JP4581920B2 - カレントミラー回路および定電流回路 - Google Patents

Description

本発明は、対をなすトランジスタの共通のベースラインと電源線との間に抵抗が接続されたカレントミラー回路および複数の二次電池のセルが直列に接続されて構成される組電池について各セルごとに設けられた回路に対し定電流を供給する定電流回路に関する。

カレントミラー回路は、入力電流を所定のミラー比に従って変換して出力する回路であり、半導体集積回路装置では頻繁に用いられている。カレントミラー回路は、エミッタが電源線に接地され且つベース同士が接続された一対のトランジスタを備えており、電流入力側のトランジスタのコレクタ・ベース間が直接またはベース電流供給用トランジスタのベース・エミッタ間を介して接続されている。

一対のトランジスタのエミッタ面積が等しい場合において、これらトランジスタの電流増幅率が十分に大きいとミラー比は１になり、入力電流と出力電流は等しくなる。しかし、電流増幅率が大きく取れないとミラー比が１からずれ、出力電流は入力電流よりも小さくなる。特許文献１記載のカレントミラー回路は、制御電流を検出し、その検出した制御電流に応じて入力電流を制御することにより上記ずれを抑えている。
特開平９−２０４２３２号公報

ところで、カレントミラー回路において、電源線と一対のトランジスタの共通のベースラインとの間に抵抗が接続される場合がある。この抵抗は、ベースラインのインピーダンスを下げてノイズに対する耐量を高める作用を果たし、実回路においてノイズ対策としてしばしば用いられる。また、この抵抗によりベースラインの電位を電源線の電位に固定することができるので、例えばシステムが低消費電力モードに移行してカレントミラー回路への入力電流が遮断された場合に、トランジスタに流れる漏れ電流を防止する作用も果たす。こうした作用は抵抗値が低いほど大きくなる。

しかしながら、抵抗値を下げることにより抵抗に流れる電流が上記一対のトランジスタのベース電流と同程度以上になると、その抵抗に流れる電流に起因してミラー比がずれてしまう。このため、従来はベースラインのインピーダンス低減やベースラインの電位の固定等の観点から必要と認められる値にまで抵抗値を下げることができない場合があり、上述したノイズ対策や漏れ電流の防止を十分に行うことができなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、対をなすトランジスタの共通のベースラインと電源線との間に抵抗が接続されている場合でも高精度のミラー比が得られるカレントミラー回路を提供すること、およびこのカレントミラー回路を用いて、組電池の各セルごとに設けられた回路に対し高精度の定電流を供給する定電流回路を提供することにある。

請求項１に記載した手段によれば、共通の電源線と第１および第２のトランジスタのベースとの間に抵抗が接続されており、第３のトランジスタは、第１のトランジスタのベース電流、第２のトランジスタのベース電流および上記抵抗に流れる電流を流す。これに伴って、（補償電流を流さなければ）第１のトランジスタのコレクタ電流とカレントミラー回路の入力電流との間には、第３のトランジスタのベース電流だけの差が生じる。

本発明では、第１および第２のトランジスタのベース電流よりも大きい電流が流れるように上記抵抗の抵抗値が設定されている。これは、第１および第２のトランジスタのベースが接続されたベースラインのインピーダンスを十分に下げてノイズに対する耐量を高めるとともに、ベースラインの電位を電源線の電位に十分に固定してカレントミラー回路に電流が流れないときの第１、第２のトランジスタの漏れ電流を防止するためである。その結果、第３のトランジスタに流れる電流は上記抵抗に流れる電流が支配的となる。

そこで、電流補償回路は、第３のトランジスタのベース電流のうち主要な電流、すなわち抵抗に流れる電流を第３のトランジスタの電流増幅率で除した値にほぼ等しい補償電流を第１のトランジスタへの入力電流（カレントミラー回路の入力電流）に対し付加することにより、第１のトランジスタのコレクタ電流とカレントミラー回路の入力電流との差を補償する。これにより、ベースラインにノイズ対策または漏れ電流防止の観点から必要と認められる比較的低い抵抗値を持つ抵抗を接続しても、カレントミラー回路は高精度のミラー比を保つことができる。

上記抵抗に流れる電流と、第１のトランジスタに流れる入力電流はほぼ等しくなる。この条件の下で、電流補償回路は、第１のトランジスタに流れる電流に等しい電流を流す第５のトランジスタのベース電流を補償電流として出力する。第３のトランジスタに流れる電流は上記抵抗に流れる電流が支配的であるため、第３のトランジスタと第５のトランジスタの電流増幅率が等しければ、第３のトランジスタのベース電流と第５のトランジスタのベース電流（＝補償電流）は、逆極性であって且つ大きさがほぼ等しくなる。これにより、第１のトランジスタのコレクタ電流とカレントミラー回路の入力電流との差電流を補償できる。なお、上記抵抗に流れる電流と第２のトランジスタに流れる出力電流とがほぼ等しい条件の場合でも同様にして補償できる。

請求項２に記載した手段によれば、カレントミラー回路の電流出力側のトランジスタである第２のトランジスタのコレクタ電位が、電源線を基準にして第７のトランジスタのベース・エミッタ間電圧に固定されるので、第２のトランジスタについてアーリー効果の発生を防止でき、より高精度のミラー比が得られる。

請求項３に記載した手段によれば、組電池を構成するセルおよびそのセルごとに設けられた回路がｎグループ（ｎ≧２）に分けられており、各グループごとに設けられた第１のカレントミラー回路は、基準電流を入力してそれを当該グループに属する上記各回路に出力する。基準電流を出力する基準電流出力回路は何れか１つのグループに設けられており、他のグループへは当該他のグループごとに設けられた第２のカレントミラー回路を介して基準電流が供給される。

