JP4502554B2 - 二次電池の充電回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話等に用いられる二次電池の充電回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、携帯電話等の移動無線通信機では、電源として二次電池が使用される。特に、リチウムイオン電池は、単位体積当たりのエネルギー密度および単位質量当たりのエネルギー密度が大きく、それを搭載する機器の小型軽量化を可能にする。リチウムイオン電池を充電する場合、電池の電圧を一定に保って充電電流を供給する定電圧充電方式や、定電流充電の後に定電圧充電を行う定電流・定電圧充電方式が採用される。いずれの方式を実現する充電回路も、定電圧充電時に充電電流があらかじめ決められた満充電電流以下になったことを検出して、充電を完了する。
【０００３】
以下に、従来の二次電池の充電回路について説明する。図７は、従来の二次電池の充電回路を示す図である。図７において、充電回路は、充電電流を供給するＡＣアダプタ１１０、ＡＣアダプタ１１０が接続されたことを検出するアダプタ検出回路１１２、被充電二次電池（以下、「二次電池」という。）１１４の電圧を検出する電池電圧検出回路１１６、二次電池１１４に対して定電圧充電を行う定電圧回路１１８、二次電池１１４に流れる充電電流を検出する充電電流検出回路１２２、充電電流を電圧に変換する抵抗Ｒ１、二次電池１１４からＡＣアダプタ１１０へ流れる電流を阻止するダイオードＤ１、および、定電圧回路１１８の駆動制御を行う充電制御回路１２４から成る。ここで、ＡＣアダプタ１１０は端子１３０に接続される。定電圧回路１１８は、基準電圧Ｅ１を発生する定電圧発生回路１４０と制御トランジスタＭ１とオペアンプＡ１とから構成される。また、充電電流検出回路１２２は、基準電圧Ｅ２を発生する定電圧発生回路１４２とオペアンプＡ２とから構成される。また、アダプタ検出回路１１２は、基準電圧Ｅ３を発生する定電圧発生回路１４４とオペアンプＡ３とから構成される。抵抗Ｒ１は、ＡＣアダプタ１１０と制御トランジスタＭ１との間に接続され、ダイオードＤ１は、制御トランジスタＭ１と二次電池１１４との間に接続される。
【０００４】
以下に、この充電回路の動作を説明する。ＡＣアダプタ１１０が端子１３０で回路に接続され、かつ、ＡＣアダプタ１１０の電圧が所定値以上になると、アダプタ検出回路１１２は、充電制御回路１２４に所定の信号Ｓｇ１を出力する。また、電池電圧検出回路１１６は、二次電池１１４の電圧を検出して電池電圧信号Ｓｇ２を出力する。充電制御回路１２４は、アダプタ検出回路１１２から信号が入力されると動作を始め、定電圧回路１１８に所定の充電制御信号Ｓｇ５を出力する。定電圧回路１１８は、充電制御信号Ｓｇ５が入力されると、二次電池１１４に対して定電圧充電を始める。充電中、ダイオードＤ１は、二次電池１１４から制御トランジスタＭ１および抵抗Ｒ１を介してＡＣアダプタ１１０に電流が逆流することを防止する。充電電流は、抵抗Ｒ１により電圧に変換され、その電圧は、充電電流検出回路１２２に入力される。充電電流検出回路１２２は、その入力された電圧から、充電電流が所定値を下回ったことを検知すると、充電制御回路１２４に、所定の充電完了信号Ｓｇ６を送る。充電制御回路１２４は、充電完了信号Ｓｇ６が入力されると、充電制御信号Ｓｇ５を出力して、定電圧回路１１８の動作を停止させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来の充電回路は、充電電流を検出するために抵抗Ｒ１を用いている。しかし、充電開始時において、充電電流は大電流であり、大きな電圧降下を伴うことから、抵抗Ｒ１の発熱が非常に大きくなる。また、これによる電力損失も大きい。このような発熱や電力の無駄を少なくするために、抵抗Ｒ１の抵抗値を小さくすることも考えられるが、定電圧充電を行うことにより、充電完了を検出する時の電流が小さく、抵抗Ｒ１の両端に発生する電圧が小さくなるので、その電圧を検出するオペアンプＡ１の入力オフセット電圧などが無視できなくなる、すなわち、充電電流の電流検出精度が低下するという問題があった。また、オフセット電圧の小さいオペアンプは高価であり、それらを用いると、製造コストが高くなるという問題があった。
【０００６】
さらに、充電開始時に二次電池に対して大電流が供給されると、二次電池が過放電状態である場合は、不具合が生じる。よって、このような充電回路では、過放電状態にある二次電池を充電することができなかった。
【０００７】
本発明の目的は、発熱や電力損失が小さく、高精度に二次電池の満充電状態を検出することができる充電回路を提供することである。また、本発明の更なる目的は、製造コストの低減を図ることができる充電回路を提供することである。また、本発明の更なる目的は、過放電状態にある二次電池に対しても充電を行うことができる充電回路を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の充電回路は、二次電池の充電を行う充電回路であり、所定の直流電源と前記の二次電池との間に直列に接続され、入力された制御信号に応じて、あらかじめ設定された２つの定電流のうち一方を、前記の二次電池に出力する定電流回路部と、前記の定電流回路部に並列に接続され、前記の二次電池に所定の定電圧を印加して充電を行う定電圧回路部と、前記の二次電池の電圧を検出して出力する電池電圧検出回路部と、前記の定電圧回路部からの電流出力が停止すると所定の充電完了信号を出力する充電電流検出回路部と、前記の充電完了信号が入力されると、前記の定電流回路部および前記の定電圧回路部の動作を停止させる充電制御回路部とを備える。また、前記の充電制御回路部は、定電流回路部に対して、前記の二次電池の電圧が所定電圧未満の場合は、所定の第１の定電流を出力させる制御信号を出力し、前記の二次電池の電圧が所定電圧以上の場合は、前記の第１の定電流よりも大きい所定の第２の定電流を出力させる制御信号を出力する。
