JP4355071B2 - バッテリー充電器における発振を防止するための方法と回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本出願は、1998年12月23日に出願したプロビジョナル出願第60/113642号の優先権を主張するもので、その開示内容がここに組み込まれる。
本発明は一般にバッテリー充電器回路に関わり、特に回路の複雑さを軽減し望ましくない発振を防止する、バッテリー充電器制御用の改良された方法および回路に関する。
消費者向け携帯用バッテリーを充電する代表的な方法は、バッテリーがある電圧に達するまでバッテリーに一定の充電電流を供給することである。そして電圧を電圧制御ループによって一定レベルに制御することにより電流を徐々に時間の経過と共に減少させる。これは普通、図１Ａに示すように電流帰還増幅器と電圧帰還増幅器の組合わせによってバッテリー充電器回路を制御することによって達成される。バッテリーを最短時間で再充電するためには、使用可能な最大充電電流を使うことが一般におこなわれる。しかしながら電圧制御への切替が起こる点にバッテリーが近づくと、望ましくない副作用が起きることがある。バッテリーは普通、過電圧保護スイッチ１００を組み込んでいる。バッテリーはインピーダンスがゼロではないので、高い充電電流を供給すると端子電圧はバッテリーが開路されている場合よりも見かけ上高い電圧になる。これによって過電圧保護スイッチが開くことがある(図１Ｂ)。その場合、大きな充電電流が開路に流れるので電圧は急速に上昇する。これによって電圧制御ループが動作し充電電流を大幅に低減させる(図１Ｃ)。充電電流が低減すると、バッテリー端子電圧は減少し、過電圧保護スイッチは閉じる(図１Ｄ)。この時点で、バッテリーに流れる電流は非常に少ないので電圧は降下し始める。電圧レベルが低下すると、電流ループが制御をおこなう(図１Ｅ)。電流制御ループの大信号帯域によっては、バッテリーへの充電電流は大幅にオーバーシュートすることがある。これは電流ループ増幅器はそれが制御していないときはそのレール（ｒａｉｌ）電圧で飽和し、飽和が解消されるまでおよびその適切な出力レベルに落ち着くまで時間がかかるからである。オーバーシュートが発生するかしないかに関わらず、このサイクルは継続して繰り返し、実質的に発振システムとなる。
この問題の一つの解決法として、システムコントローラにいわゆるソフトスタートを使用している。過電圧状態が検出された場合、ソフトスタートをリセットする。したがって、電流ループが再び制御動作に入るとき、ソフトスタートは、非常に高い電流を必要とするものではあるが、デューティサイクルを制限することによって過電圧を防止する。そしてデューティサイクルを緩やかに増大させることによって電流を徐々に増大させる。これによって電流オーバーシュートを避け、また発振を防ぐことができる。
この方法の欠点は、電流制御ループの実際の大信号帯域を大幅に制限することである。さらに、これは非線形要素を線形システムに導入するので、ある状況下でそれ自身が発振することがある。最後に、二つの機能（ソフトスタートと発振の抑止）を一つに組合わせることで、回路がより複雑になり、コンポーネントの選択が難しくなり、設計者にとってわずらわしいものとなる。
【０００２】
【発明の概要】
本発明は２つ以上のエラー増幅器を組合わせて使用して新しい回路を構成し、上記欠点を生じることなしにバッテリー充電制御信号を発生させる。さらに広く言えば、本発明による回路によれば、エラー増幅器の出力をクランプすることによって、エラー増幅器が飽和する条件を解消し、それによって電流のオーバーシュートの可能性を解消する。好ましい実施例において、これらエラー増幅器の出力が動作（アクティブ）状態のエラー増幅器の出力の信号と同じかわずかに高くクランプされるようにエラー増幅器の出力がクロスクランプされる。したがって、非動作（イン・アクティブ）状態のエラー増幅器が飽和することが阻止され、一つのループから他のループへの切り替わりが最小の遅延でおこなわれる。
