JP5621446B2

JP5621446B2 - 電圧切り替え回路、該電圧切り替え回路を備える充放電保護回路、該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック、および該バッテリーパックを用いた電子機器

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Publication number: JP5621446B2
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Inventors: 了司山田
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Description

本発明は、例えば、携帯電話やデジタルカメラ、ノートパソコン、ＰＤＡ（Personal Ｄigital Assistance）等の携帯型の電子機器に用いられるＬｉイオンなどの２次電池（充電式電池）の充放電保護回路技術に係り、特に、２次電池の放電電流あるいは充電電流を検出して電圧に変換する電流検出用抵抗と、過電流を検出する過電流検出回路（コンパレータ）とを備える２次電池保護回路に用いられる、過電流検出回路（コンパレータ）に入力する基準電圧と比較するための入力電圧を、前記電流検出用抵抗によって得られた電圧とバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧とで切り替える電圧切り替え回路、該電圧切り替え回路を備える充放電保護回路、該充放電保護回路を組み込んだバッテリーパック、および該バッテリーパックを用いた携帯電話などの電子機器に関する。

携帯電話やデジタルカメラなどの携帯型の電子機器の電源として、近年、ニッケル水素やＬｉ（リチウム）イオン、Ｌｉポリマー２次電池のような大容量の２次電池（充電式電池）が広く使われている。これらの大容量電池は、誤って短絡や過充電を行うと電池内部や接続されている回路に大電流が流れ、高熱を発生し、機器を破損する恐れがある。また、Ｌｉイオン２次電池は、過充電すると金属Ｌｉが析出して事故を起こす危険性があり、また過放電すると繰り返し充放電使用回数が悪くなるなどの問題点を有している。

そのため、２次電池と機器本体の間の充放電経路に保護スイッチを設け、所定の電圧以上に過充電された場合や所定の電圧以下に過放電された場合に、これを検出し、保護スイッチをオフにし、それ以上の過充電，過放電を抑止するようにしている。過電流に対してもバッテリーパックの短絡、異常充電器による充電などを抑止するため、ある一定以上の放電電流、充電電流が流れたときに放電禁止状態、充電禁止状態にしている。

従来の２次電池の充放電保護回路は、バッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子を過電流検出端子とし、充放電を制御するためのＭＯＳＦＥＴを抵抗体と見立ててＭＯＳＦＥＴのＯＮ抵抗値を利用しＭＯＳＦＥＴに流れる電流を電圧に変換し、２次電池保護ＩＣに入力することで過電流の制御を行なってきた。

しかし、電流が流れたことによる充放電制御ＭＯＳＦＥＴの発熱やＭＯＳＦＥＴのメーカーによりＯＮ抵抗値の変動量が異なり過電流検出精度を高めることは困難とされてきた。

このようなことを解決するために、電流検出用抵抗を用いて電流を電圧に変換し過電流検出精度を高めることが提案されている。この技術の先行文献として、例えば、特開２００５−１６８１５９号公報（特許文献１）が挙げられる。

上記の電流検出用抵抗を用いた過電流検出動作をした場合、過電流検出後に２次電池保護ＩＣは充放電制御の信号を出力し、充放電制御用のＭＯＳＦＥＴをＯＦＦすることで電流を抑制していた。

その際、充放電制御用ＭＯＳＦＥＴのどちらかがＯＦＦされるので電流がストップし電流検出用抵抗から変換されて入力される電圧が下がり、すぐ電流が流れる状態に復帰してしまうため、保護ＩＣの内部回路では一旦過電流を検出したら復帰しないようにラッチ動作を行なう等する必要がある。また過電流検出後のラッチから復帰させるためになんらかの条件を考慮する必要があった。

本発明の目的は、上記課題を解決するために、簡単な回路構成で、過電流を検出した場合にすぐに復帰しないようにラッチ動作を行なうことができ、また過電流負荷または異常充電器を開放した場合に過電流禁止状態から自動復帰することができるようにするための過電流検出手段（コンパレータ）への入力を切り替える電圧切り替え回路、該電圧切り替え回路を備える充放電保護回路、該充放電保護回路を備える２次電池保護回路、該２次電池保護回路を組み込んだバッテリーパック、および該バッテリーパックを用いた携帯電話などの電子機器を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、次のような構成を採用した。
ａ）本発明に係る電圧切り替え回路は、過電流検出機能を有する充放電保護回路に用いる電圧切り替え回路であって、電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧を入力する第１の入力端子と、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧を入力する第２の入力端子と、充放電保護回路内部の検出回路に入力する電圧を出力する出力端子と、前記第１の入力端子と第２の入力端子のいずれの電圧を前記出力端子に出力するかを選択する選択端子を有し、充放電可能状態で過電流が検出された時点の直後と過電流禁止状態から復帰した時点の直後とで、前記出力端子に出力する電圧を前記第１の入力端子に入力される電圧と前記第２の入力端子に入力される電圧との間で切り替えることを特徴としている。

