JP5056852B2

JP5056852B2 - 充電回路

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Publication number: JP5056852B2
Application number: JP2009531041A
Authority: JP
Inventors: 慎一中川
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2027-09-04
Also published as: US8742730B2; WO2009031201A1; JPWO2009031201A1; US20100141218A1

Description

この発明は、ＡＣアダプタやＵＳＢ電源を電源としてバッテリーを充電する充電回路に関するものである。
バッテリーを電源として動作する電子機器では、安定した電源を確保するために、ＡＣアダプタやＵＳＢ電源を電源とする充電回路でバッテリーを充電し、そのバッテリー及び充電回路の双方を電源として動作している。こうした電子機器では、充電回路及びバッテリーを介してシステム負荷を安定して動作させる必要がある。

図５は、従来の充電回路を示す。充電回路１にはＡＣアダプタやＵＳＢ電源等の電源装置から電源２が供給される。充電回路１の出力端子Ｔｏは、電流検出用抵抗Ｒ１を介してバッテリー３及びシステム負荷４に接続され、出力端子Ｔｏからバッテリー３に充電電圧及び充電電流が供給される。また、システム負荷４はバッテリー３及び充電回路１を電源として動作する。

電流検出用抵抗Ｒ１の両端子は、充電回路１の入力端子Ｔｉ１，Ｔｉ２に接続される。従って、入力端子Ｔｉ２にはバッテリー３の充電電圧Ｖbatが供給され、入力端子Ｔｉ１，Ｔｉ２には電流検出用抵抗Ｒ１の両端子電圧が供給される。

充電回路１内において、入力端子Ｔｉ１，Ｔｉ２は電流検出アンプ５の２つの入力端子に接続される。電流検出アンプ５は、電流検出用抵抗Ｒ１の両端子間の電位差を増幅し、その増幅結果を示す出力電圧を定電流制御アンプ６のマイナス側入力端子に供給する。

定電流制御アンプ６のプラス側入力端子には基準電圧Ｖｓが供給される。そして、定電流制御アンプ６は基準電圧Ｖｓと電流検出アンプ５の出力電圧との電位差に応じた出力信号を駆動回路７に供給する。

入力端子Ｔｉ２は更に抵抗Ｒ２，Ｒ３を介してグランドＧＮＤに接続され、抵抗Ｒ２，Ｒ３間のノードＮ１０の電圧が定電圧制御アンプ８のマイナス側入力端子に供給される。定電流制御アンプ６のプラス側入力端子には基準電圧Ｖｓが供給される。そして、定電圧制御アンプ８は基準電圧ＶｓとノードＮ１０の電圧との電位差に応じた出力信号を駆動回路７に供給する。

駆動回路７は、定電流制御アンプ６の出力信号と定電圧制御アンプ７の出力信号とに基づいて定電圧出力動作あるいは定電流出力動作を行う。駆動回路７の出力信号は出力端子Ｔｏに供給される。

動作検出器９は、定電流制御アンプ６及び定電圧制御アンプ８の動作状態に基づいて、駆動回路７が定電流出力動作をしているかあるいは定電圧出力動作をしているかを検出し、その検出信号をシーケンス制御部１０に供給する。

シーケンス制御部１０は、動作検出器９の検出信号に基づいて定電流制御アンプ６及び定電圧制御アンプ８の各々の動作をシーケンス制御する。
上記のような充電回路１によるバッテリー３の充電動作を図３及び図４に従って説明する。図３は、充電電圧及び充電電流と経過時間との関係を示し、完全放電状態からバッテリー電圧（充電電圧）が４．２Ｖに達する充電終了までの所要時間が８７０分となる場合について示し、図４はこのときの充電電圧と充電電流との関係を示す。

バッテリー３の放電状態において充電回路１が充電動作を行うとき、まず駆動回路７から微細な定電流の短絡電池電流Ｉshortが供給され、充電電圧Ｖbatが２Ｖの短絡電池電圧Ｖshortとなるまで充電される。

次いで、約１００ｍＡの予備充電電流で充電が継続され、約３０分後に充電電圧Ｖbatが３Ｖ弱の予備充電電圧に達すると、４５０ｍＡの定電流の充電電流Ｉchgがバッテリー３に供給されて急速充電が行なわれる。

次いで、充電電圧Ｖbatが４．２Ｖの満充電電圧Ｖregに達すると、充電回路１は定電圧充電動作に移行して、充電電流Ｉchgが１００ｍＡの充電終了電流Ｉtaper（満充電状態）まで徐々に減少する。

システム負荷４の駆動時、駆動回路７の出力電流よりシステム負荷４の消費電流が大きい場合には、その不足分がバッテリー３からシステム負荷４に供給される。充電回路１に電源２が接続されていない場合には、システム負荷４の消費電流はバッテリー３から供給される。

