JP4575179B2 - リチウムイオン二次電池監視用半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池監視半導体装置に関し、特に、リチウムイオン二次電池に充電器を逆接続した際の保護回路に適用して有効な技術に関するものである。

本発明者が検討した技術として、例えば、リチウムイオン二次電池監視半導体装置においては、以下の技術が考えられる。

現在、携帯電話機などの携帯用電子機器には、軽量、高容量、サイクル寿命の長さなどの理由から、殆どの場合にリチウムイオン二次電池（以下、単に「電池」という。）が用いられている。しかしながら、この電池は、高容量のために過充電または外部接続端子間の短絡などの状態では、膨張、発熱、発火の危険性も高い。そのため危険状態を回避するため、従来の電池監視半導体装置では、過充電電圧検出、過放電電圧検出、過電流検出の３つの保護機能を備えている。

すなわち、この電池は、充電器を用いて充電する際に、充電完了状態を過ぎても定電流で充電を継続する場合、電池電圧の上昇を招く。このような過充電状態では、電池内部の圧力上昇により電池の破損、金属リチウムの析出による電極間短絡などが発生し、発熱、更には発火の危険性がある。

この電池の異常状態の一つとして、充電器逆接続状態がある。電池に充電器を逆接続した際の保護回路としては、例えば、特許文献１に記載された技術がある。
特開２００２−１７６７３１号公報

ところで、前記のような電池監視半導体装置の技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

例えば、電池に充電器を逆接続した状態の時、ある端子に、ＶＣＣ電位に対してＰＮ接合の順方向電圧よりも高い電位が加わることにより、大電流が流れる。本来の半導体装置では使用しない状態であるため異常状態となり、危険性が高まる。

このような充電器逆接続状態の保護回路として、例えば、過電流検出の監視機能がこの異常状態を検出し、電流遮断を行う方法が考えられる。しかし、過電流検出の監視機能ではノイズ除去タイマ時間を持たせているので、この方法では、直ちに電流遮断を行うことができないため、安全性が劣る。

そこで、本発明の目的は、電池監視半導体装置において、電源電圧よりも高い電位に検出電位を設け、その回路により充電器逆接続状態を検出し、直ちに電流を遮断して、より安全を向上させることができる技術を提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、本発明による電池監視半導体装置は、充電器逆接続を検出する検出回路を備え、その検出回路は、検出端子を入力とし、検出信号を出力とし、前記検出端子の電位が電源電圧の電位を超えた時に前記検出信号が反転する機能を有することを特徴とするものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

逆接続の検出専用に回路を設け、異常な過大電流を直ちに遮断できるため、安全性の向上が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は本発明の一実施の形態による電池監視半導体装置の全体構成を示す図、図２（ａ），（ｂ）は充電器の接続状態を示す図、図３は本実施の形態の電池監視半導体装置において、内部構成を示すブロック図、図４は図３の逆接続検出回路の構成例を示す回路図、図５は図３の逆接続検出回路の他の構成例を示す回路図である。

まず、図１により、本実施の形態による電池監視半導体装置の構成の一例を説明する。本実施の形態の電池監視半導体装置は、例えば電池監視ＩＣ１０１とされ、付加回路としてＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果型トランジスタ）１０２，１０３、抵抗１０４，１０５，１０６などからなり、電池１０７とともに電池パック１０８を構成している。

電池１０７の正（＋）極は、電池パック１０８のＰａｃｋ（＋）端子に接続され、また、抵抗１０４を介して電池監視ＩＣ１０１のＶＣＣ端子に接続される。

電池１０７の負（−）極は、ＦＥＴ１０２のソース電極と電池監視ＩＣ１０１のＧＮＤ端子に接続される。

ＦＥＴ１０２のドレイン電極はＦＥＴ１０３のドレイン電極に接続され、ＦＥＴ１０２のゲート電極は電池監視ＩＣ１０１のＤＣＨ端子に接続される。

ＦＥＴ１０３のソース電極は電池パック１０８のＰａｃｋ（−）端子に接続され、また、抵抗１０５を介して電池監視ＩＣ１０１のＩＤＴ端子に接続され、ＦＥＴ１０３のゲート電極は抵抗１０６を介して電池監視ＩＣ１０１のＣＨＧ端子に接続される。

電池パック１０８のＰａｃｋ（＋）端子とＰａｃｋ（−）端子の間には、充電器もしくは負荷１０９が接続される。

電池監視ＩＣ１０１のＶＣＣ端子は正極側の電源端子、ＧＮＤ端子は負極側の電源端子である。

ＩＤＴ端子（検出端子）は、過電流電圧検出入力、充電過電流検出入力及びＣＨＧ出力の負（−）極側電源端子であり、放電電流が増加してＩＤＴ端子の入力電圧が過電流検出電圧（Ｖ５）、または短絡電流検知電圧（Ｖ６）を超えるとＤＣＨ出力がロウレベル（ＧＮＤ）になり、その後、入力電圧がＶ５以下になると過電流状態から復帰する。過電流検出はＧＮＤ電位に対するＩＤＴ端子電位を監視することによって行われる。