これらカレントミラー回路のうち少なくとも上記他のグループにおける第１および第２のカレントミラー回路に請求項１または２に記載したカレントミラー回路を用いたので、基準電流出力回路の出力電流に基づく基準電流を各グループに供給する際および各グループにおいてその基準電流を各回路に出力する際における基準電流のずれを低減することができ、各セルの回路に供給する基準電流の相互のばらつきを低減することができる。

また、この構成によれば、各グループ間で基準電流を精度よく伝達することができるので、各回路ごと（各セルごと）に基準電流出力回路を設ける必要がなくなり、従来よりも格段に小さい回路規模で各回路に高精度の定電流を供給することができる。また、ＩＣとして構成する場合には、定電流回路が形成されるチップ面積を小さくできるので、コストを大幅に低減することができる。

請求項４に記載した手段によれば、組電池を構成するセルおよびそのセルごとに設けられた回路を二次電池の低電位側から順にｎグループに分け、その各グループごとに当該グループにおいて最も低電位側に位置するセルの低電位側端子を共通の電圧ラインとしてカレントミラー回路を設けたので、電流出力トランジスタに印加される電圧の最大値を、各グループを構成するセルの全加算電圧以下に抑えることができる。

請求項５に記載した手段によれば、各グループに属するセルの数は相等しいので、組電池を構成するセルが均等にグループ化され、カレントミラー回路を構成するトランジスタの耐圧を下げることができる。

請求項６に記載した手段によれば、基準電流出力回路は、バンドギャップリファレンスで生成される高精度の基準電圧を電圧−電流変換回路により電流に変換するので、高精度の電流を出力できる。そして、その電流を第２のカレントミラー回路で折り返すので、セルごとに設けられた各回路にも高精度の電流を供給することができる。

請求項７に記載した手段によれば、セルごとに設けられた回路は、上記第１のカレントミラー回路から出力される定電流により生成された基準電圧を用いてセルの過充電あるいは過放電を検出するので、従来よりも小規模の回路構成でありながら高精度の充放電監視を行うことができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を組電池の過充電検出回路に適用した第１の実施形態について図１ないし図７を参照しながら説明する。
図４は、組電池の過充電検出回路および定電流回路の全体構成を示している。組電池１は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＶ）のバッテリとして用いられるもので、二次電池例えばリチウムイオン電池（３．６Ｖ／セル）から構成されている。この組電池１は、直列接続された複数のセルグループから構成されており、各セルグループは直列接続された８個のセルＢＣ１〜ＢＣ８から構成されている。１つのセルグループには、セルＢＣ１のプラス側端子Ｔ１、セルＢＣ２のプラス側端子（セルＢＣ１のマイナス側端子）Ｔ２、…、セルＢＣ８のプラス側端子（セルＢＣ７のマイナス側端子）Ｔ８およびセルＢＣ８のマイナス側端子ＴＧが設けられている。

二次電池特にリチウムイオン電池は過充電や過放電に弱く、定められた制限電圧範囲内で使用しないと著しく容量が減少したり発熱する虞がある。そのため、組電池１を使用する際には、各セルＢＣ１〜ＢＣ８の電圧が所定の上限電圧と下限電圧とで定まる電圧範囲内となるように充電状態（ＳＯＣ）を監視する必要がある。

組電池１の充電状態を監視し制御するＩＣ２は、上記セルグループごとに１つずつ用いられており、セル電圧を検出して各セルの充電状態を適正状態に保つ充放電制御を実行するようになっている。このため、ＩＣ２には、セルＢＣ１〜ＢＣ８ごとに過充電検出回路３と過放電検出回路が設けられている。過放電検出回路については図示しないが、過充電検出回路３と同様の構成となっている。組電池１とＩＣ２とが接続されると、組電池１の端子Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＧとＩＣ２内の電圧ラインＬＮ１、ＬＮ２、…、ＧＮＤとがそれぞれ接続された状態となる。

過充電検出回路３は、目標値とのずれが小さく且つセル間のばらつきも小さい基準電圧を生成するため、高精度の基準電流を必要とする。そこで、ＩＣ２は、セルＢＣ１〜ＢＣ８の各過充電検出回路３に対し一定の基準電流を供給する定電流回路４を備えている。この定電流回路４は、セルＢＣ１〜ＢＣ４に対する４つの過充電検出回路３を１つのグループ（本発明でいう「他のグループ」に相当）とし、セルＢＣ５〜ＢＣ８に対する４つの過充電検出回路３をもう１つのグループ（本発明でいう「何れか１つのグループ」に相当）とし、これら各グループについてそれぞれカレントミラー回路５、６を備えている。

さらに、基準電圧ＶBGを出力する１つのバンドギャップリファレンス７、基準電圧ＶBGに応じた基準電流を出力する電圧−電流変換回路８、この基準電流を上記カレントミラー回路６に流すためのカレントミラー回路９、および電源回路１０、１１を備えている。ここで、バンドギャップリファレンス７と電圧−電流変換回路８により基準電流出力回路１２が構成されている。

