JP4360263B2

JP4360263B2 - トランジスタ駆動回路及びトランジスタ駆動方法

Info

Publication number: JP4360263B2
Application number: JP2004134318A
Authority: JP
Inventors: 亮池内; 治川越
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: JP2005318303A

Description

本発明はトランジスタ駆動回路及びトランジスタ駆動方法に係り、特に、入力と出力との間にソース−ドレインが直列に接続されたＭＯＳトランジスタのゲート電圧を制御して、ＭＯＳトランジスタをスイッチングするトランジスタ駆動回路及びトランジスタ駆動方法に関する。

電池パックには、通常、蓄電池を過充電や過放電から保護するための保護ＩＣが内蔵されている。

図７は電池パックのブロック構成図を示す。

電池パック１００は、蓄電池１１１、保護ＩＣ（integrated circuit）１１２、トランジスタＭ111、Ｍ112から構成されている。蓄電池１１１は、例えば、リチウムイオン電池から構成される。蓄電池１１１のその正極性（＋）側と出力端子Ｔout10との間に、ドレイン−ソースが直列となるようにトランジスタＭ111及びトランジスタＭ112が接続されている。トランジスタＭ111、Ｍ112は、正極性（＋）の電流を制御するため、通常、ｐチャネルＭＯＳ（metal-oxide-semiconductor）電界効果トランジスタから構成され、保護ＩＣ１１２からの制御信号によりスイッチングされる。

保護ＩＣ１１２は、蓄電池１１１の正極性（＋）側の電圧を監視しており、監視電圧ＶBATが過充電状態の閾値の電圧となる第１の電圧（Ｖ1）より大きいときには、出力端子Ｔout10側に配置されたトランジスタＭ112をオフにし、監視電圧ＶBATが過放電状態の閾値の電圧となる第２の電圧（Ｖ2＜Ｖ1）より小さいときには、蓄電池１１１側に配置されたトランジスタＭ111をオフにする。トランジスタＭ111又はトランジスタＭ112をオフすることにより蓄電池１１１と出力端子Ｔout10との接続が切断され、蓄電池１１１の充電又は放電が停止し、蓄電池１１１を過充電又は過放電から保護できる。

しかるに、ｐチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタは同等の性能のｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタに比べて高価であり、種類も少ない。よって、従来の電池パック１００などにおいてもｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを用いることにより、安価に構成できる。

しかし、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタは、通常、正極性（＋）側を切断する用途ではなく、負極性（−）側を切断する目的で用いられている。一方、電池パック１００などでは、正極性（＋）側で電力の授受を行うのが通常であり、正極性（＋）側に保護素子であるトランジスタを設けたいという要求がある。

このため、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタを用いて正極性（＋）側の電流を制御するために、例えば、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータやチャージポンプを使用し、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタの駆動電圧を生成する手法が考えられる（特許文献１参照）。

特開平５−１４１５５号公報

しかしながら、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータやチャージポンプなどは、コイル、コンデンサなどの多数の外付け部品が必要となるため、コストが上昇するなどの課題があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、確実にトランジスタを駆動できるトランジスタ駆動回路及びトランジスタ駆動方法を提供することを目的とする。

本発明は、入力と出力との間にソース−ドレインが直列に接続されたＭＯＳトランジスタ（Ｍ１、Ｍ２）と、端子（ｔout1、ｔout2）にＭＯＳトランジスタ（Ｍ１、Ｍ２）のゲートが接続されており、ＭＯＳトランジスタ（Ｍ１、Ｍ２）のゲート電圧を、端子（ｔcnt1、ｔcnt2）を介して制御して、ＭＯＳトランジスタ（Ｍ１、Ｍ２）をスイッチングする制御回路（２１、２２、ＳＷ１、ＳＷ２）を含む半導体集積回路（１２）とを設けたトランジスタ駆動回路において、ＭＯＳトランジスタ（Ｍ１、Ｍ２）は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタから構成され、制御回路（２１、２２、ＳＷ１、ＳＷ２）に接続されるキャパシタ（Ｃ）を有し、制御回路（２１、２２、ＳＷ１、ＳＷ２）は、端子（ｔcnt1、ｔcnt2）に接続されるＭＯＳトランジスタ（Ｍ１、Ｍ２）のゲート−ソース間及びゲート−ドレイン間の寄生容量（Ｃ11、Ｃ12、Ｃ21、Ｃ22）とキャパシタ（Ｃ）とにより、寄生容量を利用するように構成されたチャージポンプ回路を構成し、ＭＯＳトランジスタ（Ｍ１、Ｍ２）のゲート電圧を昇圧することを特徴とする。

