KR20160008115A - 충방전 제어 회로 및 배터리 장치 - Google Patents

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신야 후쿠치
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세이코 인스트루 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 회로 면적이 작은 충방전 제어 회로, 및 컴팩트한 배터리 장치를 제공하는 것.
(해결 수단) 정전류 회로와 외부 저항을 전압 감시 단자에 접속하고, 외부 입력에 의해 단자 전압을 Pullup 또는 Pulldown 시킨다. 또, 외부 입력에 의해 콤퍼레이터의 출력 논리와 과충전 검출과 과방전 검출을 전환한다.

Description

충방전 제어 회로 및 배터리 장치{CHARGE AND DISCHARGE CONTROL CIRCUIT AND BATTERY DEVICE}
본 발명은, 이차 전지의 전압이나 이상을 검지하는 충방전 제어 회로 및 배터리 장치에 관한 것으로, 특히 과충전과 과방전을 검출하는 회로에 관한 것이다.
배터리 장치는, 주로 휴대용의 전자 기기 (부하) 를 구동시키기 위한 전원으로서 사용되고 있다. 배터리 장치는, 충전에 의해 부하에 접속되는 이차 전지의 전압이 증가하여 과충전 검출 전압 (이하, VCU) 을 초과했을 때에, 과충전으로부터 전지를 보호하는 과충전 보호 기능을 구비하고 있다. 또, 방전에 의해 이차 전지의 전압이 감소하여 과방전 검출 전압 (이하, VDL) 을 하회했을 때에, 과방전으로부터 전지를 보호하는 과방전 보호 기능을 구비하고 있다 (예를 들어 특허문헌 1 참조).
도 3 은, 종래의 배터리 장치를 나타내는 회로도이다. 종래의 배터리 장치는, 직렬로 접속된 이차 전지 (10, 11) 와, 충방전 제어 회로 (100) 와, 충전 제어용 FET (21) 와, 방전 제어용 FET (22) 와, 부하 접속 단자 (23, 24) 를 구비하고 있다. 충방전 제어 회로 (100) 는, 제어 회로 (110) 와, 출력 회로 (111, 112) 와, 콤퍼레이터 (113, 114, 115, 116) 와, 기준 전압 회로 (117, 118) 와, 저항 회로 (120, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127) 를 구비하고 있다. 콤퍼레이터 (113, 114) 는 과충전을 검출한다. 콤퍼레이터 (115, 116) 는 과방전을 검출한다.
종래의 배터리 장치는, 이하와 같이 동작하여 이차 전지의 충방전을 제어한다.
이차 전지 (10) 의 전압, 즉 전압 감시 단자 (101 - 102) 간 전압이 VCU 미만일 때, 충전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (104) 는 High 를 출력하여, 충전 제어용 FET (21) 를 ON 한다. 따라서, 이차 전지 (10, 11) 는 충전 가능한 상태이다. 전압 감시 단자 (101 - 102) 간 전압이 VCU 이상일 때, 충전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (104) 는 Low 를 출력하여, 충전 제어용 FET (21) 를 OFF 한다. 따라서, 이차 전지 (10, 11) 는 충전이 금지된 상태에 있어, 과충전으로부터 보호된다. 이차 전지 (11) 의 전압, 즉 전압 감시 단자 (102 - 103) 간 전압에 있어서도 동일하게 검출하고 제어한다.
이차 전지 (10) 의 전압, 즉 전압 감시 단자 (101 - 102) 간 전압이 VDL 을 상회할 때, 방전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (105) 는 High 를 출력하여, 방전 제어용 FET (22) 를 ON 한다. 따라서, 이차 전지 (10, 11) 는 방전이 가능한 상태에 있어, 부하 접속 단자 (23 - 24) 간에 접속된 부하를 구동시킬 수 있다. 이차 전지 (10) 의 전압, 즉 전압 감시 단자 (101 - 102) 간 전압이 VDL 이하일 때, 방전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (105) 는 Low 를 출력하여, 방전 제어용 FET (22) 를 OFF 한다. 따라서, 이차 전지 (10, 11) 는 방전이 금지된 상태에 있어, 과방전으로부터 보호된다. 이차 전지 (11) 의 전압, 즉 전압 감시 단자 (102 - 103) 간 전압에 있어서도 동일하게 검출하고 제어한다.
일본 공개특허공보 2002-204532호
그러나, 상기 서술한 충방전 제어 회로는, 셀 수가 1 개 증가함에 따라 기준 전압 회로, 과충전 검출용의 콤퍼레이터와 저항 회로, 과방전 검출용의 콤퍼레이터와 저항 회로가 추가되어, 셀 수의 증가에 수반하여 회로의 면적이 커진다는 과제가 있었다.
