JP4431119B2

JP4431119B2 - 充電器

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Publication number: JP4431119B2
Application number: JP2006089154A
Authority: JP
Inventors: 裕一朗橋本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: US7474079B2; JP2007267509A; US20070229028A1

Description

本発明は、二次電池の充電器に関し、特に、携帯機器等の二次電池を効率良く充電する充電器に関する。

近年、携帯機器に使用される電池の高容量化、携帯機器の使用時及び充電中の安全設計化に伴って、二次電池を安全に且つ効率良く充電を行うための技術が必要とされている。携帯機器の充電システムは、ＡＣアダプタに代表される外部電源を入力源とし、シリーズレギュレータ構成の充電器を介して二次電池を充電する構成が一般的である。シリーズレギュレータは、入出力間に制御トランジスタを設け、この制御トランジスタを可変インピーダンスとして、出力電圧（二次電池の充電電圧）や出力電流（二次電池への充電電流）を制御する。以下、この制御トランジスタを充電器の充電制御用トランジスタと呼ぶ。

さて外部電源にも一般に過電流保護機能が設けられている。通常の過電流保護は、外部電源の出力電流（すなわち、充電器にとっての入力電流であり、二次電池への充電電流でもある。）が制限値に達すると、その電流値を保持しながら外部電源の出力電圧（以後、充電器から見て、外部電源からの供給電圧と称する。）が低下していく垂下特性を有する。充電器にとっては、この垂下特性によって外部電源は２種類に大別される。一つは電流制限値が充電器の最大充電電流より小さい外部電源であり、もう一つは電流制限値が充電器の最大充電電流以上の外部電源である。

二次電池の電圧が低くて充電器が最大充電電流で充電しようとする充電初期において、外部電源の電流制限値が充電器の最大充電電流より小さい場合には、外部電源からの供給電圧は垂下状態にあり、充電制御用トランジスタは飽和状態で動作する。一方、外部電源の電流制限値が充電器の最大充電電流以上の場合には、外部電源からの供給電圧は低下していないので、充電制御用トランジスタには外部電源からの供給電圧Ｖｃと二次電池の電圧Ｖｂの差電圧（Ｖｃ−Ｖｂ）が印加され、この差電圧に最大充電電流Ｉｃｈｍａｘを乗算した損失Ｐｄ＝（Ｖｃ−Ｖｂ）×Ｉｃｈｍａｘが発生してしまう。

特許文献１には、外部電源からの供給電圧が印加される入力端子と充電制御用トランジスタの間にスイッチング方式の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを設け、このＤＣ／ＤＣコンバータによって効率よく外部電源からの供給電圧を降圧し、充電制御用トランジスタによる損失を低減する充電器が開示されている。

図７は、上記特許文献１記載の充電器の構成を示すブロック図である。

図７において、１は直流電圧Ｖｃを供給するＡＣアダプタ、２は二次電池、１０は充電器であり、充電器１０は、供給電圧Ｖｃを電圧Ｖａに高効率に変換する降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ２０からの電圧Ｖａに基づいて充電電流Ｉｃｈを二次電池２に供給する制御を行う充電制御部３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力電圧Ｖａと電池電圧Ｖｂとの差電圧を検知する電圧差検知回路４０とを備えて構成される。

降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、制御トランジスタ２１、インダクタ２２、転流ダイオード２３、コンデンサ２４、及びＤＣ／ＤＣ制御部２５から構成され、充電制御部３０は、充電制御用トランジスタ３１、充電電流検出抵抗３２、及び充電制御回路３３からなるシリーズレギュレータである。電圧差検知回路４０の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０にフィードバックされ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、検知差電圧（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように出力電圧Ｖａを制御する。降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ２０において、差電圧（Ｖａ−Ｖｂ）を一定に追従することで、充電制御部３０における充電電流Ｉｃｈの供給時の電力損失を防いでいる。