電源２が接続されている状態で、バッテリー３からシステム負荷４に消費電流が供給されると、充電電圧Ｖbatが満充電電圧Ｖregから低下し、充電回路１は４５０ｍＡの一定の充電電流Ｉchgによる定電流充電動作に移行する。そして、充電電流Ｉchgを用いてシステム負荷４に消費電流が供給され、充電電流Ｉchgから消費電流を差し引いた余剰電流によりバッテリー３が充電される。

通常、充電回路１の充電電流Ｉchgは、システム負荷４の最大消費電流より大きくなるように設定することが望ましい。このような構成とすれば、バッテリー３を充電回路１（即ち、システム負荷４）から取り外しても、システム負荷４の消費電流を充電回路１から安定して供給することができる。

ところが、例えば充電回路１を備えた電源ＩＣとシステム機器との製品開発が並行して行なわれる場合、充電回路１の充電電流Ｉchgをシステム負荷４の最大消費電流より大きくなるように設定することができない場合がある。

このような場合に、バッテリー３が取り外された状態でシステム負荷４が動作し、その消費電流が１００ｍＡとなると、充電回路１は出力電圧４．２Ｖの定電圧制御動作を行う。そして、システム負荷４の消費電流が増大して入力端子Ｔｉ２の電圧が低下すると、充電回路１は４５０ｍＡの充電電流Ｉchgを出力する。その後、充電回路１は、消費電流の変動に応じて定電圧制御状態と定電流制御状態とを繰り返す。

そして、システム負荷４の消費電流が充電回路１の充電電流Ｉchgを超える場合には、システム異常が発生するという問題点がある。

この発明は、バッテリーの外れに起因するシステム異常を未然に防止し得る充電回路を提供する。
第１側面は、バッテリーを接続可能であり、充電電圧及び充電電流を用いてバッテリーを充電する充電回路である。当該充電回路は、充電電圧を検出して定電圧充電動作を行う定電圧充電制御部と、充電電流を検出して定電流充電動作を行う定電流充電制御部と、充電電圧が満充電電圧に達してから充電電流が充電終了電流まで減少するまでの間、定電圧充電動作を行なうように定電圧充電制御部を制御する制御部とを備え、制御部は、定電圧充電動作時にバッテリーの充電を停止し、充電回路にバッテリーが接続されているか否かを前記充電停止時における充電電圧に基づいて検出する。

本発明の一実施の形態の充電回路を示す概略的なブロック図である。図１の充電回路の動作を示すフローチャートである。充電回路の充電動作を示す特性図である。充電回路の充電動作を示す特性図である。従来の充電回路を示す概略的なブロック図である。

以下、この発明の一実施の形態の充電回路１１を図面に従って説明する。
図１に示す充電回路１１は、電流検出アンプ５、定電流制御アンプ６、駆動回路７、定電圧制御アンプ８及び動作検出器９を備え、それらは、前記従来例と同様に構成されている。充電回路１１は、電源２の供給に基づいて動作する。一実施の形態では、定電流制御アンプ６及び駆動回路７が定電圧充電制御部を構成し、定電圧制御アンプ８及び動作検出器９が定電流充電制御部を構成する。

充電回路１１の出力端子Ｔｏは、電流検出用抵抗Ｒ１を介してバッテリー３及びシステム負荷４に接続され、出力端子Ｔｏからバッテリー３に充電電流が供給されるとともに、システム負荷４に動作電流が供給される。

前記電流検出用抵抗Ｒ１の第１及び第２端子は、充電回路１１の入力端子Ｔｉ１，Ｔｉ２にそれぞれ接続される。従って、入力端子Ｔｉ２にはバッテリー３の充電電圧が供給される。入力端子Ｔｉ１，Ｔｉ２には、電流検出用抵抗Ｒ１に流れる充電電流によって生じた電流検出用抵抗Ｒ１の第１及び第２端子間の電位差が供給される。

充電回路１１において、入力端子Ｔｉ１，Ｔｉ２は電流検出アンプ５の２つの入力端子にそれぞれ接続される。電流検出アンプ５は、入力端子Ｔｉ１，Ｔｉ２の電位差を増幅し、その増幅結果を示す出力電圧を定電流制御アンプ６のマイナス側入力端子に供給する。

前記入力端子Ｔｉ２は抵抗Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６を介してグランドＧＮＤに接続され、抵抗Ｒ５，Ｒ６間のノードＮ１の電圧が前記定電圧制御アンプ８のマイナス側入力端子に供給される。定電圧制御アンプ８のプラス側入力端子には基準電圧Ｖｓが供給される。そして、定電圧制御アンプ８は基準電圧ＶｓとノードＮ１の電圧との電位差に応じた出力信号を駆動回路７に供給する。

