JP5663156B2 - 二次電池の充電制御回路 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の充電制御回路に関し、特に、携帯機器に搭載された二次電池の充電完了状態を判断させることで、確実に充電完了検出が行える二次電池の充電制御回路に関する。

近年、携帯電話機をはじめとした携帯機器に搭載される機能が増え、それらを同時に動作させるようなシーンも増えてきたため、大きなシステム電流が流れる状況が増えてきている。そのような状況下で携帯機器に搭載された二次電池に対し充電を実施しようとした場合、充電制御回路の構成によっては、システム電流の値により、充電がうまくできないという問題が発生するケースがあった。例えばシステム電流の大きさにより、充電途中で誤って充電完了を検出するケースや、逆に充電が完了したのに充電完了が検出できないで充電を継続するケースが発生するなどの問題が発生するケースがあった。そのため、システム電流によらず、正確に充電完了判断ができる構成が望まれていた。

従来の定電流／定電圧（ｃｏｎｓｔａｎｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ／ｃｏｎｓｔａｎｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ 以下ＣＣ−ＣＶと略記する）方式の充電制御回路において、充電完了状態を検出する手段として、充電電流値と充電完了閾値とを比較し、充電電流値が充電完了閾値を下回った場合に充電完了と判断する手段が用いられていた。例えば、充電完了状態を検出する手段として、図１の抵抗Ｒ１と同様に、充電電流とシステム電流の合計値を検出し、その値が充電完了閾値を下回った場合に充電完了と判断する手段が用いられていた。この場合、システム電流が多く流れていると、抵抗Ｒ１に流れる電流値がシステム電流分ゲタ上げされ、多く見えてしまうため、充電完了状態にある場合でも、充電完了の検出ができないという問題があった。

また、充電完了状態を検出する手段として、図１の抵抗Ｒ２と同様に、充電電流のみを検出し、その値が充電完了閾値を下回った場合に充電完了と判断する手段がある。この場合、定電流（以下ＣＣと略記することがある）充電している期間に非常に大きなシステム電流が流れる場合には、抵抗Ｒ２に流れる充電電流が減少してしまう。そのため、充電完了状態で無いにも関わらず充電電流が閾値を下回り、誤って充電完了が検出されてしまうという問題があった。

また、ＣＣ−ＣＶ方式の充電制御回路として下記特許文献１〜３がある。特許文献１では、複数の二次電池に対するＣＣ−ＣＶ方式の充電において、少なくとも後半の定電圧（以下、ＣＶと略記することがある）充電を複数の二次電池に対してパラレルに行うことで、複数の二次電池の充電時間を短縮する。そのため充電電流を検出し、ＣＣ充電時には充電完了の判定を禁止し、ＣＶ充電時のみに充電完了の判定を行わせるようにしている。特許文献２においてはＣＣ充電からＣＶ充電への切り替え時に端子電流が一時的に流れなくなる現象による誤判定を防止するため、ＣＶ充電への切り替え後の一定時間内は無条件で充電する。その後端子電流により充電終了を判定している。特許文献３においてはＣＣ充電からＣＶ充電への切り替え後、一定の設定時間だけＣＶ充電することで、充電終了としている。

特開平７−７５２５９号公報 特開平９−９２３４０号公報 特開平１０−３０４５９２号公報

しかしながら、上述した特許文献では、充電電流は検出されているが、携帯機器のシステム電流は検出されていない。従って、システム電流による充電完了状態の誤判定の問題が存在しないことから、その回路構成が異なり、大きなシステム電流が流れる最近の携帯機器においては適用することはできない。従って、携帯機器に大きなシステム電流が流れる場合にも、正確に携帯機器に搭載された二次電池の充電完了判断ができる充電制御回路が望まれているという課題は残されたままである。

本発明は、上記問題点に鑑み、携帯機器のシステム電流の大きさに影響されることなく、正確に充電完了の判断ができる携帯機器に搭載された二次電池の充電制御回路、及び制御方法を提供する。

