JP4043688B2 - 電源回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、機器の負荷変動に伴う電池の電圧変動を吸収する蓄電素子を備えた電源回路に関する。
【０００２】
【従来技術およびその問題点】
近年では、電子機器内部に流れる電流変化（負荷変動）に伴う電池の電圧変動を抑制するため、電池に蓄電素子を並列接続した電池装置が提案されている。この用途の蓄電素子としては、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が低くかつ蓄積容量が大きいものが適しており、主に電気二重層コンデンサを使用している。
しかし、過電流保護回路を備えた電池、例えば、いわゆるリチウムイオン電池を使用している場合には、電気二重層コンデンサの充電時に所定の過電流検出値以上の電流が流れてしまい、その結果、過電流保護回路が遮断動作して電池の出力が遮断されてしまう場合がある。その場合、使用者は過電流保護回路が遮断動作したことを認識することができないため、電池残量がない、または機器の故障か、と誤認識してしまう。
【０００３】
【発明の目的】
本発明は、電池が備えた保護回路の遮断動作を回避して蓄電素子を充電することができる電源回路を提供することを目的とする。
【０００４】
【発明の概要】
本発明は、所定の過電流検出値以上の電流が規定時間以上連続して出力されたことを検知すると該出力を遮断する保護回路を備えた電池に接続される電源回路において、蓄電素子と、前記電池と蓄電素子とを接続する第１経路に設けた第１スイッチ手段と、前記電池と前記蓄電素子を前記第１経路を迂回して接続する第２経路に設けた第２スイッチ手段と、
前記蓄電素子の端子電圧が所定のしきい値未満のときは、前記保護回路が遮断動作しないように、前記第２スイッチ手段をオフし、前記第１スイッチ手段をスイッチングさせて前記第１経路で前記蓄電素子を間欠充電し、前記蓄電素子の端子電圧が前記所定のしきい値以上であるときには、前記第１スイッチ手段をオフし、前記第２スイッチ手段をオンして前記第２経路で前記電池と前記蓄電素子とを接続して前記蓄電素子を連続充電し、前記蓄電素子の間欠充電における前記第１スイッチ手段のオン時間は、前記保護回路の規定時間未満、または前記蓄電素子の充電に伴い減少する前記電池の出力が前記過電流検出値を超えない時間とする充電制御手段とを備え、前記第１スイッチ手段は、ソース端子に前記電池を接続し、ドレイン端子に前記蓄電素子を接続したＰチャンネルＦＥＴであることに特徴を有する。この構成によれば、蓄電素子の充電時に保護回路が遮断動作することがなく、電池残量がない・機器が故障したなどの誤認識を使用者に与えることもなくなる。しかも間欠充電と連続充電を切換えるので、間欠充電だけで蓄電素子を充電するよりも、第１スイッチ手段のスイッチングに伴うスイッチングノイズの発生を最小限に抑えることができ、また充電時間の短縮を図ることができる。
しかも、前記蓄電素子の間欠充電における前記スイッチング素子のオン時間は、前記保護回路の規定時間未満であるか、または前記蓄電素子の充電に伴い減少する前記電池の出力が前記過電流検出値を超えない時間なので、保護回路が遮断動作しない範囲で最大の電流出力で蓄電素子を間欠充電できるので、充電時間の短縮化が図れる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を説明する。図１は、本発明を適用した電源回路の主要構成をブロックで示す図である。本電源回路１００は、保護回路２１０を備えた電池２００と、負荷３００との間に配設される。電池２００から出力された電源電流Ｉは、電源回路１００を介して駆動電流Ｉ_Lとされ、負荷３００に供給される。保護回路２１０は、所定の過電流検出値以上の電源電流Ｉが規定時間以上連続して出力されたことを検知すると、電池２００の出力を遮断する回路である。保護回路を備えた電池としては、携帯機器に多く利用されるリチウムイオン電池等がある。
【０００６】
電源回路１００には、電池２００に対して並列に接続される蓄電素子１０が備えられている。蓄電素子１０は、電流制限部２０を介し電池２００によって充電され、電池２００の補助電源として機能する。本実施形態では蓄電素子１０として電気二重層コンデンサを使用する。
電流制限部２０は、数１０ｍΩ程度の低い抵抗値を持つ抵抗２１と、電池２００と蓄電素子１０を接続する第１経路に設けた第１スイッチング素子ＳＷ１と、抵抗２１を介して電池２００と蓄電素子１０を接続する第２経路に設けた第２スイッチＳＷ２を有する。第１スイッチング素子ＳＷ１は、充電制御回路３０の制御下で、スイッチングコントローラ４０を介してスイッチングされる。一方、第２スイッチＳＷ２のオン／オフは、充電制御回路３０によって制御される。