電源回路１０は、１グループを構成するセルＢＣ１〜ＢＣ４の加算電圧すなわち電圧ラインＬＮ１とＬＮ５との間の電圧を入力し、電源線１３と電圧ラインＬＮ５との間に定電圧たとえば５Ｖを出力するようになっている。同様に、電源回路１１は、１グループを構成するセルＢＣ５〜ＢＣ８の加算電圧すなわち電圧ラインＬＮ５とＧＮＤとの間の電圧を入力し、電源線１４と電圧ラインＧＮＤとの間に定電圧たとえば５Ｖを出力するようになっている。また、バンドギャップリファレンス７も電圧ラインＬＮ５とＧＮＤとの間の電圧を入力し、基準電圧ＶBGを出力するようになっている。

電圧−電流変換回路８は、電圧ラインＧＮＤに対しコレクタが接地されたトランジスタＱ１、このトランジスタＱ１のエミッタにベースが接続されたトランジスタＱ２、このトランジスタＱ２のエミッタと電圧ラインＧＮＤとの間に接続された抵抗Ｒ１、トランジスタＱ２のベースに接続された電流供給回路（図示せず）などにより構成されている。カレントミラー回路９は、抵抗Ｒ２、電源線１４にエミッタが接続され且つベース同士が接続されたトランジスタＱ３、Ｑ４および後述するトランジスタＱ９（図２参照）により構成されている。

図２は、低電位側のセルＢＣ５〜ＢＣ８に対応して設けられたカレントミラー回路６の構成を示している。このカレントミラー回路６（第１のカレントミラー回路に相当）は、基準電流出力回路１２からカレントミラー回路９を介して供給される基準電流を入力し、その基準電流を５つの回路すなわちセルＢＣ５〜ＢＣ８の過充電検出回路３およびカレントミラー回路５に出力するものである。対をなすトランジスタＱ５とＱ６のベース同士は接続されており、そのエミッタは電圧ラインＧＮＤに接続されている。トランジスタＱ５、Ｑ６のベースと電圧ラインＧＮＤとの間には抵抗Ｒ３が接続されている。トランジスタＱ５のコレクタとベースは上述したトランジスタＱ４のコレクタに接続されており、トランジスタＱ６のコレクタにはアーリー効果防止回路１５が付加されている。

このアーリー効果防止回路１５は、トランジスタＱ６のコレクタ側に直列に接続されたトランジスタＱ７、トランジスタＱ６のコレクタと電圧ラインＧＮＤとの間にベース・エミッタ間が接続され且つトランジスタＱ７のベースにコレクタが接続されたトランジスタＱ８、および電源線１４とトランジスタＱ８のコレクタとの間に接続されたトランジスタＱ９から構成されている。トランジスタＱ９は、上述したようにカレントミラー回路９を構成しており、定電流回路として動作するようになっている。カレントミラー回路６は、これらトランジスタＱ６とアーリー効果防止回路１５とからなる回路１６（二点鎖線で示す）を５回路分備えている。

図１は、高電位側のセルＢＣ１〜ＢＣ４に対応して設けられたカレントミラー回路５の構成を示している。このカレントミラー回路５は、入力した基準電流を４つの回路すなわちセルＢＣ１〜ＢＣ４の過充電検出回路３に出力するカレントミラー回路１７（第１のカレントミラー回路に相当）と、カレントミラー回路６から出力される基準電流を折り返して上記カレントミラー回路１７に出力するカレントミラー回路１８（第２のカレントミラー回路に相当）とから構成されている。

まず、カレントミラー回路１８について説明する。対をなすトランジスタＱ１０、Ｑ１１（第１、第２のトランジスタに相当）のベース同士は接続されており、各エミッタは電源線１３に接続されている。トランジスタＱ１０のコレクタは、抵抗Ｒ４と逆流防止用のダイオードＤ１を介して、カレントミラー回路６を構成するトランジスタＱ７のコレクタに接続されている。

電源線１３とトランジスタＱ１０、Ｑ１１のベースとの間には抵抗Ｒ５が接続されている。この抵抗Ｒ５は、少なくともトランジスタＱ１０、Ｑ１１のベース電流よりも大きい電流が流れるようにその抵抗値Ｒ５が設定されている。また、トランジスタＱ１０のコレクタとベースとの間には、トランジスタＱ１２（第３のトランジスタに相当）のベース・エミッタ間と抵抗Ｒ６とが直列に接続されており、トランジスタＱ１２のコレクタは電圧ラインＬＮ５に接続されている。このトランジスタＱ１２は、トランジスタＱ１０、Ｑ１１にベース電流を供給するために必要となる。

さらに、カレントミラー回路１８は、電流補償回路１９を備えている。この電流補償回路１９は、電源線１３と電圧ラインＬＮ５との間に直列に接続されたトランジスタＱ１４、Ｑ１３（第５、第４のトランジスタに相当）から構成されている。トランジスタＱ１３は、カレントミラー回路１７を構成するトランジスタＱ１５、Ｑ１６（後述）とベース同士およびエミッタ同士が接続されている。トランジスタＱ１４のベースは、トランジスタＱ１０のコレクタ（トランジスタＱ１２のベース）に接続されており、そのベース電流が補償電流となる。

続いて、カレントミラー回路１７について説明する。このカレントミラー回路１７において、主要な対をなすトランジスタＱ１５、Ｑ１６（第１、第２のトランジスタに相当）のベース同士は接続されており、各エミッタは電圧ラインＬＮ５に接続されている。トランジスタＱ１５のコレクタは、カレントミラー回路１８を構成するトランジスタＱ１１のコレクタに接続されている。

