌｉｍの充電電流で電池を充電し、
前記電池の充電電圧Ｖｂａｔを前記第２電圧Ｖ２に対応する参照電圧Ｖｒｅｆ１と前記差動比較回路で差動比較し、
前記充電電圧Ｖｂａｔが、前記参照電圧Ｖｒｅｆ１より低い状態から上昇し、前記差動比較回路が線形動作を行う状態になったときに、前記差動比較回路から定電圧制御信号Ｓｃｖとは別の差動比較出力Ｓｍｏｄを発生し、
前記差動比較出力Ｓｍｏｄにより、前記電流制限値を前記第１電流値Ｉｃｌ３から、前記電源制限電流値Ｉｌｉｍより小さい第２電流値Ｉｃｌ４に変更する、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の電池充電方法は、請求項１記載の電池充電方法において、前記差動比較出力Ｓｍｏｄは、前記差動比較回路に用いる電流源４１の電流値Ｉ０に関連した電流値と前記差動比較による一方の電流Ｉ１との比較により出力されることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の電池充電回路は、電源制限電流値Ｉｌｉｍで電流制限し、第１電圧Ｖ１で定電圧制御する直流電源から電力を供給される電池充電回路であって、
電池への充電経路に設けられ、定電圧制御信号Ｓｃｖにより制御される制御トランジスタ２２と、前記電池の充電電圧Ｖｂａｔに比例する電圧と参照電圧Ｖｒｅｆ１とを電流源４１を用いた差動比較回路により差動比較し、前記充電電圧Ｖｂａｔが前記第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２になるように前記定電圧制御信号Ｓｃｖを出力するとともに、差動比較の一方の電流Ｉ１に基づいて差動比較出力Ｓｍｏｄを発生する定電圧制御回路４０と、前記電池の充電電流と、電流制限値が設定変更可能であり、前記電源制限電流値Ｉｌｉｍよりも大きな第１電流値Ｉｃｌ３に設定されている電流制限値とを比較し、前記充電電流が前記電流制限値を越えるときに、前記定電圧制御信号Ｓｃｖを抑圧する電流制限信号発生回路５０とを備え、前記定電圧制御回路４０から差動比較信号Ｓｍｏｄが発生されると、前記電流制限値を前記第１電流値Ｉｃｌ３から、前記電源制限電流値Ｉｌｉｍよりも小さい第２電流値Ｉｃｌ４に設定変更することを特徴とする。
【００１２】
請求項４の電池充電回路は、請求項３の電池充電回路において、前記定電圧制御回路４０は、前記電流源４１の電流に比例した信号と、前記差動比較による電流Ｉ１に比例した信号とを比較して、前記差動差動比較出力Ｓｍｏｄを発生することを特徴とする。
【００１３】
請求項５の電池充電回路は、請求項４の電池充電回路において、前記電流源４１の電流に比例した信号あるいは前記差動比較による電流Ｉ２に比例した信号のいずれか少なくとも一方にオフセットを持たせたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６の携帯電子機器は、充電できる電池と、請求項３〜５のいずれかに記載された電池充電回路を備えていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の電池充電方法、電池充電回路、及び電池を有する携帯電子機器の実施の形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係る電池及び電池充電回路を備えた携帯電子機器２０及びＡＣアダプタ１０からなる全体構成図であり、図２は、本発明の定電圧制御回路４０及び電流制限信号発生回路５０の具体回路を示す図である。図３は、電池の充電状態を、充電時間に対する入力電圧、電池電圧（即ち、充電電圧）、充電電流について示す図である。図４は、電池の充電状態の変化を、アダプタ制限電流値Ｉｌｉｍで電流制限し、第１電圧Ｖ１で定電圧制御する直流電源（即ち、ＡＣアダプタ）の特性と、変更可能な電流制限値で電流制限し、第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２で定電圧制御する定電圧制御部の特性とを用いて説明する図である。また、図５は、各状態時における制御トランジスタの損失を模式的に示す図である。
