JP5736266B2 - バッテリ保護ｉｃおよびバッテリ装置 - Google Patents

バッテリ保護ｉｃおよびバッテリ装置 Download PDF

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Description

本発明は、バッテリ保護ＩＣおよびバッテリ装置に関し、より詳しくは、バッテリ装置に充電器が逆接続された時のＩＣの保護に関する。
現在、携帯型電子機器が普及しているが、これらはバッテリ装置で駆動されている。バッテリ装置は、２次電池２と、その充放電を制御する保護回路を搭載したバッテリ保護ＩＣで構成されている。バッテリ保護ＩＣは、２次電池２の充放電を制御するとともに、過充電、過放電、過電流から２次電池２を保護する機能も有している。また、２次電池２を充電する充電器が通常の接続とは正極負極が逆に接続されても、２次電池２やＩＣを保護する機能も有している。
図２は、バッテリ保護ＩＣ３およびバッテリ装置１を表すブロック図である。
バッテリ装置１は、２次電池２と、バッテリ保護ＩＣ３と、スイッチである放電制御ＦＥＴ４及び充電制御ＦＥＴ５と、容量６と、入力抵抗７と、電流制限抵抗８と、充電器１３や負荷が接続される外部端子１１と１２と、を有している。バッテリ保護ＩＣ３は、過放電検出回路３１と、過充電検出回路３２と、過電流検出回路３３と、制御回路３４と、ＶＤＤ端子１５及びＶＳＳ端子１６と、充電制御用のＣＯ端子１７及び放電制御用のＤＯ端子１８と、過電流検出用のＶＭ端子１９と、を備えている。
２次電池２は、正極を入力抵抗７を介してバッテリ保護ＩＣ３のＶＤＤ端子１５と、負極をバッテリ保護ＩＣ３のＶＳＳ端子１６と接続される。容量６は、バッテリ保護ＩＣ３のＶＤＤ端子１５とＶＳＳ端子１６に接続される。放電制御ＦＥＴ４と充電制御ＦＥＴ５は、２次電池２の負極とバッテリ装置１の外部端子１２の間に直列に接続される。放電制御ＦＥＴ４のゲートは、バッテリ保護ＩＣ３の放電制御端子ＤＯに接続される。充電制御ＦＥＴ５のゲートは、バッテリ保護ＩＣ３の充電制御端子ＣＯと接続される。放電制御ＦＥＴ４と充電制御ＦＥＴ５は、ゲートとソースの間にゲート酸化膜保護ダイオードが設けられている。電流制限抵抗８は、バッテリ保護ＩＣ３のＶＭ端子１９と外部端子１２の間に接続される。
過放電検出回路３１と過充電検出回路３２は、入力端子をＶＤＤ端子１５とＶＳＳ端子１６に接続され、出力端子を制御回路３４に接続される。過電流検出回路３３は、入力端子をＶＭ端子１９とＶＳＳ端子１６に接続され、出力端子を制御回路に接続される（例えば特許文献１参照）。
図３は、従来のバッテリ保護ＩＣ３の寄生ダイオードを示す回路図である。
バッテリ保護ＩＣ３の寄生ダイオードは、一般的に回路内のトランジスタの寄生容量などである。例えば、ＶＭ端子とＶＤＤ端子１５との間に寄生ダイオードＤ１が存在する。また、ＣＯ端子１７とＶＤＤ端子１５との間に寄生ダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４が存在する。また、ＤＯ端子１８とＶＤＤ端子１５との間に寄生ダイオードＤ５、Ｄ６が存在する。
充電器１３は、３０Ｖ程度の高電圧を出力する。そして、充電器１３は、バッテリ装置１の外部端子２６側に高電位、バッテリ装置１の外部端子２７側に低電位が接続される。
ここで、バッテリ装置１に充電器１３が逆接続されると、以下のような電流経路によって、バッテリ装置１に異常電流が生じる。
先ず、ＶＭ端子１９とＶＤＤ端子１５に間にある寄生ダイオードが順方向となり、充電器１３〜電流制限抵抗８〜ＶＭ端子１９〜寄生ダイオードＤ１（Ｄ３及びＤ４）〜入力抵抗７〜充電器１３の経路にて電流が流れる。
次に、充電制御ＦＥＴ５のゲート酸化膜保護ダイオードが充電制御ＦＥＴ５のゲートとソースの電位差をクランプするように動作する。これにより、バッテリ保護ＩＣ３のＣＯ端子１７に接続される寄生ダイオードが順方向となり、充電器１３〜充電制御ＦＥＴ５のゲート酸化膜保護ダイオード〜ＣＯ端子１７〜寄生ダイオードＤ４〜入力抵抗７〜充電器１３という経路にて電流が流れる。
