JP5706648B2 - 充放電制御回路及びバッテリ装置 - Google Patents

Description

本発明は、二次電池の電圧や異常を検知する充放電制御回路及びバッテリ装置に関し、特に、１つの充放電制御ＭＯＳＦＥＴで制御することのできる充放電制御回路及びバッテリ装置に関する。

図３に、従来の充放電制御回路を備えたバッテリ装置の回路図を示す。従来の充放電制御回路を備えたバッテリ装置は、２次電池１０１の負極側に、双方向に通電遮断可能なエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６を直列に接続される。端子１２０及び１２１には充電回路あるいは負荷が接続され、充放電電流はこの端子を通して２次電池１０１に供給あるいは放出される。制御回路１０２は２次電池１０１及びエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６の電圧を検出し、その値に応じてスイッチ３０１、３０４、３０５のオン、オフを制御する。エンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６は、ゲート端子の電位が正のしきい値電圧以上ではドレイン端子とソース端子間は双方向に通電可能となり、ゲート端子の電位がしきい値電圧以下になるとドレイン端子とソース端子間はオフ状態となる。

充電禁止状態ついて説明する。充電器を端子１２０、１２１間に接続するとエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６のドレイン端子−ソース端子間の電圧Ｖｄｓは正の値となる。制御回路１０２はＶｄｓが正であることを検出し、スイッチ３０１をオンし、スイッチ３０５、３０４をオフする。これによりエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６のゲート端子はソース端子より２次電池１０１の電圧分だけ高電位になり、エンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６は通電状態となる。

２次電池１０１が充電され電池電圧が設定上限値に達すると制御回路１０２はスイッチ３０１をオフ、スイッチ３０５、３０４をオンする。するとエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６のゲート端子はソース端子と同電位となり、エンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６はオフ状態となる。その結果充電電流は遮断され、２次電池１０１が過充電されるのを防止する。またこのときダイオード３０２は逆バイアスとなりスイッチ３０４及びスイッチ３０５を通って電流が流れるのを防止している。

充電電流を遮断すると、内部抵抗による電圧降下が無くなるため、２次電池１０１の電圧は低下する。この電圧低下により再度充電が開始されるのを防止するため、充電禁止となった後は、２次電池１０１がある程度放電されて電圧が設定した値以下になるまで充電禁止状態を保持すると良い。充電禁止状態において端子１２０、１２１間に負荷が接続されるとＶｄｓは正から負に切り替わる。制御回路１０２はＶｄｓが負の場合は放電し、正の場合には充電電流を遮断するようにスイッチ３０１、３０４、３０５を制御すればよい。

上記説明では充電停止時にはスイッチ３０４、３０５はともにオンとした。しかしスイッチ３０４はオフしても同様に充電停止可能である。スイッチ３０４のオン、オフに関わらず、スイッチ３０５がオンしているためゲート端子はソース端子と同電位となり、エンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６はオフ状態となる。またダイオード３０２によりスイッチ３０４、３０５を通って流れる電流も遮断されるためである。

但し上で説明した充電時、及び後で述べる放電時にはスイッチ３０４、３０５はともにオフである。そのため充電停止時にスイッチ３０４、３０５はともにオンとし、後で説明するように放電停止時にもスイッチ３０４、３０５はともにオンとすれば、２つのスイッチは常に同時にオンあるいはオフとなる。したがって、スイッチ３０４、３０５を独立して制御する必要がなく、制御回路の構成を簡単に出来る。

次に放電禁止状態について説明する。負荷を端子１２０、１２１間に接続するとエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６のドレイン端子−ソース端子間の電圧Ｖｄｓは負の値となる。制御回路１０２はＶｄｓが負であることを検出し、スイッチ３０１をオンし、スイッチ３０４、３０５をオフする。これによりエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６のゲート端子はドレイン端子より２次電池１０１の電圧分だけ高電位になりエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６は通電状態となる。

