TWI578663B

TWI578663B - A semiconductor device having a charging system

Info

Publication number: TWI578663B
Application number: TW102108054A
Authority: TW
Inventors: Makoto Mitani; Kotaro Watanabe
Original assignee: Sii Semiconductor Corp
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2017-04-11
Also published as: KR20130108162A; CN103326414B; US20130249473A1; JP5989532B2; CN103326414A; TW201349708A; JP2013226030A; US9343915B2; KR101918302B1

Description

具備充電系統之半導體裝置

本發明係關於具備將發電裝置之發電電力充電至蓄電裝置系統之半導體裝置，更詳細的來說係關於防止向蓄電裝置過度充電之防止過度充電電路。

圖7係具備以往充電系統之半導體裝置的電路圖。發電裝置具備太陽能電池11、作為蓄電裝置之二次電池12、防止逆流電路之二極體13、電壓檢測電路14，及切換裝置15。電壓檢測電路14與切換裝置15係構成防止過度充電電路。

將防止逆流二極體13連接於由太陽能電池11向二次電池12之充電路徑，並使切換裝置15與太陽能電池11並聯連接。

以二次電池12驅動之電壓檢測電路14監視二次電池12之電壓，當達到過充電電壓時，導通切換裝置，防止太陽能電池短路且過度充電。電壓檢測電路14不檢測過度充電時，按照太陽能電池11之發電，對二次電池12進行充電。藉由防止逆流二極體13之動作，防止由二次電池12向太陽能電池11之逆流(例如參閱專利文獻1)。

〔先前技術文獻〕〔專利文獻〕

[專利文獻1]特開平10-336914號公報

但是，具備以往充電系統之半導體裝置係以二次電池12驅動電壓檢測電路14，因此有二次電池12之耗電量變大的問題。雖未圖示，但以二次電池12驅動之負載電路為了使電池壽命變長，以極低消耗進行動作之設計，以電壓檢測電路14進行額外的電力消耗係一致命缺點。

此外，由於將防止逆流二極體13設置於充電路徑，因此充電時將發生防止逆流二極體之順向電壓分量的電壓損失，而使充電效率變差。本發明係鑑於相關問題點而進行之發明，提供具備將二次電池12之電力消耗抑制為零且充電效率較佳之充電系統之半導體裝置。

具備本發明之充電系統之半導體裝置係為了解決以往課題，因此具備：發電裝置，供給電力；及蓄電裝置，儲存發電裝置之電力；及切換裝置，設置於用於將發電裝置之電力充電至蓄電裝置之充電路徑；及比較器，以發電裝置之電力進行驅動，比較參考電壓與蓄電裝置之蓄電電壓，及準位轉換器，設置於比較器與切換裝置之間，將比較器之判定結果由發電電壓進行電壓準位轉換至蓄電電壓，且傳至切換裝置。

根據本發明，可將蓄電裝置之電力消耗抑制為零，因此能夠減少二次電池之耗電量且提高充電效率。

1‧‧‧發電裝置

2‧‧‧蓄電裝置

3‧‧‧比較器

4‧‧‧準位轉換器

5‧‧‧切換裝置

6‧‧‧定電壓輸出裝置

7‧‧‧箝位電路

31、32‧‧‧PMOS電晶體

33、34‧‧‧NMOS電晶體

35‧‧‧電流源

41‧‧‧NMOS電晶體

42‧‧‧電阻

43、44‧‧‧反相器

51、52‧‧‧NMOS電晶體

53、54‧‧‧寄生二極體

61‧‧‧基準電壓電路

62‧‧‧放大器

63‧‧‧分壓電阻

64‧‧‧輸出驅動器

[圖1]具備本發明之第1實施形態之充電系統之半導體裝置的方塊圖。

[圖2]具備本發明之第1實施形態之充電系統之半導體裝置的方塊圖。

[圖3]具備本發明之第1實施形態之充電系統之半導體裝置之防止過度充電電路的動作說明圖。

[圖4]第1實施形態之防止過度充電電路之定電壓輸出裝置之一例。

[圖5]第1實施形態之防止過度充電電路之比較器、準位轉換器之一例。

[圖6]第1實施形態之防止過度充電電路之定電壓輸出裝置的動作說明圖。

[圖7]具備以往充電系統之半導體裝置的電路圖。

[圖8]具備本發明之第2實施形態之充電系統之半導體裝置的方塊圖。

[圖9]具備本發明之第2實施形態之充電系統之半導體裝置的動作說明圖。

以下參閱圖面，對本發明之實施形態進行說明。在實施形態之說明中，作為前提條件，將高電位側設為接地電位，對發電裝置1係產生負電壓，蓄電裝置2係儲存負電壓之狀況來進行說明。即，電壓高、電壓表記為上係表示電壓絕對值是為小，電壓小、電壓表記為下係表示電壓絕對值為大。

