JP4761454B2 - 充放電保護回路および電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充放電を制御する充放電保護回路に関する。

近年、電子機器の小型化、携帯型化に伴って二次電池の利用が盛んになっている。最も広く用いられている二次電池としてリチウム二次電池が挙げられるが、過充電や過放電による電池の破損、劣化、低寿命化など多くの問題点が指摘されている。

これらの問題点を解決するために、様々な充放電保護回路が開発されてきた。それらの充放電保護回路の多くは、充放電制御スイッチ素子として充放電経路に２つのＭＯＳＦＥＴを直列に挿入した回路構成を持ち、電池電圧を電源とする制御回路が２つのＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を制御することで充電および放電を禁止する。

図５は、上記の回路構成をもつ従来の充放電保護回路である（特許文献１参照）。すなわち、二次電池１２の電池電圧が上昇し、あらかじめ設定された電圧以上になったことを充放電制御回路５が感知した時には、充電制御端子２３を通じて充電制御ＭＯＳＦＥＴ１８をオフすることで充電電流を遮断する。充電禁止の状態では、放電電流は充電制御ＭＯＳＦＥＴ１８の寄生ダイオードを経由して流れる。

同様に、二次電池１２の電池電圧が下降し、あらかじめ設定された電圧以下になったことを充放電制御回路５が感知した時には、放電制御端子２４を通じて放電制御ＭＯＳＦＥＴ１９をオフすることで放電電流を遮断する。放電禁止の状態では、充電電流は放電制御ＭＯＳＦＥＴ１９の寄生ダイオードを経由して流れる。

上記の回路構成には充放電制御回路５に外付けするＭＯＳＦＥＴが２つ必要であり、このことが充放電保護回路の規模を大きくし、部品コストおよび携帯機器に要求される実装面積の省スペース化という観点から問題があった。

また、充放電電流がＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオード部分を経由して流れるモードを持つため、素子自体の劣化を来し易いという問題点もあった。

これらの問題点を解決するために、充放電制御用スイッチ素子を１つのみ用い、さらに充放電電流が寄生ダイオードを経由しない充放電保護回路も提案されている。

図６は、単一の素子であって、寄生ダイオードを持たず、双方向性を有する半導体双方向スイッチ素子を充放電経路に挿入した充放電保護回路の従来例である（特許文献２参照）。

すなわち、半導体双方向スイッチ素子１のドレインは二次電池１２に接続され、ソースは負荷および充電器４に接続され、ゲートは充放電制御回路５に接続されている。充放電制御回路５は二次電池６の端子電圧に応じて半導体双方向スイッチ素子１のオン、オフを切り替える。

上記回路では、充放電制御用スイッチ素子は半導体双方向スイッチ素子１のみであり、より単純な回路構成を実現している。また、半導体双方向スイッチ素子１はオフ時に両方向の電流を遮断するため、寄生ダイオードを電流が経由するモードも無く、素子自体の劣化は起こりにくい。
特許２８７２３６５ 特開２００１−２５１７７２

しかしながら、従来の半導体双方向スイッチ素子を用いた充放電保護回路では、充放電保護回路に負荷が接続されているか、充電器が接続されているかを、充放電制御回路５が感知し得ない回路構成であるため、一旦充電電流を遮断するために半導体双方向スイッチ素子がオフされると、充電器を充放電回路から切り離し、負荷を接続しても放電電流を流すことができないという問題点があった。同様に、一旦放電電流を遮断するために半導体双方向スイッチ素子がオフされると、充電器を接続しても、充電が開始されないという問題点があった。

さらに、上記の従来例では、半導体双方向スイッチ素子の破壊に繋がるような過大な充電電流または過大な放電電流が充放電経路に流れた場合に、制御回路がそれを感知して過大電流を遮断するような機能を持っていないため、信頼性の観点からも問題がある。

さらに、上記の従来例では、半導体双方向スイッチ素子として、ノーマリオン特性をもつ電界効果型トランジスタが想定されている。ノーマリオン特性とは、ゲートに電圧が印加されていない時に、スイッチがオン状態になっている特性である。これは、不慮の自体が発生して制御回路と半導体スイッチ素子のゲートとの接続が切れた場合に、充放電が可能となり、二次電池の破損や劣化に繋がるような充放電が継続されてしまう可能性があるということを意味する。これは二次電池の保護という観点では、問題がある。