【０００９】
好ましくは、前記の充電回路は、さらに、前記の二次電池に充電電流を供給する直流電源を備える。
【００１０】
好ましくは、前記の充電回路は、さらに、前記の定電圧回路部から出力される電流の制御を行う充電電流制御回路部を備える。また、前記の充電電流制御回路部は、定電圧回路部に対して、定電圧回路部の出力電流の最大値が所定値になるように動作制御を行う。また、前記の充電制御回路部は、前記の充電完了信号が入力されると、さらに、前記の充電電流制御回路部の動作を停止させる
【００１１】
好ましくは、前記の定電圧回路部は、所定の定電圧を生成して出力する定電圧発生回路と、前記の二次電池の電圧とその定電圧とを比較し、その比較結果を示す信号を出力する電圧比較器と、前記の比較結果を示す信号に応じた電流を、所定の直流電源から前記の二次電池に出力する制御トランジスタとを備える。
【００１２】
好ましくは、前記の定電圧回路部は、さらに、前記の電圧比較器へ流れる電流を阻止するダイオードを備える。
【００１３】
好ましくは、前記の充電電流制御回路部は、所定の第２定電圧を生成して出力する第２の定電圧発生回路と、前記の制御トランジスタの制御端子に印加される電圧と前記の第２定電圧とを比較し、その比較結果を示す信号を出力する第２の電圧比較器と、前記の制御端子から前記の第２の電圧比較器に流れる電流を阻止する第２のダイオードとを備える。
【００１４】
好ましくは、前記の充電電流検出回路部は、前記の電圧比較器から出力される信号を検出し、その検出した信号から前記の定電圧回路部の出力電流が停止したことを検知する。
【００１５】
好ましくは、前記の充電電流検出回路部は、所定の第３定電圧を生成して出力する第３の定電圧発生回路と、前記の制御トランジスタの制御端子に印加される電圧と前記の第３定電圧とを比較し、その制御端子に印加される電圧と前記の第３定電圧が等しい場合に、充電完了信号を出力する第３の電圧比較器とを備える。また、前記の第３定電圧は、前記の制御トランジスタがカットオフするように前記の制御端子に印加される電圧である。
【００１６】
本発明に係る第２の充電回路は、二次電池の充電を行う充電回路であり、所定の直流電源と前記の二次電池との間に直列に接続され、前記の二次電池に所定の定電圧を印加して充電を行う定電圧回路部と、前記の二次電池の電圧を検出して出力する電池電圧検出回路部と、前記の定電圧回路部からの出力電流が所定値になると、所定の充電完了信号を出力する充電電流検出回路部と、前記の充電完了信号が入力されると、前記の定電圧回路部の動作を停止させる充電制御回路部とを備える。また、前記の定電圧回路部は、所定の定電圧を生成して出力する定電圧発生回路と、前記の二次電池の電圧とその定電圧とを比較し、その比較結果を示す信号を出力する電圧比較器と、前記の比較結果を示す信号に応じた電流を、所定の直流電源から前記の二次電池に出力する制御トランジスタとを備える。また、前記の充電電流検出回路部は、前記の電圧比較器から出力される信号を検出し、その検出した信号から前記の制御トランジスタの出力電流が所定値であることを検知して、充電完了信号を出力する。
【００１７】
好ましくは、前記の第２の充電回路は、さらに、前記の二次電池に充電電流を供給する直流電源を備える。
【００１８】
好ましくは、前記の充電電流検出回路部は、所定の第２定電圧を生成して出力する第２の定電圧発生回路と、制御トランジスタの制御端子に印加される電圧と前記の第２定電圧とを比較し、その制御端子に印加される電圧と前記の第２定電圧が等しい場合に、充電完了信号を出力する第２の電圧比較器とを備える。また、前記の第２定電圧は、前記の制御トランジスタの出力電流が所定値であるように前記の制御端子に印加される電圧である。
【００１９】
好ましくは、前記の定電圧回路部は、さらに、前記の電圧比較器へ流れる電流を阻止するダイオードを備える。
【００２０】
好ましくは、前記の充電回路は、さらに、前記の定電圧回路部から出力される電流の制御を行う充電電流制御回路部を備える。また、前記の充電電流制御回路部は、定電圧回路部に対して、定電圧回路部の出力電流の最大値が所定値になるように動作制御を行う。また、前記の充電制御回路部は、前記の充電完了信号が入力されると、さらに、前記の充電電流制御回路部の動作を停止させる。
【００２１】
好ましくは、前記の充電電流制御回路部は、所定の第３定電圧を生成して出力する第３の定電圧発生回路と、制御トランジスタの制御端子に印加される電圧と前記の第３定電圧とを比較し、その比較結果を示す信号を出力する第３の電圧比較器と、前記の制御端子から前記の第３の電圧比較器に流れる電流を阻止する第２のダイオードとを備える。
【００２２】
好ましくは、前記の充電回路は、さらに、前記の定電圧回路部に並列に接続され、あらかじめ設定された定電流を、前記の二次電池に出力する定電流回路部を備える。また、前記の充電制御回路部は、前記の定電流回路部に対して、前記の二次電池の電圧が所定電圧未満の場合は、前記の定電流回路部を駆動させ、前記の二次電池の電圧が所定電圧以上の場合は、前記の定電流回路部を停止させる。