図８は、上記充電器１０の各部の動作波形図であり、二次電池２の充電初期から充電完了までの各部タイムチャートを示す。図８中、ＡＣアダプタ１からの供給電圧Ｖｃ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力電圧Ｖａ、二次電池２の電池電圧Ｖｂ、充電制御部３０からの充電電流Ｉｃｈである。図８に示すように、電池電圧Ｖｂが低い充電初期においては一定の最大充電電流で充電し（図８のＣＣ充電参照）、電池電圧Ｖｂが満充電電圧に近い所定値に達すると定電圧充電（図８のＣＶ充電参照）に切り替わる。全期間を通じ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力電圧Ｖａは、電池電圧Ｖｂの変化に追従して変化する。したがって、電池電圧Ｖｂが小さな充電初期においては、出力電圧Ｖａは小さな値となり、ＣＣ充電における充電制御部３０の電力損失は、Ｐｄ＝（Ｖａ−Ｖｂ）×Ｉｃｈｍａｘで表されるように低減される。なお、充電器１０全体の電力損失であればＤＣ／ＤＣ分を考慮する必要があり次式（１）で示される。充電器１０のトータルの電力損失は、次式（２）となる。
Ｐｄ（ＤＣ／ＤＣ）＝Ｖａ×Ｉｃｈｍａｘ×（１−効率）／効率 …（１）
Ｐｄ＝（Ｖａ−Ｖｂ）×Ｉｃｈｍａｘ＋Ｖａ×Ｉｃｈｍａｘ×（１−効率）／効率
…（２）
特開平６−２５３４６７号公報

しかしながら、このような従来の充電器にあっては、外部電源の電流制限値が充電器の最大充電電流より小さい場合や、電池電圧が低い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作が不安定となるという問題がある。

例えば、図７の構成の充電器１０は、外部電源の電流制限値が充電器１０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘ以上の場合を前提としたものである。外部電源の電流制限値が充電器１０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘより小さい場合には、充電初期のＣＣ充電においてＤＣ／ＤＣコンバータ２０の入力電圧である外部電源からの供給電圧Ｖｃが低下するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作が不安定となる。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、検知差電圧（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように出力電圧Ｖａを制御するので、供給電圧Ｖｃが極端に小さいとＤＣ／ＤＣコンバータ２０が飽和状態となり動作が不安定となる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の差電圧出力動作としては動作していないにも関わらず、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０には電源供給がされており電力の無駄とノイズの増幅という意味のない動作となる。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作が不安定な状態で、充電制御部３０が充電を行うことは安全上好ましくない。

また、電池電圧が低い場合に最大充電電流で急速充電すると、二次電池２に対してダメージを与える危険性があるという問題もある。例えば、図８のＣＣ充電に示す充電開始初期において、二次電池２に対して充電可能な充電電流を目一杯供給することは二次電池２にダメージを与え劣化となるばかりか発熱等の危険性が生じる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、外部電源の電流制限値が充電器の最大充電電流より小さい場合や、電池電圧が低い場合であっても安全に充電することができ、かつ二次電池にダメージを与えない安全な充電ができる充電器を提供することを目的とする。

本発明の充電器は、外部電源からの電力供給を受け、二次電池を充電する充電器であって、前記外部電源からの供給電圧を入力し、前記供給電圧が第１の供給電圧値以上の場合には所定の直流電圧を出力し、前記供給電圧が前記第１の供給電圧値より小さい場合には入出力間を低抵抗状態とするＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を入力し、前記二次電池の電池電圧が第１の電池電圧値以上の場合には前記二次電池に所定の充電電流を供給し、前記二次電池の電池電圧が前記第１の電池電圧値より小さい場合には充電電流を供給しない制御を行う充電制御部と、前記外部電源からの供給電圧を入力し、前記二次電池の電池電圧が第２の電圧値以下の場合には前記充電制御部の充電電流より小さい電流で充電する予備充電回路とを備える構成を採る。

より好ましい具体的な態様として、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、該ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間に主スイッチ素子とインダクタとを直列に接続し、前記主スイッチ素子のオンオフ動作を制御するＤＣ／ＤＣ制御回路を有する降圧型スイッチングレギュレータからなり、前記ＤＣ／ＤＣ制御回路は、前記供給電圧が前記第１の供給電圧値以上の場合には、該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記二次電池の電池電圧より第３の電圧値高くなるように前記主スイッチ素子を制御し、前記供給電圧が前記第１の供給電圧値より小さい場合には、前記主スイッチ素子をオン状態に固定する。

