JP4622119B2 - 充電電流検出回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電電流検出回路に関し、主にリチウム・イオン電池を充電対象として充電制御を行う充電電流検出回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、2次電池を対象とした充電器においては、電池の種類による多少の例外はあるものの、多くの場合、2次電池に流される充電電流の値を監視する回路が使用されている。
【0003】
特に、リチウム・イオン電池については、充電時の電圧管理を行うことも重要であるが、充電電流についても充電動作モード毎に設定された値を管理することが行われている。即ち、従来は、小電流での微小充電を行うモードから、大電流で急速充電を行うモードに至るまでの各モードについて、充電電流を監視することにより、その値を制御している。
【0004】
また、充電終了時点の判定は、充電電流が急速充電電流の約1/10以下になった時点をもって充電終了時点と判断する方式が多く採用されている。
図11は、従来の充電電流検出方法の1例を示す回路図である。
【0005】
図11(a)に示す回路では、充電対象の電池B91を流れる電流を抵抗R91の両端の電圧降下として検出し、この電圧降下を電池(同相)電位抑制用の抵抗R92,R93を介して差動増幅器A91で増幅している。なお、抵抗R94は差動増幅器A91の遷移領域を狭めて線型性を良好に確保するための抵抗である。また、抵抗R95は、差動増幅器A91の基準電圧(通常は、+側入力端子に印加する)を与える。
【0006】
この抵抗R95を介した基準電圧は、差動増幅器A91の遷移領域における動作特性を示したグラフの原点に相当する電圧となる。
図11(b)は、図11(a)を簡易化した回路である。
【0007】
図12は、従来の充電電流検出回路の1構成例を示す回路図である。
図12に示す従来の充電電流検出回路では、図11(a)に示す回路に、さらに充電対象の電池B91の直前に直列に接続された整流用ダイオードD91と、所定のタイミング(一般には、急速充電を開始する時点と定電流充電を開始する時点)で所定の大きさの電流値を検出するように検出される電流の値を調整するための可変電圧源T91と、差動増幅器A91の出力と差動増幅器A91の基準電圧との差を増幅する差動増幅器A92とが追加されている。
【0008】
図14は、従来の充電電流検出回路の他の1構成例を示す回路図である。
図14に示す回路では、電流検出用の抵抗R81の両端の電圧降下を複数の抵抗(R82とR86、R83とR87)で分圧する構成とすることにより、各抵抗値のバランスを取る手段を与えている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図12に示す従来の充電電流検出回路では、充電の進行に伴う電池B91の電位(即ち、差動増幅器A91の同相入力)の上昇に伴い、エラー電圧が増加(もしくは減少)し、電流値に測定誤差が生じるといった問題点が有った。
【0010】
このエラー電圧とは、抵抗R91の両端の電圧(即ち、電流検出用電圧)に加算される余計な電圧であり、このエラー電圧が増大すると、直接的な誤差の他にも、差動増幅器A91の動作領域が本来の遷移領域(入力電圧から出力電圧に変換するに際しての線型性が保証されている領域)から外れてしまうことになり、その影響は無視することができない。
【0011】
差動増幅器A91とは限らず、一般的な差動増幅器においても同相成分入力は邪魔な入力である。従って、一般に逆相成分に対する増幅度は同相成分に対する増幅度よりも大であることが好ましい。
【0012】
そこで従来から、差動増幅器自体の良さを判定するための一つの評価尺度として両者の比である同相除去比(CMMR:Common Mode Rejection Ratio)が用いられている。
【0013】
なお、差動増幅器における上記同相入力の問題自体は、周知の事実であり、種々の演算増幅器の解説書に開示されているので、ここでは詳説しない。
図13は、従来の充電電流検出回路において、電池の電位(同相電圧)上昇に起因して電流検出用電圧に加算されるエラー電圧を示すグラフである。
【0014】
図13に示すグラフは、電流検出用抵抗に一定電圧を印加(一定電流の導通状態に相当する)しておき、同相電圧となる電池電圧を変化させた時の電流検出用電圧に加算されるエラー電圧をプロットしたものである。
【0015】
図13の複数の線分は、複数のチップでの測定結果に対応しており、全体として上記CMMRのバラツキを示している。
また、従来の充電電流検出回路では、差動増幅器への入力電圧の大きさを調整したり、同相成分を除去したりするための前段抵抗の系列が複雑となり、素子数も増大するといった問題点が有った。
【0016】
