JPH10210672A

JPH10210672A - 保護回路

Info

Publication number: JPH10210672A
Application number: JP9023306A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kameyama; 健司亀山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-01-22
Filing date: 1997-01-22
Publication date: 1998-08-07

Abstract

(57)【要約】【課題】二次電池の充放電時、充放電を停止すべき過
充電状態または過放電状態に達したことを適切に判定で
きる保護回路を提供する。【解決手段】二次電池の過充電または過放電の保護を
行う保護回路において、二次電池（３）の電圧が過充電
状態または過放電状態を示す電圧に達したことを検出す
るコンパレータ（１２）と、上記状態を示す電圧を補正
する補正電圧生成回路（１４）とを備え、上記コンパレ
ータ（１２）により過充電状態または過放電状態を示す
補正された電圧が検出されたとき、閉状態のときに充電
または放電が可能になるように設けられたスイッチング
素子（２）を開状態にする構成にした。また、上記にお
いて、充電時または放電時の電流値または降下電圧に基
づいて過充電状態または過放電状態を示す電圧を補正す
るように補正電圧生成回路（１４）を構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は携帯用電子機器など
に用いられる二次電池における充電時および放電時の保
護回路に係り、特に過充電状態または過放電状態に達し
たことを適切に判定できる保護回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体技術の進歩に伴い、携帯型パーソ
ナルコンピュータなど携帯用電子機器が広く用いられる
ようになった。このような携帯用電子機器では、電源と
して、電池や二次電池が用いられ、二次電池を用いる場
合は、予め商用電源などにより充電しておく。

【０００３】上記のような二次電池の充電時、または使
用時（放電時）、所定の電圧値を超えて充電してしまう
過充電や、所定の電圧値以下になっても使用を続ける過
放電や、異常発生による過負荷状態での放電などがとき
おり発生する。そのため、従来より、図６に示すよう
に、保護制御回路４を備え、さらに、二次電池３と直列
にスイッチング素子（例えばＦＥＴ）２を備え、過充電
や過放電などの発生を検出すると、スイッチング素子２
を遮断状態にし、それ以上、充電や放電が続行されるの
を防止している。特に、二次電池がリチウムイオンなど
の場合は、電池の容量が大きいため、過負荷状態で長い
時間にわたり放電が行われる可能性があるので、上記の
ような保護回路を備えることが多い。

【０００４】例えば、特開平４−３３１４２５号公報に
示された過充電および過放電防止装置も、図６に示した
保護回路と類似の保護制御回路とスイッチング素子とを
備え、二次電池の過充電および過放電の防止を図ってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示したような保護制御回路４とスイッチング素子２から
構成した上記従来技術による保護回路では、過充電状態
または過放電状態に達したことを適切に検出することが
できない。この原因は、スイッチング素子２など、二次
電池３にはそれと直列に負荷以外の抵抗が挿入される形
になり、これにより電圧降下が発生するからである。例
えば図６の例では、ｃ・ａ間の電圧により過充電状態お
よび過放電状態を判定しているため、放電時、負荷に加
わる電圧（ｃ・ｂ間）よりも高いｃ・ａ間の電圧で過放
電状態が検出されてしまう。また、ｃ・ｂ間の電圧によ
り過充電状態および過放電状態を判定したとすれば、充
電時、検出したｃ・ｂ間の電圧よりも大きい電圧まで充
電されてしまう。ａ・ｂ間の電圧降下は電流値により異
なり、充電時は充電方法により電流値が異なるし、放電
時は負荷の大きさにより電流値が異なるので、上記電圧
降下分を補正することもできなかった。なお、図６にお
いて、二次電池３に直列に２個備えられたスイッチング
素子２のそれぞれの役割については後述する。これらの
スイッチング素子２のオン時の抵抗値がより小さくなる
ＦＥＴなどを用いれば上記の電圧降下は小さくなるの
で、上記のような従来技術の問題は軽減されるが、その
ようなＦＥＴは高価なため、コストアップになってしま
う。