本発明の１つの観点によれば、二次電池を充電する充電電流と携帯機器の機能回路で消費されるシステム電流との合計電流を検出する合計電流検出手段と、合計電流が定電流になるように制御する定電流制御手段と、二次電池の充電電流のみを単独に検出する充電電流検出手段と、二次電池の出力電圧が入力され、二次電池を定電圧で充電するための定電圧充電制御信号と、定電圧充電中であることを示す定電圧充電信号と、を出力する定電圧制御手段と、充電完了閾値と充電電流検出手段が検出した充電電流とを比較し、充電完了信号を出力する充電完了検出手段と、充電完了信号により充電制御回路をオン／オフさせるオン／オフ制御手段と、を備え、二次電池は、定電流充電方式を用いて充電された後、定電圧充電方式を用いて充電され、定電圧充電方式による充電期間中には、定電圧充電信号が活性化され、充電完了検出手段が充電完了閾値と充電電流とを比較し、充電動作が完了したかどうかを判断することを特徴とする二次電池の充電制御回路が得られる。

本発明の他の観点によれば、合計電流検出手段が前記充電電流と携帯機器の機能回路で消費されるシステム電流との合計電流を、充電電流検出手段が二次電池を充電する充電電流を、それぞれ検出し、充電中の二次電池の出力電圧が所定電圧より低い場合には、定電流ループを用いて前記合計電流を定電流とする定電流充電方式により二次電池を充電し、充電中の二次電池の出力電圧が前記所定電圧より上昇した場合には、二次電池の充電方式を定電流充電方式から定電圧充電方式に切り換え、定電圧ループを用いて二次電池を定電圧で充電し、前記定電圧充電方式での充電期間のみに、充電完了検出回路は充電完了閾値と前記充電電流とを比較し、前記充電電流が前記充電完了閾値よりも小さい場合には、充電完了状態と判断し、充電動作を終了させることを特徴とする二次電池の充電制御方法が得られる。

本発明では、ＣＣ−ＣＶ方式の充電制御回路において、定電圧充電中のみに、充電電流と充電完了閾値との比較結果を有効とすることにより、携帯機器に流れるシステム電流に影響されずに、正確な充電完了検出が行える。本発明によれば、正確に充電完了の判断ができる携帯機器に搭載された二次電池の充電制御回路、及び制御方法が得られる。

本発明における携帯機器に搭載された二次電池の充電制御回路のブロック図である。 本発明の充電制御回路における電流検出抵抗Ｒ１、Ｒ２に流れる電流の経時変化の一例を示す図である。 本発明の充電制御回路におけるシステム電流の経時変化の一例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明における携帯機器に搭載された二次電池の充電制御回路のブロック図である。図２は本発明の充電制御回路における電流検出抵抗Ｒ１、Ｒ２に流れる電流の経時変化の一例であり、図３は、図２におけるシステム電流の経時変化の一例である。

図１に示す携帯機器１には、種々の機能を処理する機能回路が搭載されているが、これらの機能回路は図示せず、本発明に関係する充電制御回路関係のブロックのみを示している。携帯機器１は、二次電池Ｂ1を搭載し、外部に接続されたＡＣアダプタ７から供給される電力により、二次電池Ｂ１を充電する機能を有する。充電制御回路２は、定電流制御回路３、定電圧制御回路４、充電完了検出回路５、オン／オフ制御回路６、ダイオードＤ１、電流検出抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１、Ｐ２、アンプ回路Ａ１、Ａ２を有し、ＡＣアダプタ７から供給される電力により二次電池Ｂ１を充電する機能を実現している。

図１に示す充電制御回路２は、ＡＣアダプタ７、ダイオードＤ１、電流検出抵抗Ｒ１、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ２、電流検出抵抗Ｒ２、二次電池Ｂ１が順に直列に接続される。二次電池Ｂ１の他の端子は接地されている。ＡＣアダプタ７からは充電電流ＩＣＨＧとシステム電流ＩＳＹＳとが供給される。Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ２と電流検出抵抗Ｒ２との接続点から携帯機器の機能回路へのシステム電流ＩＳＹＳが分流され、電流検出抵抗Ｒ２には充電電流ＩＣＨＧのみが流れることになる。電流検出抵抗Ｒ２の他の端子は二次電池Ｂ１に接続され、二次電池Ｂ１が充電電流ＩＣＨＧにより充電される。ダイオードＤ１は、アノードをＡＣアダプタ７の出力に、カソードを電流検出抵抗Ｒ１の１つの端子に接続され、ＡＣアダプタ７へ電流が逆流することを防止している。