より好ましい具体的な態様として、前記充電制御部は、該充電制御部の入出力間に接続される充電制御用トランジスタと、前記充電制御用トランジスタの電流を検出する充電電流検出手段と、前記充電電流検出手段の出力と前記二次電池の電池電圧を入力されて前記充電制御用トランジスタを駆動する充電制御回路を有するシリーズレギュレータからなり、前記充電制御回路は、前記二次電池の電池電圧が第１の電池電圧値より小さい場合には、前記充電制御用トランジスタをオフ状態とし、前記二次電池の電池電圧が第１の電池電圧値以上且つ満充電電圧に近い第２の電池電圧値より小さい場合には、前記充電制御用トランジスタの電流が一定値となるように前記充電制御用トランジスタを駆動し、前記二次電池の電池電圧が第２の電池電圧値に至ると、前記二次電池の電池電圧もしくは前記充電制御用トランジスタの出力電圧が一定となるように前記充電制御用トランジスタを駆動する。

本発明によれば、外部電源の電流制限値が充電器の最大充電電流より小さい場合、外部電源の垂下特性によって供給電圧が小さくても、ＤＣ／ＤＣコンバータの主スイッチ素子がオン状態であるので、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作不安定状態が回避され、安定した充電ができる。また、充電初期の電池電圧が低い場合にも予備充電によって充電電流を抑制するので、二次電池にダメージを与えない安全な充電ができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る充電器の構成を示すブロック図である。本実施の形態は、携帯機器の充電器に適用した例である。

図１において、１０１は直流電圧Ｖｃを供給するＡＣアダプタ、１０２は二次電池、１００は充電器であり、充電器１００は、供給電圧Ｖｃを電圧Ｖａに高効率に変換する降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ１１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０からの電圧Ｖａに基づいて充電電流Ｉｃｈを二次電池１０２に供給する制御を行う充電制御部１２０と、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂを基準電圧と比較する比較器１３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａと電池電圧Ｖｂとの差電圧を検知する電圧差検知回路１４０と、ＡＣアダプタ１０１の直流電圧Ｖｃを基準電圧と比較する比較器１５０と、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂが所定の電圧値以下の場合には充電制御部１２０の充電電流より小さい電流で充電する予備充電回路１６０と、比較器１３０、電圧差検知回路１４０及び比較器１５０の出力に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、充電制御部１２０及び予備充電回路１６０を制御するＤＣ／ＤＣ，予備充電，急速充電制御回路（以下、単に制御回路という）１７０とを備えて構成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、主スイッチ素子である制御トランジスタ１１１、インダクタ１１２、転流ダイオード１１３、コンデンサ１１４、及びＤＣ／ＤＣ制御部１１５から構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、外部電源（ここではＡＣアダプタ１０１）からの供給電圧を入力し、供給電圧が第１の供給電圧値以上の場合には所定の直流電圧を出力し、供給電圧が第１の供給電圧値より小さい場合には入出力間を低抵抗状態とする。

具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の入出力間に制御トランジスタ（主スイッチ素子）１１１とインダクタ１１２とを直列に接続し、制御トランジスタ１１１のオンオフ動作を制御するＤＣ／ＤＣ制御部１１５を有する降圧型スイッチングレギュレータであり、ＤＣ／ＤＣ制御部１１５は、制御回路１７０からの制御信号を受けて、外部電源１０１からの供給電圧Ｖｃが第１の供給電圧値以上の場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧が二次電池１０２の電池電圧Ｖｂより第３の電圧値だけ高くなるように制御トランジスタ１１１を制御し、供給電圧Ｖｃが第１の供給電圧値より小さい場合には、制御トランジスタ１１１をオン状態に固定する。

充電制御部１２０は、充電制御用トランジスタ１２１、充電電流検出抵抗１２２、及び充電制御回路１２３からなるシリーズレギュレータである。充電制御部１２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧を入力し、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂが第１の電池電圧値以上の場合には二次電池１０２に所定の充電電流を供給し、二次電池の電池電圧Ｖｂが第１の電池電圧値より小さい場合には充電電流を供給しない制御を行う。

具体的には、充電制御部１２０は、充電制御部１２０の入出力間に接続される充電制御用トランジスタ１２１と、充電制御用トランジスタ１２１の電流を検出する充電電流検出抵抗１２２と、充電電流検出抵抗１２２の出力と二次電池１０２の電池電圧Ｖｂを基に充電制御用トランジスタ１２１を駆動する充電制御回路１２３を有するシリーズレギュレータであり、充電制御回路１２３は、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂが第１の電池電圧値より小さい場合には、充電制御用トランジスタ１２１をオフ状態とし、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂが第１の電池電圧値以上且つ満充電電圧に近い第２の電池電圧値より小さい場合には、充電制御用トランジスタ１２１の電流が一定値となるように充電制御用トランジスタ１２１を駆動し、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂが第２の電池電圧値に至ると、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂもしくは充電制御用トランジスタ１２１の出力電圧が一定となるように充電制御用トランジスタ１２１を駆動する。