【００１７】
図１において、ＡＣアダプタ１０は、商用交流電源１１からの交流電力を変換して所定のアダプタ出力直流電圧Ｖａｄを第１電圧Ｖ１（例えば、５．５ｖ）として出力するものであり、その出力電流にアダプタ制限電流値Ｉｌｉｍ（例えば、６００ｍＡ）で電流制限を掛けるようになっている。
【００１８】
携帯電話機などの携帯電子機器２０は、ＡＣアダプタ１０からの直流電圧Ｖａｄが供給される。この直流電圧Ｖａｄが、リチウム電池２１に、制御トランジスタであるＰＭＯＳトランジスタ２２を介して供給される。直列に挿入されているダイオード２７は、逆流防止用に設けられるものであり、その順方向降下電圧が小さいショットキバリア・ダイオードが好適である。また、直列に挿入されている抵抗２６は、充電電流検出用の低抵抗である。電池２１の端子電圧が充電電圧Ｖｂａｔとして、電流検出抵抗２６の電圧降下分が降下電圧ΔＶとして、充電制御ＩＣチップ３０に供給される。また、抵抗２３、２４及びＮＰＮトランジスタ２５は定電圧制御信号Ｓｃｖを受けて制御トランジスタ２２の導通度を制御するためのものである。
【００１９】
充電制御ＩＣチップ３０には、定電圧制御回路４０と電流制限信号発生回路５０と制限電流値指令回路６０とが含まれている。定電圧制御回路４０は、電池電圧Ｖｂａｔを内部の第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と差動比較し、電池電圧Ｖｂａｔを所定の第２電圧Ｖ２（例えば、４．２ｖ）に充電するように定電圧制御信号Ｓｃｖを発生する。また、電池電圧Ｖｂａｔが低い電圧から徐々に上昇し、第２電圧Ｖ２より若干低い第３電圧（例えば、約４．０ｖ）になったときに差動比較出力Ｓｍｏｄを発生し、制限電流値指令回路６０に供給する。
【００２０】
制限電流値指令回路６０は、ロジック回路により構成されており、差動比較出力Ｓｍｏｄの他に、電池電圧Ｖｂａｔが入力され、それらの入力に応じて、第１予備充電電流値Ｉｃｌ１（例えば、５０ｍＡ）、第２予備充電電流値Ｉｃｌ２（例えば、１５０ｍＡ）、第１電流値Ｉｃｌ３（例えば、７００ｍＡ）、第２電流値Ｉｃｌ４（例えば、３００ｍＡ）などのための第１〜第４制限電流指令値ＣＬ１〜ＣＬ４を発生し、電流制限信号発生回路５０に供給する。なお、第１電流値Ｉｃｌ３は、アダプタ制限電流値Ｉｌｉｍより大きければ良く、極端に言えば無限大でも良い。
【００２１】
電流制限信号発生回路５０は、降下電圧ΔＶとその時点での制限電流指令値ＣＬ１〜ＣＬ４とを比較し、降下電圧ΔＶが制限電流指令値ＣＬ１〜ＣＬ４に達した時には、電流制限信号Ｓｌｉｍを発生し、定電圧制御回路４０に供給して定電圧制御信号Ｓｃｖを抑圧する。これにより、充電電流Ｉｃｈｇを、制限電流指令値ＣＬ１〜ＣＬ４に応じた値に制限する。
【００２２】
なお、これら定電圧制御回路４０，電流制限信号発生回路５０，及び電流制限値指令回路６０は、直流電圧Ｖａｄを動作電源としている。ショットキバリア・ダイオード２７は、アダプタ６０が携帯電子機器２０から外された時に、各回路に電源が供給されることを阻止するものである。
【００２３】
図２において、定電圧制御回路４０は、定電流値Ｉ０の第１定電流源４１と、ベースに第１基準電圧Ｖｒｅｆ１（例えば、１．２ｖ）が印加されるＰＮＰトランジスタである第１差動トランジスタ４２とベースに電池電圧Ｖｂａｔを分圧した検出電圧が印加されるＰＮＰトランジスタである第２差動トランジスタ４３のトランジスタ差動対とで差動比較回路が形成されている。このトランジスタ差動対の第２差動トランジスタ４３のベースには、電池２１の電池電圧Ｖｂａｔがある所定の第２電圧Ｖ２（例えば、４．２ｖ）の時に第１基準電圧Ｖｒｅｆ１と等しい検出電圧が印加される。分圧抵抗４４，４５の抵抗値がそのように設定されている。
