JPH11122838A - 2次電池保護回路 - Google Patents

2次電池保護回路

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JPH11122838A
JPH11122838A JP28511397A JP28511397A JPH11122838A JP H11122838 A JPH11122838 A JP H11122838A JP 28511397 A JP28511397 A JP 28511397A JP 28511397 A JP28511397 A JP 28511397A JP H11122838 A JPH11122838 A JP H11122838A
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transistor
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の2次電池保護回路では、過電圧充電保
護ICと温度ヒューズとが必要であるため、実装基板が
大型であるという問題がある。 【解決手段】 トランジスタQ1が破壊していない場合
は、Q1のオン抵抗RONを介して充電電流Ichargeが流
れるため、Q1のドレイン・ソース間にはRON×I
chargeで求められる降下電圧VDROPが発生する。一方、
Q1が短絡破壊した場合は、Q1のドレイン・ソース間
抵抗は0となるため、降下電圧VDROPは殆ど生じない。
また、Q1のオン抵抗は、温度上昇に伴い増加するのに
対し、充電電流Ichargeは一定であるため、Q1の降下
電圧VDROPも温度上昇に依存して増加する。そこで、Q
1の降下電圧VDROPが所定電圧範囲より大であるか小で
あるかを、ウィンドコンパレータ151と基準電圧源1
52を用いて検出することにより、Q1の破壊と過熱発
生を検知し、その時は充電器16の動作を停止する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は2次電池保護回路に
係り、特に過電圧充電による2次電池の破壊を防止する
2次電池保護回路に関する。
【0002】
【従来の技術】充電することにより繰り返し使用可能な
2次電池には、リチウムイオン電池を使用する場合が多
い。リチウムイオン電池は、過充電や過負荷などの温度
上昇時、リチウムイオンが金属化し発火する可能性があ
る。このため、一般にリチウムイオン電池を使用した電
池パックには過電圧充電保護集積回路(IC)及び温度
ヒューズが内蔵されている。
【0003】図5は従来の2次電池保護回路の一例の回
路構成図を示す。この従来回路は、2次電池11に対す
る過電圧充電を保護するため、過電圧充電保護IC1
2、充電用MOS型電界効果トランジスタ(FET)Q
1、放電用MOS型電界効果トランジスタ(FET)Q
2、温度ヒューズF1及び充電器13とから構成されて
いる。充電器13は交流電源14に接続されている。
【0004】また、過電圧充電保護IC12は、反転入
力端子が2次電池11の正側端子に接続されているコン
パレータ121と、正側端子がコンパレータ121の非
反転入力端子に接続され、かつ、負側端子が2次電池1
1の負側端子に接続されている基準電圧源122と、コ
ンパレータ121の出力端子がベースに接続され、コレ
クタがQ1のゲートに接続され、エミッタが接地されて
いるPNPトランジスタ123と、トランジスタQ1、
Q2のゲートと充電器13に接続されているオン/オフ
コントロール回路124とより構成されている。
【0005】次に、この従来回路の動作について説明す
る。まず、充電時はトランジスタQ1とQ2がオン/オ
フコントロール回路124の出力信号によりそれぞれオ
ン状態とされ、その結果、充電器13の正側端子→温度
ヒューズF1→2次電池11→トランジスタQ2→トラ
ンジスタQ1→充電器13の負側端子の閉ループ(充電
ループ)が形成されて、充電器13からの充電電流I
chargeにより2次電池11が充電される。
【0006】一方、コンパレータ121は2次電池11
の充電電圧VBATと基準電圧源122からの基準電圧
