JP5210589B2 - 充電制御装置及びこれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池（例えばリチウムイオン電池）の充電制御を行う充電制御装置、及び、これを用いた電子機器に関するものである。

ポータブルナビゲーションシステム（ＰＮＤ［Portable Navigation Device］）や携帯電話端末など、電源として二次電池（例えばリチウムイオン電池）を搭載する電子機器の多くは、ＵＳＢ［Universal Serial Bus］ポートに接続されたホスト機（ＵＳＢホスト）や、電源アダプタからの電力供給を受けて、二次電池の充電制御を行う充電制御装置（パワーマネジメントＩＣ）を有して成る。

特に、二次電池としてリチウムイオン電池を用いる場合には、その充電電流をシビアに制御しなければならないため、従来の充電制御装置では、周囲温度やシステムの消費電流（充電以外の動作に消費される電流）をモニタし、その結果に応じた充電電流の目標値設定（内部制御）が行われていた。また、電源アダプタからの供給を受けて二次電池を充電する際には、外付け抵抗を用いた充電電流の目標値設定（外部制御）が行われていた。

なお、上記した充電制御装置に関連する従来技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。

また、温度検出回路に関連する従来技術としては、本願出願人による特許文献２や、特許文献３などを挙げることができる。
特開２００３−０３２９１０号公報 特開２００５−０１６９９２号公報 特開平９−１８９６１４号公報

確かに、上記従来の充電制御装置であれば、ＵＳＢホストや電源アダプタからの電力供給を受けて、二次電池の充電制御を行うことが可能である。

しかしながら、上記従来の充電制御装置では、ＵＳＢホストからの電力供給経路と、電源アダプタからの電力供給経路が互いに別系統とされており、充電電流の目標値設定についても、充電電流の供給源としてＵＳＢホストと電源アダプタのいずれが接続されているかに応じて、互いに異なる設定とされていた。

先述の例に即して具体的に述べると、充電電流の供給源としてＵＳＢホストが接続された場合には、外付け抵抗を用いた充電電流の目標値設定（外部制御）が一切反映されず、ユーザは、充電電流の目標値を任意に設定することができなかった。

逆に、充電電流の供給源として電源アダプタが接続された場合、ユーザは、周囲温度やシステムの消費電流の変動等を考慮した上で、十分な安全マージンを含めるように充電電流の目標値を設定しなければならず、不要に充電時間を延ばす要因の一つとなっていた。

本発明は、上記の問題点に鑑み、安全かつ最適に、二次電池の充電制御を行うことが可能な充電制御装置、及び、これを用いた電子機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る充電制御装置は、二次電池の充電電流をモニタし、その電流値が、装置内部で予め設定された目標値と、装置外部から任意に設定された目標値のうち、より小さい値となるように、前記二次電池の充電制御を行う構成（第１の構成）とされている。

なお、上記第１の構成から成る充電制御装置は、装置内部では、少なくとも、周囲温度に応じた目標値、システムの消費電流に応じた目標値、及び、外部接続される電力供給源の規格に応じた目標値が予め設定されており、充電電流の電流値が、これら装置内部で予め設定された目標値と、装置外部から任意に設定された目標値のうち、最も小さい値となるように、前記二次電池の充電制御を行う構成（第２の構成）にするとよい。

また、上記第２の構成から成る充電制御装置において、周囲温度に応じた目標値は、周囲温度が高いほど小さい値となるよう設定されている構成（第３の構成）にするとよい。

また、上記第３の構成から成る充電制御装置において、周囲温度を検知する温度センサは、異なるエミッタ電流密度で動作する一対のＰＮＰ型バイポーラトランジスタを有して成り、両トランジスタのベース・エミッタ間電圧の差が周囲温度に応じて変動することを利用して、負特性の温度検知信号を生成する構成（第４の構成）にするとよい。

また、本発明に係る電子機器は、上記第１〜第４いずれかの構成から成る充電制御装置と、前記充電制御装置によって充電制御される二次電池と、を有して成る構成（第５の構成）とされている。

本発明によれば、安全かつ最適に、二次電池の充電制御を行うことが可能となる。

図１は、本発明に係る充電制御装置を搭載した電子機器（例えば、ポータブルナビゲーションシステム）の一実施形態を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の電子機器は、パワーマネジメントＩＣ１と、マイコンと、リチウムイオン電池３と、センス抵抗４及び５と、ポート６と、電源ライン７と、信号ライン８と、を有して成る。

