JP5189335B2 - 充電制御回路およびそれを利用した電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、２次電池を充電する充電制御回路に関する。

近年の携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、ノート型パーソナルコンピュータなどのさまざまな電子機器には、デジタル信号処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、あるいは、液晶パネル、その他のアナログ、デジタル回路など、多くの電子回路が搭載される。電源として電池が搭載される電池駆動型の電子機器においては、機器内部の各電子回路は、電池からの電池電圧によって動作する。

近年では、再充電が可能なリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの２次電池が利用される。２次電池の充電動作は、一般に以下のプロセスを経る。すなわち、電池電圧が低い状態では予備充電を行い、電池電圧がある程度大きくなると充電電流をフィードバックし、充電電流が一定となるように充電を行い（定電流充電）、電池電圧が満充電状態に近づくと電池電圧をフィードバックし、電池電圧が所定の基準電圧（満充電電圧）と一致するように充電を行う（定電圧充電）。電池電圧が基準電圧と一致すると、フル充電が検出され、充電動作が停止する。充電完了後、電池の消耗にともなって電池電圧が所定のしきい値電圧（再充電検出電圧）まで低下すると、再充電が開始される（再充電検出）。

一般に充電回路には、トランジスタのオン抵抗をフィードバックによって制御するリニアレギュレータタイプと、スイッチングレギュレータを用いるタイプの２つが存在する。
特開２００６−６０９７７号公報 特開２００６−３０４５００号公報

充電回路にスイッチングレギュレータを用いる際には、以下の問題が存在する。
一般的な回路を負荷とするスイッチングレギュレータの場合、その出力電圧はスイッチングレギュレータによって定まる。ところが、電池を充電するスイッチングレギュレータの場合、その出力電圧は電池によって決まってしまう。接続される電池の電圧が低い場合には、非常に大きな充電電流が流れたり、あるいはスイッチングレギュレータのローサイドスイッチを介して接地に逆流電流が流れてしまうという問題がある。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、充電電流を抑制し、もしくは逆流電流を抑制した充電制御回路の提供にある。

本発明のある態様は、外部電圧を受け電池を充電する充電制御回路に関する。この充電制御回路は、外部電圧を利用して電池を充電する同期整流型のスイッチングレギュレータと、電池の充電状態に応じてデューティ比が調節されるパルス信号を生成するパルス変調器と、パルス変調器からのパルス信号にもとづき、スイッチングレギュレータのスイッチング素子を駆動するドライバと、を備える。スイッチングレギュレータはスイッチング素子として、外部電圧が印加される外部端子と接地端子間に直列に設けられるハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタと、を含み、ハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタの少なくとも一方は、そのオン抵抗が切りかえ可能に構成される。

この態様によると、ハイサイドトランジスタもしくはローサイドトランジスタのオン抵抗を充電状態に応じて制御することにより、充電電流を抑制し、もしくは逆流電流を抑制できる。

切り替え可能なハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタの少なくとも一方のオン抵抗は、電池の電圧が所定のしきい値電圧より低いときに、高い値に設定され、電池の電圧が所定のしきい値電圧より高いときに、それよりも低い値に設定されてもよい。
電池電圧に応じてトランジスタのオン抵抗を切りかえることにより、適切に充電電流を抑制し、もしくは逆流電流を抑制できる。

切り替え可能なハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタの少なくとも一方のオン抵抗は、電池の充電開始から所定期間の間、高い値に設定されてもよい。

切り替え可能なハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタの少なくとも一方のオン抵抗は、電池の充電開始から所定期間の間、高い値に設定され、所定期間の経過後に、電池の電圧が所定のしきい値電圧より低いときに、高い値に設定され、電池の電圧が所定のしきい値電圧より高いときに、それよりも低い値に設定されてもよい。

ハイサイドトランジスタは、メインハイサイドトランジスタと、メインハイサイドトランジスタと並列に設けられたサブハイサイドトランジスタと、を含んでもよい。ドライバは電池の状態に応じて、駆動すべきハイサイドトランジスタ内のトランジスタを切りかえてもよい。
この場合、ハイサイドトランジスタのオン抵抗を好適に切りかえられ、充電電流を抑制できる。