【０００６】本発明の課題は、上記のような従来技術の
問題を解決し、どのような充放電状態にあっても、充放
電を停止すべき過充電状態または過放電状態に達したこ
とを適切に判定できる保護回路を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１記載の発明では、二次電池の過充電また
は過放電の保護を行う保護回路において、二次電池の電
圧が過充電状態または過放電状態を示す電圧に達したこ
とを検出する過充放電状態検出手段と、上記状態を示す
電圧を補正する補正手段とを備え、上記過充放電状態検
出手段により過充電状態または過放電状態を示す補正さ
れた電圧が検出されたとき、閉状態のときに充電または
放電が可能になるように設けられたスイッチング素子を
開状態にする構成にした。

【０００８】また、請求項２記載の発明では、上記にお
いて、充電時または放電時の電流値または降下電圧に基
づいて過充電状態または過放電状態を示す電圧を補正す
るように補正手段を構成した。また、請求項３記載の発
明では、上記において、充電時または放電時のスイッチ
ング素子両端電圧を検出し、上記電圧に基づいて過充電
状態または過放電状態を示す電圧を補正するように補正
手段を構成した。また、請求項４記載の発明では、上記
において、補正手段を、検出した電圧または電流の大き
さに対応した補正値を求める補正値生成手段を備えた構
成にした。

【０００９】また、請求項５記載の発明では、上記にお
いて、電圧または電流の大きさに対応する補正値を予め
記憶させておく記憶手段を備えた。また、請求項６記載
の発明では、上記において、補正値の設定または再設定
を行う補正値設定手段を備えた。また、請求項７記載の
発明では、上記において、記憶手段を電気的書き込みお
よび消去が可能な構成にした。

【００１０】

【作用】上記のような手段にしたので、請求項１および
請求項２記載の発明では、過充電または過放電状態を示
す、電圧降下分が補正された電圧が検出されたとき、充
電または放電が強制的に停止させられる。請求項３記載
の発明では、二次電池に直列に抵抗などを挿入しなくて
も上記の作用を実現できる。

【００１１】請求項４記載の発明では、請求項１および
請求項２記載の発明において、電圧降下分を補正するた
めの補正値が、検出された電圧または電流に対応付けら
れた値として生成される。請求項５記載の発明では、上
記において、予め設定された複数の補正値のなかから、
検出された電圧または電流に対応する補正値が読み出さ
れる。請求項６および請求項７記載の発明では、上記補
正値を、二次電池などが使用される現場において、設定
または再設定できる。

【００１２】

【実施の形態】以下、図面により本発明の実施の形態を
詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施例を示す保
護回路のブロック図である。図示したように、この保護
回路は、保護制御回路１と２個のスイッチング素子（例
えばＦＥＴ）２を備え、保護制御回路１の制御により、
充電時および放電時に２個のスイッチング素子２をオン
状態にさせて二次電池３に充電したり、二次電池３から
負荷へ電流を供給（放電）したりする。

【００１３】また、図示したように、保護制御回路１
は、基準電圧（参照電圧）を出力する基準電源11、基準
電源11から出力される基準電圧と二次電池３の正極端子
電圧（Ｃ点の電圧）を比較するコンパレータ１２、入力
されたスイッチング素子２の両端間（ａ・ｂ間）の電圧
をディジタル電圧値に変換するＡＤ変換器１３、ＡＤ変
換器１３から出力されるディジタル電圧値に基づいて補
正電圧を生成する補正電圧生成回路１４、補正電圧生成
回路１４から出力されたディジタル電圧値をアナログ電
圧に変換した補正電圧を基準電源１１に与えるＤＡ変換
器１５、上記コンパレータ１２の出力電圧に従ってスイ
ッチング素子２をオンまたはオフさせるＦＥＴドライバ
１６を備えている。

【００１４】図２に、保護回路要部の詳細ブロック図を
示す。図示したように、コンパレータ１２は２個のコン
パレータ１２ａ、１２ｂを備え、コンパレータ１２ａの
正入力端子およびコンパレータ１２ｂの負入力端子には
二次電池３の正極電圧、つまりＣ点の電圧がそれぞれ異
なったレベルに分圧されて与えられている。以下、図１
および図２により、この実施例の動作を説明する。ま
ず、充電時においては、二次電池３よりも電圧の高い充
電器が接続される（図１の例では図の右側に接続され
る）。このとき、Ｃ点の電圧は標準電圧（定格電圧）よ
りも低くなっており、そのため、コンパレータ１２ｂの
負入力端子の電圧はその正入力端子に与えられている基
準電圧よりも低くなり、コンパレータ１２ｂの出力はＨ
ｉｇｈレベルになる。こうして、スイッチング素子（Ｆ
ＥＴ）２ｂはオン状態になる。また、この状態におい
て、スイッチング素子（ＦＥＴ）２ａの寄生ダイオード
には順方向の電圧が加わるので、その寄生ダイオードが
オン状態になり、したがって、スイッチング素子２ａは
コンパレータ１２ａの出力レベルに関係なくオン状態に
なる。