【０００７】
充電制御回路３０は、蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃを検出する電圧検出部３０ａと、蓄電素子１０の間欠充電が必要か否かの判断基準となる基準電圧Ｖrefなど各種の制御用データを格納してあるメモリ部３０ｂと、メモリ部３０ｂから読み出した基準電圧Ｖrefと電圧検出部３０ａが検出した端子電圧Ｖｃとを比較する比較部３０ｃと、比較部３０ｃの比較結果に応じてスイッチングコントローラ４０を制御するとともに第２スイッチＳＷ２のオン／オフを制御する制御部３０ｄとを備えている。マイコン３０にはＤＣ／ＤＣ変換器３５及びバックアップ用電池５０が接続されている。このマイコン３０は、電池２００が電源回路１００に接続されている状態では、ＤＣ／ＤＣ変換器３５を介して電池２００の出力を一定電圧にして入力して動作し、電池２００が電源回路１００に接続されていない状態では、バックアップ用電池５０から電力供給を受けて動作する。
【０００８】
以下では、充電制御回路３０の一例としてマイコンを使用した場合に、充電制御回路（マイコン）３０が実行する充電制御処理について、図２に示されるフローチャートを参照し、詳細に説明する。この処理は、電池２００が電源回路１００に接続される度に入る。
【０００９】
この処理に入ると先ず、蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃを検出し（Ｓ１１）、メモリ部３０ｂから基準電圧Ｖrefを読み出して、検出した端子電圧Ｖｃが基準電圧Ｖref以上であるかどうかをチェックする（Ｓ１３）。基準電圧Ｖrefは、電池２００と蓄電素子１０を直接接続しても電源電流Ｉが過電流検出値を超えなくなるしきい電圧値であり、また蓄電素子１０の間欠充電が必要か否かの判断基準となる電圧値でもある。
【００１０】
蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃが基準電圧Ｖref以上でなかったときは（Ｓ１３；Ｎ）、第１スイッチング素子ＳＷ１のスイッチングを開始し（Ｓ１５）、端子電圧Ｖｃが基準電圧Ｖref以上となるまで、図１に示す第１経路で蓄電素子１０の間欠充電を続ける。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１のオン時間は保護回路２１０の規定時間未満である。蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃが基準電圧Ｖref以上であったときは（Ｓ１３；Ｙ）、第２スイッチＳＷ２をオンするとともに、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフしてスイッチングを停止する（Ｓ１７、Ｓ１９）。すると、蓄電素子１０の間欠充電が停止されるとともに充電経路が第１経路から第２経路に切換わる。これにより、電池２００から出力された電源電流Ｉは、第１スイッチング素子ＳＷ１をバイパスして抵抗２１及び蓄電素子１０に流れ込み、蓄電素子１０の連続充電が実行される。
【００１１】
続いて、蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃを検出し（Ｓ２１）、端子電圧Ｖｃが基準電圧Ｖref以上かどうかをチェックする（Ｓ２３）。蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃが基準電圧Ｖref以上であったときは（Ｓ２３；Ｙ）、Ｓ２１へ戻り、定期的に端子電圧Ｖｃをチェックする。一方、蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃが基準電圧Ｖref未満であったときは（Ｓ２３；Ｎ）、第２スイッチＳＷ２をオフし、Ｓ１１へ戻る（Ｓ２５）。これにより、蓄電素子１０の連続充電が停止されて充電経路が第２経路から第１経路に切換わり、戻ったＳ１５で蓄電素子１０の間欠充電が開始される。
【００１２】
以上では、説明簡単のため、充電制御回路３０としてマイコンを使用し、ソフトウェア的に制御する場合について説明したが、充電制御回路３０を電圧検出器、ＦＥＴなど複数の電子部品で構成して蓄電素子１０の充電をハードウェア的に制御することは勿論可能である。以下に、充電制御回路３０をハードウェア構成した一実施の形態について、図３を参照して具体的に説明する。
