JP3939474B2

JP3939474B2 - 二次電池充電制御回路

Info

Publication number: JP3939474B2
Application number: JP31184499A
Authority: JP
Inventors: 秀之木原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2019-11-02
Also published as: JP2001136671A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯機器やパーソナルコンピュータ等に内蔵される電池パック内の二次電池の充電時の制御を行う二次電池充電制御回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２は従来の二次電池充電制御回路のブロック図である。図２において、アダプタ電源１ｂはＡＣ／ＤＣ（交流／直流）コンバータ２ｂおよび充電電流制御回路３ｂで構成されており、電池パック５ｂ内の二次電池４ｂに対し充電を行う場合には、アダプタ電源１ｂの充電電流制御回路３ｂより充電が行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、携帯機器やパーソナルコンピュータ等の電池パック５ｂ内の二次電池４ｂは、アダプタ電源１ｂに内蔵されている充電電流制御回路３ｂを用いて充電が行われており、二次電池４ｂの種類や充電電流及び充電時間が変化した場合、アダプタ電源１ｂ自体を変更する必要があるため、充電条件の変更に応じた対応が困難であるという課題があった。
【０００４】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、二次電池の種類及び充電状態に応じて充電電流及び充電時間を自由に設定することができる二次電池充電制御回路を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明の二次電池充電制御回路は、充電電圧が印加される二次電池と直列に接続されたスイッチ回路と、二次電池の電圧が所定電圧以上のときは出力電圧として基準電圧を発生し、所定電圧未満のときは出力電圧のレベルを接地電位にする基準電圧発生回路と、基準電圧発生回路の出力電圧のレベルと接地電位との間を振幅とするクロック信号を発生するクロック信号発生回路と、クロック信号発生回路から発生されるクロック信号のデューティ係数を可変するデューティ係数可変手段と、クロック信号発生回路から入力されるクロック信号の振幅を充電電圧のレベルと接地電位との間の振幅に変換して出力し、その出力信号のレベルによりスイッチ回路の導通状態と開放状態との制御を行うレベルシフト回路と、基準電圧発生回路の出力電圧のレベルが接地電位のときにレベルシフト回路の出力信号を固定するレベルシフト回路出力固定手段とを備えている。
【０００６】
また、レベルシフト回路は、ソースが接地電位に接続された第１導電型チャネルの第１および第２の電界効果トランジスタと、ソースが外部電圧のレベルに接続された第２導電型チャネルの第３および第４の電界効果トランジスタと、基準電圧発生回路の出力電圧を電源電圧とする反転増幅器とを備え、第１の電界効果トランジスタのゲートに反転増幅器の出力端子が接続され、第２の電界効果トランジスタのゲートに反転増幅器の入力端子とクロック信号の入力端子とが接続され、第１の電界効果トランジスタのドレインと第３の電界効果トランジスタのドレインと第４の電界効果トランジスタのゲートとが接続され、第２の電界効果トランジスタのドレインと第３の電界効果トランジスタのゲートと第４の電界効果トランジスタのドレインとが接続され、第１または第２の電界効果トランジスタのドレインから出力信号を取り出すようにして構成でき、レベルシフト回路出力固定手段は、ソースが接地電位に接続された第１導電型チャネルの第５および第６の電界効果トランジスタと、一端が外部電圧のレベルに接続された抵抗体とを備え、第５の電界効果トランジスタのゲートに基準電圧発生回路の出力電圧のレベルが接続され、第５の電界効果トランジスタのドレインと抵抗体の他端と第６の電界効果トランジスタのゲートとが接続され、第６の電界効果トランジスタのドレインが第１または第２の電界効果トランジスタのドレインと接続されることにより構成できる。
【０００７】
本発明の構成によれば、デューティ係数可変手段によりクロック信号発生回路が発生するクロック信号のデューティ係数を変化させることにより、二次電池と直列に接続されるスイッチ回路の導通状態と開放状態の時間的割合を変化させ、充電電流の単位時間当りの平均値を変化させることができるため、二次電池の種類及び充電状態に応じて充電電流及び充電時間を自由に設定できるという作用を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【０００９】
図１は本発明の実施の形態における二次電池充電制御回路を示すものである。本実施の形態では、アダプタ電源１８としては、外部から供給される交流電圧を直流電圧に変換して出力するＡＣ／ＤＣコンバータ１が内蔵されてあればよく、従来の充電電流制御回路３ｂ（図２参照）は不要である。また、電池パック１９には、リチウムイオン二次電池３と、それと直列に接続されたスイッチ回路２と、基準電圧発生回路５と、クロック信号発生回路６と、デューティ係数可変端子４（デューティ係数可変手段）と、レベルシフト回路１６と、リセット回路１７（レベルシフト回路出力固定手段）とが備えられている。
