JP4598947B2

JP4598947B2 - 差動増幅器

Info

Publication number: JP4598947B2
Application number: JP2000388638A
Authority: JP
Inventors: 憲次山本; 正則笠井
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: JP2002189040A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの入力電圧の差電圧に応じた出力電圧を得るための差動増幅器に関するものであり、特にその出力電圧の送出動作を制御する手段を有する差動増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の差動増幅器について、ここではスマートバッテリなどと呼ばれるバッテリパックに用いられる差動増幅器を例に挙げて説明を行う。ここで、スマートバッテリとは自身に内蔵したマイクロコンピュータ（以下、マイコンと呼ぶ）を用いて二次電池の電圧（以下、セル電圧と呼ぶ）や充放電電流をモニタする機能を有し、充電器あるいはコンピュータ等の負荷との間でデータ授受を行うことができるバッテリパックのことである。こうした構成のバッテリパックを用いると、充電器あるいはコンピュータ等の負荷側で前記二次電池の状態を知ることができるため、電池の残量表示や充電の停止などを正確に行うことができる。
【０００３】
ここで、前記マイコンを用いてセル電圧をモニタするためには、前記二次電池から得られるセル電圧を前記マイコンが読み取り可能な電圧に変換してから、前記マイコンのＡ／Ｄコンバータに送出してやる必要がある。そのため、前記バッテリパックにはセル電圧の出力レベルを調整するための差動増幅器を設けている。図３は従来の差動増幅器の一構成例を示す回路図である。
【０００４】
図中に示すように、この差動増幅器は演算増幅器１００と４つの抵抗１０１〜１０４とを有する減算回路であり、バッファ１０５を介して演算増幅器１００の正相入力端子（＋）に入力される電圧Ｖ_aから、バッファ１０６を介して逆相入力端子（−）に入力される電圧Ｖ_bを差し引いた差電圧（Ｖ_a−Ｖ_b）に比例した電圧を、バッファ１０７を介して出力電圧Ｖ_oとして出力するものである。ここで、電圧Ｖ_aは二次電池の正極電圧であり、電圧Ｖ_bは前記二次電池の負極電圧である。すなわち、これらの差電圧（Ｖ_a−Ｖ_b）は前記二次電池から得られるセル電圧ということになる。なお、バッファ１０５、１０６は入力側の回路部に対する影響を防止している。
【０００５】
ここで、従来の差動増幅器においては、前記マイコンに対する出力電圧Ｖ_oが予め設定しておいた基準電圧を下回った場合にその出力動作を禁止する手段として、演算増幅器１００の後段にバッファ１０７とコンパレータ１０８を設けており、出力電圧Ｖ_oをバッファ１０７とコンパレータ１０８の正相入力端子とにそれぞれ加える構成としている。
【０００６】
コンパレータ１０８は正相入力端子に加えられた出力電圧Ｖ_oと、逆相入力端子に加えられた直流電源１０９の基準電圧Ｖ_ref（例えば、Ｖ_ref＝２Ｖ）とを比べ、その比較結果に基づいてＨレベルもしくはＬレベルの比較信号を出力するものである。一方、バッファ１０７は前記比較信号に基づいて出力電圧Ｖ_oの送出動作を許可／禁止するものであり、その出力端は前記マイコンのＡ／Ｄコンバータに接続してある。こうした構成とすることにより、前記マイコンが読み取ることのできない基準電圧Ｖ_ref以下の出力電圧Ｖ_oについては、その送出を禁止することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した通り、従来構成の差動増幅器であれば２つの入力電圧の差電圧に応じた出力電圧を得ることができ、さらにその出力電圧が予め設定した基準電圧以下であればその送出動作を禁止することも可能である。しかしながら、従来の差動増幅器では演算増幅器の後段にもう一段バッファを設け、出力電圧と基準電圧とを比較した結果によってその最終段のバッファを制御する構成である。そのため、常に最終段のバッファには電流を供給しておく必要があり、定常時の消費電流が大きいという問題がある。
【０００８】