したがって、一実施例において、本発明はバッテリーに接続された電荷供給回路と、バッテリー電圧を表す信号を受けるための入力と電荷供給回路に接続された出力とを有する電圧ループ増幅器と、バッテリー電流を表す信号を受けるための入力と電荷供給回路に接続された出力とを有する電流ループ増幅器と、前記電圧ループ増幅器の出力を電流ループ増幅器の出力に接続するクランプ回路とを有し、前記クランプ回路は前記電流ループ増幅器が飽和するのを阻止するように動作することを特徴とするバッテリー充電回路を提供する。代替用実施例においてクランプ回路は電流ループ増幅器出力と電圧ループ増幅器出力との間でクロスクランプをおこなうように構成される。
別の実施例において本発明は、電圧ループ増幅器によってバッテリー電圧を検出するステップと、電流ループ増幅器によってバッテリー電流を検出するステップと、前記電圧ループ増幅器の出力または前記電流ループ増幅器の出力に応じて前記バッテリーに供給される電流量を制御するステップと、前記電流ループ増幅器の出力を前記電圧ループ増幅器の出力でクランプすることにより、前記電流ループ増幅器が飽和するのを阻止するステップと、から成るバッテリー充電方法を提供する。
改良されたバッテリー充電方法および回路の特徴および利点は、以下の詳細な説明と添付図面を参照することにより、より良く理解できる。
【０００３】
【実施例の説明】
図２Ａには、本発明の一実施例による改良されたバッテリー充電器回路の単純化された回路図が示される。図２に示した例において、バッテリー充電回路は電圧エラー増幅器２００と電流エラー増幅器２０２を含み、電圧エラー増幅器２００は一方の入力にバッテリー電圧信号ＢＶを、他方の入力に基準信号Ｖｒｅｆ２を受け取り、電流エラー増幅器２０２は一方の入力にバッテリー電流信号BIを、他方の入力に基準信号Ｖｒｅｆ１を受け取る。エラー増幅器２００と２０２の出力は回路２０４によって論理的に組合わせられる。組合わせ回路２０４はエラー増幅器出力信号に対して論理和をおこないその出力信号を、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）、ヒステリシス制御または他の既知のバッテリー充電方法を用いる電荷供給回路に送る。電圧エラー増幅器２００と電流エラー増幅器２０２はそれぞれバッテリー充電回路の電圧ループと電流ループの一部を構成する。このバッテリー充電回路には、例えば電力エラー増幅器等バッテリー充電機能に関わるより多くのエラー増幅器を含むこともできる。Ｓ．Ｂｒｙｓｏｎによる共同譲渡された米国特許出願第０９／３５２，４３７号（代理人整理番号１８８６５−２５−１／１７７３２−９０２１）「適応バッテリー充電器用電力測定」にはバッテリー充電回路のより完全な回路図が、またその動作がより詳しく説明されている。この米国特許出願を引用することによりその開示内容全体を本明細書に組み込む。
図２Ａを再び参照すると、このバッテリー充電回路にはさらに２つのエラー増幅器２００、２０２の出力を結合するクロスクランプ回路２０６が含まれる。回路２０６の機能は２つのエラー増幅器の出力をクロスクランプすることである。一実施例において、本発明は動作エラー増幅器の出力を使って他の増幅器を少し高い電圧でクランプする。図２に示すクロスクランプ回路２０６の一例のブロック図にはダイオード２１２が含まれており、このダイオード２１２は電流エラー増幅器２０２の出力(ノード２１０)をユニティ利得バッファ増幅器２１４を介して電圧エラー増幅器２００の出力(ノード２０８)に接続する。同様に、電圧エラー増幅器２００の出力(ノード２０８)はダイオード２１６とユニティ利得バッファ増幅器２１８を介して電流エラー増幅器２０２の出力(ノード２１０)に接続される。
したがって、本実施例において、非動作（イン・アクティブ）状態の増幅器の出力は動作（アクティブ）状態の増幅器の出力よりも１ダイオード分電圧が高く設定される。非動作状態の増幅器の出力をこのレベルに維持した状態で、増幅器の補償コンポーネントをそれらの正しい値にプリチャージすることによって増幅器を飽和しないようにしている。これによって制御ループが切り替わったときに直ちに非動作状態の増幅器が制御を開始できるようにしている。したがって、本発明はループ間の時間遅れを解消しソフトスタートの使用を不要にしている。本システムはエラー増幅器に関して線形であり、したがって発振する傾向はない。さらに、充電回路の各種機能は別々になっているので設計の複雑さが低減する。
【０００４】
