TWI419430B - 充放電保護電路及電源裝置 - Google Patents

Description

充放電保護電路及電源裝置

本發明，係有關於控制二次電池之充放電的充放電保護電路。

近年，伴隨著電子機器之小型化、行動化，二次電池之使用係盛行。最被廣泛使用之二次電池，係可列舉出鋰二次電池，但是其係被指摘有很多之問題，例如過充電或過放電所致之電池的破損，劣化，低壽命化等。

為了解決此些之問題，係被開發有各種之充放電保護電路。於此些充放電保護電路中之大多，係具有作為充放電控制開關元件而將2個的MOSFET串聯插入充放電路徑的電路構成，將電池電壓作為電源之控制電路，經由對2個的MOSFET之閘極電壓作控制，而禁止充電以及放電。

圖5，係為具備上述電路構成之先前的充放電保護電路(參考專利文獻1)。亦即是，當充放電控制電路5感測到二次電池12之電池電壓上昇，並成為預先所設定之電壓以上時，則藉由透過充電控制端子23而將充電控制MOSFET 18關閉，而遮斷充電電流。在充電禁止的狀態時，放電電流係經由充電控制MOSFET 18之寄生二極體而流動。

同樣的，當充放電控制電路5感測到二次電池12之 電池電壓下降，並成為預先所設定之電壓以下時，則藉由透過放電控制端子24而將放電控制MOSFET 19關閉，而遮斷放電電流。在放電禁止的狀態時，充電電流係經由放電控制MOSFET 19之寄生二極體而流動。

在上述之電路構成中，外加於充放電控制電路之MOSFET係成為需要2個，而因此事會使得充放電保護電路之規模變大，且在構件成本以及在行動機器所要求之安裝面積的省空間化的觀點上係有問題。

又，由於係具有使充放電電流經由MOSFET之寄生二極體部分而流動的模式，因此亦有元件本身容易劣化的缺點。

為了解決此些問題點，係被提案有一種僅使用1個充放電控制用元件，並進而不使充放電電流經由寄生二極體的充放電保護電路。

圖6，係將身為單一之元件，不具備有寄生二極體，且具有雙方向性的半導體雙方向開關元件插入充放電路徑之充放電保護電路的先前例(參考專利文獻2)。

亦即是，半導體雙方向開關元件1之汲極係被連接於二次電池12，而源極係被連接於負載或充電器4，閘極係被連接於充放電控制電路5。充放電控制電路5係因應於二次電池12之端子電壓，而切換半導體雙方向開關元件1之開．關。

在上述電路中，充放電控制用開關元件係僅為半導體雙方向開關元件1，而實現更為單純之電路構成。又，半 導體雙方向開關元件1在關時由於係遮斷兩方向之電流，因此不會有電流經由寄生二極體之模式，元件本身亦難以產生劣化。

[專利文獻1]日本專利2872365

[專利文獻2]日本特開2001-251772

然而，在使用先前之半導體雙方向開關元件的充放電保護電路中，由於係為無法以充放電控制電路5來感測出在充放電保護電路係連接有負載或是連接有充電器的電路構成，因此若是為了一時遮斷充電電流而將半導體雙方向開關元件關閉，則會將充電器從充放電保護電路切離，而會有就算是連接於負載，亦不會流動放電電流的問題點。同樣的，若是為了一時遮斷放電電流而將半導體雙方向開關元件關閉，則就算是將充電器連接於充放電保護電路，亦不會開始充電的問題點。

進而，在上述先前例中，當在充放電路徑中流動有會使半導體雙方向開關元件被破壞之過大的充電電流又或是過大的放電電流時，由於充放電控制電路5並不具備有感測出此事並將過大電流作遮斷的功能，因此從信賴性之觀點而言亦有問題。

進而，在上述之先前例中，作為半導體雙方向開關元件，係想定為具有平時開啟(normally on)特性之場效型 電晶體。所謂平時開啟特性，係指當在閘極未被施加有電壓時，開關係成為開啟狀態的特性。此係表示，當發生突發事故而使控制電路與半導體開關元件之閘極的連接被切斷時，充放電係成為可能，而會有可造成二次電池之破損或劣化之充放電被繼續的可能性。此在保護二次電池之觀點上，係有問題。

故而，本發明之目的，係在於提供一種：以簡單的電路構成，而能低成本，更容易使用、信賴性高的充放電保護電路。

為了解決上述課題，本發明，係為一種充放電保護電路，其係以：身為被插入於充放電路徑之單一的開關，且具有雙方向特性之半導體雙方向開關元件；和控制半導體雙方向開關元件之開．關的充放電控制電路，其特徵為：充放電控制電路，係具備有：控制前述半導體雙方向開關元件之第1端子；和用以感測於外部端子是與充電器或者是負載之何者相連接的第2端子。