【００１３】
図３に示す電源回路１００は、第１スイッチング素子ＳＷ１として第１ＭＯＳＦＥＴ１１０を、第２スイッチＳＷ２及び抵抗２１として第２ＭＯＳＦＥＴ１２０を、スイッチングコントローラ４０としてＤＣ／ＤＣコントロールＩＣ１３０を、充電制御回路３０として電圧検出器１５０及びデジタルトランジスタ１６０を設けている。
【００１４】
ＤＣ／ＤＣコントロールＩＣ１３０は、電源端子が電源ラインとして電池２００に接続され、ＤＣ／ＤＣコントロールＩＣ１３０のオン／オフを制御するＳＤ（シャットダウン）端子がデジタルトランジスタ１６０のコレクタに接続されている。ＤＣ／ＤＣコントロールＩＣ１３０は、デジタルトランジスタ１６０のオン／オフ状態を検出して第１ＭＯＳＦＥＴ１１０のスイッチング動作を制御する。即ち、ＤＣ／ＤＣコントロールＩＣ１３０は、デジタルトランジスタ１６０のオン状態では第１ＭＯＦＥＴ１１０をオフし、デジタルトランジスタ１６０のオフ状態では第１ＭＯＳＦＥＴ１１０をスイッチングさせる。但し、第１ＭＯＳＦＥＴ１１０のスイッチング動作において、第１ＭＯＳＦＥＴ１１０のオン時間は保護回路２１０の規定時間未満である。
【００１５】
電圧検出器１５０は、蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃに応じてデジタルトランジスタ１６０をオン／オフする。電圧検出器１５０の反転入力側には基準電圧源１４０からの基準電圧Ｖrefが入力される。一方、電圧検出器１５０の非反転入力側には、分圧回路Ｋが接続されている。分圧回路Ｋは、直列接続された抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２（ブリーダ抵抗）で構成され、蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃを抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２で分圧し、分圧電圧Ｖｋとして出力する。電圧検出器１５０は、分圧電圧Ｖｋと基準電圧Ｖrefを比較する。
分圧電圧Ｖｋが基準電圧Ｖref未満である場合は、電圧検出器１５０からロウレベルの電圧が出力され、デジタルトランジスタ１６０をオフする。デジタルトランジスタ１６０のオフ状態では、第２ＭＯＳＦＥＴ１２０のソース電圧ＶS１とゲート電圧ＶG１が同電位に保持されるため、第２ＭＯＳＦＥＴ１２０がオフ状態となって第２経路に電流が流れない一方、ＤＣ／ＤＣコントロールＩＣ１３０によって第１ＭＯＳＦＥＴ１１０のスイッチングが開始され、第１経路で蓄電素子１０の間欠充電が行われる。
分圧電圧Ｖｋが基準電圧Ｖref以上である場合は、電圧検出器１５０からハイレベルの電圧が出力され、デジタルトランジスタ１６０をオンする。デジタルトランジスタ１６０のオン状態では、第２ＭＯＳＦＥＴ１２０のゲート電圧ＶG１がグランド電位となる。すると、第２ＭＯＳＦＥＴ１２０のゲート・ソース間電圧が最大となって第２ＭＯＳＦＥＴ１２０がオン状態となる一方、ＤＣ／ＤＣコントロールＩＣ１３０のＳＤ端子がグランド電位となってＤＣ／ＤＣコントロールＩＣ１３０が第１ＭＯＳＦＥＴ１１０のスイッチングを停止し、第１ＭＯＳＦＥＴ１１０がオフ状態なる。これにより、第１経路には電流が流れず、第２経路で蓄電素子１０の連続充電が行われる。
【００１６】
本実施形態では、蓄電素子１０の間欠充電における第１スイッチング素子ＳＷ１（第１ＭＯＳＦＥＴ１１０）のオン時間を保護回路２１０の規定時間未満としたが、これに限定されず、保護回路２１０が遮断動作しないように第１スイッチング素子ＳＷ１（第１ＭＯＳＦＥＴ１１０）のオン時間およびオフ時間を設定すればよい。例えば、電池２００と蓄電素子１０を接続してから電源電流Ｉが保護回路２１０の過電流検出値を超えるまでの時間ｔを予め調べ、第１スイッチング素子ＳＷ１（第１ＭＯＳＦＥＴ１１０）オン時間を時間ｔ未満に設定することもできる。なお電池２００から出力される電源電流Ｉは蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃに応じて変化するので、時間ｔは一定でなくてもよく、例えば、充電時間の経過または端子電圧Ｖｃの上昇に従ってオン時間を長くするように構成してもよい。
また本実施形態では、第２スイッチＳＷ２として第２ＭＯＳＦＥＴ１２０を設けているので、第２ＭＯＳＦＥＴ１２０のオン抵抗が抵抗２１となっているが、抵抗２１は０Ωであってもよい。
