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JP7039124B2 - 充放電制御装置、及びバッテリ装置 - Google Patents

充放電制御装置、及びバッテリ装置 Download PDF

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Description

本発明は、充放電制御装置、及びバッテリ装置に関する。
図３に、従来のバッテリ装置のブロック図を示す。従来のバッテリ装置は、二次電池１と、過充電検出回路３１と、過放電検出回路３２と、充電制御回路３３と、放電制御回路３４と、基準電流回路３７と、コンパレータ３８と、充電ＦＥＴＱ１と、放電ＦＥＴＱ２と、第一の基準ＦＥＴＱ３と、第二の基準ＦＥＴＱ４と、外部端子Ｔ１及びＴ２とを備えている。
基準電流回路３７は、第一の基準ＦＥＴＱ３と第二の基準ＦＥＴＱ４に基準電流を流して、第一の基準ＦＥＴＱ３のソースに過電流検出電圧を発生させる。コンパレータ３８は、充電ＦＥＴＱ１と放電ＦＥＴＱ２に発生した放電電流による電圧と過電流検出電圧を比較して、バッテリ装置の放電過電流を検出する。
ここで、第一の基準ＦＥＴＱ３及び第二の基準ＦＥＴＱ４は、充電ＦＥＴＱ１及び放電ＦＥＴＱ２とそれぞれ同じ温度特性、及びソース・ゲート電圧特性を有している。このように構成したバッテリ装置は、温度変動や二次電池１の電圧変動による影響を確実に補償して、高精度に過電流を検出することが出来る（例えば、特許文献１参照）。
特開２００９―１３１０２０号公報
バッテリ装置では、充電ＦＥＴＱ１及び放電ＦＥＴＱ２のオン抵抗を低くするためにトレンチ構造のＭＯＳＦＥＴを採用することがある。この場合、第一の基準ＦＥＴＱ３及び第二の基準ＦＥＴＱ４もトレンチ構造のＭＯＳＦＥＴにすると、ドレインが共通という構造上の制約によって、図３の回路のように構成することが困難である、という課題がある。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、充電ＦＥＴＱ１及び放電ＦＥＴＱ２をトレンチ構造など縦型のＭＯＳＦＥＴで構成しても、温度変動や二次電池１の電圧変動による影響を確実に補償して、高精度に過電流を検出することが出来る充放電制御装置及びバッテリ装置を提供するものである。
本発明の充放電制御装置は、
二次電池の電圧及び電流を監視して二次電池の充放電を制御する充放電制御装置であって、
前記二次電池と外部端子の間の電流経路に設けられ、互いのドレインが接続された充電制御ＦＥＴ及び放電制御ＦＥＴと、
前記充電制御ＦＥＴとドレイン及びゲートが接続された放電基準ＦＥＴと、
前記二次電池の一端が接続される第一の電源端子と、前記二次電池の他端と前記放電制御ＦＥＴのソースが接続される第二の電源端子と、前記充電制御ＦＥＴのゲートが接続される充電制御端子と、前記放電制御ＦＥＴのゲートが接続される放電制御端子と、前記放電基準ＦＥＴのソースが接続される放電過電流基準端子と、前記充電制御ＦＥＴのソースが接続される放電過電流検出端子と、を有する充放電制御回路と、を備え、
前記充放電制御回路は、前記第一の電源端子と前記充電過電流基準端子の間に接続される定電流回路を含み、前記放電過電流基準端子の電圧に基づく放電過電流基準電圧と前記放電過電流検出端子の電圧によって放電過電流を監視する放電過電流検出回路と、前記放電過電流検出回路の信号によって前記放電制御ＦＥＴを制御する信号を出力する制御回路と、を有することを特徴とする。
本発明の充放電制御装置によれば、充放電制御ＦＥＴに縦型のＭＯＳＦＥＴを採用しても、同様の縦型のＭＯＳＦＥＴの放電基準ＦＥＴを構成することが出来るので、温度変動や二次電池の電圧変動による影響を確実に補償して、高精度に過電流を検出することが出来る。これにより、高精度に過電流を検出することが出来るバッテリ装置を提供することが可能となる。
