JP5989532B2 - 充電システムを備える半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電手段の発電電力を蓄電手段へ充電するシステムを備える半導体装置に関し、より詳しくは、蓄電手段への過充電を防止する過充電防止回路に関する。

図７は、従来の充電システムを備える半導体装置の回路図である。発電手段として太陽電池１１と、蓄電手段として二次電池１２と、逆流防止回路としてダイオード１３と、電圧検出回路１４と、スイッチ手段１５を備えている。電圧検出回路１４とスイッチ手段１５は、過充電防止回路を構成する。
太陽電池１１から二次電池１２への充電経路に逆流防止ダイオード１３を接続し、スイッチ手段１５を太陽電池１１と並列に接続する。

二次電池１２で駆動する電圧検出回路１４が二次電池１２の電圧を監視し、過充電電圧に達すると、スイッチ手段をＯＮし、太陽電池をショートし過充電を防止する。電圧検出回路１４が過充電を検出しないときは、太陽電池１１の発電に応じて二次電池１２へ充電を行なう。逆流防止ダイオード１３の動作により二次電池１２から太陽電池１１への逆流は防止される（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−３３６９１４号公報

しかしながら、従来の充電システムを備える半導体装置は、電圧検出回路１４を二次電池１２で駆動するため、二次電池１２の消費電力が大きくなるという問題がある。図示はしないが、二次電池１２で駆動する負荷回路は電池の長寿命化のため、極低消費で動作する設計がなされる中、電圧検出回路１４で余分な電力消費することは致命的な欠点である。

さらに、充電経路に逆流防止ダイオード１３を設けているため、充電時に逆流防止ダイオードの順方向電圧分の電圧損失が発生し、充電効率を悪化させる。本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、二次電池１２の電力消費をゼロに抑え、かつ充電効率の良い充電システムを備える半導体装置を提供する。

本発明の充電システムを備える半導体装置は、従来の課題を解決するために、電力を供給する発電手段と、発電手段の電力を蓄電する蓄電手段と、発電手段の電力を蓄電手段に充電する為の充電経路に設けられたスイッチ手段と、発電手段の電力で駆動され参照電圧と蓄電手段の蓄電電圧を比較する比較器と、比較器とスイッチ手段の間に設けられ比較器の判定結果を発電電圧から蓄電電圧へ電圧レベル変換しスイッチ手段へ伝えるレベル変換器と、を備える。

本発明によれば、蓄電手段の電力消費をゼロに抑えることができるため、二次電池の消費電力を小さくすることができ、かつ充電効率を良くすることができる。

本発明の第一の実施形態の充電システムを備える半導体装置のブロック図である。 本発明の第一の実施形態の充電システムを備える半導体装置のブロック図である。 本発明の第一の実施形態の充電システムを備える半導体装置の過充電防止回路の動作説明図である。 第一の実施形態の過充電防止回路の所定電圧出力回路の一例である。 第一の実施形態の過充電防止回路の比較器、レベル変換器の一例である。 第一の実施形態の過充電防止回路の定電圧出力手段の動作説明図である。 従来の充電システムを備える半導体装置のブロック図である。 本発明の第二の実施形態の充電システムを備える半導体装置のブロック図である。 本発明の第二の実施形態の充電システムを備える半導体装置の動作説明図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。実施形態の説明において前提条件として、高電位側を接地電位とし、発電手段１は負電圧を発電し、蓄電手段２は負電圧を蓄電する状況での説明を行なう。すなわち、電圧が高い、電圧が上といった表記は電圧の絶対値が小さいことを示し、電圧が低い、電圧が下といった表記は電圧の絶対値が大きいことを示す。

＜第一の実施形態＞
図１に、本発明の第一の実施形態の充電システムを備える半導体装置のブロック図を示す。第一の実施形態の充電システムは、発電手段１と、蓄電手段２と、充電経路に設けられたスイッチ手段５と、発電電圧ＶＧＥＮで駆動し定電圧Ｖ１を出力する定電圧出力手段６と、発電電圧ＶＧＥＮで駆動し定電圧Ｖ１と蓄電電圧ＶＳＴＯを比較する比較器３と、比較器３の出力を必要に応じて蓄電電圧ＶＳＴＯの電圧レベルに変換しスイッチ手段５の制御端子へ出力するレベル変換器４とを備えている。