パワーマネジメントＩＣ１は、リチウムイオン電池３の充電制御を行う充電制御装置である。なお、パワーマネジメントＩＣ１の内部構成及び動作については後ほど詳述する。

マイコン２は、パワーマネジメントＩＣ１から電力供給を受けて駆動する情報処理手段であり、電子機器に外部接続される電力供給源として、ポート６にＵＳＢホストが接続されているのか、電源アダプタが接続されているのか（信号ライン８を介してＵＳＢホストとの接続が確立されているか否か）をモニタし、その結果をパワーマネジメントＩＣ１の充電制御部１１に伝達する。また、ポート６にＵＳＢホストが接続されている場合、マイコン２は、ＵＳＢホストとの間で信号ライン８を介した信号授受を行う。

上記に関して、より具体的なシーケンスを説明する。まず、電源ライン７に対して電圧Ｖ１が印加されたことを受けて、パワーマネジメントＩＣ１が起動する。このとき、パワーマネジメントＩＣ１は、電子機器に外部接続される電力供給源の種類が不明であることに鑑み、ローパワー規格（供給電流Ｉ１の上限値１００［ｍＡ］）のＵＳＢホストが接続されているものとして、最も安全サイドでリチウムイオン電池３の充電制御を開始する。

その後、パワーマネジメントＩＣ１からマイコン２への電力供給が開始され、マイコン２が起動すると、マイコン２によるＵＳＢホストの確認処理（ＵＳＢホストの接続確認、並びに、ハイパワー／ローパワーの規格確認）が行われる。

ここで、ハイパワー規格（供給電流Ｉ１の上限値５００［ｍＡ］）のＵＳＢホストが接続されていることを確認した場合、マイコン２は、その旨をパワーマネジメントＩＣ１に伝達する。これを受けたパワーマネジメントＩＣ１は、マイコン２でのモニタ結果に応じて、リチウムイオン電池３の充電制御モードを切り替える。

一方、ローパワー規格のＵＳＢホストが接続されていることを確認した場合、マイコン２は、その旨をパワーマネジメントＩＣ１に伝達する。これを受けたパワーマネジメントＩＣ１は、リチウムイオン電池３の充電制御モードを現状に維持する。

また、ＵＳＢホストの接続が確認できなかった場合、マイコン２は、電源アダプタが接続されていると認識し、その旨をパワーマネジメントＩＣ１に伝達する。これを受けたパワーマネジメントＩＣ１は、マイコン２でのモニタ結果に応じて、リチウムイオン電池３の充電制御モードを切り替える。

リチウムイオン電池３は、パワーマネジメントＩＣ１によって充電制御される二次電池であり、ポート６にＵＳＢホストや電源アダプタが接続されていない場合に、電子機器の駆動電源となる。

センス抵抗４は、パワーマネジメントＩＣ１の端子Ｔ１と端子Ｔ２との間に外部接続され、ＵＳＢホスト或いは電源アダプタからの供給電流Ｉ１を電圧信号に変換するための手段である。

センス抵抗５は、パワーマネジメントＩＣ１の端子Ｔ３と端子Ｔ４との間に外部接続され、リチウムイオン電池３の充電電流Ｉ３（ＵＳＢホスト或いは電源アダプタからの供給電流Ｉ１から、リチウムイオン電池３の充電以外に用いられるシステムの消費電流Ｉ２を差し引いた余剰電流）を電圧信号に変換するための手段である。

ポート６は、電子機器にＵＳＢホストや電源アダプタを外部接続するためのインターフェイス手段である。

電源ライン７は、ポート６に接続されたＵＳＢホストや電源アダプタから電力供給を受けるためのラインである。

信号ライン８は、ポート６に接続されたＵＳＢホストとマイコン２との間で、信号授受を行うためのラインである。

次に、パワーマネジメントＩＣ１の内部構成について、詳細な説明を行う。

図１に示すように、パワーマネジメントＩＣ１は、充電制御部１１と、アンプ１２及び１３と、Ｐチャネル型電界効果トランジスタ１４及び１５と、温度センサ１６と、内部設定部１７と、外部設定部１８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９と、を有して成る。

充電制御部１１は、トランジスタ１４及び１５の導通度（オン抵抗）を制御することにより、図２に示したように、供給電流制御機能部、及び、充電電流制御機能部として動作するものである。なお、充電制御部１１の動作については、後ほど詳述する。