電流検出抵抗Ｒ１は、ＡＣアダプタ７からの充電電流ＩＣＨＧとシステム電流ＩＳＹＳとが流れる電流路に挿入されている。充電電流ＩＣＨＧは二次電池を充電するための電流であり、システム電流ＩＳＹＳは携帯機器に搭載されている各種機能回路を動作させるシステム電流である。電流検出抵抗Ｒ１の両端子間電圧は、充電電流ＩＣＨＧとシステム電流ＩＳＹＳとの合計電流値に比例し、アンプ回路Ａ１に入力される。アンプ回路Ａ１は、入力された電流検出抵抗Ｒ１の両端子間電圧を増幅し、定電流制御回路３に出力する。

定電流制御回路３から出力される定電流制御信号は、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１のゲートに入力され、ゲート電圧を制御することによりＣＣ（定電流）充電動作時の充電電流ＩＣＨＧとシステム電流ＩＳＹＳとの合計電流値を一定に保つ。Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１は、充電電流ＩＣＨＧとシステム電流ＩＳＹＳとの合計電流値を一定電流に制御するトランジスタである。このように定電流ループは、電流検出抵抗Ｒ１、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１、定電流制御回路３、アンプＡ１から構成される。

電流検出抵抗Ｒ２は、充電電流ＩＣＨＧのみが流れる電流路に挿入されている。電流検出抵抗Ｒ２の両端子間電圧は、充電電流ＩＣＨＧ単独の値に比例し、アンプ回路Ａ２に入力される。アンプ回路Ａ２は、入力された電流検出抵抗Ｒ２の両端子間電圧を増幅し、充電完了検出回路５に出力する。定電圧制御回路４は、二次電池の出力電圧ＶＢＡＴが入力され、出力電圧ＶＢＡＴが所定の電圧値以上の場合には、定電圧による充電動作を実現する。定電圧制御回路４から出力される定電圧制御信号は、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１のゲートに入力される。定電圧制御信号によりＰｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１のゲート電圧を制御することで、ＣＶ（定電圧）充電動作時の充電電圧ＶＣＨＧを一定に保ち、定電圧による充電動作が行われる。Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１は、定電圧充電時には充電電圧を一定になるように制御するトランジスタである。

さらに定電圧制御回路４からは、定電圧充電中であることを示す定電圧充電信号Ｓが充電完了検出回路５に出力される。充電完了検出回路５は、定電圧充電信号Ｓにより活性化され、入力されたアンプ回路Ａ２からの出力（充電電流値に比例）と、充電完了閾値ＩＣとを比較する。定電流充電動作中で定電圧充電信号Ｓが不活性の場合には、充電完了検出回路５の出力は無効とされ、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ２はオン状態である。定電圧充電中には、充電完了検出回路５は、定電圧充電信号Ｓにより活性化され、充電電流ＩＣＨＧと充電完了閾値ＩＣとを比較判定する。充電電流ＩＣＨＧが充電完了閾値ＩＣよりも大きい場合には、充電完了信号は発行せずに、定電圧充電を継続する。

充電完了検出回路５は、充電電流ＩＣＨＧが充電完了閾値ＩＣよりも小さい場合には、充電完了と判断し、充電完了信号をオン／オフ制御回路６に出力する。Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ２のゲートには、オン／オフ制御回路６の出力が入力され、充電制御回路における充電動作をオン／オフする。充電電流ＩＣＨＧが充電完了閾値ＩＣよりも小さい場合には、充電完了と判断し、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ２はオフされ、充電動作を終了する（充電制御回路をオフさせる）。充電動作が終了後の携帯機器へのシステム電流は、充電完了した二次電池から供給される。このように定電圧ループは、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１、Ｐｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ２、電流検出抵抗Ｒ２、定電圧制御回路４、充電完了検出回路５、オン／オフ制御回路６、アンプＡ２から構成される。

上記したように定電流制御回路３は、ＣＣ充電動作時に電流検出抵抗Ｒ１に流れる電流値ＩＣＨＧ＋ＩＳＹＳが一定値になるようにＰｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１のゲートを制御する（定電流ループを構成する）。定電圧制御回路４は、ＣＶ充電動作時に充電電圧ＶＣＨＧが一定になるようにＰｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ１のゲートを制御する（定電圧ループを構成する）と同時に、ＣＶ充電動作中であることを示す信号Ｓを、充電完了検出回路５に供給する。充電完了検出回路５は、電流検出抵抗Ｒ２に流れる充電電流ＩＣＨＧを検出し、この値が充電完了閾値ＩＣを下回った場合に充電完了状態にあると判断し、オン／オフ制御回路６にて充電動作をオフ（終了）させる。