本発明の実施形態のバッテリ装置を示すブロック図である。 本実施形態のバッテリ装置の他の例を示すブロック図である。 従来のバッテリ装置を示すブロック図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態のバッテリ装置１００を示すブロック図である。バッテリ装置１００は、二次電池１と、充放電制御装置２とを備えている。充放電制御装置２は、充放電制御回路１０と、ＦＥＴ回路２０と、外部端子Ｐ＋及びＰ－とを備えている。
二次電池１は、正極端子が外部端子Ｐ＋に接続される。充放電制御回路１０は、第１の電源端子Ｖｄｄが二次電池１の正極端子に接続され、第２の電源端子Ｖｓｓが二次電池１の負極端子に接続され、充電制御端子ＣＯがＦＥＴ回路２０の端子ＣＧに接続され、放電制御端子ＤＯがＦＥＴ回路２０の端子ＤＧに接続され、放電過電流検出端子ＶＭが抵抗５を介してＦＥＴ回路２０の端子Ｓ２に接続され、充電過電流基準端子ＶＲＣがＦＥＴ回路２０の端子Ｓ３に接続され、放電過電流基準端子ＶＲＤがＦＥＴ回路２０の端子Ｓ４に接続される。ＦＥＴ回路２０は、端子Ｓ１が二次電池１の負極端子に接続され、端子Ｓ２が外部端子Ｐ－に接続される。
充放電制御回路１０は、制御回路１１と、定電流回路１２及び１４と、比較回路１３及び１５と、を備えている。定電流回路１２は、第１の電源端子Ｖｄｄと充電過電流基準端子ＶＲＣの間に接続されている。定電流回路１４は、第１の電源端子Ｖｄｄと放電過電流基準端子ＶＲＤの間に接続されている。比較回路１３は、第一の入力端子が第２の電源端子Ｖｓｓに接続され、第二の入力端子が充電過電流基準端子ＶＲＣに接続され、出力端子が制御回路１１に接続される。比較回路１５は、第一の入力端子が放電過電流検出端子ＶＭに接続され、第二の入力端子が放電過電流基準端子ＶＲＤに接続され、出力端子が制御回路１１に接続される。
定電流回路１２と比較回路１３は、充電過電流を監視する充電過電流検出回路を構成する。定電流回路１４と比較回路１５は、放電過電流を監視する放電過電流検出回路を構成する。
ＦＥＴ回路２０は、放電制御ＦＥＴ２１と、充電制御ＦＥＴ２２と、充電基準ＦＥＴ２３と、放電基準ＦＥＴ２４とを備えている。放電制御ＦＥＴ２１は、ソースが端子Ｓ１に接続され、ゲートが端子ＤＧに接続される。充電制御ＦＥＴ２２は、ソースが端子Ｓ２に接続され、ゲートが端子ＣＧに接続される。充電基準ＦＥＴ２３は、ソースが端子Ｓ３に接続され、ゲートが端子ＤＧに接続される。放電基準ＦＥＴ２４は、ソースが端子Ｓ４に接続され、ゲートが端子ＣＧに接続される。全てのＦＥＴは、ドレインが共通に接続されている（ノードＤと称する）。
ここで、放電制御ＦＥＴ２１及び充電制御ＦＥＴ２２は、オン抵抗を低くするためにトレンチ構造のＭＯＳＦＥＴで構成される。そして、充電基準ＦＥＴ２３及び放電基準ＦＥＴ２４は、放電制御ＦＥＴ２１及び充電制御ＦＥＴ２２と特性を併せるためにトレンチ構造のＭＯＳＦＥＴで構成する。そして、例えば、充電基準ＦＥＴ２３と放電制御ＦＥＴ２１のチャネル幅の比を１：１００００００として、定電流回路１２の電流と充電過電流の比も同様にする。放電過電流に関しても同様にする。
次に、上記のように構成されたバッテリ装置１００の動作について説明する。
二次電池１の電圧が過放電電圧より高く過充電電圧より低いとき、制御回路１１は充電制御端子ＣＯと放電制御端子ＤＯからハイレベルの信号を出力する。放電制御ＦＥＴ２１及び充電制御ＦＥＴ２２は、端子ＤＧ及び端子ＣＧを介してハイレベルの信号をゲートに印加されるのでオンする。充電基準ＦＥＴ２３及び放電基準ＦＥＴ２４は、放電制御ＦＥＴ２１及び充電制御ＦＥＴ２２とゲートが共通なので同様にオンする。