また、複数の電源を有することで差動増幅器に対する入力電圧の切替が可能なアプリケーション、例えば前述のバッテリパックに従来構成の差動増幅器を適用した場合には、入力電圧の切り替え時において回路の立ち上がりに遅延が生じるという問題もある。これは入力電圧の切り替えを行った場合、差動増幅器を構成する回路の段数が多ければ多いほど、その立ち上がりに時間を要するためである。そのため、従来構成の差動増幅器では最終段に設けたバッファに電圧を加えねばならない分、必然的に遅れ時間が生じてしまう。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑み、２つの入力電圧の差に応じた出力電圧に基づいて送出動作を制御することができ、かつ消費電流の小さい差動増幅器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る差動増幅器においては、第１入力電圧と前記第１入力電圧より低い第２入力電圧との差電圧に応じた出力電圧を得るための差動増幅器において、前記第１入力電圧と前記第２入力電圧とを比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力に基づいて前記出力電圧の送出動作を制御する手段とを有する構成としている。
【００１１】
特に、複数の二次電池と、前記二次電池のいずれかを選択してその正極電圧及び負極電圧を取り出すためのセルセレクタと、前記二次電池の正極電圧と負極電圧との差電圧に応じた出力電圧を得るための差動増幅器と、前記差動増幅器の出力電圧に基づいて前記二次電池の充放電を制御するマイクロコンピュータとを有するバッテリパックにおいて、前記差動増幅器は前記二次電池の正極電圧と負極電圧とを比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力に基づいて前記出力電圧の送出動作を制御する手段とを有する構成とすることで、本発明に係る差動増幅器をバッテリパックに適用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
ここでは従来技術と同様に、本発明に係る差動増幅器をスマートバッテリなどと呼ばれるバッテリパックに適用した例を挙げて説明を行う。前述した通り、スマートバッテリとは内蔵したマイコンを用いて二次電池の状態をモニタする機能を有し、充電器あるいはコンピュータ等の負荷との間でデータ授受を行うことができるバッテリパックのことである。
【００１３】
図１は本発明に係る差動増幅器を具備するバッテリパックを用いたスマートバッテリシステムの一構成例を示すブロック図である。図中に示すように、このスマートバッテリシステムはバッテリパック１０と本体４０（例えば、携帯型のパーソナルコンピュータ等）とから構成されている。ここで、バッテリパック１０はプラス端子１及びマイナス端子２を有しており、一方の本体４０もプラス端子４１及びマイナス端子４２を有している。これらのプラス端子同士及びマイナス端子同士を結合／分離することにより、バッテリパック１０を本体４０に対して着脱することができる。また、バッテリパック１０は二次電池から所定の電圧を発生するとともに、該二次電池の状態を監視するためにバッテリモニタ回路部２０及びマイコン３０を有している。
【００１４】
このバッテリパック１０は二次電池として、例えば４つのリチウムイオン電池３ａ〜３ｄ（以下、これらをセル３ａ〜セル３ｄと呼び、適宜まとめてセル３と呼ぶ）を有しており、これらのセル３ａ〜３ｄを図中に示す順に直列接続している。ここで、セル３ａの負極はセンス抵抗４の一端に接続しており、センス抵抗４の他端はバッテリパック１０のマイナス端子２に接続している。なお、センス抵抗４とは電流検出用の微小抵抗値（一般には数十ｍΩ）を持つ抵抗である。
【００１５】
一方、セル３ｄの正極はＦＥＴ等で構成したスイッチ素子５、６を介してバッテリパック１０のプラス端子１に接続している。スイッチ素子５、６は互いに直列に接続されており、これらを構成するＦＥＴのオン／オフをスイッチングすることによって、セル３からの放電、及び本体４０に設けた充電器４３からセル３への充電を制御することができる。
【００１６】