【００２４】
第２差動トランジスタ４３の出力が定電圧制御信号Ｓｃｖとなる。一方、第１差動トランジスタ４２の出力は、カレントミラー回路の入力側である、コレクタとベースが接続されたＮＰＮトランジスタ４６に供給される。また、定電流値Ｉ０／２の定電流源４７と、カレントミラー回路の出力側であり、ベースがＮＰＮトランジスタ４６のベースに接続されたＮＰＮトランジスタ４８とが直列に接続されており、その接続点から差動比較出力Ｓｍｏｄが出力される。
【００２５】
この定電圧制御回路４０においては、トランジスタ差動対は、両差動トランジスタ４２，４３のベース電圧が等しいとき（Ｖｂａｔ＝Ｖ２）には、それぞれの電流Ｉ１、Ｉ２は等しくなる（Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ０／２）。しかし、電池電圧Ｖｂａｔが低く、第２差動トランジスタ４３のベース電圧が第１差動トランジスタ４２のベース電圧より低いときには、第２差動トランジスタ４３は完全導通し、その電流Ｉ２は大きい（Ｉ２＝ＩＯ）。このとき、第１差動トランジスタ４２及びカレントミラー回路の入出力側トランジスタ４６，４８は完全不導通（Ｉ１＝０）であり、差動比較出力Ｓｍｏｄは高（Ｈ）レベルにある。
【００２６】
電池電圧Ｖｂａｔが徐々に高くなって、第２電圧Ｖ２に近い第３電圧Ｖ３（例えば、４．０ｖ）程度になってくると、トランジスタ差動対の両トランジスタ４２，４３は線形動作領域に入る。ここで、線形動作は、第１，第２差動トランジスタ４２、４３の一方が完全導通、他方が不導通の状態から脱し、電流源４１の電流Ｉ０が両差動トランジスタ４２、４３に分流する動作状態を言う。
【００２７】
この線形動作領域に入ることにより、電流源４１の定電流Ｉ０はその動作状態に応じて両トランジスタ４２，４３に電流Ｉ１，Ｉ２で配分される。第１差動トランジスタ４２の電流Ｉ１が流れはじめて、ミラー回路の出力側トランジスタ４８が導通されると、差動比較出力Ｓｍｏｄは低（Ｌ）レベルになる。
【００２８】
また、カレントミラー回路の入・出力側トランジスタ４６，４８のサイズなどに所定の比率（１：ｎ）を設けることにより、動作値にオフセットを与えることができる。なお、このオフセットは、第２定電流源４７の電流値を異ならせることによっても与えることができる。
【００２９】
このトランジスタ差動対の両トランジスタ４２，４３が線形動作領域に入る第３電圧Ｖ３は、ＡＣアダプタ１０での電流制限動作状態から定電圧制御回路４０での定電圧動作状態に移る時点あるいはその直前の時点での電池電圧Ｖｂａｔに対応するように設定されている。
【００３０】
図２において、電流制限信号発生回路５０では、演算増幅器５１の非反転入力端子（＋）に降下電圧ΔＶの下側電位が入力され、降下電圧ΔＶの上側電位が抵抗５２、ＰＮＰトランジスタ５３及び抵抗５４を通してグランドに接続される。そして、抵抗５２とＰＮＰトランジスタ５３との接続点の電位が演算増幅器５１の反転入力端子（−）に入力される。これにより、抵抗５４に、降下電圧ΔＶに比例した所定の電圧ｋ・ΔＶ（ｋは係数）が得られる。抵抗５２と抵抗５４の抵抗値を等しくすれば、係数ｋは１である。
【００３１】
一方、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２とグランド間に、制限電流値指令回路６０からの第１〜第４電流値指令ＣＬ１〜ＣＬ４により抵抗値がその指令値ＣＬ１〜ＣＬ４にしたがって変更される可変抵抗５５と、抵抗５６とが直列に接続される。これにより、抵抗５６に指令値ＣＬ１〜ＣＬ４に応じた電圧が得られる。