これらの電流が流れることで入力抵抗７の両端に電圧が発生して、バッテリ保護ＩＣ３のＶＤＤ〜ＶＳＳ間に定格電圧を越えた電圧が印加されてしまう。
このとき、バッテリ保護ＩＣ３のＶＭ端子１９に接続された電流制限抵抗８は、充電器１３の逆接続時に電流を抑制する。また、ＣＯ端子１７からＶＤＤ端子１５の経路に設けられた抵抗Ｒ１も、充電器１３の逆接続時に電流を抑制する。このように、内部の電流経路に電流制限用の抵抗を設けることで、充電器１３の逆接続時に電流を抑制する。
特開２００９−１７７９３７号公報
しかしながら、上述のようなバッテリ保護ＩＣ３およびバッテリ装置１は、電流制限抵抗８を必要とするため、バッテリ保護ＩＣ３の外付け部品が増えてしまう、と言う課題がある。
また、内部の電流制限用の抵抗は、バッテリ保護ＩＣ３の通常動作に与える影響とトレードオフの関係にあり、むやみに抵抗値を大きくすることは出来ない、と言う課題がある。
上記の課題を解決するために、本発明のバッテリ保護ＩＣは以下の構成とした。
過電流検出端子とＶＤＤ端子の間に第１のスイッチ素子を備え、充電器の極性が逆に接続されたときに、過電流検出端子とＶＤＤ端子の間の電流経路を遮断する構成とした。
また、充電制御端子とＶＤＤ端子の間に第２のスイッチ素子を備え、充電器の極性が逆に接続されたときに、充電制御端子とＶＤＤ端子の間の電流経路を遮断する構成とした。
本発明のバッテリ保護ＩＣ３およびバッテリ装置１によれば、バッテリ保護ＩＣ３の内部に、充電器１３の逆接続時の電流を遮断するスイッチ素子を設けることで、バッテリ装置１の部品点数を減らし、かつ安全性の高いバッテリ保護ＩＣ３およびバッテリ装置１を提供することが可能となる。
本実施形態のバッテリ保護ＩＣおよびバッテリ装置を示すブロック図である。 バッテリ保護ＩＣおよびバッテリ装置を示すブロック図である。 従来のバッテリ保護ＩＣ３の寄生ダイオードを示すブロック図である。
以下、本発明による最良の形態について図面を用いて詳細に説明を行なう。
図１は、本実施形態のバッテリ保護ＩＣおよびバッテリ装置を示すブロック図である。
バッテリ装置１は、２次電池２と、バッテリ保護ＩＣ３０と、スイッチである放電制御ＦＥＴ４及び充電制御ＦＥＴ５と、容量６と、入力抵抗７と、充電器１３や負荷が接続される外部端子１１と１２と、を有している。バッテリ保護ＩＣ３０は、ＶＤＤ端子１５及びＶＳＳ端子１６と、充電制御用のＣＯ端子１７及び放電制御用のＤＯ端子１８と、過電流検出用のＶＭ端子１９と、を備えている。また、バッテリ保護ＩＣ３０は、図示はしないが図２と同様に、過放電検出回路３１と、過充電検出回路３２と、過電流検出回路３３と、制御回路３４と、を備えている。そして、それらの回路やＥＳＤ保護素子などがあることによって、例えば、寄生ダイオードＤ１，Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６が存在する。さらに、バッテリ保護ＩＣ３０は、トランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３を備えている。
２次電池２は、正極を入力抵抗７を介してバッテリ保護ＩＣ３０のＶＤＤ端子１５と、負極をバッテリ保護ＩＣ３０のＶＳＳ端子１６と接続される。容量６は、バッテリ保護ＩＣ３０のＶＤＤ端子１５とＶＳＳ端子１６に接続される。放電制御ＦＥＴ４と充電制御ＦＥＴ５は、２次電池２の負極とバッテリ装置１の外部端子１２の間に直列に接続される。放電制御ＦＥＴ４のゲートは、バッテリ保護ＩＣ３０の放電制御端子ＤＯに接続される。充電制御ＦＥＴ５のゲートは、バッテリ保護ＩＣ３０の充電制御端子ＣＯと接続される。放電制御ＦＥＴ４と充電制御ＦＥＴ５は、ゲートとソースの間にゲート酸化膜保護ダイオードが設けられている。ＶＭ端子１９は、外部端子１２に直接接続される。