また、バッテリパック１０のプラス端子１の電圧とセル３ａ〜３ｄの合計電圧（すなわち、セル３ｄの正極電圧）のうち、より高い電圧を電源電圧Ｖ_CCとしてバッテリモニタ回路部２０に供給するために、ここではダイオード７及びダイオード８を設けており、両ダイオードのカソードはともにバッテリモニタ回路部２０の入力端子に接続している。一方、ダイオード７のアノードはセル３ｄの正極に接続しており、ダイオード８のアノードはバッテリパック１０のプラス端子１に接続している。こうした構成とすることにより、バッテリモニタ回路部２０の電源電圧Ｖ_CCとしては、充電器４３の電圧とセル３ａ〜３ｄの合計電圧のうち、より高い方の電圧が加えられることになる。
【００１７】
次に、バッテリモニタ回路部２０及びマイコン３０について説明する。バッテリモニタ回路部２０はレギュレータ２１、セルセレクタ２２、差動増幅器２３、増幅器２４、及びパワーＦＥＴドライバ２５といった回路から構成されるものである。また、マイコン３０はＣＰＵ３１及びＡ／Ｄコンバータ３２を有しており、バッテリモニタ回路部２０の制御及び本体４０側に設けたＣＰＵ４４とのデータ授受を行うものである。なお、マイコン３０と本体４０とは図示しない通信用のバスによって接続されている。
【００１８】
レギュレータ２１は入力される電源電圧Ｖ_CCから常に一定な出力電圧Ｖ_regを得るものであり、その出力電圧Ｖ_regをマイコン３０やバッテリモニタ回路部２０の各構成回路に供給する働きを有する。セルセレクタ２２はマルチプレクサ等で構成されており、セル３ａ〜３ｄの各正極−負極間の電圧Ｅ₁〜Ｅ₄（以下、セル電圧Ｅ₁〜Ｅ₄と呼ぶ）のいずれか１つを周期的に選択して差動増幅器２３に送出するものである。
【００１９】
差動増幅器２３はセルセレクタ２３から入力されたセル電圧Ｅ₁〜Ｅ₄をマイコン３０が読み取り可能な電圧に変換して、マイコン３０のＡ／Ｄコンバータ３２に送出するものである。ここで、差動増幅器２３の回路構成について説明する。図２は本発明に係る差動増幅器２３の一構成例を示す回路図である。
【００２０】
図中に示すように、演算増幅器５０と４つの抵抗５１〜５４から成る減算回路は一般的なものであり、バッファ５５を介して演算増幅器５０の正相入力端子（＋）に入力される第１入力電圧Ｖ_aから、バッファ５６を介して逆相入力端子（−）に入力される第２入力電圧Ｖ_bを差し引いた差電圧（Ｖ_a−Ｖ_b）に比例した出力電圧Ｖ_oを得るものである。ここで、第１入力電圧Ｖ_aは二次電池の正極電圧であり、第２入力電圧Ｖ_bは前記二次電池の負極電圧である。すなわち、これらの差電圧（Ｖ_a−Ｖ_b）は前記二次電池から得られるセル電圧Ｅ₁〜Ｅ₄のいずれかの値である。なお、バッファ５５、５６は入力側の回路部に対する影響を防止している。
【００２１】
ここで、本発明に係る差動増幅器２３においては、マイコン３０に対する出力電圧Ｖ_oが予め設定しておいた基準電圧を下回った場合、言い換えれば差電圧（Ｖ_a−Ｖ_b）が所定の電圧よりも低くなった場合に、その出力動作を禁止する手段として、第１入力電圧Ｖ_aと第２入力電圧Ｖ_bとを直接比較するためのコンパレータ５７を設けている。
【００２２】
コンパレータ５７は正相入力端子（＋）側に加えられた第１入力電圧Ｖ_aと、逆相入力端子（−）側に加えられた第２入力電圧Ｖ_bとを比べ、その比較結果に基づいてＨレベルもしくはＬレベルの比較信号を演算増幅器５０の後段に設けられたスイッチ回路５８に対して送出するものである。スイッチ回路５８は前記比較信号に基づいて演算増幅器５０の出力端子をマイコン３０のＡ／Ｄコンバータ３２に接続するか、グランドに接続するかを切り換える。
【００２３】
例えば、演算増幅器５０の増幅率をαとすると、出力電圧Ｖ_oが基準となる差電圧Ｖ_d（例えば、Ｖ_d＝２Ｖ）を下回った時にその出力動作を禁止するためには、第１入力電圧Ｖ_aと第２入力電圧Ｖ_bとの差電圧（Ｖ_a−Ｖ_b）がＶ_d／αなる値を下回った場合に出力電圧Ｖ_oの送出を禁止するように、すなわち演算増幅器５０の出力端子をグランドに接続するように、スイッチ回路５８を制御すればよい。このような構成とすることにより、マイコン３０が読み取ることのできない差電圧Ｖ_d以下の出力電圧Ｖ_oについては、その送出を禁止することができる。
【００２４】
なお、スイッチ回路５８を設けずに、コンパレータ５７から送出される前記比較信号に基づいて演算増幅器５０の動作を直接制御し、出力電圧Ｖ_oの送出動作を許可／禁止する構成としてもよい。このような構成とすることにより、出力電圧Ｖ_oが基準となる差電圧Ｖ_dを下回った場合には、出力電圧Ｖ_oの送出を禁止するだけでなく、演算増幅器５０の動作を停止して消費電流の削減を図ることもできる。
【００２５】