トランジスタＱ１５、Ｑ１６のベースと電圧ラインＬＮ５との間には抵抗Ｒ７が接続されている。この抵抗Ｒ７は、少なくともトランジスタＱ１５、Ｑ１６のベース電流よりも大きい電流が流れるようにその抵抗値Ｒ７が設定されている。また、トランジスタＱ１５のコレクタとベースとの間には、トランジスタＱ１７（第３のトランジスタに相当）のベース・エミッタ間と抵抗Ｒ８とが直列に接続されており、トランジスタＱ１７のコレクタは電源線１３に接続されている。

トランジスタＱ１６のコレクタにはアーリー効果防止回路２０が付加されている。このアーリー効果防止回路２０は、トランジスタＱ１６のコレクタ側に直列に接続されたトランジスタＱ１８（第６のトランジスタに相当）、トランジスタＱ１６のコレクタと電圧ラインＬＮ５との間にベース・エミッタ間が接続され且つトランジスタＱ１８のベースにコレクタが接続されたトランジスタＱ１９（第７のトランジスタに相当）、および電源線１３とトランジスタＱ１９のコレクタとの間に接続されたトランジスタＱ２０から構成されている。カレントミラー回路１７は、トランジスタＱ１６およびアーリー効果防止回路２０からなる回路２１（二点鎖線で示す）を４回路分備えている。

ここで、トランジスタＱ２０は、定電流回路として動作するようになっている。すなわち、電源線１３と電圧ラインＬＮ５との間にはトランジスタＱ２１とＱ２２とが直列に接続されており、このトランジスタＱ２１、上記トランジスタＱ２０、トランジスタＱ２３および抵抗Ｒ９、Ｒ１０によりカレントミラー回路が構成されている。トランジスタＱ２２は、トランジスタＱ１５、Ｑ１６とベース同士およびエミッタ同士が接続されており、トランジスタＱ２０〜Ｑ２２にはトランジスタＱ１５、Ｑ１６と同じ電流が流れるようになっている。

カレントミラー回路１７は、電流補償回路２２を備えている。この電流補償回路２２は、電源線１３と電圧ラインＬＮ５との間に直列に接続されたトランジスタＱ２４、Ｑ２５（第４、第５のトランジスタ）から構成されている。トランジスタＱ２４は、カレントミラー回路１８を構成するトランジスタＱ１０、Ｑ１１とベース同士およびエミッタ同士が接続されている。トランジスタＱ２５のベースは、トランジスタＱ１５のコレクタ（トランジスタＱ１７のベース）に接続されており、そのベース電流が補償電流となる。

図３は、セルＢＣ１に対応した過充電検出回路３の構成を示している。この過充電検出回路３は、基準電圧生成回路２３、電圧検出回路２４およびコンパレータ２５から構成されている。電圧検出回路２４は、セルＢＣ１の高電位側端子に繋がる電圧ラインＬＮ１とセルＢＣ１の低電位側端子に繋がる電圧ラインＬＮ２との間に直列接続された抵抗Ｒ１２、Ｒ１３から構成されている。

コンパレータ２５（比較回路に相当）は、電圧ラインＬＮ１、ＬＮ２間のセルＢＣ１の電圧により動作するようになっており、基準電圧生成回路２３から出力される基準電圧と電圧検出回路２４から出力される検出電圧（セル電圧）とを比較して過充電検出信号ＯＣ１を出力するようになっている。他のセルＢＣ２〜ＢＣ８の過充電検出回路３についても同様に構成されており、それぞれ過充電検出信号ＯＣ２〜ＯＣ８を出力するようになっている。

基準電圧生成回路２３は、トリミング抵抗Ｒ１１と、カレントミラー回路５から出力される基準電流をトリミング抵抗Ｒ１１に流すカレントミラー回路２６とから構成されている。基準電圧生成回路２３が温度変動と電圧ばらつきの小さい高精度の基準電圧を生成するためには、カレントミラー回路２６を介してトリミング抵抗Ｒ１１に高精度の電流を流す必要がある。カレントミラー回路２６は、電流補償回路２７に係る回路部分を除いて上述したカレントミラー回路１８と同様の構成を備えている。すなわち、トランジスタＱ２６〜Ｑ２８および抵抗Ｒ１４、Ｒ１５は、それぞれトランジスタＱ１０〜Ｑ１２（第１〜第３のトランジスタ）および抵抗Ｒ５、Ｒ６に相当する。

電流補償回路２７は、電圧ラインＬＮ１とＬＮ２との間に直列接続されたトランジスタＱ２９、Ｑ３０（第４、第５のトランジスタに相当）と、カレントミラー回路２８とから構成されている。トランジスタＱ２９は、トランジスタＱ２６、Ｑ２７とベース同士およびエミッタ同士が接続されている。カレントミラー回路２８は、トランジスタＱ３０のベースと電圧ラインＬＮ２との間に接続されたトランジスタＱ３１と、トランジスタＱ２６のコレクタ（トランジスタＱ２８のベース）と電圧ラインＬＮ２との間に接続されたトランジスタＱ３２とから構成されている。このカレントミラー回路２８で折り返されたトランジスタＱ３０のベース電流が補償電流となる。

次に、本実施形態の作用について図５ないし図７も参照しながら説明する。
組電池１に用いたリチウムイオン電池は、体積エネルギー密度および質量エネルギー密度が大きく、サイクル寿命も長いという優れた特徴がある。その一方で、過充電や過放電に弱いので、過充放電を防止するための高精度の制御が必要になる。そこで、各セルＢＣ１〜ＢＣ８に対して設けられた過充電検出回路３および図示しない過放電検出回路は、各セルが過充電状態あるいは過放電状態となったことを高精度に検出する必要がある。