【００３２】
比較器５７で、抵抗５４の電圧（即ち、降下電圧ΔＶ）と抵抗５６の電圧（即ち、指令値ＣＬ１〜ＣＬ４）とが比較され、降下電圧ΔＶがそのときの指令値を越えると、その出力がＨレベルに反転する。この比較器５７の出力がゲートに印加されるＮＭＯＳトランジスタ５８が、第２差動トランジスタ４３のコレクタとグランド間に接続されている。これにより、比較器５７の出力が出力がＨレベルになると、定電圧制御信号Ｓｃｖが抑圧されて、電流制限が行われる。
【００３３】
以上のように構成される本発明の充電動作を、図３〜図５も参照して説明する。本発明では、電池の充電動作が、アダプタ制限電流値Ｉｌｉｍ（６００ｍＡ）で電流制限し、第１電圧Ｖ１（５．５ｖ）で定電圧制御するＡＣアダプタ１０と、第１電圧Ｖ１より低い第２電圧Ｖ２（４．２ｖ）で定電圧制御し、種々な電流値で電流制限する、携帯電子機器内部の定電圧制御部との、両方の特性にしたがって、行われる。
【００３４】
電池の充電に際し、電池電圧Ｖｂａｔが低い値である場合には、制限電流値指令回路６０は電池電圧Ｖｂａｔが第５電圧（＝２．５ｖ）以下であることにより、第１指令値ＣＬ１（＝５０ｍＡ）を出力している。この第１予備充電期間▲１▼では、充電電流Ｉｃｈｇによる降下電圧ΔＶが指令値ＣＬ１と比較され、その比較結果の電流制限信号Ｓｌｉｍが定電圧制御回路４０に供給されて定電圧制御信号Ｓｃｖを抑圧する。これにより、定電圧制御回路４０は、充電電流Ｉｃｈｇが第１予備充電電流値Ｉｃｌ１に制限されるように、制御トランジスタ２２を制御する。第１予備充電期間▲１▼では、第１予備充電電流値Ｉｃｌ１が流れて、電池電圧Ｖｂａｔが第５電圧Ｖ５（＝２．５ｖ）に向けて徐々に上昇していく。
【００３５】
この充電期間▲１▼の間は、ＡＣアダプタ１０には電流制限は掛からないので携帯電子機器２０には第１電圧Ｖ１が供給されている。第１電圧Ｖ１と電池電圧Ｖｂａｔとの差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）は、制御トランジスタ２２、ショットキバリア・ダイオード２７、電流検出抵抗２６に分散して印加されている。ショットキバリア・ダイオード２７、電流検出抵抗２６の印加電圧は小さいので簡単化するために無視すると、制御トランジスタ２２で消費される電力は、差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）と第１予備充電電流値Ｉｃｌ１の積となり、最も大きいときでも、図５（ａ）のようにショットキバリア・ダイオード２７５ｍＷとなる。
【００３６】
電池電圧Ｖｂａｔが第５電圧Ｖ５に達すると、制限電流値指令回路６０は第２指令値ＣＬ２（＝１５０ｍＡ）を出力する。この第２予備充電期間▲２▼では、定電圧制御回路４０は、充電電流Ｉｃｈｇが第２予備充電電流値Ｉｃｌ２に制限されるように、制御トランジスタ２２を制御する。電池２１には、第２予備充電電流値Ｉｃｌ２が流れて、電池電圧Ｖｂａｔが第４電圧Ｖ４（＝３．３ｖ）に向けて徐々に上昇していく。
【００３７】
この充電期間▲２▼の間は、ＡＣアダプタ１０にはやはり電流制限は掛からないので携帯電子機器２０には第１電圧Ｖ１が供給されている。充電期間▲１▼と同様に計算すると、制御トランジスタ２２で消費される電力は、差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）と第２予備充電電流値Ｉｃｌ２の積となり、最も大きいときで、図５（ｂ）のように４５０ｍＷとなる。
【００３８】
電池電圧Ｖｂａｔが第４電圧Ｖ４に達すると、電池２１の予備充電期間▲１▼▲２▼は終了し、引き続いてより大きな電流値で充電を行う、第１定電流充電期間▲３▼に入る。この第１定電流充電期間▲３▼への移行は、電池電圧Ｖｂａｔが第４電圧Ｖ４に達したことを制限電流値指令回路６０が検出し、第３指令値ＣＬ３（＝７００ｍＡ）を出力することにより行われる。