図１に戻り、バッテリパック１０の説明を続ける。増幅器２４はセンス抵抗４で生じた電圧降下をマイコン３０が読み取り可能な電圧に変換して、マイコン３０のＡ／Ｄコンバータ３２に送出するものである。マイコン３０は差動増幅器２３の出力に基づいてセル３ａ〜３ｄの各電圧を検知するとともに、増幅器２４からの出力に基づいてセル３ａ〜３ｄに流れる充電電流もしくは放電電流を検知し、それらの電圧値及び電流値に応じてパワーＦＥＴドライバ２５の動作を制御するようになっている。
【００２６】
ここで、パワーＦＥＴドライバ２５とは前述のスイッチ素子５、６を構成するＦＥＴのオン／オフを切り替えるものである。こうした構成とすることにより、マイコン３０によってバッテリパック１０が過充電もしくは過放電状態となることを防止することができる。
【００２７】
なお、上記の説明においては本発明に係る差動増幅器をバッテリパックに適用した例を挙げて説明を行ったが、本発明に係る差動増幅器はこれに限らず、差動増幅器の出力電圧を制御する必要のあるアプリケーションについて広く適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に係る差動増幅器においては、第１入力電圧と前記第１入力電圧より低い第２入力電圧との差電圧に応じた出力電圧を得るための差動増幅器において、前記第１入力電圧と前記第２入力電圧とを比較するコンパレータと、前記コンパレータの出力に基づいて前記出力電圧の送出動作を制御する手段とを有する構成としている。こうした構成とすることにより、従来の差動増幅器のように演算増幅器の後段にもう一段バッファを設ける必要がないため、そのバッファに供給していた電流をカットすることができ、消費電流の低減を図ることができる。
【００２９】
また、本発明に係る差動増幅器では演算増幅器の後段に設けていたバッファを除くことで構成回路の段数を削減しており、迅速な回路の立ち上がりを実現している。そのため、複数の電源を有することで差動増幅器に対する入力電圧の切替が可能なアプリケーション、例えば前述のバッテリパックに本発明に係る差動増幅器を適用すれば、差動増幅器に対する入力電圧を切り替えた際の立ち上がり時間を従来に比べて短縮することができる。
【００３０】
特に、差動増幅器の出力に基づいて動作するマイクロコンピュータは通常時には消費電流を抑えるためにオフしており、例えば二次電池の電圧を測定する時にのみオンするものである。ここで、本発明に係る差動増幅器を適用したバッテリパックであれば、前記二次電池の電圧測定時における差動増幅器の立ち上がりが迅速であるため、電圧測定に要する時間を短縮できる。よって、前記マイクロコンピュータを駆動する時間を短く抑えることができるので、消費電流のさらなる低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る差動増幅器を具備するバッテリパックを用いたスマートバッテリシステムの一構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る差動増幅器２３の一構成例を示す回路図である。
【図３】従来の差動増幅器の一構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
３ａ〜３ｄリチウムイオン電池
１０バッテリパック
２０バッテリモニタ回路部
２２セルセレクタ
２３差動増幅器
３０マイコン
４０本体
４３充電器
５０演算増幅器
５７コンパレータ
５８スイッチ回路

Claims

第１入力電圧と前記第１入力電圧より低い第２入力電圧との差電圧に応じた出力電圧を得るための差動増幅器において、
前記第１入力電圧及び前記第２入力電圧が入力され、前記第１入力電圧と前記第２入力電圧との差電圧が所定の電圧よりも低くなった場合に前記出力電圧の出力動作を禁止する手段を有することを特徴とする差動増幅器。
複数の二次電池と、前記二次電池のいずれかを選択してその正極電圧及び負極電圧を取り出すためのセルセレクタと、前記二次電池の正極電圧と負極電圧との差電圧に応じた出力電圧を得るための差動増幅器と、前記差動増幅器の出力電圧に基づいて前記二次電池の充放電を制御するマイクロコンピュータとを有するバッテリパックにおいて、
前記差動増幅器は、前記二次電池の正極電圧及び負極電圧が入力され、前記二次電池の正極電圧と負極電圧との差電圧が所定の電圧よりも低くなった場合に前記出力電圧の出力動作を禁止する手段を有することを特徴とするバッテリパック。