ローサイドトランジスタは、メインローサイドトランジスタと、メインローサイドトランジスタと並列に設けられたサブローサイドトランジスタと、を含んでもよい。ドライバは電池の状態に応じて、駆動すべきローサイドトランジスタ内のトランジスタを切りかえてもよい。
この場合、ローサイドトランジスタのオン抵抗を好適に切りかえられ、逆流電流を抑制できる。

ハイサイドトランジスタは、メインハイサイドトランジスタと、メインハイサイドトランジスタと並列に設けられたサブハイサイドトランジスタと、を含んでもよい。ローサイドトランジスタは、メインローサイドトランジスタと、メインローサイドトランジスタと並列に設けられたサブローサイドトランジスタと、を含んでもよい。ドライバは電池の状態に応じて、駆動すべきハイサイドトランジスタ内のトランジスタを切りかえるとともに、駆動すべきローサイドトランジスタ内のトランジスタを切りかえてもよい。
この場合、ハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタのオン抵抗を好適に切りかえられ、充電電流を抑制しつつ、逆流電流も抑制できる。

本発明の別の態様は、電子機器である。この電子機器は、電池と、外部電源からの外部電圧を受け、電池を充電する上述の充電制御回路と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、充電電流もしくは逆流電流を抑制可能な充電制御回路を提供する。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが部材Ｂに接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合や、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

また本明細書において、電圧信号、電流信号あるいは抵抗に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値あるいは抵抗値を表すものとする。

図１は、実施の形態に係る充電制御回路１００を備える電子機器２００の構成を示す回路図である。電子機器２００は、たとえば携帯電話端末や、ＰＤＡ、ノート型ＰＣなどの電池駆動型の情報端末機器である。電子機器２００は、充電制御回路１００および電池１１０、を備える。

電池１１０は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの２次電池であり電池電圧Ｖｂａｔを出力する。電子機器２００には、ＡＣアダプタやＵＳＢ（Universal Serial Bus）などの外部電源（不図示）が着脱可能なアダプタ端子１０２が設けられており、外部電源からの電圧（以下、外部電圧という）Ｖｅｘｔを受ける。充電制御回路１００は、外部電圧Ｖｅｘｔを利用して、電池端子１０４に接続される電池１１０を充電する。

充電制御回路１００は、スイッチングレギュレータ７０、制御回路８０を含む。スイッチングレギュレータ７０は、外部電圧Ｖｅｘｔを利用して電池１１０を充電する。スイッチングレギュレータ７０は同期整流型であり、スイッチング素子であるハイサイドトランジスタＭＨおよびローサイドトランジスタＭＬと、出力インダクタＬ１と、出力キャパシタＣ１と、を含む。

ハイサイドトランジスタＭＨおよびローサイドトランジスタＭＬは、外部電圧Ｖｅｘｔが印加されるアダプタ端子１０２と接地端子ＧＮＤ間に直列に設けられる。ハイサイドトランジスタＭＨおよびローサイドトランジスタＭＬは交互にオン、オフを繰り返し、その接続点７２にはスイッチング電圧Ｖｓｗが発生する。

出力キャパシタＣ１は一端が接地され、他端がスイッチングレギュレータ７０の出力端子７４に接続されている。出力インダクタＬ１は、一端が接続点７２に接続され、他端が出力端子７４と接続される。接続点７２にＶｅｘｔまたは０Ｖのスイッチング電圧が印加されることにより、外部電圧Ｖｅｘｔを降圧した電圧が出力端子７４に発生する。

制御回路８０は、検出抵抗Ｒｓ、電流検出回路８２、誤差増幅器８４、コンパレータ８６、パルス幅変調器８８、ドライバ９０、を備える。
検出抵抗Ｒｓはスイッチングレギュレータ７０の出力端子７４から電池１１０に至る経路上に、すなわち充電電流Ｉｃｈｇの経路上に設けられる。電流検出回路８２は検出抵抗Ｒｓに発生する電圧降下を利用して、充電電流Ｉｃｈｇを検出電圧Ｖｓに変換する。誤差増幅器８４は、検出電圧Ｖｓが所定の基準電圧Ｖｒｅｆとの誤差電圧Ｖｅｒｒを生成する。