【００２３】
好ましくは、前記の定電圧回路部は、さらに、前記の二次電池から前記の制御トランジスタを介して前記の直流電源へ流れる電流を阻止する第３のダイオードを備える。
【００２４】
好ましくは、前記の制御トランジスタは、ｐチャネル型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタである。
【００２５】
好ましくは、前記の制御トランジスタは、ＰＮＰバイポーラトランジスタである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態による充電回路を示す図である。図１において、充電回路は、充電電流を供給するＡＣアダプタ１０、ＡＣアダプタ１０が接続されたことを検出するアダプタ検出回路１２、二次電池１４の電圧を検出する電池電圧検出回路１６、二次電池１４に対して定電圧充電を行う定電圧回路１８、二次電池１４に定電流を供給する定電流回路２０、制御トランジスタＭ１の制御端子の電圧を検出する制御端子電圧検出回路２２、二次電池１４からＡＣアダプタ１０へ流れる電流を阻止するダイオードＤ１、および、定電圧回路１８と定電流回路２０の駆動制御を行う充電制御回路２４から成る。ＡＣアダプタ１０は、端子３０に接続される。定電圧回路１８は、基準電圧Ｅ１を発生する定電圧発生回路４０と制御トランジスタＭ１とオペアンプＡ１とから構成され、制御端子電圧検出回路２２は、基準電圧Ｅ２を発生する定電圧発生回路４２とオペアンプＡ２とから構成され、アダプタ検出回路１２は、基準電圧Ｅ３を発生する定電圧発生回路４４とオペアンプＡ３とから構成される。また、ダイオードＤ１は、制御トランジスタＭ１と二次電池１４との間に接続され、二次電池１４から制御トランジスタＭ１および抵抗Ｒ１を介してＡＣアダプタ１０に電流が逆流することを防止する。なお、図１では、制御トランジスタＭ１は、ｐチャネル型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（以下、「ｐＭＯＳトランジスタ」という。）として示される。
【００２７】
以下に、この充電回路の動作を説明する。充電回路の電源であるＡＣアダプタ１０が端子３０で回路に接続され、端子３０に接続されたオペアンプＡ３の一方の入力端電圧が所定の基準電圧Ｅ３以上になると、アダプタ検出回路１２は、充電制御回路２４に所定の信号Ｓｇ１を送る。また、電池電圧検出回路１６は、二次電池１４の電圧を検出し、電池電圧信号Ｓｇ２を生成して充電制御回路２４に出力する。充電制御回路２４は、信号Ｓｇ１が入力されると起動し、電池電圧信号Ｓｇ２が入力されると、定電流回路２０に定電流制御信号Ｓｇ３を出力する。定電流回路２０は、定電流制御信号Ｓｇ３が入力されると起動する。ここで、定電流回路２０は、その内部に２つの電流源を備え、電流値の異なる２種類の電流のうち一方を、Ｉ_Ｂによって示される向きに出力することができる。充電制御回路２４は、入力された電池電圧信号Ｓｇ２から二次電池１４の電圧が所定の電圧Ｖ１より小さいことを検出すると、定電流回路２０に対し、定電流制御信号Ｓｇ３と共に、定電流値切替信号Ｓｇ４を出力する。これは、二次電池１４の電圧がＶ１より小さい場合、つまり、二次電圧１４が過放電状態にある場合は、いきなり大電流で充電すると不具合が生じるので、充電電流を絞るために行う。これにより、定電流回路２０は、定電流値切替信号Ｓｇ４が入力されると、電流値Ｉ１の電流を出力する。リチウムイオン電池の場合、電圧Ｖ１は、約２．５Ｖに設定され、電流値Ｉ１は、通常、数ｍＡ〜数十ｍＡ程度である。以上のように、定電流回路２０に定電流制御信号Ｓｇ３が出力されると、二次電池１４の充電が始まる。
【００２８】
充電制御回路２４は、二次電池１４が電流値Ｉ１の電流で充電され、電池電圧検出回路１６からの電池電圧信号Ｓｇ２によって、二次電池１４の電圧が所定の電圧Ｖ１に到達したことを検知すると、二次電池１４が正常な電池であると判断して、定電流回路２０に定電流値切替信号Ｓｇ４を出力する。これにより、定電流回路２０は、電流値Ｉ１よりも大きい電流値Ｉ２を二次電池１４に出力する。ここで、電流値Ｉ２は、定電圧充電が完了したときに二次電池１４に流れる満充電電流と同じ値である。さらに、充電制御回路２４は、定電圧回路１８に充電制御信号Ｓｇ５を出力し、定電圧回路１８を起動させる。定電圧回路１８は、二次電池１４に対し、Ｉ_cによって示される向きに充電電流を出力する。以降、二次電池１４は、定電圧回路１８と定電流回路２０の両方から出力される電流で充電される。
【００２９】
その後、二次電池１４の電圧がさらに上昇して、定電圧回路１８の基準電圧Ｅ１にほぼ等しい電圧Ｖ２に到達すると、二次電池１４の電圧はそれ以上上昇せずに一定に保持され、充電電流だけが徐々に減少するようになる。このとき、オペアンプＡ１は、二次電池１４の電圧と基準電圧Ｅ１とを比較し、その差に応じてｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート（制御端子）に正のゲート電圧（制御電圧）を印加している。二次電池１４の電圧が大きくなると、印加されるゲート電圧も大きくなるので、ドレイン電流が徐々に制限される。つまり、二次電池１４に供給される充電電流が除々に減少する。リチウムイオン電池の場合、この電圧Ｖ２は、約４．２Ｖに設定される。それ以上電圧を上げると、二次電池内部に金属リチウムが析出して不具合が生じる。従来の定電流・定電圧充電回路であっても、二次電池１４の電圧が電圧Ｖ２に到達すると、定電流充電から定電圧充電に移行する。なお、理想的には、二次電池１４がＶ２に到達すると同時に全充電電流が減少し始めるが、電池内部の化学反応の進行状態により、多少の時間差がある。