図２Ａに示した実施例では両方の出力をクロスクランプしたが、上記回路の発振傾向を除去するには電圧ループ増幅器の出力によって電流ループ増幅器をクランプすればよい。すなわち、本発明の代替用の実施例としてダイオード２１２とバッファ２１４のみで構成することもできる。さらに図２Ａに示す例において、高い方の電圧は１ダイオード分高く設定されるが、非動作状態の増幅器の出力は動作状態の増幅器の出力と同じ値かあるいはそれよりも高い値にクランプすることができる。図２Ｂはダイオード２１２と２１６が増幅器２１４と２１８の帰還ループ内にそれぞれ接続されている変形例を示す。この実施例において、非動作状態の増幅器の出力は動作状態の増幅器の出力と同じ値にクランプされる。
クランプレベルに関してより柔軟性をもった本発明の別の実施例を図３に示す。非動作状態の増幅器の電圧を強制的に動作状態の増幅器よりもわずか１ダイオード分高くする代わりに、本実施例では所望の値に調整できる出力に基準電圧を加えることによって電圧を設定する。図３の単純化した回路には、エラー増幅器の出力(例えば図２のノード２０８)を抵抗Ｒ１を介して受ける増幅器３００が示される。基準電圧Ｖｒｅｆが別の抵抗Ｒ２を介して増幅器３００の同じ入力に接続される。バイポーラトランジスタ３０２が図示のように増幅器３００の周りの帰還ループに接続される。トランジスタ３０２のコレクターは抵抗３０４により引き上げられ（プル・アップ）、他のエラー増幅器の出力(例えば図２のノード２１０)に接続されるクランプ回路の出力を与える。この回路構成において、バイポーラトランジスタ３０２は本質的に、電流を供給（ソース）するのではなく、順バイアス電圧降下なしで電流を低減（シンク）させることができる理想的なダイオードとして動作する。基準電圧はクランプ回路の出力にオフセット値を導入する。したがって動作増幅器の出力(ノード２０８)と他の増幅器の出力との間の電圧差は、基準電圧レベルを調整するかあるいは抵抗の値を調整するかによって設定される。
【０００５】
図４は本発明のバッテリー充電回路に使用するクランプ回路の一実施例を示す。クランプ回路４００は、電圧エラー増幅器２００の出力に基づいて電流エラー増幅器２０２の出力をクランプするように動作する。この回路には、それぞれのゲート端子で増幅器出力ノード２１０と２０８を受け取る一対のトランジスタＱ１とＱ２が含まれる。トランジスタＱ１とＱ２はノード２１０と２０８における出力電圧の差を検知し本質的に比較器として動作する。ノード２１０における電流ループ出力電圧がノード２０８における電圧ループ出力電圧よりも高くなろうとするとき、ｐチャネルトランジスタＱ２はＯＮとなり電流をトランジスタＱ３を介して流す。トランジスタＱ３を流れる電流はトランジスタＱ４にも送られ（ミラー動作）、さらに多くの電流が増幅器２０２の出力から引き出され、電流ループ出力電圧を引き下げる。したがってこの回路は電流ループ増幅器出力ノード２１０をノード２０８の電圧と同じレベルにクランプする。
図５は本発明の他の実施例の単純化したブロック図であり、バッテリー充電回路は電圧および電流制御ループ５０２、５０４のほかに電力制御ループ５００を含む。電力制御ループ５００を実施するための好ましい実施例は、Ｂｒｙｓｏｎに共同譲渡された上記米国特許出願第０９／３５２，４３７号に詳細に述べられている。３つのエラー増幅器により、増幅器出力用のクロスクランプ回路または独立したクランプ回路の各種組合わせを使用要求に応じて実現できる。
要するに、本発明はループ増幅器の出力をクランプすることによってバッテリー充電回路での発振状態を除去するための方法および回路を提供する。本発明によれば、ループ増幅器出力をクロスクランプすることにより、ループ増幅器は飽和せず、したがってループが制御動作に入ったとき増幅器は遅延なしに制御をおこなえるようになる。上記説明は本発明の特定の実施例を全部説明したものであるが、各種変更や同等回路を使用することができる。例えばクランプは各種の回路技術によって達成でき、そのうちいくつかはここに例えとして記述した。また、充電回路は選択的にクロスクランプされた3つ以上の増幅器を含むこともできる。したがって、本発明の範囲は上記の説明によってではなく、添付請求項および広範な同等物を考慮して決めなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】潜在的な発振問題を説明するための各種動作モードにおけるバッテリー充電回路を示す。
【図２】本発明による単純化したバッテリー充電器回路の別の実施例を示す。
【図３】本発明によるバッテリー充電器回路の別の実施例を示す単純化した回路図である。
