JP5412797B2

JP5412797B2 - Ｉｃ及びそれを内蔵する電池パック

Info

Publication number: JP5412797B2
Application number: JP2008284765A
Authority: JP
Inventors: 修平安部; 亮池内
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: US8867246B2; CN102204061A; KR101604632B1; CN102204061B; WO2010052989A1; KR20110081949A; US20110187343A1; JP2010114991A

Description

本発明は、電子機器に給電する二次電池の状態を監視する制御部と前記電子機器との間で送受される信号を伝送する、ＣＭＯＳから構成されるインバータを備える、ＩＣ及びそれを内蔵する電池パックに関する。

従来、本体部と該本体部に電源を供給する着脱可能な電源部との間で通信を行う機器として、例えば、特許文献１，２に開示の機器が知られている。

このような本体部と電源部間の通信インターフェイス回路として、ＣＭＯＳインバータが知られている。図５は、ＣＭＯＳインバータの構成図である。ＣＭＯＳインバータは、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタとＮチャンネルＭＯＳトランジスタとから構成され、入力ＶＩＮは共通のゲート、出力ＶＯＵＴは共通のドレインとして構成されている。ＮチャンネルＭＯＳトランジスタのソースは接地ラインＶＳＳに接続され、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタのソースは、電源電圧ラインＶＤＤに接続されている。ＣＭＯＳインバータは、ＶＩＮにＨレベルの電圧が入力された場合には、ＮチャンネルＭＯＳトランジスタが導通してＬレベルを出力し、ＶＩＮにＬレベルの電圧が入力された場合には、ＰチャンネルＭＯＳトランジスタが導通してＨレベルを出力する。
特開平７−１２３６００号公報特開２００３−９２８４１号公報

しかしながら、本体部と電源部間で通信を行う場合、Ｐプラス−Ｐマイナス間の電源電圧が変動すると、本体部との間で送受される信号がＣＭＯＳインバータを通過できない場合がある。この通信信号を通過させるためには、通信信号の振幅としてＰプラス−Ｐマイナス間の電圧の半分の電圧が必要となるが、本体からの通信信号の振幅電圧がＰプラス−Ｐマイナス間の電圧の半分以下になってしまうと、正しい通信信号が伝送されないという誤作動が生じてしまう。

そこで、本発明は、電源電圧が変動しても、ＣＭＯＳ型のインバータの誤作動を簡易な構成で防止することができる、ＩＣ及びそれを内蔵する電池パックの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るＩＣは、
二次電池を電源とする電子機器と前記二次電池を監視する制御部との間の信号を伝送するＣＭＯＳ型のインバータと、
前記電子機器の電源電圧を降圧して前記インバータの電源電圧を生成するレギュレータとを備える、ＩＣであって、
前記レギュレータは、
前記電子機器の電源電圧の高電位側にドレインが接続され且つゲートとソースとが互いに接続されたディプリーション型ＮＭＯＳトランジスタと、
前記ソース側に一方の電極が接続され且つ前記電子機器の電源電圧の低電位側に他方の電極が接続された容量素子とを備え、
前記容量素子の電圧を前記インバータの電源電圧として供給することを特徴とする。

ここで、前記インバータのＰチャンネルＭＯＳトランジスタのバックゲートが前記電子機器の電源電圧の高電位側に接続されるとよい。また、前記ディプリーション型ＮＭＯＳトランジスタから前記容量素子への通電を遮断する遮断手段を備えるとよい。また、前記遮断手段によって前記通電が遮断されている期間に前記容量素子の両端を短絡する短絡手段を備えるとよい。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る電池パックは、前記ＩＣと前記二次電池とを内蔵する。

本発明によれば、電源電圧が変動しても、ＣＭＯＳ型のインバータの誤作動を簡易な構成で防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明の実施形態である電池パック１００の全体構成図である。電池パック１００は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタなどの二次電池２００を電源とする携帯機器３００への放電及び二次電池２００の充電器（不図示）による充電を行うための入出力端子５，６と二次電池２００の両極端子３，４との間の充放電経路９（９ａ，９ｂ）の導通／遮断を切り替えるスイッチング素子１，２と、スイッチング素子１，２の切り替え動作を制御する電池保護ＩＣ９０と、二次電池２００に関する電池状態等の電池情報を監視する制御部５０とを備える電池保護装置を、二次電池２００と共に内蔵するモジュール部品である。なお、制御部５０は電池保護ＩＣ９０に内蔵されてもよく、電池保護ＩＣ９０に内蔵された制御部５０がスイッチング素子１，２の切り替え動作を制御してもよい。