比較器１３０は、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂを基準電圧と比較して二次電池１０２が所定の電池電圧（例えば、充電完了電圧）にあることを検出する。

電圧差検出回路１４０は、差動増幅器１４１、抵抗１４２、及び定電流源１４３から構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａと電池電圧Ｖｂとの差電圧を検知する。

予備充電回路１６０は、充電制御部１２０と同様のシリーズレギュレータから構成され、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ以下の場合に制御回路１７０からの制御信号によって動作し、二次電池１０２を微小電流で充電する。このとき、充電制御部１２０の充電制御回路１２３は、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ以下の場合に、充電制御用トランジスタ１２１をオフ状態に固定する。このように、予備充電回路１６０は、外部電源からの供給電圧を入力し、二次電池１０２の電池電圧が第２の電圧値以上の場合には二次電池１０２に充電電流を供給せず、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂが第２の電圧値以下の場合には充電制御部１２０の充電電流より小さい電流で充電する。

制御回路１７０は、比較器１３０、電圧差検知回路１４０及び比較器１５０の出力に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、充電制御部１２０及び予備充電回路１６０を制御する複数の制御機能（１）〜（５）を有する。（１）制御回路１７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａと電池電圧Ｖｂとの差電圧を検知する電圧差検知回路１４０の検知結果を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０のＤＣ／ＤＣ制御回路１１５にフィードバックするＤＣ／ＤＣフィードバック制御を行う。このＤＣ／ＤＣフィードバック制御により、ＤＣ／ＤＣ制御回路１１５は、検知差電圧（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように制御トランジスタ（主スイッチ素子）１１１のオンオフ時間を調整して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａを制御する。（２）制御回路１７０は、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ１以下の場合に、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ２になるまで予備充電回路１６０に制御信号を出力し、予備充電回路１６０は、二次電池１０２を微小電流で充電する。（３）制御回路１７０は、上記（２）の場合、ＤＣ／ＤＣ制御部１１５に制御信号を出力し、ＤＣ／ＤＣ制御部１１５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の制御トランジスタ１１１をオン状態に固定する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の動作不安定が未然に防止される。（４）制御回路１７０は、上記（２）の場合、充電制御部１２０の充電制御回路１２３に制御信号を出力し、充電制御回路１２３は、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ１以下の場合に、充電制御用トランジスタ１２１をオフ状態に固定する。（５）制御回路１７０は、比較器１３０からの二次電池１０２の電池電圧の検出結果を基に上記各回路部に制御信号を出力して急速充電、又は充電完了の制御を行う。

図２は、上記予備充電回路１６０の詳細な構成を示す回路図である。

図２において、予備充電回路１６０は、基準電圧Ｖｒｅｆ発生部２００、増幅器２０１，２０２、ＭＯＳトランジスタ２０３〜２０５、抵抗２０６〜２０９、定電流源２１０、及びアダプタ着脱検出信号によりオン／オフするスイッチ２１１を備えて構成される。上記構成に示すように、予備充電回路１６０は、汎用のシリーズレギュレータと同一構成をとる。シリーズレギュレータは、ＣＰＵの待機時など軽負荷の場合に適しており、また応答時間が早い特徴がある。

以下、上述のように構成された充電器の動作について説明する。

まず、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘが充電制御部１２０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘ以上の場合の充電制御動作について説明する。

図３は、充電器１００の各部の動作波形図である。図３は、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘが充電制御部１２０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘ以上の場合の、二次電池１０２の充電初期から充電完了までの各部タイムチャートである。図３中、外部電源１０１からの供給電圧Ｖｃ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａ、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂ、充電制御部１２０からの充電電流Ｉｃｈである。

まず、充電初期において、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ１より低い時には、充電制御回路１２３は充電制御用トランジスタ１２１をオフ状態に固定し、予備充電回路１６０が動作して二次電池１０２を電流Ｉｃｈｓｕｂで充電する予備充電を行う。この充電電流Ｉｃｈｓｕｂは、電池電圧が低くても二次電池１０２にダメージを与えない程度に小さく設定される。