【００１５】こうして、二次電池３への充電が行われ、
二つのスイッチング素子２に電流が流れる。そうする
と、図１に示したａ・ｂ間に電圧降下が生じ、その電圧
はＡＤ変換器１３の入力端子に与えられているので、Ａ
Ｄ変換器１３から、上記電圧降下分のディジタル電圧値
が出力される。

【００１６】この実施例の保護回路は、基準電圧を上記
ディジタル電圧値（そのときの電流値）に応じて補正す
ることにより、充電時には二次電池３の内部抵抗におけ
る電圧降下分に対応した分だけ二次電池３の過充電状態
と判定する充電電圧を上げようというものであるので、
上記のようにＡＤ変換器１３からディジタル電圧値が出
力されると、このディジタル電圧値にほぼ比例した電圧
だけ基準電源１１の出力する基準電圧を上げるようにす
る。したがって、補正なしの場合の基準電圧に同方向の
補正電圧を重畳して補正しようとする場合は、補正なし
の場合の基準電圧を低く設定しておき、補正時には、補
正電圧生成回路１４は、入力されたディジタル電圧値が
大きいほど大きいディジタル電圧値を出力するように構
成される。それには、補正電圧生成回路１４を例えばＲ
ＯＭまたはＰＲＯＭなどで構成し、そのアドレス入力端
子にＡＤ変換器１３の出力電圧を入力させる。ＲＯＭな
どに、Ａなる値のディジタル電圧値が入力されると、Ａ
なるアドレスがアドレッシングされるので、Ａなるアド
レスに予めＢなるディジタル値を設定（記憶）させてお
けば、Ａなるディジタル電圧値がＢなるディジタル電圧
値に変換されて出力されるのである。

【００１７】なお、上記においては、基準電圧をスイッ
チング素子２における電圧降下分で補正するための補正
手段として補正電圧生成回路１４を説明したが、この補
正電圧生成回路１４は電流（充電電流または放電電流）
を検出して、検出された電流に対応した基準電圧補正を
行うための補正手段とみなすこともできる。つまり、ス
イッチング素子２のオン時の抵抗値はほぼ一定なので、
ａ・ｂ間の電圧検出は電流検出ともいえるわけである。

【００１８】補正電圧生成回路１４から出力されたディ
ジタル電圧はＤＡ変換器１５でアナログの補正電圧に変
換され、例えば図３に示すような基準電源１１内で定電
圧源１１ａからの出力電流Ｉ１と上記の補正電圧による
電流Ｉ２を重畳させることにより補正された基準電圧を
基準電源１１から出力させる。こうして、スイッチング
素子２で生じる電圧降下分（充電電流値）が大きいほど
基準電圧は高くなる。

【００１９】充電が進むにつれてＣ点の電圧は上昇し、
したがってコンパレータ１２ｂの負入力端子の電圧も上
昇する。そして、所定の充電時間を超えて充電が行われ
たりすることにより上記電圧が補正された基準電圧に達
すると、コンパレータ１２ｂの出力はＬｏｗレベルにな
り、スイッチング素子２ｂがオフ状態になり、それ以上
は充電が行われなくなる。こうして、二次電池３の内部
抵抗など二次電池３に直列に挿入された抵抗による電圧
降下分が補正された適切な過充電状態を検出して充電が
強制的に停止させられる。

【００２０】図１に示した保護回路の右側に負荷が接続
された放電時においては、放電開始時、Ｃ点の電圧が高
いので、コンパレータ１２ａの正入力端子の電圧は基準
電圧よりも高く、したがってコンパレータ１２ａの出力
はＨｉｇｈレベルとなり、スイッチング素子２ａはオン
状態になる。また、この状態でスイッチング素子２ｂの
寄生ダイオードには順方向の電圧が加わっているので、
スイッチング素子２ｂはコンパレータ１２ｂの出力レベ
ルに関係なくオン状態である。こうして、負荷への電源
供給、つまり二次電池３の放電が行われる。