ｂ）本発明に係る充放電保護回路は、過電流を検出する検出手段と、該検出手段による過電流検出結果に基づきオン・オフして過電流の遮断制御を行うスイッチング素子と、上記ａ）の電圧切り替え回路を備えた充放電保護回路であって、前記スイッチング素子と直列に接続された電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧が前記電圧切り替え回路の第１の入力端子に入力され、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧が前記電圧切り替え回路の第２の入力端子に入力され、前記検出手段の出力が前記電圧切り替え回路の選択端子に入力され、前記検出手段は、前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧と予め定められた基準電圧を比較する比較手段を有し、該比較手段の比較結果により前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧の絶対値が前記基準電圧を超えた場合に、前記スイッチング素子をオフにして該スイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる電流を遮断する制御手段を有することを特徴としている。

ｃ）また、２次電池の充電時および放電時における過電流保護を行う充放電保護回路であって、放電時の過電流を検出する放電時保護手段と、該放電時保護手段の検出結果に基づき放電電流の遮断制御を行う第１のスイッチング素子と、充電時の過電流を検出する充電時保護手段と、該充電時保護手段の検出結果に基づき充電電流の遮断制御を行う第２のスイッチング素子と、上記ａ）の電圧切り替え回路とを有し、前記第１，第２のスイッチング素子と直列に接続された電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧を前記電圧切り替え回路の第１の入力端子に入力され、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧が前記電圧切り替え回路の第２の入力端子に入力され、前記放電時保護手段は、前記電圧切り替え回路の出力電圧と予め定められた第１の基準電圧とを比較する第１の比較手段と、該第１の比較手段の比較結果で前記電圧切り替え回路の出力電圧の絶対値が前記第１の基準電圧を超えると、前記第１のスイッチング素子をオフして該第１のスイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる放電電流を遮断する第１の制御手段とを有し、前記充電時保護手段は、前記電圧切り替え回路の出力電圧と予め定められた第２の基準電圧とを比較する第２の比較手段と、該第２の比較手段の比較結果で前記電圧切り替え回路の出力電圧の絶対値が前記第２の基準電圧を超えると、前記第２のスイッチング素子をオフして該第２のスイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる充電電流を遮断する第２の制御手段とを有することを特徴としている。

ｄ）また、上記ｃ）の充放電保護回路であって、前記放電時保護手段は、過放電を検出する手段を有し、該手段による過放電検出時にも、前記第１のスイッチング素子をオフ制御することを特徴としている。

ｅ）上記ｃ）またはｄ）の充放電保護回路であって、前記充電時保護手段は、過充電を検出する手段を有し、該手段による過充電検出時にも、前記第２のスイッチング素子をオフ制御することを特徴としている。

ｆ）２次電池の放電時における過電流保護を行う充放電保護回路であって、放電時の過電流を検出する放電時保護手段と、該放電時保護手段の検出結果に基づき放電電流の遮断制御を行うスイッチング素子と、上記ａ）の電圧切り替え回路とを有し、前記スイッチング素子と直列に接続された電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧が前記電圧切り替え回路の第１の入力端子に入力され、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧が前記電圧切り替え回路の第２の入力端子に入力され、前記放電時保護手段は、前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧と予め定められた基準電圧とを比較する比較手段と、該比較手段の比較結果で前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧の絶対値が前記基準電圧を超えると、前記スイッチング素子をオフして該スイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる放電電流を遮断する制御手段とを有することを特徴としている。

ｇ）上記ｆ）の充放電保護回路であって、前記放電時保護手段は、過放電を検出する手段を有し、該手段による過放電検出時にも、前記スイッチング素子をオフ制御することを特徴としている。

ｈ）２次電池の充電時における過電流保護を行う充放電保護回路であって、充電時の過電流を検出する充電時保護手段と、該充電時保護手段の検出結果に基づき充電電流の遮断制御を行うスイッチング素子と、上記ａ）の電圧切り替え回路を有し、前記スイッチング素子と直列に接続された電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧が前記電圧切り替え回路の第１の入力端子に入力され、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧が前記電圧切り替え回路の第２の入力端子に入力され、前記充電時保護手段は、前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧と予め定められた基準電圧とを比較する比較手段と、該比較手段の比較結果で前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧の絶対値が前記基準電圧を超えると、前記スイッチング素子をオフして該スイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる充電電流を遮断する制御手段とを有することを特徴としている。

ｉ）上記ｈ）の充放電保護回路であって、前記充電時保護手段は、過充電を検出する手段を有し、該手段による過充電検出時にも、前記スイッチング素子をオフ制御することを特徴としている。

ｊ）本発明に係るバッテリーパックは、上記ａ）の電圧切り替え回路、あるいは、上記ｂ）からｉ）のいずれかの充放電保護回路を具備したものである。

ｋ）本発明に係る電子機器は、上記ｊ）のバッテリーパックを用いたことを特徴としている。

本発明に係る電圧切り替え回路を用いて、過電流検知抵抗を用いた２次電池保護回路で放電過電流検出、短絡検出、充電過電流検出に使用する端子（Ｒｓｅｎｓ）と過電流からの復帰に使用する端子（Ｖ−）を切り替えることにより、過電流負荷または異常充電器を開放した場合に過電流禁止状態から自動復帰することが可能な、充放電保護回路、２次電池保護回路、バッテリーパック、および携帯電話などの電子機器を実現できる。