さらには、同相成分を除去する目的で差動増幅器への前段抵抗の抵抗値をバランスさせる仕事は、非常に微妙であり、僅かの誤差も電流値の測定に大きな誤差を与えてしまうといった問題点が有った。
【0017】
充電電流検出回路は、制御モードを切り替えるタイミングを把握するために使用されるので、一般に電流値の測定誤差は、そのまま大きな制御誤差となって顕れる。
【0018】
なお、図11に示す従来の充電電流検出方法の回路構成では、充電対象の電池B91の基準とする側の電極がGND(接地)電位になっていないといった問題点が有った。
【0019】
充電対象の電池B91の基準とする側の電極がGND電位になっていないと、内部の他の回路、または外部の装置(例えば、検出電流に対応した電圧を測定するための電圧計)との整合性がとれず、使い勝手が悪くなる。
【0020】
本発明は、以上のような従来の充電電流検出回路における問題点に鑑みてなされたものであり、充電対象の電池の基準電極を接地電位にする構成を採用すると共に、該電池の電位上昇に影響されずに充電電流の測定を行うことができる充電電流検出回路を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記の課題を解決するために、基準電極を接地側に接続した2次電池を備え、前記2次電池に流される充電電流の値を測定する充電電流検出回路において、一端が前記2次電池の基準電極と反対の電極側に接続されて前記2次電池に直列に接続される電流検出用抵抗の両端に生じる電圧降下を差動増幅器で検出する電圧検出手段と、前記差動増幅器の出力電圧を増幅する電圧増幅手段と、前記増幅された出力電圧を再び電流値に変換する電圧−電流変換手段と、前記電流値を増幅した電流を出力するカレントミラー回路と、前記差動増幅器の動作領域を所定の遷移領域に設定するための基準電圧を作り出す基準電圧設定手段と、を備え、前記基準電圧設定手段は、前記電流検出用抵抗の前記一端の電位から常に一定電位だけ低い電位を作り出すと共に該電位をバッファ回路を介して前記差動増幅器の基準電位とする、もしくは、前記電流検出用抵抗の前記一端の電位を分圧した電位を作り出すと共に該電位をバッファ回路を介して前記差動増幅器の基準電位とする、ことを特徴とする充電電流検出回路が提供される。
【0022】
即ち、本発明では、充電対象の電池(但し、基準電極をGND側に接続されている2次電池)に流される充電電流の値を測定するために、該2次電池に直列接続された所定抵抗値(電流検出用抵抗)の両端に生じる電圧降下を差動増幅器で検出する手段と、該差動増幅器の出力電圧を増幅する手段と、該増幅された出力電圧を再び電流値に変換する手段と、該電流値を増幅すると共に増幅して電流値測定回路に出力するカレントミラー回路と、差動増幅器の動作領域を所定の遷移領域(線型領域)に設定するための基準電圧を作り出す基準電圧設定手段とを備え、基準電圧設定手段が電流検出用抵抗の一端の電位から所定の電位だけ低い電位を作り出すと共に該電位をバッファ回路を介して差動増幅器の基準電位とすることで、上記2次電池の基準電極を接地電位にした構成を採用すると共に、該2次電池の電位上昇に影響されずに充電電流の測定を行うことができるようにしている。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路の1構成例を示す回路図である。
【0024】
本構成例の充電電流検出回路は、測定すべき充電電流Iを電圧降下に変換する電流検出用抵抗R1と、電流検出用抵抗R1の両端の電圧降下を線型増幅する差動増幅器A1と、充電電流Iの逆流を防止するダイオードD1と、充電対象の電池B1(2次電池)と、差動増幅器A1の基準電圧を調整する回路(ツェナーダイオードD2,D3と、抵抗R5,R6と、可変電圧源T1と、差動増幅器A3とを含む回路)と、差動増幅器A1の出力電圧を増幅する差動増幅器A2と、該増幅された出力電圧と上記基準電圧との電位差を電流(検出電流)に変換するトランジスタTr1と、差動増幅器A1の出力電圧と比較用電圧源B2の電圧とを比較して前記検出電流のレベルを検出する差動増幅器A4と、前記検出電流を入力してGNDとの間の出力電流として増幅するカレントミラー回路(トランジスタTr2〜Tr4と、抵抗R8,R9とを含む回路)を備える。
【0025】
電流検出用抵抗R1は、差動増幅器A1の動作特性(遷移領域の狭さ)を考慮して低抵抗とする。
ツェナーダイオードD2,D3は、他の電圧制限素子で代用することも可能である。
【0026】
上記の差動増幅器A1の基準電圧を調整する回路は、電流検出用抵抗R1とダイオードD1との接続点と、GNDとの間に直列接続された(ツェナーダイオードD2、抵抗R6、可変電圧源T1)の配線系列と、抵抗R6、可変電圧源T1に並列接続されたツェナーダイオードD3と、ツェナーダイオードD2と抵抗R6の接続点を+側端子に接続すると共に出力端子と−側端子とを短絡した差動増幅器A3とを備える。