又，本發明之充放電保護電路，其充放電控制電路，係更進而具備有經由使前述半導體雙方向開關元件關閉之電位與電阻而被連接之第3端子，第3端子，係被連接於半導體雙方向開關元件之閘極。

若藉由本發明之充放電控制電路，則係提供一種：使用利用單一之開關元件之簡單的電路構成，而能低成本，更容易使用、信賴性高的充放電保護電路。

[實施例1]

圖1，係為展示本發明之第1實施例的充放電保護電路。充放電控制電路5，係具備有：連接於二次電池12之正極的VDD端子8，和連接於二次電池12之負極的VSS端子7，和第1端子2以及第2端子3。充放電控制端子，係可感測出VDD端子8與VSS端子7之間的電壓，和第2端子3與VSS端子7之間的電壓。半導體雙方向開關元件1，係將汲極連接於二次電池12之正極以及充放電控制電路5之VDD端子8，將源極連接於充放電控制電路5之第2端子3以及負載或充電器4，將閘極連接於充放電控制電路5之第1端子2。

首先，針對在負載或充電器4之位置連接充電器的情況作說明。此時，在充放電路徑係流動有充電電流。經由充電電流，二次電池12之電壓係變大，當充放電控制電路5之VDD端子8與VSS端子7之間的電壓成為預先所設定的充電禁止電壓以上時，充放電控制電路係透過第1端子2，控制半導體雙方向開關元件1之閘極，而遮斷充電電流。在充電電流被遮斷後，在充放電控制電路5之第2端子3與VSS端子7之間的電壓，係成為與充電器之電 壓相等。

而後，將充電器從充放電路徑取出，將負載連接於負載或充電器4之位置。此時，在充放電控制電路5之第2端子3與VSS端子7之間的電壓，由於負載係並未被供給有電力，故等於零。藉由此，充放電控制電路5係感測到連接有負載一事，而透過第1端子2，將半導體雙方向開關元件1開啟。

接下來，針對在負載或充電器4之位置連接負載的情況作說明。此時，在充放電路徑係流動有放電電流。經由放電電流，二次電池12之電壓係變小，當充放電控制電路5之VDD端子8與VSS端子7之間的電壓成為預先所設定的放電禁止電壓以下時，充放電控制電路係透過第1端子2，控制半導體雙方向開關元件1之閘極，而遮斷放電電流。在放電電流被遮斷後，在充放電控制電路5之第2端子3與VSS端子7之間的電壓，係成為等於零。

而後，將負載從充放電路徑取出，將充電器連接於負載或充電器4之位置。此時，在充放電控制電路5之第2端子3與VSS端子7之間的電壓，係成為等於充電器之電壓。藉由此，充放電控制電路5係感測到連接有充電器一事，而透過第1端子2，將半導體雙方向開關元件1開啟。

於圖2，展示本發明之第1實施例的充放電保護電路的具體例。充放電控制電路5之第2端子3，係具備有：被串聯連接於其與VDD端子8之間的提昇(pull-up)電 阻14與提昇開關13，和被串聯連接於其與VSS端子7之間的拉曵(pull down)電阻16與拉曵開關15。

在通常的放電狀態中，充放電控制電路5，係將半導體雙方向開關元件1控制為開啟狀態，而將提昇開關13以及拉曵開關15均控制為關閉。

最初，針對在充放電路徑流動有過大之放電電流的情況作說明。當在充放電路徑中流動有正常之放電電流的情況時，充放電控制電路5之VDD端子8與VSS端子7之間的電壓，和第2端子3與VSS端子7之間的電壓，係成為幾乎相等。例如，若是將二次電池12之電壓設為3V，將負載或充電器4之位置所連接的負載設為1kΩ，將半導體雙方向開關元件的導通電阻設為20mΩ，則由於放電電流係為3mA，因此半導體雙方向開關元件1之導通電阻與放電電流所致之電壓下降，係成為20mΩ×3mA=0.06mV。因此，充放電控制電路5之VDD端子8與VSS端子7之間的電壓係成為3V，第2端子3與VSS端子7之間的電壓係成為3V-0.06mV=2.99994V≒3V。

於此，當負載成為1Ω時，在充放電路徑係成為流動有約3A之過大的放電電流。當半導體雙方向開關元件1無法承受3A的電流時，會產生半導體雙方向開關元件1被放電電流所破壞的情況。為了保護半導體雙方向開關元件1，充放電控制電路5係有必要控制第1端子2，將半導體雙方向開關元件1設為關閉，而遮斷放電電流。