したがって、本発明の目的は、簡単な回路構成で、低コストで、より使い勝手がよく、信頼性が高い充放電保護回路を提供することである。

上記課題を解決するために本発明は、充放電経路に挿入された単一のスイッチであって、双方向特性を有する半導体双方向スイッチ素子と、前記半導体双方向スイッチ素子のオン、オフを制御する充放電制御回路とで構成され、前記充放電制御回路は前記半導体双方向スイッチ素子を制御する第一の端子と、外部端子に充電器もしくは負荷のどちらが接続されているかを感知するための第二の端子を備える充放電保護回路とした。

また、本発明は、前記充放電制御回路は前記半導体双方向スイッチ素子をオフさせる電位と抵抗を介して接続された第三の端子を備え、第三の端子は前記半導体双方向スイッチ素子のゲートに接続されている充放電保護回路とした。

本発明の充放電制御回路によれば、単一のスイッチ素子を利用した簡単な回路構成を用いて、低コストで、使い勝手がよく、信頼性が高い充放電保護回路を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施例を示す充放電保護回路である。充放電制御回路５は、二次電池１２の正極に接続されたＶＤＤ端子８と、負極に接続されたＶＳＳ端子７と、第一の端子２および第二の端子３を備えており、ＶＤＤ端子８および第二の端子３とＶＳＳ端子７との間の電圧を感知することができる。半導体双方向スイッチ素子１は、ドレインを二次電池１２の正極および充放電制御回路５のＶＤＤ端子８と接続し、ソースを充放電制御回路５の第二の端子３および負荷または充電器４と接続し、ゲートを充放電制御回路５の第一の端子２と接続している。

先ず、負荷または充電器４の位置に充電器が接続されている場合について説明する。このとき充放電経路には充電電流が流れている。充電電流によって、二次電池１２の電圧が大きくなり、充放電制御回路５のＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧があらかじめ設定された充電禁止電圧以上になったとき、充放電制御回路５は第一の端子２を通じて、半導体双方向スイッチ素子１のゲートを制御し、充電電流を遮断する。充電電流が遮断された後、充放電制御回路５の第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧は充電器の電圧に等しくなる。

その後、充放電経路から充電器を取り外し、負荷および充電器４の位置に負荷を接続する。このとき、充放電制御回路５の第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧は、負荷に電力が供給されれないためゼロに等しくなる。これにより充放電制御回路５は負荷が接続されたことを感知し、第一の端子２を通じて半導体双方向スイッチ素子１をオンにする。

続いて負荷または充電器４の位置に負荷が接続されている場合について説明する。このとき充放電経路には放電電流が流れている。放電電流によって、二次電池１２の電圧が小さくなり、充放電制御回路５のＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧があらかじめ設定された放電禁止電圧以下になったとき、充放電制御回路５は第一の端子２を通じて、半導体双方向スイッチ素子１のゲートを制御し、放電電流を遮断する。充電電流が遮断された後、充放電制御回路５の第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧はゼロに等しくなる。

その後、充放電経路から負荷を取り外し、負荷および充電器４の位置に充電器を接続する。このとき、充放電制御回路５の第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧は充電器電圧に等しくなる。これにより充放電制御回路５は充電器が接続されたことを感知し、第一の端子２を通じて半導体双方向スイッチ素子１をオンにする。

図２に、本発明の第１の実施例の充放電保護回路の具体例を示す。充放電制御回路５の第二の端子３は、ＶＤＤ端子８との間に直列に接続したプルアップ抵抗１４とプルアップスイッチ１３を、ＶＳＳ端子７との間に直列に接続したプルダウン抵抗１６とプルダウンスイッチ１５を備えている。

通常の充放電状態においては、充放電制御回路５は、半導体双方向スイッチ素子１をオン状態に、プルアップスイッチ１３およびプルダウンスイッチ１５をともにオフに制御している。

最初に、充放電経路に過大な放電電流が流れた場合について説明する。充放電経路に正常な放電電流が流れている場合、充放電制御回路５のＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧と、第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧はほぼ等しくなっている。たとえば、二次電池１２の電圧を３V、負荷および充電器４の位置に接続された負荷が１ｋΩ、半導体双方向スイッチ素子のオン抵抗が２０mΩとすると、放電電流は３mAであるため、半導体双方向スイッチ素子１のオン抵抗と放電電流による電圧降下は20ｍΩ×３ｍA＝０．０６mVとなる。よって充放電制御回路５のＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧は３V、第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧は３V−０．０６mV＝２．９９９９４V≒３Vとなる。

ここで、負荷が１Ωになった場合は、充放電経路には約３Aの過大きな放電電流が流れる。半導体双方向スイッチ素子１が３Aの電流に耐えられないときには半導体双方向スイッチ素子１が放電電流により破壊されることも起こりえる。半導体双方向スイッチ素子１を保護するためには、充放電制御回路５は第一の端子２を制御して、半導体双方向スイッチ素子１をオフにし、放電電流を遮断する必要がある。