本発明を適用した充放電保護回路を用いたバッテリーパックを示す図である。ＳＥＬ信号によってＳＷ＿ＯＵＴ信号電圧をＲＳＥＮＳ端子電圧とＶ−端子電圧に切り替える回路の第１実施例を示す図である。ＳＥＬ信号によってＳＷ＿ＯＵＴ信号電圧をＲＳＥＮＳ端子電圧とＶ−端子電圧に切り替える回路の第２実施例を示す図である。ＳＥＬ信号とＮＭＯＳトランジスタの状態と出力信号の関係を示した図である。従来の過電流保護回路を示す図である。

図１は、本発明に係る電圧切り替え回路２００を備える充放電保護回路２０と、充放電制御用ＭＯＳＦＥＴＭ１，Ｍ２（第１のスイッチング素子Ｍ１、第２のスイッチング素子Ｍ２）と、電流検出用抵抗Ｒ３とで構成されたバッテリーパック１０の一例を示す図である。

同図は、充放電保護回路２０を内蔵したバッテリーパック１０に、充電器または負荷３０を接続した場合の回路図である。２次電池Ｂａｔの正電源端子は、バッテリーパック１０の正電源端子Ｐと充放電保護回路２０の正電源端子Ｖｄｄに接続されている。

また、２次電池Ｂａｔの負電源端子は充放電保護回路２０の負電源端子Ｖｓｓに接続されている。Ｖｓｓ端子と放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１のソース端子の間には電流検出用抵抗Ｒ３が接続されている。放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１と電流検出用抵抗Ｒ３の接続点は、充放電保護回路２０のＲｓｅｎｓ端子に接続されている。

放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１の他端は、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２の一端に接続され、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２の他端は、バッテリーパック１０の負電源端子Ｍと充放電保護回路２０の充電器負電源端子Ｖ−に接続されている。

また、放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１のゲートと、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２のゲートは、それぞれ充放電保護回路２０の放電制御端子Ｄｏｕｔと充電制御端子Ｃｏｕｔに接続されている。

なお、放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１と充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２に並列に接続されているダイオードＤ１１とＤ１２は、ＮＭＯＳトランジスタＭ１とＭ２を半導体装置に形成する際に生成される寄生ダイオードである（特許文献１では省略されている）。充電器または負荷３０はバッテリーパック１０の正電源端子Ｐと負電源端子Ｍの間に接続されている。

充放電保護回路２０は、過充電、過放電、充電過電流、放電過電流、短絡電流、および過熱などを検出するために、それぞれ専用の検出回路を備えている。検出回路は、保護動作が必要なレベルの異常を検出すると、それぞれ検出信号を出力し、２次電池Ｂａｔと充電器または負荷３０との間に設けられている放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１、または、充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２をオフにして、２次電池Ｂａｔと充電器または負荷３０との接続を遮断する。

このように構成された充放電保護回路２０を内蔵したバッテリーパック１０に、所定の設定した値以上の充電電流または放電電流が流れた場合を考える。充放電可能状態において充電電流または放電電流が流れると、電流検出用抵抗Ｒ３にも電流が流れ、（電流値）×（Ｒ３の抵抗値）で計算される電圧がＲｓｅｎｓ端子に印加される。

このとき、Ｒｓｅｎｓ端子に掛かる電圧がＶｓｓ端子に対してプラス側にある所定の設定値以上になれば放電過電流または短絡検出状態となり、Ｄｏｕｔ端子からローレベルを出力し放電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ１をオフにして放電を停止させる。

逆に、Ｒｓｅｎｓ端子に掛かる電圧がＶｓｓ端子に対してマイナス側に、ある所定の設定値以上になれば充電過電流検出状態となり、Ｃｏｕｔ端子からローレベルを出力して充電制御用ＮＭＯＳトランジスタＭ２をオフにして充電を停止させる。

次に、図１に示した充放電保護回路２０の動作を説明する。

充放電保護回路２０は、第１の基準電圧（Ｖｓ１）、第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）、２つのインバータ（ＩＮＶ１，ＩＮＶ２）からなる放電時の過電流保護を行う回路（放電時保護手段）と、第２の基準電圧（Ｖｓ２）、第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）、２つのインバータ（ＩＮＶ３，ＩＮＶ４）からなる充電時の過電流保護を行う回路（充電時保護手段）、および、端子（Ｖ−）と端子（Ｖｓｓ）間に接続された抵抗（Ｒ４）、および電圧切り替え回路２００により構成されている。

まず、本発明の動作を説明するに先立って、電圧切り替え回路２００を設けない従来の回路構成で、負荷３０が接続されている「放電時」の場合について説明を行う。

第１の基準電圧（Ｖｓ１）の正極は、第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）の非反転入力（＋）に接続され、第１の基準電圧（Ｖｓ１）の負極は、充放電保護回路２０の端子（Ｖｓｓ）を介して、電源（Ｂａｔ）の負極と電流検出用抵抗Ｒ３の一端に接続されている。