<第1實施形態>

圖1表示具備本發明之第1實施形態之充電系統之半導體裝置的方塊圖。第1實施形態之充電系統係具備發電裝置1；及蓄電裝置2；及切換裝置5，設置於充電路徑；及定電壓輸出裝置6，以發電電壓VGEN進行驅動，輸出定電壓V1；及比較器3，以發電電壓VGEN進行驅動，比較定電壓V1與蓄電電壓VSTO；準位轉換器4，必需按照比較器3之輸出，轉換成蓄電電壓VSTO之電壓準位並向切換裝置5之控制端子輸出。

對關於定電壓輸出裝置6之動作進行說明。圖6表示定電壓輸出裝置6之輸出波形。由t0維持一段時間，發電電壓VGEN輸出負電壓時，定電壓V1輸出與發電電壓VGEN相同電壓。在t3時點，發電電壓VGEN達到防止過充電電壓VLIM，在該時間點後即使發電電壓VGEN輸出負電壓，定電壓V1亦維持在防止過充電電壓VLIM之電壓準位。

比較器3與蓄電電壓VSTO相比較，在定電壓V1較高時輸出低準位，與蓄電電壓VSTO相比較，在定電壓V1較低時輸出高準位。

準位轉換器4係必需按照發電電壓VGEN準位，轉換成蓄電電壓VSTO準位，比較器3之輸出不定時將輸出低準位。

切換裝置5係當高準位之信號VSW被輸入至控制端子時導通充電路徑，被輸入低準位之信號VSW時阻斷充電路徑。

圖3係表示在圖1之防止過度充電電路之動作說明圖。隨著時間由t0推移至t5，表示發電裝置1產生負電壓，電壓下降之狀態。

在t0~t1期間，係定電壓V1比蓄電電壓VSTO高，藉由比較器3之判定，低準位之信號VSW被輸入至切換裝置5之控制端子，充電路徑為被阻斷之非充電狀態(防止逆流狀態)。

在t1~t2期間，定電壓V1比蓄電電壓VSTO低，藉由比較器3之判定，高準位之信號VSW被輸入至切換裝置5之控制端子，充電路徑導通狀態。

但是，由於蓄電電壓VSTO與發電電壓VGEN之差的絕對值|VSTO-VGEN|係未達發生於切換裝置5之接通電阻之電壓VRON，因此不流過充電電流，為非充電狀態。

在t2~t3期間，發電電壓VGEN比蓄電電壓VSTO低，且由於蓄電電壓VSTO與發電電壓VGEN之差的絕對值|VSTO-VGEN|係超出發生於切換裝置5之接通電阻之電壓VRON，因此流過充電電流。即，蓄電裝置2為被充電之充電狀態。

在t3時點，發電電壓VGEN達到防止過充電電壓VLIM，由此開始定電壓V1維持在防止過充電電壓VLIM之電壓準位。

在t4時點，被充電之蓄電電壓VSTO達到定電壓V1，藉由比較器3之判定，低準位之信號VSW被輸入至切換裝置5之控制端子，充電路徑被阻斷且成為非充電狀態(防止過度充電狀態)。

圖2表示切換裝置5之具體之一例，對相關於切換裝置5與準位轉換器4進行更詳細之說明。

切換裝置5係由：NMOS電晶體51，將背閘極端子與一方之擴散端子連接至蓄電電壓VSTO；及NMOS電晶體52，將背閘極端子與一方之擴散端子連接至發電電壓VGEN，另一方之擴散端子連接至NMOS電晶體51之另一方之擴散端子，來予以構成。當以該方式連接時，形成將NMOS電晶體51之另一方之擴散端子作為陰極端子、背閘極端子作為陽極端子之寄生二極體53。同樣地形成將NMOS電晶體52之另一方之擴散端子作為陰極端子、背閘極端子作為陽極端子之寄生二極體54。寄生二極體53、54係在發電裝置1與蓄電裝置2之間彼此逆向連接，因此發電電壓VGEN與蓄電電壓VSTO並無法透過寄生二極體53、54進行導通。由於發生於MOS電晶體之接通電阻的電壓VRON比二極體之順向電壓分量小，因此能夠提高充電效率。

準位轉換器4係輸出將被輸入之發電電壓VGEN準位之信號轉換成蓄電電壓VSTO準位之信號VSW1，以及不轉換準位維持發電電壓VGEN準位之信號VSW2的2系統之信號。各自將信號VSW1輸入至NMOS電晶體51之閘端子，信號VSW2輸入至NMOS電晶體52之閘端子。