アンプ１２は、センス抵抗４の両端電圧を増幅し、ＵＳＢホスト或いは電源アダプタからの供給電流Ｉ１に応じた供給電流検出信号を充電制御部１１に送出する手段である。

アンプ１３は、センス抵抗５の両端電圧を増幅し、リチウムイオン電池３の充電電流Ｉ３に応じた充電電流検出信号を充電制御部１１に送出する手段である。

トランジスタ１４は、端子Ｔ２と端子Ｔ３との間に内部接続され、その導通度制御に応じて、供給電流Ｉ１の電流値を増減する手段である。

トランジスタ１５は、端子Ｔ４と端子Ｔ５との間に内部接続され、その導通度制御に応じて、充電電流Ｉ３の電流値を増減する手段である。

温度センサ１６は、周囲温度Ｔに応じた温度検知信号Ｓｏｕｔを生成し、これを充電制御部１１に送出する手段である。なお、温度センサ１６の内部構成及び動作については、後ほど詳述する。

内部設定部１７は、ＵＳＢホストの規格（ハイパワー／ローパワー）に応じた充電電流Ｉ３の目標値を予め設定し、その設定値を充電制御部１１に送出する手段である。

外部設定部１８は、外付け抵抗などを用いて充電電流Ｉ３の目標値をユーザの任意に設定し、その設定値を充電制御部１１に送出する手段である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１９は、端子Ｔ３で得られる電圧Ｖ２を受けて動作し、電子機器を構成する各回路部（図１の例ではマイコン２）に所定の駆動電圧を供給する手段であって、シリーズレギュレータやスイッチングレギュレータなどを用いることができる。

次に、パワーマネジメントＩＣ１（特に充電制御部１１）によるリチウムイオン電池３の充電制御について、詳細な説明を行う。

図３（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、周囲温度Ｔに応じた充電制御、システム電流Ｉ２に応じた充電制御、内部設定値に応じた充電制御、及び、外部設定値に応じた充電制御を個別に説明するための図である。

図３（ａ）の実線Ｌ１で示すように、充電制御部１１は、温度センサ１６で得られた温度検知信号Ｓｏｕｔに基づいて、周囲温度Ｔが高いほど、充電電流Ｉ３の目標値を小さい値とするように、リチウムイオン電池３の充電制御を行う。

また、図３（ｂ）の実線Ｌ２で示すように、充電制御部１１は、端子Ｔ１で得られる端子電圧Ｖ１と端子Ｔ３で得られる端子電圧Ｖ２との電位差から、システムの消費電流Ｉ２を検出し、この電流値が大きいほど、充電電流Ｉ３の目標値を小さい値とするように、リチウムイオン電池３の充電制御を行う。

また、図３（ｃ）の実線Ｌ３ａ、Ｌ３ｂで示すように、充電制御部１１は、内部設定部１７で予め設定された充電電流Ｉ３の目標値（固定値）に基づいて、ＵＳＢホストの規格（ハイパワー／ローパワー）に応じたリチウムイオン電池３の充電制御を行う。

また、図３（ｄ）の実線Ｌ４で示すように、充電制御部１１は、外部設定部１８で任意に設定された充電電流Ｉ４の目標値（可変値）に基づいて、リチウムイオン電池３の充電制御を行う。

ここで、本発明の特徴は、図３（ａ）〜（ｄ）で示した充電制御を個別に行うのではなく、図４で示すように、充電電流Ｉ３の目標値として、装置内部で予め設定された目標値（図３の実線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を参照）と、装置外部から任意に設定された目標値（図３の実線Ｌ４を参照）のうち、最も小さい値を選択し、充電電流Ｉ３を許容消費電力内に制御することで、リチウムイオン電池３に過負荷をかけないところにある。

このような構成とすることにより、外部設定値（Ｌ４）を高めに設定していた場合であっても、例えば、周囲温度Ｔの上昇やシステム電流Ｉ２の増大により、充電電流Ｉ３の電流値を絞らねばならない状況となった場合には、そちらの設定値（Ｌ１、Ｌ２）が優先的に適用されるため、安全に充電を続けることができる。一方、そのような状況に至らない場合には、外部設定値（Ｌ４）による大きな充電電流Ｉ３が設定されるので、充電時間を短縮することが可能となる。

また、ＵＳＢ使用時において、従来は、充電電流Ｉ３の上限値（Ｌ３ａ、Ｌ３ｂ）が固定的に設定されており、ユーザがその上限値で充電を行うのは危険だと判断した場合であっても、これを変更することができなかった。一方、本発明であれば、内部設定値（Ｌ３ａ、Ｌ３ｂ）よりも外部設定値（Ｌ４）を低く設定しておけば、ＵＳＢ使用時における上限電流値を任意に下げることも可能となる。

