JP4777920B2 - 充放電制御回路及び充電式電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリの充放電を制御する充放電制御回路、及び、その充放電制御回路を搭載する充電式電源装置に関する。

従来の充電式電源装置の構成について説明する。図５は、従来の充電式電源装置を示す図である。

充電式電源装置は、バッテリ１０１、充放電制御回路１１０及びスイッチ１０２を備えている。充電式電源装置は、充電器１０４または負荷１０３が接続されている。充放電制御回路１１０は、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を有する分圧回路１１１、基準電圧回路１２２、過充電検出コンパレータ１２１、制御回路２１０、過電流検出コンパレータ１２０、基準電圧回路１２３、抵抗１２４、寄生ダイオード２０２を有する保護回路２０１、寄生ダイオード２０５を有する保護回路２０４、及び、定電流源２０８及びＮ型トランジスタ２０６を有する充電器検出回路２１１を有している。

分圧回路１１１は、バッテリ１０１の電圧を分圧する。基準電圧回路１２２は、過充電検出コンパレータ１２１に所定の基準電圧を出力し、基準電圧回路１２３は、過電流検出コンパレータ１２０に所定の基準電圧を出力する。過充電検出コンパレータ１２１は、分圧回路１１１の出力信号と基準電圧回路１２２による基準電圧とを比較し、バッテリ１０１の過充電状態を検出し、過電流検出コンパレータ１２０は、過電流検出端子の電圧と基準電圧回路１２３による基準電圧とを比較し、バッテリ１０１の過電流状態を検出する。制御回路２１０は、過充電検出コンパレータ１２１及び過電流検出コンパレータ１２０の出力信号に基づき、スイッチ１０２及び保護回路２０１をオンオフ制御する。充電器検出回路２１１は、充電器１０４の接続を検出する。Ｎ型トランジスタの保護回路２０１は、制御回路２１０からの出力信号に基づき、オンすることによってＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路に抵抗１２４を接続する。Ｎ型トランジスタの保護回路２０４は、充電器検出回路２１１からの出力信号に基づき、オフすることによってＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路から抵抗１２４を切り離す。

次に、従来の充電式電源装置の動作について説明する。

ＶＤＤ端子に充電器１０４の正極が接続され、過電流検出端子に充電器１０４の負極が接続される。外部端子＋ＶＯと外部端子−ＶＯとの間に充電器１０４が接続され、バッテリ１０１が充電される。バッテリ１０１の電圧が所定電圧以上になり、分圧回路１１１の出力電圧が基準電圧回路１２２の基準電圧以上になると、過充電コンパレータ１２１がバッテリ１０１の過充電状態を検出する。すると、制御回路２１０は、スイッチ１０２をオフし、充電電流を遮断するよう制御する。

ここで、バッテリ１０１の過充電状態が検出され、スイッチ１０２がオフしているとする。また、バッテリ１０１の電圧を４．２Ｖとし、充電器１０４の電圧を６．０Ｖとする。すると、過電流検出端子の電圧は、
４．２Ｖ−６．０Ｖ＝−１．８Ｖ
になる。この時、Ｎ型トランジスタ２０６のゲート電圧はＶＳＳ端子の電圧（０Ｖ）になり、ソース電圧は過電流検出端子の電圧（−１．8Ｖ）になり、ゲート・ソース間電圧は１．８Ｖになる。このＮ型トランジスタ２０６のゲート・ソース間電圧が閾値電圧以上になると、Ｎ型トランジスタ２０６はオンする。すると、保護回路２０４のゲート電圧及びソース電圧はほぼ過電流検出端子の電圧になり、ゲート・ソース間電圧は０Ｖになるので、保護回路２０４はオフする。よって、抵抗１２４がＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路から切り離され、寄生ダイオード２０２、抵抗１２４及び保護回路２０４を通過するＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路が遮断され、この経路に充電電流が流れない。
特開２００２−２３８１７３号公報（図３）

しかし、過電流検出コンパレータ１２０によってバッテリ１０１の過電流状態が検出され、過電流検出端子の電圧がＶＤＤ端子の電圧近傍まで上昇すると、保護回路２０４の寄生ダイオード２０５が順方向バイアスになり、順方向電流が流れてしまう。よって、この順方向電流をベース電流として保護回路２０４の寄生バイポーラが動作し、消費電流が増えてしまう。