【００２１】この結果、スイッチング素子２の両端、つ
まりａ・ｂ間には電圧降下が生じ、充電の場合と同様に
して基準電源１１に補正電圧が与えられる。但し、負荷
が大きくて放電電流が大きいときは二次電池３の内部抵
抗などによる電圧降下が大きくなるので、そのような場
合は基準電圧を下げて、Ｃ点の電圧が下がってきたとき
電圧降下相当分だけ低い電圧を過放電状態の電圧と判定
せねばならない。また、ＡＤ変換器１３に入力されるア
ナログ電圧は充電時とは極性が逆になるので、ＡＤ変換
器１３の内部において例えばマイナスの基準電圧を与え
ることにより、上記基準電圧に対するＡＤ変換器１３の
入力電位は常に正であるようにする。その結果、充電時
にＡＤ変換器１３に入力される降下電圧の極性を正とす
ると、ＡＤ変換器１３の充電時のディジタル出力値は放
電時のディジタル出力値よりも常に大きく、したがっ
て、ＲＯＭなどで構成された補正電圧生成回路１４では
充電時の出力データが設定（記憶）されている領域は放
電時の出力データが設定されている領域に対してアドレ
スが高位の領域になる。したがって、充電時と放電時と
で電圧降下（つまり電流値）が同じであっても、異なっ
た補正値を設定することができる。

【００２２】こうして、放電時間の増加と共にＣ点の電
圧が低下し、それに伴ってコンパレータ１２ａの正入力
端子の電圧が低下し、補正された基準電圧に達すると、
コンパレータ１２ａの出力レベルはＬｏｗになり、それ
によりスイッチング素子２ａはオフ状態になり放電は強
制的に停止させられる。なお、上記の基準電源１１、コ
ンパレータ１２、ＦＥＴドライバ１６などは例えば同一
のシリコンウェーハ上に作製して実現する。このように
して、第１の実施例においては、二次電池３の内部抵抗
などで電圧降下が生じても、過充電時または過放電時、
その状態を適切に検出して充電または放電を停止させる
ことができる。

【００２３】図４は、本発明の第２の実施例を示す保護
回路要部のブロック図である。図示したように、この実
施例ではスイッチング素子２に直列に抵抗Ｒ１を挿入
し、抵抗Ｒ１の両端の電圧をＡＤ変換器１３に入力す
る。それ以外は第１の実施例と同じ構成である。このよ
うな構成により、抵抗Ｒ１における電圧降下、つまり充
電電流または放電電流の大きさに対応して第１の実施例
と同様の作用を実現できる。

【００２４】図５は本発明の第３の実施例を示す保護回
路要部などのブロック図である。この実施例の保護回路
では補正電圧生成回路１４としてデータの書き換えが可
能なフラッシュメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１７などを用い
る。第１および第２の実施例では補正電圧生成回路１４
としてＲＯＭやＰＲＯＭなどを用い、設定するデータを
設計時の実験により、または理論値として求め、製造時
に設定しているが、この実施例では、フラッシュメモリ
１７を用いることにより出荷後に利用者が再設定できる
ようにしている。なお、フラッシュメモリ１７内のデー
タを書き換えるための書き込み装置２０はこの二次電池
や保護回路が組み込まれる電子機器とは別にする。その
ため、この保護回路が実装されるプリント基板などに、
フラッシュメモリ１７のアドレスラインを書き込み装置
２０のアドレスラインと接続させるためのコネクタ１８
ａ、およびフラッシュメモリ１７のデータラインを書き
込み装置２０のデータラインと接続させるためのコネク
タ１８ｂを備えている。

【００２５】このような構成により、状況によっては、
外部の書き込み装置２０を用いて、補正電圧生成回路１
４に設定する出力データを利用者が再設定することが可
能になる。なお、ソケットを備え、フラッシュメモリ１
７を着脱可能な構成にすることにより、フラッシュメモ
リ１７をソケットからはずし、はずしたフラッシュメモ
リ１７を書き込み装置２０にセットして書き換えを行う
ようにしてもよい。この場合はコネクタ１８が不要にな
る。