【００３０】
図２は、以上の動作を図式的に示すグラフである。図２の（１）は、充電時間の経過による二次電池２４の電圧の変化を示すグラフであり、図２の（２）は、充電時間の経過による充電電流の変化を示すグラフである。また、図２の（３）は、充電時間の経過によるｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧の変化を示すグラフである。図２の（２）には、定電流回路２０から出力される電流（ａ）（太線で示される。）、定電圧回路１８から出力される充電電流（ｂ）、および、その定電圧回路１８から出力される電流に定電流回路２０から出力される電流を加えた全充電電流（ｃ）の変化が示される。図２の（１）および図２の（２）を参照すると、二次電池１４は、その電圧がＶ１に到達するまで（充電時間ｔ１まで）は、定電流回路２０から出力される電流値Ｉ１の電流で充電される。二次電池１４の電圧がＶ１に到達すると、定電流回路２０から電流値Ｉ２の充電電流が出力され、定電圧回路１８も充電電流を出力し始める。定電圧回路１８から出力される充電電流は、最初、ＡＣアダプタ１０の電流容量とｐＭＯＳトランジスタＭ１の容量のいずれか小さい容量によって制限される電流である。図２の（２）では、例として、ＡＣアダプタ１０の電流容量がより小さい場合の充電電流が示される。二次電池１４は、定電圧回路１８と定電流回路２０の両方から出力される電流で充電され、二次電池１４の電圧が上昇して所定の電圧Ｖ２に到達する。
【００３１】
二次電池１４が所定の電圧Ｖ２に到達してからある程度の時間が経過すると、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧は、徐々に上昇し始め、それに応じて、定電圧回路１８から出力される電流は徐々に減少し始める。そして、充電時間ｔ２において、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧は、図２の（３）に示されるように、ほぼＡＣアダプタ電圧近くまで上昇する。このとき、定電圧回路１８のｐＭＯＳトランジスタＭ１はカットオフし、定電圧回路１８から出力される充電電流は停止する。つまり、全充電電流は、定電流回路２０から出力される電流値Ｉ２の電流のみである。
【００３２】
本実施の形態による充電回路において、電流値Ｉ２は満充電電流の値に等しく設定されているため、定電圧回路１８のｐＭＯＳトランジスタＭ１がカットオフして、二次電池１４に、定電流回路２０から出力される電流値Ｉ２の電流だけしか流れなくなったときは、充電完了時とみなすことができる。
【００３３】
よって、制御端子電圧検出回路２２の基準電圧Ｅ２を、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ２だけ低下した電圧が、ｐＭＯＳトランジスタＭ１がカットオフするゲート電圧に等しくなるように設定すると、制御端子電圧検出回路２２は、制御トランジスタＭ１がカットオフしたとき、すなわち、オペアンプＡ２の一方の入力端に入力されるｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧がＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ２だけ低下した電圧に等しくなったとき、充電制御回路２４に充電完了信号Ｓｇ６を出力する。以上のように、制御端子電圧検出回路２２は、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧を検出するすることによって、二次電池１４に所定の電流が流れていることを検知するので、充電電流検出回路ともいえる。充電制御回路２４は、充電完了信号Ｓｇ６が入力されると、定電圧回路１８および定電流回路２０に、それぞれ、充電制御信号Ｓｇ５および定電流制御信号Ｓｇ３を出力し、その動作を停止させる。
【００３４】
本実施の形態による充電回路においては、充電電流検出用の抵抗が不要であり、抵抗による発熱や電力損失がなく、高精度に満充電状態を検出することができる。また、定電流回路２０から出力される電流の電流値を、それぞれ大きさの異なる電流値のなかから選択することができるので、新たに回路を追加することなく過放電電池等に対しても充電を行うことができる。
【００３５】
なお、本実施の形態による充電回路では、制御端子電圧検出回路２２において、基準電圧Ｅ２を発生する定電圧発生回路４２を利用し、その基準電圧Ｅ２を、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ２だけ低下した電圧が、ｐＭＯＳトランジスタＭ１がカットオフするゲート電圧に等しくなるように設定する。しかし、これは、充電完了電圧を発生する定電圧発生回路を利用し、その充電完了電圧を、ｐＭＯＳトランジスタＭ１がカットオフするゲート電圧に等しくなるように設定することと同じことである。
【００３６】