予備充電によって電池電圧Ｖｂが上昇して所定値Ｖｂｘ１を超え、所定値Ｖｂｘ２に達すると、制御回路１７０からの制御信号を受けて充電制御回路１２３は、予備充電回路１６０を停止する。また、予備充電によって電池電圧Ｖｂが上昇して所定値Ｖｂｘ１を超えた時点で、充電制御用トランジスタ１２１を能動状態とし、最大充電電流Ｉｃｈｍａｘで急速充電するＣＣ充電（図３のＣＣ充電参照）に移行する。そして、電池電圧Ｖｂが満充電電圧に近い所定値Ｖｂｍａｘに達すると、定電圧充電（図３のＣＶ充電参照）に切り替わる。図３のＣＣ充電とＣＶ充電の重なりに示されるように、予備充電回路１６０による小さい電流の充電は、充電制御部１２０による定電圧充電が開始されても、予備充電によって電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ２に達するまでは続けられ瞬断などが未然に防止される。

一方、全期間を通じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように動作し、電圧Ｖａは、電池電圧Ｖｂの変化に追従して変化する。

次に、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘが充電制御部１２０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘより小さい場合の充電制御動作について説明する。

図４は、充電器１００の各部の動作波形図である。図４は、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘが充電制御部１２０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘより小さい場合の、二次電池１０２の充電初期から充電完了までの各部タイムチャートである。図４中、外部電源１０１からの供給電圧Ｖｃ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａ、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂ、充電制御部１２０からの充電電流Ｉｃｈである。

まず、充電初期において、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ１より低い時には、制御回路１７０からの制御信号を受けて充電制御回路１２３は、充電制御用トランジスタ１２１をオフ状態に固定し、予備充電回路１６０が動作して二次電池１０２を微小電流Ｉｃｈｓｕｂで充電する予備充電を行う。この時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように動作し、電圧Ｖａは、電池電圧Ｖｂの変化に追従して変化する。

予備充電によって電池電圧Ｖｂが上昇して所定値Ｖｂｘ１を超えると、所定値Ｖｂｘ２に達すると、制御回路１７０からの制御信号を受けて充電制御回路１２３は、予備充電回路１６０を停止する。また、予備充電によって電池電圧Ｖｂが上昇して所定値Ｖｂｘ１を超えた時点で、充電制御用トランジスタ１２１を能動状態とし、最大充電電流Ｉｃｈｍａｘで急速充電するＣＣ充電（図４のＣＣ充電参照）に移行する。この場合も図４のＣＣ充電とＣＶ充電の重なりに示されるように、予備充電回路１６０による小さい電流の充電は、充電制御部１２０による定電圧充電が開始されても、予備充電によって電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ２に達するまでは続けられる。

ここで、図３の充電電流Ｉｃｈと図４の充電電流Ｉｃｈとを比較して分かるように、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘが充電制御部１２０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘより小さいため、充電電流Ｉｃｈは、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘに制限され、供給電圧Ｖｃは低下する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、この供給電圧Ｖｃの低下を検知した制御回路１７０からの制御信号を受けると、制御トランジスタ（主スイッチ素子）１１１をオン状態に固定する。したがって、図４に示すＣＣ充電では、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘによる定電流充電が行われる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａと二次電池１０２の電池電圧Ｖｂとの差（Ｖａ−Ｖｂ）は、ほぼ検出抵抗１２２の抵抗値Ｒｓと充電電流Ｉｃｍａｘとの積Ｒｓ×Ｉｃｍａｘとなる。

やがて、電池電圧Ｖｂが満充電電圧に近い所定値Ｖｂｍａｘに達すると、定電圧充電（図４のＣＶ充電参照）に切り替わる。再び、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように動作し、電圧Ｖａは電池電圧Ｖｂの変化に追従して変化する。また、充電電流Ｉｃｈの減少によって外部電源１０１は垂下動作から通常動作に戻り、供給電圧Ｖｃも通常値となる。