定電圧出力手段６の動作について説明をする。図６に、定電圧出力手段６の出力波形を示す。ｔ０からしばらくして発電電圧ＶＧＥＮが負電圧を出力しているが、このとき定電圧Ｖ１は発電電圧ＶＧＥＮと同じ電圧を出力する。ｔ３の時点で発電電圧ＶＧＥＮが過充電防止電圧ＶＬＩＭに到達し、これ以下に発電電圧ＶＧＥＮが負電圧出力しても定電圧Ｖ１は、過充電防止電圧ＶＬＩＭの電圧レベルのままを維持する。

比較器３は、蓄電電圧ＶＳＴＯに比べ定電圧Ｖ１が高い時にＬｏｗレベルを出力し、蓄電電圧ＶＳＴＯに比べ定電圧Ｖ１が低い時にＨｉｇｈレベルを出力する。
レベル変換器４は、発電電圧ＶＧＥＮレベルを必要に応じて蓄電電圧ＶＳＴＯレベルに変換し、比較器３の出力が不定のときはＬｏｗレベルを出力する。
スイッチ手段５は、制御端子にＨｉｇｈレベルの信号ＶＳＷが入力されると充電経路を導通し、Ｌｏｗレベルの信号ＶＳＷが入力されると充電経路を遮断する。

図３は、図１に示す過充電防止回路の動作説明図である。ｔ０からｔ５に時間が進むにつれ、発電手段１が負電圧を発電し、電圧が下がる様子を示している。
ｔ０〜ｔ１の期間は、定電圧Ｖ１が蓄電電圧ＶＳＴＯよりも高く、比較器３の判定によりスイッチ手段５の制御端子にＬｏｗレベルの信号ＶＳＷが入力され、充電経路は遮断される、非充電状態（逆流防止状態）である。

ｔ１〜ｔ２の期間は、定電圧Ｖ１が蓄電電圧ＶＳＴＯよりも低く、比較器３の判定によりスイッチ手段５の制御端子にＨｉｇｈレベルの信号ＶＳＷが入力され、充電経路は導通する。
しかし、蓄電電圧ＶＳＴＯと発電電圧ＶＧＥＮの差の絶対値｜ＶＳＴＯ−ＶＧＥＮ｜がスイッチ手段５のオン抵抗に発生する電圧ＶＲＯＮ未満であるため充電電流は流れず、非充電状態である。

ｔ２〜ｔ３の期間は、発電電圧ＶＧＥＮが蓄電電圧ＶＳＴＯよりも低く、蓄電電圧ＶＳＴＯと発電電圧ＶＧＥＮの差の絶対値｜ＶＳＴＯ−ＶＧＥＮ｜がスイッチ手段５のオン抵抗に発生する電圧ＶＲＯＮを超えるため、充電電流が流れる。すなわち、蓄電手段２が充電される充電状態である。

ｔ３の時点で発電電圧ＶＧＥＮが過充電防止電圧ＶＬＩＭに達し、これ以降定電圧Ｖ１は過充電防止電圧ＶＬＩＭの電圧レベルを維持する。
ｔ４の時点で充電された蓄電電圧ＶＳＴＯが定電圧Ｖ１に達し、比較器３の判定によりスイッチ手段５の制御端子にＬｏｗレベルの信号ＶＳＷが入力され、充電経路は遮断され、非充電状態（過充電防止状態）になる。

図２に、スイッチ手段５の具体的な一例を示し、スイッチ手段５とレベル変換器４についてより詳細に説明をする。
スイッチ手段５は、バックゲート端子と一方の拡散端子とを蓄電電圧ＶＳＴＯへ接続したＮＭＯＳトランジスタ５１と、バックゲート端子と一方の拡散端子とを発電電圧ＶＧＥＮへ接続し、他方の拡散端子はＮＭＯＳトランジスタ５１の他方の拡散端子に接続したＮＭＯＳトランジスタ５２とで構成される。このように接続すると、ＮＭＯＳトランジスタ５１の他方の拡散端子をカソード端子、バックゲート端子をアノード端子とした寄生ダイオード５３が形成される。同様にＮＭＯＳトランジスタ５２の他方の拡散端子をカソード端子、バックゲート端子をアノード端子とした寄生ダイオード５４が形成される。寄生ダイオード５３、５４は発電手段１と蓄電手段２の間に互いに逆向きに接続されるため、発電電圧ＶＧＥＮと蓄電電圧ＶＳＴＯが寄生ダイオード５３、５４を介して導通することはない。ＭＯＳトランジスタのオン抵抗に発生する電圧ＶＲＯＮはダイオードの順方向電圧よりも小さいため、充電効率を良くすることができる。