본 발명은, 이상과 같은 과제를 해결하기 위해서 고안된 것으로, 회로 면적이 작은 충방전 제어 회로, 및 컴팩트한 배터리 장치를 제공하는 것이다.
종래의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 배터리 장치는 이하와 같은 구성으로 하였다.
셀 수와 동수의 콤퍼레이터, 저항 회로, 또한 외부 입력에 의해 동작하는 정전류 회로와, 전압 감시 단자를 Pullup 또는 Pulldown 시키기 위한 저항을 구비한 배터리 장치.
본 발명의 배터리 장치에 의하면, 셀 1 개에 대해 콤퍼레이터와 저항 회로를 삭감할 수 있으므로, 회로 면적을 작게 할 수 있다. 따라서, 회로 면적이 작은 충방전 제어 회로, 및 컴팩트한 배터리 장치를 제공할 수 있다.
도 1 은, 본 실시형태의 충방전 제어 회로를 구비한 배터리 장치의 블록도이다.
도 2 는, 본 실시형태의 충방전 제어 회로를 구비한 배터리 장치의 타이밍 차트이다.
도 3 은, 종래의 충방전 제어 회로를 구비한 배터리 장치의 블록도이다.
이하, 본 실시형태의 충방전 제어 회로를 구비한 배터리 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 은, 본 실시형태의 충방전 제어 회로를 구비한 배터리 장치의 블록도이다.
본 실시형태의 배터리 장치는, 직렬로 접속된 이차 전지 (10, 11) 와, 충방전 제어 회로 (200) 와, 충전 제어용 FET (21) 와, 방전 제어용 FET (22) 와, 외부 저항 (30) 과, 부하 접속 단자 (23, 24) 를 구비하고 있다. 충방전 제어 회로 (200) 는, 제어 회로 (110) 와, 출력 회로 (111, 112) 와, 콤퍼레이터 (113, 114) 와, 기준 전압 회로 (117, 118) 와, 저항 회로 (120, 121, 122, 123) 와, 정전류 회로 (131, 132) 와, 스위치 (133, 134) 를 구비하고 있다. 또 충방전 제어 회로 (200) 는, 전압 감시 단자 (101, 102, 103) 와, 충전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (104) 와, 방전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (105) 와, 입력 단자 (106, 107) 를 구비하고 있다. 전압 감시 단자 (101) 는 제 1 전원 단자를 겸하고, 전압 감시 단자 (103) 는 제 2 전원 단자를 겸하고 있다.
이차 전지 (10) 는, 정극 단자가 부하 접속 단자 (23) 와 전압 감시 단자 (101) 에 접속되고, 부극 단자가 외부 저항 (30) 의 일단과 이차 전지 (11) 의 정극 단자에 접속되어 있다. 이차 전지 (11) 는, 부극 단자가 방전 제어용 FET (22) 의 소스와 전압 감시 단자 (103) 에 접속된다. 외부 저항 (30) 은, 타단이 전압 감시 단자 (102) 에 접속되어 있다. 충전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (104) 에는 충전 제어용 FET (21) 의 게이트가 접속되고, 방전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (105) 에는 방전 제어용 FET (22) 의 게이트가 접속된다. 충전 제어용 FET (21) 는, 드레인이 방전 제어용 FET (22) 의 드레인에 접속되고, 소스가 부하 접속 단자 (24) 에 접속되어 있다.
저항 (120 과 121) 은, 직렬로 전압 감시 단자 (101 - 102) 사이에 접속된다. 저항 (122 와 123) 은, 직렬로 전압 감시 단자 (102 - 103) 사이에 접속된다. 스위치 (134) 와 정전류 회로 (132) 는, 직렬로 제 1 전원 단자 - 전압 감시 단자 (102) 사이에 접속된다. 스위치 (133) 와 정전류 회로 (131) 는, 직렬로 전압 감시 단자 (102) - 제 2 전원 단자 사이에 접속된다. 콤퍼레이터 (113) 는, 반전 입력 단자가 기준 전압 회로 (117) 를 통해 전압 감시 단자 (102) 에 접속되고, 비반전 입력 단자가 저항 (120 과 121) 의 접속점에 접속된다. 콤퍼레이터 (114) 는, 반전 입력 단자가 기준 전압 회로 (118) 를 통해 전압 감시 단자 (103) 에 접속되고, 비반전 입력 단자가 저항 (122 와 123) 의 접속점에 접속된다. 제어 회로 (110) 는, 입력 단자에 콤퍼레이터 (113) 와 콤퍼레이터 (114) 의 출력 단자와 입력 단자 (106, 107) 가 접속되고, 출력 단자가 출력 회로 (111 와 112) 의 입력 단자에 접속되고, 제어 단자가 콤퍼레이터 (113, 114) 와, 스위치 (133, 134) 에 접속된다.