【0027】
図2は、本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路が採用している回路方式を説明するための回路図である。
本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路では、充電対象の電池B1の基準電極はGND側に接続するものとする。
【0028】
図3は、本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路が採用する基本回路の回路構成を説明するための回路図である。
本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路が採用する基本回路は、図2に示す回路の電流検出用抵抗R1と充電対象の電池B1との間に整流(逆流防止)用のダイオードD1を接続するものとする。
【0029】
以下、図1〜3を参照して本実施の形態に係る充電電流検出回路の動作を説明する。
電流検出用抵抗R1は、充電対象の電池B1と直列に接続されているので、充電対象の電池B1に流し込まれる充電電流Iが流れており、両端に充電電流Iに比例する電圧降下を生じる。差動増幅器A1は、電流検出用抵抗R1の両端に生じる上記電圧降下を線型に増幅して出力電圧に変換する。ダイオードD1は、充電電流Iの逆流を阻止する。
【0030】
充電対象の電池B1は、充電電流Iが流し込まれる充電対象の電池である。この電池は、上記差動増幅器A1の基準電圧を設定するためにも利用する。
上記の差動増幅器A1の基準電圧を調整する回路は、電流検出用抵抗R1と充電対象の電池B1との接続点の電位(抵抗R2を介して差動増幅器A1の−側端子に加算入力される電位)から所定の一定電圧だけ低い電位を常に差動増幅器A1の基準電圧として設定するように機能する。
【0031】
即ち、同相電圧となる充電対象の電池B1の電位が0(V)から上昇していくと、電流検出用抵抗R1と充電対象の電池B1との接続点の電位が上昇(従って、差動増幅器A1の−側端子に加算入力される電位も上昇する)することとなり、他方、同時に、該電位からは常に所定の電圧(即ち、ツェナーダイオードD2の電圧降下分)だけ低い電位も、差動増幅器A3(低インピーダンスのバッファ)を介して差動増幅器A1の基準電圧として加算入力されることとなる。
【0032】
ツェナーダイオードD3は、充電対象の電池B1の電位がなおも上昇した時に、差動増幅器A1およびA3を保護するための電圧クランプ回路として機能する。
【0033】
差動増幅器A2とトランジスタTr1は、差動増幅器A1の出力電圧と基準電圧との電位差を再び電流(即ち、検出電流)に変換し、検出電流の一方の電位を上記の基準電圧に合わせて上記のカレントミラー回路に流し込む。差動増幅器A1は、線型性を高めるために遷移領域が低くなっており、従って電流検出用抵抗R1に流れる充電電流Iを同相電圧を排した高い精度で出力電圧に変換するだけの機能しか持っておらず、増幅機能自体は不足している。このため、差動増幅器A2は、電圧→電流変換器として機能すると共に、この差動増幅器A1の増幅能力をカバーするための差動増幅器として機能する。
【0034】
上記のカレントミラー回路は、この検出電流の電流値を増幅して抵抗R8,R9を介してGND間に流し込む。
この流し込まれる電流は、抵抗R8,R9により電圧に変換されるこの電圧を電流比例の電圧としてモニターすることができる。
【0035】
可変電圧源T1は、所定のタイミング(一般には、急速充電を開始する時点と定電流充電を開始する時点)において、所定の大きさの電流値を検出することができるように検出される電流の値を予め調整しておくためのものである。
【0036】
差動増幅器A4は、差動増幅器A1の出力電圧を比較用電源B2の電圧とを比較することで、前記検出電流のレベルを代用的に検出する機能を備える。但し、この回路はオプショナルであり、省略することができる。
【0037】
図4〜6は、図1に示す充電電流検出回路の動作特性を説明するためのグラフである。
図4は、差動増幅器A1の基準電圧を調整する回路を備えていない充電電流検出回路の動作特性を示し、図5は、充電対象の電池B1の電圧をツェナーダイオードを用いて分圧しただけの調整回路を用いた充電電流検出回路(図示は省略)の動作特性を示し、図6は、図1に示す充電電流検出回路の動作特性を示す。
【0038】
図7は、本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路の他の1構成例を示す回路図である。
図7に示す充電電流検出回路は、図1に示す充電電流検出回路に比べて、図1のツェナーダイオードD2に代えて、分圧用の抵抗R10を使用している点だけが異なっており、他の構成は図1に示す充電電流検出回路と同じである。