【００１０】
基準電圧発生回路５は、例えば二次電池３を電源とする三端子レギュレータで構成され、二次電池３の電圧が所定電圧以上のときは出力電圧として基準電圧を発生し、所定電圧未満のときは出力電圧のレベルが接地電位になる。
【００１１】
クロック信号発生回路６は、基準電圧発生回路５の出力電位をハイレベルとし、接地電位をローレベルとするクロック信号、すなわち基準電圧発生回路５の出力電圧のレベルと接地電位との間を振幅とするクロック信号を発生する。デューティ係数可変端子４は、そのクロック信号のデューティ係数を可変するためのものである。例えば、二次電池３の電圧を検出し（専用ＩＣまたはそのような電圧検出回路ブロックにより）、その電圧をマイコンへ送り、マイコンの分周回路によりデューティ係数を調整するようにしている。すなわち、デューティ係数可変端子４はマイコンの入力端子、クロック信号発生回路６の出力はマイコンのＰＷＭ出力である。
【００１２】
レベルシフト回路１６は、クロック信号発生回路６から入力されるクロック信号の振幅を充電電圧のレベルと接地電位との間の振幅に変換し、出力する。その出力信号によりスイッチ回路２はオン（導通状態）・オフ（開放状態）が制御される。
【００１３】
また、リセット回路１７は、基準電圧発生回路５の出力が接地電位のときにレベルシフト回路１６の出力信号（出力電位）を固定するための回路である。すなわち、リセット回路１７は、基準電圧発生回路５の出力が接地電位のときにレベルシフト回路１６の出力が不定になるのを防止するために設けている。
【００１４】
図１は二次電池３を充電する際の構成であり、交流電源（図示せず）にアダプタ電源１８を接続し、アダプタ電源１８に電池パック１９を装着する。これによリ、アダプタ電源１８内部のＡＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧が、スイッチ回路２と二次電池３の両端に印加される。なお、電池パック１９を携帯機器等に使用する際には、二次電池３の両端の電圧を取り出す端子（図示せず）がその携帯機器等に接続されることになる。
【００１５】
本実施の形態における二次電池充電制御回路は、二次電池３を除いた電池パック１９内の構成要素からなるものである。以下、レベルシフト回路１６とリセット回路１７の内部構成について詳しく説明する。なお、請求項１，２に記載された充電電圧は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧であり、請求項２に記載された第１導電型チャネルはＮチャネル（Ｎ−ｃｈ）、第２導電型チャネルはＰチャネル（Ｐ−ｃｈ）であり、第１の電界効果トランジスタは高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１０、第２の電界効果トランジスタは高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１１、第３の電界効果トランジスタは高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１２、第４の電界効果トランジスタは高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１３、第５の電界効果トランジスタは高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ８、第６の電界効果トランジスタは高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ９、抵抗体は高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ７、反転増幅器は低電圧インバータ１４である。
【００１６】
レベルシフト回路１６は、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１０，１１と、高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１２，１３と、基準電圧発生回路５の出力を電源とする低電圧インバータ１４と、高電圧インバータ１５とにより構成されている。デューティ係数可変端子４によりデューティ係数が調整されたクロック信号発生回路６のクロック信号がレベルシフト回路１６の入力端子１６Ｐに入力され、そのクロック信号のハイレベル，ローレベルに応じてハイレベル，ローレベルの信号を出力し、かつその出力する信号のハイレベルをＡＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧レベルとし、ローレベルを接地電位として出力する。このレベルシフト回路１６の出力信号のハイとローのレベルに応じてスイッチ回路２の導通状態と解放状態が制御される。
【００１７】