ここで、保護回路２０４の寄生バイポーラの動作について説明する。図６は、従来の保護回路を示す図である。

過電流検出端子の電圧がＶＤＤ端子の電圧近傍まで上昇すると、保護回路２０４のソースであるＮ型拡散領域１０の電圧及びバックゲートであるＰ型ウェル３０もＶＤＤ端子の電圧近傍まで上昇することになり、Ｐ型ウェル３０及びＮ型拡散領域２０によって形成される保護回路２０４の寄生ダイオード２０５が順方向バイアスになる。順方向電流が、Ｐ型ウェル３０から、寄生ダイオード２０５、抵抗１２４及び保護回路２０１を介してＶＳＳ端子に流れていまう。この順方向電流は、ベースであるＰ型ウェル３０、エミッタであるＮ型拡散領域２０及びコレクタであるＮ型基板４０によって形成される寄生バイポーラのベース電流になり、順方向電流をｈ_FB倍したエミッタ電流が、エミッタであるＮ型拡散領域２０に流れる。この時、コレクタ電流は、ＶＤＤ端子から供給される。よって、この順方向電流をベース電流として保護回路２０４の寄生バイポーラが動作し、消費電流が増えてしまう。

本発明は、バッテリが過電流状態になっても、消費電流を少なくできる充放電制御回路及び充電式電源装置を提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、バッテリの充放電を制御する充放電制御回路において、前記バッテリの電圧を分圧する分圧回路と、第一基準電圧を出力する第一基準電圧回路と、第二基準電圧を出力する第二基準電圧回路と、前記分圧回路の出力信号と前記第一基準電圧とを比較し、前記バッテリの過充電状態を検出する過充電検出コンパレータと、過電流検出端子の電圧と前記第二基準電圧とを比較し、前記バッテリの過電流状態を検出する過電流検出コンパレータと、前記過充電検出コンパレータ及び前記過電流検出コンパレータの出力信号に基づき、充電器または負荷と前記バッテリとの間に設けられたスイッチ及びＶＳＳ端子と前記過電流検出端子との間に設けられた保護回路をオンオフ制御する制御回路と、前記制御回路からの出力信号に基づき、オンすることによって前記ＶＳＳ端子と前記過電流検出端子との間の経路に抵抗を接続し、オフすることによって前記経路から前記抵抗を切り離す前記保護回路と、を備えていることを特徴とする充放電制御回路を提供する。

また、本発明は、上記課題を解決するため、バッテリの充放電を制御する充放電制御回路を搭載する充電式電源装置において、前述した充放電制御回路と、前記スイッチと、前記バッテリと、を備えていることを特徴とする充電式電源装置を提供する。

本発明では、バッテリが過電流状態になった場合、保護回路の寄生ダイオードは順方向電流を流さなくなるので、その順方向電流をベース電流とする保護回路の寄生バイポーラが動作せず、充放電制御回路における消費電流が増えなくなる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

［第一実施形態］
まず、第一実施形態の充電式電源装置の構成について説明する。図１は、第一実施形態の充電式電源装置を示す図である。

充電式電源装置は、バッテリ１０１、充放電制御回路１１０及びスイッチ１０２を備えている。充電式電源装置は、充電器１０４または負荷１０３が接続されている。充放電制御回路１１０は、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を有する分圧回路１１１、基準電圧回路１２２、過充電検出コンパレータ１２１、制御回路２１０、過電流検出コンパレータ１２０、基準電圧回路１２３、抵抗１２５、及び、寄生ダイオード７０及び寄生ダイオード７１を有する保護回路５０を有している。

ここで、保護回路５０のバックゲートは、寄生ダイオード７１を介してソースに接続され、寄生ダイオード７０を介してドレインに接続されている。

分圧回路１１１は、バッテリ１０１の電圧を分圧する。基準電圧回路１２２は、過充電検出コンパレータ１２１に所定の基準電圧を出力し、基準電圧回路１２３は、過電流検出コンパレータ１２０に所定の基準電圧を出力する。過充電検出コンパレータ１２１は、分圧回路１１１の出力信号と基準電圧回路１２２による基準電圧とを比較し、バッテリ１０１の過充電状態を検出し、過電流検出コンパレータ１２０は、過電流検出端子の電圧と基準電圧回路１２３による基準電圧とを比較し、バッテリ１０１の過電流状態を検出する。制御回路２１０は、過充電検出コンパレータ１２１及び過電流検出コンパレータ１２０の出力信号に基づき、スイッチ１０２及び保護回路５０をオンオフ制御する。Ｎ型トランジスタの保護回路５０は、制御回路２１０からの出力信号に基づき、オンすることによってＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路に抵抗１２４を接続し、オフすることによってその経路から抵抗１２４を切り離す。