なお、上記参照符号はあくまでも参考であり、これによって、特許請求の範囲が限定されるものではない。

本発明によれば、半導体集積回路に外付けあるいは内蔵されるキャパシタと、半導体装置に接続されるｎチャネルＭＯＳトランジスタのゲート−ソース間及びゲート−ドレイン間の寄生容量とを用いて構成されるチャージポンプ回路を用いて、外付けされるＭＯＳトランジスタのゲート電圧を昇圧する構成することにより、チャージポンプ回路を構成するキャパシタが一つで済むので、簡単な構成で、ｎチャネルＭＯＳトランジスタを正極側電源ライン上で駆動できる。

本実施例では、電池パックの保護回路に本発明の昇圧回路を適用した場合について説明する。

図１は本発明の一実施例のブロック構成図を示す。

本実施例の電池パック１は、蓄電池１１、保護ＩＣ１２、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２、キャパシタＣから構成される。

蓄電池１１は、例えば、複数のリチウムイオン電池を直列接続した構成とされている。蓄電池１１の正極性（＋）側の一端は、トランジスタＭ１及びトランジスタＭ２を介して出力端子Ｔout0に接続されている。トランジスタＭ１、Ｍ２は、ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタから構成され、ドレイン−ソースが直列となるように接続されている。また、トランジスタＭ１は、蓄電池１１側に接続されており、ゲート−ソース、ゲート−ドレイン間に寄生容量Ｃ11、Ｃ12を有する。また、トランジスタＭ２は、出力端子Ｔout0側に接続されており、ゲート−ソース、ゲート−ドレイン間に寄生容量Ｃ21、Ｃ22を有する。トランジスタＭ１、Ｍ２のゲートは保護ＩＣ１２に接続されており、保護ＩＣ１２からの電圧によってスイッチング制御される。

蓄電池１１の負極性（−）の一端は、接地されるとともに、接地端子Ｔgndに接続されている。出力端子Ｔout0と接地端子Ｔgndとの間には負荷又は充電器が接続される。蓄電池１１から出力端子Ｔout0と接地端子Ｔgndとの間に接続された負荷に給電が行われる。また、出力端子Ｔout0と接地端子Ｔgndとの間に接続された充電器から蓄電池１１に充電が行われる。

保護ＩＣ１２は、端子Ｔbat、ＴＶBAT、Ｔout1、Ｔout2、Ｔc1、Ｔc2、Ｔgndを有する。保護ＩＣ１２の端子Ｔbat、ＴＶBATには、蓄電池１１の正極性（＋）側の一端の電圧ＶBATが印加される。保護ＩＣ１２の端子Ｔout1は、トランジスタＭ１のゲートに接続され、端子Ｔout2は、トランジスタＭ２のゲートに接続される。端子Ｔc1と端子Ｔc2との間には、外付けでキャパシタＣが接続される。

図２は保護ＩＣ１２のブロック構成図を示す。

保護ＩＣ１２は、制御回路２１、ドライブ回路２２、スイッチＳＷ１、ＳＷ２から構成されている。保護ＩＣ１２のバッテリ端子Ｔbatに印加されるバッテリ電圧ＶBATは、制御回路２１に印加される。

制御回路２１は、バッテリ端子Ｔbatからのバッテリ電圧ＶBATを監視し、バッテリ電圧ＶBATが過放電電圧Ｖ11になると、トランジスタＭ11をオン、トランジスタＭ12をオフし、制御端子Ｔcnt1（＝Ｔout1）をハイレベルとする。また、制御回路２１は、バッテリ端子Ｔbatからのバッテリ電圧ＶBATを監視し、バッテリ電圧ＶBATが過充電電圧Ｖ12になると、トランジスタＭ21をオン、トランジスタＭ22をオフし、制御端子Ｔcnt2（＝Ｔout2）をハイレベルとする。

保護ＩＣ１２の端子ＴＶBATに印加されたバッテリ電圧ＶBATは、制御回路２１及びスイッチＳＷ１、ＳＷ２に印加され、駆動電圧として用いられる。スイッチＳＷ１は制御回路２１からの切換制御信号に応じてキャパシタＣの一端が接続される端子Ｔc1の接続先を駆動端子ＴＶBAT又はトランジスタＭ11、Ｍ12のソースのいずれか一方に切り換える。また、スイッチＳＷ２は制御回路２１からの切換制御信号に応じてキャパシタＣの一端が接続される端子Ｔc2の接続先を接地端子Ｔgnd又は駆動端子ＴＶBATのいずれか一方に切り換える。