【００３９】
なお、電池の充電開始時に、電池電圧Ｖｂａｔがそれほど低下してなくて、第５電圧Ｖ５以上、あるいは第４電圧Ｖ４以上である場合には、当然ながら、第１予備充電、あるいは第１，第２予備充電は行われない。
【００４０】
第１定電流充電期間▲３▼では、第３指令値ＣＬ３はＡＣアダプタ１０の電流制限値であるアダプタ制限電流値Ｉｌｉｍよりも大きく設定されていること、及び電池電圧Ｖｂａｔは定電圧制御回路４０が定電圧動作する第２電圧Ｖ２に達していないことから、ＡＣアダプタ１０でアダプタ制限電流値Ｉｌｉｍでの電流制限動作が機能する。また、制御トランジスタ２２は、完全導通の状態にある。
【００４１】
ＡＣアダプタ１０で電流制限動作が行われることにより、その直流電圧Ｖａｄは、電池電圧Ｖｂａｔに、制御トランジスタ２２のオン抵抗による電圧降下分、ショットキバリア・ダイオード２７の電圧降下分、電流検出抵抗２６の電圧降下分を合計した電圧αを加算した電圧になる。したがって、直流電圧Ｖａｄは、アダプタ制限電流値Ｉｌｉｍでの充電による電池電圧Ｖｂａｔの上昇とともに上昇していく。
【００４２】
第１定電流充電期間▲３▼では、電圧αを０．２ｖとし、例えこれが全て制御トランジスタ２２に印加されたと仮定しても、制御トランジスタ２２で消費される電力は、電圧αとアダプタ制限電流値Ｉｌｉｍの積となり、図５（ｃ）のように１２０ｍＷに過ぎない。
【００４３】
さて、第１定電流充電期間▲３▼で充電が進行し、電池電圧Ｖｂａｔが第２電圧Ｖ２より少し低い第３電圧Ｖ３（約、４．０ｖ）に近づいてくると、差動対の第１、第２差動トランジスタ４２，４３が線形動作領域に入ってくる。線形動作領域に入る以前の電池電圧Ｖｂａｔが低い間は、第１差動トランジスタ４２は遮断状態にあり、逆に第２差動トランジスタ４３が完全導通状態にあり、電流源４１の定電流Ｉ０は全て第２差動トランジスタ４３に流れている（Ｉ２＝Ｉ０）。
【００４４】
第１、第２差動トランジスタ４２，４３が線形動作領域に入ってくると、電流源４１の定電流Ｉ０は、両差動トランジスタそれぞれのベース電位に応じて、両差動トランジスタ４２，４３に電流Ｉ１，Ｉ２として配分される。第１差動トランジスタ４２の電流Ｉ１は、カレントミラー回路の入力側トランジスタ４６に流れ、そのカレントミラー比（ｎ：１）に応じた電流をその出力側トランジスタ４８に流すように動作する。
【００４５】
出力側トランジスタ４８に流れる電流が、零の間は、定電流源４７との接続点の電位、即ち差動比較出力Ｓｍｏｄは常にＨレベルにある。出力側トランジスタ４８に電流が流れると、差動比較出力ＳｍｏｄはＬレベルに反転する。
【００４６】
制限電流値指令回路６０は、差動比較出力ＳｍｏｄがＬレベルになったことを検知して、指令値を第３指令値ＣＬ３（７００ｍＡ）から、第４指令値ＣＬ４（３００ｍＡ）に変更する。この指令値ＣＬ４への変更により、電流制限信号発生回路５０から電流制限信号Ｓｌｉｍが定電圧制御回路４０に与えられて、制御トランジスタ２２にて、第２電流値Ｉｃｌ４（３００ｍＡ）で電流制限動作が行われる。これにより、第２定電流充電期間▲４▼が開始される。このとき、ＡＣアダプタ１０は、電流制限動作が解除され、その直流電圧Ｖａｄは再び第１電圧Ｖ１に復帰する。
【００４７】
本発明では、第１定電流充電期間▲３▼から、第２定電流充電期間▲４▼への切替時点の検出を、定電圧制御を行うための差動比較回路の動作状態の変化に基づいて行う。したがって、定電圧制御回路４０での定電圧制御が行われる時点あるいはその直前の時点を正確に検出できる。
【００４８】