【0039】
よって、図1に示す充電電流検出回路からツェナーダイオードD2の電圧クランプ回路としての機能が除かれるだけであり、他の機能は図1に示す充電電流検出回路と同じである。
【0040】
図8〜10は、図7に示す充電電流検出回路の動作特性を説明するためのグラフである。
図8は、差動増幅器A1の基準電圧を調整する回路を備えていない充電電流検出回路の動作特性を示し、図9は、充電対象の電池B1の電圧を抵抗R10を用いて分圧しただけの調整回路を用いた充電電流検出回路(図示は省略)の動作特性を示し、図10は、図7に示す充電電流検出回路の動作特性を示す。
【0041】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明では、充電対象となる2次電池(但し、基準電極を接地側に接続されている2次電池)に流される充電電流の値を測定するために、該2次電池に直列接続された所定抵抗値の電流検出用抵抗の両端に生じる電圧降下を差動増幅器で検出し、かつ該差動増幅器の出力電圧を増幅し、かつ該増幅された出力電圧を再び電流値に変換し、かつ該電流値を増幅すると共に増幅して電流値測定回路に出力することと、差動増幅器の動作領域を所定の遷移領域(線型領域)に設定するための基準電圧設定回路を、電流検出用抵抗の一端の電位から所定の電位だけ低い電位を作り出し、該電位をバッファ回路を介して差動増幅器の基準電位としたので、上記2次電池の基準電極を接地電位側とすると共に、上記2次電池の電位上昇に影響されずに充電電流の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路の1構成例を示す回路図である。
【図2】本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路が採用している回路方式を説明するための回路図である。
【図3】本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路が採用する基本回路の回路構成を説明するための回路図である。
【図4】図1に示す充電電流検出回路の動作特性を説明するためのグラフである。
【図5】図1に示す充電電流検出回路の動作特性を説明するためのグラフである。
【図6】図1に示す充電電流検出回路の動作特性を説明するためのグラフである。
【図7】本発明の実施の形態に係る充電電流検出回路の他の1構成例を示す回路図である。
【図8】図7に示す充電電流検出回路の動作特性を説明するためのグラフである。
【図9】図7に示す充電電流検出回路の動作特性を説明するためのグラフである。
【図10】図7に示す充電電流検出回路の動作特性を説明するためのグラフである。
【図11】従来の充電電流検出方法の1例を示す回路図である。
【図12】従来の充電電流検出回路の1構成例を示す回路図である。
【図13】従来の充電電流検出回路において、電池の電位(同相電圧)上昇に起因して電流検出用電圧に加算されるエラー電圧を示すグラフである。
【図14】従来の充電電流検出回路の他の1構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
A1〜A4 差動増幅器
B1 充電対象の電池
B2 比較用電源
D1 ダイオード
D2,D3 ツェナーダイオード
I 充電電流
R1 電流検出用抵抗
R2〜R9 抵抗
Tr1〜Tr4 トランジスタ
Claims (2)
- 基準電極を接地側に接続した2次電池を備え、前記2次電池に流される充電電流の値を測定する充電電流検出回路において、
一端が前記2次電池の基準電極と反対の電極側に接続されて前記2次電池に直列に接続される電流検出用抵抗の両端に生じる電圧降下を差動増幅器で検出する電圧検出手段と、
前記差動増幅器の出力電圧を増幅する電圧増幅手段と、
前記増幅された出力電圧を再び電流値に変換する電圧−電流変換手段と、
前記電流値を増幅した電流を出力するカレントミラー回路と、
前記差動増幅器の動作領域を所定の遷移領域に設定するための基準電圧を作り出す基準電圧設定手段と、
を備え、
前記基準電圧設定手段は、前記電流検出用抵抗の前記一端の電位から常に一定電位だけ低い電位を作り出すと共に該電位をバッファ回路を介して前記差動増幅器の基準電位とする、もしくは、前記電流検出用抵抗の前記一端の電位を分圧した電位を作り出すと共に該電位をバッファ回路を介して前記差動増幅器の基準電位とする、ことを特徴とする充電電流検出回路。 - 前記基準電圧設定手段は、前記電流検出用抵抗の前記2次電池接続側と前記バッファ回路の入力側との間にツェナーダイオードを接続することにより前記電流検出用抵抗の前記一端の電位から常に一定電位だけ低い電位を作り出すことを特徴とする請求項1記載の充電電流検出回路。
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