レベル変換器４は、入力された発電電圧ＶＧＥＮレベルの信号を蓄電電圧ＶＳＴＯレベルに変換された信号ＶＳＷ１と、レベル変換せずに発電電圧ＶＧＥＮレベルのままである信号ＶＳＷ２の２系統の信号を出力する。信号ＶＳＷ１はＮＭＯＳトランジスタ５１のゲート端子に、信号ＶＳＷ２はＮＭＯＳトランジスタ５２のゲート端子にそれぞれ入力される。

図２に示すように構成されたスイッチ手段５とレベル変換器４は、以下のように動作する。
ｔ０からｔ１の期間は逆流防止状態であり、信号ＶＳＷ１と信号ＶＳＷ２はＬｏｗレベルになる。信号ＶＳＷ１のＬｏｗレベルはレベル変換器４でレベル変換されるため蓄電電圧ＶＳＴＯであり、一方、信号ＶＳＷ２のＬｏｗレベルはレベル変換されないため発電電圧ＶＧＥＮである。このとき、最も低い電圧は蓄電電圧ＶＳＴＯであり、ＮＭＯＳトランジスタ５１のゲート端子と蓄電手段側に接続された拡散端子が、共に蓄電電圧ＶＳＴＯであるため、ＮＭＯＳトランジスタ５１は確実にＯＦＦすることができる。ＮＭＯＳトランジスタ５２のゲート端子はＬｏｗレベルであるが、蓄電電圧ＶＳＴＯよりも高い発電電圧ＶＧＥＮであるため、ＮＭＯＳトランジスタ５２は確実にＯＦＦする保証は無い。しかし、ＮＭＯＳトランジスタ５１がＯＦＦとなるため全体の動作に支障は無い。

ｔ１からｔ４の期間はスイッチ手段５をＯＮさせる期間であり、信号ＶＳＷ１と信号ＶＳＷ２はＨｉｇｈレベルになる。信号ＶＳＷ１と信号ＶＳＷ２は、レベル変換の有無に関わらず接地電圧ＶＤＤが出力される。接地電圧ＶＤＤは最も高い電圧であるため、ＮＭＯＳトランジスタ５１、５２共に確実にＯＮさせることができる。

ｔ４からｔ５の期間は過充電防止状態であり、信号ＶＳＷ１と信号ＶＳＷ２はＬｏｗレベルになる。信号ＶＳＷ１のＬｏｗレベルはレベル変換器４でレベル変換されるため蓄電電圧ＶＳＴＯであり、一方、信号ＶＳＷ２のＬｏｗレベルはレベル変換されないため発電電圧ＶＧＥＮである。このとき、最も低い電圧は発電電圧ＶＧＥＮであり、ＮＭＯＳトランジスタ５２のゲート端子と発電手段側に接続された拡散端子が、共に発電電圧ＶＧＥＮであるため、ＮＭＯＳトランジスタ５２は確実にＯＦＦすることができる。ＮＭＯＳトランジスタ５１のゲート端子はＬｏｗレベルであるが、発電電圧ＶＧＥＮよりも高い蓄電電圧ＶＳＴＯであるため、ＮＭＯＳトランジスタ５１は確実にＯＦＦする保証は無い。しかし、ＮＭＯＳトランジスタ５２がＯＦＦとなるため全体の動作に支障は無い。

最後に、比較器３、レベル変換器４、定電圧出力手段６の回路構成について一例を示す。
定電圧出力手段６の回路構成の一例を図４に示す。定電圧出力手段６は、例えば基準電圧回路６１、増幅器６２、ブリーダ抵抗６３、出力ドライバ６４から構成される。出力電圧を過充電防止電圧ＶＬＩＭになるように基準電圧回路６１の出力電圧とブリーダ抵抗の比を調整する。このように構成された定電圧出力手段６は、発電電圧ＶＧＥＮが定電圧出力Ｖ１である過充電防止電圧ＶＬＩＭよりも低いときはＶ１＝ＶＬＩＭとなり、発電電圧ＶＧＥＮが過充電防止電圧ＶＬＩＭよりも高いときはＶ１＝ＶＧＥＮとなり、所望の動作を実現できる。