因3A之放電電流與半導體雙方向開關元件1所具有 之20mΩ之歐姆電阻所造成的電壓下降，係成為20mΩ×3A=60mV。因此，充放電控制電路5之VDD端子8與VSS端子7之間的電壓係成為3V，第2端子3與VSS端子7之間的電壓係成為3V-0.06V=2.94V。此電壓差，係當放電電流越大時成為越大。

充放電控制電路5，係當從VDD端子8與VSS端子7間之電壓減去第2端子3與VSS端子7間之電壓後所得之電壓差，成為大於預先所設定之值以上時，判斷在充放電路徑流動有過大之放電電流，並透過第1端子2，將半導體雙方向開關元件1關閉，而遮斷放電電流。進而，充放電控制電路5，係控制內部之提昇開關13而將其開啟。如此一來，充放電控制電路5之VDD端子8與第2端子3，係在控制電路內部經由提昇電阻14而被連接。此時，當二次電池12之電壓設為3V，負載或充電器4之位置所連接的負載設為1Ω，而提昇電阻14之電阻值設為100kΩ時，則充放電控制電路5之第2端子3~VSS端子電壓，係藉由100kΩ與1Ω之電阻分割，而成為(1Ω/100kΩ)×3V=0.03mV≒0V。

而後，若是將1Ω的負載取下，則在提昇電阻14所流動之電流係消失，充放電控制電路之第2端子~VSS端子的電壓，係成為相等於二次電池12的電壓。充放電控制電路5係感測到此電壓變化，而透過第1端子2，將半導體雙方向開關元件1開啟。又，將提昇開關13控制為關閉。

接下來，針對在充放電路徑流動有過大之充電電流的情況作說明。當在充放電路徑中流動有正常之充電電流的情況時，充放電控制電路5之VDD端子8與VSS端子7之間的電壓，和第2端子3與VSS端子7之間的電壓，係成為幾乎相等。例如，若是將二次電池12之電壓設為3V，將負載或充電器4之位置所連接的充電器所流動的電流設為1A，將半導體雙方向開關元件的導通電阻設為20mΩ，則半導體雙方向開關元件1之導通電阻與充電電流所致之電壓下降，係成為20mΩ×1A=20mV。因此，充放電控制電路5之VDD端子8與VSS端子7之間的電壓係成為3V+20mV=3.02V，第2端子3與VSS端子7之間的電壓係成為3V。

若是充電電流變大，例如充電電流變為3A，則當半導體雙方向開關元件1無法承受3A的電流時，會產生半導體雙方向開關元件1被充電電流所破壞的情況。為了保護半導體雙方向開關元件1，充放電控制電路5係有必要控制第1端子2，將半導體雙方向開關元件1設為關閉，而遮斷充電電流。

因3A之充電電流與半導體雙方向開關元件1所具有之20mΩ之歐姆電阻所造成的電壓下降，係成為20mΩ×3A=60mV。因此，充放電控制電路5之VDD端子8與VSS端子7之間的電壓係成為3V+60mV=3.06V，第2端子3與VSS端子7之間的電壓係成為3V。此電壓差，係當充電電流越大時成為越大。

充放電控制電路5，係當從第2端子3與VSS端子7間之電壓減去VDD端子8與VSS端子7間之電壓後所得之電壓差，成為大於預先所設定之值以上時，判斷在充放電路徑流動有過大之充電電流，並透過第1端子2，將半導體雙方向開關元件1關閉，而遮斷充電電流。進而，充放電控制電路5，係控制內部之拉曵開關15而將其開啟。如此一來，充放電控制電路5之VDD端子7與第2端子3，係在控制電路內部經由拉曵電阻16而被連接。此時，當被連接於負載或充電器4之位置的充電器係為5V的情況時，充放電控制電路5之第2端子3~VSS端子電壓係成為5V。

而後，若是將充電器卸下，則充放電控制電路之第2端子3的電位係成為與VSS端子之電位相等，而第2端子3~VSS端子電壓係成為0V。充放電控制電路5係感測到此電壓變化，而透過第1端子2，將半導體雙方向開關元件1開啟。又，將拉曵開關15控制為關閉。

如以上說明一般，經由在充放電控制電路5設置第2端子3，並檢測出負載又或是充電器之電壓，就算是二次電池與負載又或是充電器係為經由半導體雙方向開關元件1而被切斷的狀態，亦可將負載又或是充電器之連接自動檢測出來並控制充放電，因此能提供一種低成本，且更便於使用，信賴性高的充放電保護電路。