【図４】本発明によるバッテリー充電器回路の実施例のより詳細な回路図である。
【図５】電流ループと電圧ループ以外に電力制御ループを含む、本発明の一実施例によるバッテリー充電器回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
２００ 電圧エラー増幅器
２０２ 電流エラー増幅器
２０４ 組合わせ回路
２０６ クロスクランプ回路
２１２，２１６ ダイオード
２１４，２１８，３００ 増幅
３０２ バイポーラトランジスタ
３０４ 抵抗
４００ クランプ回路
５００ 電力制御ループ
５０２ 電圧制御
５０４ 電流制御ループ

Claims (19)

1. バッテリーを駆動するように構成された電荷供給回路と、
   バッテリー電圧を表す信号を受けるための入力と電荷供給回路に接続された出力とを有し、該出力で前記電荷供給回路の動作を制御する動作状態と、該出力で前記電荷供給回路の動作を制御しない非動作状態とを有する電圧ループ増幅器と、
   バッテリー電流を表す信号を受けるための入力と電荷供給回路に接続された出力とを有し、該出力で前記電荷供給回路の動作を制御する動作状態と、該出力で前記電荷供給回路の動作を制御しない非動作状態とを有する電流ループ増幅器と、
   前記電圧ループ増幅器の出力および電流ループ増幅器の出力に接続され、前記電圧ループ増幅器の出力と前記電流ループ増幅器の出力とを互いに比較することにより前記電圧ループ増幅器と前記電流ループ増幅器のいずれが非動作状態かを判定するクランプ回路と、を有し
   前記クランプ回路は、前記電圧ループ増幅器または前記電流ループ増幅器の内の非動作状態と判定された方のループ増幅器が飽和するのを阻止するように動作することを特徴とするバッテリー充電回路。
2. 前記電圧ループ増幅器が動作状態で前記電流ループ増幅器が非動作状態のときに、前記クランプ回路は前記電流ループ増幅器の出力を前記電圧ループ増幅器の出力にほぼ等しいレベルにクランプする請求項１のバッテリー充電回路。
3. 前記クランプ回路は：
   前記電圧ループ増幅器の出力に接続された第一入力、前記電流ループ増幅器の出力に接続された第二入力、および出力を有する増幅回路と；
   前記増幅回路の出力と前記電流ループ増幅器の出力との間に接続されたクランプトランジスタとを有する請求項２のバッテリー充電回路。
4. 前記増幅回路は、共通接続のソース端子と、前記電圧ループ増幅器および前記電流ループ増幅器の出力にそれぞれ接続されたゲート端子とを有する一対の電界効果トランジスタを有し、
   前記クランプトランジスタは前記増幅回路の出力に接続されたゲート端子と、前記電流ループ増幅器の出力に接続された第一通電端子と、接地された第二通電端子とを有する電界効果トランジスタである、請求項３のバッテリー充電回路。
5. 前記クランプ回路は、前記電圧ループ増幅器が動作状態で前記電流ループ増幅器が非動作状態のときに、前記電流ループ増幅器の出力を前記電圧ループ増幅器の出力よりも高いあらかじめ定められたレベルにクランプする回路を有する、請求項１のバッテリー充電回路。
6. 前記クランプ回路は：
   前記電圧ループ増幅器の出力に接続された第一端子と、第二端子とを有するダイオードと；
   前記電流ループ増幅器の出力に接続された入力端子と、前記ダイオードの第二端子に接続された出力端子とを有するバッファとを有する請求項５のバッテリー充電回路。
7. 前記ダイオードの第一端子はカソードから成り、また第二端子はアノードから成り、前記バッファはユニティ利得結合増幅器を有する、請求項６のバッテリー充電回路。
8. 前記クランプ回路は：
   第一入力、第二入力および出力を有するバッファ増幅器と；
   前記電圧ループ増幅器の出力と前記バッファ増幅器の第一入力との間に接続された第一抵抗要素と；
   電源電圧と前記バッファ増幅器の第一入力との間に接続された第二抵抗要素と；
   前記バッファ増幅器の出力と前記バッファ増幅器の第二入力との間に接続されたトランジスタと、を有する、請求項１のバッテリー充電回路。
9. 前記クランプ回路は、前記電流ループ増幅器出力と前記電圧ループ増幅器出力との間でクロスクランプできるようにさらに構成されている、請求項１のバッテリー充電回路。
10. 前記クランプ回路は：