다음으로, 본 실시형태의 충방전 제어 회로를 구비한 배터리 장치의 동작에 대해 설명한다.
충방전 제어 회로 (200) 는, 예를 들어, 입력 단자 (106, 107) 에 Low 의 제어 신호가 입력되면, 이차 전지 (10, 11) 의 과충전을 감시하고, 과충전 검출 전압 (이하, VCU) 을 초과했을 때에 과충전으로부터 전지를 보호한다. 또, 충방전 제어 회로 (200) 는, 예를 들어, 입력 단자 (106) 에 High, 입력 단자 (107) 에 Low 의 제어 신호가 입력되면, 이차 전지 (10) 의 과방전을 감시하고, 과방전 검출 전압 (이하, VDL) 을 하회했을 때에, 과방전으로부터 전지를 보호한다. 구체적으로는, 제어 회로 (110) 는, 입력 단자 (106, 107) 에 입력되는 제어 신호에 따라, 콤퍼레이터 (113, 114) 와 스위치 (133, 134) 의 동작을 컨트롤하여 과충전과 과방전을 전환하여 감시한다.
[이차 전지의 과충전을 감시하는 경우]
제어 회로 (110) 는, 입력 단자 (106, 107) 에 Low 의 제어 신호가 입력되면 스위치 (133, 134) 가 Open 하도록 제어한다. 콤퍼레이터 (113) 는, 전압 감시 단자 (101 - 102) 간 전압이 저항 (120 과 121) 에 의해 분압된 전압과 기준 전압 회로 (117) 의 기준 전압을 비교한다. 콤퍼레이터 (114) 는, 전압 감시 단자 (102 - 103) 간 전압이 저항 (122 와 123) 에 의해 분압된 전압과 기준 전압 회로 (118) 의 기준 전압을 비교한다.
콤퍼레이터 (113) 와 콤퍼레이터 (114) 는, 제어 회로 (110) 로부터의 제어 신호에 의해 출력 논리는 정 (正) 논리로 설정되어 있다. 콤퍼레이터 (113) 와 콤퍼레이터 (114) 는, 비반전 입력 단자의 전압이 반전 입력 단자의 전압 이상이 되면, 즉 이차 전지의 전압이 VCU 이상이 되면 High 의 신호를 출력한다.
제어 회로 (110) 는, 콤퍼레이터 (113) 또는 콤퍼레이터 (114) 로부터 High 의 신호를 입력하면, 이차 전지가 과충전 상태라고 판단하여, 출력 회로 (111) 에 High 의 신호를 출력하고, 충전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (104) 로부터 Low 의 신호를 출력함으로써 충전 제어용 FET (21) 를 OFF 하여, 이차 전지 (10, 11) 로의 충전을 금지한다.
제어 회로 (110) 는, 콤퍼레이터 (113) 와 콤퍼레이터 (114) 로부터 Low 의 신호를 입력하면, 이차 전지가 과충전 상태가 아니라고 판단하여, 출력 회로 (111) 에 Low 의 신호를 출력하고, 충전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (104) 로부터 High 의 신호를 출력함으로써 충전 제어용 FET (21) 를 ON 하여, 이차 전지 (10, 11) 로의 충전을 허가한다.
[이차 전지의 과방전을 감시하는 경우]
충방전 제어 회로 (200) 는, 입력 단자 (106) 에 High, 입력 단자 (107) 에 Low 의 제어 신호가 입력되면, 이차 전지 (10) 의 과방전을 감시하고, 입력 단자 (106) 에 Low, 입력 단자 (107) 에 High 의 제어 신호가 입력되면, 이차 전지 (11) 의 과방전을 감시한다.
제어 회로 (110) 는, 입력 단자 (106) 에 High, 입력 단자 (107) 에 Low 의 제어 신호가 입력되면 스위치 (133) 를 Short, 스위치 (134) 를 Open 하도록 제어한다. 즉, 전압 감시 단자 (102) 는, 정전류 회로 (131) 에 의해 Pulldown 되고, 이차 전지 (11) 로부터 외부 저항 (30) 을 통해 정전류가 흐른다.