駆動回路７は、定電流制御アンプ６、定電圧制御アンプ７及びシーケンス制御部１２の各々の出力信号に基づいて定電圧出力動作あるいは定電流出力動作を行う。駆動回路７の出力信号は出力端子Ｔｏに供給される。

動作検出器９は、定電流制御アンプ６及び定電圧制御アンプ８の動作状態に基づいて、駆動回路７が定電流出力動作をしているかあるいは定電圧出力動作をしているかを検出し、その検出信号をシーケンス制御部１２に供給する。

前記抵抗Ｒ４，Ｒ５間のノードＮ２の電圧は比較器１３の一方の入力端子に供給され、比較器１３の他方の入力端子には基準電圧Ｖｒが供給される。基準電圧Ｖｒは、充電電圧Ｖbatが再充電電圧Ｖrechgとなったときに、ノードＮ２の電圧と実質的に等しくなるように設定されている。この再充電電圧Ｖrechgは、図４に示すように、バッテリー３が定電圧制御されている状態から、充電電圧Ｖbatが僅かに低下して定電流制御に切り替わる電圧である。

従って、充電電圧Ｖbatが再充電電圧Ｖrechgよりも高いとき、比較器１３はＨレベルの出力信号Ｓｃを生成し、充電電圧Ｖbatが再充電電圧Ｖrechg未満であるとき、比較器１３はＬレベルの出力信号Ｓｃを生成する。

前記比較器１３の出力信号Ｓｃは前記シーケンス制御部１２に供給される。シーケンス制御部１２は、動作検出器９の検出信号及び比較器１３の出力信号Ｓｃに基づいて定電流制御アンプ６及び定電圧制御アンプ８の各々の動作をシーケンス制御する。一実施の形態では、比較器１３及びシーケンス制御部１２は本発明の制御部を構成する。

また、シーケンス制御部１２は、バッテリー３がほぼ満充電状態（充電終了電流Ｉtaper）に達するまで定電圧充電により充電されているとき、その定電圧充電動作（即ち、バッテリーの充電）を間歇的に停止させる機能を備えている。そして、この充電停止時に比較器１３の出力信号がＬレベルであると、シーケンス制御部１２は、バッテリー３が充電回路１１（即ち、システム負荷４）から外れていることを認識し、バッテリー未接続情報を生成する。シーケンス制御部１２は、このバッテリー未接続情報を保持するとともに、システム負荷４に対し停止信号ＳＴを出力する。

次に、上記のような充電回路１１の動作を図２に従って説明する。充電回路１１に電源２の供給が開始されると、充電回路１１を備えた電源ＩＣではパワーオンリセット動作が行われ、シーケンス制御部１２はバッテリー未接続情報を保持しているか否かを確認する（ステップ１）。未接続情報が保持されている場合には、シーケンス制御部１２は充電動作を開始せず、待機状態を維持する。

ステップ１において、未接続情報が保持されていない場合には、シーケンス制御部１２はステップ２に移行して充電動作を開始する。そして、図３及び図４に示すように、シーケンス制御部１２は定電流制御による予備充電と、予備充電に続く急速充電とを行う。その後、充電電圧Ｖbatが４．２Ｖの満充電電圧Ｖregに達するまでシーケンス制御部１２は定電流充電動作を行う。

充電電圧Ｖbatが４．２Ｖに達すると、シーケンス制御部１２は定電圧充電動作に移行する。そして、定電圧充電動作が開始されると、シーケンス制御部１２はその動作を検知して（ステップ３）、充電動作を停止する（ステップ４）。

次いで、シーケンス制御部１２は、充電電圧Ｖbatが再充電電圧Ｖrechgより高いか否か、すなわち比較器１３の出力信号がＨレベルであるかＬレベルであるかを判定する（ステップ５）。ここで、バッテリー３が外れていると、入力端子Ｔｉ２の電圧が低下して、比較器１３の出力信号がＬレベルとなっている。

そして、充電電圧Ｖbatが再充電電圧Ｖrechgより低い場合、すなわち、比較器１３の出力信号がＬレベルである場合には、シーケンス制御部１２は、バッテリー３が外れていることを認識して未接続情報を保持し（ステップ６）、さらにシステム負荷４に停止信号ＳＴを出力して（ステップ７）、ステップ１に移行する。

ステップ５において、充電電圧Ｖbatが再充電電圧Ｖrechgより高い場合には、シーケンス制御部１２は低電圧充電動作を継続する（ステップ８）。そして、シーケンス制御部１２は、現状の充電電流Ｉchgと満充電状態に対応する充電終了電流Ｉtaperとを比較し（ステップ９）、充電電流Ｉchgが充電終了電流Ｉtaperと同等以上であれば、ステップ３〜８を繰り返す。