比較器３、レベル変換器４の回路構成の一例を図５に示す。比較器３は、例えば差動対にＰＭＯＳトランジスタ３１、３２を、差動対の負荷回路にＮＭＯＳトランジスタ３３、３４を、バイアス電流源として電流源３５を備える。レベル変換器４は、例えば比較器３の入力をＮＭＯＳトランジスタ４１、抵抗４２で構成されるソース接地段で受けその出力をインバータ４３、４４で波形整形する。インバータ４３は接地電圧ＶＤＤと蓄電電圧ＶＳＴＯで駆動され、Ｌｏｗレベルが蓄電電圧ＶＳＴＯである信号ＶＳＷ１を出力し、インバータ４４は接地電圧ＶＤＤと発電電圧ＶＧＥＮで駆動され、Ｌｏｗレベルが発電電圧ＶＧＥＮである信号ＶＳＷ２を出力する。
抵抗４２は初期電圧固定手段として動作し、抵抗に限らずデプレッショントランジスタを用いてもよい。

以上により、第一の実施形態の充電システムにおいて、蓄電手段の電力消費をゼロに抑え、過充電防止機能を備えた充電効率の良い充電システムを備える半導体装置を提供することが出来る。

なお、実施形態の説明において前提条件として、高電位側を接地電位とし、発電手段１は負電圧を発電し、蓄電手段２は負電圧を蓄電する状況での説明を行なったが、低電位側を接地電位とし、発電手段１は正電圧を発電し、蓄電手段２は正電圧を蓄電する場合も本発明の範囲とする。

＜第二の実施形態＞
図８に、本発明の第二の実施形態の充電システムを備える半導体装置のブロック図を示す。第二の実施形態の充電システムは、発電手段１と、蓄電手段２と、比較器３と、レベル変換器４と、スイッチ手段５と、クランプ回路７とを備えている。

第一の実施形態との相違点は、クランプ回路７によって過充電を防止するように構成したので、比較器３に発電電圧ＶＧＥＮを直接入力した点である。すなわち、定電圧出力手段６を必要としない。更に、スイッチ手段５はＮＭＯＳトランジスタ５１のみで構成可能である。

図９は、第二の実施形態の充電システムの動作説明図である。
ｔ０からｔ４に時間が進むにつれ、発電手段１が負電圧を発電し、電圧が下がる様子を示している。電圧ＶＡは、比較器３の最低動作電圧である。

ｔ０〜ｔ１の期間は、発電電圧ＶＧＥＮが電圧ＶＡより高いため、比較器３は動作できず、比較器３の出力は不定となる。レベル変換器４は、このときＬｏｗレベルを出力し、ＮＭＯＳトランジスタ５１はＯＦＦする。
ｔ１〜ｔ２の期間は、発電電圧ＶＧＥＮが電圧ＶＡより低くなるため、比較器３は動作を開始する。このとき、発電電圧ＶＧＥＮは蓄電電圧ＶＳＴＯよりも高いため、比較器３の判定によりレベル変換器４はＬｏｗレベルを出力し、ＮＭＯＳトランジスタ５１はＯＦＦしている。

従って、ｔ０〜ｔ２の期間は、ＮＭＯＳトランジスタ５１がＯＦＦしているので、蓄電手段２から発電手段１へ逆流電流は流れない。
ｔ２〜ｔ３の期間は、発電電圧ＶＧＥＮが蓄電電圧ＶＳＴＯよりも低いので、比較器３の判定によりＮＭＯＳトランジスタ５１はＯＮする。しかし、蓄電電圧ＶＳＴＯと発電電圧ＶＧＥＮの差の絶対値｜ＶＳＴＯ−ＶＧＥＮ｜がＮＭＯＳトランジスタ５１のオン抵抗に発生する電圧ＶＲＯＮ未満であるため充電電流は流れず、非充電状態である。