寄生ダイオードＤ１は、ＶＭ端子１９とＶＤＤ端子１５の間に接続されている。寄生ダイオードＤ２は、ＶＭ端子１９とＣＯ端子１７の間に接続されている。寄生ダイオードＤ３及びＤ４は、ＶＭ端子１９とＶＤＤ端子１５の間に接続されている。寄生ダイオードＤ３と寄生ダイオードＤ４の接続点は、ＣＯ端子１７に接続されている。寄生ダイオードＤ５は、ＶＳＳ端子１６とＤＯ端子１８の間に接続されている。寄生ダイオードＤ６は、ＶＳＳ端子１６とＶＤＤ端子１５の間に接続されている。
スイッチ素子であるトランジスタＭ１は、ドレインとソースがＶＭ端子１９とＶＤＤ端子１５及びＤＯ端子１８の間に接続され、ゲートがＶＤＤ端子１５に接続されている。トランジスタＭ２は、ドレインとソースがＶＤＤ端子１５とトランジスタＭ１のソースの間に接続され、ゲートがＶＭ端子１９に接続されている。スイッチ素子であるトランジスタＭ３は、ドレインとソースがＣＯ端子１７とＶＤＤ端子１５の間に接続され、ゲートがＶＤＤ端子１５に接続されている。
次に、本実施形態のバッテリ装置１の動作について説明する。２次電池２が１セルすると、その電圧はおよそ５Ｖ程度であり、充電器１３の出力端子の両端に１０Ｖ程度の電位差があるとする。
最初に、充電器１３がバッテリ装置１に正常に接続された場合について説明する。
充電器１３が正常に接続されている場合は、２次電池２を充電するための充電電流が、外部端子１１〜２次電池２〜放電制御ＦＥＴ４〜充電制御ＦＥＴ５〜外部端子１２の経路で流れている。この状態では、ＶＳＳ端子１６とＶＭ端子１９の電位はほぼ等しくなる。従って、トランジスタＭ１は、ゲートの電圧がＶＤＤでドレインの電圧がＶＳＳなので、オンする。また、トランジスタＭ２は、ゲートの電圧がＶＳＳでドレインの電圧がＶＤＤなので、オフする。従って、トランジスタＭ３は、ゲートの電圧がＶＤＤなので、オンする。
トランジスタＭ１からＭ３は、このような状態にあるときは、バッテリ保護ＩＣ３０の通常動作に影響を与えることはない。例えば、過充電検出回路３１は、２次電池２の電圧が所定の電圧を超えた時に、制御回路３４に過充電検出信号を出力する。そして、制御回路３４は充電制御ＦＥＴ５をオフして、充電器１３による充電を停止する。
次に、充電器１３がバッテリ装置１に逆接続された場合について説明する。
充電器１３が逆に接続されると、ＶＭ端子１５の電圧が高くなるので、過電流検出回路３３が過電流を検出して、放電制御ＦＥＴ４や充電制御ＦＥＴ５をオフする。放電制御ＦＥＴ４がオフするとバッテリ装置１は電流を流さないので、ＶＭ端子−ＶＤＤ端子間に充電器１３の電圧１０Ｖが印加されることになる。
このとき、ＶＭ端子１９とＶＤＤ端子１５の間に、寄生ダイオードＤ１や、寄生ダイオードＤ３〜Ｄ４を介する第１の電流経路が存在する。また、充電制御ＦＥＴ５のゲート酸化膜保護ダイオードがブレークダウンすると、ＣＯ端子１７とＶＤＤ端子１５の間に、寄生ダイオードＤ４を介する第２の電流経路が存在する。
ここで、バッテリ保護ＩＣ３０は、第１の電流経路にトランジスタＭ１を設け、第２の電流経路にトランジスタＭ３を設けることで、これらの電流経路を遮断する。
トランジスタＭ１は、ゲートがＶＤＤ端子１５に接続されていて、ＶＭ端子１９の電圧がＶＤＤ＋１０Ｖになるのでオフする。トランジスタＭ２は、ゲートがＶＭ端子１９に接続されているので、オンしてトランジスタＭ１のソースの電圧をＶＤＤにする。以上の動作によって、バッテリ保護ＩＣ３０は、第１の電流経路を遮断することが出来る。
トランジスタＭ３は、ゲートがＶＤＤ端子１５に接続されていて、ＣＯ端子１７の電圧がＶＤＤ＋１０Ｖになるのでオフする。従って、バッテリ保護ＩＣ３０は、第１の電流経路を遮断することが出来る。
以上説明したように、バッテリ装置１に充電器１３が逆接続されても、トランジスタＭ１〜Ｍ３の働きによって電流経路を遮断することが可能となり、ＶＭ端子１９に接続されていた電流制限抵抗８や内部の抵抗を必要とせず、かつ高い安全性を確保することが可能となる。
ここで、トランジスタＭ１〜Ｍ３の求められる特性について説明する。