第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）の反転入力（−）は、充放電保護回路２０の端子（Ｒｓｅｎｓ）を介して、電流検出用抵抗Ｒ３の他端に接続されているので、第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）において、電流検出用抵抗Ｒ３の電圧降下と第１の基準電圧（Ｖｓ１）との比較を行うことができる。

第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）の出力は、インバータ（ＩＮＶ１，ＩＮＶ２）および充放電保護回路２０の端子（Ｄｏｕｔ）を介して第１のスイッチング素子である放電制御用ＮＭＯＳトランジスタ（Ｍ１）のゲートに接続されている。

この第１のスイッチング素子（Ｍ１）のソースは、電流検出用抵抗Ｒ３の他端に接続され、ドレインは充電制御用ＮＭＯＳトランジスタである第２のスイッチング素子（Ｍ２）のドレインに接続されている。そして、第２のスイッチング素子（Ｍ２）のソースは抵抗（Ｒ１）の一端（端子Ｍ側）に接続されている。

この構成において、放電電流が少なく、電流検出用抵抗Ｒ３の電圧降下が第１の基準電圧（Ｖｓ１）より小さい場合は、第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）の出力はハイレベルとなる。このハイレベルの信号はインバータ（ＩＮＶ１，ＩＮＶ２）を通って第１のスイッチング素子（Ｍ１）のゲートに印加される。

その結果、第１のスイッチング素子（Ｍ１）はオンとなる。第２のスイッチング素子（Ｍ２）は放電時は常にオンとなっているので、電源から負荷３０に電流が供給される。

しかし、放電電流が多くなり、電流検出用抵抗Ｒ３の電圧降下が第１の基準電圧（Ｖｓ１）より大きくなると、第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）の出力はローレベルとなる。このローレベル信号はインバータ（ＩＮＶ１，ＩＮＶ２）を通って第１のスイッチング素子（Ｍ１）のゲート（Ｇ１）に印加される。その結果、第１のスイッチング素子（Ｍ１）はオフとなり負荷電流を遮断する。

次に、負荷の代わりに充電器を接続した「充電時」の場合について説明を行う。

第２の基準電圧（Ｖｓ２）の正極は、第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）の非反転入力（＋）に接続され、第２の基準電圧（Ｖｓ２）の負極は、充放電保護回路２０の端子Ｒｓｅｎｓｅを介して、電流検出用抵抗Ｒ３の他端に接続されている。

第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）の反転入力（−）は、充放電保護回路２０の端子（Ｖｓｓ）を介して、電源（Ｂａｔ）の負極と電流検出用抵抗Ｒ３の一端に接続されているので、第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）において、電流検出用抵抗Ｒ３の電圧降下と第２の基準電圧（Ｖｓ２）の比較を行うことができる。

第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）の出力は、インバータ（ＩＮＶ３，ＩＮＶ４）および充放電保護回路２０の端子（Ｃｏｕｔ）を介して第２のスイッチング素子（Ｍ２）のゲートに接続されている。

このような構成において、充電器（Ｖｅ）からの充電電流が少なく、電流検出用抵抗Ｒ３の電圧降下が第２の基準電圧（Ｖｓ２）より小さい場合は、第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）の出力はハイレベルとなる。

このハイレベル信号はインバータ（ＩＮＶ３，ＩＮＶ４）を通って第２のスイッチング素子（Ｍ２）のゲートに印加される。その結果、第２のスイッチング素子（Ｍ２）はオンとなる。第１のスイッチング素子（Ｍ１）は充電時は常にオンとなっているので、充電器から２次電池（Ｂａｔ）に充電電流が供給される。

しかし、充電器３０からの充電電流が多くなり、電流検出用抵抗Ｒ３の電圧降下が第２の基準電圧（Ｖｓ２）より大きくなると、第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）の出力はローレベルとなる。このローレベル信号はインバータ（ＩＮＶ３，ＩＮＶ４）および端子（Ｃｏｕｔ）を通って第２のスイッチング素子（Ｍ２）のゲートに印加される。その結果、第２のスイッチング素子（Ｍ２）はオフとなり、充電器３０から２次電池（Ｂａｔ）への充電電流を遮断する。

しかしながら、電圧切り替え回路２００を設けない従来の回路構成では、上述したように、過電流が検出された場合に、第１のスイッチング素子（Ｍ１）または第２のスイッチング素子（Ｍ２）がオフされるので電流がストップし電流検出用抵抗から変換されて入力される電圧が下がり、すぐ電流が流れる状態に復帰してしまうので復帰しないように過電流が検出されたことをラッチする必要があり、またラッチした場合には、過電流負荷または異常充電器を開放した場合などラッチを解除して電流が流れる状態に復帰させる必要がある。

図１における電圧切り替え回路２００は、そのために新たに設けられた回路であり、具体的構成を図２、図３に示す。

図２は、過電流を検出するための第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）と第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）へ入力するＳＷ＿ＯＵＴ信号を、該第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）と第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）の出力に基づいて生成されるＳＥＬ信号によって、Ｒｓｅｎｓ端子電圧とＶ−端子電圧とで切り替えるための電圧切り替え回路の第１の実施例である。