２次電池１０１の放電が進み電池電圧が設定下限値に達すると制御回路１０２はスイッチ３０１をオフ、スイッチ３０４、３０５をオンする。するとエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６のゲート端子はドレイン端子と同電位となりエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６はオフ状態となる。その結果放電電流は遮断され、２次電池１０１が過放電されるのを防止する。またこのときダイオード３０３は逆バイアスとなりスイッチ３０４及びスイッチ３０５を通って電流が流れるのを防止している。

放電電流を遮断すると、内部抵抗による電圧降下が無くなるため、２次電池１０１の電圧は上昇する。この電圧上昇により再度放電が開始されるのを防止するため、放電禁止となった後は、２次電池１０１がある程度充電されて電圧が設定した値以上になるまで、放電禁止状態を保持すると良い。放電禁止状態において端子１２０、１２１間に充電回路が接続されるとＶｄｓは負から正に切り替わる。制御回路１０２はＶｄｓが正の場合は充電し、負の場合には放電電流を遮断するようにスイッチ３０１、３０４、３０５を制御すればよい。

上記説明では放電停止時にはスイッチ３０４、３０５はともにオンとした。しかしスイッチ３０５はオフしても同様に放電停止可能である。スイッチ３０５のオン、オフに関わらず、スイッチ３０４がオンしているためゲート端子はドレイン端子と同電位となり、エンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６はオフ状態となる。またダイオード３０３によりスイッチ３０５、３０４を通って流れる電流も遮断されるためである。

但し放電停止時にスイッチ３０４、３０５はともにオンとすれば、前に説明したように２つのスイッチは常に同時にオンあるいはオフとなる。したがってスイッチ３０４、３０５を独立して制御する必要がなく、制御回路１０２の構成を簡単に出来る。

エンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６には内蔵のダイオード３２１、３２２が形成される。しかしこれらは逆方向に直列接続されており導通することはなく、上で説明した保護動作に影響することはない。

エンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６は横型構造でも縦型構造でもよい。横型構造とすればエンハンスメント型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３０６と制御回路１０２を１個のＩＣで構成することが容易である。従って従来ＩＣ１個とスイッチ２個で構成していた過充電・過放電保護回路をＩＣ１個で構成できるため小型化，低コスト化を図ることが可能である。一方縦型構造とすれば横型構造に比較して低損失化を図ることが出来る。

特開２０００-１０２１８２号公報（図９）

しかしながら従来の技術では、素子数が多くレイアウト面積が大きいという課題があった。
本発明は、以上のような課題を解決するために考案されたものであり、レイアウト面積を小さくできる充放電制御回路路及びバッテリ装置を提供するものである。

従来の課題を解決するために、本発明の充放電制御回路を備えたバッテリ装置は以下のような構成とした。

一つの双方向導通型電界効果トランジスタによって、二次電池の充放電を制御する充放電制御回路であって、前記二次電池の両端が接続され、前記二次電池の電圧を監視する制御回路と、第一の端子と第二の端子を有し、前記制御回路の出力により双方向導通型電界効果トランジスタのゲートを制御するスイッチ回路と、を備え、前記第一の端子が前記双方向導通型電界効果トランジスタのバックゲートに接続されたことを特徴とする充放電制御回路。

本発明の充放電制御回路を備えたバッテリ装置によれば、使用する素子を減らすことでレイアウト面積を縮小することができる。

第一の実施形態の充放電制御回路を備えたバッテリ装置の回路図である。 第二の実施形態の充放電制御回路を備えたバッテリ装置の回路図である。 従来の充放電制御回路を備えたバッテリ装置の回路図である。