次に図２、図３を参照して充電制御回路の動作を説明する。 図２に、本発明においてＣＣ−ＣＶ充電動作をさせた場合の電流検出抵抗Ｒ１、およびＲ２に流れる電流（充電電流ＩＣＨＧ＋システム電流ＩＳＹＳ、および充電電流ＩＣＨＧ）の経時変化の一例を示す。図３には、システム電流ＩＳＹＳの経時変化の一例を示す。図２には、充電電流ＩＣＨＧ＋システム電流ＩＳＹＳを実線、充電電流ＩＣＨＧを破線、システム電流ＩＳＹＳを点線で、それぞれ示す。

電池残量が少ない状況で、携帯機器１にＡＣアダプタ７を接続してＣＣ−ＣＶ充電動作を開始した場合、充電動作は、二次電池の出力電圧ＶＢＡＴが所定電圧より低いことから、最初にＣＣ充電動作となる（ＣＣ充電領域）。このＣＣ充電領域では、電流検出抵抗Ｒ１に流れる電流、すなわち充電電流ＩＣＨＧ＋システム電流ＩＳＹＳの合計値（図２の実線）が一定値になるように、図１の定電流ループで制御される。システム電流ＩＳＹＳが図３のように流れた場合、充電電流ＩＣＨＧ（図２の破線）は、電流検出抵抗Ｒ１に流れる一定電流値から、システム電流ＩＳＹＳ分減算された電流が流れることになる。このとき、システム電流ＩＳＹＳの増大により、充電電流ＩＣＨＧが充電完了閾値ＩＣを下回るケース（ケースＡ、Ｂ）が発生する。

従来技術で、単純に電流値が閾値を下回った事象のみで充電完了を判断する場合には、まだ十分な充電がされていないＣＣ充電領域中であっても、充電完了閾値ＩＣを下回ったことで誤って充電完了が検出されてしまうことがあった。これに対し本発明では、ケースＡ、ＢのようにＣＣ充電領域で閾値を下回った場合、定電圧制御回路４からの定電圧充電信号SがＣＶ充電中であることを示さないで、不活性であるため、閾値判定を無効とし、誤った充電完了動作をさせないことが可能となる。

このあと充電がさらに進み、充電電圧ＶＣＨＧ（二次電池の出力電圧ＶＢＡＴと同じ）が上昇し、所定電圧より上昇（同じを含む）すると、ＣＶ充電動作に切り替わる（ＣＶ充電領域）。システム電流ＩＳＹＳが図３のように流れた場合、ＣＶ充電領域において、充電電流ＩＣＨＧは、二次電池Ｂ１の特性に従って徐々に単調減少してくる。これが充電完了閾値ＩＣを下回った場合（ケースＣ)に、充電完了させることが正常な動作となる。このケースではＣＶ充電領域であり、定電圧制御回路４からの定電圧充電信号SがＣＶ充電中であることを示すため、充電完了検出回路５における閾値判定を有効とし、正常に充電動作を終了させることが可能となる。このように二次電池Ｂ１への充電が完了し、オン／オフ制御回路６によりＰｃｈ−ＭＯＳ−ＦＥＴ Ｐ２がオフし、ＡＣアダプタ７からの電流が遮断され、充電動作が終了する。充電が完了した後、携帯機器の各機能回路へのシステム電流ＩＳＹＳは二次電池Ｂ１から供給されるようになる。

本発明では、充電完了を電流検出抵抗Ｒ２に流れる電流（充電電流ＩＣＨＧ）と充電完了閾値とを比較する構成となっている。この構成においては、ＣＶ充電領域における充電電流ＩＣＨＧがシステム電流によらず二次電池Ｂ１の特性通りのカーブを描くため、より正確な充電完了検出を行うことが可能となる。充電動作を完了させる場合には、充電完了が判定された後一定期間さらに充電動作を継続した後に充電を終了させても良く、また充電完了の判定直後に充電を終了させることもできる。