ステップ９において、充電電流Ｉchgが充電終了電流Ｉtaper未満となると、ステップ１０に移行して、充電動作を終了する。例えば、シーケンス制御部１２は、動作検出器９の出力信号に基づいて、充電電流Ｉchgが充電終了電流Ｉtaper未満か否かを判定する。そして、シーケンス制御部１２は比較器１３の出力信号を監視し（ステップ１１）、充電電圧Ｖbatが再充電電圧Ｖrechgより低くなると、ステップ１に復帰して上記動作を繰り返す。

一実施形態の充電回路１１は、以下の利点を有する。
（１）シーケンス制御部１２は、充電回路１１の定電圧充電動作状態において、バッテリー３の外れを検出することができる。
（２）シーケンス制御部１２は、バッテリー３の外れを検出すると、システム負荷４に停止信号ＳＴを供給する。従って、バッテリー３の外れに起因するシステム負荷４での異常発生を防止することができる。
（３）シーケンス制御部１２は、充電回路１１の定電圧充電動作状態において、充電電流Ｉchgが充電終了電流Ｉtaper未満となるまで、すなわちバッテリー３が満充電状態となるまでの間、バッテリー３の外れを定期的に検出することができる。
（４）比較器１３は、ノードＮ２の電圧と基準電圧Ｖｒとを比較することより、充電電圧Ｖbat（入力端子Ｔｉ２の電圧）がバッテリー３の再充電電圧Ｖrechgより高いか否かを検出可能である。従って、バッテリー３が外れているか否かは、比較器１３の比較結果に基づいてシーケンス制御部１２で検出することができる。

・なお、上記実施の形態においては、バッテリー３が充電回路１１（システム負荷４）から外れているか否かを検出しつつ、充電動作を最適化するために、定電圧充電動作時における充電停止回数を所定回数に制限したり、ステップ８における充電継続後にステップ４で再度充電停止する際のタイミングを変更可能にしてもよい。

Claims

充電電圧及び充電電流を用いてバッテリーを充電する充電回路であって、
前記充電電圧を検出して定電圧充電動作を行う定電圧充電制御部と、
前記充電電流を検出して定電流充電動作を行う定電流充電制御部と、
前記充電電圧が満充電電圧に達してから、前記充電電流が充電終了電流まで減少するまでの間、前記定電圧充電動作を行うように前記定電圧充電制御部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記定電圧充電動作時に前記バッテリーの充電を停止し、前記充電回路に前記バッテリーが接続されているか否かを前記充電停止時における充電電圧に基づいて検出することを特徴とする充電回路。
前記制御部は、前記定電圧充電動作時に前記充電が少なくとも１度停止されるように前記定電圧充電制御部と前記定電流充電制御部とを制御することを特徴とする請求項１記載の充電回路。
前記制御部は、前記定電圧充電動作時に前記充電の停止及び再開が複数回に渡って繰り返されるように前記定電圧充電制御部と前記定電流充電制御部とを制御することを特徴とする請求項１記載の充電回路。
前記制御部は、前記定電圧充電動作時に、前記充電回路に前記バッテリーが接続されているか否かの検出を前記充電停止時における充電電圧に基づいて繰り返し行うことを特徴とする請求項１記載の充電回路。
前記制御部は、
前記充電電圧を検出して検出結果を生成する検出回路と、
前記検出回路、前記定電圧充電制御部及び前記定電流充電制御部に接続され、前記充電回路に前記バッテリーが接続されているか否かを、前記充電停止時に前記検出回路の検出結果に基づいて判定するシーケンス制御部とを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の充電回路。
前記シーケンス制御部は、前記充電停止後、前記検出回路の検出結果に基づいて前記定電圧充電動作を再開させるように前記定電圧充電制御部を制御することを特徴とする請求項５記載の充電回路。
前記バッテリーは負荷回路にも接続可能であり、
前記シーケンス制御部は、前記充電回路に前記バッテリーが接続されていないと判定したとき、前記負荷回路の動作を停止させる停止信号を生成することを特徴とする請求項５又は６記載の充電回路。
前記検出回路は、前記充電電圧に比例する第１電圧と基準電圧とを比較し、該比較結果を前記検出結果として生成する比較器を含むことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の充電回路。
前記基準電圧は、前記充電電圧が前記バッテリーの再充電電圧に達したとき、前記第１電圧とほぼ同じになるように設定されていることを特徴とする請求項８記載の充電回路。
前記再充電電圧は、前記定電圧充電動作時における充電電圧より低く、前記定電圧充電動作から前記定電流充電動作に切り替わるときの充電電圧であることを特徴とする請求項９記載の充電回路。
前記シーケンス制御部は、前記充電回路に前記バッテリーが接続されていないと判定したとき未接続情報を保持し、その未接続情報に基づいて前記バッテリーへの充電の開始を待機することを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか１項に記載の充電回路。