各セルＢＣ１〜ＢＣ８の過充電検出回路３における基準電圧生成回路２３（図３参照）は、カレントミラー回路２６を介してトリミング抵抗Ｒ１１に定電流（基準電流）を流すことにより基準電圧を生成する。図４に示すように、バンドギャップリファレンス７で生成された高精度の基準電圧ＶBGは、電圧−電流変換回路８において基準電圧ＶBGに応じた定電流に変換される。この定電流は、カレントミラー回路９で折り返されてカレントミラー回路６に流れ、カレントミラー回路６においてアーリー効果防止回路１５が付加されたトランジスタＱ６（図２参照）を介してセルＢＣ５〜ＢＣ８の過充電検出回路３内の基準電圧生成回路２３に出力される。

また、カレントミラー回路６のトランジスタＱ６から出力された定電流は、図１に示すようにカレントミラー回路１８で折り返されてカレントミラー回路１７に流れ、カレントミラー回路１７においてアーリー効果防止回路２０が付加されたトランジスタＱ１６を介してセルＢＣ１〜ＢＣ４の過充電検出回路３内の基準電圧生成回路２３に出力される。この場合、基準電圧ＶBGと基準電圧生成回路２３のトリミング抵抗Ｒ１１に流れる基準電流との関係は、電圧−電流変換回路８の抵抗Ｒ１の抵抗値およびカレントミラー回路９、６、１７、１８、２６のミラー比によって定まる。

本実施形態では、特に各セルＢＣ１〜ＢＣ８のトリミング抵抗Ｒ１１に流す基準電流の相互のばらつきを低減するため、カレントミラー回路９から出力される基準電流の分配経路に介在するカレントミラー回路６、５（１７、１８）、２６に対し電流補償回路１９、２２、２７およびアーリー効果防止回路１５、２０を設けている。勿論、カレントミラー回路９に対しても電流補償回路およびアーリー効果防止回路を設けてもよい。なお、抵抗値やミラー比のばらつきに起因する電流のずれ、すなわち基準電圧生成回路２３から出力される基準電圧のずれは、トリミング抵抗Ｒ１１に対するレーザトリミングにより一層低減することができる。

カレントミラー回路９、６、１７、１８、２６において、トランジスタのベースが共通に接続されたベースラインと電源線または電圧ラインとの間に抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、Ｒ１４が接続されている。これらの抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、Ｒ１４は、少なくともトランジスタのベース電流よりも大きい電流が流れるようにその抵抗値が比較的低く設定されている。これは、ベースラインのインピーダンスを下げてノイズに対する耐量を高めるとともに、ベースラインの電位を電源線または電圧ラインの電位に固定してカレントミラー回路９、６、１７、１８、２６に電流が流れない時（例えば組電池１の制御システムが低消費電力モードにある時）のトランジスタＱ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ１０、Ｑ１１、Ｑ１５、Ｑ１６、Ｑ２６、Ｑ２７の漏れ電流を防止するためである。

次に、カレントミラー回路１８を例として、抵抗Ｒ５を付加したことによる影響とその補償方法について説明する。トランジスタＱ１０、Ｑ１１のベースが接続されたベースラインからトランジスタＱ１２に流れる電流ＩC(Q12)は、以下の（１）式のようになる。
ＩC(Q12)＝ＶＦ／Ｒ５＋ＩC(Q10)／ｈFE(Q10)＋ＩC(Q11)／ｈFE(Q11)
＋ＩC(Q24)／ｈFE(Q24) …（１）
ただし、ＶＦ：ＰＮ接合の順方向電圧
ｈFE(Qｘ)：トランジスタＱｘの直流電流増幅率

ここで、トランジスタＱ１０、Ｑ１１、Ｑ２４は同種類且つ同サイズの素子として形成されているため、ｈFE(Q10)＝ｈFE(Q11)＝ｈFE(Q24)であり、上記（１）式の第２項ないし第４項はほぼ等しくなる。すなわち、（１）式は次の（２）式のように近似できる。
ＩC(Q12)＝ＶＦ／Ｒ５＋３・ＩC(Q10)／ｈFE(Q10) …（２）

抵抗Ｒ５に流れる電流ＶＦ／Ｒ５がトランジスタＱ１０、Ｑ１１、Ｑ２４のベース電流ＩC(Q10)／ｈFE(Q10)等と同程度以上になると、トランジスタＱ１２に流れる電流ＩC(Q12)において抵抗Ｒ５に流れる電流が次第に支配的となり、その電流によってミラー比に誤差が生じるようになる。実設計上の値の一例としてＲ５＝１４０ｋΩとすると、ＶＦは約０．７Ｖであることから抵抗Ｒ５に流れる電流は５μＡとなる。一方、ＩＣ２内で小信号用に流す電流は通常数μＡから数十μＡであり、ｈFEを１００とした場合のトランジスタのベース電流は通常数十ｎＡから数百ｎＡとなる。従って、一般的には上記（２）式は次の（３）式のように近似でき、この近似に基づくトランジスタＱ１２のベース電流ＩB(Q12)は（４）式のようになる。
ＩC(Q12)＝ＶＦ／Ｒ５ …（３）
ＩB(Q12)＝（ＶＦ／Ｒ５）／ｈFE(Q12) …（４）

カレントミラー回路１８の入力電流の一部がトランジスタＱ１２のベース電流ＩB(Q12)になると、その分だけトランジスタＱ１０のコレクタ電流ＩC(Q10)が減少し、ミラー比に誤差が生じる。そこで、電流補償回路１９は、補償電流として上記ベース電流ＩB(Q12)に等しいトランジスタＱ１４のベース電流ＩB(Q14)を供給する。