本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

図１は、第一の実施形態の充放電制御回路１５１を備えたバッテリ装置の回路図である。
本実施形態の充放電制御回路１５１を備えたバッテリ装置は、二次電池１０１と、制御回路１０２と、双方向導通型電界効果トランジスタ１１４と、充電器１３２または負荷１３１が接続される外部端子１２０及び１２１と、ＰＭＯＳトランジスタ１１０と、ＮＭＯＳトランジスタ１１１とを備えている。ＰＭＯＳトランジスタ１１０とＮＭＯＳトランジスタ１１１と端子１２４（第二の端子）と端子１２５（第一の端子）でスイッチ回路１５２を構成している。

二次電池１０１の両端は正極電源端子１２２と負極電源端子１２３に接続される。制御回路１０２は、正極電源として正極電源端子１２２に接続され、負極電源として端子１２５に接続され、出力はＰＭＯＳトランジスタ１１０のゲートとＮＭＯＳトランジスタ１１１のゲートに接続される。ＰＭＯＳトランジスタ１１０は、ソースは端子１２４を介して正極電源端子１２２および外部端子１２０に接続され、ドレインはＮＭＯＳトランジスタ１１１のドレインに接続される。ＮＭＯＳトランジスタ１１１は、ソースおよびバックゲートは端子１２５を介して双方向導通型電界効果トランジスタ１１４のバックゲートに接続され、ドレインは双方向導通型電界効果トランジスタ１１４のゲートに接続される。双方向導通型電界効果トランジスタ１１４は、ドレインは負極電源端子１２３に接続され、ソースは外部端子１２１に接続される。

次に本実施形態の充放電制御回路１５１を備えたバッテリ装置の動作について説明する。
外部端子１２０、１２１に充電器１３２が接続され、制御回路１０２によって二次電池１０１が充放電可能状態である事を検出すると、制御回路１０２はＬｏｗを出力してＰＭＯＳトランジスタ１１０をオン、ＮＭＯＳトランジスタ１１１をオフさせる。すると双方向導通型電界効果トランジスタ１１４は、ゲート電極が正極電源端子１２２に接続されオン状態となる。こうして充放電が行われる。ここで制御回路１０２の負極電源は端子１２５に接続されるため、負極電源端子１２３および外部端子１２１の低い方の電圧をＬｏｗとして出力することができる。

外部端子１２０、１２１に充電器１３２が接続され、制御回路１０２によって二次電池１０１が充電禁止状態になった事を検出すると、制御回路１０２はＨｉｇｈを出力してＰＭＯＳトランジスタ１１０をオフ、ＮＭＯＳトランジスタ１１１をオンさせる。すると双方向導通型電界効果トランジスタ１１４は、ゲートが寄生ダイオード１６２、端子１２５、ＮＭＯＳトランジスタ１１１を介して外部端子１２１にプルダウンされてオフ状態となる。こうして、充電電流は遮断され二次電池１０１が過充電となるのを防止する。

外部端子１２０、１２１に負荷１３１が接続され、制御回路１０２によって二次電池１０１が放電禁止状態になった事を検出すると、制御回路１０２はＨｉｇｈを出力してＰＭＯＳトランジスタ１１０をオフ、ＮＭＯＳトランジスタ１１１をオンさせる。すると双方向導通型電界効果トランジスタ１１４は、ゲートが寄生ダイオード１６１、端子１２５、ＮＭＯＳトランジスタ１１１を介して負極電源端子１２３にプルダウンされてオフ状態となる。こうして、放電電流は遮断され二次電池１０１が過放電となるのを防止する。

なお、双方向導通型電界効果トランジスタ１１４は外付けで充放電制御回路１５１に接続しても良い。

以上に説明したように、本実施形態の充放電制御回路１５１を備えたバッテリ装置によれば、使用する素子の少ない構成で二次電池１０１が充電禁止状態になったとき充電電流を遮断することができ、放電禁止状態になったとき放電電流を遮断することができる。