本発明の携帯機器に搭載されるＣＣ−ＣＶ方式の充電制御回路は、充電電流とシステム電流（携帯機器の回路で消費される電流）の合計値を検出する手段と、定電流（ＣＣ）に制御する手段と、充電電流単独を検出する手段と、定電圧（ＣＶ）に制御する手段とを有する。ＣＶ充電中のみに充電電流単独の電流検出結果により充電完了状態を判断させることにより、システム電流によらず確実で正確な充電完了検出が行うことができる携帯機器に搭載された二次電池の充電制御回路、および充電制御方法が得られる。

以上、実施の形態例として本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で様々な変更をすることができる。

１ 携帯機器
２ 充電制御回路
３ 定電流制御回路
４ 定電圧制御回路
５ 充電完了検出回路
６ オン／オフ制御回路
７ ＡＣアダプタ

Claims (5)

1. 二次電池を充電する充電電流と携帯機器の機能回路で消費されるシステム電流との合計電流を検出する合計電流検出手段と、
   前記合計電流が定電流になるように制御する定電流制御手段と、
   前記二次電池の充電電流のみを単独に検出する充電電流検出手段と、
   前記二次電池の出力電圧が入力され、前記二次電池を定電圧で充電するための定電圧充電制御信号と、定電圧充電中であることを示す定電圧充電信号と、を出力する定電圧制御手段と、
   充電完了閾値と前記充電電流検出手段が検出した充電電流とを比較し、充電完了信号を出力する充電完了検出手段と、前記充電完了信号により充電制御回路をオン／オフさせるオン／オフ制御手段と、を備え、
   前記合計電流検出手段は、前記充電電流とシステム電流とが流れる電流路に挿入された第１の抵抗を含み、
   前記定電流制御手段は、前記合計電流検出手段に接続された定電流制御回路と、当該定電流制御回路に接続された第１のトランジスタを含み、
   前記オン／オフ制御手段は、前記充電完了検出手段に接続されたオン／オフ制御回路と、前記オン／オフ制御回路に接続された第２のトランジスタを含み、
   前記充電完了検出手段は、充電完了検出回路と、該充電完了検出回路に接続され、前記充電電流が単独で流れる電流路に挿入された第２の抵抗を含み、
   前記第１の抵抗、前記第１のトランジスタ、前記第２のトランジスタ、及び第２の抵抗は互いに直列に接続されると共に、
   前記第２のトランジスタと前記第２の電流検出抵抗の共通接続点から、前記システム電流が出力される構成を有し、前記二次電池は前記第２の電流検出抵抗の前記共通接続点とは異なる点に接続され、
   前記二次電池は、定電流充電方式を用いて充電された後、定電圧充電方式を用いて充電され、前記定電圧充電方式による充電期間中には、前記定電圧充電信号が前記定電圧充電中であることを示している間、前記充電電流が前記充電完了閾値を下回った場合に、前記充電完了検出回路は前記充電完了信号を前記オン／オフ制御回路に出力して前記第２のトランジスタによる充電動作をオフにし、
   他方、前記定電流充電方式を用いた充電中、前記第２の抵抗に接続された前記充電電流検出手段で前記充電電流が前記充電完了閾値を下回ったことが検出された場合、前記充電完了検出回路は前記充電完了信号を前記オン／オフ制御回路に出力せず、前記第２のトランジスタの充電動作を維持することを特徴とする二次電池の充電制御回路。
2. 前記二次電池の充電中における前記充電電流とシステム電流とは、外部のＡＣアダプタから供給されることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電制御回路。
3. 前記充電電流検出手段は、前記第２の抵抗の端子間電圧を増幅するアンプ回路を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の二次電池の充電制御回路。
4. 前記定電流制御手段は、定電流充電中には前記二次電池を充電する充電電流と携帯機器の機能回路で消費されるシステム電流の合計電流値に基づく定電流制御信号により前記第１のトランジスタのゲート電圧を制御することで、前記合計電流値を定電流とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の二次電池の充電制御回路。
5. 前記定電圧制御手段は、定電圧充電中には前記二次電池を充電する充電電流に基づく前記定電圧制御信号により前記第１のトランジスタのゲート電圧を制御することで、前記二次電池を定電圧で充電することを特徴とする請求項４に記載の二次電池の充電制御回路。

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