トランジスタＱ１３とＱ１５はカレントミラー回路を構成しており、トランジスタＱ１５にはトランジスタＱ１１のコレクタ電流が流れる。このため、トランジスタＱ１３、Ｑ１４にはトランジスタＱ１１のコレクタ電流に等しい電流が流れる。このとき、トランジスタＱ１４のベース電流ＩB(Q14)は、次の（５）式に示すようになる。
ＩB(Q14)＝ＩC(Q14)／ｈFE(Q14) …（５）

トランジスタＱ１２とＱ１４は同種類且つ同サイズの素子として形成されているため、直流電流増幅率ｈFE(Q12)とｈFE(Q14)はほぼ等しい。従って、ＩB(Q12)＝ＩB(Q14)となるための条件式は（６）式に示すようになる。
ＩC(Q14)＝ＶＦ／Ｒ５ …（６）

つまり、抵抗Ｒ５に流れる電流（５μＡ）とトランジスタＱ１１（Ｑ１４）に流れる電流とが等しい場合に、トランジスタＱ１２のベース電流ＩB(Q12)はほぼ完全に補償され、ミラー比はより正確に１に近付く。ミラー比が１であるため、上記補償条件は、抵抗Ｒ５に流れる電流とトランジスタＱ１０に流れる電流とが等しいと言い換えることもできる。なお、仮に（６）式が成立しない場合でも、｜ＩB(Q12)−ＩB(Q14)｜＜ＩB(Q12)となる限り補償効果は得られる。

以上の作用および効果は、カレントミラー１７および過充電検出回路３の基準電圧生成回路２３に用いられているカレントミラー回路２６についても同様となる。ただし、カレントミラー回路２６では、電流補償回路２７内のトランジスタＱ２９とトランジスタＱ２６、Ｑ２７とのベース同士、エミッタ同士が接続されているので、トランジスタＱ３０のベース電流を折り返すためのカレントミラー回路２８が必要となる。

ところで、カレントミラー回路６、１７は、それぞれ電圧ラインＧＮＤ、ＬＮ５をグランドラインとして動作し、他の電圧ラインをグランドラインとして動作する過充電検出回路３に対して電流を出力する。そのため、トランジスタＱ６、Ｑ１６に対しアーリー効果防止回路１５、２０を付加している。これにより、トランジスタＱ６、Ｑ１６のコレクタ・エミッタ間電圧がＶＦに制限され、各セルに与えられる基準電流のばらつきを大幅に低減することができる。

図５は、図１ないし図４に示す回路において、電流補償回路１９、２２の有無およびアーリー効果防止回路１５、２０の有無に応じて、各セルＢＣ１〜ＢＣ８の過充電検出回路３に入力される基準電流Ｉ１〜Ｉ８のシミュレーション結果値を示している。温度は２７℃とし、抵抗Ｒ５、Ｒ７は１４０ｋΩ、カレントミラー回路６への入力電流は５．２１４μＡとし、セルＢＣ１〜ＢＣ８の電圧Ｖ１〜Ｖ８は、意図的にばらつきを持たせることにより３２．８Ｖ、２８．７Ｖ、２４．６Ｖ、２０．５Ｖ、１６．４Ｖ、１２．３Ｖ、８．２Ｖ、４．１Ｖとしている。

この図５によれば、組電池１のように各セルの電位が異なる場合には、アーリー効果防止回路１５、２０は非常に効果的であり、各グループ内での基準電流のばらつきおよび２つのグループ間での基準電流の差がともに大きく改善され、基準電流の値も狙い値（５．２１４μＡ）に近付いている。また、電流補償回路１９、２２を設けると、上記計算式で示した通りグループ間での基準電流の差および基準電流の狙い値からのずれが改善されることが分かる。つまり、電流補償回路１９、２２とアーリー効果防止回路１５、２０とを設けた本実施形態では、これらを設けない従来回路に比べてミラー比が１に近付き、基準電流の精度が格段に高まっている。なお、過充電検出回路３に設けた電流補償回路２７の効果も同様であると考えられる。

図６および図７は、カレントミラー回路２６における電流補償回路２７の有無による基準電流の温度特性のシミュレーション結果を示している。組電池１およびその充電状態を監視し制御するＩＣ２は車両に搭載されるので、例えば−４０℃から＋１４０℃の広い温度範囲において用いられる。図６、図７は、それぞれ電流補償回路２７を設けた場合（本実施形態）、電流補償回路２７を設けていない場合（従来構成）における温度変動に対するカレントミラー回路２６の出力電流の変化を示している。

電流補償回路２７を設けた本実施形態では、−４０℃から＋１４０℃の温度範囲内の電流の変動幅が４ｎＡ以下であり、従来構成のものの変動幅３０ｎＡに比べて大きく改善されていることが分かる。この温度特性は、カレントミラー回路１７、１８についても同様になると考えられる。

以上説明したように、本実施形態のＩＣ２に用いたカレントミラー回路９、６、１７、１８、２６は、そのベースラインに比較的低い抵抗値を持つ抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、Ｒ１４が接続されているので、十分なノイズ低減効果および漏れ電流防止効果が得られる。その一方で、カレントミラー回路１７、１８、２６は、それぞれ電流補償回路１９、２２、２７を備え、抵抗Ｒ５、Ｒ７、Ｒ１４に基づいて流れるトランジスタＱ１２、Ｑ１７、Ｑ２８のベース電流に対し補償電流を流すように構成したので、カレントミラー回路１７、１８、２６のミラー比を極力１に近づけることができる。また、カレントミラー回路１７、１８にアーリー効果防止回路１５、２０を備えたので、各過充電検出回路３の電位の違いに起因するアーリー効果を抑えることができる。