ＤＣＨ端子は、放電回路遮断用外付けＦＥＴ１０２の駆動信号出力であり、電池１０７の電圧が正常な時はハイレベル（ＶＣＣ）となり、過放電状態または過電流状態を検出するとロウレベル（ＧＮＤ）になる。

ＣＨＧ端子は、充電回路遮断用外付けＦＥＴ１０３の駆動信号出力であり、電池１０７の電圧が正常な時はハイレベル（ＶＣＣ）となり、過充電状態または過大な充電器電圧を検出するとロウレベル（ＩＤＴ）になる。

図２に、充電器２０１の接続状態を示す。充電器２０１はＰａｃｋ（＋）端子とＰａｃｋ（−）端子との間に接続され、図２（ａ）は正常接続状態である。図２（ｂ）は充電器逆接続状態で、正負を逆に接続しているので異常電流が流れることになる。従来は、過電流検出機能によって異常電流を検出することにより間接的に逆接続を検出し、ノイズ除去タイマ時間後、ＦＥＴ１０２，１０３のゲート電位をコントロールすることにより電流遮断していた。本実施の形態では、ＩＤＴ端子の電位が電源電圧ＶＣＣよりも高い電位の逆接続検出回路３０１（図３〜図５により後述）を設けることにより、充電器逆接続の異常状態を直接、ＩＤＴ端子電圧で検出し、直ちに電流遮断を行う。すなわち、電源電圧よりも高い電位に検出電位を設け、異常状態を検知する。

次に、図３により、電池監視ＩＣ１０１の内部構成の一例を説明する。本実施の形態による電池監視ＩＣ１０１は、例えば、逆接続検出回路３０１、制御回路３０２、駆動回路３０３、基準電圧発生回路３０４、上限電圧検出回路３０５、下限電圧検出回路３０６、発振器３０７、カウンタ３０８、充電器電圧検出回路３０９、放電電流検出回路３１０などから構成される。

逆接続検出回路３０１では、ＩＤＴ端子からＩＤＴ３１１が入力し、駆動回路３０３へ検出信号３１２が出力している。また、検出信号３１２は、駆動回路３０３を介してＣＨＧ端子又はＤＣＨ端子に接続される。逆接続検出回路３０１は、ＩＤＴ３１１の電位が電源電圧ＶＣＣよりも高い電位になると、充電器逆接続の異常状態を検出し、検出信号３１２が反転する。駆動回路３０３は、検出信号３１２の反転を受けて、充電回路遮断用素子駆動信号又は放電回路遮断用素子駆動信号を反転させて、直ちに電流遮断を行う。

次に、図４により、逆接続検出回路３０１の内部構成の一例を説明する。本実施の形態による逆接続検出回路３０１は、例えば、アノードがＩＤＴ（検出端子）３１１に接続されたダイオード４０１と、一方の端子がダイオード４０１のカソードに接続され、他方の端子が第１の電源ＧＮＤに接続された抵抗（Ｒ）４０２と、一方の入力がダイオード４０１のカソードに接続され、他方の入力が第２の電源（電源電圧）ＶＣＣに接続され、検出信号３１２を出力する比較器４０３と、などからなる。

この逆接続検出回路３０１では、ダイオード４０１の閾値電圧をＶｔｈとすると、ＩＤＴ３１１の電位がＶＣＣ＋Ｖｔｈ以上になった時、比較器４０３の出力（検出信号３１２）が反転して、充電器逆接続の異常を検出する。

図５に、逆接続検出回路３０１の内部構成の他の一例を示す。この例による逆接続検出回路３０１は、一方の端子がＩＤＴ（検出端子）３１１に接続された第１の抵抗（Ｒ１）５０１と、一方の端子が第１の抵抗５０１の他方の端子５０６に接続され、他方の端子が第１の電源ＧＮＤに接続された第２の抵抗（Ｒ２）５０２と、一方の端子が第２の電源（電源電圧）ＶＣＣに接続された第３の抵抗（Ｒ３）５０３と、一方の端子が第３の抵抗５０３の他方の端子５０７に接続され、他方の端子が第１の電源ＧＮＤに接続された第４の抵抗（Ｒ４）５０４と、一方の入力が第１の抵抗５０１の他方の端子５０６に接続され、他方の入力が第３の抵抗５０３の他方の端子５０７に接続され、検出信号３１２を出力する比較器５０５と、などからなる。Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の各抵抗値は、［ＩＤＴの電位］＞［ＶＣＣの電位］の条件で比較器５０５の出力（検出信号３１２）が反転するように設定する。これにより、ＩＤＴ３１１の電位がＶＣＣを超えた時、比較器４０３の出力（検出信号３１２）が反転して、充電器逆接続の異常を検出する。