本実施例における電圧切り替え回路の特徴は、ＮＡＮＤおよびインバータのロジック回路を用いて信号の選択とＮＭＯＳトランジスタ（スイッチング素子Ｍ１，Ｍ２）のスイッチングタイミングを決めているところである。

同図において、ＳＥＬ信号がＨ（ハイレベル）の場合、インバータＩＮＶ２１にはＨが入力され、インバータＩＮＶ２１出力とＮＡＮＤ２１の片側の入力はＬ（ローレベル）となる。

ＮＡＮＤ２１の出力は一方の入力がＬなのでＨとなり、それが入力されるインバータＩＮＶ２２の出力はＬでＮＭＯＳトランジスタＭ２３のゲートおよびインバータＩＮＶ２３にはＬが入力される。

インバータＩＮＶ２３出力はＨとなり、ＮＡＮＤ２２の片側にはＨが入力される。もう一方の入力にはＳＥＬ信号が入力され、ＮＡＮＤ２２の２つの入力はＨ、Ｈとなり、Ｌが出力される。

ＮＡＮＤ２２出力はインバータＩＮＶ２４に入力され、インバータＩＮＶ２４からはＨが出力され、ＮＭＯＳトランジスタＭ２１のゲートおよびインバータＩＮＶ２５にはＨが入力される。インバータＩＮＶ２５からはＬが出力され、ＮＭＯＳトランジスタＭ２２のゲートおよびＮＡＮＤ２１にはＬが入力される。

このときＮＭＯＳトランジスタＭ２１はＯＮ、ＮＭＯＳトランジスタＭ２２はＯＦＦ、ＮＭＯＳトランジスタＭ２３はＯＦＦとなり、ＳＷ＿ＯＵＴ信号はＶ−端子電圧と同じになる。

ＳＥＬ信号がＬの場合、インバータＩＮＶ２１とＮＡＮＤ２２の片方の入力にはＬが入力される。ＮＡＮＤ２２の出力は一方の入力がＬなのでＨとなり、インバータＩＮＶ２４出力はＬでＮＭＯＳトランジスタＭ２１のゲートおよびインバータＩＮＶ２５にはＬが入力される。

インバータＩＮＶ２５出力はＨとなり、ＮＡＮＤ２１の片側にはＨが入力、ＮＭＯＳトランジスタＭ２２のゲートにはＨが入力される。ＮＡＮＤ２１もう一方の入力にはインバータＩＮＶ２１の出力Ｈが入力され、ＮＡＮＤ２１の入力はＨ、ＨとなりＬが出力される。ＮＡＮＤ２１出力はインバータＩＮＶ２２に入力され、インバータＩＮＶ２２からはＨが出力されＮＭＯＳトランジスタＭ２３のゲートおよびＮＡＮＤ２２にはＨが入力される。

このときＮＭＯＳトランジスタＭ２１はＯＦＦ、ＮＭＯＳトランジスタＭ２２はＯＮ、ＮＭＯＳトランジスタＭ２３はＯＮとなりＳＷ＿ＯＵＴ信号はＲＳＥＮＳ端子電圧と同じになる。

ＮＭＯＳトランジスタＭ２２のバックバイアスはＶ−端子に接続され、電流のリーク防止をしている。

つまり、ＮＭＯＳトランジスタＭ２１がＯＮときはＮＭＯＳトランジスタＭ２２とＭ２３がＯＦＦ、ＮＭＯＳトランジスタＭ２１がＯＦＦときはＮＭＯＳトランジスタＭ２２とＭ２３がＯＮとなり、ＳＷ＿ＯＵＴ信号にはＶ−端子とＲＳＥＮＳ端子のどちらか一方が選択される。

また、ＮＭＯＳトランジスタＭ２１、Ｍ２２、Ｍ２３のゲートへの信号伝達は回路構成に応じてＮＭＯＳトランジスタの閾値電圧を満たして確実に開閉できるように適宜レベルシフト回路を使ってレベル変換をするのが好ましい（インバータＩＮＶ２４、インバータＩＮＶ２５、インバータＩＮＶ２２に必要なレベル変換機能を持たせれば別途レベルシフト回路を設ける必要はない）。

図３は、過電流を検出するための第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）と第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）へ入力するＳＷ＿ＯＵＴ信号を、該第１のコンパレータ（ＣＭＰ１）と第２のコンパレータ（ＣＭＰ２）の出力に基づいて生成されるＳＥＬ信号によって、Ｒｓｅｎｓ端子電圧とＶ−端子電圧とで切り替えるための電圧切り替え回路の第２の実施例である。

本実施例における電圧切り替え回路の特徴は、インバータのロジック回路を用いて信号の選択をし、ＮＭＯＳトランジスタのスイッチングタイミングを容量値で決めているところである。