なお、図１において、制御トランジスタＭ１はｐＭＯＳトランジスタであるが、図３に示すように、バイポーラＰＮＰトランジスタであっても同様の効果が得られる。この場合、制御端子電圧検出回路２２の基準電圧Ｅ２は、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ２だけ低下した電圧が、バイポーラＰＮＰトランジスタがカットオフするベース電圧に等しくなるように設定するとよい。
【００３７】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態による二次電池１４の充電回路を示す図である。図４において、図１の回路と同じ構成要素には同じ番号が付されている。これらの構成要素については説明を省略する。本実施の形態による充電回路は、図１の充電回路に、ｐＭＯＳトランジスタＭ１から出力される充電電流の制御を行う充電電流制御回路５０、および、負荷抵抗Ｒ２が追加される。また、定電圧回路１８のオペアンプＡ１とｐＭＯＳトランジスタＭ１との間にダイオードＤ３が接続される。充電電流制御回路５０は、基準電圧Ｅ４を発生する定電圧発生回路４６とオペアンプＡ２とダイオードＤ２とから構成される。負荷抵抗Ｒ２は、その一端が接地され、他端がｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート端子に接続される。
【００３８】
図５の（１）、図５の（２）および図５の（３）は、それぞれ、充電時間の経過による二次電池１４の電圧の変化、充電電流の変化およびｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧の変化を示す。図５の（２）には、定電流回路２０から出力される電流（ａ）（太線で示される。）、定電圧回路１８から出力される充電電流（ｂ）、および、その定電圧回路１８から出力される電流に定電流回路２０から出力される電流を加えた全充電電流（ｃ）の変化が示される。本実施の形態による充電回路は、二次電池１４の電圧が所定の電圧Ｖ１に到達するまで（充電時間がｔ１になるまで）は、第１の実施の形態による回路と同様の動作をする。充電制御回路２４は、電池電圧検出回路１６からの電池電圧信号Ｓｇ２によって、二次電池１４の電圧が所定の電圧Ｖ１に到達したことを検知すると、定電流回路２０に定電流値切替信号Ｓｇ４を出力する。これにより、定電流回路２０は、電流値Ｉ１よりも大きい電流値Ｉ２を二次電池１４に出力する。さらに、充電制御回路２４は、定電圧回路１８と充電電流制御回路５０に充電制御信号Ｓｇ５を出力し、定電圧回路１８と充電電流制御回路５０とを起動させる。
【００３９】
最初は二次電池１４の電圧がまだ低いので、定電圧回路１８のオペアンプＡ１の出力は、ほぼ０Ｖである。一方、充電電流制御回路５０のオペアンプＡ４は、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧と、ＡＣアダプタ１０の電圧（端子３０の電圧）から基準電圧Ｅ４だけ低下した電圧とを比較し、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧がＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ４だけ低下した電圧に一定に保持されるように、電圧を出力する。このとき、定電圧回路１８のダイオードＤ３は、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート端子からオペアンプＡ１に流れる電流を阻止する。結局、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧が一定に保たれ、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン電流、つまり、定電圧回路１８から出力される充電電流は電流値Ｉ３で一定となる。
【００４０】
しかし、ｐＭＯＳトランジスタＭ１の性能により、所定のゲート電圧が印加されても、所定のドレイン電流が流れない場合がある。そこで、図４のように、負荷抵抗Ｒ２を配置して、所定のドレイン電流が流れるようにゲート電圧の微調整を行う。以上のようにして、二次電池１４は、電流値Ｉ２の定電流と電流値Ｉ３のドレイン電流の両方で充電される。
【００４１】
二次電池１４の電圧が上昇して、所定の電圧Ｖ２に到達すると、定電圧回路１８のオペアンプＡ１の出力電圧が上昇し、ダイオードＤ３を介して、オペアンプＡ１からｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧へ電流が流れるようになる。これにより、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧が上昇する。代わりに、充電電流制御回路５０のオペアンプＡ４の出力は、ほぼ０Ｖまで低下し、ダイオードＤ２を介して、オペアンプＡ４からｐＭＯＳトランジスタのゲート電圧へ電流が流れなくなる。ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧が上昇すると、ｐＭＯＳトランジスタによって出力されるドレイン電流は減少する。二次電池１４の充電がさらに進むと、ｐＭＯＳトランジスタのゲート電圧がさらに大きくなり、ｐＭＯＳトランジスタＭ１はカットオフする。このとき、二次電池１４に流れる全充電電流は、定電圧充電が完了したときに二次電池１４に流れる満充電電流に等しい電流値Ｉ２である。
【００４２】