REFとを比較し、VBAT<VREFのときはハイ
レベルの信号を出力してトランジスタ123をオフと
し、トランジスタQ1を引き続きオン/オフコントロー
ル回路124の出力信号によりオン状態を保持し、2次
電池11の充電を継続する。これにより、充電電圧V
BATが上昇していき、VBAT>VREFに達する
と、コンパレータ121の出力信号がロウレベルとな
り、トランジスタ123がオンとなり、トランジスタQ
1をオフとする。この結果、上記の充電ループが開放さ
れ、2次電池11への電流供給ができなくなり、過電圧
充電から2次電池11を保護することができる。
【0007】しかし、何らかの原因でトランジスタQ1
が短絡破壊した場合、VBAT>VREFの状態になっ
ても、上記の充電ループが開放されないため、2次電池
11には更なる充電が行われ、充電電圧の上昇及び発熱
が生じる。この現象の保護として、従来は温度ヒューズ
F1を溶断させることにより、機械的に充電ループを開
放させる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
の2次電池保護回路では、過電圧充電保護IC12及び
温度ヒューズF1が必要であるため、実装基板が大型で
あるという問題がある。
【0009】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
小型な実装基板で2次電池の過電圧充電を防止し得る2
次電池保護回路を提供することを目的とする。
【0010】また、本発明の他の目的は、外付け素子を
削減し得る2次電池保護回路を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、2次電池に対して充電電流及び充電電圧
を供給する、外部信号により動作制御可能な充電器と、
充電時はオンとされて充電器からの充電電流及び充電電
圧を2次電池に供給する充電ループを形成する半導体ス
イッチング素子と、2次電池の充電電圧と第1の基準電
圧とを比較し、充電電圧が第1の基準電圧を越えたこと
を検出したときに検出信号を出力して、半導体スイッチ
ング素子をオフに制御する第1の比較手段と、半導体ス
イッチング素子の降下電圧が所定の電圧範囲内にあるか
どうかを検出し、降下電圧が電圧範囲を越えたときにエ
ラーパルスを出力して、充電器の動作を強制的に停止す
る第2の比較手段とを有する構成としたものである。
【0012】この発明では、半導体スイッチング素子の
降下電圧が半導体スイッチング素子の短絡破壊や過熱時
に、上記の所定の電圧範囲の上限値より大なる値、ある
いは下限値よりも小なる値になることに着目し、半導体
スイッチング素子の降下電圧がこの所定の電圧範囲を越
えた時にエラーパルスを出力して充電器の動作を強制的
に停止するようにしたため、エラーパルス出力により上
記の充電ループを開放させることができる。
【0013】ここで、本発明における上記の半導体スイ
ッチング素子は電界効果トランジスタであり、また、第
2の比較手段は、電界効果トランジスタのドレイン・ソ
ース間のオン抵抗と充電電流とによる降下電圧が所定の
電圧範囲内にあるかどうかを検出する手段であることが
望ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面と共に説明する。図1は本発明になる2次電池保
護回路の一実施の形態の回路構成図、図2はオン抵抗の
説明図、図3はウィンドコンパレータの一例の回路構成
図、図4は図1の動作説明用タイミングチャートを示
す。図1中、図5と同一構成部分には同一符号を付して
ある。
【0015】図1の実施の形態は、2次電池11に対す
る過電圧充電を保護するため、過電圧充電保護IC1
5、充電用NチャネルMOS型電界効果トランジスタ
(FET)Q1、放電用NチャネルMOS型電界効果ト
ランジスタ(FET)Q2及び充電器16とから構成さ
れている。充電器16は交流電源14に接続されてい
る。2次電池11、過電圧充電保護IC15、トランジ
スタQ1及びQ2は、バッテリパックに内蔵されてい
る。
【0016】また、過電圧充電保護IC15は、過充電
検出用コンパレータ121と、第1の基準電圧源122