同図において、ＳＥＬ信号がＨの場合、それが入力されるインバータＩＮＶ３１からはＬが出力されその信号がインバータＩＮＶ３２とインバータＩＮＶ３３に入力される。インバータＩＮＶ３３の入力には遅延設定の容量Ｃ３１が接続されている。インバータＩＮＶ３３からはＨが出力され、ＮＭＯＳトランジスタＭ３１のゲートにＨが入力される。

インバータＩＮＶ３２からはＨが出力され、インバータＩＮＶ３４とインバータＩＮＶ３５の入力に接続される。インバータＩＮＶ３４とインバータＩＮＶ３５の入力には遅延時間設定の容量Ｃ３２とＣ３３が接続されている。インバータＩＮＶ３４の出力からはＬが出力されＮＭＯＳトランジスタＭ３２のゲートに入力される。インバータＩＮＶ３５の出力からはＬが出力されＮＭＯＳトランジスタＭ３３のゲートに入力される。

ＳＥＬ信号がＬの場合、それが入力されるインバータＩＮＶ３１からはＨが出力されその信号がインバータＩＮＶ３２とインバータＩＮＶ３３に入力される。インバータＩＮＶ３３の入力には遅延設定の容量Ｃ３１が接続されている。インバータＩＮＶ３３からはＬが出力され、ＮＭＯＳトランジスタＭ３１のゲートにＬが入力される。

インバータＩＮＶ３２からはＬが出力され、インバータＩＮＶ３４とインバータＩＮＶ３５の入力に接続される。インバータＩＮＶ３４とインバータＩＮＶ３５の入力には遅延時間設定の容量Ｃ３２とＣ３３が接続されている。インバータＩＮＶ３４の出力からはＨが出力されＮＭＯＳトランジスタＭ３２のゲートに入力される。インバータＩＮＶ３５の出力からはＨが出力されＮＭＯＳトランジスタＭ３３のゲートに入力される。

インバータロジック回路ＩＮＶ３３、ＩＮＶ３４、ＩＮＶ３５の入力には容量が接続されており、容量値の調整によってＯＮ／ＯＦＦタイミングを設定できる。容量の接続はＮＭＯＳトランジスタのスイッチングタイミングにより容量値および接続箇所については任意で設定できる。

ＮＭＯＳトランジスタＭ３１がＯＮときはＮＭＯＳトランジスタＭ３２とＭ３３がＯＦＦ、ＮＭＯＳトランジスタＭ３１がＯＦＦときはＮＭＯＳトランジスタＭ３２とＭ３３がＯＮとなり、ＳＷ＿ＯＵＴ信号にはＶ−端子の電圧とＲＳＥＮＳ端子の電圧のどちらか一方が選択される。

また、ＮＭＯＳトランジスタＭ３１、Ｍ３２、Ｍ３３のゲートへの信号伝達は回路構成に応じてＮＭＯＳトランジスタの閾値電圧を満たして確実に開閉できるように適宜レベルシフト回路を使ってレベル変換をするのが好ましい（インバータＩＮＶ３３、インバータＩＮＶ３４、インバータＩＮＶ３５に必要なレベル変換機能を持たせれば別途レベルシフト回路を設ける必要はない）。

図４は、ＳＥＬ信号の値（Ｈ／Ｌ）と、各ＮＭＯＳトランジスタ（Ｍ２１，Ｍ３１，Ｍ２２，Ｍ３２，Ｍ２３，Ｍ３３）の状態（ＯＮ／ＯＦＦ）と、出力信号であるＳＷ＿ＯＵＴ信号（Ｖ−端子電圧／Ｒｓｅｎｓ信号）の関係を示した図であり、前記の説明を簡潔にまとめたものである。このように、本発明における電圧切り替え回路は、過電流検出時はＲｓｅｎｓ信号を出力し、過電流が検出された場合はその出力をＶ−端子電圧に切り替えることによりすぐに復帰しないように状態をラッチし、過電流負荷または異常充電器を開放した場合にはＶ−端子電圧が抵抗Ｒ４を介してＶｓｓ端子電圧に向かって変化していくことでラッチが解除され自動復帰することができる。

上記実施例で示した図２、図３の電圧切り替え回路２００を充放電保護回路２０内の過電流検出復帰回路に組み込むことで、過電流検出時はＲｓｅｎｓ端子電圧を検知、復帰時はＶ−端子電圧を検知とすることができる。

また、過電流検出状態でＶ−端子電圧をＶＳＳ端子電圧等にプルダウンする回路（模式的に抵抗Ｒ４で示す）を組み込むことで、過電流負荷または異常充電器を開放した場合に過電流禁止状態から自動復帰することができる。

なお、上記実施例の過電流保護回路は、過放電時における保護動作も可能である。
過放電とは、充電池を使用して電池電圧が低下し、所定の過放電電圧（例えば２．３Ｖ）以下に下がる状態であり、過放電となった場合、再充電して使用する際の蓄電能力が劣化し、耐用時間が減少してしまう。