【００１７】
以上のように本電源回路１００は、蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃが所定のしきい値未満である場合には保護回路２１０が遮断動作しないように第１経路で蓄電素子１０を間欠充電し、蓄電素子１０を連続充電しても保護回路２１０が遮断動作しない、蓄電素子１０の端子電圧Ｖｃがしきい値以上である場合には間欠充電を停止して第２経路で蓄電素子１０を連続充電するので、蓄電素子１０の充電時に、電池２００の残量が十分あるのに保護回路２１０が遮断動作することが無く、電池残量がない・機器が故障したなどの誤認識を使用者に与えることもなくなる。しかも本電源回路１００は間欠充電と連続充電を切換えるので、間欠充電だけで蓄電素子１０を充電するよりも、第１スイッチング素子ＳＷ１のスイッチングに伴うスイッチングノイズの発生を最小限に抑えることができ、また充電時間の短縮を図ることができる。さらに間欠充電をすることによって、保護回路２１０の遮断動作を回避するための複雑な回路を設けなくて済み、連続充電をすることによって、負荷３００が消費する電流変動に柔軟に対応できる。
【００１８】
以上の説明では、蓄電素子１０として電気二重層コンデンサを使用しているが、これに限定されないのは勿論である。また本電源回路１００は、電子スチルカメラなど負荷変動の大きい機器の電池に接続されると、より効果を発揮する。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、蓄電素子の端子電圧が所定のしきい値未満のときは、保護回路が遮断動作しないように第１スイッチ手段をスイッチングさせて第１経路で蓄電素子を間欠充電し、蓄電素子の端子電圧が所定のしきい値以上であるときには第１経路を迂回する第２経路で蓄電素子を連続充電するので、蓄電素子の充電時に保護回路が遮断動作することがなく、電池残量がない・機器が故障したなどの誤認識を使用者に与えることもなくなる。しかも間欠充電と連続充電を切換えるので、間欠充電だけで蓄電素子を充電するよりも、第１スイッチ手段のスイッチングに伴うスイッチングノイズの発生を最小限に抑えることができ、また充電時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用した電源回路の概要をブロックで示す図である。
【図２】 同電源回路の充電制御処理に関するフローチャートである。
【図３】 同電源回路の一実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
１００ 電源回路
１０ 蓄電素子
２０ 電流制限部
２１ 抵抗
３０ 充電制御回路
４０ スイッチングコントローラ
５０ バックアップ用電池
１１０ 第１ＭＯＳＦＥＴ
１２０ 第２ＭＯＳＦＥＴ
１３０ ＤＣ／ＤＣコントロールＩＣ
１４０ 基準電圧源
１５０ 電圧検出器
１６０ デジタルトランジスタ
２００ 電池
２１０ 保護回路
３００ 負荷
ＳＷ１ 第１スイッチング素子
ＳＷ２ 第２スイッチ

Claims (1)

1. 所定の過電流検出値以上の電流が規定時間以上連続して出力されたことを検知すると該出力を遮断する保護回路を備えた電池に接続される電源回路において、
   蓄電素子と、
   前記電池と前記蓄電素子を接続する第１経路に設けた第１スイッチ手段と、
   前記電池と前記蓄電素子を前記第１経路を迂回して接続する第２経路に設けた第２スイッチ手段と、
   前記蓄電素子の端子電圧が所定のしきい値未満のときは、前記保護回路が遮断動作しないように、前記第２スイッチ手段をオフし、前記第１スイッチ手段をスイッチングさせて前記第１経路で前記蓄電素子を間欠充電し、前記蓄電素子の端子電圧が前記所定のしきい値以上であるときには、前記第１スイッチ手段をオフし、前記第２スイッチ手段をオンして前記第２経路で前記電池と前記蓄電素子とを接続して前記蓄電素子を連続充電し、前記蓄電素子の間欠充電における前記第１スイッチ手段のオン時間は、前記保護回路の規定時間未満、または前記蓄電素子の充電に伴い減少する前記電池の出力が前記過電流検出値を超えない時間とする充電制御手段とを備え、
   前記第１スイッチ手段は、ソース端子に前記電池を接続し、ドレイン端子に前記蓄電素子を接続したＰチャンネルＦＥＴであること、
   を特徴とする電源回路。

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