と、オン/オフコントロール回路124と、FET異常
検出用ウィンドコンパレータ151と、第2の基準電圧
源152と、出力端子がトランジスタQ1のゲートに接
続されているAND回路153とより構成されている。
【0017】次に、この実施の形態の充電時の動作につ
いて、(1)正常時の動作、(2)Q1破壊時の動作、
(3)過熱検出時の動作に分けて説明する。
【0018】(1)正常時の動作 図1において、バッテリパックの+端子と−端子に充電
器16を接続すると、オン/オフコントロール回路12
4の2つの出力端子からそれぞれハイレベルのオン信号
が出力され、一方のオン信号はトランジスタQ2のゲー
トに直接に供給されてこれをオンとし、他方のオン信号
は2入力AND回路153の一方の入力端子に供給され
る。また、これと同時に、コンパレータ121は2次電
池11の充電電圧VBATと基準電圧源122からの基
準電圧VREF1とを比較し、充電完了前はVBAT
REF1であり、このときはコンパレータ121はハ
イレベルの信号をAND回路153の他方の入力端子に
供給する。従って、AND回路153を通してオン信号
がトランジスタQ1のゲートに印加され、これをオン状
態とする。
【0019】これにより、充電器16の正側端子→2次
電池11→トランジスタQ2→トランジスタQ1→充電
器16の負側端子の閉ループ(充電ループ)が形成され
て、充電器16からの充電電流Ichargeにより2
次電池11が充電される。充電は一般的に定電流−定電
圧方式(80%程度まで定電流充電、以降フル充電まで
は定電圧充電を行う)で行われる。
【0020】2次電池11の充電電圧VBATは、上記
の充電の継続により上昇していきVBAT>VREF1
の過電圧充電状態になると、充電電圧VBATと基準電
圧源122よりの基準電圧VREF1とを比較している
コンパレータ121の出力信号がロウレベルとなるた
め、AND回路153の出力信号がロウレベルとなり、
トランジスタQ1のゲート電圧がロウレベルとなること
によりQ1がオフする。この動作により、上記の充電ル
ープが開放されるため、2次電池11への充電が停止さ
れ、2次電池11の破壊は生じない。
【0021】2次電池11の充電が停止すると、放電に
より充電電圧VBATが低下していき、VBAT<V
REF1になると、充電電圧VBATと基準電圧源12
2よりの基準電圧VREF1とを比較しているコンパレ
ータ121の出力信号がハイレベルとなるため、AND
回路153の出力信号がハイレベルとなり、トランジス
タQ1のゲート電圧がハイレベルとなることによりQ1
がオンする。この動作により、上記の充電ループが再び
形成されるため、2次電池11への充電が再開される。
以下、上記と同様の動作が繰り返され、充電電圧VBAT
は基準電圧VREF1付近に維持される。
【0022】この正常動作時の、充電器16の充電電
圧、オン/オフコントロール回路124の出力信号、ト
ランジスタQ1のオン/オフ動作、充電電流I
charge、充電電圧VBATは、それぞれ図4
(A)にBCH、CONT、Q1、Icharge、V
BATで示される。なお、図4(A)に示すQ1のハイ
レベルはトランジスタQ1がオン状態、ロウレベルはト
ランジスタQ1がオフ状態であることを示す。
【0023】(2)Q1破壊時の動作 何らかの原因でトランジスタQ1が破壊している場合、
トランジスタQ1の制御が不可能となるため、上記の正
常動作時の2次電池11の過電圧充電保護手法は使えな
い。そこで、この場合は、本実施の形態ではトランジス
タQ1の破壊を検知し、充電器16に破壊信号をフィー
ドバックすることにより、充電器16自体の動作を停止
(またはスタンバイ状態)させて2次電池11を保護す
る。トランジスタQ1の破壊検知は以下のようにして行
う。
【0024】トランジスタQ1はMOS型FETであ
り、導通時に素子固有のオン抵抗RONをもつ。図2はこ
のオン抵抗の説明図を示す。同図において、N+型基板
21の上に低濃度のN型のエピタキシャル層22が積ま
れ、更にP層23が形成され、その中にN+拡散層24
が形成されている。P層23やN+拡散層24の表面に
は酸化膜25が形成され、その中にゲート電極26が形