次に、温度センサ１６の構成及び動作について、図５を参照しながら詳細に説明する。

図５は、温度センサ１６の一構成例を示す回路図である。

本構成例の温度センサ１６は、異なるエミッタ電流密度ＪＥａ、ＪＥｂで動作する一対のＰＮＰ型バイポーラトランジスタＰａ及びＰｂ（本構成例ではエミッタ面積比１：Ｎ）を有して成り、両トランジスタＰａ及びＰｂのベース・エミッタ間電圧ＶＢＥ１及びＶＢＥ２の差電圧ΔＶＦ（＝ＶＢＥ１−ＶＢＥ２）が周囲温度Ｔに応じて変動することを利用して、負特性の温度検知信号Ｓｏｕｔを生成する構成であり、その余の構成要素として、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタＰｃ〜Ｐｇと、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタＮａ及びＮｂと、定電流源Ｉａ及びＩｂと、抵抗Ｒａ〜Ｒｄと、を有して成る。

トランジスタＰａ及びＰｂのコレクタは、それぞれ定電流源Ｉａ及びＩｂを介して接地端に接続されている。トランジスタＰａ及びＰｂのエミッタは、いずれもトランジスタＰｅのコレクタに接続されている。トランジスタＰｃ〜Ｐｅのエミッタは、いずれも電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続されている。トランジスタＰｃ〜Ｐｅのベースは、いずれもトランジスタＰｄのコレクタに接続されている。トランジスタＰｃのコレクタは、トランジスタＮａのコレクタに接続されている。トランジスタＰｄのコレクタは、トランジスタＮｂのコレクタに接続されている。トランジスタＮａ及びＮｂのベースは、いずれもトランジスタＮａのコレクタに接続されている。トランジスタＮａのエミッタは、温度検知信号Ｓｏｕｔの出力端に接続されている。トランジスタＮｂのエミッタは、トランジスタＰａのベースに接続されている。トランジスタＰｆのエミッタは、トランジスタＰａのベースに接続される一方、抵抗Ｒｃ及びＲａを介して、電源電圧Ｖｃｃの印加端にも接続されている。トランジスタＰｆのコレクタは、接地端に接続されている。トランジスタＰｆのベースは、トランジスタＰａのコレクタに接続されている。トランジスタＰｇのエミッタは、抵抗Ｒｄ及びＲｂを介して、電源電圧Ｖｃｃの印加端に接続されている。抵抗Ｒｂと抵抗Ｒｄとの接続ノードは、トランジスタＰｂのベースに接続されている。トランジスタＰｇのコレクタは、接地端に接続されている。トランジスタＰｇのベースは、トランジスタＰｂのコレクタに接続されている。

上記構成から成る温度センサ１６では、トランジスタＮａ、Ｎｂのエミッタ電流が互いに一致するように、トランジスタＰａ、Ｐｂのコレクタ電圧及びエミッタ電流が帰還制御（いわゆるコモンモード帰還制御）される。その結果、温度センサ１６で生成される温度検知信号Ｓｏｕｔの電圧レベルは、下記の（１）式で表される値となる。

また、上記（１）式に含まれる差電圧ΔＶＦは、ダイオード方程式に基づいて、下記の（２）式で表される形に展開される。

なお、上記（２）式中において、ｋはボルツマン定数、Ｔは周囲温度（絶対温度）、ｑは電子の電荷量、ＪＥａ、ＪＥｂはトランジスタＰａ、Ｐｂのエミッタ電流密度をそれぞれ表している。

上記（２）式から分かるように、異なるエミッタ電流密度ＪＥａ、ＪＥｂで動作する一対のトランジスタＰａ、Ｐｂのベース・エミッタ間電圧ＶＢＥａ、ＶＢＥｂの差電圧ΔＶＦは、周囲温度Ｔに応じた変動値となる。

従って、上記（１）式、（２）式より、温度検知信号Ｓｏｕｔの電圧レベルは、下記の（３）式で示すように、周囲温度Ｔに応じた負特性の変動値となる。

上記したように、本構成例の温度センサ１６は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタではなく、ＰＮＰ型バイポーラトランジスタＰａ、Ｐｂを用いることで、周囲温度Ｔに応じた負特性の温度検知信号Ｓｏｕｔを生成する構成とされている。

このような構成とすることにより、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタを用いて正特性の温度検知信号を生成し、これを論理反転させることで負特性を実現していた従来構成と異なり、反転アンプのオフセットや温度特性を考慮することなく、温度検知信号Ｓｏｕｔをリチウムイオン電池３の充電制御に直接利用することができるので、周囲温度Ｔに応じた充電制御を高精度に実施することが可能となる。また、反転アンプを設ける必要がなくなるので、温度センサ１６の面積縮小や低消費電力化を実現することも可能となる。