    前記電流ループ増幅器の出力と前記電圧ループ増幅器の出力との間に接続され、前記電圧ループ増幅器が非動作状態で前記電流ループ増幅器が動作状態の場合に、前記電圧ループ増幅器の出力を前記電流ループ増幅器の出力に応じて所定のレベルにクランプするように構成された電圧ループクランプ回路と；
    前記電圧ループ増幅器の出力と前記電流ループ増幅器の出力との間に接続され、前記電流ループ増幅器が非動作状態で前記電圧ループ増幅器が動作状態の場合に、前記電流ループ増幅器の出力を前記電圧ループ増幅器の出力に応じて所定のレベルにクランプするように構成された電流ループクランプ回路と、を有する請求項９のバッテリー充電回路。
11. 前記電圧ループクランプ回路と前記電流ループクランプ回路はそれぞれ、一方の出力を他方の出力にバッファを介して接続したダイオードを有する、請求項１０のバッテリー充電回路。
12. 前記電圧ループクランプ回路と前記電流ループクランプ回路はそれぞれ、増幅器を有し、該増幅器は、該増幅器の出力信号を該増幅器の入力で受け取ってクランプトランジスタの制御端子を駆動する請求項１０のバッテリー充電回路。
13. バッテリー電力レベルを表す信号を受ける入力と、前記クランプ回路に接続された出力とを有し、該出力が前記電荷供給回路の動作を制御する動作状態と、該出力が前記電荷供給回路の動作を制御しない非動作状態とを有する電力ループ増幅器を有し、
    前記クランプ回路は前記電力ループ増幅器が非動作状態のときに前記電力ループ増幅器が飽和するのを阻止するように動作する、請求項１のバッテリー充電回路。
14. 出力を有する電圧ループ増幅器によってバッテリー電圧を検出するステップと、
    出力を有する電流ループ増幅器によってバッテリー電流を検出するステップと、
    前記電圧ループ増幅器の出力または前記電流ループ増幅器の出力に応じて前記バッテリーに供給される電荷量を制御するステップであって、前記バッテリーに供給される電荷量が前記電流ループ増幅器により制御されている場合前記電流ループ増幅器は動作状態であり、そうでなければ非動作状態であって、前記バッテリーに供給される電荷量が前記電圧ループ増幅器により制御されている場合前記電圧ループ増幅器は動作状態であり、そうでなければ非動作状態である、前記電荷量を制御するステップと、
    前記電圧ループ増幅器の出力と前記電流ループ増幅器の出力とを比較することにより前記電圧ループ増幅器と前記電流ループ増幅器のいずれが非動作状態かを判定するステップと、
    前記いずれが非動作状態かの判定ステップに応答して、前記電圧ループ増幅器と前記電流ループ増幅器の内の非動作状態と判定された方のループ増幅器の出力をクランプすることにより、該非動作状態のループ増幅器が飽和するのを阻止するクランプステップと、から成るバッテリー充電方法。
15. 前記クランプステップにおいて、前記電流ループ増幅器が非動作状態の場合、前記電流ループ増幅器の出力を前記電圧ループ増幅器の出力よりも１ダイオード分高い電圧とほぼ等しい電圧にクランプする、請求項１４のバッテリー充電方法。
16. 前記クランプステップにおいて、前記電流ループ増幅器が非動作状態の場合、前記電流ループ増幅器の出力を前記電圧ループ増幅器の出力にほぼ等しい電圧にクランプする、請求項１４のバッテリー充電方法。
17. 前記非動作状態のループ増幅器の出力をクランプ電位に選択的に結合するクランプトランジスタが設けられ、前記クランプステップは前記クランプトランジスタを作動状態にして該クランプ電位に結合するステップを含む請求項１４のバッテリー充電方法。
18. 前記電圧ループ増幅器が非動作状態のときに前記電圧ループ増幅器の出力を前記電流ループ増幅器の出力でクランプすることにより前記電流ループ増幅器が飽和するのを阻止するステップをさらに有する、請求項１４のバッテリー充電方法。
19. 出力を有する電力ループ増幅器によってバッテリー電力レベルを検出するステップをさらに有し、前記バッテリーに供給される電荷量の制御は前記電力ループ増幅器の出力に応答しておこなわれ、前記バッテリーに供給される電荷量が前記電力ループ増幅器により制御されている場合前記電力ループ増幅器は動作状態であり、そうでなければ非動作状態であって、前記クランプステップはさらに前記電力ループ増幅器が非動作状態のときに前記電力ループ増幅器の出力をクランプして、前記電力ループ増幅器が飽和するのを阻止する請求項１４のバッテリー充電方法。

Images