電池パック１００は、携帯機器３００に、内蔵されたり、外付けされたりする。携帯機器３００は、人が携帯可能な電子機器であって、携帯電話などの無線通信機能を備えるものが具体例として挙げられる。その他の具体例として、ＰＤＡやモバイルパソコン等の情報端末装置、カメラ、ゲーム機、音楽やビデオ等のプレーヤーなどが挙げられる。

電池パック１００は、入出力端子（正極入出力端子５及び負極入出力端子６）と通信端子７とを介して携帯機器３００に着脱可能に接続される。携帯機器３００側の正極端子に接続される正極入出力端子５は二次電池２００の正極３に充放電経路９ａを介して電気的に接続され、携帯機器３００側の負極端子に接続される負極入出力端子６は二次電池２００の負極４に充放電経路９ｂを介して電気的に接続される。携帯機器３００側の通信端子に接続される通信端子３は、電池保護ＩＣの端子９０ｄに接続される。

スイッチング素子１，２は、二次電池２００の負極４と負極入出力端子６との間の充放電経路９ｂの導通／遮断の切り替えが可能なように直列に接続される。スイッチング素子１は、充放電経路９を充電方向に流れる二次電池２００の充電電流の遮断／導通を切り替え可能な第１の切替手段であり、スイッチング素子２は、充放電経路９を放電方向に流れる二次電池２００の放電電流の遮断／導通を切り替え可能な第２の切替手段である。スイッチング素子１がオン状態で二次電池２０の充電が許可され、オフ状態で二次電池２００の充電が禁止される。また、スイッチング素子２がオン状態で二次電池２００の放電が許可され、オフ状態で二次電池２００の放電が禁止される。

スイッチング素子１，２は、例えば、寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体素子である。スイッチング素子１は、その寄生ダイオード１ａの順方向が二次電池２００の放電方向になる向きで負極４と負極入出力端子６との間に配置され、スイッチング素子２は、その寄生ダイオード２ａの順方向が二次電池２００の充電方向になる向きで負極４と負極入出力端子６との間に配置される。なお、スイッチング素子１，２は、バイポーラトランジスタであって、そのコレクタエミッタ間に図示の向きにダイオードが構成されたものでもよい。

制御部５０は、電池保護ＩＣ９０を介して、携帯機器３００と通信する。制御部５０は、二次電池２００に関する電池状態等の電池情報を携帯機器３００に送信し、携帯機器３００からの指令信号等の信号を受信する。制御部５０は、例えば、二次電池２００の温度を検出する温度検出部と、二次電池２００の電圧を検出する電圧検出部と、二次電池２００の充放電電流を検出する電流検出部と、検出結果を示す各検出部から出力されるアナログ電圧値をデジタル値に変換するＡＤコンバータと、二次電池２００の残容量などの算出処理や二次電池２００の劣化判定などの判定処理を行う演算処理部（例えば、論理回路やマイクロコンピュータによって構成されるとよい）と、その演算処理に利用される二次電池２００や電池パック１００の各構成部の特性を特定するための特性データや電池パック１００の固有情報を格納するメモリ（例えば、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュメモリ等の記憶装置）とを備える。

電池保護ＩＣ９０は、制御部５０からの信号を携帯機器３００に伝送し、携帯機器３００からの信号を制御部５０に伝送する、通信インターフェイス回路を備える。

図２は、電池保護ＩＣ９０の構成図である。電池保護ＩＣ９０は、制御部５０と携帯機器３００との間で送受される信号を伝送するＣＭＯＳインバータＩＶと、電源ラインＶＤＤと接地ラインＶＳＳ間のＶＤＤ−ＶＳＳ電圧を降圧することによりインバータＩＶの電源電圧を生成するレギュレータＲＧ１とを備える。ＶＤＤ−ＶＳＳ電圧は、二次電池２００によって携帯機器３００に印加される電源電圧に相当する。また、図１，２に示されるように、電源ラインＶＤＤは端子９０ａを介して正側入出力端子５と同電位であり且つ接地ラインＶＳＳは端子９０ｅを介して負側入出力端子６と同電位であるため、ＶＤＤ−ＶＳＳ電圧は、入出力端子５，６間の端子間電圧に相当する。