３Aの放電電流と半導体双方スイッチ素子１がもつ２０ｍΩのオン抵抗による電圧降下は20ｍΩ×３A＝６０ｍVとなる。よって充放電制御回路５のＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧は３V、第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧は３V−０．０６V＝２．９４Vとなる。この電圧差は、放電電流が大きいほど大きくなる。

充放電制御回路５はＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧値から、第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧値を差し引いた電圧差が、あらかじめ設定された値以上に大きくなると、充放電経路に過大な放電電流が流れていると判断し、第一の端子２を通じて、半導体双方向スイッチ素子１をオフにし、放電電流を遮断する。さらに充放電制御回路５は内部のプルアップスイッチ１３を制御してオンにする。すると充放電制御回路５のＶＤＤ端子８と第二の端子３は、制御回路内部でプルアップ抵抗１４を介して接続される。このとき二次電池１２の電圧が３V、負荷および充電器４の位置に接続されている負荷が１Ω、プルアップ抵抗１４の抵抗値が１００ｋΩの場合、充放電制御回路５の第二の端子３〜ＶＳＳ端子電圧は１００ｋΩと１Ωの抵抗分割により（１Ω／１００ｋΩ）×３V＝０．０３ｍV≒０Vとなる。

その後、１Ωの負荷を取り外すと、プルアップ抵抗１４に流れる電流がなくなり、充放電制御回路５の第二の端子３〜ＶＳＳ端子の電圧は二次電池１２の電圧と等しくなる。充放電制御回路５はこの電圧変化を感知し、第一の端子２を通じて半導体双方向スイッチ素子１をオンにする。またプルアップスイッチ１３はオフに制御される。

続いて、充放電経路に過大な充電電流が流れた場合について説明する。充放電経路に正常な充電電流が流れている場合、充放電制御回路５のＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧と、第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧はほぼ等しくなっている。たとえば、二次電池１２の電圧を３V、負荷および充電器４の位置に接続された充電器が流す電流が１A、半導体双方向スイッチ素子のオン抵抗が２０mΩとすると、半導体双方向スイッチ素子１のオン抵抗と充電電流による電圧降下は20ｍΩ×１A＝２０mVとなる。よって充放電制御回路５のＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧は３V＋２０ｍV＝３．０２V、第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧は３Vとなる。

充電電流が大きくなると、たとえば充電電流が３Aになると、半導体双方向スイッチ素子１が３Aの電流に耐えられないときには半導体双方向スイッチ素子１が充電電流により破壊されることも起こりえる。半導体双方向スイッチ素子１を保護するためには、充放電制御回路５は第一の端子２を制御して、半導体双方向スイッチ素子１をオフにし、充電電流を遮断する必要がある。

３Aの充電電流と半導体双方スイッチ素子１がもつ２０ｍΩのオン抵抗による電圧降下は20ｍΩ×３A＝６０ｍVとなる。よって充放電制御回路５のＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧は３V＋６０ｍV＝３．０６V、第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧は３Vとなる。この電圧差は、充電電流が大きいほど大きくなる。

充放電制御回路５は、第二の端子３〜ＶＳＳ端子７の電圧値から、ＶＤＤ端子８〜ＶＳＳ端子７の電圧値を差し引いた電圧差が、あらかじめ設定された値以上に大きくなると、充放電経路に過大な充電電流が流れていると判断し、第一の端子２を通じて、半導体双方向スイッチ素子１をオフにし、充電電流を遮断する。さらに充放電制御回路５は内部のプルダウンスイッチ１５を制御してオンにする。すると充放電制御回路５のＶＳＳ端子８７第二の端子３は、制御回路内部でプルダウン抵抗１６を介して接続される。このとき負荷および充電器４の位置に接続されている充電器が５Vの場合、充放電制御回路５の第二の端子３〜ＶＳＳ端子電圧は５Vとなる。

その後、充電器を取り外すと、充放電制御回路５の第二の端子３の電位はＶＳＳ端子の電位と等しくなり、第二の端子３〜ＶＳＳ端子電圧は０Vとなる。充放電制御回路５はこの電圧変化を感知し、第一の端子２を通じて半導体双方向スイッチ素子１をオンにする。またプルダウンスイッチ１５はオフに制御される。

以上説明したように、充放電制御回路５に第二の端子３を設け、負荷または充電器の電圧を検出することによって、二次電池と負荷または充電器が半導体双方向スイッチ素子１によって切断された状態であっても、負荷または充電器の接続を自動的に検出して充放電を制御することが可能であるので、低コストで、使い勝手がよく、信頼性が高い充放電保護回路を提供することができる。