以上のように、充電初期の電池電圧Ｖｂが所定値以下の場合に、予備充電回路１６０によって小さい電流Ｉｃｈｓｕｂで充電を行うため、二次電池１０２に対するダメージを低減できる。また、ＣＣ充電において、外部電源１０１からの供給電圧Ｖｃが所定値以下の場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の制御トランジスタ（主スイッチ素子）１１１をオン状態として、外部電源１０１からの供給電圧Ｖｃをそのまま充電制御部１２０に供給する。このことにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の動作は低入力であるにもかかわらず安定する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、充電器１００は、出力電圧Ｖａと二次電池１０２の電池電圧Ｖｂとの差（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように動作するＤＣ／ＤＣコンバータ１１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０からの電圧Ｖａに基づいて充電電流Ｉｃｈを二次電池１０２に供給する制御を行う充電制御部１２０と、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂが所定の電圧値以下の場合には充電制御部１２０の充電電流より小さい電流で充電する予備充電回路１６０と、比較器１３０、電圧差検知回路１４０及び比較器１５０の出力に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、充電制御部１２０及び予備充電回路１６０を制御する制御回路１７０とを備え、制御回路１７０は、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ１より低い時には、充電制御部１２０の充電制御回路１２３が、充電制御用トランジスタ１２１をオフ状態に固定するとともに、予備充電回路１６０を動作させて二次電池１０２を微小電流Ｉｃｈｓｕｂで充電する予備充電を行う一方、供給電圧Ｖｃが第１の供給電圧値より小さい場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の制御トランジスタ１１１をオン状態に固定する制御を行う。すなわち、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ１より低い時には、本来の充電の制御系ではなくて予備充電回路１６０の経路で電流を供給し、ある程度電池電圧Ｖｂが上昇した段階で本来の充電に切り替える。また、動作不安定領域にあるＤＣ／ＤＣコンバータ１１０出力を止め、制御トランジスタ１１１や充電制御用トランジスタ１２１は常にオン状態にする制御を行う。これにより、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘが充電器１００の最大充電電流より小さい場合、外部電源１０１の垂下特性によって供給電圧Ｖｃが小さくても、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の制御トランジスタ１１１がオン状態であるためＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の不安定動作を回避して安定した充電ができる。この場合は、充電初期の電池電圧Ｖｂが低い場合に対応しており、予備充電によって充電電流を抑制するので、二次電池１０２にダメージを与えない安全な充電ができる効果がある。前記図８に示す従来例のように、定格で最大電流を流していた場合に比べ、図３及び図４に示すように予備充電で、充電電流より小さい充電電流で充電することで、二次電池１０２にダメージを与えないことは明らかであろう。

また、本実施の形態では、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ１より低い場合に、予備充電回路１６０により予備充電を開始し、電池電圧Ｖｂが上昇しても所定値Ｖｂｘ２に達すまでは、予備充電回路１６０による予備充電は続けているので、電流供給に切れ目がなくなり確実な充源供給が可能になる。

なお、本実施の形態では、電池電圧Ｖｂの検出結果に基づいて、制御回路１７０が、予備充電回路１６０の予備充電期間を制御している。本制御は、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘ２に達したことを確認してから予備充電回路１６０の予備充電を止めるので、電池の充電状態に関わらず確実に予備充電を行うことができる点で好ましいが、簡易な構成としてタイマー等を用いて一定期間予備充電を行う態様でもよい。

また、本実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の制御トランジスタ（主スイッチ素子）１１１オン状態にする制御を行うものであるが、これに併せてＤＣ／ＤＣコンバータ１１０へのパワートランジスタの入力を遮断してもよいし、増幅器の電源供給を遮断してもよい。これは省電力化の効果もある。

（実施の形態２）
実施の形態２は、予備充電回路１６０による予備充電後直ちに最大充電電流Ｉｃｈｍａｘで急速充電するＣＣ充電に切り替える例である。本発明の実施の形態２に係る充電器のハード的構成は、図１及び図２の充電器１００と同一であるため説明を省略する。

図５は、充電器１００の各部の動作波形図である。図５は、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘが充電制御部１２０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘ以上の場合の、二次電池１０２の充電初期から充電完了までの各部タイムチャートである。図５中、外部電源１０１からの供給電圧Ｖｃ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａ、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂ、充電制御部１２０からの充電電流Ｉｃｈである。

まず、充電初期において、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘより低い時には、充電制御回路１２３は充電制御用トランジスタ１２１をオフ状態に固定し、予備充電回路１６０が動作して二次電池１０２を電流Ｉｃｈｓｕｂで充電する予備充電を行う。この充電電流Ｉｃｈｓｕｂは、電池電圧が低くても二次電池１０２にダメージを与えない程度に小さく設定される。