充電過電流基準端子ＶＲＣの電圧は、ノードＤを基準とした充電基準ＦＥＴ２３のオン抵抗と定電流回路１２の電流に基づく充電過電流基準電圧になる。第二の電源端子Ｖｓｓの電圧は、ノードＤを基準とした放電制御ＦＥＴ２１のオン抵抗と第１の外部端子Ｐ＋と第２の外部端子Ｐ－に接続された図示しない充電器の充電電流に基づく電圧になる。比較回路１３は、第一の入力端子に入力される第二の電源端子Ｖｓｓの電圧と第二の入力端子に入力される充電過電流基準端子ＶＲＣの電圧によって充電過電流を監視する。即ち、比較回路１３は、第二の電源端子Ｖｓｓの電圧が充電過電流基準端子ＶＲＣの電圧を上回ると充電過電流を検出して、充電過電流検出信号を出力する。
放電過電流基準端子ＶＲＤの電圧は、ノードＤを基準とした放電基準ＦＥＴ２４のオン抵抗と定電流回路１４の電流に基づく放電過電流基準電圧になる。放電過電流検出端子ＶＭの電圧は、ノードＤを基準とした充電制御ＦＥＴ２２のオン抵抗と第１の外部端子Ｐ＋と第２の外部端子Ｐ－に接続された図示しない負荷に流れる放電電流に基づく電圧になる。比較回路１５は、第一の入力端子に入力される放電過電流検出端子ＶＭの電圧と第二の入力端子に入力される放電過電流基準端子ＶＲＤの電圧によって放電過電流を監視する。即ち、比較回路１５は、放電過電流検出端子ＶＭの電圧が放電過電流基準端子ＶＲＤの電圧を上回ると放電過電流を検出して、放電過電流検出信号を出力する。
ここで、充電基準ＦＥＴ２３及び放電基準ＦＥＴ２４は、放電制御ＦＥＴ２１及び充電制御ＦＥＴ２２と同様にトレンチ構造のＭＯＳＦＥＴで構成しているので、温度変動や二次電池の電圧変動による影響を確実に補償して、高精度に過電流を検出することが出来る。
また、ＦＥＴ回路２０は、トレンチ構造を必要としない充放電制御回路１０と異なる半導体基板上に構成しても良い。即ち、充放電制御装置２は、充放電制御回路１０を搭載する半導体装置とＦＥＴ回路２０を搭載する半導体装置によって構成する。このように構成することによって、充放電制御装置２の製造コストを低く抑えることが可能になる。
図２は、本実施形態のバッテリ装置１００の他の例を示すブロック図である。
充放電制御回路１０は、放電過電流検出回路と充電過電流検出回路に夫々定電流回路１２及び１４を備えている。図２に示すバッテリ装置１００は、低消費電流にする必要がある場合に有効な回路例である。
図２に示す充放電制御回路１０は、放電過電流検出端子ＶＭの電圧と第２の電源端子Ｖｓｓの電圧を比較する比較回路１６と、定電流回路１２と充電過電流基準端子ＶＲＣの間に接続されたスイッチ１７と、定電流回路１４と放電過電流基準端子ＶＲＤの間に接続されたスイッチ１８とを備えている。
比較回路１６は、第１の外部端子Ｐ＋と第２の外部端子Ｐ－に充電器が接続され、充電電流が流れたことによって、放電過電流検出端子ＶＭの電圧が電源端子Ｖｓｓの電圧より低くなることを利用して、二次電池１が充電されていることを検出して制御回路１１に充電電流検出信号を出力する。制御回路１１は、充電電流検出信号に応じてスイッチ１７とスイッチ１８に制御信号を出力する。即ち、充電電流が流れているときにはスイッチ１７をオン、スイッチ１８をオフして充電過電流を検出し、充電電流が流れていないときにはスイッチ１７をオフ、スイッチ１８をオンして放電過電流を検出する。従って、図２に示す充放電制御回路１０は、定電流回路１２と定電流回路１４のどちらかの電流しか流れないので、消費電流を少なくすることが出来る。
なお、図２においてスイッチ１７及びスイッチ１８の位置は、この回路に限定されること無く、定電流回路１２及び定電流回路１４の電流経路のどこに接続されても良い。また、共通の定電流回路をスイッチで切替えて、放電過電流検出回路または充電過電流検出回路に流すようにしても良い。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態においては、放電過電流と充電過電流の両方を検出する構成例を説明したが、放電過電流のみ充電過電流のみの構成でも良い。また例えば、上記実施形態においては、ＦＥＴ回路２０としてＮチャネルＦＥＴを用いた例を説明したが、ＰチャネルＦＥＴを用いて論理を反転させた回路構成を用いることも可能である。