制御端子電圧検出回路２２の基準電圧Ｅ２を、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ２だけ低下した電圧が、ｐＭＯＳトランジスタＭ１がカットオフするようなゲート電圧に等しくなるように設定すると、制御端子電圧検出回路２２は、制御トランジスタＭ１がカットオフしたとき、充電制御回路２４に充電完了信号Ｓｇ６を出力する。充電制御回路２４は、充電完了信号Ｓｇ６が入力されると、定電圧回路１８および定電流回路２０に、それぞれ、充電制御信号Ｓｇ５および定電流制御信号Ｓｇ３を出力し、その動作を停止させる。
【００４３】
本実施の形態による充電回路においては、定電圧回路１８が駆動し始めた直後であっても、ｐＭＯＳトランジスタＭ１に所定のゲート電圧を印加できる。よって、二次電池１４に、ＡＣアダプタ１０の電流容量やｐＭＯＳトランジスタＭ１の容量に依存することのない所定の定電流を供給できる。これにより、定電圧回路１８が駆動し始めた直後であっても、二次電池１４に対し、損傷を与えることのない適当な電流値の充電電流を流すことができる。
【００４４】
本実施の形態による充電回路においては、充電電流検出用の抵抗が不要であり、抵抗による発熱や電力損失がなく、高精度に二次電池の満充電状態を検出することができる。また、定電流回路２０から出力される電流の電流値を、それぞれ大きさの異なる電流値のなかから選択することができるので、新たに回路を追加することなく過放電電池等に対しても充電を行うことができる。
【００４５】
なお、本実施の形態による充電回路では、制御端子電圧検出回路２２において、基準電圧Ｅ２を発生する定電圧発生回路４２を利用し、その基準電圧Ｅ２を、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ２だけ低下した電圧が、ｐＭＯＳトランジスタＭ１がカットオフするようなゲート電圧に等しくなるように設定する。しかし、これは、充電完了電圧を発生する定電圧発生回路を利用し、その充電完了電圧を、ｐＭＯＳトランジスタＭ１がカットオフするゲート電圧に等しくなるように設定することと同じことである。また、充電電流制御回路５０において、基準電圧Ｅ４を発生する定電圧発生回路４６を利用し、その基準電圧Ｅ４を、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ４だけ低下した電圧が、所定の定電流を出力するｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧に等しくなるように設定する。しかし、これは、ある制御電圧を発生する定電圧発生回路を利用し、その制御電圧を、所定の定電流を出力するｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧に等しくなるように設定することと同じことである。
【００４６】
なお、図４において、制御トランジスタＭ１はｐＭＯＳトランジスタであるが、図３に示すように、バイポーラＰＮＰトランジスタであっても同様の効果が得られる。この場合、制御端子電圧検出回路２２の基準電圧Ｅ２は、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ２だけ低下した電圧が、バイポーラＰＮＰトランジスタがカットオフするバイポーラＰＮＰトランジスタのベース電圧に等しくなるように設定するとよい。また、定電圧発生回路４６の基準電圧Ｅ４は、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ４だけ低下した電圧が、所定の定電流を出力するバイポーラＰＮＰトランジスタのベース電圧に等しくなるように設定すればよい。
【００４７】
なお、本実施の形態による充電回路において、充電電流制御回路５０は、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧を一定に保持し、ｐＭＯＳトランジスタＭ１を介して二次電池１４に所定の定電流を流す。しかし、ｐＭＯＳトランジスタＭ１を介して二次電池１４に所定の定電流を流すことができれば、他の構成を用いてもよい。そのような場合であっても、同様の効果が得られる。ただし、図４および図６のように負荷抵抗Ｒ２を配置する構成にすれば、ｐＭＯＳトランジスタＭ１に印加されるゲート電圧の値を微調節することが容易である。例えば、ｐＭＯＳトランジスタＭ１を、異なるメーカーのｐＭＯＳトランジスタＭ１に交換する場合であっても、そのｐＭＯＳトランジスタＭ１の性能に応じてゲート電圧を容易に調整できる。これにより、ｐＭＯＳトランジスタＭ１の性能に関わらず、二次電池１４に所定の定電流を流すことができる。
【００４８】
また、図４における充電回路において、定電流回路２０が電流値Ｉ１のみを出力する定電流回路であってもよい。図６は、その場合の充電回路を示す図である。定電流回路１４は、電流値Ｉ１を出力する単一の電流源を備えており、充電制御回路２４から出力される定電流制御信号Ｓｇ３によって制御される。
【００４９】
二次電池１４の電圧が、所定の電圧Ｖ１より小さい場合は、充電制御回路２４によって、定電流制御信号Ｓｇ３が入力されて定電流回路２０が起動し、二次電池は、電流値Ｉ１の電流のみで充電される。充電制御回路２４は、電池電圧検出回路１６からの電池電圧信号Ｓｇ２によって、二次電池１４の電圧が所定の電圧Ｖ１に到達したことを検知すると、定電流回路２０に定電流制御信号Ｓｇ３を送り、定電流回路２０の動作を停止させる。さらに、充電制御回路２４は、充電制御信号Ｓｇ５を出力し、定電圧回路１８と充電電流制御回路５０とを起動させる。充電電流制御回路５０と定電圧回路１８の動作は、図４の説明と同じである。