정전류 회로 (131) 가 흘리는 전류값을 IPD, 외부 저항 (30) 의 저항값을 R 이라고 하면, 전압 감시 단자 (101 - 102) 간 전압은 이차 전지 (10) 의 전압에 전압 IPD × R 이 가산된 값이 된다. 따라서, 콤퍼레이터 (113) 는, 전압 감시 단자 (101 - 102) 간 전압이 저항 (120 과 121) 에 의해 분압된 전압과 기준 전압 회로 (117) 의 기준 전압을 비교하면, VDL = VCU - IPD × R 을 검출하게 된다.
콤퍼레이터 (113) 는, 제어 회로 (110) 로부터의 제어 신호에 의해 출력 논리는 부 (負) 논리로 설정되어 있다. 콤퍼레이터 (113) 는, 비반전 입력 단자의 전압이 반전 입력 단자의 전압 미만이 되면, 즉 이차 전지 (10) 의 전압이 VDL 미만이 되면 High 의 신호를 출력한다.
제어 회로 (110) 는, 콤퍼레이터 (113) 로부터 High 의 신호를 입력하면, 이차 전지 (10) 가 과방전 상태라고 판단하여, 출력 회로 (112) 에 High 의 신호를 출력하고, 방전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (105) 로부터 Low 의 신호를 출력함으로써 방전 제어용 FET (22) 를 OFF 하여, 이차 전지 (10, 11) 로부터의 방전을 금지한다.
제어 회로 (110) 는, 입력 단자 (106) 에 Low, 입력 단자 (107) 에 High 의 제어 신호가 입력되면, 스위치 (133) 를 Open, 스위치 (134) 를 Short 하도록 제어한다. 즉, 전압 감시 단자 (102) 는, 정전류 회로 (132) 에 의해 Pullup 되고, 외부 저항 (30) 을 통해 이차 전지 (10) 로 정전류가 흐른다.
따라서, 콤퍼레이터 (114) 는, 전압 감시 단자 (102 - 103) 간 전압이 저항 (122 와 123) 에 의해 분압된 전압과 기준 전압 회로 (118) 의 기준 전압을 비교하면, VDL = VCU - IPD × R 을 검출하게 된다.
충방전 제어 회로 (200) 는 이차 전지 (11) 의 과방전을 감시하여, VDL 을 하회했을 때에 과방전으로부터 전지를 보호한다. 정전류 회로 (132) 가 흘리는 전류값을 IPU 로 하면, VDL 은 VCU - IPU × R 이 된다.
콤퍼레이터 (114) 는, 제어 회로 (110) 로부터의 제어 신호에 의해 출력 논리는 부논리로 설정되어 있다. 콤퍼레이터 (114) 는, 비반전 입력 단자의 전압이 반전 입력 단자의 전압 미만이 되면, 즉 이차 전지 (11) 의 전압이 VDL 미만이 되면 High 의 신호를 출력한다.
제어 회로 (110) 는, 콤퍼레이터 (113) 로부터 High 의 신호를 입력하면, 이차 전지 (11) 가 과방전 상태라고 판단하여, 출력 회로 (112) 에 High 의 신호를 출력하고, 방전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (105) 로부터 Low 의 신호를 출력함으로써 방전 제어용 FET (22) 를 OFF 하여, 이차 전지 (10, 11) 로부터의 방전을 금지한다.
또, 제어 회로 (110) 는, 콤퍼레이터 (113) 및 콤퍼레이터 (114) 로부터 Low 의 신호를 입력하면, 이차 전지 (10) 및 이차 전지 (11) 가 과방전 상태가 아니라고 판단하여, 출력 회로 (112) 에 Low 의 신호를 출력하고, 방전 제어용 FET 게이트 접속 단자 (105) 로부터 High 의 신호를 출력함으로써 방전 제어용 FET (22) 를 ON 하여, 이차 전지 (10, 11) 로부터의 방전을 허가한다.