ｔ３〜ｔ４の期間は、発電電圧ＶＧＥＮが蓄電電圧ＶＳＴＯよりも低く、蓄電電圧ＶＳＴＯと発電電圧ＶＧＥＮの差の絶対値｜ＶＳＴＯ−ＶＧＥＮ｜がＮＭＯＳトランジスタ５１のオン抵抗に発生する電圧ＶＲＯＮを超えるため、充電電流が流れる。すなわち、蓄電手段２が充電される充電状態である。

ここで、レベル変換器４の動作について説明する。図８で、比較器３の出力端子をＮ１、レベル変換器４の出力端子をＮ３とする。ｔ０〜ｔ２の期間では、ＮＭＯＳトランジスタ５１をＯＦＦにするために、レベル変換器４はＬｏｗレベルを出力する必要がある。従って、レベル変換器４は不定レベルが入力されるときは、Ｌｏｗレベルを出力しなければならない。また、蓄電電圧ＶＳＴＯは発電電圧ＶＧＥＮよりも低いので、ＮＭＯＳトランジスタ５１をＯＦＦするためには、比較器３の出力をレベル変換器４で蓄電電圧ＶＳＴＯの電圧レベルに変換する。
ここで、比較器３は発電電力で駆動されるので、蓄電電力の電力消費をおさえることができる。

以上のように構成することにより、第二の実施形態の充電システムは、蓄電手段の電力消費をゼロに抑えた充電効率の良い充電システムを備える半導体装置を提供することが出来る。

１ 発電手段
２ 蓄電手段
３ 比較器
４ レベル変換器
５ スイッチ手段
６ 定電圧出力手段
７ クランプ回路
３１、３２ ＰＭＯＳトランジスタ
３３、３４ ＮＭＯＳトランジスタ
３５ 電流源
４１ ＮＭＯＳトランジスタ
４２ 抵抗
４３、４４ インバータ
５１、５２ ＮＭＯＳトランジスタ
５３、５４ 寄生ダイオード
６１ 基準電圧回路
６２ 増幅器
６３ ブリーダ抵抗
６４ 出力ドライバ

Claims (5)

1. 電力を供給する発電手段と、
   前記発電手段の電力を蓄電する蓄電手段と、
   前記発電手段の電力を前記蓄電手段に充電する為の充電経路に設けられたスイッチ手段と、
   前記発電手段の電力で駆動され、参照電圧と前記蓄電手段の蓄電電圧を比較する比較器と、
   前記比較器と前記スイッチ手段の間に設けられ、前記比較器の判定結果を前記発電手段の発電電圧から前記蓄電電圧へ電圧レベル変換し、前記スイッチ手段へ伝えるレベル変換器と、
   を備えることを特徴とする充電システムを備える半導体装置。
2. 前記参照電圧は、前記発電手段の発電電圧である
   ことを特徴とする請求項１に記載の充電システムを備える半導体装置。
3. 前記参照電圧は、定電圧出力手段が出力する定電圧である
   ことを特徴とする請求項１に記載の充電システムを備える半導体装置。
4. 前記定電圧出力手段は、
   前記発電電圧が過充電防止電圧未満の場合は、前記定電圧は前記発電電圧と同レベルの電圧であり、
   前記発電電圧が前記過充電防止電圧以上の場合は、前記定電圧は前記過充電防止電圧と同レベルの電圧である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の充電システムを備える半導体装置。
5. 前記スイッチ手段は、
   バックゲート端子と一方の拡散端子とを前記蓄電手段側へ接続された第１ＭＯＳトランジスタと、
   バックゲート端子と一方の拡散端子とを前記発電手段側へ接続し、他方の拡散端子は前記第１ＭＯＳトランジスタの他方の拡散端子に接続される第２ＭＯＳトランジスタと、
   で構成され、
   前記レベル変換器は、
   前記判定結果に応じて接地電圧または前記蓄電電圧を出力する第１出力端子と、
   前記判定結果に応じて接地電圧または前記発電電圧を出力する第２出力端子と、
   を有し、
   前記第１出力端子は前記第１ＭＯＳトランジスタのゲート端子と接続され、
   前記第２出力端子は前記第２ＭＯＳトランジスタのゲート端子と接続される、
   ことを特徴とする請求項３または４に記載の充電システムを備える半導体装置。

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