パルス幅変調器８８は、誤差電圧Ｖｅｒｒにもとづいて、デューティ比（パルス幅）が調節されるパルス信号Ｖｐｗｍを生成する。ドライバ９０はパルス幅変調器８８からのパルス信号Ｖｐｗｍにもとづき、スイッチングレギュレータ７０のスイッチング素子を駆動する。その結果、検出電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆに一致するように、言い換えれば充電電流Ｉｃｈｇが目標値に近づくようにフィードバックがかかり、電池１１０が充電される。
図１の制御回路８０は、充電電流Ｉｃｈｇを一定値に安定化させる定電流充電を行うブロックのみを示しているが、電池電圧Ｖｂａｔをフィードバックして、電池電圧Ｖｂａｔが目標値に一致するようにパルス信号Ｖｐｗｍのデューティ比を調節する定電圧充電を行ってもよい。定電流充電と定電圧充電は併用してもよい。

本実施の形態において、ハイサイドトランジスタＭＨおよびローサイドトランジスタＭＬそれぞれのオン抵抗は、切りかえ可能に構成される。すなわち、ハイサイドトランジスタＭＨのオン抵抗は、第１の値ＲＨ１、または第１の値ＲＨ１より高い第２の値ＲＨ２をとり、ローサイドトランジスタＭＬのオン抵抗は、第１の値ＲＬ１、または第１の値ＲＬ１より高い第２の値ＲＬ２をとる。
第２の値ＲＨ２は、第１の値ＲＨ１の２〜２０程度の範囲に設定する。同様に第２の値ＲＬ２は、第１の値ＲＬ１の２〜２０程度の範囲に設定する。好ましくは１０倍程度に設定する。

電池１１０の充電開始から所定期間τ１の間、ハイサイドトランジスタＭＨのオン抵抗は、第１の値ＲＨ１に設定され、ローサイドトランジスタＭＬのオン抵抗は第１の値ＲＬ１に設定される。

所定期間τ１の経過後、ハイサイドトランジスタＭＨおよびローサイドトランジスタＭＬのオン抵抗は、電池電圧Ｖｂａｔにもとづいて設定される。
ハイサイドトランジスタＭＨのオン抵抗は、電池電圧Ｖｂａｔが所定のしきい値電圧Ｖｔｈより低いときに、高い値ＲＨ１に設定され、電池電圧Ｖｂａｔがしきい値電圧Ｖｔｈより高いときに、それよりも低い値ＲＨ２に設定される。また、ローサイドトランジスタＭＬのオン抵抗は、電池電圧Ｖｂａｔが所定のしきい値電圧Ｖｔｈより低いときに、高い値ＲＬ１に設定され、電池電圧Ｖｂａｔがしきい値電圧Ｖｔｈより高いときに、それよりも低い値ＲＬ２に設定される。たとえばしきい値電圧Ｖｔｈは、電池電圧Ｖｂａｔが３Ｖ〜４．２Ｖ程度で使用されるリチウムイオン電池に対して、２．８Ｖ程度に設定される。

オン抵抗を切りかえるために、ハイサイドトランジスタＭＨは並列に接続された２つのトランジスタ、すなわち、メインハイサイドトランジスタＭＨ１およびサブハイサイドトランジスタＭＨ２を含む。同様に、ローサイドトランジスタＭＬは並列に接続された２つのトランジスタ、すなわち、メインローサイドトランジスタＭＬ１およびサブローサイドトランジスタＭＬ２を含む。

ドライバ９０は、電池Ｖｂａｔの状態に応じてハイサイドトランジスタＭＨの実効的なオン抵抗を切りかえるために、駆動すべきハイサイドトランジスタＭＨ内のトランジスタを切りかえる。すなわち、オン抵抗を低く設定するとき、メインハイサイドトランジスタＭＨ１を駆動し、サブハイサイドトランジスタＭＨ２はオフ状態に固定する。サブハイサイドトランジスタＭＨ２をオフに固定する代わりに、サブハイサイドトランジスタＭＨ２をメインハイサイドトランジスタＭＨ１と同期して駆動しても構わない。反対に、オン抵抗を高く設定するとき、サブハイサイドトランジスタＭＨ２のみ駆動し、メインハイサイドトランジスタＭＨ１はオフ状態に固定する。メインハイサイドトランジスタＭＨ１、サブハイサイドトランジスタＭＨ２をオフに固定する際、ドライバ９０はそれぞれのゲート電圧ＶｇＨ１、ＶｇＨ２をハイレベルに固定する。