이차 전지의 과방전을 감시하는 경우, 입력 단자 (106) 와 입력 단자 (107) 에 Low 와 High 의 제어 신호를 전환하여 입력함으로써 시분할로 감시한다. 그리고, 과방전의 검출 후에는, 입력 단자 (106, 107) 를 모두 Low 가 되어도 검출 상태를 변화시키지 않고, 즉 출력 회로 (112) 로의 출력 신호를 유지한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 충방전 제어 회로를 구비한 배터리 장치에 의하면, 과충전 과방전을 검출해야 하는 이차 전지에 대하여, 콤퍼레이터와 저항 회로에 의한 전압 검출 회로가 1 세트 있으면 과충전과 과방전을 검출할 수 있으므로, 회로 면적을 작게 할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 배터리 장치는, 2 개의 이차 전지 (10, 11) 와, 그들의 전압을 감시하기 위한 전압 감시 단자 (101, 102, 103) 를 구비한 충방전 제어 회로로 구성한 예로 설명하였지만, 이차 전지는 복수이면 2 개에 한정되는 것은 아니다.
또, 본 실시형태에서는, 입력 단자 (106, 107) 를 구비하여 제어 신호가 입력되도록 구성하였지만, 그 신호의 논리나 구성은 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 충방전 제어 회로가 그 기능을 구비하고 있어도 된다.
또, 콤퍼레이터 (113, 114) 의 출력 논리를 제어 회로 (110) 가 제어 신호에 의해 전환하도록 구성하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 제어 회로 (110) 에 의해 콤퍼레이터 (113, 114) 의 출력 논리를 전환하여 판단하도록 구성해도 된다.
또, 외부 저항 (30) 을 구비하는 구성으로 하였지만, 전압 감시 단자 (102) 의 내부에 저항을 설치해도 된다.
21 : 충전 제어용 FET
22 : 방전 제어용 FET
100, 200 : 충방전 제어 회로
110 : 제어 회로
111, 112 : 출력 회로
113, 114, 115, 116 : 콤퍼레이터
117, 118 : 기준 전압 회로
131, 132 : 정전류 회로

Claims (3)

  1. 제 1 및 제 2 이차 전지가 접속되는 제 1 전압 감시 단자, 제 2 전압 감시 단자, 제 3 전압 감시 단자와,
    상기 제 1 전압 감시 단자와 상기 제 2 전압 감시 단자 사이에 접속된 제 1 저항 회로와,
    상기 제 2 전압 감시 단자와 상기 제 3 전압 감시 단자 사이에 접속된 제 2 저항 회로와,
    상기 제 2 전압 감시 단자에 접속되는 제 1 기준 전압 회로와,
    상기 제 3 전압 감시 단자에 접속되는 제 2 기준 전압 회로와,
    제 1 입력 단자에 상기 제 1 저항 회로의 출력 단자가 접속되고, 제 2 입력 단자에 상기 제 1 기준 전압 회로의 출력 단자가 접속되는 제 1 콤퍼레이터와,
    제 1 입력 단자에 상기 제 2 저항 회로의 출력 단자가 접속되고, 제 2 입력 단자에 상기 제 2 기준 전압 회로의 출력 단자가 접속되는 제 2 콤퍼레이터와,
    제 1 및 제 2 입력 단자에 상기 제 1 및 제 2 콤퍼레이터의 출력 단자가 접속되고, 상기 제 1 및 제 2 입력 단자에 입력되는 신호에 의해 상기 이차 전지 상태를 감시하는 제어 회로와,
    상기 제 1 전압 감시 단자와 상기 제 2 전압 감시 단자 사이에 접속되고, 상기 제어 회로의 제 1 제어 신호에 의해 온 오프가 제어되는 제 1 정전류 회로와,
    상기 제 2 전압 감시 단자와 상기 제 3 전압 감시 단자 사이에 접속되고, 상기 제어 회로의 제 2 제어 신호에 의해 온 오프가 제어되는 제 2 정전류 회로와,
    상기 제 1 및 제 2 이차 전지의 접속점과 상기 제 1 정전류 회로와 상기 제 2 정전류 회로의 접속점 사이에 형성된 저항을 구비하고,
    상기 제어 회로는, 상기 제 1 및 제 2 정전류 회로를 오프하여 상기 제 1 및 제 2 이차 전지의 과충전을 감시하고, 상기 제 2 정전류 회로를 온하여 상기 제 1 이차 전지의 과방전을 감시하고, 상기 제 1 정전류 회로를 온하여 상기 제 2 이차 전지의 과방전을 감시하는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 콤퍼레이터는, 상기 제어 회로의 제어 신호에 의해 출력 논리를 전환하는 것을 특징으로 하는 충방전 제어 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 충방전 제어 회로와,
    상기 제 1 전압 감시 단자와 상기 제 2 전압 감시 단자 사이에 접속된 제 1 이차 전지와,
    상기 제 2 전압 감시 단자와 상기 제 3 전압 감시 단자 사이에 접속된 제 2 이차 전지를 구비한, 배터리 장치.
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