レギュレータＲＧ１は、ディプリーション型ＮＭＯＳトランジスタＭ１と容量素子であるコンデンサＣ１との直列回路によって構成される。トランジスタＭ１は、ゲートとソースとバックゲートとが互いに接続され、ドレインが電源ラインＶＤＤに接続されている。このように接続することによって、トランジスタＭ１のドレイン−ソース間に定電流Ｉ１が流れる。コンデンサＣ１は、その一方の電極がトランジスタＭ１のソースに接続され、もう一方の電極が接地ラインＶＳＳに接続されている。コンデンサＣ１の両端電圧が、インバータＩＶの電源電圧として、電源ラインＶＲと接地ラインＶＳＳによって、インバータＩＶの両端（ＰチャンネルＭＯＳトランジスタＭ２のソースとＮチャンネルＭＯＳトランジスタＭ３のソース間）に印加される。

トランジスタＭ２のソースは、コンデンサＣ１の一方の電極に接続された電源ラインＶＲに接続され、トランジスタＭ２のバックゲートは電源ラインＶＤＤに接続される（ＩＣ製造プロセスにｎ基板（ＶＤＤ電位吊り）を用いていることにより、バックゲートを別電位にしようとしても構造上バックゲートがＶＤＤとショートしてしまうため）。トリプルウェル構造やｐ基板を使用しているＩＣであれば、トランジスタＭ２のバックゲートは電源ラインＶＲに接続されてもよい。トランジスタＭ３のソースとバックゲートは、接地ラインＶＳＳに接続される。トランジスタＭ２とＭ３の共通ゲートには、保護抵抗Ｒ１と端子９０ｄを介して、携帯機器３００からの入力信号が入力される。そして、携帯機器３００からの入力信号を反転した反転信号がトランジスタＭ２とＭ３の共通ドレインから出力される。このように接続されることにより、携帯機器３００からの入力信号は、端子９０ｃを介して、制御部５０に伝送される。

このような保護ＩＣ９０の構成によって、ＶＤＤ−ＶＳＳ電圧（例えば、４Ｖ）をＶＲ−ＶＳＳ電圧（例えば、３．３Ｖ）にトランジスタＭ１によって降圧し、トランジスタＭ１が流す定電流Ｉ１でコンデンサＣ１を充電し一定の電圧を生成することができる。コンデンサＣ１の電荷量Ｑは、コンデンサＣ１の両端電圧をＶ_Ｃ１，コンデンサＣ１の容量をＣ_１とすると、
Ｑ＝Ｃ_１×Ｖ_Ｃ１・・・（１）
によって演算することができる。この電荷量Ｑが、インバータＩＶに流れる電流をｉ２、インバータＩＶ以外の他のＣＭＯＳインバータ等の論理回路に流れる電流をｉ３、電流ｉ２とｉ３が流れている時間をｔとした場合、
Ｑ＝Ｃ_１×Ｖ_Ｃ１＞（ｉ２×ｉ３）×ｔ・・・（２）
を満たすように（つまり、電荷量Ｑが、携帯機器３００から入力される通信信号（Ｈレベル／Ｌレベル）による交流電流に対して十分大きく、インバータＩＶや他の論理回路の動作電圧として必要な電圧を確保できるように）、コンデンサＣ１の容量Ｃ_１やトランジスタＭ１を設計すればよい。容量Ｃ_１は、例えば、１０ｐＦである。これにより、コンデンサＣ１の電荷量Ｑで、負荷電流ｉ３，ｉ２をまかなうことができる。

図３は、電池保護ＩＣ９０に内蔵されるレギュレータＲＧ１の他の実施例であるレギュレータＲＧ２の構成図である。トランジスタＭ１とコンデンサＣ１との間に、トランジスタＭ１のソース側をアノードとするダイオードＤ１が挿入されている。ＶＤＤ−ＶＳＳ電圧及びダイオードＤ１の挿入数によって、ダイオードＤ１の順方向電圧ＶＦを利用することにより、レギュレータＲＧ２によって生成される一定の出力電圧値を調整することができる。

図４は、電池保護ＩＣ９０に内蔵されるレギュレータＲＧ１の他の実施例であるレギュレータＲＧ３の構成図である。トランジスタＭ１とコンデンサＣ１との間に、トランジスタＭ１からコンデンサＣ１への通電を遮断する遮断手段として、トランジスタＭ１のソース側をソースとするＰチャンネルＭＯＳトランジスタＭ４を挿入する。トランジスタＭ４のバックゲートは、電源ラインＶＤＤに接続されればよい。この構成において、トランジスタＭ４のゲートに外部からオンオフ信号を入力することにより、トランジスタＭ４がオンしている通電期間では、レギュレータＲＧ３によってインバータの一定の電源電圧を生成することができ、トランジスタＭ４がオフしている非通電期間では、トランジスタＭ１から電流が流れることによる消費電流を削減することができる。