このような過放電に対応するために、充放電保護回路２０内部に、各々図示していない、基準電圧回路（例えば０．６Ｖ）と、端子（Ｖｄｄ）と端子（Ｖｓｓ）間の過放電電圧が２．３Ｖの場合に抵抗分割で０．６Ｖを出力するように設定された分圧器とを設け、同じく図示していない第３のコンパレータにおいて、分圧器の出力と基準電圧回路の出力（０．６Ｖ）とを比較し、分圧器の出力の方が小さい場合に過放電状態として検出し、端子（Ｄｏｕｔ）にローレベル信号を出力する構成とする。尚、本例では、図示していない第３のコンパレータからの信号と、図中のインバータ（ＩＮＶ２）からの信号のＯＲ（論理和）を取り、端子（Ｄｏｕｔ）を介して第１のスイッチング素子（Ｍ１）をオフ制御する。

また、充放電保護回路は、過充電時における保護動作も可能である。過充電とは、充電池の電池電圧が規定の電圧（例えば４．３Ｖ）以上になった状態である。

このような過充電に対応するために、充放電保護回路２０内部に、各々図示していない、基準電圧回路（例えば０．６Ｖ）と、端子（Ｖｄｄ）と端子（Ｖｓｓ）間の過放電電圧が４．３Ｖの場合に抵抗分割で０．６Ｖを出力するように設定された分圧器とを設け、同じく図示していない第４のコンパレータにおいて、分圧器の出力と基準電圧回路の出力（０．６Ｖ）とを比較し、分圧器の出力の方が大きい場合に過充電状態として検出し、端子（Ｃｏｕｔ）にローレベル信号を出力する構成とする。尚、本例では、図示していない第４のコンパレータからの信号と、図中のインバータ（ＩＮＶ４）からの信号のＯＲ（論理和）を取り、端子（Ｃｏｕｔ）を介して第２のスイッチング素子（Ｍ２）をオフ制御する。

尚、本発明は、図１を用いて説明した例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、上記例では、充放電保護回路を、携帯電話やデジタルカメラ、ノートパソコン、ＰＤＡ等の携帯型の電子機器に用いられる２次電池に適用した例を示しているが、本発明の充放電保護回路は、２次電池への適用に限定されるものではなく、他の電源回路の過電流保護用としても利用できる。

また、上記実施例では、放電電流と充電電流の両方の過電流に対応する回路構成を示したが、必ずしも、両方の電流に対応する必要はない。もし、放電時の過電流だけに対応すれば良いのであれば、図１の放電用の回路だけの保護回路を作成すれば、チップサイズを小さくでき、コストダウンが図れる。同様に、充電時の過電流だけに対応する保護回路を作成することも可能である。

また、上記説明では、充放電保護回路を、携帯電話やデジタルカメラ、ノートパソコン、ＰＤＡ等の携帯型の電子機器に用いられるバッテリーパック内に設けた構成としているが、二次電池とは別回路とした構成でも良い。また、本例の過電流保護回路を用いる電子機器として、携帯型の電子機器に限定されるものではない。

また、上記説明では、放電中および充電中の過電流に対する検出・保護機能と共に、過放電および過充電に対する検出・保護機能も有する構成としているが、過放電および過充電に対する検出・保護機能を持たない構成とすることでも良い。

１０：バッテリーパック
２０：充放電保護回路
３０：充電器または負荷
２００：電圧切り替え回路
Ｍ１：放電制御用ＭＯＳＦＥＴ
Ｍ２：充電制御用ＭＯＳＦＥＴ
Ｂａｔ：二次電池
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４：抵抗
Ｒ３：電流検出用抵抗
Ｖｄｄ：充放電保護回路の正電源端子
Ｖｓｓ：充放電保護回路の負電源端子
Ｒｓｅｎｓ：電流検出用抵抗により電流／電圧変換された電圧
Ｄｏｕｔ：放電制御端子
Ｃｏｕｔ：充電制御端子
Ｄ１１，Ｄ１２：寄生ダイオード
ＩＮＶ１〜ＩＮＶ４，ＩＮＶ２１〜ＩＮＶ２５，ＩＮＶ３１〜ＩＮＶ３５：インバータ
ＮＡＮＤ１，ＮＡＮＤ２１〜２２：ナンド回路
ＣＭＰ１，ＣＭＰ２：コンパレータ
Ｍ２１〜Ｍ２３，Ｍ３１〜Ｍ３３：
Ｃ３１〜Ｃ３３：容量
Ｐ：バッテリーパックの正電源端子
Ｍ：バッテリーパックの負電源端子