予備充電によって電池電圧Ｖｂが上昇して所定値Ｖｂｘを超えると、制御回路１７０からの制御信号を受けて充電制御回路１２３は、予備充電回路１６０を停止するとともに、充電制御用トランジスタ１２１を能動状態とし、最大充電電流Ｉｃｈｍａｘで急速充電するＣＣ充電（図５のＣＣ充電参照）に移行する。そして、電池電圧Ｖｂが満充電電圧に近い所定値Ｖｂｍａｘに達すると、定電圧充電（図５のＣＶ充電参照）に切り替わる。一方、全期間を通じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように動作し、電圧Ｖａは、電池電圧Ｖｂの変化に追従して変化する。

図６は、充電器１００の各部の動作波形図である。図６は、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘが充電制御部１２０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘより小さい場合の、二次電池１０２の充電初期から充電完了までの各部タイムチャートである。図６中、外部電源１０１からの供給電圧Ｖｃ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａ、二次電池１０２の電池電圧Ｖｂ、充電制御部１２０からの充電電流Ｉｃｈである。

まず、充電初期において、電池電圧Ｖｂが所定値Ｖｂｘより低い時には、制御回路１７０からの制御信号を受けて充電制御回路１２３は、充電制御用トランジスタ１２１をオフ状態に固定し、予備充電回路１６０が動作して二次電池１０２を微小電流Ｉｃｈｓｕｂで充電する予備充電を行う。この時、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように動作し、電圧Ｖａは、電池電圧Ｖｂの変化に追従して変化する。

予備充電によって電池電圧Ｖｂが上昇して所定値Ｖｂｘを超えると、充電制御回路１２３は、予備充電回路１６０を停止するとともに充電制御用トランジスタ１２１を能動状態とし、最大充電電流Ｉｃｈｍａｘで急速充電するＣＣ充電（図６のＣＣ充電参照）に移行する。

ここで、図５の充電電流Ｉｃｈと図６の充電電流Ｉｃｈとを比較して分かるように、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘが充電制御部１２０の最大充電電流Ｉｃｈｍａｘより小さいため、充電電流Ｉｃｈは、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘに制限され、供給電圧Ｖｃは低下する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、この供給電圧Ｖｃの低下を検知した制御回路１７０からの制御信号を受けると、制御トランジスタ（主スイッチ素子）１１１をオン状態に固定する。したがって、図６に示すＣＣ充電では、外部電源１０１の電流制限値Ｉｃｍａｘによる定電流充電が行われる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の出力電圧Ｖａと二次電池１０２の電池電圧Ｖｂとの差（Ｖａ−Ｖｂ）は、ほぼ検出抵抗１２２の抵抗値Ｒｓと充電電流Ｉｃｍａｘとの積Ｒｓ×Ｉｃｍａｘとなる。

やがて、電池電圧Ｖｂが満充電電圧に近い所定値Ｖｂｍａｘに達すると、定電圧充電（図６のＣＶ充電参照）に切り替わる。再び、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０は、（Ｖａ−Ｖｂ）が一定となるように動作し、電圧Ｖａは電池電圧Ｖｂの変化に追従して変化する。また、充電電流Ｉｃｈの減少によって外部電源１０１は垂下動作から通常動作に戻り、供給電圧Ｖｃも通常値となる。

以上のように、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、充電初期の電池電圧Ｖｂが所定値以下の場合に、予備充電回路１６０によって小さい電流Ｉｃｈｓｕｂで充電を行うため、二次電池１０２に対するダメージを低減できる。また、ＣＣ充電において、外部電源１０１からの供給電圧Ｖｃが所定値以下の場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の制御トランジスタ（主スイッチ素子）１１１をオン状態として、外部電源１０１からの供給電圧Ｖｃをそのまま充電制御部１２０に供給する。このことにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０の動作は低入力であるにもかかわらず安定する。

以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されることはない。

例えば、上記各実施の形態では、充電器１００は、制御回路１７０及び電圧差検出回路１４０を独立したブロックとして説明したが、その動作からも明らかなように制御回路１７０又は電圧差検出回路１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０のＤＣ／ＤＣ制御回路１１５又は充電制御回路１２３に含まれる構成であってもよく、同様の効果を得ることができる。

また、上記各実施の形態は、二次電池に適用した例であるが、ＤＣ／ＤＣコンバータとこのＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧により充電電流を制御する充電制御部を備える装置であれば、どのような回路構成であってもよい。また、上述した回路要素を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ、及び電源回路などであってもよい。

また、上記各実施の形態では充電器という名称を用いたが、これは説明の便宜上であり、レギュレータ、スイッチングレギュレータ、充電制御装置等であってもよいことは勿論である。