この充電期間▲４▼の間は、ＡＣアダプタ１０には電流制限は掛からないので携帯電子機器２０には第１電圧Ｖ１が供給されている。充電期間▲１▼▲２▼と同様に計算すると、制御トランジスタ２２で消費される電力は、差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）と第２電流値Ｉｃｌ４の積となり、最も大きいときで、図５（ｄ）のように４５０ｍＷとなる。これは充電期間▲２▼の時の消費電力と同じである。
【００４９】
なお、充電期間▲４▼で第２定電流充電を行っているときに、さらに充電が進行して、充電電流Ｉｃｈｇが第２電流値Ｉｃｌ４より少なくなったときには、自動的に定電圧充電制御が行われるようになる。
【００５０】
ところで、電池２１自体の充電制御としては、第１予備充電、第２予備充電及び第１定電流充電が順次行われていることで、本発明のように、充電電流Ｉｃｈｇを小さくした第２定電流充電期間▲４▼を設ける必要性はない。
【００５１】
しかし、この第２定電流充電を行わない場合（期間▲４▼′とする）を考えると、第１定電流充電期間▲３▼が終了し、定電圧制御回路４０による定電圧制御に移行したときに、充電電流Ｉｃｈｇはそれまでの値とほぼ同じ電流（約６００ｍＡ）が流れるとともに、ＡＣアダプタ１０の直流電圧Ｖａｄは電流制限が掛からないから第１電圧Ｖ１となる（図３の破線で表示した特性を参照）。したがって、期間▲４▼′では、制御トランジスタ２２には、図５（ｅ）のように、第１電圧Ｖ１と電池電圧Ｖｂａｔとの差電圧（Ｖ１−Ｖｂａｔ）と電流（約６００ｍＡ）との積の消費電力（約９００ｍＷ）が損失として発生してしまう。
【００５２】
この期間▲４▼′での損失は他の期間▲１▼▲２▼の損失に比して大きいものであり、制御トランジスタ２２を破壊してしまう恐れもある。この破壊を避けるために、制御トランジスタ２２としてより大きな許容損失のものを使用しなければならない。本発明では、このような問題が解決されており、特に例示したような大きい充電電流を用いる高容量バッテリの充電において、特に効果が大きい。
【００５３】
また、第３充電期間▲３▼から第４充電期間▲４▼への切換は、ＡＣアダプタ１０での定電流充電が終了し、定電圧制御回路４０での定電圧制御に移行する時点あるいはその直前に行われることが、充電時間の短縮と制御トランジスタ２２の破壊防止の点から要求される。
【００５４】
単に、電池電圧Ｖｂａｔや充電電流Ｉｃｈｇを検出してこの切り替え点を正確に検出することは困難である。本発明では、定電圧制御を行うための電流差動回路の動作状態の変化状況を利用することにより、定電流充電から定電圧制御への移行時点あるいはその直前の時点を、正確にかつ少しの付加回路の使用で実現することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、電流制限機能付き定電圧直流電源と、電流制限値を変更可能な定電圧回路を直列に用いて電池を充電するようにし、電池の充電状態に応じて、電流制限機能付き定電圧直流電源による電流制限値の電流で充電する期間に引き続いて、その電流制限値よりも小さくした定電圧回路の電流制限値で充電する期間を設けることにより、電池の充電時間を短縮するとともに、定電圧回路の制御トランジスタに要求される許容損失を小さくすることができる。
【００５６】
また、定電圧回路の電流制限値を定電圧直流電源の電流制限値よりも小さくするための電池の充電状態の検出を、差動比較回路の電流源の電流値とその差動比較回路の差動出力との比較により検出することにより、充電時間の短縮効果を少なくすることなく、かつ定電圧回路の制御トランジスタで消費される電力を確実に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る全体構成図。
【図２】図１中の定電圧制御回路及び電流制限信号発生回路の構成図。