特開２００５−１６８１５９号公報

Claims

過電流検出機能を有する充放電保護回路に用いる電圧切り替え回路であって、電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧を入力する第１の入力端子と、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧を入力する第２の入力端子と、充放電保護回路内部の検出回路に入力する電圧を出力する出力端子と、前記第１の入力端子と第２の入力端子のいずれの電圧を前記出力端子に出力するかを選択する選択端子を有し、充放電可能状態で過電流が検出された時点の直後と過電流禁止状態から復帰した時点の直後とで、前記出力端子に出力する電圧を前記第１の入力端子に入力される電圧と前記第２の入力端子に入力される電圧との間で切り替えることを特徴とする電圧切り替え回路。
過電流を検出する検出手段と、該検出手段による過電流検出結果に基づきオン・オフして過電流の遮断制御を行うスイッチング素子と、請求項１記載の電圧切り替え回路とを備えた充放電保護回路であって、
前記スイッチング素子と直列に接続された電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧が前記電圧切り替え回路の第１の入力端子に入力され、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧が前記電圧切り替え回路の第２の入力端子に入力され、前記検出手段の出力が前記電圧切り替え回路の選択端子に入力され、
前記検出手段は、前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧と予め定められた基準電圧を比較する比較手段を有し、
該比較手段の比較結果により前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧の絶対値が前記基準電圧を超えた場合に、前記スイッチング素子をオフにして該スイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる電流を遮断する制御手段
を有することを特徴とする充放電保護回路。
２次電池の充電時および放電時における過電流保護を行う充放電保護回路であって、
放電時の過電流を検出する放電時保護手段と、
該放電時保護手段の検出結果に基づき放電電流の遮断制御を行う第１のスイッチング素子と、
充電時の過電流を検出する充電時保護手段と、
該充電時保護手段の検出結果に基づき充電電流の遮断制御を行う第２のスイッチング素子と、
請求項１に記載の電圧切り替え回路と
を有し、
前記第１，第２のスイッチング素子と直列に接続された電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧を前記電圧切り替え回路の第１の入力端子に入力され、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧が前記電圧切り替え回路の第２の入力端子に入力され、
前記放電時保護手段は、
前記電圧切り替え回路の出力電圧と予め定められた第１の基準電圧とを比較する第１の比較手段と、
該第１の比較手段の比較結果で前記電圧切り替え回路の出力電圧の絶対値が前記第１の基準電圧を超えると、前記第１のスイッチング素子をオフして該第１のスイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる放電電流を遮断する第１の制御手段と
を有し、
前記充電時保護手段は、
前記電圧切り替え回路の出力電圧と予め定められた第２の基準電圧とを比較する第２の比較手段と、
該第２の比較手段の比較結果で前記電圧切り替え回路の出力電圧の絶対値が前記第２の基準電圧を超えると、前記第２のスイッチング素子をオフして該第２のスイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる充電電流を遮断する第２の制御手段と
を有することを特徴とする充放電保護回路。
請求項３に記載の充放電保護回路であって、
前記放電時保護手段は、過放電を検出する手段を有し、該手段による過放電検出時にも、前記第１のスイッチング素子をオフ制御することを特徴とする充放電保護回路。
請求項３または４記載の充放電保護回路であって、
前記充電時保護手段は、過充電を検出する手段を有し、該手段による過充電検出時にも、前記第２のスイッチング素子をオフ制御することを特徴とする充放電保護回路。
２次電池の放電時における過電流保護を行う充放電保護回路であって、
放電時の過電流を検出する放電時保護手段と、
該放電時保護手段の検出結果に基づき放電電流の遮断制御を行うスイッチング素子と、
請求項１に記載の電圧切り替え回路と
を有し、
前記スイッチング素子と直列に接続された電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧が前記電圧切り替え回路の第１の入力端子に入力され、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧が前記電圧切り替え回路の第２の入力端子に入力され、
前記放電時保護手段は、
前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧と予め定められた基準電圧とを比較する比較手段と、
該比較手段の比較結果で前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧の絶対値が前記基準電圧を超えると、前記スイッチング素子をオフして該スイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる放電電流を遮断する制御手段とを有することを特徴とする充放電保護回路。
請求項６に記載の充放電保護回路であって、
前記放電時保護手段は、過放電を検出する手段を有し、該手段による過放電検出時にも、前記スイッチング素子をオフ制御することを特徴とする充放電保護回路。
２次電池の充電時における過電流保護を行う充放電保護回路であって、
充電時の過電流を検出する充電時保護手段と、
該充電時保護手段の検出結果に基づき充電電流の遮断制御を行うスイッチング素子と、
請求項１に記載の電圧切り替え回路と
を有し、
前記スイッチング素子と直列に接続された電流検出用抵抗に流れる電流を電流／電圧変換して得られる電圧が前記電圧切り替え回路の第１の入力端子に入力され、該充放電保護回路を内蔵したバッテリーパックのマイナス端子および充電器接続のマイナス端子の電圧が前記電圧切り替え回路の第２の入力端子に入力され、
前記充電時保護手段は、
前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧と予め定められた基準電圧とを比較する比較手段と、
該比較手段の比較結果で前記電圧切り替え回路の出力端子からの出力電圧の絶対値が前記基準電圧を超えると、前記スイッチング素子をオフして該スイッチング素子および前記電流検出用抵抗を介して流れる充電電流を遮断する制御手段とを有することを特徴とする充放電保護回路。
請求項８に記載の充放電保護回路であって、
前記充電時保護手段は、過充電を検出する手段を有し、該手段による過充電検出時にも、前記スイッチング素子をオフ制御することを特徴とする充放電保護回路。
請求項１に記載に電圧切り替え回路、あるいは、請求項２から請求項９のいずれか１項に記載の充放電保護回路を具備したことを特徴とするバッテリーパック。
請求項１０記載のバッテリーパックを用いたことを特徴とする電子機器。