また、図３はに示したように、二次電池が複数直列接続された電源装置においても、充放電制御回路５が２つの二次電池の中点の電位を感知することによって、複数の二次電池の状態も検出することができるので、同様の効果を得ることが可能である。

図４は、本発明の第２の実施例を示す充放電保護回路である。図２との差異は、充放電制御回路５が半導体双方向スイッチ素子１のゲートに接続された第三の端子１１をもつことである。第三の端子１１は、プルダウン抵抗１７を介して、ＶＳＳ端子７に接続されている。

半導体双方向スイッチ素子１はゲートの電位が不定の場合、オン状態になるノーマリオン特性をもち、半導体双方向スイッチ素子１をオフ状態にするために、ソースの電位よりも低い電位を与えなければならない。何らかの原因により、第一の端子２と半導体双方向スイッチ素子１のゲートの接続が切れることがあったとしても、半導体双方向スイッチ素子１のゲートはプルダウン抵抗１７によりオフ状態に制御させるため、充放電ともに遮断されるため、二次電池１２や半導体双方向スイッチ素子１を劣化や破壊から守ることが可能となる。

以上、発明の実施の形態について半導体スイッチ素子１をハイサイドスイッチとして使用した場合を例にして説明したが、同様に、ローサイドスイッチとして使用した充放電保護回路を構成することも可能である。

本発明の第1の実施例の充放電保護回路のブロック図である。 本発明の第１の実施例の充放電保護回路のブロック図である。 本発明の第１の実施例の充放電保護回路のブロック図である。 本発明の第２の実施例の充放電保護回路のブロック図である。 従来の充放電保護回路のブロック図である。 従来の充放電保護回路のブロック図である。

符号の説明

１ 半導体双方向スイッチ素子
２ 第一の端子
３ 第二の端子
４ 負荷および充電器
５ 充放電制御回路
７ ＶＳＳ端子
８ ＶＤＤ端子
９ 中間電位端子
１１ 第三の端子
１２ 二次電池
１３ プルアップスイッチ
１４ プルアップ抵抗
１５ プルダウンスイッチ
１６、１７ プルダウン抵抗
１８ 充電制御ＭＯＳＦＥＴ
１９ 放電制御ＭＯＳＦＥＴ
２１ 負極端子
２２ 正極端子
２３ 充電制御端子
２４ 放電制御端子

Claims (4)

1. 外部端子と二次電池の間に挿入された半導体双方向スイッチ素子と、
   前記二次電池の電圧を監視し、前記半導体双方向スイッチ素子をオン、オフして前記二次電池の充放電を制御する充放電制御回路を備えた充放電保護回路であって、
   前記充放電制御回路は、前記半導体双方向スイッチ素子に接続した第一の端子と、充電器もしくは負荷のどちらが前記外部端子に接続されているかを感知するための第二の端子を備え、
   前記第二の端子は、直列に接続された第一の抵抗と第一のスイッチを介して前記二次電池の正極と接続され、直列に接続された第二の抵抗と第二のスイッチを介して前記二次電池の負極と接続されており、
   前記充放電制御回路は、
   充電状態において前記二次電池が満充電になったときに、前記第一の端子の出力によって前記半導体双方向スイッチ素子をオフして、前記第一のスイッチをオンして、前記第二の端子の電圧を監視し、
   放電状態において前記二次電池が過放電になったときに、前記第一の端子の出力によって前記半導体双方向スイッチ素子をオフして、前記第二のスイッチをオンして、前記第二の端子の電圧を監視する、
   ことを特徴とする充放電保護回路。
2. 前記充放電制御回路は、
   充電状態において、前記第二の端子の電圧によって、前記外部端子の過電流を検出したときに、前記第一の端子の出力によって前記半導体双方向スイッチ素子をオフして、前記第二のスイッチをオンして、前記第二の端子の電圧を監視し、
   放電状態において、前記第二の端子の電圧によって、前記外部端子の過電流を検出したときに、前記第一の端子の出力によって前記半導体双方向スイッチ素子をオフして、前記第一のスイッチをオンして、前記第二の端子の電圧を監視する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の充放電保護回路。
3. 前記充放電制御回路は、
   前記半導体双方向スイッチ素子をオフさせる電位と抵抗を介して接続された第三の端子を備え、
   前記第三の端子は、前記半導体双方向スイッチ素子のゲートに接続されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の充放電保護回路。
4. 二次電池と、
   請求項１から３のいずれかに記載の充放電保護回路と、を備えた電源装置。

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