【図３】電池の入力電圧、充電電圧、充電電流の時間経過を示す図。
【図４】電池の充電状態の変化を、制御特性上で示す図。
【図５】各状態時における制御トランジスタの損失を模式的に示す図。
【符号の説明】
１０ ＡＣアダプタ
１１ 交流電源
２０ 携帯電子機器
２１ リチウム電池
２２ 制御トランジスタ
２３，２４ 抵抗
２５ ＮＰＮトランジスタ
２６ 電流検出抵抗
２７ ショットキバリア・ダイオード
３０ 充電制御ＩＣチップ
４０ 定電圧制御回路
４１、４７ 定電流源
４２、４３ 差動トランジスタ
４６、４８ カレントミラー回路の入出力側トランジスタ
５０ 電流制限信号発生回路
５１ 演算増幅器
５２、５４、５６ 抵抗
５５ 可変抵抗
５７ 比較器
５８ ＮＭＯＳトランジスタ
６０ 制限電流値指令回路
Ｖａｄ アダプタ出力直流電圧
Ｉｌｉｍ アダプタ制限電流値
Ｉｃｈｇ 充電電流
Ｖｂａｔ 電池電圧
Ｓｃｖ 定電圧制御信号
Ｓｌｉｍ 電流制限信号
Ｓｍｏｄ 差動比較出力
ＣＬ１〜ＣＬ４ 第１〜第４制限電流指令値
Ｉｃｌ１、Ｉｃｌ２ 第１、第２予備充電電流値
Ｉｃｌ３、Ｉｃｌ４ 第１，第２電流値
Ｖ１〜Ｖ５ 第１〜第５電圧
Claims (6)
- 電源制限電流値で電流制限し、第１電圧で定電圧制御する直流電源から、差動比較回路を有しており電流制限値が変更可能であり前記電源制限電流値より大きな第１電流値で電流制限し、前記第１電圧より低い第２電圧で定電圧制御する定電圧制御部を介して、前記電源制限電流値の充電電流で電池を充電し、
前記電池の充電電圧を前記第２電圧に対応する参照電圧と前記差動比較回路で差動比較し、
前記充電電圧が、前記参照電圧より低い状態から上昇し、前記差動比較回路が線形動作を行う状態になったときに、前記差動比較回路から定電圧制御信号とは別の差動比較出力を発生し、
前記差動比較出力により、前記電流制限値を前記第１電流値から、前記電源制限電流値より小さい第２電流値に変更する、ことを特徴とする電池充電方法。 - 前記差動比較出力は、前記差動比較回路に用いる電流源の電流値に関連した電流値と前記差動比較による一方の電流との比較により出力されることを特徴とする、請求項１記載の電池充電方法。
- 電源制限電流値で電流制限し、第１電圧で定電圧制御する直流電源から電力を供給される電池充電回路であって、
電池への充電経路に設けられ、定電圧制御信号により制御される制御トランジスタと、
前記電池の充電電圧に比例する電圧と参照電圧とを電流源を用いた差動比較回路により差動比較し、前記充電電圧が前記第１電圧より低い第２電圧になるように前記定電圧制御信号を出力するとともに、差動比較の一方の電流に基づいて差動比較出力を発生する定電圧制御回路と、
前記電池の充電電流と、電流制限値が設定変更可能であり、前記電源制限電流値よりも大きな第１電流値に設定されている電流制限値とを比較し、前記充電電流が前記電流制限値を越えるときに、前記定電圧制御信号を抑圧する電流制限信号発生回路とを備え、
前記定電圧制御回路から差動比較信号が発生されると、前記電流制限値を前記第１電流値から、前記電源制限電流値よりも小さい第２電流値に設定変更することを特徴とする電池充電回路。 - 前記定電圧制御回路は、前記電流源の電流に比例した信号と、前記差動比較による電流に比例した信号とを比較して、前記差動差動比較出力を発生することを特徴とする、請求項３の電池充電回路。
- 前記電流源の電流に比例した信号あるいは前記差動比較による電流に比例した信号のいずれか少なくとも一方にオフセットを持たせたことを特徴とする、請求項４の電池充電回路。
- 充電できる電池と、請求項３〜５のいずれかに記載された電池充電回路を備えていることを特徴とする携帯電子機器。
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