その結果、基準電流出力回路１２から出力される基準電流を他のグループ（セルＢＣ１〜ＢＣ４）に供給するカレントミラー回路１８、各グループ（セルＢＣ１〜ＢＣ４、セルＢＣ５〜ＢＣ８）において基準電流を４つの過充電検出回路３に分配するカレントミラー回路６、１７、および基準電流をトリミング抵抗Ｒ１１に出力するカレントミラー回路２６における入出力間の電流誤差を低減することができ、各セルＢＣ１〜ＢＣ８の過充電検出回路３のトリミング抵抗Ｒ１１に供給する基準電流のばらつきを低減できるとともに、その絶対的な精度を高めることができる。また、電流補償回路１９、２２、２７を備えると、温度が大きく変動しても電流（ミラー比）の変化が抑制されるので、組電池１およびＩＣ２を車載用として用いる場合でも高い精度を維持できる。

本実施形態によれば、各セルＢＣ１〜ＢＣ８の過充電検出回路３ごとにバンドギャップリファレンス７を設ける必要がないので、各セルＢＣ１〜ＢＣ８ごとにバンドギャップリファレンスを設けた従来構成に比べ、高い電流精度を保ちつつＩＣ２の回路規模すなわちチップ面積を小さくでき、ＩＣ２の製造コストを大幅に低減することができる。

１つのセルグループは直列接続された８個のセルＢＣ１〜ＢＣ８から構成されているが、本実施形態ではこれらのセルを高電位側から（別の見方をすれば低電位側から）ＢＣ１〜ＢＣ４、ＢＣ５〜ＢＣ８の２グループに分けている（ｎ＝２）。そして、各グループについて、それぞれ最も低電位側に位置するセルＢＣ４、ＢＣ８の低電位側端子Ｔ５、ＴＧに繋がる電圧ラインＬＮ５、ＧＮＤを共通の電源線としてカレントミラー回路５（１７、１８）、６を設けている。これにより、例えばカレントミラー回路１７を構成するトランジスタＱ１８のコレクタ・エミッタ間電圧ＶCE(Q18)がほぼ（ＶBC1＋ＶBC2＋ＶBC3＋ＶBC4）≒４・ＶBC以下に抑えられる。

（第２の実施形態）
図８は、カレントミラー回路の構成を示している。このカレントミラー回路２９は、図３に示したカレントミラー回路２６に対し、アーリー効果防止回路３０を付加した構成となっている。このアーリー効果防止回路３０は、トランジスタＱ２７のコレクタ側に直列に接続されたトランジスタＱ３３（第６のトランジスタに相当）、トランジスタＱ３３のコレクタと電圧ラインＬＮ１との間にベース・エミッタ間が接続され且つトランジスタＱ３３のベースにコレクタが接続されたトランジスタＱ３４（第７のトランジスタに相当）、およびトランジスタＱ３４のコレクタと電圧ラインＬＮ２との間に接続された定電流回路３１から構成されている。

図３に示した過充電検出回路３において、カレントミラー回路２６に替えてカレントミラー回路２９を用いることにより、セルＢＣ１の電圧ＶBC1の変化に起因するアーリー効果を抑えることができ、トリミング抵抗Ｒ１１に対してより高精度の基準電流を出力することができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は上記し且つ図面に示す各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように変形または拡張が可能である。
組電池１に接続されるＩＣ２では、各セルＢＣ１〜ＢＣ８に対する過充電検出回路３の電位が異なるためにアーリー効果防止回路１５、２０を設けたが、アーリー効果が生じない電位構成の場合には設ける必要はない。

上記実施形態では、１つのセルグループに属する８個のセルＢＣ１〜ＢＣ８を２グループ（ｎ＝２）に分け、この各グループごとにカレントミラー回路５、６を設けたが、３以上のグループ（ｎ≧３）に分けて各グループごとにカレントミラー回路を設けてもよい。この場合、各グループに属するセルの数を相等しくすることが好ましい。

上記実施形態では、セルＢＣ５〜ＢＣ８からなるグループ側にバンドギャップリファレンス７と電圧−電流変換回路８を設け、カレントミラー回路６に流れる電流をカレントミラー回路１８を介してカレントミラー回路１７に供給する構成としたが、これに替えてセルＢＣ１〜ＢＣ４からなるグループ側にバンドギャップリファレンス７と電圧−電流変換回路８を設け、カレントミラー回路１７に流れる電流をカレントミラー回路を介してカレントミラー回路６に供給する構成としてもよい。

基準電流出力回路１２をバンドギャップリファレンス７と電圧−電流変換回路８から構成したが、例えばトランジスタの順方向電圧ＶＦと抵抗値とから定まる電流を出力する定電流回路、ウィルソン定電流回路、自己バイアス方式の定電流回路、ツェナーダイオードと電圧−電流変換回路からなる定電流回路などを用いてもよい。

組電池１は、リチウムイオン電池に限らず、鉛電池、ニッケル水素電池などの二次電池であってもよい。また、上記実施形態で用いたカレントミラー回路１７、１８、２６、２９等は、定電流回路以外にも種々適用可能である。