【００２６】また、この実施例の二次電池３や保護回路
が実装される携帯用電子機器のシステムバスにフラッシ
ュメモリ１７のアドレスラインおよびデータラインを接
続する構成にし、上記携帯用電子機器の操作部からデー
タを入力し、そのデータをフラッシュメモリ１７に設定
する構成も可能である。

【００２７】図１に示したＡＤ変換器１３、補正電圧生
成回路１４、ＤＡ変換器１５を備えない構成も可能であ
る。この場合は、スイッチング素子２や抵抗Ｒ１から検
出した降下電圧（つまり電流値）を簡単な回路を介して
直接基準電源に加え、それにより基準電圧を補正する。
なお、本発明はリチウムイオン電池やポリマ電池などに
用いることが最も効果的であるが、上記の電池に制限さ
れるものではない。上記の電池は本来大容量化の可能な
二次電池であるが、このような二次電池は、単に過充電
・過放電から保護されるだけでなく、本来可能である上
限・下限電圧間で充放電が可能になってはじめて大容量
化が現実のものになるのである。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
請求項１および請求項２記載の発明では、過充電または
過放電状態を示す、電圧降下分が補正された電圧が検出
されたとき、充電または放電が強制的に停止させられる
ので、過充放電時の充放電停止を、より適切な状況で行
える。また、請求項３記載の発明では、二次電池に直列
に抵抗などを挿入しなくても上記の効果を実現できるの
で、その分だけ、電力消費を少なくでき、また、小型化
およびコストダウンが可能になる。

【００２９】また、請求項４記載の発明では、請求項１
および請求項２記載の発明において、電圧降下分を補正
するための補正値が、検出された電圧または電流に対応
付けられた値として生成されるので、精度の高い補正を
行うことができる。また、請求項５記載の発明では、上
記補正値を、ＲＯＭなどに予め設定した複数の補正値の
なかから読み出せるので、この保護回路を低コストで実
現できる。また、請求項６および請求項７記載の発明で
は、上記補正値を、二次電池などが使用される現場にお
いて設定または再設定できるので、状況に適合した精度
の高い補正を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す保護回路のブロ
ック図である。

【図２】本発明の第１の実施例を示す保護回路要部の
ブロック図である。

【図３】本発明の第１の実施例を示す保護回路要部の
回路図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す保護回路要部の
回路図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す保護回路要部の
ブロック図である。

【図６】従来技術の一例を示す保護回路のブロック図
である。

【符号の説明】

１保護制御回路２スイッチング素子３二次電池１１基準電源１２コンパレータ１３ＡＤ変換器１４補正電圧生成回路１５ＤＡ変換器１６ＦＥＴドライバ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０２Ｊ 7/04 Ｈ０２Ｊ 7/04 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二次電池の過充電または過放電の保護を
行う保護回路において、二次電池の電圧が過充電状態ま
たは過放電状態を示す電圧に達したことを検出する過充
放電状態検出手段と、上記状態を示す電圧を補正する補
正手段とを備え、上記過充放電状態検出手段により過充
電状態または過放電状態を示す補正された電圧が検出さ
れたとき、閉状態のときに充電または放電が可能になる
ように設けられたスイッチング素子を開状態にする構成
にしたことを特徴とする保護回路。
【請求項２】請求項１の保護回路において、充電時ま
たは放電時の電流値または降下電圧に基づいて過充電状
態または過放電状態を示す電圧を補正するように補正手
段を構成したことを特徴とする保護回路。
【請求項３】請求項２の保護回路において、充電時ま
たは放電時のスイッチング素子両端電圧を検出し、上記
電圧に基づいて過充電状態または過放電状態を示す電圧
を補正するように補正手段を構成したことを特徴とする
保護回路。
【請求項４】請求項２または請求項３の保護回路にお
いて、補正手段を、検出した電圧または電流の大きさに
対応した補正値を求める補正値生成手段を備えた構成に
したことを特徴とする保護回路。
【請求項５】請求項４の保護回路において、電圧また
は電流の大きさに対応する補正値を予め記憶させておく
記憶手段を備えたことを特徴とする保護回路。
【請求項６】請求項５の保護回路において、補正値の
設定または再設定を行う補正値設定手段を備えたことを
特徴とする保護回路。
【請求項７】請求項６の保護回路において、記憶手段
を電気的書き込みおよび消去が可能な構成にしたことを
特徴とする保護回路。