【００５０】
図６の充電回路において、ゲート電圧検出回路２２の基準電圧Ｅ５は、図１および図４の充電回路における基準電圧Ｅ２と異なる。この基準電圧Ｅ５は、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ５だけ低下した電圧が、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のドレイン電流が電流値Ｉ２に等しくなるようにｐＭＯＳトランジスタのゲート端子に印加される電圧と同一である。これにより、充電が定電流充電から定電圧充電に移行し、ｐＭＯＳトランジスタＭ１のゲート電圧が上昇して、ＡＣアダプタ１０の電圧から基準電圧Ｅ５だけ低下した電圧に到達すると、ゲート電圧検出回路２２から充電制御回路２４に充電完了信号Ｓｇ６が出力される。充電制御回路２４は、充電完了信号Ｓｇ６が入力されると、定電圧回路１８と充電電流制御回路５０に充電制御信号Ｓｇ５を出力し、それらの動作を停止させる。
【００５１】
図６に示されるような充電回路において、定電流回路２０は、単一の電流源を備えていればよいので、回路規模が小さくなり、その結果、製造コストが低減される。
【００５２】
【発明の効果】
本発明による二次電池の充電回路によれば、定電圧回路から出力される充電電流を、抵抗を用いずに検出して充電を完了するため、抵抗による発熱や電力損失がなく、高精度に二次電池の満充電状態を検出することができるようになった。
【００５３】
また、本発明による二次電池の充電回路によれば、二次電池の電圧が所定の電圧より小さい場合は、そのような場合に適した大きさの電流で充電を行うことができるので、過放電状態にある二次電池も充電できるようになった。また、それが、回路規模の増大を抑えて実現できるので、製造コストの低減を図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態による充電回路を示す図。
【図２】 （１）は、図１の回路における充電時間の経過による二次電池の電圧の変化を示す図、（２）は、図１の回路における充電時間の経過による充電電流の変化を示す図、（３）は、図１の回路における充電時間の経過によるｐＭＯＳトランジスタのゲート電圧の変化を示す図。
【図３】 代替のバイポーラトランジスタを示す図。
【図４】 本発明の第２の実施の形態による充電回路を示す図。
【図５】 （１）は、図４の回路における充電時間の経過による二次電池の電圧の変化を示す図、（２）は、図４の回路における充電時間の経過による充電電流の変化を示す図、（３）は、図４の回路における充電時間の経過によるｐＭＯＳトランジスタのゲート電圧の変化を示す図。
【図６】 本発明の第２の実施の形態によるもう１つの充電回路を示す図。
【図７】 従来の充電回路を示す図。
【符号の説明】
１０ ＡＣアダプタ
１２ アダプタ検出回路
１４ 二次電圧
１６ 電池電圧検出回路
１８ 定電圧回路
２０ 定電流回路
２２ ゲート電圧検出回路
２４ 充電制御回路
４０、４２、４４、４６、４８ 定電圧発生回路
５０ 充電電流制御回路

Claims (18)

1. 二次電池の充電を行う充電回路において、
   所定の直流電源と前記二次電池との間に直列に接続され、入力された制御信号に応じて、あらかじめ設定された２つの定電流のうち一方を、前記二次電池に出力する定電流回路部と、
   前記定電流回路部に並列に接続され、前記二次電池に所定の定電圧を印加して充電を行う定電圧回路部と、
   前記二次電池の電圧を検出して出力する電池電圧検出回路部と、
   前記定電圧回路部からの電流出力が停止すると所定の充電完了信号を出力する充電電流検出回路部と、
   前記充電完了信号が入力されると、前記定電流回路部および前記定電圧回路部の動作を停止させる充電制御回路部と
   を備え、
   前記充電制御回路部は、定電流回路部に対して、前記二次電池の電圧が所定電圧未満の場合は、所定の第１の定電流を出力させる制御信号を出力し、前記二次電池の電圧が所定電圧以上の場合は、前記第１の定電流よりも大きい所定の第２の定電流を出力させる制御信号を出力することを特徴とする充電回路。
2. さらに、前記二次電池に充電電流を供給する直流電源を備えることを特徴とする請求項１に記載の充電回路。
3. さらに、前記定電圧回路部から出力される電流の制御を行う充電電流制御回路部を備え、
   前記充電電流制御回路部は、定電圧回路部に対して、定電圧回路部の出力電流の最大値が所定値になるように動作制御を行い、
   前記充電制御回路部は、前記充電完了信号が入力されると、さらに、前記充電電流制御回路部の動作を停止させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の充電回路。
4. 前記定電圧回路部は、
   所定の定電圧を生成して出力する定電圧発生回路と、
   前記二次電池の電圧とその定電圧とを比較し、その比較結果を示す信号を出力する電圧比較器と、
   前記比較結果を示す信号に応じた電流を、所定の直流電源から前記二次電池に出力する制御トランジスタと
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の充電回路。
5. さらに、前記定電圧回路部は、前記電圧比較器へ流れる電流を阻止するダイオードを備えることを特徴とする請求項４に記載の充電回路。