成され、また酸化膜25等の表面にはソース電極27が
形成されている。また、基板21の表面にはドレイン2
8が形成される。
【0025】かかる公知の二重拡散構造のMOS型FE
Tにおいて、オン時にはドレイン・ソース間にチャネル
抵抗RCH、接合ピンチ抵抗RJFET、エピタキシャル層抵
抗及び基板抵抗Rbulkからなるオン抵抗RONが生じる。
このオン抵抗RONは、ディスクリートデバイスにおいて
は、数mΩ〜数Ωという値を示す。
【0026】トランジスタQ1が破壊していない場合
は、上記のオン抵抗RONを介して充電電流Ichargeが流
れるため、トランジスタQ1のドレイン・ソース間には
ON×Ichargeで求められる降下電圧VDROPが発生す
る。一方、トランジスタQ1が短絡破壊した場合は、ト
ランジスタQ1のドレイン・ソース間抵抗は0となるた
め、上記の降下電圧VDROPは殆ど生じない。従って、ト
ランジスタQ1のドレイン・ソース間の降下電圧VDROP
を検出することにより、トランジスタQ1の破壊の有無
を検知することができる。
【0027】図1に示した実施の形態では、降下電圧V
DROPとトランジスタQ1短絡破壊検知用基準電圧VREF2
とをウィンドコンパレータ151で比較することで、ト
ランジスタQ1の破壊検知をする。ここで、ウィンドコ
ンパレータ151は、図3に示すように、抵抗RA及び
Bからなる抵抗分圧回路と、コンデンサCと、コンパ
レータ31及び32と、OR回路33とからなる。コン
パレータ31は反転入力端子が基準電圧源152の+端
子に接続され、非反転入力端子が図1のトランジスタQ
1とQ2との接続点Pに端子34を介して接続されてい
る。
【0028】また、コンパレータ32は非反転入力端子
が抵抗RA及びRBとコンデンサCとの共通接続点に接続
され、反転入力端子が上記の端子34に接続されてい
る。更に、OR回路33はコンパレータ31及び32の
両出力信号を論理和演算して、その出力信号を端子35
を介して充電器16にウィンドコンパレータ151の出
力信号として供給する。
【0029】このウィンドコンパレータ151の動作に
ついて説明するに、トランジスタQ1の非破壊時(正常
動作時)は、端子34を介して入力される前記降下電圧
DROPがある値となっており、VREF2>VDROPである
が、抵抗RA及びRBからなる抵抗分圧回路で基準電圧V
REF2を抵抗分圧して得られた電圧VREF2’(=VREF2
B/(RA+RB))に対しては、VREF2’<VDROP
る関係にある。なお、上記の抵抗分圧電圧VREF2’を便
宜上、短絡破壊検知電圧というものとする。
【0030】上記の短絡破壊検知電圧VREF2’はコンパ
レータ32の非反転入力端子に入力され、ここで端子3
4を介して入力された降下電圧VDROPと比較されるが、
REF2’<VDROPであるため、コンパレータ32の出力
信号はロウレベルである。一方、コンパレータ31に入
力される降下電圧VDROPと基準電圧VREF2は、VREF2
DROPなる関係にあるため、コンパレータ31の出力信
号もロウレベルである。従って、OR回路33から端子
35へ出力される信号はロウレベルである。
【0031】これに対し、トランジスタQ1に短絡破壊
が生じたものとすると、図4(C)のQ1にロウレベル
で模式的に示すようにトランジスタQ1がオフとなり、
オン抵抗RONが図4(C)に示すように0となり、よっ
て端子34を介して入力される降下電圧VDROPも図4
(C)に示すように、急激に低下してほぼ0となる。こ
のため、Q1の短絡破壊時もVREF2>VDROPであるが、
図4(C)に示すように、VREF2’>VDROPなる関係と
なるため、コンパレータ32の出力信号がハイレベルと
なり、よって、OR回路33から端子35へ出力される
ウィンドコンパレータ151の出力信号も図4(C)に
エラーパルスとして示すようにハイレベルとなる。この
ハイレベルのエラーパルスは端子35を介して充電器1
6に供給され、充電器16を動作停止状態とする。
【0032】これにより、充電器16はエラーパルスか
ハイレベルとなった時点から、回路固有の遅延時間(D
ELAY)遅れて図4(C)にBCHで示すように、出