次に、第一実施形態の充電式電源装置の動作について説明する。図２は、第一実施形態の保護回路を示す図である。

ＶＤＤ端子に充電器１０４の正極が接続され、過電流検出端子に充電器１０４の負極が接続される。外部端子＋ＶＯと外部端子−ＶＯとの間に充電器１０４が接続され、バッテリ１０１が充電される。バッテリ１０１の電圧が所定電圧以上になり、分圧回路１１１の出力電圧が基準電圧回路１２２の基準電圧以上になると、過充電コンパレータ１２１がバッテリ１０１の過充電状態を検出する。すると、制御回路２１０は、スイッチ１０２をオフし、充電電流を遮断するよう制御する。

ここで、バッテリ１０１の過充電状態が検出され、スイッチ１０２がオフしているとする。また、バッテリ１０１の電圧を４．２Ｖとし、充電器１０４の電圧を６．０Ｖとする。すると、過電流検出端子の電圧は、
４．２Ｖ−６．０Ｖ＝−１．８Ｖ
になる。この時、制御回路２１０は保護回路５０のゲート電圧と過電流検出端子の電圧とが等しくなるよう動作し、Ｎ型拡散領域１０の電圧は−１．８Ｖであり、Ｎ型拡散領域２０の電圧は０Ｖであり、寄生ダイオード７０の閾値電圧は０．５Ｖであるとすると、Ｐ型ウェル３０の電圧は、
−１．８Ｖ＋０．５Ｖ＝−１．３Ｖ
になる。寄生ダイオード７０は順方向バイアスになり、寄生ダイオード７１は逆方向バイアスになる。ゲート電圧（−１．８Ｖ）がＰ型ウェル３０の電圧（−１．３Ｖ）よりも低いので、保護回路５０はオフする。よって、抵抗１２４がＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路から切り離され、保護回路５０及び抵抗１２５を通過するＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路が遮断され、この経路に充電電流が流れない。

また、過電流検出コンパレータ１２０によってバッテリ１０１の過電流状態が検出され、過電流検出端子の電圧がＶＤＤ端子の電圧近傍まで上昇すると、制御回路２１０は保護回路５０のゲート電圧とＶＤＤ端子の電圧とが等しくなるよう動作する。過電流検出端子の電圧がＶＤＤ端子の電圧近傍まで上昇しているので、Ｎ型拡散領域１０の電圧は０Ｖよりも高くなり、Ｎ型拡散領域２０の電圧は０Ｖである。よって、寄生ダイオード７１の閾値電圧が０．５Ｖとすると、Ｐ型ウェル３０の電圧は０．５Ｖになる。この時、ゲート電圧はＶＤＤ端子の電圧であり、ゲート電圧がＰ型ウェル３０の電圧よりも高いので、保護回路５０はオンする。保護回路５０のオン抵抗が無視されるほど小さいとすると、保護回路５０はオンとなった時にＮ型拡散領域１０の電圧はＶＳＳ端子の電圧に近づく。保護回路５０はオンしているので、バッテリ１０１の正極から負荷１０３、抵抗１２５及び保護回路５０を介してＶＳＳ端子に流れる電流は保護回路５０のチャネル領域を流れ、寄生ダイオード７１は順方向電流を流さない。よって、ベースであるＰ型ウェル３０、エミッタであるＮ型拡散領域２０及びコレクタであるＮ型基板４０によって形成される寄生バイポーラが動作しない。

このようにすると、バッテリ１０１が過電流状態になった場合、保護回路５０の寄生ダイオード７１は順方向電流を流さなくなるので、その順方向電流をベース電流とする保護回路５０の寄生バイポーラが動作せず、充放電制御回路における消費電流が増えなくなる。

［第二実施形態］
次に、第二実施形態の充電式電源装置の構成について説明する。図３は、第二実施形態の充電式電源装置を示す図である。

第二実施形態の充電式電源装置は、第一実施形態の充電式電源装置と比較し、抵抗１２４、保護回路５０、寄生ダイオード７０及び寄生ダイオード７１が削除され、スイッチ８０、抵抗６５、抵抗１２６、保護回路６０及び寄生ダイオード８１が追加されている。

ここで、保護回路６０のバックゲートは、寄生ダイオード８１を介してソースに接続され、抵抗６５を介してゲートに接続されている。また、保護回路５０のゲートは、スイッチ８０を介してＶＤＤ端子に接続されている。

制御回路２１０は、過充電検出コンパレータ１２１及び過電流検出コンパレータ１２０の出力信号に基づき、スイッチ８０及びスイッチ１０２をオンオフ制御する。Ｎ型トランジスタの保護回路６０は、スイッチ８０を介した制御回路２１０からの出力信号に基づき、オンすることによってＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路に抵抗１２６を接続し、オフすることによってその経路から抵抗１２６を切り離す。