同様にドライバ９０は、電池Ｖｂａｔの状態に応じてローサイドトランジスタＭＬの実効的なオン抵抗を切りかえるために、電池Ｖｂａｔの状態に応じて、駆動すべきローサイドトランジスタＭＬ内のトランジスタを切りかえる。すなわち、オン抵抗を低く設定するとき、メインローサイドトランジスタＭＬ１を駆動し、サブローサイドトランジスタＭＬ２はオフ状態に固定する。サブローサイドトランジスタＭＬ２をオフに固定する代わりに、サブローサイドトランジスタＭＬ２をメインハイサイドトランジスタＭＨ１と同期して駆動しても構わない。反対に、オン抵抗を高く設定するとき、サブローサイドトランジスタＭＬ２のみ駆動し、メインローサイドトランジスタＭＬ１はオフ状態に固定する。メインローサイドトランジスタＭＬ１、サブローサイドトランジスタＭＬ２をオフに固定する際、ドライバ９０はそれぞれのゲート電圧ＶｇＬ１、ＶｇＬ２をローレベルに固定する。

コンパレータ８６は、電池電圧Ｖｂａｔとしきい値電圧Ｖｔｈを比較し、比較結果に応じた制御信号Ｓ１を出力する。ドライバ９０は、制御信号Ｓ１にもとづいてハイサイドトランジスタＭＨ、ローサイドトランジスタＭＬのオン抵抗を切りかえる。

以上のように構成された充電制御回路１００の動作を説明する。図２は、図１の充電制御回路１００の動作を示すタイムチャートである。図２の縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。

時刻ｔ０に外部電圧Ｖｅｘｔが供給され、充電動作が開始する。充電開始から所定期間τ１の間、ハイサイドトランジスタＭＨおよびローサイドトランジスタＭＬの実効的なオン抵抗は高く設定される。この間、メインハイサイドトランジスタＭＨ１、メインローサイドトランジスタＭＬ１はいずれもオフ状態に固定され、サブハイサイドトランジスタＭＨ２、サブローサイドトランジスタＭＬ２が駆動される。

所定期間τ１が経過した時刻ｔ１において、Ｖｂａｔ＞Ｖｔｈの場合、ハイサイドトランジスタＭＨおよびローサイドトランジスタＭＬの実効的なオン抵抗は低く設定され、通常の充電動作が開始される。もし、時刻ｔ１においてＶｂａｔ＜Ｖｔｈであれば、継続してハイサイドトランジスタＭＨおよびローサイドトランジスタＭＬの実効的なオン抵抗は高いまま保持される。

本実施の形態に係る充電制御回路１００によれば、ハイサイドトランジスタＭＨのオン抵抗を切りかえ可能に構成し、回路のステータスに応じてそのオン抵抗を切りかえることにより、充電電流Ｉｃｈｇが大電流となるのを抑制できる。充電電流Ｉｃｈｇは、電池電圧Ｖｂａｔが低い場合に大電流となるから、電池電圧Ｖｂａｔがしきい値電圧Ｖｔｈより低いときにハイサイドトランジスタＭＨのオン抵抗を高くすることにより、好適に大電流を防止できる。

また、実施の形態に係る充電制御回路１００によれば、ローサイドトランジスタＭＬのオン抵抗を切りかえ可能に構成し、回路のステータスに応じてそのオン抵抗を切りかえることにより、電池１１０からローサイドトランジスタＭＬを介して接地端子ＧＮＤに逆電流が流れるのを抑制できる。

上記実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施の形態では、ハイサイドトランジスタＭＨとローサイドトランジスタＭＬの両方のオン抵抗を切りかえ可能に構成したが、一方のみを切りかえ可能としてもよい。また、ハイサイドトランジスタＭＨとローサイドトランジスタＭＬのオン抵抗を、共通のしきい値電圧Ｖｔｈにもとづいて切りかえる場合を説明したが、それぞれ別個のしきい値電圧に応じて切りかえてもよい。