特に、リチウムイオン電池３の充電制御を行うパワーマネジメントＩＣ１においては、周囲温度Ｔの検知に関して高い絶対精度が要求されるため、温度センサ１６を上記構成とすることが望ましい。

なお、上記構成から成る温度センサ１６において、トランジスタＰｃとトランジスタＰｄ、トランジスタＮａとトランジスタＮｂ、トランジスタＰｆとトランジスタＰｇについては、それぞれ十分にペア性を取ることが望ましい。このような構成とすることにより、トランジスタＰａ、Ｐｂのコレクタ電圧は、電源変動の影響を受けにくくなるので、安定した温度検出を行うことが可能となる。

また、上記構成から成る温度センサ１６は、トランジスタＰｆのエミッタ電流として、トランジスタＮｂのエミッタから電流を引き込む経路のほかに、抵抗Ｒｂ、Ｒｄと同抵抗値の抵抗Ｒａ、Ｒｃを介して、電源電圧Ｖｃｃの印加端から電流を引き込む経路を有して成る。このような電流経路を有する構成であれば、トランジスタＰｆ、Ｐｇのエミッタに流れ込む電流の誤差要因を排除することができるので、周囲温度Ｔをより高精度・高リニアリティに検出することが可能となる。もちろん、チップ規模縮小を重視する場合には、上記の電流経路をなくせばよい。

また、上記構成から成る温度センサ１６において、抵抗Ｒａ〜Ｒｄは、その抵抗値がレーザトリミング等によって調整可能な構成とされている。このような構成とすることにより、回路形成後でも、周囲温度Ｔに対する温度検知信号Ｓｏｕｔの依存特性を任意に調整することが可能となる。

なお、上記の実施形態では、二次電池としてリチウムイオン電池を用いた構成を例に挙げて説明を行ったが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、他方式の二次電池を用いる構成としても構わない。

また、本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

本発明は、二次電池の充電制御を行う充電制御装置の安全性と充電性能を共に高める上で有用な技術である。

は、本発明に係る充電制御装置を搭載した電子機器の一実施形態を示すブロック図である。 は、パワーマネジメントＩＣ１による充電制御動作を模式的に説明するためのブロック図である。 は、周囲温度に応じた充電制御、システム電流に応じた充電制御、内部設定値に応じた充電制御、外部設定値に応じた充電制御を個別に説明するための図である。 は、パワーマネジメントＩＣ１による充電制御動作の一例を示す図である。 は、温度センサ１６の一構成例を示す回路図である。

符号の説明

１ パワーマネジメントＩＣ（充電制御装置）
１１ 充電制御部
１２、１３ アンプ
１４、１５ Ｐチャネル型電界効果トランジスタ
１６ 温度センサ
１７ 内部設定部
１８ 外部設定部
１９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ マイコン
３ リチウムイオン電池（二次電池）
４、５ センス抵抗
６ ポート
７ 電源ライン
８ 信号ライン
Ｐａ〜Ｐｇ ＰＮＰ型バイポーラトランジスタ
Ｎａ、Ｎｂ ＮＰＮ型バイポーラトランジスタ
Ｉａ、Ｉｂ 定電流源
Ｒａ〜Ｒｄ 抵抗

Claims (4)

1. 二次電池の充電電流をモニタし、その電流値が、装置内部で予め設定された目標値と、装置外部から任意に設定された目標値のうち、より小さい値となるように、前記二次電池の充電制御を行う充電制御装置であって、
   装置内部では、少なくとも、周囲温度に応じた目標値、システムの消費電流に応じた目標値、及び、外部接続される電力供給源の規格に応じた目標値が予め設定されており、充電電流の電流値が、これら装置内部で予め設定された目標値と、装置外部から任意に設定された目標値のうち、最も小さい値となるように、前記二次電池の充電制御を行うことを特徴とする充電制御装置。
2. 周囲温度に応じた目標値は、周囲温度が高いほど小さい値となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の充電制御装置。
3. 周囲温度を検知する温度センサは、異なるエミッタ電流密度で動作する一対のＰＮＰ型バイポーラトランジスタを有して成り、両トランジスタのベース・エミッタ間電圧の差が周囲温度に応じて変動することを利用して、負特性の温度検知信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の充電制御装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の充電制御装置と、前記充電制御装置によって充電制御される二次電池と、を有して成ることを特徴とする電子機器。

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