１ 二次電池
２ 充放電制御装置
１０ 充放電制御回路
１１ 制御回路
１２、１４ 定電流回路
１３、１５ 比較回路
２０ ＦＥＴ回路
２１ 放電制御ＦＥＴ
２２ 充電制御ＦＥＴ
２３ 充電基準ＦＥＴ
２４ 放電基準ＦＥＴ
１００ バッテリ装置
ＣＯ 充電制御端子
ＤＯ 放電制御端子
Ｐ＋ 第１の外部端子
Ｐ－ 第２の外部端子
Ｖｄｄ 第１の電源端子
Ｖｓｓ 第２の電源端子
ＶＭ 放電過電流検出端子
ＶＲＤ 放電過電流基準端子
ＶＲＣ 充電過電流基準端子

Claims (6)

  1. 二次電池の電圧及び電流を監視して二次電池の充放電を制御する充放電制御装置であって、
    前記二次電池の一端に接続される第一の外部端子と、
    第二の外部端子と、
    前記二次電池の他端と前記第二の外部端子と間に設けられ、互いのドレインが接続された充電制御ＦＥＴ及び放電制御ＦＥＴと、
    前記充電制御ＦＥＴのドレインとドレインが接続され、前記充電制御ＦＥＴのゲートとゲートが接続された放電基準ＦＥＴと、
    前記二次電池の一端が接続される第一の電源端子と、前記二次電池の他端と前記放電制御ＦＥＴのソースが接続される第二の電源端子と、前記充電制御ＦＥＴのゲートが接続される充電制御端子と、前記放電制御ＦＥＴのゲートが接続される放電制御端子と、前記放電基準ＦＥＴのソースが接続される放電過電流基準端子と、前記充電制御ＦＥＴのソースが接続される放電過電流検出端子と、を有する充放電制御回路と、を備え、
    前記充放電制御回路は、前記第一の電源端子と前記充電過電流基準端子の間に接続される定電流回路を含み、前記放電過電流基準端子の電圧に基づく放電過電流基準電圧と前記放電過電流検出端子の電圧によって放電過電流を監視する放電過電流検出回路と、前記放電過電流検出回路の信号によって前記放電制御ＦＥＴを制御する信号を出力する制御回路と、を有することを特徴とする充放電制御装置。
  2. 前記充放電制御装置は、前記放電制御ＦＥＴのドレインとドレインが接続され、前記放電制御ＦＥＴのゲートとゲートが接続された充電基準ＦＥＴを備え、
    前記充放電制御回路は、前記充電基準ＦＥＴのソースが接続される充電過電流基準端子と、前記充電過電流基準端子の電圧に基づく充電過電流基準電圧と前記第二の電源端子の電圧によって充電過電流を監視する充電過電流検出回路と、を有し、
    前記制御回路は、前記充電過電流検出回路の信号によって前記充電制御ＦＥＴを制御する信号を出力する
    ことを特徴とする請求項１に記載の充放電制御装置。
  3. 前記充電制御ＦＥＴ及び前記放電制御ＦＥＴと前記放電基準ＦＥＴ及び前記充電基準ＦＥＴとは、縦型のＭＯＳＦＥＴである
    ことを特徴とする請求項２に記載の充放電制御装置。
  4. 前記充電制御ＦＥＴ及び前記放電制御ＦＥＴと前記放電基準ＦＥＴ及び前記充電基準ＦＥＴは、前記充放電制御回路と異なる半導体基板上に形成された
    ことを特徴とする請求項３に記載の充放電制御装置。
  5. 前記充放電制御回路は、
    前記放電過電流検出端子の電圧と前記第二の電源端子の電圧を比較し、前記第一の外部端子と前記第二の外部端子の間に充電電流が流れていることを検出すると、前記制御回路に充電電流検出信号を出力する比較回路を有し、
    前記制御回路は、前記充電電流検出信号に応じて前記放電過電流検出回路の電流経路と前記充電過電流検出回路の電流経路を切替える
    こと特徴とする請求項３または４に記載の充放電制御装置。
  6. 前記二次電池と、
    請求項１から５のいずれかに記載の充放電制御装置と、を備えた
    ことを特徴とするバッテリ装置。
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