実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を離脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

実施の形態に係る充電制御回路を備える電子機器の構成を示す回路図である。 図１の充電制御回路の動作を示すタイムチャートである。

符号の説明

７０…スイッチングレギュレータ、７２…接続点、７４…出力端子、ＭＨ…ハイサイドトランジスタ、ＭＨ１…メインハイサイドトランジスタ、ＭＨ２…サブハイサイドトランジスタ、ＭＬ…ローサイドトランジスタ、ＭＬ１…メインローサイドトランジスタ、ＭＬ２…サブローサイドトランジスタ、Ｌ１…出力インダクタ、Ｃ１…出力キャパシタ、８０…制御回路、８２…電流検出回路、Ｒｓ…検出抵抗、８４…誤差増幅器、８６…コンパレータ、８８…パルス幅変調器、９０…ドライバ、１００…充電制御回路、１０２…アダプタ端子、１０４…電池端子、１１０…電池、２００…電子機器。

Claims (7)

1. 外部電圧を受け電池を充電する充電制御回路であって、
   前記外部電圧を利用して前記電池を充電する同期整流型のスイッチングレギュレータと、
   前記電池の充電状態に応じてデューティ比が調節されるパルス信号を生成するパルス変調器と、
   前記パルス変調器からの前記パルス信号にもとづき、前記スイッチングレギュレータのスイッチング素子を駆動するドライバと、
   を備え、
   前記スイッチングレギュレータは前記スイッチング素子として、
   前記外部電圧が印加される外部端子と接地端子間に直列に設けられるハイサイドトランジスタおよびローサイドトランジスタと、
   を含み、前記ハイサイドトランジスタは、そのオン抵抗が切りかえ可能に構成され、
   前記ハイサイドトランジスタのオン抵抗は、前記電池の電圧が所定のしきい値電圧より低いときに、高い値に設定され、前記電池の電圧が所定のしきい値電圧より高いときに、それよりも低い値に設定されることを特徴とする充電制御回路。
2. 前記ローサイドトランジスタは、そのオン抵抗が切りかえ可能に構成され、
   前記ローサイドトランジスタのオン抵抗は、前記電池の電圧が所定のしきい値電圧より低いときに、高い値に設定され、前記電池の電圧が所定のしきい値電圧より高いときに、それよりも低い値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の充電制御回路。
3. 前記ハイサイドトランジスタおよび前記ローサイドトランジスタの少なくとも一方のオン抵抗は、前記電池の充電開始から所定期間の間、前記電池の電圧にかかわらず高い値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の充電制御回路。
4. 前記ハイサイドトランジスタは、
   メインハイサイドトランジスタと、
   前記メインハイサイドトランジスタと並列に設けられたサブハイサイドトランジスタと、を含み、
   前記ドライバは前記電池の状態に応じて、駆動すべき前記ハイサイドトランジスタ内のトランジスタを切りかえることを特徴とする請求項１に記載の充電制御回路。
5. 前記ローサイドトランジスタは、
   メインローサイドトランジスタと、
   前記メインローサイドトランジスタと並列に設けられたサブローサイドトランジスタと、を含み、
   前記ドライバは前記電池の状態に応じて、駆動すべき前記ローサイドトランジスタ内のトランジスタを切りかえることを特徴とする請求項２に記載の充電制御回路。
6. 前記ハイサイドトランジスタは、
   メインハイサイドトランジスタと、
   前記メインハイサイドトランジスタと並列に設けられたサブハイサイドトランジスタと、を含み、
   前記ローサイドトランジスタは、
   メインローサイドトランジスタと、
   前記メインローサイドトランジスタと並列に設けられたサブローサイドトランジスタと、を含み、
   前記ドライバは前記電池の状態に応じて、駆動すべき前記ハイサイドトランジスタ内のトランジスタを切りかえるとともに、駆動すべき前記ローサイドトランジスタ内のトランジスタを切りかえることを特徴とする請求項２に記載の充電制御回路。
7. 電池と、
   外部電源からの外部電圧を受け、前記電池を充電する請求項１から６のいずれかに記載の充電制御回路と、
   を備えることを特徴とする電子機器。

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