力充電電圧を0とし、これによりオン/オフコントロー
ル回路124の出力信号も図4(C)にCONTで示す
ように、ロウレベルとなる。以上の動作により、充電ル
ープは開放され、トランジスタQ1短絡破壊時における
2次電池11の過電圧充電保護が実現される。
【0033】(3)過熱検出時の動作 トランジスタQ1が短絡破壊しているときは、上記の
(2)で説明した動作により2次電池保護が可能である
が、トランジスタQ1が非破壊で、かつ、著しい温度上
昇が認められる状態においては、上記(2)の方法での
保護は不可能である。従って、過負荷による温度上昇を
検出し、2次電池11を保護する機能も必要になる。
【0034】そこで、この実施の形態では、上記の過負
荷による温度上昇に対して2次電池11を保護するため
に、過熱状態をトランジスタQ1のオン抵抗検知により
検出する。MOS型FETのオン抵抗は、温度上昇に伴
い、増加する特性をもっている。また、2次電池11の
充電は一般に定電流方式で行われるため、温度上昇時に
おいても定常時相当の充電電流Ichargeが供給される。
従って、トランジスタQ1の両端の降下電圧VDROPも温
度上昇に依存して増加する。
【0035】すなわち、トランジスタQ1が非破壊で、
かつ、著しい温度上昇が生じた場合は、図4(B)に示
すように、降下電圧VDROPが温度上昇に依存して増加し
て基準電圧VREF2より大となる。すると、図3のコンパ
レータ31の出力信号がハイレベルとなるため、OR回
路33から端子35へ出力されるウィンドコンパレータ
151の出力信号も図4(B)にエラーパルスとして示
すようにハイレベルとなる。このハイレベルのエラーパ
ルスは端子35を介して充電器16に供給され、充電器
16を動作停止状態とする。
【0036】これにより、充電器16はエラーパルスか
ハイレベルとなった時点から、回路固有の遅延時間(D
ELAY)遅れて図4(B)にBCHで示すように、出
力充電電圧を0とし、これによりオン/オフコントロー
ル回路124の出力信号も図4(B)にCONTで示す
ように、ロウレベルとなる。以上の動作により、充電ル
ープは開放される。
【0037】充電器16の動作停止により2次電池11
の充電が停止されると、充電電流Ichargeが図4(B)
に示すように急激に低下し、それに伴いオン抵抗RON
低下するため、降下電圧VDROPが基準電圧VREF2より小
となる。すると、図3のコンパレータ31の出力信号が
コンパレータ32の出力信号と同様にロウレベルとなる
ため、OR回路33から端子35へ出力されるウィンド
コンパレータ151の出力信号も図4(B)にエラーパ
ルスとして示すようにロウレベルとなる。
【0038】充電器16は端子35を介して入力される
信号がロウレベルとなると、所定時間遅れて動作を開始
し、図4(B)にBCHで示すように、ハイレベルの電
圧と充電電流Ichargeを発生する。この充電再開によ
り、再びトランジスタQ1が過熱してVREF2<VDROP
なると、再び、前記したように充電器16が動作を停止
される。以下、上記と同様の動作が繰り返される。この
ようにして、トランジスタQ1過熱時における2次電池
11の過電圧充電保護が実現される。
【0039】なお、充電用MOS型FETQ1がオープ
ン破壊を生じた際も、この動作により検出される。オー
プン破壊では、図1のP点の電位が充電器16からの供
給電圧BCHに張り付いてしまうため、降下電圧VDROP
が基準電圧VREF2よりも大きくなる。よって、この場合
もウィンドコンパレータ151からはハイレベルのエラ
ーパルスが出力され、充電器16を強制的に動作停止さ
せる。
【0040】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
充電用トランジスタの降下電圧をウィンドコンパレータ
によって検出し、降下電圧が所定電圧範囲を越えた時に
充電ループを開放することにより、過電圧充電から2次
電池を保護するようにしたため、温度ヒューズを不要に
できるため、充電用トランジスタの破壊検出機能までの
1チップ化が容易にでき、また、外付け素子を削減で
き、更に基板実装面積を従来よりも小型化でき、またシ