6. 前記充電電流制御回路部は、
   所定の第２定電圧を生成して出力する第２の定電圧発生回路と、
   前記制御トランジスタの制御端子に印加される電圧と前記第２定電圧とを比較し、その比較結果を示す信号を出力する第２の電圧比較器と、
   前記制御端子から前記第２の電圧比較器に流れる電流を阻止する第２のダイオードと
   を備えることを特徴とする請求項５に記載の充電回路。
7. 前記充電電流検出回路部は、前記電圧比較器から出力される信号を検出し、その検出した信号から前記定電圧回路部の出力電流が停止したことを検知する請求項４から請求項６のいずれかに記載の充電回路。
8. 前記充電電流検出回路部は、
   所定の第３定電圧を生成して出力する第３の定電圧発生回路と、
   前記制御トランジスタの制御端子に印加される電圧と前記第３定電圧とを比較し、その制御端子に印加される電圧と前記第３定電圧が等しい場合に、充電完了信号を出力する第３の電圧比較器と
   を備え、
   前記第３定電圧は、前記制御トランジスタがカットオフするように前記制御端子に印加される電圧であることを特徴とする請求項７に記載の充電回路。
9. 二次電池の充電を行う充電回路において、
   所定の直流電源と前記二次電池との間に直列に接続され、前記二次電池に所定の定電圧を印加して充電を行う定電圧回路部と、
   前記二次電池の電圧を検出して出力する電池電圧検出回路部と、
   前記定電圧回路部からの出力電流が所定値になると、所定の充電完了信号を出力する充電電流検出回路部と、
   前記充電完了信号が入力されると、前記定電圧回路部の動作を停止させる充電制御回路部と
   を備え、
   前記定電圧回路部は、
   所定の定電圧を生成して出力する定電圧発生回路と、
   前記二次電池の電圧とその定電圧とを比較し、その比較結果を示す信号を出力する電圧比較器と、
   前記比較結果を示す信号に応じた電流を、所定の直流電源から前記二次電池に出力する制御トランジスタと
   を備え、
   前記充電電流検出回路部は、
   前記電圧比較器から出力される信号を検出し、その検出した信号から前記制御トランジスタの出力電流が所定値であることを検知して、充電完了信号を出力することを特徴とする充電回路。
10. さらに、前記二次電池に充電電流を供給する直流電源を備えることを特徴とする請求項９に記載の充電回路。
11. 前記充電電流検出回路部は、
    所定の第２定電圧を生成して出力する第２の定電圧発生回路と、
    制御トランジスタの制御端子に印加される電圧と前記第２定電圧とを比較し、その制御端子に印加される電圧と前記第２定電圧が等しい場合に、充電完了信号を出力する第２の電圧比較器と
    を備え、
    前記第２定電圧は、前記制御トランジスタの出力電流が所定値であるように前記制御端子に印加される電圧であることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の充電回路。
12. さらに、前記定電圧回路部は、前記電圧比較器へ流れる電流を阻止するダイオードを備えることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれかに記載の充電回路。
13. さらに、前記定電圧回路部から出力される電流の制御を行う充電電流制御回路部を備え、
    前記充電電流制御回路部は、定電圧回路部に対して、定電圧回路部の出力電流の最大値が所定値になるように動作制御を行い、
    前記充電制御回路部は、前記充電完了信号が入力されると、さらに、前記充電電流制御回路部の動作を停止させることを特徴とする請求項１２に記載の充電回路。
14. 前記充電電流制御回路部は、
    所定の第３定電圧を生成して出力する第３の定電圧発生回路と、
    制御トランジスタの制御端子に印加される電圧と前記第３定電圧とを比較し、その比較結果を示す信号を出力する第３の電圧比較器と、
    前記制御端子から前記第３の電圧比較器に流れる電流を阻止する第２のダイオードと
    を備えることを特徴とする請求項１３に記載の充電回路。
15. さらに、前記定電圧回路部に並列に接続され、あらかじめ設定された定電流を、前記二次電池に出力する定電流回路部を備え、
    前記充電制御回路部は、前記定電流回路部に対して、前記二次電池の電圧が所定電圧未満の場合は、前記定電流回路部を駆動させ、前記二次電池の電圧が所定電圧以上の場合は、前記定電流回路部を停止させることを特徴とする請求項９から請求項１４のいずれかに記載の充電回路。
16. 前記定電圧回路部が、さらに、前記二次電池から前記制御トランジスタを介して前記直流電源へ流れる電流を阻止する第３のダイオードを備えることを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれかに記載の充電回路。
17. 前記制御トランジスタは、ｐチャネル型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項４から請求項１６のいずれかに記載の充電回路。
18. 前記制御トランジスタは、ＰＮＰバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項４から請求項１６のいずれかに記載の充電回路。

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