したがって、本実施の形態の電池監視半導体装置によれば、電源電圧よりも高い電位に検出電位を設けた検出回路により充電器逆接続状態を検出し、直ちに電流を遮断して、より安全を向上させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば、前記実施の形態においては、リチウムイオン二次電池について説明したが、これに限定されるものではなく、他の二次電池（繰返し充電可能な電池）についても適用可能である。

本発明は、リチウムイオン二次電池監視ＩＣ、充電制御ＩＣ等について適用可能である。

本発明の一実施の形態による電池監視半導体装置の全体構成を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の一実施の形態による電池監視半導体装置において、充電器の接続状態を示す図である。 本発明の一実施の形態による電池監視半導体装置において、内部構成を示すブロック図である。 図３の逆接続検出回路の構成例を示す回路図である。 図３の逆接続検出回路の他の構成例を示す回路図である。

符号の説明

１０１ 電池監視ＩＣ
１０２，１０３ ＦＥＴ
１０４，１０５，１０６，４０２，５０１，５０２，５０３，５０４ 抵抗
１０７ 電池
１０８ 電池パック
１０９ 充電器もしくは負荷
２０１ 充電器
３０１ 逆接続検出回路
３０２ 制御回路
３０３ 駆動回路
３０４ 基準電圧発生回路
３０５ 上限電圧検出回路
３０６ 下限電圧検出回路
３０７ 発振器
３０８ カウンタ
３０９ 充電器電圧検出回路
３１０ 放電電流検出回路
３１１ ＩＤＴ
３１２ 検出信号
４０１ ダイオード
４０３，５０５ 比較器

Claims (5)

1. リチウムイオン二次電池に組み込まれる電池監視用半導体装置であって、
   前記半導体装置は、前記電池の電極に接続される一対の電極端子と、検出端子と、放電回路遮断用外付け素子が接続される端子と、充電回路遮断用外付け素子が接続される端子と、充電器電圧検出回路と、放電電流検出回路と、制御回路と、駆動回路と、を備え、前記充電器電圧検出回路と前記放電電流検出回路とは前記検出端子における電圧変動または電流変動に応じた信号を前記制御回路に送り、前記制御回路は前記充電器電圧検出回路と前記放電電流検出回路とからの信号に応じて前記駆動回路を制御して前記外付け素子のそれぞれに制御信号を与えるように構成されてなり、
   前記半導体装置は、さらに、前記検出端子を入力とし、検出信号を前記駆動回路に出力する逆接続検出回路を備えてなり、前記検出端子の電位が電源電圧の電位を超えた時に前記検出信号を反転させ、タイマ時間を持たせた制御を経ることなく充電器からの電流を直ちに遮断するように構成されてなることを特徴とするリチウムイオン二次電池監視用半導体装置。
2. 請求項１記載のリチウムイオン二次電池監視用半導体装置において、
   前記逆接続検出回路は、
   アノードが前記検出端子に接続されたダイオードと、
   一方の端子が前記ダイオードのカソードに接続され、他方の端子が第１の電源に接続された抵抗と、
   一方の入力が前記ダイオードのカソードに接続され、他方の入力が第２の電源に接続され、前記検出信号を出力する比較器と、を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池監視用半導体装置。
3. 請求項１記載のリチウムイオン二次電池監視用半導体装置において、
   前記逆接続検出回路は、
   一方の端子が前記検出端子に接続された第１の抵抗と、
   一方の端子が前記第１の抵抗の他方の端子に接続され、他方の端子が第１の電源に接続された第２の抵抗と、
   一方の端子が第２の電源に接続された第３の抵抗と、
   一方の端子が前記第３の抵抗の他方の端子に接続され、他方の端子が前記第１の電源に接続された第４の抵抗と、
   一方の入力が前記第１の抵抗の他方の端子に接続され、他方の入力が前記第３の抵抗の他方の端子に接続され、前記検出信号を出力する比較器と、を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池監視用半導体装置。
4. 請求項１記載のリチウムイオン二次電池監視用半導体装置において、
   前記検出信号が反転した時に、直ちに、リチウムイオン二次電池と充電器との間の電流遮断を行う機能を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池監視用半導体装置。
5. 請求項４記載のリチウムイオン二次電池監視用半導体装置において、
   前記検出信号が反転した時に、充電回路遮断用素子駆動信号又は放電回路遮断用素子駆動信号が反転する機能を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池監視用半導体装置。

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