リセット回路１７は、ゲートが基準電圧発生回路５の出力に接続されソースが接地された高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ８と、ゲートが接地され高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ８のドレインとＡＣ／ＤＣコンバータ１の一方の出力との間に接続され高抵抗体として用いている高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ７と、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ８のドレインにゲートが接続されソースが接地された高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ９とにより構成されている。そして、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ９のドレインは、レベルシフト回路１６の高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１１のドレインに接続されている。ここで、高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ７は抵抗体として用いられているが、、高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ７の代わりに拡散抵抗を用いることもできる。
【００１８】
以上のように構成された二次電池充電制御回路について、その動作について説明する。なお、スイッチ回路２はＰｃｈ−ＭＯＳトランジスタで構成されているものとする。ここで、例えば、二次電池３は最終的に１７．２Ｖに充電され、基準電圧発生回路３は二次電池３の電圧が８Ｖ以上のとき（８Ｖ〜１７．２Ｖのとき）には５Ｖの基準電圧を発生し、二次電池３の電圧が８Ｖ未満のとき（０Ｖ〜８Ｖ未満のとき）には０Ｖ（接地電位）で一定の出力とする。そして、図１の構成は、二次電池３の電圧が８Ｖ以上のときに二次電池３の急速・パルス充電の制御を行うものであり、二次電池３の電圧が８Ｖ未満のときは図示しない別の手段（後述）の制御により充電が行われる。
【００１９】
まず、例えば、デューティ係数可変端子４を調整し、クロック信号発生回路６からデューティ係数が５０％になるようにクロック信号を発生させる。このとき発生するクロック信号の振幅レベルは、ローレベルが接地電位でハイレベルが基準電圧発生回路５の電位（以下ＶＣＣとする）であり、ＶＣＣは５Ｖに設定されている。このクロック信号はレベルシフト回路１６の入力端子１６Ｐに印加され、クロック信号がハイレベルのＶＣＣであるとき、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１１がオン、低電圧インバータ１４の出力が接地電位になり、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１０がオフ状態になる。その結果、高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１２がオン、高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１３がオフ状態になり、高電圧インバータ１５の出力はＡＣ／ＤＣコンバータ１の電位（以下ＶＡとする：ＶＡ＞ＶＣＣ）となる。その結果、Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタで構成されているスイッチ回路２が、高電圧インバータ１５の出力により解放状態となる。逆に、クロック信号発生回路６から出力されるクロック信号がローレベルの接地電位の状態のときは、高電圧インバータ１５の出力はローレベルになり、結果としてスイッチ回路２は導通状態になる。
【００２０】
また、二次電池３が過放電等により電位が極端に低くなり（８Ｖ未満）、基準電圧発生回路５の出力電位が接地電位まで低下した場合、リセット回路１７の高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ８がオフとなり、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ９がオンすることにより、高電圧インバータ１５の出力電位はＶＡに固定されるため、スイッチ回路２は不確定にならずに解放状態に固定される。この場合、図示しない別の手段によりＡＣ／ＤＣコンバータ１の出力を用いてスイッチ回路２を導通状態にして充電が行われる。これ以外の場合、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ８がオンであり、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ９がオフしているため、高電圧インバータ１５の出力電位はリセット回路１７により固定はされない。
【００２１】
以上のようにクロック信号発生回路６から出力されるクロック信号のレベル状態に応じて、スイッチ回路２が導通状態、解放状態をデューティ係数５０％でくり返すことになり、二次電池３にＡＣ／ＤＣコンバータ１より充電が行われる。そして、デューティ係数可変端子４によりクロック信号のデューティ係数を二次電池３の種類または充電状態により変化させることで、充電電流の単位時間当たりの平均値を自由に変化させることができる。このように充電電流を自由に設定でき、したがって充電時間も自由に設定できることが可能となる。
【００２２】