さらに、上記充電器、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びレギュレータなどを構成する各回路部、例えばスイッチ素子，比較器，アンプ等の種類、数及び接続方法などは前述した実施の形態に限られない。スイッチ素子は、例えばＭＯＳトランジスタを使用するのが一般的であるが、スイッチング動作を行う素子であればどのようなスイッチ素子であってもよい。

本発明に係る充電器は、携帯機器等の電池充電システムとして有用である。また、携帯機器以外の電子機器における充電器にも広く適用され得るものである。

本発明の実施の形態１に係る充電器の構成を示すブロック図上記実施の形態１に係る充電器の予備充電回路の詳細な構成を示す回路図上記実施の形態１に係る充電器の各部の動作波形図上記実施の形態１に係る充電器の各部の動作波形図本発明の実施の形態２に係る充電器の各部の動作波形図上記実施の形態２に係る充電器の各部の動作波形図従来の充電器の構成を示すブロック図従来の充電器の各部の動作波形図

符号の説明

１００充電器
１０１ＡＣアダプタ
１０２二次電池
１１０ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１１制御トランジスタ（主スイッチ素子）
１１２インダクタ
１１３転流ダイオード
１１４コンデンサ
１１５ＤＣ／ＤＣ制御部
１２０充電制御部
１２１充電制御用トランジスタ
１２２充電電流検出抵抗
１２３充電制御回路
１３０，１５０比較器
１４０電圧差検知回路
１６０予備充電回路
１７０ＤＣ／ＤＣ，予備充電，急速充電制御回路

Claims

外部電源からの電力供給を受け、二次電池を充電する充電器であって、
前記外部電源からの供給電圧を入力し、前記供給電圧が第１の供給電圧値以上の場合には所定の直流電圧を出力し、前記供給電圧が前記第１の供給電圧値より小さい場合には入出力間を低抵抗状態とするＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を入力し、前記二次電池の電池電圧が第１の電池電圧値以上の場合には前記二次電池に所定の充電電流を供給し、前記二次電池の電池電圧が前記第１の電池電圧値より小さい場合には充電電流を供給しない制御を行う充電制御部と、
前記外部電源からの供給電圧を入力し、前記二次電池の電池電圧が第２の電圧値以下の場合には前記充電制御部の充電電流より小さい電流で充電する予備充電回路と
を備えることを特徴とする充電器。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、該ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力間に主スイッチ素子とインダクタとを直列に接続し、前記主スイッチ素子のオンオフ動作を制御するＤＣ／ＤＣ制御回路を有する降圧型スイッチングレギュレータからなり、
前記ＤＣ／ＤＣ制御回路は、前記供給電圧が前記第１の供給電圧値以上の場合には、該ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が前記二次電池の電池電圧より第３の電圧値高くなるように前記主スイッチ素子を制御し、前記供給電圧が前記第１の供給電圧値より小さい場合には、前記主スイッチ素子をオン状態に固定することを特徴とする請求項１記載の充電器。
前記充電制御部は、該充電制御部の入出力間に接続される充電制御用トランジスタと、前記充電制御用トランジスタの電流を検出する充電電流検出手段と、前記充電電流検出手段の出力と前記二次電池の電池電圧を入力されて前記充電制御用トランジスタを駆動する充電制御回路を有するシリーズレギュレータからなり、
前記充電制御回路は、前記二次電池の電池電圧が第１の電池電圧値より小さい場合には、前記充電制御用トランジスタをオフ状態とし、前記二次電池の電池電圧が第１の電池電圧値以上且つ満充電電圧に近い第２の電池電圧値より小さい場合には、前記充電制御用トランジスタの電流が一定値となるように前記充電制御用トランジスタを駆動し、前記二次電池の電池電圧が第２の電池電圧値に至ると、前記二次電池の電池電圧もしくは前記充電制御用トランジスタの出力電圧が一定となるように前記充電制御用トランジスタを駆動することを特徴とする請求項１記載の充電器。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記供給電圧が前記第１の供給電圧値より小さい場合には、通電オフによる動作停止、又は出力の停止を行うことを特徴とする請求項１記載の充電器。
前記予備充電回路は、前記外部電源からの供給電圧を入力し、前記二次電池の電池電圧が前記第２の電圧値以上の場合には前記二次電池に充電電流を供給しないことを特徴とする請求項１記載の充電器。