トランジスタＭ１は、通常動作において、過電流を検出する電圧の精度に影響しないように、内部電位をＶＭ端子１９の電位と等しくにする必要があるため、オン抵抗が低いことが求められる。また、充電制御ＦＥＴ５がオフしたときには、ゲート及びソースとドレインの間に充電器１３の電圧がかかるので、ゲート酸化膜を十分に厚く、ドレインは高耐圧構造であることが求められる。
トランジスタＭ２は、通常動作時には常にオフであるので、例えば閾値電圧を高くするなど、オフリーク電流が発生しないことが求められる。また、充電制御ＦＥＴ５がオフしたときには、ソースとドレインの間に充電器１３の電圧がかかるので、ドレインは高耐圧構造であることが求められる。また、充電器１３の逆接続時には、ゲートには充電器１３の電圧がかかるので、ゲート酸化膜を十分に厚いことが求められる。
トランジスタＭ３は、充電制御ＦＥＴ５がオフしたときに、ＣＯ端子１７はＶＭ端子１９と同電位になり、ゲートには充電器１３の電圧がかかるので、ゲート酸化膜を十分に厚くしておく。また、充電器１３の逆接続時において、ゲート及びソースとドレインの間に充電器１３の電圧がかかるので、ゲート酸化膜を十分に厚く、ドレインは高耐圧構造であることが求められる。
なお、トランジスタＭ２は、バッテリ保護ＩＣ３０のＶＭ端子１９の静電保護素子を兼ねることも可能である。
以上より、本発明のバッテリ保護ＩＣ３０及びバッテリ装置１によれば、充電器１３が逆接続された際にもバッテリ保護ＩＣ３０を含め、バッテリ装置１内で電流を流すことなく、従来必要であった外付け抵抗を接続することなく、高い安全性を有するバッテリ保護ＩＣおよびバッテリ装置を提供することが可能となる。
１ バッテリ装置
３、３０ バッテリ保護ＩＣ
４ 放電制御ＦＥＴ
５ 充電制御ＦＥＴ
１３ 充電器
３１ 過放電検出回路
３２ 過充電検出回路
３３ 過電流検出回路
３４ 制御回路

Claims (6)

  1. ２次電池が接続されるＶＤＤ端子及びＶＳＳ端子と、
    第２の外部端子に接続される過電流検出端子と、
    前記２次電池を充電する充電器による充電電流を制御する充電制御ＦＥＴが接続される充電制御端子と、を備え、前記２次電池の、電圧及び電流を監視し、充放電を制御するバッテリ保護ＩＣであって、
    前記過電流検出端子と前記ＶＤＤ端子の間に第１のスイッチ素子を備え、
    前記第１のスイッチ素子は、前記充電器の極性が逆に接続されたときに、前記過電流検出端子と前記ＶＤＤ端子の間の電流経路を遮断する、ことを特徴とするバッテリ保護ＩＣ。
  2. 前記第１のスイッチ素子は、ドレインが前記過電流検出端子に接続され、ゲートが前記ＶＤＤ端子に接続された、ＮＭＯＳトランジスタである、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ保護ＩＣ。
  3. ソースが前記第１のスイッチ素子のソースに接続され、ドレインが前記ＶＤＤ端子に接続され、ゲートが前記過電流検出端子に接続された、ＮＭＯＳトランジスタを更に備えた、ことを特徴とする請求項２に記載のバッテリ保護ＩＣ。
  4. 前記充電制御端子と前記ＶＤＤ端子の間に設けられた第２のスイッチ素子を更に備え、
    前記第２のスイッチ素子は、前記充電器の極性が逆に接続されたときに、前記充電制御端子と前記ＶＤＤ端子の間の電流経路を遮断する、ことを特徴とする請求項１に記載のバッテリ保護ＩＣ。
  5. 前記第２のスイッチ素子は、ドレインが前記充電制御端子に接続され、ゲートが前記ＶＤＤ端子に接続された、ＮＭＯＳトランジスタである、ことを特徴とする請求項４に記載のバッテリ保護ＩＣ。
  6. 充電器が接続される第１の外部端子及び第２の外部端子と、
    前記第１の外部端子と前記第２の外部端子の間に直列に接続された、２次電池、放電制御ＦＥＴ及び充電制御ＦＥＴと、
    前記２次電池の電圧と前記第２の外部端子の電圧が入力され、前記２次電池の充放電を制御する請求項１から５に記載のバッテリ保護ＩＣと、を備えたことを特徴とするバッテリ装置。
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