保護ＩＣ１２は、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２のオン時に、制御回路２１によってスイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り換えることにより、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２のゲート−ソース間の寄生容量Ｃ11、Ｃ12、Ｃ21、Ｃ22とキャパシタＣとによりチャージポンプ回路が構成されるように動作し、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２のゲート電圧を昇圧し、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２が確実にオンするように動作する。

ここで、キャパシタＣ及びＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２の寄生容量Ｃ11、Ｃ12、Ｃ21、Ｃ22を用いたチャージポンプ回路動作について説明する。

図３は保護ＩＣ１２の要部の放電時の等価回路図、図４は保護ＩＣ１２の要部の充電時の等価回路図、図５はキャパシタＣの動作波形図を示す。

時刻ｔ0でキャパシタＣが充電された状態で、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が図２に実線で示すように切り換えられると、図３に示すようにキャパシタＣが接続され、ドライブ期間Ｔｄとなる。ドライブ期間Ｔｄでは、バッテリ電圧ＶBATにキャパシタＣの充電電圧Ｖchg（＝ＶBAT）を加算した電圧（２×ＶBAT）がドライブ回路２２のドライブ電圧Ｖｄとして印加される。すなわち、ドライブ回路２２は、バッテリ電圧ＶBATを２倍に昇圧したドライブ電圧Ｖｄ＝（２×ＶBAT）により駆動される。これにより、ｎチャンネルＭＯＳ電界効果トランジスタＭ１、Ｍ２を確実に駆動することが可能となる。なお、ドライブ期間Ｔｄでは、漏れ電流により図５に示すようにキャパシタＣの充電電圧Ｖchgは徐々に低下する。

予め設定されたドライブ期間Ｔd経過した時刻ｔ１で、スイッチＳＷ１、ＳＷ２が図２に破線で示すように切り換えられる。スイッチＳＷ１、ＳＷ２が図２に破線で示すように切り換えられると、図４に示すようにキャパシタＣが接続される。これによって、キャパシタＣがバッテリ電圧ＶBATにより充電される。キャパシタＣは、予め設定された充電期間Ｔchg経過した時刻ｔ２で充電が完了する。

このとき、主に、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２の寄生容量Ｃ11、Ｃ12、Ｃ21、Ｃ22が放電して、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２のゲート電圧がオン電圧に維持される。ドライブ回路２２への印加電圧は、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２の寄生容量Ｃ11、Ｃ12、Ｃ21、Ｃ22が数１００ｐＦと小さいので急激に低下することになるが、キャパシタＣは短い充電期間Ｔchgで充電が完了するため、ドライブ回路２２への印加電圧が大幅に低下し、バッテリ電圧ＶBATより小さくなる前に、ドライブ期間Ｔdに復帰する。

このとき、ドライブ期間Ｔｄ及び充電期間Ｔchgは、ドライブ電圧Ｖｄが大幅に低下しないように設定される。キャパシタＣの容量をＣ0、リーク電流をＩleak、降下電圧をΔＶとすると、
ドライブ期間Ｔｄは、
Ｔｄ＝（Ｃ0×ΔＶ）／Ｉleak ・・・（１）
に基づいて求められる。なお、降下電圧は、降下後の充電電圧をＶ２、満充電時の充電電圧をＶBATとすると、
ΔＶ＝ＶBAT−Ｖ２
で求められる。

また、充電期間Ｔchgは、寄生容量をＣ1、最降下時の充電電圧をＶ１とすると、
Ｔchg＝（Ｃ1×（Ｖ２−Ｖ１））／Ｉleak ・・・（２）
に基づいて求められる。

例えば、充電電圧の最降下時の電圧Ｖ１がバッテリ電圧ＶBATより充分に大きい電圧となるようにドライブ期間Ｔｄ及び充電期間Ｔchgを設定すればよい。

なお、制御回路２１は、例えば、ドライブ期間Ｔｄ及び充電期間Ｔchgの周期に応じた周波数の発振出力を行う発振回路と充電期間Ｔchgのパルスを出力するワンショットマルチバイブレータによりスイッチＳＷ１、ＳＷ２の切り換え制御を行う切換制御信号を生成する。

本実施例によれば、ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２の寄生容量Ｃ11、Ｃ12、Ｃ21、Ｃ22及びキャパシタＣとでチャージポンプ回路を構成することにより、１つのキャパシタＣを保護ＩＣ１２に外付けするだけで、バッテリ電圧ＶBATを２倍のドライブ電圧Ｖd（＝２×ＶBAT）に昇圧することができる。よって、簡単な構成で、ｎチャネルＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２を正極性側電源ライン上でスイッチング制御することができる。