図２は、第二の実施形態の充放電制御回路２５１を備えたバッテリ装置の回路図である。
第二の実施形態の充放電制御回路２５１を備えたバッテリ装置は、二次電池１０１と、制御回路１０２と、双方向導通型電界効果トランジスタ２１４と、充電器１３２または負荷１３１が接続される外部端子１２０及び１２１と、ＰＭＯＳトランジスタ２１０と、ＮＭＯＳトランジスタ２１１とを備えている。ＰＭＯＳトランジスタ２１０とＮＭＯＳトランジスタ２１１と端子１２４（第二の端子）と端子１２５（第一の端子）でスイッチ回路２５２を構成している。

二次電池１０１の両端は正極電源端子１２２と負極電源端子１２３に接続される。制御回路１０２は正極電源として端子１２５に接続され、負極電源として負極電源端子１２３に接続され、出力はＰＭＯＳトランジスタ２１０のゲートとＮＭＯＳトランジスタ２１１のゲートに接続される。ＰＭＯＳトランジスタ２１０は、ソースおよびバックゲートは端子１２５を介して双方向導通型電界効果トランジスタ２１４のバックゲートに接続され、ドレインはＮＭＯＳトランジスタ２１１のドレインに接続される。ＮＭＯＳトランジスタ２１１は、ソースは端子１２４を介して負極電源端子１２３および外部端子１２１に接続され、ドレインは双方向導通型電界効果トランジスタ２１４のゲートに接続される。双方向導通型電界効果トランジスタ２１４は、ドレインは正極電源端子１２２に接続され、ソースは外部端子１２０に接続される。

次に第二の実施形態の充放電制御回路２５１を備えたバッテリ装置の動作について説明する。
外部端子１２０、１２１に充電器１３２が接続され、制御回路１０２によって二次電池１０１が充放電可能状態である事を検出すると、制御回路１０２はＨｉｇｈを出力してＰＭＯＳトランジスタ２１０をオフ、ＮＭＯＳトランジスタ２１１をオンさせる。すると双方向導通型電界効果トランジスタ２１４は、ゲート電極が負極電源端子１２３に接続されオン状態となる。こうして充放電が行われる。ここで制御回路１０２の正極電源は端子１２５に接続されるため、正極電源端子１２２および外部端子１２０の高い方の電圧をＨｉｇｈとして出力することができる。

外部端子１２０、１２１に充電器１３２が接続され、制御回路１０２によって二次電池１０１が充電禁止状態になった事を検出すると、制御回路１０２はＬｏｗを出力してＰＭＯＳトランジスタ２１０をオン、ＮＭＯＳトランジスタ２１１をオフさせる。すると双方向導通型電界効果トランジスタ２１４は、ゲートが寄生ダイオード２６２、端子１２５、ＰＭＯＳトランジスタ２１０を介して外部端子１２０にプルアップされてオフ状態となる。こうして、充電電流は遮断され二次電池１０１が過充電となるのを防止する。

外部端子１２０、１２１に負荷１３１が接続され、制御回路１０２によって二次電池１０１が放電禁止状態になった事を検出すると、制御回路１０２はＬｏｗを出力してＰＭＯＳトランジスタ２１０をオン、ＮＭＯＳトランジスタ２１１をオフさせる。すると双方向導通型電界効果トランジスタ２１４は、ゲートが寄生ダイオード２６１、端子１２５、ＰＭＯＳトランジスタ２１０を介して正極電源端子１２２にプルアップされてオフ状態となる。こうして、放電電流は遮断され二次電池１０１が過放電となるのを防止する。

なお、双方向導通型電界効果トランジスタ２１４は外付けで充放電制御回路２５１に接続しても良い。

以上に説明したように、第二の実施形態の充放電制御回路２５１を備えたバッテリ装置によれば、使用する素子の少ない構成で二次電池１０１が充電禁止状態になったとき充電電流を遮断することができ、放電禁止状態になったとき放電電流を遮断することができる。