又，如圖3所示，就算是在二次電池被複數串聯連接之電源裝置中，由於經由充放電控制電路5來感測出2個 的二次電池之中點的電位，而亦能檢測出複數之二次電池的狀態，因此能得到相同之效果。

[實施例2]

圖4，係為展示本發明之第2實施例的充放電保護電路。其與圖2之差異，在於充放電控制電路5，係具備有連接於半導體雙方向開關元件1之閘極的第3端子11。第3端子11，係經由拉曵電阻17，而與VSS端子7相連接。

半導體雙方向開關元件1，係具備有當閘極之電位係為不定時，則成為開啟狀態之平時開啟特性，故為了要將半導體雙方向開關元件1設為關閉狀態，必須要給予較源極之電位為更低的電位。就算是當由於某種之原因，而使得第1端子2與半導體雙方向開關元件1之閘極的連接被切斷，亦由於半導體雙方向開關元件1之閘極係藉由拉曵電阻17而被控制為關閉狀態，而將充、放電均遮斷，因此成為能保護二次電池12或半導體雙方向開關元件1使其免於劣化或被破壞。

以上，雖針對發明之實施形態而對將半導體雙方向開關元件1作為高端開關(highside switch)的情況作說明，但是同樣的，亦可構成作為低端開關(lowside switch)而使用的充放電保護電路。

1‧‧‧半導體雙方向開關元件

2‧‧‧第1端子

3‧‧‧第2端子

4‧‧‧負載或充電器

5‧‧‧充放電控制電路

7‧‧‧VSS端子

8‧‧‧VDD端子

9‧‧‧中間電位端子

11‧‧‧第3端子

12‧‧‧二次電池

13‧‧‧提升開關

14‧‧‧提升電阻

15‧‧‧拉曵開關

16、17‧‧‧拉曵電阻

18‧‧‧充電控制MOSFET

19‧‧‧放電控制MOSFET

21‧‧‧負極端子

22‧‧‧正極端子

23‧‧‧充電控制端子

24‧‧‧放電控制端子

[圖1]展示本發明之第1實施例的充放電保護電路之方塊圖。

[圖2]展示本發明之第1實施例的充放電保護電路之方塊圖。

[圖3]展示本發明之第1實施例的充放電保護電路之方塊圖。

[圖4]展示本發明之第2實施例的充放電保護電路之方塊圖。

[圖5]先前之充放電保護電路的方塊圖。

[圖6]先前之充放電保護電路的方塊圖。

1‧‧‧半導體雙方向開關元件

2‧‧‧第1端子

3‧‧‧第2端子

4‧‧‧負載以及充電器

5‧‧‧充放電控制電路

7‧‧‧VSS端子

8‧‧‧VDD端子

12‧‧‧二次電池

Claims (4)

1. 一種充放電保護電路，係具備有：被插入於外部端子與二次電池之間之半導體雙方向開關元件；和監視前述二次電池之電壓，並將前述半導體雙方向開關元件作開關，以控制前述二次電池之充放電的充放電控制電路，其特徵為：前述充放電控制電路，係具備有：連接於前述半導體雙方向開關元件之第1端子；和用以感測前述外部端子是與充電器或者是負載之何者相連接的第2端子，前述第2端子，係經由被作了串聯連接之第1電阻和第1開關而與前述二次電池之正極作連接，並經由被作了串聯連接之第2電阻和第2開關而與前述二次電池之負極作連接，前述充放電控制電路，係當在充電狀態中前述二次電池成為滿充電時，經由前述第1端子之輸出而將前述半導體雙方向開關元件設為關，並將前述第1開關設為開，而監視前述第2端子之電壓，並當在放電狀態中前述二次電池成為過放電時，經由前述第1端子之輸出而將前述半導體雙方向開關元件設為關，並將前述第2開關設為開，而監視前述第2端子之電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之充放電保護電 路，其中，前述充放電控制電路，係當在充電狀態中，經由前述第2端子之電壓，而檢測出前述外部端子之過電流時，經由前述第1端子之輸出而將前述半導體雙方向開關元件設為關，並將前述第1開關設為開，而監視前述第2端子之電壓，並當在放電狀態中，經由前述第2端子之電壓，而檢測出前述外部端子之過電流時，經由前述第1端子之輸出而將前述半導體雙方向開關元件設為關，並將前述第2開關設為開，而監視前述第2端子之電壓。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所記載之充放電保護電路，其中，前述充放電控制電路，係具備有經由使前述半導體雙方向開關元件關閉之電位與電阻而被連接之第3端子，前述第3端子，係被連接於前述半導體雙方向開關元件之閘極。
4. 一種電源裝置，其特徵為，具備有：二次電池；和如申請專利範圍第1~3項中之任一項所記載之充放電保護電路。