なお、本実施の形態では、レベルシフト回路１６の出力信号を、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１１のドレインから高電圧インバータ１５を介して取り出すようにしているが、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１１のドレインから直接取り出すようにしてもよい。この場合、クロック信号発生回路６のクロック信号のレベル（ハイ，ロー）に対するスイッチ回路２の動作が逆になる。
【００２３】
また、レベルシフト回路１６の出力信号を、高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１０のドレインから直接あるいは高電圧インバータを介して取り出すようにしてもよい。
【００２４】
また、図１の構成では、二次電池３の電圧が所定電圧未満（前述の例では８Ｖ未満）のときには基準電圧発生回路５の出力が接地電位となり、リセット回路１７の動作によりレベルシフト回路１６の出力をスイッチ回路２が解放状態となるように固定するように、レベルシフト回路１６とリセット回路１７を接続しているが、リセット回路１７の高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ９のドレインをレベルシフト回路１６の高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ１０のドレインと接続することにより、基準電圧発生回路５の出力電位が接地電位まで低下した場合、スイッチ回路２を導通状態に固定することも可能である。
【００２５】
また、スイッチ回路２としてＰｃｈ−ＭＯＳトランジスタを用いたが、ＰＮＰトランジスタを用いることもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、デューティ係数可変手段によりクロック信号発生回路が発生するクロック信号のデューティ係数を変化させることにより、二次電池と直列に接続されるスイッチ回路の導通状態と開放状態の時間的割合を変化させ、充電電流の単位時間当りの平均値を変化させることができるため、二次電池の種類及び充電状態に応じて充電電流及び充電時間を自由に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における二次電池充電制御回路を示す図。
【図２】従来の二次電池充電制御回路を示す図。
【符号の説明】
１ＡＣ／ＤＣコンバータ
２スイッチ回路
３二次電池
４デューティ係数可変端子
５基準電圧発生回路
６クロック信号発生回路
７，１２，１３高耐圧Ｐｃｈ−ＭＯＳトランジスタ
８，９，１０，１１高耐圧Ｎｃｈ−ＭＯＳトランジスタ
１４低電圧インバータ
１５高電圧インバータ
１６レベルシフト回路
１６Ｐレベルシフト回路１６の入力端子
１７リセット回路
１８アダプタ電源
１９電池パック

Claims

充電電圧が印加される二次電池と直列に接続されたスイッチ回路と、
前記二次電池の電圧が所定電圧以上のときは出力電圧として基準電圧を発生し、前記所定電圧未満のときは出力電圧のレベルを接地電位にする基準電圧発生回路と、
前記基準電圧発生回路の出力電圧のレベルと接地電位との間を振幅とするクロック信号を発生するクロック信号発生回路と、
前記クロック信号発生回路から発生される前記クロック信号のデューティ係数を可変するデューティ係数可変手段と、
前記クロック信号発生回路から入力される前記クロック信号の振幅を充電電圧のレベルと接地電位との間の振幅に変換して出力し、その出力信号のレベルにより前記スイッチ回路の導通状態と開放状態との制御を行うレベルシフト回路と、
前記基準電圧発生回路の出力電圧のレベルが接地電位のときに前記レベルシフト回路の出力信号を固定するレベルシフト回路出力固定手段とを備えた二次電池充電制御回路。
レベルシフト回路は、ソースが接地電位に接続された第１導電型チャネルの第１および第２の電界効果トランジスタと、ソースが充電電圧のレベルに接続された第２導電型チャネルの第３および第４の電界効果トランジスタと、基準電圧発生回路の出力電圧を電源電圧とする反転増幅器とを備え、前記第１の電界効果トランジスタのゲートに前記反転増幅器の出力端子が接続され、前記第２の電界効果トランジスタのゲートに前記反転増幅器の入力端子とクロック信号の入力端子とが接続され、前記第１の電界効果トランジスタのドレインと第３の電界効果トランジスタのドレインと前記第４の電界効果トランジスタのゲートとが接続され、前記第２の電界効果トランジスタのドレインと前記第３の電界効果トランジスタのゲートと前記第４の電界効果トランジスタのドレインとが接続され、前記第１または第２の電界効果トランジスタのドレインから出力信号を取り出すようにし、
レベルシフト回路出力固定手段は、ソースが接地電位に接続された第１導電型チャネルの第５および第６の電界効果トランジスタと、一端が充電電圧のレベルに接続された抵抗体とを備え、前記第５の電界効果トランジスタのゲートに前記基準電圧発生回路の出力電圧のレベルが接続され、前記第５の電界効果トランジスタのドレインと前記抵抗体の他端と第６の電界効果トランジスタのゲートとが接続され、前記第６の電界効果トランジスタのドレインが前記第１または第２の電界効果トランジスタのドレインと接続されたことを特徴とする請求項１記載の二次電池充電制御回路。