また、トランジスタＭ４の遮断期間にコンデンサＣ１の両端を短絡可能なＮチャンネルＭＯＳトランジスタＭ５を備えてもよい。トランジスタＭ５のソースは、接地ラインＶＳＳに接続され、トランジスタＭ５のドレインは、コンデンサＣ１とトランジスタＭ４との間の接続経路に接続される。トランジスタＭ５がオンすることによって、コンデンサＣ１を放電させることができる。また、トランジスタＭ４がオフしている遮断期間にコンデンサＣ１の両端を短絡し、トランジスタＭ４がオンしている導通期間にコンデンサＣ１の両端を非短絡にすることによって、レギュレートした電圧の出力の有無を切り替えることができる。オンオフ信号がＨレベルのときには、トランジスタＭ４はオフし且つトランジスタＭ５はオンするので、コンデンサＣ１の両端電圧はほぼ零となり、オンオフ信号がＬレベルのときには、トランジスタＭ４はオンし且つトランジスタＭ５はオフするので、コンデンサＣ１から一定の電圧が出力される。また、トランジスタＭ４、Ｍ５を図示の通り構成することによって、一つのオンオフ信号でレギュレータＲＧ３の出力電圧の有無を切り替えることができる。

以上、上述の実施例によれば、ＣＭＯＳインバータに安定した電圧を供給することができるので、入出力端子５，６の端子間電圧が携帯機器３００の負荷電流の一時的な変動により大きく変化しても、トランジスタＭ１とコンデンサＣ１の２素子という簡易な構成で、携帯機器３００からの入力信号が制御部５０に正しく伝送されないというインバータの誤作動を防ぐことができる。また、コンデンサＣ１を用いることで直流的に電流を流さないため、消費電流を大きく低減することができる。また、素子数が少ないため、チップ面積が縮小し、保護ＩＣの小型化やコスト削減をしやすくすることができる。また、回路規模縮小による設計段階での回路検証などの工数を削減することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では、携帯機器３００からの入力信号を保護ＩＣ９０が制御部５０に伝送する場合について説明したが、制御部５０からの入力信号を保護ＩＣ９０が携帯機器３００に伝送する場合でもよい。この場合、図１，２において、端子９０ｄが制御部５０側（制御部５０の端子５０ｃ側）に接続され、端子９０ｃが携帯機器３００側（通信端子７側）に接続され、接地端子ＶＳＳに接続される端子９０ｂが二次電池２００の負極４とトランジスタ２との間の負極側経路９ｂに接続されればよい。

本発明の実施形態である電池パック１００の全体構成図である。電池保護ＩＣ９０の構成図である。電池保護ＩＣ９０に内蔵されるレギュレータＲＧ１の他の実施例であるレギュレータＲＧ２の構成図である。電池保護ＩＣ９０に内蔵されるレギュレータＲＧ１の他の実施例であるレギュレータＲＧ３の構成図である。ＣＭＯＳインバータの構成図である。

符号の説明

５０制御部
９０電池保護ＩＣ
１００電池パック
２００二次電池
３００携帯機器
Ｍ１ディプリーション型ＮＭＯＳトランジスタ
Ｍ２〜Ｍ５ＭＯＳトランジスタ
Ｃ１コンデンサ
ＲＧ１，ＲＧ２，ＲＧ３レギュレータ
ＩＶインバータ

Claims

二次電池を電源とする電子機器と前記二次電池を監視する制御部との間の信号を伝送するＣＭＯＳ型のインバータと、
前記電子機器の電源電圧を降圧して前記インバータの電源電圧を生成するレギュレータとを備える、ＩＣであって、
前記レギュレータは、
前記電子機器の電源電圧の高電位側にドレインが接続され且つゲートとソースとが互いに接続されたディプリーション型ＮＭＯＳトランジスタと、
前記ソース側に一方の電極が接続され且つ前記電子機器の電源電圧の低電位側に他方の電極が接続された容量素子とを備え、
前記容量素子の電圧を前記インバータの電源電圧として供給することを特徴とする、ＩＣ。
前記インバータのＰチャンネルＭＯＳトランジスタのバックゲートが前記電子機器の電源電圧の高電位側に接続される、請求項１に記載のＩＣ。
前記ディプリーション型ＮＭＯＳトランジスタから前記容量素子への通電を遮断する遮断手段を備える、請求項１又は２に記載のＩＣ。
前記遮断手段によって前記通電が遮断されている期間に前記容量素子の両端を短絡する短絡手段を備える、請求項３に記載のＩＣ。
請求項１から４のいずれか一項に記載のＩＣと前記二次電池とを内蔵する電池パック。