次に、第二実施形態の充電式電源装置の動作について説明する。図４は、第二実施形態の保護回路を示す図である。

ＶＤＤ端子に充電器１０４の正極が接続され、過電流検出端子に充電器１０４の負極が接続される。外部端子＋ＶＯと外部端子−ＶＯとの間に充電器１０４が接続され、バッテリ１０１が充電される。バッテリ１０１の電圧が所定電圧以上になり、分圧回路１１１の出力電圧が基準電圧回路１２２の基準電圧以上になると、過充電コンパレータ１２１がバッテリ１０１の過充電状態を検出する。すると、制御回路２１０は、スイッチ１０２をオフし、充電電流を遮断するよう制御する。

ここで、バッテリ１０１の過充電状態が検出され、スイッチ１０２がオフしているとする。すると、スイッチ８０もオフするよう制御され、保護回路６０のゲート電圧はバックゲート電圧とほぼ同一になるので、保護回路６０はオフする。よって、抵抗１２６がＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路から切り離され、保護回路６０及び抵抗１２６を通過するＶＳＳ端子と過電流検出端子との間の経路が遮断され、この経路に充電電流が流れない。

また、過電流検出コンパレータ１２０によってバッテリ１０１の過電流状態が検出され、過電流検出端子の電圧がＶＤＤ端子の電圧近傍まで上昇すると、スイッチ８０はオンするよう制御される。抵抗６５及び寄生ダイオード８１を介して、電流がＶＤＤ端子からＶＳＳ端子に流れる。抵抗６５の抵抗値を１０ＭΩとし、バッテリ１０１の電圧を３．５Ｖとすると、抵抗６５に流れる電流は、ほぼ、
３．５Ｖ／１０ＭΩ＝０．３５μＡ
になる。０．３５μＡの順方向電流が寄生ダイオード８１に流れると、寄生ダイオード８１に０．１Ｖの電圧が発生するとすると、保護回路６０のバックゲート電圧は０．１Ｖになる。保護回路６０のゲート電圧は３．５Ｖであるので、保護回路５０はオンする。０．３５μＡの順方向電流は、ベースであるＰ型ウェル３０、エミッタであるＮ型拡散領域２０及びコレクタであるＮ型基板４０によって形成される寄生バイポーラを動作させるベース電流として不十分であるので、寄生バイポーラは、動作しない。

このようにすると、バッテリ１０１が過電流状態になった場合、保護回路６０の寄生ダイオード８１による順方向電流は、保護回路６０の寄生バイポーラを動作させるベース電流として不十分である。よって、その順方向電流をベース電流とする保護回路６０の寄生バイポーラは動作せず、充放電制御回路における消費電流が増えなくなる。

第一実施形態の充電式電源装置を示す図である。 第一実施形態の保護回路を示す図である。 第二実施形態の充電式電源装置を示す図である。 第二実施形態の保護回路を示す図である。 従来の充電式電源装置を示す図である。 従来の保護回路を示す図である。

符号の説明

１０１ バッテリ Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
１１１ 分圧回路 １２２、１２３ 基準電圧回路
１２０ 過電流検出コンパレータ １２１ 過充電検出コンパレータ
２１０ 制御回路 １２４ 抵抗
７１、７０ 寄生ダイオード ５０ 保護回路
１０２ スイッチ １１０ 充放電制御回路
１０３ 負荷 １０４ 充電器

Claims (2)

1. バッテリの充放電を制御する充放電制御回路であって、
   過電流検出端子の電圧を監視し、前記バッテリの過電流状態を検出する過電流検出回路と、
   前記過電流検出回路の出力信号に基づき、充電器または負荷と前記バッテリとの間に設けられたスイッチをオンオフ制御する制御回路と、
   前記過電流検出端子とＶＳＳ端子の間に設けられた保護回路と、を備え、
   前記保護回路は、ドレインが前記過電流検出端子と接続され、ソースが前記ＶＳＳ端子と接続され、バックゲートが寄生ダイオードを介して前記ソースと、抵抗を介してゲートに接続されたＮ型トランジスタであって、
   前記Ｎ型トランジスタの前記ゲートは、前記制御回路からの出力信号によって、前記Ｎ型トランジスタがオンする時はＶＤＤ端子と接続され、前記Ｎ型トランジスタがオフする時は前記抵抗を介して前記バックゲートに接続される
   ことを特徴とする充放電制御回路。
2. 充放電が可能なバッテリと、
   前記バッテリと直列に接続されたスイッチと、
   前記バッテリの電圧を監視し、その充放電を前記スイッチによって制御する、請求項１に記載の充放電制御回路と、
   を備えた充電式電源装置。

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