１０１ 二次電池
１０２ 制御回路
１５１、２５１ 充放電制御回路
１５２、２５２ スイッチ回路
１１４、２１４ 双方向導通型電界効果トランジスタ
１２０、１２１ 外部端子
１２２ 正極電源端子
１２３ 負極電源端子
１２４、１２５ 端子
１３１ 負荷
１３２ 充電器
１６１、１６２、２６１、２６２、３２１、３２２ 寄生ダイオード
３０２、３０３ ダイオード

Claims (7)

1. 二次電池の第一電源端子と第一外部端子の間に設けられた一つの双方向導通型電界効果トランジスタによって、二次電池の充放電を制御する充放電制御回路であって、
   前記二次電池の両端に接続され、前記二次電池の電圧を監視する制御回路と、
   第一の端子と、前記二次電池の第二電源端子に接続された第二の端子を有し、前記制御回路の出力により前記双方向導通型電界効果トランジスタのゲートを制御するスイッチ回路と、を備え、
   前記スイッチ回路の第一の端子が前記双方向導通型電界効果トランジスタのバックゲートに接続され、前記スイッチ回路の第一の端子の電圧を前記二次電池の第一電源端子と前記第一外部端子の電圧のいずれか低いほうにすることを特徴とする充放電制御回路。
2. 前記スイッチ回路は、
   ゲートが前記制御回路の出力に接続され、ドレインが前記双方向導通型電界効果トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記スイッチ回路の第二の端子に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタと、
   ゲートが前記制御回路の出力に接続され、ドレインが前記双方向導通型電界効果トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記スイッチ回路の第一の端子に接続されたＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成され、
   前記スイッチ回路の第一の端子が前記双方向導通型電界効果トランジスタのバックゲートに接続されたことを特徴とする請求項１に記載の充放電制御回路。
3. 前記制御回路は、
   負極電源端子が前記スイッチ回路の第一の端子に接続されたことを特徴とする請求項１または２に記載の充放電制御回路。
4. 二次電池の第二電源端子と第二外部端子の間に設けられた一つの双方向導通型電界効果トランジスタによって、二次電池の充放電を制御する充放電制御回路であって、
   前記二次電池の両端に接続され、前記二次電池の電圧を監視する制御回路と、
   第一の端子と、前記二次電池の第一電源端子に接続された第二の端子を有し、前記制御回路の出力により前記双方向導通型電界効果トランジスタのゲートを制御するスイッチ回路と、を備え、
   前記スイッチ回路の第一の端子が前記双方向導通型電界効果トランジスタのバックゲートに接続され、前記スイッチ回路の第一の端子の電圧を前記二次電池の第二電源端子と前記第二外部端子の電圧のいずれか高いほうにすることを特徴とする充放電制御回路。
5. 前記スイッチ回路は、
   ゲートが前記制御回路の出力に接続され、ドレインが前記双方向導通型電界効果トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記スイッチ回路の第一の端子に接続されたＰチャネルＭＯＳトランジスタと、
   ゲートが前記制御回路の出力に接続され、ドレインが前記双方向導通型電界効果トランジスタのゲートに接続され、ソースが前記スイッチ回路の第二の端子に接続されたＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成され、
   前記スイッチ回路の第一の端子が前記双方向導通型電界効果トランジスタのバックゲートに接続されたことを特徴とする請求項４に記載の充放電制御回路。
6. 前記制御回路は、
   正極電源端子が前記スイッチ回路の第一の端子に接続されたことを特徴とする請求項４または５に記載の充放電制御回路。
7. 充放電が可能な二次電池と、
   前記二次電池の第一電源端子と第一外部端子の間の充放電経路に設けられた、前記二次電池の充放電を制御する充放電制御スイッチである、一つの双方向導通型電界効果トランジスタと、
   前記二次電池の電圧を監視し、前記充放電制御スイッチを開閉することによって前記二次電池の充放電を制御する請求項１から６のいずれかに記載の充放電制御回路と、
   を備えたバッテリ装置。

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