ステムコストダウンを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態の回路構成図である。
【図2】オン抵抗を説明する図である。
【図3】図1中のウィンドコンパレータの一例の回路図
である。
【図4】図1の動作説明用タイミングチャートである。
【図5】従来の一例の回路構成図である。
【符号の説明】
11 2次電池 14 交流電源 15 過電圧充電保護用集積回路(IC) 16 充電器 31、32、121 コンパレータ 33 OR回路 34 降下電圧入力端子 35 エラーパルス出力端子 122 第1の基準電圧源 124 オン/オフコントロール回路 151 ウィンドコンパレータ 152 第2の基準電圧源 153 AND回路 Q1 充電用NチャネルMOS型電界効果トランジスタ
(FET) Q2 放電用NチャネルMOS型電界効果トランジスタ
(FET) RA、RB 分圧抵抗回路用抵抗 RON オン抵抗 VDROP Q1の降下電圧 Icharge 充電電流

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2次電池に対して充電電流及び充電電圧
    を供給する、外部信号により動作制御可能な充電器と、 充電時はオンとされて前記充電器からの充電電流及び充
    電電圧を前記2次電池に供給する充電ループを形成する
    半導体スイッチング素子と、 前記2次電池の充電電圧と第1の基準電圧とを比較し、
    該充電電圧が該第1の基準電圧を越えたことを検出した
    ときに検出信号を出力して、前記半導体スイッチング素
    子をオフに制御する第1の比較手段と、 前記半導体スイッチング素子の降下電圧が所定の電圧範
    囲内にあるかどうかを検出し、該降下電圧が該電圧範囲
    を越えたときにエラーパルスを出力して、前記充電器の
    動作を強制的に停止する第2の比較手段とを有すること
    を特徴とする2次電池保護回路。
  2. 【請求項2】 前記半導体スイッチング素子は電界効果
    トランジスタであり、前記第2の比較手段は、該電界効
    果トランジスタのドレイン・ソース間のオン抵抗と前記
    充電電流とによる降下電圧が前記所定の電圧範囲内にあ
    るかどうかを検出することを特徴とする請求項1記載の
    2次電池保護回路。
  3. 【請求項3】 前記第2の比較手段は、第2の基準電圧
    を発生する基準電圧源と、該第2の基準電圧と前記降下
    電圧とが入力されるウィンドコンパレータにより構成さ
    れていることを特徴とする請求項1記載の2次電池保護
    回路。
  4. 【請求項4】 前記ウィンドコンパレータは、前記第2
    の基準電圧を抵抗分圧する抵抗分圧回路と、前記降下電
    圧が第1の入力端子に入力され、前記第2の基準電圧が
    第2の入力端子に入力される第1のコンパレータと、前
    記抵抗分圧回路の出力電圧が第1の入力端子に入力さ
    れ、前記降下電圧が第2の入力端子に入力される第2の
    コンパレータと、前記第1及び第2のコンパレータの出
    力電圧がそれぞれ入力され、前記降下電圧が前記第2の
    基準電圧と前記抵抗分圧回路の出力電圧との間の所定の
    電圧範囲の外にあるときに所定論理値の前記エラーパル
    スを発生する論理回路とよりなることを特徴とする請求
    項3記載の2次電池保護回路。
  5. 【請求項5】 前記所定の電圧範囲は、前記半導体スイ
    ッチング素子が非破壊で、かつ、所定値以上の温度で動
    作しているときの前記降下電圧付近の第1の値と、前記
    半導体スイッチング素子が短絡破壊した時における前記
    降下電圧よりも大なる第2の値の範囲であることを特徴
    とする請求項1乃至4のうちいずれか一項記載の2次電
    池保護回路。
  6. 【請求項6】 前記第1の比較手段と第2の比較手段
    は、それぞれ同一の集積回路内に設けられていることを
    特徴とする請求項1記載の2次電池保護回路。
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