本発明の第１の実施形態を示し、高電位側に位置するセルのグループに対応して設けられたカレントミラー回路の構成図 低電位側に位置するセルのグループに対応して設けられたカレントミラー回路の構成図 セルＢＣ１に対応した過充電検出回路の構成図 組電池の過充電検出回路および定電流回路の全体構成を示す図 電流補償回路の有無およびアーリー効果防止回路の有無に応じて、各セルの過充電検出回路に入力される基準電流のシミュレーション結果を示す図 カレントミラー回路に電流補償回路を設けた場合の基準電流の温度特性のシミュレーション結果を示す図 カレントミラー回路に電流補償回路を設けない場合の基準電流の温度特性のシミュレーション結果を示す図 本発明の第２の実施形態を示すカレントミラー回路の構成図

符号の説明

１は組電池、３は過充電検出回路、４は定電流回路、６、１７はカレントミラー回路（第１のカレントミラー回路）、７はバンドギャップリファレンス、８は電圧−電流変換回路、１２は基準電流出力回路、１３は電源線、１８はカレントミラー回路（第２のカレントミラー回路）、１９、２２、２７は電流補償回路、２０、３０はアーリー効果防止回路、２３は基準電圧生成回路、２５はコンパレータ（比較回路）、２６、２８、２９はカレントミラー回路、Ｑ１０、Ｑ１５、Ｑ２６はトランジスタ（第１のトランジスタ）、Ｑ１１、Ｑ１６、Ｑ２７はトランジスタ（第２のトランジスタ）、Ｑ１２、Ｑ１７、Ｑ２８はトランジスタ（第３のトランジスタ）、Ｑ１３、Ｑ２４、Ｑ２９はトランジスタ（第４のトランジスタ）、Ｑ１４、Ｑ２５、Ｑ３０はトランジスタ（第５のトランジスタ）、Ｑ１８、Ｑ３３はトランジスタ（第６のトランジスタ）、Ｑ１９、Ｑ３４はトランジスタ（第７のトランジスタ）、ＢＣ１〜ＢＣ８はセル、ＬＮ１〜ＬＮ８、ＧＮＤは電圧ライン（電源線）である。

Claims (7)

1. 共通の電源線にエミッタが接続されるとともにベース同士が接続された第１および第２のトランジスタと、
   前記電源線と前記第１および第２のトランジスタのベースとの間に接続され、少なくとも前記第１および第２のトランジスタのベース電流よりも大きい電流が流れるように抵抗値が設定された抵抗と、
   前記第１のトランジスタのコレクタとベースとの間にベース・エミッタ間が接続され、前記第１および第２のトランジスタにベース電流を供給する第３のトランジスタと、
   前記第１のトランジスタへの入力電流に対し、前記抵抗に流れる電流を前記第３のトランジスタの電流増幅率で除した値にほぼ等しい補償電流を付加する電流補償回路とを備え、
   前記抵抗は、前記第１のトランジスタに流れる入力電流または前記第２のトランジスタに流れる出力電流にほぼ等しい電流が流れるようにその抵抗値が設定されており、
   前記電流補償回路は、前記第１または第２のトランジスタに流れる電流に等しい電流を流す第４のトランジスタと、この第４のトランジスタと直列に接続された第５のトランジスタとを備え、前記第５のトランジスタのベース電流を前記補償電流として出力することを特徴とするカレントミラー回路。
2. 前記第２のトランジスタのコレクタ側に直列に接続された第６のトランジスタと、前記第２のトランジスタのコレクタと前記電源線との間にベース・エミッタ間が接続され且つ前記第６のトランジスタのベースにコレクタが接続された第７のトランジスタとからなるアーリー効果防止回路を備え、前記第６のトランジスタのコレクタから電流を出力するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のカレントミラー回路。
3. 複数の二次電池のセルが直列に接続されて構成される組電池の各セルごとに設けられた回路に対し定電流を供給する定電流回路であって、
   前記組電池を構成するセルおよびそのセルごとに設けられた回路をｎグループ（ｎ≧２）に分け、その各グループごとに基準電流を入力してそれを当該グループに属する各セルごとに設けられた回路に出力する第１のカレントミラー回路と、
   何れか１つのグループに設けられ、当該グループの前記第１のカレントミラー回路に一定の基準電流を出力する基準電流出力回路と、
   前記１つのグループを除く他のグループに設けられ、前記基準電流出力回路の出力電流に基づく基準電流を入力してそれを当該グループの前記第１のカレントミラー回路に出力する第２のカレントミラー回路とを備え、
   少なくとも前記他のグループにおける第１および第２のカレントミラー回路に請求項１または２に記載のカレントミラー回路を用いたことを特徴とする定電流回路。
4. 前記組電池を構成するセルおよびそのセルごとに設けられた回路を前記組電池の低電位側から順にｎグループに分け、その各グループごとに当該グループにおいて最も低電位側に位置するセルの低電位側端子に接続された電圧ラインを電源線として前記第１のカレントミラー回路を構成したことを特徴とする請求項３記載の定電流回路。
5. 前記各グループに属するセルの数は相等しいことを特徴とする請求項３または４記載の定電流回路。
6. 前記基準電流出力回路は、バンドギャップリファレンスと電圧−電流変換回路とから構成されていることを特徴とする請求項３ないし５の何れかに記載の定電流回路。
7. 前記セルごとに設けられた回路は、前記第１のカレントミラー回路から与えられる定電流に応じた基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、この基準電圧と当該セルの電圧とを比較する比較回路とからなる過充放電検出回路を備えていることを特徴とする請求項３ないし６の何れかに記載の定電流回路。

Images