なお、本実施例では、キャパシタＣを保護ＩＣ１２の端子Ｔc1と端子Ｔc2との間に外付けする構成としたが、キャパシタＣを保護ＩＣ１２に内蔵するようにしてもよい。

また、本実施例では、キャパシタＣをトランジスタＭ11、Ｍ12からなるトランジスタＭ１をドライブするためのドライブ回路とトランジスタＭ21、Ｍ22からなるトランジスタＭ２をドライブするためのドライブ回路との２系統のドライブ回路で共用したが、各ドライブ回路で別々に設けるようにしてもよい。

図６は保護ＩＣ１２の変形例のブロック構成図を示す。同図中、図２と同一構成部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

本変形例の保護ＩＣ３２は、キャパシタＣ0に代えてキャパシタＣ31、Ｃ32を設け、スイッチＳＷ１、ＳＷ２に代えてＳＷ11、ＳＷ12、ＳＷ21、ＳＷ22を設けた構成とされている。キャパシタＣ11、スイッチＳＷ11、ＳＷ12は、トランジスタＭ11、Ｍ12に印加するドライブ電圧を昇圧するための回路を構成している。また、キャパシタＣ12、スイッチＳＷ21、ＳＷ22は、トランジスタＭ21、Ｍ22に印加するドライブ電圧を昇圧するための回路を構成している。なお、各々の回路の動作は、キャパシタＣ0とスイッチＳＷ１、ＳＷ２から構成される回路と同じであるので、その説明は省略する。

本実施例によれば、トランジスタＭ11、Ｍ12とトランジスタＭ21、Ｍ22とに印加するドライブ電圧を別々に昇圧し供給することができるため、トランジスタＭ１、Ｍ２を確実にオンさせることが可能となる。なお、このとき、キャパシタＣ31、スイッチＳＷ11、ＳＷ12からなる回路と、キャパシタＣ32、スイッチＳＷ21、ＳＷ22は、トランジスタＭ21、Ｍ22からなる回路とで、充電期間Ｔchgを互いに異ならせるようにしてもよい。

本発明の一実施例のブロック構成図である。保護ＩＣ１２のブロック構成図である。保護ＩＣ１２の要部の放電時の等価回路図である。保護ＩＣ１２の要部の充電時の等価回路図である。キャパシタＣの動作波形図である。保護ＩＣ１２の変形例のブロック構成図である。従来の一例のブロック構成図である。

符号の説明

１電池パック
１１蓄電池、１２保護ＩＣ
Ｍ１、Ｍ２ｎチャネルＭＯＳ電界効果トランジスタ、寄生容量Ｃ11、Ｃ12、Ｃ21、Ｃ22
キャパシタＣ、Ｃ31、Ｃ32
２１制御回路、２２ドライブ回路
ＳＷ１、ＳＷ２スイッチ、Ｍ11、Ｍ12、Ｍ21、Ｍ22 トランジスタ

Claims

入力と出力との間にソース−ドレインが直列に接続されたＭＯＳトランジスタと、端子に該ＭＯＳトランジスタのゲートが接続されており、該ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を、該端子を介して制御して、該ＭＯＳトランジスタをスイッチングする制御回路を含む半導体集積回路とを設けたトランジスタ駆動回路において、
前記ＭＯＳトランジスタは、ｎチャネルＭＯＳトランジスタから構成され、
前記制御回路に接続されるキャパシタを有し、
前記制御回路は、前記端子に接続される前記ＭＯＳトランジスタのゲート−ソース間及びゲート−ドレイン間の寄生容量と前記キャパシタとにより、前記寄生容量を利用するように構成されたチャージポンプ回路を構成し、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を昇圧することを特徴とするトランジスタ駆動回路。
入力と出力との間にソース−ドレインが直列に接続されたＭＯＳトランジスタのゲート電圧を、端子に該ＭＯＳトランジスタのゲートが接続されており、該ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を、該端子を介して制御して、該ＭＯＳトランジスタをスイッチングする制御回路を含む半導体集積回路により制御して、該ＭＯＳトランジスタをスイッチングするトランジスタ駆動方法において、
前記ＭＯＳトランジスタは、ｎチャネルＭＯＳトランジスタから構成され、
前記制御回路には、キャパシタが接続され、
前記制御回路は、前記端子に接続される前記ＭＯＳトランジスタのゲート−ソース間及びゲート−ドレイン間の寄生容量と前記キャパシタとにより、前記寄生容量を利用するように構成されたチャージポンプ回路を構成し、前記ＭＯＳトランジスタのゲート電圧を昇圧することを特徴とするトランジスタ駆動方法。