如圖2所示所構成之切換裝置5與準位轉換器4係進行以下動作。

由t0至t1期間係防止逆流狀態，信號VSW1與信號VSW2將變為低準位。信號VSW1之低準位係以準位轉換器4轉換準位，為蓄電電壓VSTO，另一方面，信號VSW2之低準位不轉換準位，為發電電壓VGEN。此時，最低電壓係蓄電電壓VSTO，連接於NMOS電晶體51之閘端子與蓄電裝置側之擴散端子皆是蓄電電壓VSTO，因此NMOS電晶體51能夠確實關閉。NMOS電晶體52之閘端子為低準位，比蓄電電壓VSTO更高之發電電壓 VGEN，因此並無法保證NMOS電晶體52確實關閉。但是，由於NMOS電晶體51變為OFF，因此不會對全體動作帶來影響。

t1至t4期間係使切換裝置5導通之期間，信號VSW1與信號VSW2變為高準位。不管信號VSW1與信號VSW2有沒有準位轉換，接地電壓VDD皆被輸出。由於接地電位VDD為最高電壓，因此能夠確實使NMOS電晶體51、52同時導通。

由t4至t5期間係防止過度充電狀態，信號VSW1與信號VSW2將變為低準位。信號VSW1之低準位係以準位轉換器4轉換準位，為蓄電電壓VSTO，另一方面，信號VSW2之低準位不轉換準位，為發電電壓VGEN。此時，最低電壓為發電電壓VGEN，連接於NMOS電晶體52之閘端子與發電裝置側之擴散端子皆是發電電壓VGEN，因此NMOS電晶體52能夠確實關閉。NMOS電晶體51之閘端子為低準位，比發電電壓VGEN更高之蓄電電壓VSTO，因此並無法保證NMOS電晶體51確實關閉。但是，由於NMOS電晶體52變為OFF，因此不會對全體動作帶來影響。

最後，表示關於比較器3、準位轉換器4、定電壓輸出裝置6之電路構成之一例。

圖4表示定電壓輸出裝置6之電路構成之一例。定電壓輸出裝置6係例如由基準電壓電路61、放大器62、分壓電阻63、輸出驅動器64構成。使輸出電壓變為防止過充電電壓VLIM，調整基準電壓電路61之輸出電壓與分壓電阻之比。如此構成之定電壓輸出裝置6係發電電壓VGEN比為定電壓輸出V1之防止過充電電壓VLIM更低時變為V1=VLIM，發電電壓VGEN比防止過充電電壓VLIM更高時變為V1=VGEN，能夠實現所希望之動作。

圖5表示比較器3、準位轉換器4之電路構成之一例。比較器3係例如將PMOS電晶體31、32作為偏壓電流源至差動對，將NMOS電晶體33、34作為偏壓電流源至差動對之負載電路，具備電流源35。準位轉換器4係例如在以NMOS電晶體41、電阻42所構成之源極接地段接受比較器3之輸入，以反相器43、44對其輸出進行波形整形。反相器43係以接地電壓VDD與蓄電電壓VSTO進行驅動，輸出低準位為蓄電電壓VSTO之信號VSW1，反相器44係以接地電壓VDD與發電電壓VGEN進行驅動，輸出低準位為發電電壓VGEN之信號VSW2。

電阻42係作為初始電壓固定裝置進行動作，不限於電阻亦可使用空泛型電晶體。

由上述，在第1實施形態之充電系統中，能夠提供將蓄電裝置之電力消耗抑制為零，具備有具備防止過度充電功能之充電效率較佳之充電系統的半導體裝置。

此外，在實施形態之說明中，作為前提條件，將高電位側設為接地電位，對發電裝置1係產生負電壓，蓄電裝置2係進行儲存負電壓之狀況進行說明，將低電位側設為接地電位，發電裝置1產生正電壓，蓄電裝置 2儲存正電壓之情況亦設為本發明之範圍。

<第2實施形態>

圖8表示具備本發明之第2實施形態之充電系統之半導體裝置的方塊圖。第2實施形態之充電系統係具備：發電裝置1；及蓄電裝置2；及比較器3；及準位轉換器4；及切換裝置5；及箝位電路7。

與第1實施形態不同的是藉由箝位電路7防止過度充電予以構成，將發電電壓VGEN直接輸入至比較器3之差異點。即，不需要定電壓輸出裝置6。且，切換裝置5係可僅由NMOS電晶體51構成。

圖9係第2實施形態之充電系統之動作說明圖。

隨著時間由t0推移至t4，表示發電裝置1產生負電壓，電壓下降之狀態。電壓VA係比較器3之最低動作電壓。

在t0~t1期間，發電電壓VGEN比電壓VA更高，因此比較器3無法動作，比較器3之輸出變的不穩定。此時，準位轉換器4輸出低準位，NMOS電晶體51為關閉。

在t1~t2期間，發電電壓VGEN變得比電壓VA低，因此比較器3開始動作。此時發電電壓VGEN比蓄電電壓VSTO高，因此藉由比較器3之判定，準位轉換器4輸出低準位，NMOS電晶體51為關閉。

因此，在t0~t2期間，NMOS電晶體51為關閉，因此反向電流不會由蓄電裝置2流向發電裝置1。

在t2~t3期間，發電電壓VGEN比蓄電電壓VSTO低，因此藉由比較器3之判定，NMOS電晶體51為導通。但是，由於蓄電電壓VSTO與發電電壓VGEN之差的絕對值|VSTO-VGEN|係未達發生於NMOS電晶體51之接通電阻之電壓VRON，因此不流過充電電流，為非充電狀態。

在t3~t4期間，發電電壓VGEN比蓄電電壓VSTO低，由於蓄電電壓VSTO與發電電壓VGEN之差的絕對值|VSTO-VGEN|係超出發生於NMOS電晶體51之接通電阻之電壓VRON，因此流過充電電流。即，蓄電裝置2為被充電之充電狀態。

在此，對關於準位轉換器4之動作進行說明。在圖8，將比較器3之輸出端子設為N1，準位轉換器4之輸出端子設為N3。在t0~t2期間，為了使NMOS電晶體51關閉，準位轉換器4必須輸出低準位。因此，準位轉換器4被輸入不定準位時，必須輸出低準位。又，蓄電電壓VSTO比發電電壓VGEN低，因此為了使NMOS電晶體51關閉，以準位轉換器4將比較器3之輸出轉換為蓄電電壓VSTO之電壓準位。

在此，比較器3係以發電電力進行驅動，因此能夠抑制蓄電電力之電力消耗。

藉由上述構成，第2實施形態之充電系統係能夠提供具備將蓄電裝置之電力消耗抑制為零之充電效率較佳之充電系統的半導體裝置。

1‧‧‧發電裝置

2‧‧‧蓄電裝置

3‧‧‧比較器

4‧‧‧準位轉換器

5‧‧‧切換裝置

6‧‧‧定電壓輸出裝置

VSW‧‧‧信號

VDD(GND)‧‧‧接地電壓

VSTO‧‧‧蓄電電壓

VGEN‧‧‧發電電壓

V1‧‧‧定電壓輸出

Claims

一種具備充電系統之半導體裝置，其特徵，具備：發電裝置，用以供給電力；及蓄電裝置，用以儲存前述發電裝置之電力；及切換裝置，設置於用於將前述發電裝置之電力充電至前述蓄電裝置之充電路徑，並藉由關閉的方式設定成非充電狀態；及比較器，係由前述發電裝置之電力驅動，比較參考電壓與前述蓄電裝置之蓄電電壓；及準位轉換器，設置於前述比較器與前述切換裝置之間，將前述比較器之判定結果由前述發電裝置之發電電壓進行電壓準位轉換至前述蓄電電壓且傳至前述切換裝置。
如請求項1之具備充電系統之半導體裝置，其中，前述參考電壓係前述發電裝置之發電電壓。
如請求項1之具備充電系統之半導體裝置，其中，前述參考電壓係定電壓輸出裝置輸出之定電壓。
如請求項3之具備充電系統之半導體裝置，其中，前述定電壓輸出裝置係前述發電電壓在未達防止過充電電壓之情況下，前述定電壓係與前述發電電壓相同準位之電壓，前述發電電壓係超過前述防止過充電電壓之情況下，前述定電壓係與前述防止過充電電壓相同準位之電壓。
如請求項3或4之具備充電系統之半導體裝置，其中，前述切換裝置係由將背閘極端子與一方之擴散端子連接至前述蓄電裝置側之第1MOS電晶體；及將背閘極端子與一方之擴散端子連接至前述發電裝置側，且另一方之擴散端子係連接至前述第1MOS電晶體之另一方之擴散端子之第2MOS電晶體，來予以構成，前述準位轉換器係具有：按照前述判定結果，輸出接地電壓或前述蓄電電壓之第1輸出端子；及按照前述判定結果，輸出接地電壓或前述發電電壓之第2輸出端子；前述第1輸出端子係連接於前述第1MOS電晶體之閘端子，前述第2輸出端子係連接於前述第2MOS電晶體之閘端子。